В статье рассмотрены два типа (первичное и вторичное) регулирования частоты в энергосистеме. С помощью программного комплекса MATLAB Simulink были составлены математические модели изолированной энергосистемы. В первом случае при возникновении скачка нагрузки регулирование частоты выполняется только первичными регуляторами, во втором случае наряду с первичным регулированием выполняется вторичное регулирование частоты. На полученных осциллограммах можно наглядно увидеть различия первичного и вторичного регулирования.
Ключевые слова: первичное регулирование частоты, вторичное регулирование частоты, изолированная система, осциллограмма частоты, небаланс в энергосистеме, MATLAB Simulink.
По мере развития электроэнергетики и промышленности стала очевидна необходимость объединения энергосистем на параллельную работу и производство электроэнергии не отдельно вблизи каждого крупного потребителя, а на центральных электростанциях. Такой способ производства электроэнергии имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как более рациональное использование энергетических ресурсов, поскольку объединение в единую энергосистему позволяет снизить неравномерность загрузки электростанции в течение суток. Снижение затрат на присоединение промежуточных потребителей происходит путем строительства распредустройств и подключения их к уже существующим линиям электропередач, что имеет значительно меньшую стоимость, чем строительство отдельных электростанций вблизи новых крупных потребителей. Повышение надежности энергоснабжения потребителей происходит за счет резерва мощности на других электростанциях в системе, при авариях на объектах генерации.
Однако объединение энергосистем на параллельную работу имеет также ряд сложностей. Одна из основных проблем — это непрерывный контроль за показателями частоты в объединенной энергосистеме и на каждой электростанции, работающей в энергосистеме отдельно.
Значительные отклонения частоты от номинальной установленной в данной энергосистеме могут привести к системной аварии, нарушению в электроснабжении большого числа потребителей. Отклонение частоты в энергосистеме может привести к выходу отдельных генераторов из синхронизма и развитию двухчастотного и впоследствии многочастотного асинхронного режима.
Для предотвращения отклонения частоты в энергосистеме свыше допустимых пределов в электроэнергетике применяется частотное регулирование. Оно может быть ручным (оперативным) или автоматическим. В качестве автоматического регулирования на станциях применяются регуляторы частоты вращения. Каждый генератор, установленный на электростанции, должен быть оснащен регулятором частоты вращения. Данный регулятор имеет измерительный элемент, связанный с валом турбины, реагирующий на изменения частоты вращения турбины. При отклонении частоты вращения турбины данный регулятор воздействует на регулирующие клапаны турбины, тем самым меняя объем рабочего тела (пара, воды и т. д.) поступающего на лопатки турбины, что позволяет регулировать скорость вращения.
Регулирование частоты подразделяется на первичное и вторичное.
Первичное регулирование — процесс изменения мощности электростанций под воздействием систем первичного регулирования, вызванный изменением частоты и направленный на уменьшение этого изменения.
Вторичное регулирование частоты — процесс изменения активной мощности выделенной электростанции для компенсации возникшего небаланса мощности и восстановления частоты.
Таким образом задача первичного регулирования путем изменения величины загрузки генераторов в энергосистеме под воздействием регуляторов частоты вращения — остановить процесс снижения или повышения частоты в энергосистеме после возникновения небаланса. Задача вторичного регулирования — вернуть значения частоты к уровню 50 Гц.
Ввиду сложности понимания процесса первичного и вторичного регулирования составим математические модели эквивалентного генератора и введем изменяющуюся нагрузку. В первом случае генератор будет оснащен только первичным регулированием, во втором случае, наряду с первичным регулированием, будет осуществлено и вторичное регулирование.
Моделирование тепловой энергосистемы без вторичного регулятора частоты.
Рис. 1. Модель тепловой энергосистемы в программе моделирования Simulink без вторичного регулятора частоты
Рис. 2. Осциллограмма значения отклонения частоты энергосистемы без вторичного регулятора частоты
По данным осциллограммы видно, при возникновении небаланса мощности частота в энергосистеме начинает снижаться, однако, под действием первичных регуляторов прекращается снижение частоты, значение отклонения составляет 0,17 Гц. Что обеспечивает нормальную работу энергосистемы.
Моделирование тепловой энергосистемы в программе моделирования Simulink с вторичным регулятором частоты.
Рис. 3. Модель тепловой энергосистемы в программе моделирования Simulink с вторичным регулятором
Рис. 4. Осциллограмма значения отклонения частоты энергосистемы с вторичным регулятором частоты
По данным осциллограммы видно, что под воздействием вторичного регулятора по сравнению с моделью без вторичного регулирования значение частоты установилось на уровне 50 Гц.
Таким образом совместное применение вторичного и первичного регулирования частоты в энергосистеме обеспечивает повышение устойчивости работы энергосистемы, позволяет восстановить уровень частоты в энергосистеме при возникновении различных небалансов и поддерживать его на уровне 50±0,05 Гц в соответствии с Постановлением от 13 августа 2018 г. № 937 Об утверждении правил технологического функционирования электроэнергетических систем для первой синхронной зоны.
Литература:
- Основные технические требования к параллельно работающим энергосистемам стран СНГ и Балтии. Правила и рекомендации по регулированию частоты и перетоков. М.: 2007
- Постановление от 3 августа 2018 г. № 630 Об утверждении требований к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем». М.: 2018
- Меркурьев, А. Г. Автоматическое регулирование частоты и активной мощности: Методические указания к лабораторной работе./ Меркурьев А. Г., Шаргин Ю. М. — Спб: РАО «ЕЭС России», ЦПК, 2000. — 30 с.
