Представление нагрузки при расчетах устойчивости систем электроснабжения

Узлами нагрузки называются точки СЭС, в которых происходят отбор и распределение мощности для питания групп потребителей электрической энергии (электродвигатели, осветительные установ­ки, печи, конденсаторные установки и др.) с различными конструк­тивными характеристиками и режимами работы.

При расчетах устойчивости СЭС в зависимости от особенностей решаемой задачи нагрузки могут представляться в схемах заме­щения различными расчетными моделями. Полнота математиче­ского описания электрической нагрузки оказывает существенное влияние на результаты расчетов электромеханических переход­ных процессов. При определении полноты учета нагрузки исходят из необходимости обеспечения требуемой точности конечных ре­зультатов, стремления сократить объемы исходной информации и вычислений.

На режим электропотребления и на устойчивость узлов нагруз­ки СЭС оказывают влияние состав электроприемников и их пара­метры. Наиболее широкое распространение в СЭС получили следую­щие характерные группы электроприемников:

1. Силовые общепромышленные установки. К ним относятся ком­прессоры, вентиляторы, насосы, подъемно-транспортные устрой­ства. Электродвигатели компрессоров, вентиляторов и насосов работают, как правило, в продолжительном режиме и изготавли­ваются мощностью от нескольких сот ватт до тысяч киловатт на напряжение от 0,22 до 10 кВ. Перерывы в электроснабжении и на­рушения устойчивости могут повлечь за собой опасность для жиз­ни людей, серьезные нарушения технологического процесса или повреждение оборудования. В электроприводе мощных насосов, компрессоров и вентиляторов применяют главным образом синхрон­ные двигатели, работающие с опережающим коэффициентом мощности. Подъемно-транспортные устройства работают в повторно-кратковременном режиме, для которого характерны резкие изме­нения (толчки) нагрузки.

2. Электродвигатели производственных механизмов. Этот вид электрической нагрузки встречается на всех промышленных пред­приятиях. В электроприводе современных станков применяются как синхронные, так и асинхронные двигатели. Мощность их чре­звычайно разнообразна и изменяется от долей до сотен киловатт и больше. Нередко применяются электродвигатели постоянного тока в сочетании с выпрямительными установками. Нарушения электроснабжения или устойчивости такой нагрузки приводят обыч­но к экономическому ущербу.

3. Электрические осветительные установки. Они представляют собой однофазную нагрузку, создающую несимметрию параметров: СЭС. Однако путем равномерного распределения этой нагрузки между фазами достигают устранения возможной несимметрии. Ос­ветительная нагрузка характеризуется отсутствием резких изме­нений и зависит от географического местонахождения объектов освещения, времени года и суток.

4. Преобразовательные установка. Предназначены для преоб­разования трехфазного тока в постоянный или в трехфазный либо в однофазный ток пониженной либо повышенной по сравнению с 50 Гц частоты. Преобразовательные установки бывают различных типов и служат для питания двигателей ряда машин и механизмов, электролизных ванн, внутрипромышленного электрического тран­спорта, электрофильтров, электросварочных и индукционных ус­тановок и др. Мощность преобразовательных устройств для внут­рипромышленного электрического транспорта (откатка, подъем, различные виды перемещения грузов) находится в пределах от со­тен до тысяч киловатт. Нарушение устойчивости режимов питания приемников этой группы вызывает серьезные технологические ос­ложнения в работе предприятий и значительные экономические ущербы.

5. Электротехнологические установки. Потребители этой груп­пы делятся на электротермические, электросварочные, электро­лизные, электрофизической и электромеханической обработки, электроаэрозольной технологии. Режимы работы электротехноло­гических установок оказывают существенное влияние на устойчи­вость СЭС [10], что предопределяет необходимость учета их в рас­четах переходных процессов.

Резкопеременные режимы работы дуговых печей прямого на­грева для плавки стали и электросварочных установок вызывают колебания напряжения и влияют на устойчивость работы свето­технических устройств, радио- и телевизионной аппаратуры, вы­числительной техники и др. Такие режимы могут вызывать ложное срабатывание средств защиты и автоматики, а также нарушение устойчивости синхронных и асинхронных двигателей.

При нелинейной нагрузке, когда к узлу подключены вентиль­ные преобразователи электролиза, индукционные и другие установки, в сети генерируются высшие гармоники тока, перегружаются конденсаторные батареи. Это приводит к появлению дополнитель­ных потерь мощности в элементах СЭС и к снижению запаса ее ста­тической и динамической устойчивости. Аналогичными послед­ствиями характеризуется также несимметричная нагрузка электро­шлаковых печей, электросварочных и индукционных установок. Использование на промышленных предприятиях полупровод­никовых преобразователей, дуговых печей прямого нагрева для плавки стали, электросварочных установок вызывает большую потребность в реактивной мощности. Поэтому при анализе электро­механических переходных процессов необходимо учитывать влияние реактивной мощности на устойчивость уз­лов электрических нагрузок.

Применение разнообразных потребителей электрической энергии, характеризующихся различной степенью воздействия на режимы электропотребления, требует всестороннего анализа и учета свойств электроприемников в процессе проектирования и эксплуатации СЭС. При этих условиях представляется воз­можным определить влияние нагрузки на устойчивость СЭС и выбрать наиболее экономичные способы и сред­ства ее повышения.

Рис. 37. Состав про­стейшего узла нагруз­ки

В практике исследования электромеханических переходных процессов используют комплексные расчетные модели нагрузки, которые описывают простейшую одноузловую схему (рис. 37). Зги модели позволяют воспроизвести основные особенности пере­ходных процессов в электродвигателях и учесть влияние других электроприемников. Комплексные расчетные модели нагрузки включают в себя уравнения эквивалентных асинхронного и синхронного двигателей, а также статической нагрузки.

Под статической нагрузкой z_cт понимают нагрузку, создавае­мую электроприемниками, в которых отсутствует вращающееся магнитное поле: электрическое освещение, электропечи и другие электротехнологические установки, а также коммунально-бытовые приборы. К статической нагрузке относятся также конденсаторные батареи, емкость ВЛ и КЛ, индуктивные и активные сопротивле­ния элементов сети, которые создают потери в сопротивлениях, потери намагничивание трансформаторов, рассеяние и др. Зна­чение z_cт в общем случае зависит от напряжения.

Что касается двигательной нагрузки, то она математически опи­сывается по-разному в зависимости от числа электродвигателей, входящих в состав узла нагрузки:

1) в узлах нагрузки с малым числом электродвигателей каждый из них учитывается своими уравнениями и параметрами движения и непосредственно вводится в расчет;

2) в узлах нагрузки, включающих в себя группы различных электродвигателей, относящихся к одному производству, группы заменяются небольшим числом эквивалентных электродвигателей с параметрами, которые рассчитываются по определенным правилам на основании данных о реальных двигателях;

3) крупные узлы нагрузки описываются с использованием ряда конкретных данных о составе нагрузки и параметрах питающей сети, а также исходной информации, полученной в результате ве­роятностно-статистического анализа.

При расчетах устойчивости крупных узлов нагрузки одним из важных факторов является взаимное влияние электродвигателей, причем точность расчетов практически не снижается, если в урав­нения, описывающие каждый электродвигатель, ввести ряд упро­щений. Например, можно пренебречь потерями в статоре электро­двигателя и считать потребляемую из сети активную мощность рав­ной электромагнитной мощности двигателя. При постоянной частоте питающего напряжения эта мощность пропорциональна вра­щающему моменту двигателя. Все виды механических потерь можно относить к приводному механизму. Можно вообще исключить из рассмотрения ряд составляющих переходного процесса синхрон­ных и, главным образом, асинхронных двигателей.

При таких упрощениях уравнения движения электродвигателей, используемые при описании крупных узлов нагрузки, могут отли­чаться от уравнений, по которым рассчитываются электромехани­ческие переходные процессы в одиночных электродвигателях. Од­нако это не вносит существенных погрешностей в конечные резуль­таты инженерных расчетов устойчивости нагрузки СЭС.

Для повышения точности расчетов за счет более детального учета всех основных особенностей потребителей и распределитель­ной сети применяют многоэлементные комплексные модели. В за­висимости от поставленной задачи и структуры нагрузки расчет­ная схема нагрузки может содержать различное число узлов, электродвигателей и других потребителей. Чем меньше протяженность распределительной сети и чем больше однородность нагрузки, тем проще ее расчетная модель.

Иногда нагрузку моделируют в виде постоянного сопротивле­ния , что упрощает расчеты, но приводит к существенным по­грешностям.

Большинство методик расчетов электромеханических переходных процессов в СЭС основывается на использовании статических и динамических характеристик нагрузки.