Меню

Баланс мощностей при преобразовании энергии



Балансы мощности и энергии энергосистем

Процессы производства и потребления электроэнергии в энергосистемах в каждый момент времени происходят одновременно. Отсюда – должно иметь место соответствие между расходной частью баланса мощности, к которой относится мощность нагрузок с учетом потерь в сетях и собственных нужд электростанций, и его приходной частью, к которой относится располагаемая мощность электростанций (с учетом обменных перетоков между энергосистемами). Поскольку потребители электроэнергии имеют активно–индуктивную нагрузку, рассматривают балансы активной и реактивной мощности в электроэнергетической системе.

В условиях эксплуатации баланс мощности составляется на каждый час суток (диспетчерский график нагрузки) и на каждый месяц календарного года. При этом производится проверка достаточности в системе мощностей (активной и реактивной) для покрытия ее максимальной нагрузки в суточном, месячном и годовом разрезах.

При проектировании энергосистем баланс мощности составляется для определения суммарного необходимого ввода мощности на электростанциях и обмена потоками мощности с другими энергосистемами. Отличительной чертой здесь является многовариантность расчетов, определяемая различными прогнозами динамики роста или снижения энергопотребления, различными прогнозами развития структуры генерирующих мощностей.

Баланс активной мощности производится для периода прохождения абсолютного годового (зимнего) максимума нагрузки энергосистемы. При наличии в энергосистеме крупных сезонных потребителей электроэнергии или электростанций с сезонным изменением располагаемой мощности (ГЭС, ТЭЦ) производится проверка баланса для весенне–летнего сезона. Для энергосистем с большим удельным весом нерегулируемых по генерируемой мощности электростанций (АЭС) баланс активной мощности составляется и для минимальной нагрузки выходных дней.

Баланс активной мощности рассчитывается по формуле

где – суммарная располагаемая мощность энергосистемы;

– суммарная мощность потребителей в момент прохождения годового максимума.

Форма баланса мощности, используемая при проектировании энергосистем:

№ п/п Наименование
Потребность Совмещенный максимум нагрузки энергосистемы Потери и необходимый резерв Передача мощности в другие системы (экспорт) Итого потребная мощность электростанций (1+2+3)
Покрытие Установленная мощность электростанций Неиспользуемая мощность и резерв (ограничения в использовании) Располагаемая мощность, в том числе ГЭС, КЭС, ТЭЦ (5 – 6) Получение мощности из других систем (импорт) Итого покрытие (7+8) Избыток (+) или дефицит (–) мощности (9 – 4)

Расходная часть баланса мощности (потребность) приводится к той или иной ступени номинального напряжения в зависимости от принадлежности системы к конкретному иерархическому уровню электроснабжения. Для РЭС это приведение обычно осуществляется к шинам 110 кВ, для ОЭС – 220 кВ. При приведении к ступени U расчетная активная мощность определяется путем суммирования нагрузок потребителей с учетом коэффициентов разновременности максимумов , соответствующих всем более низким ступеням напряжения

где – суммарная максимальная мощность потребителей энергосистемы, включая постоянно присоединенную нагрузку смежных районов соседних РЭС за вычетом нагрузки, постоянно присоединенной к смежным районам других РЭС.

При перспективном проектировании, когда точные графики нагрузок потребителей могут быть неизвестны, используют среднестатистические значения коэффициентов разновременности максимумов для конкретных ступеней напряжений: .

Второй составляющей расходной части баланса активной мощности являются суммарные потери мощности при передаче и распределении электроэнергии (потери в ЛЭП и силовых трансформаторах), приближенно оцениваемые как некоторая доля суммарной расчетной мощности:

где – эквивалентный коэффициент, учитывающий потери в сетях всех номинальных напряжений энергосистемы.

К этой же составляющей относят необходимый расчетный резерв активной мощности.

Суммарная эквивалентная нагрузка энергосистемы:

Третья составляющая расходной части баланса – экспортируемая мощность в другие энергосистемы того же иерархического уровня по межсистемным ЛЭП (включая экспорт), выдаваемая в режиме максимальной нагрузки (задается энергообъединением более высокого уровня).

Читайте также:  Редукторный мотоблок с валом отбора мощности

Таким образом, потребная активная мощность энергосистемы

Приходная часть баланса активной мощности (покрытие) формируется на основании технико–экономических расчетов по выбору структуры генерирующих мощностей, т.е. расчетов по обоснованию состава, местоположения, основных параметров (типа, единичной мощности, количества агрегатов), вида используемого топлива и очередности строительства электростанций на рассматриваемую перспективу.

Определение оптимального развития генерирующих мощностей производится в увязке с оптимизацией топливно–энергетического комплекса (ТЭК) страны. В результате оптимизации ТЭК по ЕЭС в целом и каждой ОЭС определяются оптимальные диапазоны суммарных мощностей АЭС, КЭС и ТЭЦ на разных видах органического топлива, общая мощность ГЭС и специализированных пиковых установок, а также оптимальные размеры перетоков мощности и энергии между ОЭС.

В основе формирования приходной части активной мощности энергосистемы лежит суммарная установленная мощность генераторов электростанций энергосистемы как сумма номинальных мощностей генераторов:

где k – число электростанций энергосистемы;

n – число генераторов j–й электростанции;

– установленная мощность j–й электростанции.

Суммарная располагаемая мощность генераторов энергосистемы меньше установленной мощности на значение резервной и неиспользуемой мощности:

Суммарная необходимая резервная мощность предназначена для проведения плановых текущих ремонтов основного оборудования электростанций, а также для покрытия дефицита мощности в системе (оперативный резерв) :

Мощность приближенно оценивается в 4…6 % от . Дополнительного резерва для капитальных ремонтов не предусматривается, т.к. они выполняются в летний период, когда имеются провалы в графике месячных максимальных нагрузок.

Оптимальный оперативный резерв энергосистемы в России составляет 5…10 % от , причем меньшее значение соответствует более крупным энергосистемам.

Причиной неиспользования мощности является в основном неполное освоение в эксплуатации агрегатов, параметры которых не соответствуют номинальным значениям. В целом эта мощность не превышает 1 % от .

Располагаемую мощность генераторов энергосистемы дополнительно уменьшают на суммарную нагрузку собственных нужд электростанций (1–5 % в зависимости от типа и мощности электростанций).

Мощность, выдаваемая с шин электростанций системы:

Полная располагаемая мощность энергосистемы складывается из мощности, выдаваемой генераторами, и мощности, импортируемой из соседних энергосистем:

Баланс активной мощности считается удовлетворительным, если отклонение приходной части баланса от расходной не превышает половины мощности наиболее крупного из вводимых агрегатов. Дефициты или избытки мощности в указанных пределах рассматриваются как случайные отклонения, лежащие в пределах точности прогноза.

Баланс реактивной мощности определяется аналогично условию для активных мощностей. Суммарное потребление реактивной мощности определяется реактивной нагрузкой потребителей и потерями реактивной мощности в линиях и трансформаторах электрических сетей. При этом доля потерь реактивной мощности достаточно высока и достигает 50 % в общем потреблении. Располагаемая реактивная мощность генераторов электростанций составляет 0,5–0,75 квар на 1 кВт установленной мощности и недостаточна для покрытия общей потребности энергосистемы в реактивной мощности. Обеспечение баланса реактивной мощности требует установки непосредственно у потребителей источников реактивной мощности (компенсирующих устройств). В сетях 35–110 кВ передача реактивной мощности влияет на степень падения напряжения в элементах сети и условия регулирования напряжения. В сетях 220 кВ и выше с достаточно протяженными и сильно загруженными ЛЭП обеспечение баланса реактивной мощности является важнейшим условием, гарантирующим статическую устойчивость энергосистемы в нормальных и послеаварийных режимах.

Баланс электроэнергии энергосистем составляется:

· для проверки возможности выработки требуемого количества электроэнергии в течение года электростанциями, учтенными в балансе мощности;

· для определения потребности энергосистемы в топливе;

· для определения потоков энергии между энергосистемами.

Расходная часть баланса энергии складывается из суммарного электропотребления данной энергосистемы (с учетом собственных нужд электростанций и потерь в сетях), расхода энергии на заряд гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) и планируемой передачи электроэнергии в другие энергосистемы.

Читайте также:  Ktm exc 250 tpi мощность

Приходная часть баланса энергии включает в себя выработку электроэнергии всеми электростанциями системы и планируемое получение энергии из других энергосистем. Выработка ГЭС учитывается в балансе по среднему значению за несколько лет.

Для энергосистем с большим удельным весом ГЭС (30 % и более) производится проверка баланса также и для условий гарантированной в условиях маловодного года 95 %–ной обеспеченности выработки электроэнергии гидроэлектростанциями.

Распределение годовой выработки электроэнергии между тепловыми электростанциями производится исходя из их экономичности, обеспеченности ресурсами, стоимости различных видов топлива.

Для приближенных расчетов выработка отдельными типами электростанций может оцениваться по годовым числам часов использования их установленной мощности.

Баланс энергии считается удовлетворительным, если число часов использования среднегодовой располагаемой мощности тепловых электростанций в среднем не превышает 6500 часов. При меньших значениях числа часов использования необходимо предусматривать либо мероприятия по разгрузке электростанций, либо по передаче избытков электроэнергии в смежные энергетические системы.

Источник

Активная, реактивная и полная мощности. Баланс мощностей

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
Пусть напряжение и ток являются синусоидальными функциями времени:

Получим выражение для мгновенной мощности: (2.29)

Из (2.29) следует, мгновенная мощность изменяется с частотой , в два раза превышающей частоту тока и напряжения.

Среднее значение мгновенной мощности за период T называют активной мощностью и обозначают буквой P:

При выводе (2.30) учтено равенство

Учитывая из треугольника сопротивлений (рис.2.15) соотношение и из треугольника проводимостей (рис.2.16) , получаем из (2.30) следующие выражения для активной мощности:

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт) и характеризует необратимое преобразование электрической энергии, которая выделяется в виде теплоты на участках цепи в активных сопротивлениях. В электрических двигателях потребляемая из сети активная мощность преобразуется в механическую мощность (за вычетом потерь в процессе преобразования) и является их основной характеристикой.

Множитель называется коэффициентом мощности. Коэффициент мощности является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств, и повышение его до предельного значения остается одной из основных задач энергосбережения.

Рассмотрим идеальные реактивные элементы (индуктивность и емкость). Активная мощность в этих элементах равна нулю, так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90 o и

В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов. Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.

Преобразуем выражение (2.29) для мгновенной мощности:

где — мгновенная мощность в активном сопротивлении;

— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).

Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью:

где x, b – соответственно реактивные сопротивление и проводимость.
Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр) и расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.

Амплитудное значение суммарной мощности p = p1 + p2 называется полной мощностью. Полная мощность, измеряемая в вольт-амперах (ВА), равна произведению действующих значений напряжения и тока:

Возьмем треугольник сопротивлений (рис.2.15) и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 2.17).

Рис. 2.17

Из треугольника мощностей получим соотношения между мощностями P, Q, S:

Читайте также:  Котел твердотопливный мощностью 1 мегаватт

При расчете электрических цепей комплексным методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока. Для цепи, имеющей активно-индуктивный характер, ток по фазе отстает от напряжения на угол

где — комплекс напряжения; — комплекс тока;
— сопряженный комплекс тока; — сдвиг по фазе между напряжением и током.
Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность, мнимой частью комплексной мощности — реактивная мощность:

Для цепи, имеющей активно-емкостной характер, ток по фазе опережает напряжение .

Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, — положительна, а в цепи с емкостным характером — отрицательна.

При выводе полученных соотношений предполагалось, что на зажимах цепи действует напряжение U. Если к зажимам цепи присоединен идеальный источник синусоидальной ЭДС с действующим значением E, то выражения (2.31)-(2.33), (2.35) для источника имеют следующий вид:

Из закона сохранения энергии следует, что для электрической цепи соблюдается закон баланса активных мощностей: активная мощность, генерируемая источниками, равна активной мощности, потребляемой всеми приемниками.

Покажем, что соблюдается баланс и для комплексных, и, следовательно, для реактивных мощностей. Определим комплексные мощности для схемы (рис.2.7), содержащей идеальный источник синусоидальной ЭДС, последовательно соединенные активные и реактивные сопротивления приемника.

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа, умножим левую и правую части уравнения на сопряженный комплекс тока и учтем свойства произведения комплексно сопряженных чисел:

где — результирующее реактивное сопротивление.

где — полная комплексная, активная и реактивная мощности источника питания.

где активная и реактивная мощности, потребляемые элементами схемы.

Получим уравнение для комплексных мощностей источника и приемника:

Равенство (2.37) выражает баланс комплексных мощностей источника и приемника. При равенстве комплексных чисел равны по отдельности их вещественные и мнимые части, следовательно, уравнение (2.37) можно записать в следующей форме:

Из следует (2.38), что для электрической цепи соблюдается закон баланса реактивных мощностей: реактивная мощность, отдаваемая источниками, равна реактивной мощности, потребляемой всеми приемниками.

Рассмотрим условие передачи источником максимальной мощности при заданном коэффициенте мощности приемника.

В схеме на рис. 2.18 обозначены : — полное, активное и реактивное сопротивления источника ЭДС, — полное, активное и реактивное сопротивления нагрузки.

Рис. 2.18

Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях цепи переменного тока. Активная мощность, выделяемая в нагрузке,

Активная мощность, развиваемая генератором .
Коэффициент полезного действия (КПД) для данной схемы:

Из (2.39) видно, что выделяемая в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален. Последнее имеет место при , т.е. при . Это означает, что реактивные сопротивления источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным, и наоборот:

Установим условие, при котором от источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность:

От источника к нагрузке передается наибольшая мощность, когда

Величина наибольшей мощности

Режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений согласно равенствам (2.41) — согласованием нагрузки с источником.

В согласованном режиме величина КПД составляет:

Половина мощности теряется внутри источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.

Источник