4.6. Выработка реактивной мощности на электростанциях

Главным источником реактивной мощности в ЭЭС являются генераторы электростанций. Изменение выдаваемой реактивной мощности генератора достигается за счет изменения синхронной ЕДС генератора E_г, которая при неучете насыщения прямо пропорциональна току возбуждения генератора I_в.

Генераторы в номинальном режиме работы выдают номинальные активную и реактивную мощность при номинальном cos: S_г ном = P_г ном + jQ_г ном.. Ток возбуждения генератора в этом режиме также равен номинальному значению I_{в ном}. Генераторы выпускаются с номинальным cos, равным 0,8; 0,85 или 0,9.

При работе в часы максимума реактивной нагрузки иногда требуется понижение cos генератора относительно номинального значения (увеличение выдаваемой реактивной мощности). Это достигается за счет снижения вырабатываемой активной мощности. Максимально возможная реактивная мощность генератора при данной активной мощности называется располагаемой реактивной мощностью генератора в режиме перевозбуждения Q⁺_расп и режиме недовозбуждения Q^–_расп.

Рассмотрим векторную диаграмму токов и напряжений синхронного генератора, схема замещения которого изображена на рис 4.12,а. Вначале построим вектор токов и напряжений в номинальном режиме.

По оси абсцисс отложим вектор напряжения на шинах генератора U_г ном и отстающий от него на угол  ток I_{г ном}, рис. 4.12,б. Это соответствует режиму потребления системой активной и реактивной мощности  при отстающем от напряжения токе (индуктивный характер нагрузки ЭЭС). Генератор при этом работает в режиме перевозбуждения и генерирует реактивную мощность.

Построим вектор падения напряжения на сопротивлении генератора x_d (продольное синхронное реактивное сопротивление) и сложим его с вектором U_г ном. Вектор падения напряжения будет ориентирован под углом в 90 к вектору I_{г ном}, опережая его. Сумма векторов U_г ном и U даст вектор ЭДС генератора E_{г ном}.

Рис. 4.12. Схема замещения (а) и векторная диаграмма синхронного генератора (б)

В соответствии с диаграммой будем иметь:

 активная мощность ;

 реактивная мощность .

Возможно ли увеличение выдаваемой реактивной мощности генератора при снижении активной мощности? Для ответа на этот вопрос выполним дополнительные построения на диаграмме рис. 4.12,б.

Увеличим угол  до значения ₁, не меняя при этом величину вектора тока I_{г ном}. Новое положение вектора тока обозначим I_г1. При этом:

и ,

а

и .

Действительно, реактивная мощность генератора возросла и ток статора генератора , что не приводит к перегрузке генератора. Выясним, меняется ли в новом режиме ток ротора – ток возбуждения. Ранее его величина была равна I_{в ном} и соответствовала ЭДС генератора E_{г ном}. Построим новый вектор падения напряжения . Длина этого вектора остается прежней, но ориентация изменится. Проведем из точки 0 дугу окружности радиусом U от точки A по часовой стрелке до пересечения с вещественной осью (осью абсцисс). Эта дуга будет годографом вектора U при изменении угла . Построим новый вектор ЭДС генератора E_г1, соединяющий начало координат (точка 0) с концом вектора U₁ (точка B).

Проведем еще одну дугу окружности радиусом E_{г ном} из точки 0 также по часовой стрелке от точки A до пересечения с вещественной осью. Эта дуга показывает верхнюю границу для ЭДС генератора, которую нельзя перейти из-за перегрузки по току обмотки возбуждения генератора. Предельно допустимому току возбуждения в этом режиме соответствует вектор E_г2.

Таким образом, из-за перегрузки обмотки возбуждения новый режим с исходными условиями невозможен. Однако все же увеличение выдаваемо реактивной мощности будет иметь место. Вектору E_г2 соответствует вектор падения напряжения U₂, который соединяет точки 0΄ и C, Этот вектор опережает на 90 вектор тока генератора I_г2. По величине ток I_г2 меньше тока I_{г ном} и отстает от напряжения U_г ном на угол ₂ (₁ > ₂ > ).

Проекция тока I_г2 на вещественную ось I_г2 определяет активную мощность P_г2 = P_г1, а проекция на мнимую ось I_г2 – реактивную мощность и Q_г2 > Q_{г ном}.

Приведенные рассуждения показывают, что при определении располагаемой реактивной мощности генератора при перевозбуждении решающее значение имеет ограничение по току ротора – ограничение перегрузки (ОП).

В режиме недовозбуждения генератор потребляет реактивную мощность из сети. В этом режиме при снижении тока возбуждения возможно нарушение статической устойчивости генератора. Кроме того, у турбогенератора вследствие изменения взаимодействия магнитных полей статора и ротора значительно нагреваются торцевые зоны статора, что ограничивает минимально возможную величину тока возбуждения. Для гидрогенераторов при низких токах возбуждения и режимов, близких к холостому ходу, возможен режим самовозбуждения из-за резонансных явлений, связанных с обменом энергией магнитного поля гидрогенератора и электрического поля высоковольтных линий, присоединенных к электростанции. Все перечисленное, так или иначе, определяет нижнюю границу тока возбуждения генератора и величины располагаемой реактивной мощности генератора в режиме недовозбуждения – ограничение минимального возбуждения (ОМВ).

Рассмотренные ограничения на располагаемую реактивную мощность синхронного генератора хорошо иллюстрируются на диаграмме мощностей синхронной машины, которая строится в координатах P_г и Q_г, рис. 4.13.

По оси абсцисс откладывается активная мощность, а по оси ординат реактивная мощность: в положительном направлении  в режиме перевозбуждения (генерация – емкостная мощность относительно сети), а в отрицательном направлении  в режиме недовозбуждения (потребление – индуктивная мощность относительно сети).

Точка A соответствует номинальному режиму работы генератора (точка A на векторной диаграмме рис. 4.12). При снижении активной мощности до значения P_г1 ограничение по току статора позволило бы увеличить выдаваемую реактивную мощность до значения Q_г1 (точка B), однако при этом I_в1 > I_{в ном} и максимально возможной оказывается выдача реактивной мощности Q₂, что соответствует точке C на диаграмме мощностей. Ограничение перегрузки (ОП) ротора является геометрическим местом точек, для которых I_в = I_{в ном}.

Аналогично для режима недовозбуждения генератора имеется кривая – ограничение минимального возбуждения (ОМВ), которую вектор Sг не может пересечь. Максимально возможная величина потребляемой реактивной мощности генератора при данной активной мощности соответствует вектору полной мощности, конец которого лежит на кривой ОМВ.

Рис. 4.13. Диаграмма мощностей синхронного генератора

На диаграмме показаны точки максимально возможных значений Q⁺_г х и Q^–_г х – это располагаемые мощности, соответственно в режиме перевозбуждения и недовозбуждения при холостом ходе генератора. Однако, как было сказано ранее, работа тепловых турбин невозможна при малых мощностях. На ГЭС режим холостого хода гидрогенераторов часто используется для выдачи реактивной мощности в сеть – гидрогенераторы переводятся в так называемый режим синхронного компенсатора.

Рассмотренные диаграммы построены при U_гном, а так как напряжение генератора допускается изменять в пределах 5 %, то при других напряжениях построенные характеристики будут несколько смещены относительно показанного положения. На рис. 4.13 показано, что мощность турбины больше номинальной мощности генератора. В некоторых случаях допускается увеличивать выдаваемую активную мощность генератора свыше номинальной и тогда на участке AD диаграммы мощностей ограничением располагаемой реактивной мощности будет дуга окружности, проведенная для максимального тока статора.

Для определения располагаемой реактивной мощности генератора при заданной активной мощности достаточно вычислить ординату для этой мощности, соответствующие точкам, лежащим на ОП – Q⁺ или ОМВ – Q^–.