A wattos és meddő teljesítmény szabályozási módja

A 2.3.1.1 ábrán látható helyettesítő kapcsolás alapján mindenekelőtt szerkesszük meg az energia rendszerhez X átviteli reaktancián át csatolt generátor vektorképét. A szerkesztés menete a 2.3.2.1 ábrán követhető. A géphez viszonyítva végtelen rendszer

2.3.2.1. ábra

merev feszültségéből induljunk ki. Az önkényesen felvett nagyságú és φ szögű áramvektor azt jelenti, hogy a generátor a rendszerbe

wattos teljesítményt és

meddő teljesítményt szállít.

Az átviteli reaktancián fellép feszültségesés az áramra merőleges és a rendszer feszültségéhez hozzáadva a generátor pólusfeszültségét határozza meg. A vektorábrán az átviteli reaktancia egyes elemein (XH, Xtr, Xd) fellépő rész-feszültségesések is megtalálhatók, így egyúttal az gyűjtősín feszültség és a generátor k kapocsfeszültsége is leolvasható. Az ábra jobb oldalán külön feltüntettük az

feszültségesést, amit az áram wattos összetevője hoz létre az átviteli reaktancián. A vektorábrából még az a fontos tény is kitűnik, hogy a generátor δ terhelési szöge a rendszer feszültsége és a generátor

p pólusfeszültsége között van. E szög jelentősen nagyobb, mint az p pólusfeszültség és az k

kapocsfeszültség által bezárt δ’ szög.

Az így felépített vektorábrából egy energiarendszerben dolgozó erőmű üzemének és szabályozásának minden fontos tulajdonsága egyszerűen megállapítható. Most vegyük sorra az üzemállapot-változások néhány fontos esetét. Bocsássuk azonban előre, hogy a rendszer feszültsége merev, a wattos teljesítményt a turbina (következő pontban ismertetett) szabályozásával változtatni tudjuk, az p pólusfeszültséget a generátor gerjesztésével módosíthatjuk, továbbá, hogy az X átviteli reaktanciából csak a generátor Xd és a transzformátor Xtr reaktanciája állandó, mivel a hálózati alakzat változásai (karbantartás, hurokbontás stb.) miatt az XH eredő hálózati reaktancia esetén más-más értékű lehet.

a. Növeljük meg a generátor wattos teljesítményét, de ne változtassuk a gerjesztést. Ugyancsak ne változzék az X átviteli reaktancia sem.

A folyamatot a 2.3.2.2 ábrán tudjuk követni, ahol vékony vonalakkal az eredeti állapotot is feltüntettük. A változatlan gerjesztés miatt az p pólusfeszültség nagysága állandó, így vektora csak a berajzolt köríven mozoghat. Ha a wattos teljesítményt növeljük, a generátor az wattos árama ezzel

2.3.2.2. ábra

arányosan nő -re, úgyszintén az p vektor függőleges vetületét jelentő feszültség is -re. Ez p körívén kimetszi a pólusfeszültség új helyzetét, ami a δ terhelési szög nagyságát is meghatározza. Az elfordult p pólusfeszültség és a rendszer merev feszültsége közötti feszültség most már egyértelműen adódik, s az új áram iránya erre szükségszerűen merőleges lesz. S mivel az áram wattos összetevőjét a terhelésváltozás nagysága meghatározta, ebből vektor hossza és annak

meddő összetevője is adódik. Az hányados arányában módosul az eredeti

feszültségesés vektorának hossza

-re. Az ezek által meghatározott kapocsfeszültség és gyűjtősín feszültség új értéke – az ábrából kiolvashatóan – az eredeti állapothoz viszonyítva csökken.

Összefoglalva megállapítható tehát, hogy a rendszerbe dolgozó generátor wattos teljesítményének növelésével:

• megnő a δ terhelési szög,

• csökken a kiadott meddő teljesítmény,

• csökken a kapocsfeszültség és a gyűjtősín feszültség.

A wattos teljesítmény csökkentésekor a következmények iránya értelemszerűen ellentétes lesz.

b. Növeljük meg a generátor gerjesztését, de ne változtassuk a wattos terhelést. Ugyancsak ne változzék az X átviteli reaktancia sem.

Kövessük a szabályozás hatását a 2.3.2.3 ábrán. A gerjesztés fokozásával az pólusfeszültség nagyobb lesz. Minthogy azonban a wattos teljesítmény változatlan, az vektor függőleges vetületét képező

feszültség is az eredeti marad.

2.3.2.3. ábra

E feltétel kijelöli új helyzetét, ez pedig meghatározza az

és ezzel áram erre merőleges irányát. wattos komponense az eredeti , ezzel nagysága, a δ szög és új meddő áramösszetevő vektora azonnal adódik. A generátor kapocsfeszültsége és a gyűjtősín feszültsége az ábrából közvetlenül leolvasható.

A gerjesztés növelésének hatásai tehát:

• csökken a δ terhelési szög,

• megnő a kiadott meddő teljesítmény,

• megnő a kapocsfeszültség és a gyűjtősín feszültsége.

A gerjesztés csökkentésekor természetesen a hatások fordítva érvényesülnek.

Az a. és a b. eset összehasonlítása rávilágít arra a fontos tényre, hogy:

• a wattos terelés változtatása visszahat a meddő teljesítményre és a feszültségekre, de

• a gerjesztés szabályozásával csak a meddő teljesítmény és a feszültségek változnak, a wattos teljesítményre nincs hatása.

c. Növeljük meg a hálózati csatlakozás XH eredő reaktanciáját, de ne változtassuk meg se a wattos teljesítményt, se a gerjesztést.

Ez az eset jellegzetesen akkor fordul elő, ha a kooperációs alaphálózat az erőmű körzetében meggyengül (pl.

egy vagy több távvezeték üzemzavar vagy karbantartás miatt hiányzik). A következményeket a 2.3.2.4 ábrából lehet megítélni, ahol az eredeti XH reaktanciát mintegy a kétszeresére növeltük és új értéket XH’-val jelöltük.

2.3.2.4. ábra

A vektorábra felépítésénél abból kell kiindulni, hogy a gerjesztés változatlansága miatt az p pólusfeszültség nagysága megmarad, tehát vektora csak köríven forogva változhat. Ugyanakkor a rendszerbe szállított wattos teljesítmény sem változik, így az feszültség vetülete, az a teljes átviteli reaktancia változásának arányában nő. Minthogy az átviteli reaktanciát három részből állítottuk össze és abból Xtr és Xda vizsgált esetben nem változik, azért:

Az függőleges feszültség által meghatározott vízszintes egyenes az eredeti vektorral, mint sugárral rajzolt köríven kimetszi p vektor új végpontját. p és k meghatározzák az

vektort, ami a részreaktanciákkal arányosan felosztható három összetevőre. Erre merőleges az új áramvektor, amelynek wattos összetevője az eredeti, így nagyságát és annak meddő összetevőjét meghatározza.

Összefoglalva az ábrából leolvasható végső következtetéseket:

• megnő a terhelési szög,

• csökken a kiadott meddő teljesítmény,

• kissé növekszik a kapocsfeszültség, és a gyűjtősín feszültsége.

A hálózati reaktancia csökkenésekor természetesen a hatások ellenkező irányúak.

d. Vizsgáljuk meg, milyen hatással van az erőmű valamely gépének üzemére, ha az egyforma gépekből álló erőmű üzemben lévő gépeinek számát változtatjuk.

A viszonyokat a 2.3.2.5 ábra segítségével ítélhetjük meg. Az ábra bal oldala az n számú gépegység kapcsolatát, középső sémája a helyettesítő villamos kapcsolást mutatja. Ennek lényege, hogy a teljes átviteli reaktanciából minden géphez saját generátorának Xd és transzformátorának Xtr reaktanciája egyedileg hozzá tartozik, de az XH

hálózati reaktancia az n számú gépre közös.

2.3.2.5. ábra

Ha valamennyi gép turbinája éppen egyforma wattos teljesítményt ad, és minden generátor gerjesztése is azonos, úgy az egyenként I áramot létesítő n generátor összesen árama folyik át az XH hálózati reaktancián és azon feszültségesést hoz létre. Az ábra jobboldali sémája szerint ezt az állapotot úgy is felfoghatjuk, mintha az erőmű gépei nem lennének a gyűjtősínen összekapcsolva, hanem

reaktancián keresztül egymástól függetlenül csatlakoznának a végtelennek tekintett rendszerhez. Az egy gép számára n-szeres értékűnek viselkedő, hálózati reaktancián az egy gép áramának hatására fellépő

feszültségesés azonos a gépek összes áramának az XH reaktancián okozott feszültségesésével.

E felismerés fontos gyakorlati következménye, hogy egy erőmű csatolásának szoros vagy laza minősítése egyedül a hálózat csatlakozási pontjának "erősségéből", tehát az ott uralkodó zárlati teljesítményből egyoldalúan nem ítélhet meg, hanem csak a csatlakozó erőmű nagyságának együttes figyelembevételével. Így elképzelhető, hogy az alaphálózat valamely pontja egy közepes nagyságú erőmű részére szoros, de egy nagy erőmű részére csak laza csatlakozást nyújt.

Az elmondottakból világos, hogy például a c. esetben a 2.3.2.4. árba kapcsán, ahol az XH hálózati reaktanciát kétszeresére növeltük, a valóságban pontosan azt az esetet vizsgáltuk, amikor egy erőmű üzemben lévő gépeinek számát megkettőztük. Az ott levont következtetések tehát esetünkre pontosan érvényesek

e. Rendszerhez csatlakozó erőmű statikus stabilitása.

A kiinduláshoz felhasznált 2.3.2.1. ábrából egyszerűen leszármaztathatjuk az erőműből a rendszerbe adott wattos teljesítmény és a terhelési szög összefüggését. Ha a leolvasható egyenlet mindkét oldalát a rendszer merev feszültségével szorozzuk és rendezzük, a

alapvető összefüggést kapjuk, amit a 2.3.2.6. ábrán fel is rajzoltunk. Hangsúlyozni kell, hogy itt X a teljes átviteli reaktancia, amiből az Xtr és Xd reaktanciákat az erőmű, de XH -t a hálózat határozza meg. A P(δ) görbét akár az egész erőműre, akár annak egy gépére is értelmezhetjük, csupán az XH hálózati reaktancia 2.3.2.5. ábra kapcsán kifejtett helyes figyelembe vételére kell ügyelnünk.

2.3.2.6. ábra

Ha az egész erőmű kapcsolatát vizsgáljuk a rendszerrel, akkor n számú egyforma gépegység esetén

míg egyetlen gépre nézve

átviteli reaktanciát kell a teljesítmény előbbi összefüggésébe helyettesíteni, természetesen azonos feszültségalapra vonatkoztatva.

A 2.3.2.6. ábrán megrajzolt teljesítménygörbén egy, a turbina által adott Pt teljesítményhez tartozó terhelési szöget (δt) is feltüntettük.

Közvetlenül belátható, hogy a teljesítmény csak

értékig fokozható, ahol a δ terhelési szög eléri a 90°-ot. A 0…90° közötti tartományban az erőműnek a rendszerrel való kapcsolata statikusan stabilis. Ha ennél nagyobb teljesítményt kényszerítünk az erőmű generátoraira, a terhelési szög, tehát a forgórészek előresietési szöge a rendszer feszültségéhez képest 90°-on túlnő, itt az90°-onban a szög növekedése arányában egyre csökken a kiadott villamos teljesítmény. A turbina által kifejtett és a generátor által villamos alakban továbbított teljesítmény különbsége a turbina-generátor forgórész tömegének gyorsítására fordítódik, azaz a gép, ill. erőmű a szinkronizmusból kiesik.

A Pmax legnagyobb kiadható teljesítmény ugrásszerűen csökkenhet, ha a hálózat valamely fontos elemének kiesése miatt X megnő. Ezáltal a teljesítmény szinuszgörbéje alacsonyabb lesz. Ha a tényleges teljesítmény nem volt a stabilitási határ közelében, ez nem okoz bajt, csupán megnő a terhelési szög. A gyakorlatban adott hálózathoz, annak adott üzemállapotában csatlakozó erőmű wattos terhelését soha nem engedik meg Pmax -ig növelni. A szükséges biztonságot a stabilitási tartaléktényező fejezi ki, ami valamely Pt terhelésnél:

Általában 20%-os tartaléktényezőt írnak elő az egyes országok, ekkor az erőmű terhelése -ot nem haladhat meg.

A 2.3.2.6. ábrából leolvasható, hogy ehhez kb. 53° terhelési szög tartozik.

Már az egyedül járó gép tárgyalásánál (2.2.4. ábra) is láttuk, s ez itt is érvényes, hogy az pólusfeszültség növelésével, tehát a generátor gerjesztésének fokozásával Pmax növelhető. Nem túl erősen csatolt erőmű jelentős wattos teljesítmény kiadásánál erre a statikus stabilitás biztosítása érdekében rá is kényszerül. A 2.3.2.3. ábra kapcsán vizsgált gerjesztés növelésnek azonban gyakorlati határt szab az kapocsfeszültség és gyűjtősín feszültség még eltűrhető felső határa. A hazai 120 kV-os hálózatra kapcsolódó erőművek gyűjtősínein rendszerint 130…136 kV közötti feszültséget tartanak. Természetesen ez által (ismét a 2.3.2.3. ábrára utalunk) az erőmű jelentős meddő teljesítményt is szállít a rendszerbe.

In document Villamosenergetika (Pldal 97-103)