1. Общая характеристика узлов нагрузки

Системой электроснабжения промышленного предприятия называется часть электроэнергетической системы, осуществляющей снабжение электрической энергией потребителей. Она содержит питающие и распределительные линии электропередачи, трансформаторы, компенсирующие устройства и непосредственно электроустановки потребителей электроэнергии. При анализе устойчивости потребителей можно исследовать поведение, как отдельных электроприёмников, так и узлов нагрузки, под которыми понимают группы потребителей, присоединенных к шинам подстанций, линии электропередачи и т.д.

В состав узлов нагрузки, кроме асинхронных и синхронных двигателей, статической нагрузки могут входить синхронные компенсаторы и даже небольшие электростанции. Под статической нагрузкой обычно понимают электроприёмники, в которых отсутствует вращающееся магнитное поле: электрическое освещение, выпрямители, электропечи, коммунально-бытовые приборы и другие технологические установки. Состав потребителей в узле нагрузки может изменяться в широком диапазоне и в основном зависит от района электроснабжения.

В таблице 1 приведен наиболее типовой состав нагрузки промышленного предприятия.

Таблица 1 - Типовой состав нагрузки промышленного предприятия

Вид потребителя	Доля потребления, %
Асинхронные двигатели	70
Синхронные двигатели	10
Печи, нагревательные установки, выпрямители	8
Освещение	5
Потери в электрических сетях	7

Исследование устойчивости узлов нагрузки является весьма важным с точки зрения двух позиций:

1. Обеспечение бесперебойной работы предприятий при кратковременных нарушениях в системах электроснабжения. Так, например, короткое замыкание в питающих или распределительных сетях могут вызвать нарушение устойчивой работы двигательной нагрузки, что приведёт к нарушению технологических процессов, браку и массовому недоотпуску продукции.

2. Переходные процессы, а также большие и малые возмущения со стороны узлов нагрузки существенно влияют на устойчивость генераторов электростанций и на устойчивость электроэнергетической системы в целом.

Можно выделить три наиболее характерных воздействия нагрузки на энергосистему:

• Внезапные большие набросы и сбросы нагрузки, которые связаны с включением и отключением крупных потребителей электроэнергии. Если такие отключения происходят в избыточных энергорайонах, а включения в дефицитных, то это приводит к набросу мощности на внешние связи. При неблагоприятных обстоятельствах такие воздействия могут вызвать нарушение устойчивости электроэнергетической системы и привести к тяжелой системной аварии.

• Значительное увеличение потребления реактивной мощности после нарушения устойчивости двигателей. Это может вызвать настолько глубокие снижения напряжения, что возникает лавинообразный процесс нарушения устойчивости двигателей всего узла нагрузки.

• Самозапуск группы мощных асинхронных двигателей.

Исследование устойчивости узлов нагрузки представляет собой довольно непростую задачу, так как описание потребителей для создания модели расчета устойчивости осуществляется на основании конкретных данных о составе узла нагрузки и параметрах распределительной сети, а также исходной информации, полученной в результате статического анализа.

2. Методы представления нагрузок при расчётах режимов энергосистем

Нагрузка – это потребители электрической энергии, преобразующие её в другие виды (механическую, световую, тепловую и т.д.). Представление нагрузки в расчётах установившихся и переходных режимов возможно различными способами. Правильность математического описания узла нагрузки может оказать существенное влияние на результаты расчётов устойчивости. При решении вопроса о том, насколько подробно должна учитываться нагрузка при выполнении расчётов, нужно, с одной стороны, учитывать, как обеспечить достаточную точность конечного результата, а с другой стороны – стремиться к сокращению затрат времени и объема исходной информации.

Способы задания нагрузок при расчетах режимов электроэнергетических систем представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Способы задания нагрузок при расчетах режимов

Способ представления	Графическое обозначение
Постоянный по модулю и фазе ток

Таблица 2 - Продолжение

Постоянная по модулю мощность
Постоянное сопротивление
Постоянная проводимость
Статические характеристики нагрузки

1. Нагрузка задается постоянным по модулю и фазе током

Такая форма представления нагрузки принимается при расчётах распределительных сетей низкого напряжения Как правило, так же задаётся нагрузка в городских, сельских и промышленных сетях при

В распределительных сетях источниками питания являются шины низкого напряжения районных подстанций. Как правило, предполагается, что напряжение источника питания известно. При задании нагрузки в виде постоянного по модулю и фазе тока установившийся режим описывается системой алгебраических уравнений. Особенность этих уравнений в том, что, как правило, отсутствуют ЭДС в ветвях, а в нагрузочных узлах заданы источники тока.

Задание нагрузки таким способом приводит к очень большим погрешностям при расчётах режимов, что является недопустимым.

2. Нагрузка задаётся постоянной по величине мощностью

Задание нагрузки постоянной по величине мощностью используется при расчётах установившихся режимов питающих и иногда распределительных сетей высокого напряжения.

В питающих сетях задаётся при неизвестном напряжении в узле. Это значит, что в узле задан нелинейный источник тока, мощность которого зависит от напряжения узла:

Следовательно, при задании нагрузки постоянной по величине мощностью уравнения установившегося режима питающей сети нелинейны. Однако одной из причин использования данного способа является то, что экономические расчёты осуществляются за полученную электроэнергию, соответственно, расчёты для текущего режима (для данного момента времени) проводятся в мощностях, а не в токах.

Этот способ задания нагрузки является достаточно точным для электроэнергетических систем, полностью обеспеченных устройствами регулирования напряжения. В этих системах на шинах нагрузки поддерживается постоянное напряжение вследствие широкого использования трансформаторов и автотрансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, а также путём оснащения нерегулируемых трансформаторов на существующих подстанциях линейными регулировочными трансформаторами. Кроме того, широко используются средства местного регулирования напряжения (управляемые шунтирующие реакторы, управляемые батареи конденсаторов и т.д.). В этих условиях при изменениях режима напряжение на нагрузке практически не меняется, и полная мощность нагрузки остаётся постоянной.

Однако в действительности на шинах нагрузки не обеспечивается поддержание постоянного по модулю напряжения. В этом случае задание нагрузки постоянной по величине мощностью приводит к серьёзным ошибкам при расчётах установившихся режимов. Эта ошибка тем больше, чем больше напряжение на шинах нагрузки потребителей отличаются от номинального значения. Фактически задание нагрузки постоянной по величине мощностью, в предположении, что напряжение в узле равно номинальному, эквивалентно способу задания нагрузки постоянным по модулю и фазе током.

3. Нагрузка представляется постоянной проводимостью (сопротивлением)

При расчете режимов, для которых характерны значимые изменения напряжения на выводах нагрузок сети, нагрузку комфортно представить параллельно либо поочередно соединенными постоянными активными и реактивными сопротивлениями либо надлежащими им проводимостями.

Такой способ задания нагрузки эквивалентен заданию статических характеристик нагрузки в виде квадратичных зависимостей от напряжения:

Следовательно, уравнения установившегося режима электрической сети при таком задании нагрузки будут нелинейными. Этот способ представления нагрузки используется, как правило, при расчетах переходных процессов в ЭЭС.

Представление нагрузок постоянными сопротивлениями либо проводимостями в виде квадратичных зависимостей не обеспечивает высочайшей точности результатов, так как моделирующие сопротивления и проводимости сами зависят от приложенного напряжения. Тем более, таковой учет нагрузок электрических сетей дает наиболее четкие результаты, чем учет в виде постоянных мощностей, не зависящих от действительных приложенных напряжений.

4. Представление нагрузки при помощи статических характеристик нагрузки (СХН)

Мощность, потребляемая нагрузкой, в общем случае зависит от напряжения и частоты в электроэнергетической системе. Поэтому нагрузка может быть представлена статическими характеристиками нагрузки:

Наиболее часто применяются статические характеристики по напряжению и частоте:

Аналитически, статические характеристики нагрузок можно выразить в виде полиномов степени, тогда СХН по напряжению можно записать в виде выражений:

В этих выражениях:

Активная и реактивная мощности нагрузки, соответствующие номинальному напряжению или данным контрольного замера, соответствующего номинальному режиму узла нагрузки;

Текущее значение напряжения узла нагрузки;

Номинальное значение напряжения узла нагрузки;

Коэффициенты полиномов статических характеристик по активной мощности;

Коэффициенты полиномов статических характеристик по реактивной мощности;

С достаточной точностью, для практических расчётов СХН можно представить в виде полиномов второй степени:

Значения коэффициентов полиномов для любых статических характеристик удовлетворяют условию:

Статические характеристики нагрузки могут быть получены тремя способами:

• При выполнении экспериментальных исследований с изменением напряжения или частоты

• При расчёте с детальным учётом состава нагрузки

• С использованием статистических данных

Важным показателем нагрузки для работы энергетической системы является так называемый регулирующий эффект. Под регулирующим эффектом нагрузки понимают явления, заключающиеся в изменении активной и реактивной мощности нагрузки при изменении напряжения или частоты на её шинах.

Численно регулирующий эффект определяют как изменения активной или реактивной мощности нагрузки на единицу изменения напряжения или частоты:

В этих выражениях:

Регулирующий эффект активной мощности нагрузки по напряжению и частоте, соответственно;

Регулирующий эффект реактивной мощности нагрузки по напряжению и частоте, соответственно;

Небольшие изменения напряжения и частоты;

Изменения активной и реактивной мощности, вызванные или ;

Регулирующие эффекты нагрузки достаточно точно характеризуют изменения мощности, потребляемой нагрузкой, при малых отклонениях напряжения или частоты. При больших изменениях или из-за нелинейности статических характеристик регулирующие эффекты нельзя использовать для оценки изменения мощности нагрузки.

Регулирующий эффект комплексной нагрузки при изменении напряжения вблизи номинальных значений, выраженный в относительных единицах, обычно составляет для реактивной мощности и для активной мощности.

Регулирующий эффект комплексной нагрузки при изменении частоты в области номинальных значений составляет для реактивной мощности и для активной мощности.

Статические характеристики нагрузок более полно отражают свойства нагрузки, чем в случае задания нагрузки постоянным по модулю и фазе током, постоянной по модулю мощностью, проводимостью или сопротивлением, но их использование приводит к усложнению расчётов. Во многих случаях эти характеристики не известны и возможно применение лишь типовых СХН.

На рисунке 1 приведены статические характеристики нагрузки по напряжению для различных способов задания нагрузки.

Рис.1. Статические характеристики нагрузки по напряжению для различных способов задания нагрузки:

1- , 2,3 - , 3 -