1. Поняття про системи автоматичного регулювання швидкості (АРШ) турбоагрегатів ТЕС
Процес підтримання заданого значення якого-небудь параметра, а також зміни його за заданим законом називається автоматичним регулюванням. Воно реалізується регулюючими системами різних класів, основним елементом яких є регулятори.
Розрізняють регулятори з астатичними (рис. 2) і статичними (рис. 3) характеристиками. Якби система автоматичного регулювання швидкості турбоагрегату (АРШ) ТЕС мала астатичні характеристики, то при виниканні відхилення частоти в електричній системі відразу встановлювалася номінальна частота оскільки астатична характеристика забезпечує швидке регулювання. Проте при паралельній роботі багатьох генераторів системи АРШ турбін з астатичними характеристиками практично непридатні, бо не здатні забезпечити стійкого розподілу навантаження між окремими генераторами і ТЕС системи. Тому в сучасних енергосистемах широко застосовують на турбоагрегатах системи АРШ із статичними характеристиками.
Принцип статичного регулювання полягає в тому, щоб при поточному виникненню відхилення частоти в системі активна потужність турбоагрегату автоматично змінюється так, щоб намагатися забезпечити відновлення попереднього значення частоти в системі. Зміна частоти в процесі регулювання залежить від крутості статичної характеристики системи АРШ і крутості характеристики навантаження системи. Під крутістю частотної характеристики розуміють відношення процентної зміни потужності турбоагрегату до процентної зміни частоти
,
.
Слід брати до уваги, що настройка системи АРШ на дуже велику крутість наближає статичну характеристику системи АРШ до астатичного виду, що неприйнятно на практиці. З іншого боку, мала крутість системи АРШ турбоагрегату приводить до того, що система АРШ буде слабочутливою до зміни частоти.
Експериментальні дослідження показують, що крутість статичних характеристик навантаження звичайно становить 1.......2,5 , тобто зміні частоті в системі на 1 % відповідає зміна активної потужності навантаження на 1-2.5 %.
Для турбоагрегатів оптимальною є крутість у межах 15-20, а для гідроагрегатів 25-50. Дуже часто замість поняття крутості характеристики використовують поняття статизму характеристики, що являє собою величину, обернену крутості 
.
Основні показники (рис. 4), що визначають особливості побудови регулятора швидкості турбоагрегату, - ступінь нерівномірності регулювання, нечутливість системи регулювання й межи зміщення статичної характеристики. За допомогою АРШ здійснюють первинне регулювання частоти в системі, а за рахунок діяння на механізм числа обертів АРШ турбоагрегату – вторинне регулювання частоти.
2. Первинне регулювання частоти
Первинне регулювання частоти в системі – це процес регулювання поточних відхилень частоти в нормальному режимі роботи системи, що полягає в одночасній зміні потужностей генераторів і споживачів системи з метою відновлення вихідного значення частоти. Оскільки первинне регулювання частоти здійснюють за допомогою регуляторів швидкості зі статичними характеристиками, то навіть при неістотному порушенні балансу активних потужностей, але викликаючи зміну частоту на величину більшу за значення нечутливості, система АРШ не може забезпечити повернення в електричній системі рівня номінальної частоти. За допомогою статичних характеристик розглянемо суть первинного регулювання частоти (рис. 5).
На рис. 5 приведено залежності SРГ з номером 1 для випадку, коли турбоагрегат має АРШ і з номером 2 для випадку коли турбоагрегат не має пристрою регулювання швидкості. По якимось причинам навантаження в системі зменшилось і новий баланс активних потужностей відбувся при частоті f1 (є АРШ) і частоті f2 (немає АРШ). З рис. 5 витікає, що система АРШ турбіни забезпечує менше відхилення від номінального значення. Тобто Df=f2-f1 якраз забезпечує система АРШ турбоагрегату. З аналізу рис. 5 також випливає, що первинне регулювання частоти в системі при використанні регуляторів швидкості турбін із статичними характеристиками не може забезпечити підтримання рівня номінальної частоти. Щоб виконати цю вимогу, використовують вторинне регулювання частоти.
3. Вторинне регулювання частоти
Суть процесу вторинного регулювання частоти розглянемо за допомогою рис. 6.
Тепер припустимо, що в електричній системі збільшується активне навантаження споживачів, що спричиняється до переміщення частотної характеристики навантаження SРН в положення SРН'. Частота в електричній системі знижується до рівня f1 . Для вторинного регулювання частоти вихідну статичну характеристику турбоагрегату зміщують паралельно самій собі (штучно збільшують упуск енергоносія в турбіну) доти, доки вона займе положення SРГ', що відповідає рівню номінальної частоти в електричній системі.
Функції вторинного регулювання частоти в системі реалізуються за допомогою автоматичних систем регулювання частоти АРЧ, основою яких є реле частоти. Реле частоти реагує на відхилення частоти в електричній системі і впливає на механізм керування турбіною через двигун постійного струму.
Функції вторинного регулювання частоти в енергосистемі здебільшого реалізуються однією або кількома електростанціями системи, що мають значні резерви активної потужності в генераторах і характеризуються високою швидкістю набрання навантаження. Решта станцій електричної системи несуть задане диспетчером стале навантаження й беруть участь лише в процесі первинного регулювання частоти. Найефективніший тип станцій для вторинного регулювання частоти – ГЕС з достатнім режимом водостоку річки, а особливо гідроакумулюючі станції.
3. Третинне регулювання частоти
Суть останнього полягає в тому. що за допомогою системи автоматичного розподілу навантаження (АРН) оптимально розподіляється між генераторами ТЕС, чи окремими ТЕС. Критерієм оптимальності є мінімум розходу палива на електростанціях електричної системи.
Рисунок 7 - Залежність зміни частоти в електричній системі
На рис. 7 наведено залежність зміни частоти в електричній системі за допомогою АРШ, АРЧ, АРН.
Зона 0-t1 – зона нечутливості, t1 – t2 – зона дії АРШ (первинне регулювання частоти; t2 – t3 – зона дії АРЧ (вторинне регулювання частоти t >t3 – зона дії АРН (третинне регулювання частоти).
4. Регулювання частоти в електричній системі за допомогою частотно регулюючих станцій
У первинному регулюванні частоти беруть участь усі електричні станції системи, у вторинному – одна або кілька частоторегулюючих станцій. Решта станцій, що не регулюють частоту , підтримують стале навантаження.
При відхиленні частоти в системі й наявності резерву потужності на не регулюючих станціях як не регулюючі, так і частотно регулюючі станції здійснюють первинне регулювання частоти.
5. Регулювання частоти в після аварійних режимах роботи електричних систем. Автоматичне частотне розвантаження.
При значному небалансі активних потужностей в електричній системі коли буде вичерпано можливості первинного і вторинного регулювання частоти і буде використаний увесь резерв генеруючи потужностей, частота різко знижується аж до критичного значення 45-46 Гц. При цьому значенні частоти продуктивнять агрегатів власних потреб електричних станцій знижується практично до нуля.
Щоб запобігти виникненню явища лавини частоти в електричній системі, потрібно за допомогою проти аварійної автоматики не допустити глибокого зменшення частоти і забезпечити відновлення частоти до номінального значення. Ця задача вирішується за допомогою системної автоматики – автоматичного частотного розвантаження (АЧР).
Суть дії АЧР у тому, що АЧР забезпечує вимикання частини споживачів електричної системи з метою забезпечення більшості споживачів, що залишаються в роботі, електроенергією частоти 50 Гц, тобто стандартної якості.
Систему АЧР поділяють на дві категорії: АЧР1, метою якої є не допустити лавини частоти і забезпечити її відновлення; АЧР2, метою якої є забезпечення зростання частоти, якщо після роботи АЧР1 та після зростання частоти вона "зависає" на одному рівні.
АЧР 1 має кілька черг, які відрізняються одна від одної тільки уставками за частотою. Верхня уставка за частотою близька до 48.5 Гц, а нижча більша за 46.5 Гц. Для усіх черг узято єдину уставку за часом, що дорівнює 0,1 0,15 с.
АЧР2 має черги, які відрізняються одна від одної тільки уставками за часом. Інтервал між сусідніми чергами взято такий, що дорівнює 3 с. Початкова вставка за часом дорівнює 5 10 с, кінцева – 60-70 с. Для усіх черг узято єдину уставку за частотою 48,5 Гц.