Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

У перші роки розвитку електротехніки вважалося за необхідне для кожного споживача мати окремий генератор. У 1876 р. Яблочков, з'єднавши послідовно кілька винайдених ним «свічок», запропонував перше вирі шення «проблеми поділу світла», тобто живлення декількох споживачів від одного джерела енергії. Звідси вже став зрозумілим напрямок переходу до виробництва електричної енергії на центральних електростанціях.  Запропонована Едісоном трипровідна система постійного струму дала можливість значно збільшити радіус району електропостачання: одна станція могла вже обслуговувати частину міста або навіть невелике місто.

З винаходом трансформаторів і розвитком техніки високих напруг з'явилася можливість широко використовувати одну з головних переваг електрики перед іншими видами енергії – сполучати централізацію виробництва з децентралізацією споживання. Результатом стали так звані районні електричні станції, що живили вже не окремі міста, а цілі області досить значної протяжності.

Вперше спроба з‘єднання електричних мереж, що живляться різними центральними станціями, для спільної роботи була почата в 1892 р. у Швейцарії, коли відбулося перше відоме об'єднання двох електростанцій трифазного змінного струму, що забезпечило синхронну (паралельну) роботу генераторів на загальну електричну мережу. Дві невеликі електростанції – у Гледфельдені (120 кВА) і Гохфельдені (360 кВА) – були з'єднані двокілометровою лінією 5 кВ і живили розподільну мережу заводу фірми «Ерлікон» по лінії електропередачі довжиною 24 км при напрузі 13 кВ. Збудження генераторів першої станції регулювалося зі щита керування другої.

Так була створена перша технічна електроенергетична система. Надалі за подібними системами затвердилася назва «енергосистема», що було пов'язане з тим, що з 20-х років XX століття на теплових електростанціях (теплоелектроцентралях – ТЕЦ) почали широко застосовувати комбіноване виробництво електричної й теплової енергії. Остання у вигляді гарячої води й пари стала постачатися промисловим і комунальним споживачам по теплових мережах.

Енергосистема як об'єкт техніки являє собою комплекс джерел електроенергії (генераторів), з'єднаних за допомогою загальної електричної мережі із приймачами електричної енергії, а також між собою. Оскільки процеси виробництва, передачі й використання електроенергії відбуваються одночасно, для енергосистеми характерний високий рівень централізованого керування процесами, яке спрямоване в першу чергу на підтримку балансу між виробленою й використаною енергією, а також на забезпечення якості енергії (по напрузі, частоті й іншим параметрам).

До комплексу об'єктів, що входять до енергосистеми, відносять об'єкти, оперативне керування якими здійснюється з єдиного диспетчерського центра (керування може здійснюватися як безпосередньо із центра, так і через певну ієрархічну структуру керування).

У наступне десятиліття після першого досвіду створення енергосистеми «Ерлікон» у Швейцарії процес об'єднання електростанцій ще не одержав помітного розвитку. Тільки з виникненням великих районних електростанцій, особливо після 1900 р., цей процес став визначальним для прогресу електроенергетики. Енергетичні системи насамперед створювалися у великих промислових і густонаселених районах. Природно, географічне положення цих районів також накладало свій відбиток на формування енергетичних систем.

На початку ХХ століття перші кроки з об'єднання електричних мереж для паралельної роботи були зроблені й у США. На 1905 р. там уже працювали три великі для того часу енергетичні системи: Південно-Каліфорнійська, системи в районі Сан-Франциско й у штаті Юта. Перша із цих систем (компанія Едісона) об’єднувала чотири гідравлічні й чотири теплові станції із загальною встановленою потужністю близько 12 МВт. Мережа цієї системи напругою 2–30 кВ мала загальну довжину 960 км й охоплювала 18 міст. У системі застосовувалися синхронні компенсатори для регулювання напруги в електричній мережі. У наступні 10 років зростання енергосистем США інтенсивно тривало. Наприклад, енергосистема чотирьох південних штатів США (Джорджія, Північна Кароліна, Південна Кароліна й Теннессі) на 1914 р. уже об'єднала електростанції сумарною потужністю 230 МВт і простягалася зі сходу на захід на 1500 км. Уже в 1924 році був створений Комітет з об'єднання енергосистем північно-східної частини США (Northeastern Superpower Committee), що зайнявся питаннями створення надпотужної електроенергетичної системи в загальнодержавному масштабі.

В Європі першою країною, яка в 1906 р. здійснила паралельну роботу двох промислових електростанцій, що живили цілу мережу споживачів, стала Італія. Саме цю подію багато фахівців вважають моментом зародження першої повноцінної енергосистеми. Кілька товариств, що володіли мережами в області Ломбардія, прийшли до згоди щодо спільної роботи цих мереж. Незважаючи на повну відсутність експлуатаційного досвіду, вдалося досить швидко впоратися з виниклими при включенні на паралельну роботу технічними утрудненнями. Для Італії, що вступила до складу воюючих держав і була змушена для мобілізації своєї промисловості надзвичайно підсилити виробництво гідроелектричної енергії, отриманий у такий спосіб досвід виявився найвищою мірою плідним. Однак остаточне з‘єднання великих електричних мереж Італії відбулося вже після закінчення першої світової війни, в період посухи, що вразила країну. Тільки енергійні заходи, початі товариствами – виробниками електричної енергії з об'єднання всіх найбільших гідроелектричних станцій й електричних мереж Італії в єдину електроенергетичну систему, дозволили врятувати країну від цього стихійного лиха. Електротехнічне співтовариство Італії вийшло із цього випробування з твердим переконанням у неприпустимості неузгодженого використання окремих джерел електричної енергії в майбутньому. Енергосистема Італії розвивалася стрімкими темпами, і на 1924 р. сумарна потужність електростанцій, що увійшли до складу енергосистеми, вже досягла 55 МВт.

Основною причиною розвитку електрифікації у всіх країнах у початковий період була необхідність безперебійного електропостачання споживачів. Електростанції, що працювали ізольовано, й навіть їх групи, які були зв'язані між собою електричними мережами, але не мали надійних міжгрупових електричних зв'язків, не могли здійснювати при аварійних ситуаціях взаємодопомоги й, як наслідок, забезпечувати безперебійність електропостачання. Потужним економічним стимулом для створення й наступного укрупнення енергосистем також стала можливість концентрації виробництва електроенергії, що допускає зростання одиничних потужностей енергоустаткування й приводить до найбільш раціональної витрати первинних енергоресурсів, а також до зниження собівартості електроенергії.

Енергетичні системи у своєму розвитку пройшли складний шлях і нагромадили великий досвід у побудові як окремих частин, так й енергосистеми в цілому. У процесі експлуатації енергосистем відсівалися всі технічно недосконалі або неправильні рішення й накопичувався позитивний досвід зі створення надійних схем електроі теплопостачання споживачів, а також досвід одержання додаткових економічних ефектів від роботи електростанцій у складі енергетичної системи.

Основні додаткові ефекти, які може забезпечити енергосистема, полягають у наступному:

· при паралельній роботі електростанцій на загальну мережу зменшується необхідний резерв на кожній станції окремо, з'являється можливість ремонту устаткування станцій без відключення основних споживачів;

· створюються умови для вирівнювання графіка навантаження так званих базисних станцій з метою більш ефективного використання енергетичних ресурсів;

· великі енергосистеми дозволяють щонайкраще використати встановлену на електростанціях потужність при відносно низькому резерві й широко використати сезонні коливання потужності гідростанцій;

· при значних довжинах систем у меридіональному і широтному напрямках стає можливим одержання більш рівномірного графіка навантаження внаслідок тимчасових зсувів піків навантаження (за поясами часу).