Электроэнергетические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Методические к выполнению контрольного задания для студентов заочного отделения электроэнергетического факультета специальностей 1002, 2104

Составитель А.П. Долгов, канд. техн. наук, доц.

Новосибирск

2001

ВВЕДЕНИЕ

В контрольном задании рассматриваются вопросы устойчивости параллельной работы электрических станций. Задача устойчивости существенно сложнее задачи исследования стационарного режима; здесь рассматривается движение системы, для описания которого математическая модель дополняется дифференциальными уравнениями: уравнениями движения роторов генераторов, а также уравнениями электромагнитных процессов в обмотках машин и, в некоторых случаях, в элементах электрической сети. Принято рассматривать два рода движений: при малых возмущениях возможно описание поведения электрической системы линейными уравнениями (задача исследования статической устойчивости), при больших возмущениях приходится учитывать нелинейности (задача исследования динамической устойчивости). Аналитические исследования статической и динамической устойчивости базируются на работах русского математика и механика А.А. Ляпунова (первый и второй методы Ляпунова). В анализе статической устойчивости уравнения объекта линеаризуют и сводят к одному характеристическому уравнению. По корням характеристического уравнения судят об “устойчивости в малом”: система устойчива, если все корни имеют отрицательные вещественные части. Возможно использование известных критериев (Рауса, Гурвица, Михайлова и др.), которые позволяют судить об устойчивости без определения корней. Анализ динамической устойчивости сопряжен с нахождением специальной функции и ее исследованием: если удается подобрать такую функцию V, которая при любом движении системы уменьшается, т.е. dV/dt0, то система устойчива “в большом”. Анализ устойчивости как статической, так и динамической, можно выполнить и путем интегрирования дифференциальных уравнений объекта численными методами. Существуют общепринятые программы расчета как статической, так и динамической устойчивости. Некоторые из них базируются на идеях Ляпунова, большинство используют численные методы решения дифференциальных уравнений.

В контрольном задании расчеты выполняются на простейшем классическом примере: станция выдает мощность в приемную систему, которую условно можно считать системой бесконечной мощности. Такой случай привлекает простотой расчетов, предельной ясностью протекающих физических явлений и часто является основой для исследований устойчивости современных сложных систем; в сложных случаях используются те же основные категории.

Схема электрической системы изображена на рис. 1. Это часть той же схемы, для которой выполнялись расчеты по курсовой работе. При выполнении контрольного задания следует принять ряд допущений: к шинам среднего напряжения автотрансформаторов подстанции 3 примыкает система бесконечной мощности; нагрузка на шинах среднего напряжения автотрансформаторов подстанции 3 отсутствует; вся мощность, выдаваемая станцией, поступает через автотрансформатор в систему; параметры схемы принять те же, что и в курсовой работе. Вид короткого замыкания задан в курсовой работе.

Рис. 1. Схема электрической системы

В указаниях по выполнению контрольного задания перечислены вопросы, подлежащие разработке с некоторыми примерами по их выполнению. Примерами сопровождаются наиболее трудные для восприятия положения. Весьма краткие теоретические сведения по разделам не заменяют работу с рекомендуемой (или аналогичной) литературой. Перечень вопросов к зачету приведен в конце настоящих методических указаний.

1. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРА

Мощность генераторов станции должна соответствовать мощности нагрузок максимального режима (с учетом потерь в сети) и несколько превосходить ее с учетом возможного роста нагрузок. Генераторы выбрать по справочнику, например [1].

Пример

В курсовой работе для варианта 31 суммарная мощность активных нагрузок составляет 100 МВт; с учетом потерь мощности в сети поток мощности с шин станции в максимальном режиме 104.98+j60.62 МВА. Ориентируясь на возможный рост нагрузок, целесообразно выбрать для станции два генератора ТВФ - 63-2. Номинальные параметры генератора: Р_ном = 63 МВт; cos_ном=0.8; U_ном=10.5 кВ; .

Для расчетов устойчивости необходима так называемая постоянная механической инерции . Определить ее можно из следующего соотношения:

где - маховый момент, ; - момент инерции, ;

- частота вращения генератора, об/мин;

- номинальная мощность генератора, МВт.

В рамках контрольного задания при отсутствии точных данных постоянную механической инерции агрегата, состоящего из генератора и турбины, для турбогенератора можно приближенно получить увеличением вдвое постоянной механической инерции генератора.

Для гидрогенераторов это увеличение гораздо меньше, порядка 10 %.

2. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТОВ УСТОЙЧИВОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ [2, c. 35 - 46]

В настоящее время расчеты устойчивости выполняют по промышленным программам, которые дают возможность получить результаты, достаточно близкие к результатам натурных испытаний.

В контрольном задании допустимо применение упрощенных приемов расчета. В частности, в схеме замещения можно учитывать только продольные индуктивные сопротивления. Параметры схемы замещения, как и весь расчет, можно получить в именованных или относительных единицах; однако из схемы замещения необходимо исключить идеальные коэффициенты трансформации, выполнив так называемую операцию приведения к одной ступени напряжения. В результате получают схему замещения, представленную на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения

Пример

Для расчетов устойчивости составить схему замещения и определить ее параметры.

Основные параметры схемы замещения рис.2 в относительных базисных единицах при базисной мощности 1000 МВА были определены ранее в курсовой работе. Дополнительно следует определить:

.

Сопротивление приемной системы равно нулю, поскольку

,

где мощность короткого замыкания системы, для системы бесконечной мощности равна бесконечности.

Постоянная механической инерции , приведенная к базисной мощности:

.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Исходную схему замещения, так же как и в других расчетах режимов ЭЭС, в дальнейшем упрощают, эквивалентируют, используя известные приемы: параллельное и последовательное объединение сопротивлений, преобразование звезда - многоугольник. После преобразований схема получает вид, изображенный на рис. 3.

Рис.3. Преобразованная схема замещения

Здесь эквивалентный генератор изображен в обобщенном виде: . Конкретно в приближенных расчетах динамической устойчивости следует указать ; в расчетах статической устойчивости для неявнополюсного генератора без учета автоматического регулятора напряжения (АРН) ; в расчетах статической устойчивости с АРН пропорционального или сильного действия или соответственно.

Пример. Расчет эквивалентных параметров

В данной схеме эквивалентирование весьма несложно. Из-за равенства значений сопротивлений и ЭДС объединяемых ветвей ( E₁=E₂; X_Г1=X_Г2; ...) расчет сводится к параллельному и последовательному объединению ветвей.

Сопротивление равно нулю. Сопротивление в схему замещения не войдет, поскольку ток по нему не протекает (нагрузкой S₄ по условию задания следует пренебречь). Внешнее сопротивление:

Эквивалентная постоянная механической инерции.

Если постоянные инерции отдельных агрегатов приведены к базисной мощности, то эквивалентная постоянная определяется суммированием:

.

4. ПОСТРОЕНИЕ ВЕКТОРНОЙ ДИГРАММЫ НАПРЯЖЕНИЙ

ЭДС, определяемые из векторной диаграммы, используют в дальнейшем в расчетах устойчивости. В то же время диаграмма позволяет судить о взаимном положении векторов, их движении при изменении режимных параметров. При построении диаграммы следует считать неизменным вектор напряжения Uc , его можно направить по вещественной оси. Положение других векторов определяется падением напряжения от потока мощности Sc=Pc+jQc на внешнем сопротивлении и сопротивлении генератора. Для построения векторной диаграммы можно использовать результаты расчета режима сети по курсовой работе (см. п. 5). Из этого расчета потребуются: модули напряжений в точке 1 и 22 (см. рис. 2, курсовая работа), а также угол между этими напряжениями. На диаграмме следует указать векторы: . Рис. 4 иллюстрирует элементарную зависимость: напряжение U₂ меньше напряжения U₁ на величину падения напряжения от потока мощности S на сопротивлении Z . Падение напряжения раскладывается на продольную и поперечную составляющие. На рис. 4 указан угол ???между двумя векторами напряжений.

Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений простейшей цепи

Пример. Построение векторной диаграммы напряжений по рис. 3

Для варианта 31 курсовой работы падение напряжения на сопротивлении трансформатора Т4 составляет:

Напряжение на шинах высокого напряжения трансформатора Т4:

.

В относительных единицах напряжения при расчете по средненоминальным напряжениям в точках 1,2:

Угол между этими напряжениями (см. рис. 4).

Угол между напряжениями U₂, U₃:

Угол между напряжениями U₃, U₂₆:

Угол между напряжениями U₂₆, U₂₂:

Угол между напряжениями U₁, U₂₂, соответствующий падению напряжения в электропередаче или что то же - во внешнем сопротивлении X_вн, определяется суммой отдельных углов: .

В относительных единицах напряжение в точке 22:

Напряжение в точке 22 следует принять за напряжение системы Uc.

ЭДС генератора определяются падениями напряжений от потока мощности с шин станции (S_Г=104.98+j60.62 МВА для варианта 31 курсовой работы) на соответствующих сопротивлениях , а также напряжением U₁=Uг. В общем случае :

Рассчитаем, например ЭДС . Поток мощности S_Г при базисной мощности 1000 МВА составляет :

Примерный вид векторной диаграммы показан на рис. 5.

Рис. 5. Векторная диаграмма напряжений

Диаграмму следует построить с помощью транспортира и линейки с указанием масштаба. На диаграмме указать положение осей d,q.

5. РАСЧЕТ ПРЕДЕЛА МОЩНОСТИ ДЛЯ ВАРИАНТОВ: ГЕНЕРАТОРЫ БЕЗ АРН, С АРН ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО И СИЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Работа синхронной машины всегда сопровождается малыми возмущениями, которые поступают либо от первичного двигателя (турбины), либо из системы (изменение напряжений в системе), либо со стороны возбудителя (изменение тока возбуждения). Синхронная машина способна противостоять этим возмущениям лишь при соблюдении некоторых условий. Главное условие - угол ?, характеризующий положение ротора машины относительно вектора Uc, не должен превышать предельной величины. Теоретически величина этого угла равна 90 градусам (генератор не имеет регулятора возбуждения) или несколько больше, предположим 100 градусам (генератор снабжен регулятором возбуждения). Если условия устойчивой работы синхронной машины нарушаются, угол превосходит предельное значение, то машина переходит в так называемый асинхронный режим, при котором с одной стороны возможны повреждения машины, а с другой - качество электрической энергии в системе резко ухудшается, иногда до такой степени, что работа потребителей становится невозможной. Кроме того, в реальной электрической системе асинхронный ход одного генератора может вызвать асинхронный ход других генераторов и нарушение устойчивости всей системы с полной остановкой станций. Регулятор возбуждения должен поддерживать напряжение на шинах генератора неизменным и улучшает устойчивость генератора, его способность противостоять возмущениям. Регулятор пропорционального типа изменяет ток возбуждения пропорционально изменениям напряжения (и тока) на шинах генератора; регулятор сильного действия, помимо того, учитывает производные указанных величин (или других величин, например угла ??? и лучше обеспечивает постоянство напряжения на шинах генератора.

В простейшем случае (регулятора возбуждения нет, неявнополюсный генератор работает через внешнее индуктивное сопротивление на шины неизменного напряжения) зависимость активной мощности генератора от угла ? ?определяется формулой

Из этого следует, что генератор вне зависимости от его номинальной мощности не может передать в систему более предела мощности

,

который, в свою очередь, зависит от внешнего сопротивления. При попытке в этих условиях выдать в систему мощность больше максимальной угол ?? превосходит предельную величину, устойчивость нарушается, начинается асинхронный ход. Наличие предела - основная причина, ограничивающая передачу мощности по межсистемным связям в современных электрических системах и требующая применения все более высоких номинальных напряжений на линиях электропередач. Напомним, что сопротивление линии в относительных единицах обратно пропорционально квадрату номинального напряжения.

Если неявнополюсные генераторы системы станция - шины снабжены регуляторами пропорционального действия, то передаваемая мощность определяется формулой

устойчивость параллельный электрический генератор

.

Для системы станция - шины с регуляторами возбуждения сильного действия (генераторы без явно выраженных полюсов) передаваемая мощность:

.

Размещено на Allbest.ru