Устойчивость электрических систем

Устойчивость электрических систем

Устойчивость применительно к электрической системе — это способность системы вернуться к исходному или новому установившемуся состоянию после устранения возмущающего воздействия без возникновения несинхронного вращения роторов генераторов системы. Если величина возмущающего воздействия мала (например, плавное изменение нагрузки системы), то говорят о статической устойчивости. При значительном возмущении в системе, например, при коротком замыкании, говорят о динамической устойчивости.

Аварии, связанные с нарушением устойчивости параллельной работы в электрических системах, являются наиболее тяжёлыми, влекущими за собой расстройство электроснабжения больших районов и городов.

Эффективность мероприятий, применяемых в энергосистемах, в значительной мере определяется быстродействием выключателей, релейной защиты, противоаварийной автоматики, автоматического регулирования возбуждения генераторов (АРВ) и т. п.

В курсовой работе анализируется электрическая система, состоящая из электростанции В, крупной системной подстанции А, связанных между собой линией 110 кВ, и сетевого района содержащего пять потребителей.

1. Расчет исходного установившегося режима электрической системы

1.1 Расчет параметров схемы замещения в относительных единицах

За базисные условия были приняты следующие значения:

· базисная мощность — МВ^.А;

· базисное напряжение — кВ.

Тогда базисное сопротивление можно определить по формуле:

; (1.1)

Ом.

Базисные напряжения всех ступеней электрической схемы можно рассчитать по формуле:

; (1.2)

кВ;

кВ;

кВ;

кВ;

кВ;

кВ.

Параметры всех элементов в относительных единицах при выбранных базисных условиях:

Воздушные линии:

(1.3)

Емкостное сопротивление будем учитывать лишь для линии А-В.

Для воздушной линии А-В:

Для воздушной линии В-1:

Для воздушной линии В-3:

Для воздушной линии 1−2:

Для воздушной линии 1−5:

Для воздушной линии 2−5:

Для воздушной линии 1−4:

Трансформаторы:

(1.4)

Трансформаторы э/стВ:

Трансформаторы п/ст1:

Трансформаторы п/ст2:

Трансформаторы п/ст3:

Трансформаторы п/ст4:

Трансформаторы п/ст5:

Генераторы:

(1.5)

Генераторы В:

Нагрузки:

(1.6)

Нагрузка 1:

Нагрузка 2:

Нагрузка 3:

Нагрузка 4:

Нагрузка 5:

Генераторная нагрузка:

Нагрузка РУ 110 кВ:

Нагрузка холостого хода генераторного трансформатора:

Таблица 6 — Исходные параметры узлов схемы

Таблица 7 — Исходные параметры узлов схемы

1.2 Определение ЭДС генератора и соответствующих им фазовых углов

В схеме замещения генератор можно представлять в следующем виде:

1) ЭДС и сопротивлением — для случая, когда генераторы электрической системы не снабжены системой АРВ.

Рисунок 1.3 — Схема замещения генератора без АРВ

2) ЭДС и сопротивлением — для случая, когда генераторы электрической системы снабжены системой АРВ пропорционального действия.

Рисунок 1.4 — Схема замещения генератора с АРВ п.д.

3) Напряжением и сопротивлением — для случая, когда генераторы электрической системы снабжены системой АРВ сильного действия.

Рисунок 1.5 — Схема замещения генератора с АРВ с.д.

Для определения ЭДС генератора будет использовано значение активной и реактивной мощности, протекающей по сопротивлению, которым представлен генератор в схеме замещения сети, значение которой выберем из исходных данных рассчитанных в программе ROOR, в относительных единицах:

Напряжение на шинах генератора:

Внешний угол электропередачи — это угол между векторами напряжения системы и генератора. Так, если система в рассматриваемой задаче представлена системной подстанцией А, а генератор — станцией В, то внешний угол электропередачи будет равен углу между векторами напряжений:

1) Генератор не снабжен системой автоматического регулирования возбуждения ЭДС генератора без АРВ, рассчитывается по формуле:

(1.7)

Внутренний угол электропередачи (угол сдвига вектора ЭДС по отношению к вектору напряжения) равен:

Полный угол электропередачи вычисляется по формуле:

(1.7)

2) Генератор снабжен системой автоматического регулирования возбуждения пропорционального действия ЭДС генератора с АРВ п.д., рассчитывается по формуле:

(1.8)

Внутренний угол электропередачи в этом случае равен:

Полный угол электропередачи в данном случае:

3) Генератор снабжен системой автоматического регулирования возбуждения сильного действия Когда генераторы электрической системы снабжены системой АРВ сильного действия, то напряжение на выводах генератора: .

Полный угол электропередачи равен внешнему углу:

.

2. Расчет статической устойчивости электрической системы

Необходимо определить зависимость активной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи и коэффициент запаса статической устойчивости для случаев, когда генераторы не снабжены системой АРВ, имеют АРВ пропорционального и сильного действия.

Зависимость активной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи имеет вид:

(2.1)

где , — собственные и взаимные проводимости;

 — собственные и взаимные углы потерь для каждого из случаев.

Коэффициент запаса статической устойчивости определяется по формуле:

(2.2)

где — предельная мощность для каждого из случаев.

1) Генератор не снабжен системой АРВ Для случая, когда генераторы электрической системы не снабжены системой АРВ, из пунктов 1.2 и 1.3 имеем:

;

Подставив данные значения в выражение зависимости активной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи, получим:

Для проверки правильности полученного выражения вычислим мощность при угле, найденном ранее для нормального установившегося режима.

Результат вычислений совпадает с заданной активной мощностью электрической станции.

Найдем предел передаваемой мощности, для случая, когда генераторы электрической системы не имеют АРВ:

при угле электропередачи:

Коэффициент запаса статической устойчивости равен:

.

.

Анализируя приведённые выше расчеты, можно сделать вывод, что генераторы электрической станции, не оснащенные системой АРВ, не обладают достаточным запасом по статической устойчивости. Утяжеление исходного режима по мощности возможно не более чем на 12%, если произойдёт возмущение режима (увеличение мощности) на 12% режим работы генераторов будет критическим, а при большем увеличении мощности генераторы перейдут в неустойчивый режим работы.

Определяется зависимость реактивной мощности, передаваемой генератором, от полного угла электропередачи:

(2.3)

График зависимости реактивной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи был построен в программе «Advanced Grapher». График представлен на рисунке 5.

Рисунок 2.1 — Зависимость реактивной мощности от угла электропередачи

2) Генератор снабжен системой АРВ пропорционального действия Подставив данные значения в выражение зависимости активной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи, получим:

Для проверки правильности полученного выражения вычислим мощность при угле, найденном ранее для нормального установившегося режима.

Результат вычислений совпадает с заданной активной мощностью электрической станции.

Найдем предел передаваемой мощности, для случая, когда генераторы электрической системы снабжены АРВ пропорционального действия:

при угле электропередачи:

Коэффициент запаса статической устойчивости равен:

.

.

Таким образом, генераторы, снабженные системой АРВ пропорционального действия, имеют достаточный запас статической устойчивости.

3) Генератор снабжен системой АРВ сильного действия Для случая, когда генераторы электрической системы снабжены системой АРВ сильного действия, из пунктов 1.2 и 1.3 имеем:

Подставив данные значения в выражение зависимости активной мощности, передаваемой генератором, от угла электропередачи, получим:

Для проверки правильности полученного выражения вычислим мощность при угле, найденном ранее для нормального установившегося режима.

Результат вычислений совпадает с заданной активной мощностью электрической станции.

Найдем предел передаваемой мощности, для случая, когда генераторы электрической системы снабжены АРВ сильного действия:

при угле электропередачи:

Коэффициент запаса статической устойчивости равен:

. .

Таким образом, генераторы, снабженные системой АРВ сильного действия, имеют достаточный запас статической устойчивости.

Рисунок 2.2 — Угловые характеристики мощности при различных системах АРВ

2.1 Определение статической устойчивости при различных классах напряжения сети

Определяются коэффициенты запаса статической устойчивости при напряжении линии, связывающей электрическую станцию с системой, равном 35, 110, 220, 330 и 500 кВ. Определяются параметры линии, результаты вычислений заносятся в таблицу.

Пример расчета параметров линии при номинальном напряжении сети 110 кВ:

Параметры линии при различных напряжениях сети

Расчет собственных и взаимных проводимостей системы, углов потерь производится по программе «TKZ_Win_Pro». Расчеты производятся для случая, когда генераторы электрической станции не снабжены системой АРВ. Результаты расчетов представлены в таблице.

Собственные и взаимные проводимости системы, углы потерь

Определяются коэффициенты запаса статической устойчивости при различных классах напряжения линии.

Номинальное напряжение линии 35 кВ:

Зависимость передаваемой мощности от угла электропередачи:

Предельная мощность равна:

И тогда коэффициент запаса статической устойчивости равен:

Система электропередачи при напряжении 35 кВ является абсолютно неустойчивой.

Номинальное напряжение линии 110 кВ:

Зависимость передаваемой мощности от угла электропередачи:

Предельная мощность равна:

И тогда коэффициент запаса статической устойчивости равен:

Номинальное напряжение линии 220 кВ:

Зависимость передаваемой мощности от угла электропередачи:

Предельная мощность равна:

И тогда коэффициент запаса статической устойчивости равен:

Номинальное напряжение линии 330 кВ:

Зависимость передаваемой мощности от угла электропередачи:

Предельная мощность равна:

И тогда коэффициент запаса статической устойчивости равен:

Номинальное напряжение линии 500 кВ:

Зависимость передаваемой мощности от угла электропередачи:

Предельная мощность равна:

И тогда коэффициент запаса статической устойчивости равен:

Для анализа изменений запаса статической устойчивости в зависимости от класса напряжения линии, связывающей электростанцию с системой, строится графическая зависимость, представленная на рисунке.

Зависимость коэффициента запаса статической устойчивости от напряжения линии Проанализировав расчеты второго раздела можно сделать вывод, что при отсутствии АРВ генераторы электрической станции не обладают достаточным запасом по статической устойчивости, в отличие от режима, когда АРВ установлены. При наличии АРВ пропорционального действия генераторы обладают меньшим запасом статической устойчивости, чем при наличии АРВ сильного действия. Такое влияние АРВ на запас статической устойчивости обусловлено схемой замещения генератора, которая включается в итоговую схему замещения сети. Особенности же схем замещения генераторов при различных системах АРВ обусловлены реальными физическими моделями этих систем АРВ и их особенностями действия. Анализируя написанное выше, можно объяснить стремление компаний, производящих генераторы, производить установку на них АРВ сильного действия. Это не только поможет поддерживать номинальный уровень напряжения на зажимах генератора для обеспечения нормальной работы всего оборудования, подключенного к данной ступени, но и значительно увеличит запас статической устойчивости. Грубо говоря, установка АРВ сильного действия способствует лучшему функционированию генераторов не только при электромагнитных, но и при электромеханических переходных процессах.

Так же на величину запаса статической устойчивости влияет номинальное напряжение линии электропередачи, связывающей электрическую станцию с системой. Чем выше класс напряжения линии, тем большим запасом статической устойчивости обладают генераторы электрической станции.

Схема замещения нулевой последовательности. Конфигурация данной схемы зависит от групп соединения обмоток трансформаторов, автотрансформаторов, электрических машин. Для ЛЭП, так как токи, протекающие по фазам, не сдвинуты на 120^о, учет взаимодействия токов нулевой последовательности приводит к тому, что сопротивления ЛЭП нулевой последовательности не совпадает в прямой последовательностью. Одноцепные линии 110 кВ и 35 кВ заземляются на каждой опоре, для них. Для двухцепных линий 110 кВ. Если элементы схемы имеют взаимоиндуктивные связи между фазами или другими элементами, то сопротивления нулевой последовательности может отличаться от прямой последовательности. Нагрузки в схеме замещения нулевой последовательности отсутствуют.

Активное сопротивление схемы нулевой последовательности определим через сопротивление прямой последовательности по выражению:

(3.3)

где — активное сопротивление прямой последовательности линии;

— сопротивление земли, .

Учитывая выражение для, при приведении сопротивления линии к базисным условиям получается выражение:

(3.4)

Вычисляются сопротивления линий нулевой последовательности:

Для воздушной линии А-В:

Для воздушной линии В-1:

Для воздушной линии В-3:

Для воздушной линии 1−2:

Для воздушной линии 1−5:

Для воздушной линии 2−5:

Для воздушной линии 4−5:

Расчет суммарного сопротивления нулевой последовательности так же производится по программе «TKZ_Win_Pro». Для этого составляется схема замещения нулевой последовательности, все ветви и узлы нумеруются, и в точку короткого замыкания подключается ЭДС .

Библиографический список

электродвижущий реактивный мощность генератор

1. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 415 с.

2. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. Л. А. Жукова. — М., Энергия, 1979. — 456 с.

3. Овчинников В. В. Расчет и анализ устойчивости электрических систем: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. — Киров, Изд. ВятГУ, 2007. — 74 с.

4. Расчет и анализ электромеханических переходных процессов в электроэнергетических системах: Методические указания к практическим занятиям./Т.А. Плешкова. — Киров: Изд. ВятГУ, 1997. — 57 с.

5. Требования к оформлению курсовых и дипломных проектов: Методические указания для курсового и дипломного проектирования./И.В. Арасланова. — Киров: Изд. ВятГУ, 2001. — 34 с.