Динамическая устойчивость энергосистемы

Реферат

Пояснительная записка содержит 21 страницы, 6 таблиц, 14 рисунков,3 источников литературы, в которой подробно расписана методика расчёта, которая использовалась в данной работе.

Объект исследования: система электропередачи.

Цель работы: получить навыки расчёта электромеханических переходных процессов в системе электропередачи, рассчитать предельное снижение напряжения на шинах асинхронного двигателя, оценить статическую и динамическую устойчивость системы.

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Рассчитать предел передаваемой мощности генератора Г-1 в систему при нормальном режиме работы

2. Рассчитать аварийный и послеаварийный режимы работы системы

2.1 Расчёт аварийного и послеаварийного режима при однофазном коротком замыкании в точке К-1

2.2 Расчёт аварийного и послеаварийного режима при трёхфазном коротком замыкание в точке К-2

3. Рассчитать предельное снижение напряжения на шинах асинхронного двигателя

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Устойчивость энергосистемы - это способность ее возвращаться в исходное состояние при малых или значительных возмущениях. По аналогии с механической системой установившийся режим энергосистемы можно трактовать как равновесное положение ее.

Параллельная работа генераторов электрических станций, входящих в энергосистему, отличается от работы генераторов на одной станции наличием линий электропередачи, связывающих эти станции. Сопротивления линий электропередачи уменьшают снихронизирующую мощность генераторов и затрудняют их параллельную работу. Кроме того, отклонения от нормального режима работы системы, которые происходят при отключениях, коротких замыканиях, внезапном сбросе или набросе нагрузки, также могут привести к нарушению устойчивости, что является одной из наиболее тяжелых: аварий, приводящей к перерыву электроснабжения потребителей Поэтому изучение проблемы устойчивости очень важно, особенно применительно к линиям электропередачи переменным током. Различают два вида устойчивости: статическую и динамическую.

Статической устойчивостью называют способность системы самостоятельно восстановить исходный режим при малых и медленно происходящих возмущениях, например при постепенном незначительном увеличении или уменьшении нагрузки.

Динамическая устойчивость энергосистемы характеризует способность системы сохранять синхронизм после внезапных и резких изменений параметров режима или при авариях в системе (коротких замыканиях, отключений часта генераторов, линий или трансформаторов). После таких внезапных нарушений нормальной работы в системе возникает переходный процесс, по окончании которого вновь должен наступить установившийся послеаварийный режим работы.

Именно такие внезапные нарушения в работе СЭС приводят к тяжелым экономическим последствия для населения и промышленных объектов.

Современная энергетика уделяет очень большое внимание борьбе с авариями на линиях, короткими замыканиями, большой вклад делает еще на стадии проектировании СЭС городов и предприятий.

Исходные данные

Схема для расчёта представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема системы электропередачи

Исходные данные для расчёта первой и второй задачи принимаем по таблице в соответствии с номером варианта.

Технические данные трансформаторов:

Тип транс форматора        ,

МВАПределы регулиро

вания, %, кВ

обмоток, %

,

кВт,

кВт,

Параметры двухцепной воздушной линии электропередачи

Марка провода    _,

Ом/км,

Ом/км,

Ом/км,

Ом/км,

Ом/км,

Ом/кмДлина

Рисунок 2 - Схема системы для расчёта предельного снижения напряжения на шинах асинхронного двигателя

Исходные данные для расчёта третьей задачи принимаем ниже по таблице в соответствии с номером варианта.

Технические данные асинхронного электродвигателя

Параметры КЛ:

1. Рассчитать предел передаваемой мощности генератора Г-1 в систему при нормальном режиме работы

Составляем схему замещения системы, которая представлена на рис.1 и рассчитываем индуктивные сопротивления всех элементов:

Рисунок 3 - Схема замещения системы

индуктивное сопротивлении задано,

индуктивное сопротивление трансформаторов:

 Ом,

 Ом,

индуктивное сопротивление ЛЭП:

 Ом.

Все сопротивления схемы замещения приводятся к номинальному напряжению генератора. Сопротивление трансформаторов:

 Ом,

 Ом,

сопротивление ЛЭП:

Ом.

Определяем суммарное сопротивление системы:

 Ом.

Рассчитываем номинальную реактивную мощность генератора:

МВАр,

Определяем приближённое значение синхронной ЭДС генератора:

 кВ.

Определяем предел передаваемой мощности генератора в систему:

 МВт.

Определяем значение коэффициента запаса статической устойчивости:

.

По данным расчёта строим векторную диаграмму.

Рисунок 4 - Векторная диаграмма

Изменяя значения угла  от 0 до 180 град., рассчитываем соответствующие значения мощности отдаваемой генератором в систему по формуле:

Результаты расчёта заносим в таблицу 3.

Таблица 3

Рисунок 5 - Угловая характеристика мощности

Система является статически устойчивой, так как коэффициент запаса больше 20%. И предел передаваемой мощности генератора в систему достигается при угле δ = 90⁰.

2. Рассчитать аварийный и послеаварийный режимы работы системы

Рассчитываем режимы по очереди.

2.1 Расчёт аварийного и послеаварийного режима при однофазном коротком замыкании в точке К-1

.1.1 Нормальный режим

.1.2 Аварийный режим

Составляем схему замещения системы при однофазном КЗ

Рисунок 6 - Схема замещения для аварийного режима при однофазном КЗ

Суммарное сопротивление КЗ Х_∆ при однофазном коротком замыкании равно сумме сопротивлению обратной последовательности и сопротивлению нулевой последовательности.

Преобразуем схему замещения системы при однофазном КЗ из соединения "звезда" в соединение "треугольник" со сторонами Х₁, Х_2, Х_3.

Сопротивление Х₂ и Х₃ могут быть отброшены, т.к. поток мощности отдаваемый генератором в сеть не проходит через эти сопротивления.

Рисунок 7 - Преобразованная схема замещения

Определим суммарное сопротивлении системы:

Х_d∑II = ,

Где X_∆=X_2∑+X_{0∑ -} шунт несимметричного КЗ, который включается между началом и концом схемы прямой и обратной последовательности.

Определяем индуктивное сопротивление нулевой последовательности Х_0∑:

 Ом.

Определим индуктивное сопротивление обратной последовательности X_2∑

_{2∑ =} 3 Ом

Определяем сопротивления шунта КЗ X_∆:

_∆=X_2∑+X_0∑ = 3 +0,097 = 3,097 Ом

Определяем суммарное сопротивлении системы:

Х_d∑II = 20,2 + 0,1 + 3,5 +0,04 + = 47Ом.

Определяем предел передаваемой мощности генератора в систему:

 МВт.

Изменяя значения угла  от 0 до 180 град., рассчитываем соответствующие значения мощности отдаваемой генератором в систему по формуле:

Результаты расчёта заносим в таблицу 4.

Таблица 4

.1.3 Послеаварийный режим

Составляем схему замещения системы для послеаварийного режима.

Рисунок 8 - Схема замещения для послеаварийного режима при однофазном КЗ

Послеаварийный режим определяется отключением одной цепи ЛЭП, после чего сопротивление  изменяется:

 Ом.

Определяем суммарное сопротивлении системы:

 Ом.

Определяем предел передаваемой мощности генератора в систему:

 МВт.

Рассчитываем значение углов:

,

.

Находим предельный угол отключения КЗ δ_откл:

.

Рассчитываем предельное время отключения КЗ:

.

Выбираем соответствующие уставки срабатывания устройств РЗА:

 ≥ Т_откл =  +

Поскольку линия имеет защиту, то через некоторое время она отключится выключателями. Следовательно, выбираем элегазовый выключатель серии ВГБЭ-35 - 110 с временем отключения  = 0,07 с. Также должно быть предусмотрены устройства релейной защиты от КЗ. Выбираем токовое реле РТ-40 с временем уставки  = 0,08 с.

Время действия релейной защиты определяется:

 =  +  = 0,07 + 0,08 = 0,15 с,

Находим время отключения КЗ:

Т_откл = 0,07 + 0,15 = 0,22 с.

,29 ≥ 0,22, что удовлетворяет условию  ≥ Т_откл

Изменяя значения угла  от 0 до 180 град., рассчитываем соответствующие значения мощности отдаваемой генератором в систему по формуле:

Таблица 5

Результаты расчёта заносим в таблицу 5.

,

,

Строим в одной координатной плоскости угловые характеристики мощности в нормальном, аварийном и послеаварийном режимах, на графике указываем значение мощности турбины Р₀. С учётом рассчитанного значения предельного угла отключения КЗ δ_откл на графике строим площади ускорения и торможения.

Рисунок 9 - График угловых характеристик мощностей и площади ускорения и торможения при однофазном КЗ

Для определения динамической устойчивости системы при однофазном КЗ необходимо рассмотреть площади ускорение F_уск и торможения F_торм. Условием для динамической устойчивости системы является неравенство: F_уск ≤ F_торм. Невооруженным глазом видно по графику угловой характеристики, что площадь ускорения на порядок больше площади торможения, значит система не является динамически устойчивой. Следовательно, накопленная кинетическая энергия не успевает превратиться в потенциальную, в результате скорость вращения ротора и угол δ будут расти и генератор выпадет из синхронизма. Для определения статической устойчивости системы необходимо найти коэффициент запаса . Вычислив коэффициент запаса , можно сделать вывод, что система является статически устойчивой, так как .

2.2 Расчёт аварийного и послеаварийного режима при трёхфазном коротком замыкание в точке К-2

2.2.1 Нормальный режим

Расчёт нормального режима проведён в задаче 1.

.2.2 Аварийный режим

Составляем схему замещения системы при трёхфазном КЗ

Рисунок 10 - Схема замещения системы при трёхфазном КЗ

При трёхфазном КЗ в точке К-2 взаимное сопротивление схемы становится бесконечно большим, т.к. сопротивление шунта КЗ Х_∆ ⁽³⁾ = 0. При этом характеристика мощности аварийного режима совпадает с осью абсцисс.

.2.3 Послеаварийный режим

Схема замещения при трехфазном коротком замыкании и и расчет послеаварийного режима аналогичем послеаварийному режиму, приведенному в п.2.1.3

Рассчитываем значение углов:

,

.

Находим предельный угол отключения КЗ δ_откл:

.

Рассчитываем предельное время отключения КЗ:

.

Выбираем соответствующие уставки срабатывания устройств РЗА:

 ≥ Т_откл =  +

Поскольку линия имеет защиту, то через некоторое время она отключится выключателями. Следовательно, выбираем элегазовый выключатель серии

ВГТ - 110 с временем отключения  = 0,055 с. Также должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от КЗ. Выбираем токовое реле РТ-40 с временем уставки  = 0,05 с.

Время действия релейной защиты определяется:

 =  +  = 0,005 + 0,05 = 0,055 с,

Находим время отключения КЗ:

Т_откл = 0,055 + 0,055 = 0,11 с.

,17 ≥ 0,11, что удовлетворяет условию  ≥ Т_откл

Строим в одной координатной плоскости угловые характеристики мощности в нормальном, аварийном и послеаварийном режимах, на графике указываем значение мощности турбины Р₀. С учётом рассчитанного значения предельного угла отключения КЗ δ_откл на графике строим площади ускорения и торможения.

Рисунок 11 - График угловых характеристик мощностей и площади ускорения и торможения при трёхфазном КЗ

Для определения динамической устойчивости системы при однофазном КЗ необходимо рассмотреть площади ускорение F_уск и торможения F_торм. Условием для динамической устойчивости системы является неравенство: F_уск ≤ F_торм. Невооруженным глазом видно по графику угловой характеристики, что площадь ускорения на порядок больше площади торможения, значит система не является динамически устойчивой. Следовательно, накопленная кинетическая энергия не успевает превратиться в потенциальную, в результате скорость вращения ротора и угол δ будут расти и генератор выпадет из синхронизма. Для определения статической устойчивости системы необходимо найти коэффициент запаса . Вычислив коэффициент запаса , можно сделать вывод, что система является статически устойчивой, так как .

3. Рассчитать предельное снижение напряжения на шинах асинхронного двигателя

Рассчитываем параметры элементов электропередачи и параметры нагрузки, приведённые к базисному напряжению U_б = 6 кВ и базисной мощности:

S_б = S_{АД ном} = ,

Сопротивление линии:

10^-4

Индуктивное сопротивление рассеяния магнитной цепи двигателя:

Определяем активную мощность потребляемая в исходном режиме двигателя:

Находим активное сопротивление ротора двигателя в исходном режиме (упрощенная схема замещения асинхронного двигателя):

,05 = ,

,0392 +0,05∙ = ,

произведём замену  на х и получим:

,05х² - х + 0,0392 = 0;

Д = в² - 4ас = 1^{2 -} 4∙0,05∙0,0392 = 0,99216;

х₁ = ;

х₂ =

Выбираем наибольший из корней уравнения и получаем:

 = 19,96.

Определяем реактивную мощность, потребляемую в исходном режиме двигателем:

 =

Определяем напряжение на шинах системы в исходном режиме:

= =1,где  = .

Определяем напряжение на шинах системы, при котором происходит затормаживание двигателя:

 =  = 0,71.

Определяем запас статической устойчивости двигателя по напряжению:

 =  ∙  = 29%.

Для построения механической характеристики М = f (S) по уравнению

М = , необходимо произвести следующий расчёт:

Определяем номинальную частоту вращения ротора:

_ном = n₀∙ (1 - S_ном) = 741∙ (1-0,01) = 734 об/мин.

Находим критическое скольжение:

_кр = S_ном∙(?? +) = 0,01∙ (2,1 + ) = 0,039.

Определяем номинальный и максимальный (критический) моменты двигателя:

М_ном =  =  Н∙м,

М_max = ?? ∙ М_ном = 2,1∙6505,3 = 13661, 4 Н∙м.

Для построения механической характеристики воспользуемся формулой Клосса:

М =  =

Задавшись различными значениями скольжения S, найдём соответствующие им значения момента М. Результаты расчёта занесем в таблицу 6.

Таблица 6

По данным таблицы 6 строим график М = f (S):

Рисунок 12 - График механической характеристики асинхронного двигателя

Система является статически устойчивой, так как коэффициент запаса двигателя по напряжению больше 20%

Заключение

После выполнения данной курсовой работы были отработаны и закреплены теоретические знания, приобретенные в течение семестра по расчету различных видов КЗ; проверки системы на статическую и динамическую устойчивать; построения угловых характеристик мощности и механической характеристики асинхронных.

Научился выполнять анализ системы на устойчивость, рассчитывать режимы работы системы до, после, и во время различных видов КЗ.

Можно сделать вывод, что расчет электромеханических переходных процессов занимает одну из значимых позиций по расчету и проектировании различных простых и сложных систем энергоснабжения.

Список используемой литературы

1. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: Учеб. пособие. - Новосибирск: НГТУ, М.: Мир: ООО "Издательство АСТ", 2008. -

с.

. Боровиков В.Н. и др. Электроэнергетические системы и сети - Москва: Метроиздат., 2010. - 356 с.

. Аполлонов А.А. Расчет и проектирование релейной защиты и автоматики - С. - Петербург, 2009г. - 159 с.