Переходные процессы в электрических системах

Переходные процессы в электрических системах

Контрольная работа

Вариант №1

Переходные процессы в электрических системах

Содержание

1. Развитие современных электроэнергетических систем

. Основные понятия и виды переходных процессов

. Понятия о параметрах режима и состояния электрической системы и связь между ними

Литература

. Развитие современных электроэнергетических систем

Развитие современных электроэнергетических систем идет по пути концентрации производства электроэнергии на мощных электростанциях, развития альтернативных источников электроэнергии, создания крупных энергетических объединений, совершенствования технологий оперативно-диспетчерского и автоматического управления ими. При этом в процессе развития энергообъединений проявляются некоторые существенные тенденции. К таким тенденциям можно отнести следующие.

. Рост единичных мощностей агрегатов как вырабатывающих электроэнергию, так и ее потребляющих.

Сегодня мощность турбогенератора, например, достигла 1200 МВт, мощность крупных двигателей измеряется мегаваттами.

Первоначальные конструкции машин обладали естественным запасом устойчивости против механических и тепловых действий токов КЗ. Однако в настоящее время из-за жесткой экономии электротехнических материалов и ограничений на габариты машин такой запас сведен к минимуму, что приводит к повышению рисков повреждений машин. Поэтому анализ переходных процессов в электрических машинах при авариях в электроэнергетических системах (ЭЭС) особенно актуален.

В процессе развития электромашиностроения возникла необходимость создания строгой теории переходных процессов в электрических машинах. Такая теория была создана в конце 20-х годов XX века Р. Парком (R. Park). Ее развитию способствовали многочисленные работы, важное место среди которых занимают работы А. А. Горева.

. Увеличение мощности энергетических объединений.

Крупные ЭЭС сегодня созданы во всех развитых странах мира.

Объединение отдельных электрических станций и энергосистем на параллельную работу приводит к уменьшению суммарных затрат на выработку электроэнергии, но вместе с тем затрудняет и усложняет управление системой, увеличивает вероятность тяжелых системных аварий.

В 2008-2014 годах консорциумом системных операторов стран СНГ и Западной Европы были проведены исследования в рамках проекта «Разработка ТЭО синхронного объединения энергосистем UCTE и ЕЭС/ОЭС». Этот проект имел цель проверить техническую возможность и оценить вероятные затраты на создание энергообъединения, охватывающего девять часовых поясов и обеспечивающего жизнедеятельность громадной территории от Лиссабона до Владивостока. Анализ нормальных и аварийных режимов крупнейшего в мире энергообъединения показал техническую возможность создания такого энергообъединения, выявил особенности его нормальных режимов, динамического поведения, первичного и вторичного регулирования частоты, а также оперативно- диспетчерского и автоматического управления.

. Либерализация электроэнергетического сектора и создание рынка электроэнергии и мощности диктуют переход к режимам с меньшими запасами пропускной способности, делают необходимым учет экономических факторов в управлении режимами энергообъединения.

Рыночные подходы к управлению повысили уровень требований к точности расчетов как нормальных, так и переходных режимов, к качеству решения задач моделирования, требуя снижения глубины эквивалентирования элементов ЭЭС.

Если на предыдущих этапах развития ЭЭС за счет эквивалентирования удавалось искусственно понижать размерности решаемых задач, то современный уровень программно-вычислительных комплексов позволяет решать задачи очень высокой размерности и дает возможность во многих случаях отказываться от эквивалентирования и создавать подробные базовые расчетные модели для анализа как нормальных, так и переходных режимов.

. Совершенствование методов и средств оперативно-диспетчерского и автоматического управления энергообъединением.

Оперативно-диспетчерское управление объединения осуществляет специальный дежурный персонал, который непрерывно контролирует режим работы, обеспечивая его надежность, экономичность, необходимое качество электроэнергии, предотвращает возможные аварии и ликвидирует их последствия. Эффективность оперативно-диспетчерского управления зависит не только от полноты информации о состоянии системы в текущий момент времени, но и от результатов предварительного анализа нормальных и переходных режимов, используемых при их планировании.

Автоматическое управление осуществляется с помощью релейной защиты, автоматических систем режимного и противоаварийного управления. Характерной особенностью современного развития энергообъединений является постоянное усложнение систем автоматического управления.

. Развитие новых технологий и разработка новых методов управления режимами энергосистем.

Непрерывное совершенствование технологий производства, передачи и распределения электрической энергии сопровождается открытием и внедрением новых технологий и методов управления режимами.

В последние десятилетия получила интенсивное развитие технология векторной регистрации параметров как нормальных, так и аварийных режимов энергосистем. На базе этой технологии практически во всех крупных энергообъединениях мира созданы или создаются системы распределенных синхронизированных векторных измерений, управления и защиты (WAMS, WACS, WAPS), которые позволяют повысить качество информационного обеспечения управления режимами энергосистем, разрабатывать новые методы противоаварийного управления в режиме реального времени, повысить точность моделирования переходных режимов ЭЭС.

Новая концепция развития ЭЭС, получившая название Smart Grid, направлена на повышение эффективности и надежности энергосистем путем преобразования существующих электроэнергетических систем в интерактивные (потребитель - оператор). Такие системы позволяют преодолеть препятствия в развертывании эффективной интеграции распределительных сетей и возобновляемых источников энергии. Технологии Smart Grid предъявляют повышенные требования к моделированию не только силовых элементов энергосистемы, но и устройств защиты, автоматического управления и контроля.

Перечисленные тенденции подчеркивают важность учета переходных режимов при планировании и управлении режимами электроэнергетических систем и обеспечения условий их надежной работы.

. Основные понятия и виды переходных процессов

электроэнергетический переходный мощность агрегат

Современные электрические системы характеризуются объединением большого количества электрических станций различной мощности. По мере развития электрических систем увеличивается целесообразность их объединения.

Объединение электрических систем осуществляется при помощи межсистемных электрических связей в виде линий электропередач (ЛЭП) высокого напряжения переменного или постоянного тока. Это объединение обеспечивает:

повышение надежности, так как в случае повреждения какого-то элемента (генератор, трансформатор) потребитель продолжает получать энергию;

уменьшение резерва мощности и энергии по системе;

оптимальное использование мощности объединяемых систем с учетом их режимов работы;

взаимопомощь при авариях в одной из систем и др.

Часто связь между системами осуществляется одноцепной или двухцепной линией электропередачи. При этом передача энергии осуществляется, как известно, при высоких напряжениях. Почему напряжение имеет большое значение при передаче энергии видно из следующих простых соображений.

Активная мощность трехфазного тока, как известно, определяется соотношением

 , (1)

где U,I - линейные напряжение и ток, cosj - коэффициент мощности, j - сдвиг по фазе между фазным напряжением и фазным током.

Как видно из (1), повысить активную мощность можно, увеличив ток или напряжение, однако возрастание тока приводит к существенному повышению потерь, пропорциональных квадрату тока:

DP=3I2R (2)

где R - активное сопротивление одной фазы и к увеличению сечения провода ЛЭП. В то же время увеличение напряжения приводит к уменьшению тока и расхода материала, так как сечение провода определяется соотношением:

, (3)

где P- передаваемая мощность,  - длина проводника, ga - удельная проводимость металла, DU - потери напряжения, %, U - напряжение.

Пропускная способность соединительных линий определяется в первую очередь условиями устойчивости параллельной работы генераторов станций электрической системы, оснащенные крупными синхронными генераторами.

Единичные мощности генераторов современных станций несравненно возросли: максимальные их значения достигают 1200 МВт для двухполюсных генераторов - 3000 об/мин (Россия) и 1600 МВт для четырехполюсных - 1500 об/мин (Германия). В Узбекистане на Талимарджанской ГРЭС установлен генератор мощностью 800 МВт - наибольший по единичной мощности синхронный двухполюсный турбогенератор в Центрально-азиатском регионе. Работа энергосистем с такими агрегатами требует обеспечения устойчивости системы в целом.

Узбекистан располагает разветвленной электрической сетью местных и высоковольтных линий электропередач напряжении 500 кВ включительно. В стране действуют 9 тепловых, 30 гидравлических станций общей установленной мощностью примерно 12 млн.квт., с ежегодной выработкой электроэнергии в объеме 45-50 млрд.квт.ч. Энергосистема республики подключена к энергосистеме Средней Азии и России.

Развитие энергетики требует от специалиста - электроэнергетика ясного понимания явлений, происходящих как в системе, так и в ее отдельных элементах с тем, чтобы управлять этими процессами. Но для этого он должен предвидеть и уметь рассчитывать процессы, предсказывая по изменениям параметров системы количественное изменение параметров режима.

Процессы, происходящие в системе, существенно могут отличаться от процессов, происходящих в элементах системы. Эта особенность и определяет предмет изучаемого курса.

Предмет курса - изучение взаимосвязанных электромагнитных и механических процессов - электромеханических явлений и закономерностей этих процессов, происходящих как в отдельных элементах, так и во всей электрической системе, с целью обеспечения их устойчивой совместной работы.

Теперь рассмотрим основные понятия.

Электрическая система - это электрическая часть электроэнергетической системы, которая представляет собой совокупность отдельных элементов, в число которых входят:

а) силовые элементы - вырабатывающие, преобразующие, передающие, распределяющие и потребляющие электрическую энергию; (генераторы, турбины, трансформаторы, подстанции);

б) элементы управления - элементы, которые изменяют и регулируют состояние системы (регуляторы возбуждения, скорости, частоты).

Режим системы. - это состояние системы, определяющееся множеством различных процессов, происходящих в ее элементах и зависящих от схемы соединения элементов системы.

Режим системы характеризуется определенными значениями напряжений U в узловых точках, частотой f, активной и реактивной мощностью, вырабатываемой генераторами системы. Режим системы имеет количественные и качественные показатели.

Количественные показатели: вырабатываемая активная и реактивная (P,Q) мощности, перетоки Q и Р по ветвям системы, вырабатываемая электроэнергия.

Качественные показатели: величина напряжения в узловых точках системы, частоты f, синусоидальность формы напряжений, симметричность векторов напряжений и т.д.

Параметры режима В перечень параметров режима входят те параметры, которые определяют количественное состояние систем: Р, Q, U, I, f и, очевидно, что они меняются с изменением режима системы.

Параметры системы. Сюда входят различные сопротивления, проводимости, коэффициенты элементов системы ХГ , ХТ, rГ, rТ, Хл,, КТ, ХР и т.д. Параметры системы, вообще говоря, нелинейны, но при изучении данного курса мы будем принимать их как постоянные величины.

Режим в электрических системах может быть установившимся или же неустановившимся - переходным. Соответственно различают нормальные или аварийные режимы. Переходные процессы разделяют на нормальные и аварийные.

Нормальные переходные процессы имеют место при нормальной эксплуатации в результате воздействия регулирующих устройств и текущих изменений нагрузки системы. Например, диспетчер отключает одну из 2х работающих линий, или включается какой-либо генератор и т.д. В этих случаях возникает переходный процесс, который называется нормальным. При нормальных переходных процессах параметры режима отличаются от своих установившихся величин на небольшую величину.

Ряд воздействий, вызывающих малые возмущения, например, изменение нагрузки, действие регулятора скорости и т.д., происходят непрерывно и, следовательно, в системе всегда имеются возмущающие силы и малые возмущения, которые являются причиной переходных процессов.

Малые возмущения не должны служить причиной нарушения устойчивой работы системы. Поэтому система должна быть устойчивой в малом, или, другими словами, система должна обладать статической устойчивостью.

Статическая устойчивость - это способность системы самостоятельно восстанавливать исходный режим или близкий к исходному при малом возмущении в системе.

Аварийные переходные процессы возникают, когда происходят непредусмотренные работой резкие изменения в параметрах режима, вследствие отключения части генераторов, линий электропередач, при коротких замыканиях и т.д.

Вследствие аварий происходят большие изменения параметров режима (уменьшение U, P), т.е. электрическая система оказывается под воздействием больших возмущений. Например, 3х фазное короткое замыкание вызывает большие возмущения в системе, выражающиеся в колебаниях параметров режима генераторов, глубокой посадке напряжений, вплоть до нуля в точке короткого замыкания и т.д.

Система должна быть устойчивой и к большим возмущениям, т.е. обладать динамической устойчивостью.

Основные виды переходных процессов

При переходах системы из одного состояния к другому (например, включение или отключение генераторов нагрузки) происходят изменения количества энергии, связанной с данной электрической или электромеханической цепью. Например, при коротких замыканиях, в особенности при 3-х фазном коротком замыкании, вся энергия расходуется на месте аварии и поэтому можно наблюдать яркую вспышку, механические повреждения частей оборудования и т.д. Это происходит весьма быстро, напряжение почти мгновенно падает до нуля, но в начальный момент скорости вращений генераторов, двигателей остаются без изменения, из-за их инерционности. Но в результате изменения баланса моментов на валах вращающихся машин постепенно изменяются их скорости вращения. Другими словами, скорость изменения электромагнитных и механических состояний агрегатов существенно различаются. Поэтому переходные процессы при исследовании разделяют: по причинам возникновения, по частотам колебаний, по времени протекания и по другим признакам. Коротко рассмотрим переходные процессы, отличающиеся по времени протекания.

Первый вид переходных процессов - это волновые переходные процессы, связанные с появлением внутренних, коммутационных, грозовых и других перенапряжений. Изменение механического состояния элементов системы, например, изменение скорости вращения генераторов, турбин и т.д. на протекание этих процессов не влияет. Время протекания таких процессов находится в пределах tвол=(10-5¸10-8) сек. Этот раздел изучается в курсе техники высоких напряжений.

Электромагнитные переходные процессы, которые рассматриваются без влияния на них механического состояния системы, в которых они происходят. Например, электромагнитные переходные процессы в синхронных генераторах рассматриваются при условии постоянства скорости вращения роторов генераторов wp=пост. Время протекания таких процессов находится в пределах tэм=2 (10-2¸10-3) сек.

Третий вид переходных процессов - это электромеханические переходные процессы. На эти процессы изменения скоростей вращения генераторов, турбин, двигателей влияют существенным образом. Мы будем рассматривать одновременно и электромагнитную и механическое состояние системы, т.е. будем изучать их совместно с учетом их взаимовлияния. Отсюда и происходят содержание и название данного курса.

Время протекания этих переходных процессов значительно больше времени распространения физических величин в пространстве, которые характеризуют эти процессы (U, I и т.д.) и находятся в пределах tэмех= 0,02¸10 сек.и более.

. Понятия о параметрах режима и состояния электрической системы и связь между ними

Параметры режима. В перечень параметров режима входят те параметры, которые определяют количественное состояние систем: Р, Q, U, I, f и, очевидно, что они меняются с изменением режима системы.

Параметры системы. Сюда входят различные сопротивления, проводимости, коэффициенты элементов системы ХГ , ХТ, rГ, rТ, Хл,, КТ, ХР, и т.д. Параметры системы, вообще говоря, нелинейны, но при изучении данного курса мы будем принимать их как постоянные величины.

Режим в электрических системах может быть установившимся или же неустановившимся - переходным. Соответственно различают нормальные или аварийные режимы. Переходные процессы разделяют на нормальные и аварийные.

Основной задачей электроэнергетики является бесперебойное, устойчивое обеспечение потребителя электрической энергией. Необходимо определить, при каких условиях возможно обеспечение устойчивой работы генераторов, какую величину мощности можно передать по линии электропередачи, от каких факторов зависит обеспечение устойчивости, почему нарушается устойчивая, параллельная работа синхронных генераторов, находящихся в нормальной работе. Приступим к рассмотрению этих вопросов.

Рис 1. Простейшая схема электрической системы

Для представленной схемы электропередачи в предыдущем разделе было получено выражение электрической мощности в зависимости от угла между векторами э.д.с. Eq и напряжения приемных шин U, которое называют угловой характеристикой:

 (4)

При заданных величинах Eq, U, Xdå мощность генератора является функцией угла, причем эта зависимость нелинейна - синусоидальна. Для полноты на этом же графике рисуют характеристику мощности турбины PТ, а так как она не зависит от угла d, ее представляют прямой линией.

Рис. 2. Угловая характеристика простейшей электрической системы

Баланс мощностей на валу генератора, т.е. синхронная работа обеспечивается при Pг=PT , т.е. при равенстве вращающей механической мощности (момента) турбины и тормозной электромагнитной мощности (момента) генератора. Данное утверждение вытекает и из дифференциального уравнения относительного движения ротора синхронной машины, рассмотренного в предыдущем параграфе

при Pг=PT,d=пост. (5)

Как видно из графика рис 2, условие PГ = PT выполняется в двух точках 1 и 2, которым соответствует углы d1 и d2 . Необходимо определить в какой из этих точек генератор будет работать устойчиво.

Предположим, что в результате какого-то воздействия угол в точке 1 отклонился на малую величину Dd. При этом электромагнитная мощность генератора и передаваемая по линии электропередачи мощность увеличивались на величину DP1, в то время как механическая мощность турбины не изменилась вследствие инерционности. Нарушилось условие баланса мощностей (моментов) на валу, так как (Pг1 + DP1)>PT, причем на валу преобладает тормозной момент, под действием которого ротор генератора тормозится. В результате угол начинает уменьшаться и Dd®0 и ротор возвращается в точку 1, где обеспечивается равновесие моментов. Аналогичный процесс - возвращение в точку 1 происходит, если угол в этой точке уменьшиться на Dd.

Если такой же рост угла на величину Dd происходит в точке 2, то возникающий на валу избыточный момент будет ускоряющим, так как (Pг2 - DP2)<PT и скорость вращения ротора увеличится, что приводит к дальнейшему возрастанию угла, а это, в свою очередь повышает на валу избыточный ускоряющий момент и т.д. В результате ротор и, следовательно, режим не возвращается в точку 2. Аналогичный процесс будет наблюдаться и при уменьшении угла и процесс в этой точке закончится возвращением ротора в точку 1.

Следовательно, из двух точек 1 и 2 режим в точке 1 является устойчивым, так как ротор при малых отклонениях возвращается в исходную точку. Следовательно, признаком устойчивости работы синхронного генератора является возвращение в исходный режим. Необходимо помнить, что восстановление первоначального режима или же близкого к нему является основным показателем устойчивой работы синхронного генератора и соответственно электрической системы.

По мере возрастания мощности турбины и, соответственно, мощности передаваемой по линии согласно графика, увеличивается также и величина угла d, приближаясь к точке 3. Эта точка, с одной стороны, показывает максимальную активную мощность генератора, которую можно передать при dm=900 :

 , (6)

где Pm= - максимальная мощность. С другой стороны, точка является граничной, разделяющей устойчивую и неустойчивую области работы генератора.

Необходимо помнить, что пределы изменения угла:

d = 0¸900 является зоной устойчивой работы синхронного генератора;

d>900 область не устойчивой работы синхронного генератора.

Максимальную мощность Pm= называют идеальным статическим пределом передаваемой мощности, соответствующей постоянству напряжения U, что не всегда выполняется.

В практических расчетах, в целях количественной оценки уровня статической устойчивости (устойчивости при малых отклонениях) вводят понятие коэффициента запаса статической устойчивости, определяемой соотношением:

 (7)

Величина Kc устанавливается в пределах не менее:

20% в нормальных режимах,

8% в послеаварийных режимах.

Было установлено, что устойчивая работа синхронного генератора обеспечивается, если знаки приращений угла Dd и мощности DP= PT ± Pг совпадают. Тогда для отклонений можно написать:

 или, переходя к производной:

 , так как PT=пост.

Таким образом, статическая устойчивость будет обеспечена при выполнении условия

. (8)

Это условие является математическим критерием статической устойчивости синхронной машины. Проблема и сущность устойчивости при малых возмущениях сводятся к принятию мер, при которых это условие будет выполнено. Они будут рассмотрены далее.

Необходимо отметить еще раз, что возможность передачи активной мощности по линии электропередачи связано именно с наличием угла сдвига d между векторами э.д.с. Eq и напряжения приемной системы U, другими словами, угла сдвига между векторами напряжений по концам передачи. Таким образом, изменение впуска энергоносителя (пара или воды) в турбины передающей станции и их механической мощности отражается на электрическом режиме передачи изменением угла d, который является величиной, характеризующей и устойчивость передачи, и ее предельный режим.

Литература

Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 528 с., ил.

Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 440 с., ил.

Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.

Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.