Расчёт и анализ устойчивости электроэнергетической системы
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Белорусский
Национальный Технический Университет
Кафедра
«Электрические системы и сети»
Курсовая
работа
Тема:
«Расчёт и анализ устойчивости электроэнергетической системы»
Выполнил: Р.
А. Юшкевич
гр. 10606112
Проверил: Е. В.
Мышковец
Минск
2015
РЕФЕРАТ
Работа 43 с., 52 рисунок, 4 таблицы,2 источника.
ФОРМИРОВАНИЕ СХЕМЫ, КОМПЛЕКСНАЯ СХЕМА,
ПАРАМЕТРЫ, БЕЗ АРВ, АРВ ПД, РЕМОНТНАЯ АРВ ПД, УГЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ,
Объектом исследования является расчетная схема
энергосистемы.
Цель работы заключается в исследовании
устойчивости электроэнергетической системы на ЭВМ.
Приведенный в курсовой работе
расчётно-аналитический материал объективно отражает состояние исследуемого
процесса, все заимствованные из литературных и других источников теоретические
и методологические положения и концепции сопровождаются ссылками на их авторов.
ВВЕДЕНИЕ
В данной курсовой работе комплексному
исследованию на устойчивость предлагается энергосистема, состоящая из генераторов,
трансформаторов, линий электропередачи (ЛЭП) и шин бесконечной мощности. В
работе необходимо исследовать различные компоненты системы на статическую и
динамическую устойчивость. Для исследования системы используется программа
MUSTANG-2000.
Перед началом исследования все параметры сети
приводятся к виду, удобному для ввода в программу. Для этого одинаковые
элементы (генераторы, трансформаторы) эквивалентируются, вычисляются
результирующие сопротивления всех элементов сети в именованных единицах. Затем
выбираются базисные величины, к которым приводятся все именованные величины.
Составляется схема замещения сети. Далее рассчитываются основные установившиеся
режимы сети: нормальная схема с АРВ и без АРВ генераторов, ремонтная схема с
АРВ на генераторах. В курсовой работе предусмотрено составление угловых
характеристик мощности для схем с различными типами АРВ, а также для
послеаварийной схемы и определение предела передаваемой мощности для каждого
случая по условиям статической устойчивости.
В комплексное исследование входит также
определение предельного времени отключения короткого замыкания. Оно
определяется методом последовательного перебора значений времени отключения и
нахождения двух ближайших друг к другу значений, в одном из которых система ещё
устойчива, в другом же устойчивость нарушена. В этом же пункте произведена
оценка эффективности действия АПВ.
. ФОРМИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ
Исходные данные cформированы в соответствии с
вариантом № 011020102. В качестве объекта исследований принята схема,
представленная на рисунок 1б.
Рисунок 1 -Принципиальная схема замещения
электрической системы
Паспортные данные электрооборудования схемы
приведены в таблицах 1.1 - 1.4.
Таблица 1.1 - Параметры генераторов станции Ст,
приемной системы
Наименование
показателей
|
Единицы
измерений
|
Обозначение
|
Величина
показателя
|
|
|
|
Ст
|
ЭС
|
Ген.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
Номинальная
мощность
|
МВт
|
Pнг
|
160
|
6000
|
300
|
Номинальный
коэффициент мощности
|
-
|
cosjн
|
0,85
|
0,8
|
0,85
|
Постоянная
инерции
|
c
|
Тj
|
5
|
8,5
|
7
|
Синхронное
сопротивление
|
%
|
Хd
|
230
|
-
|
-
|
Переходное
сопротивление
|
%
|
Хd’
|
32,9
|
26
|
30
|
Сопротивление
обратной последовательности
|
%
|
26,9
|
-
|
23,8
|
Номинальное
напряжение
|
кВ
|
Uнг
|
18
|
110
|
20
|
Количество
|
шт.
|
nГ
|
3
|
-
|
1
|
Таблица 1.2 - Параметры трансформаторов
Наименование
показателя
|
Единицы
измерения
|
Обозначение
|
Величина
показателя
|
|
|
|
Т1
|
Т2
|
Т3
|
Т4
|
Номинальная
мощность
|
МВА
|
Sн
|
400
|
200
|
63
|
400
|
Номинальное
напряжение
|
кВ
|
Uвн
Uнн
|
347
18
|
347
115
|
330
10,5
|
347
20
|
Потери
мощностиКЗ
|
кВт
|
Pk
|
810
|
570
|
265
|
810
|
Напряжение
КЗ
|
%
|
Uк
|
11
|
11
|
11
|
11
|
Потери
мощности ХХ
|
кВт
|
Pхх
|
365
|
235
|
120
|
365
|
Ток
холостого хода
|
%
|
IХ.Х.
|
0,40
|
0,45
|
0,7
|
0,4
|
Количество
|
шт.
|
nТ
|
3
|
3
|
1
|
Таблица 1.3 - Параметры линий
Наименование
показателя
|
Единицы
измерения
|
Обозначение
|
Величина
показателя
|
|
|
|
Л1
|
Л2
|
Л3
|
Л4
|
Марка
провода
|
-
|
-
|
2АС-400/
51
|
2АС-
500/ 64
|
2АС-300/
39
|
2АС-240/
32
|
Длина
|
км
|
L
|
140
|
80
|
120
|
80
|
Активное
сопротивление
|
Ом/км
|
Ro
|
0,038
|
0,030
|
0,048
|
0,060
|
Реактивное
сопротивление
|
Ом/км
|
Xo
|
0,323
|
0,320
|
0,328
|
0,331
|
Активная
проводимость
|
мкСм/км
|
go
|
0,0202
|
0,0152
|
0,0271
|
0,0345
|
Реактивная
проводимость
|
мкСм/км
|
bo
|
3,46
|
3,50
|
3,41
|
3,38
|
Таблица 1.4 - Величины нагрузок
Мощность
нагрузок S=PНАГР + jQнагр, МВ А
|
S1
|
S2
|
S3
|
80+j60
|
100+j70
|
100+j80
|
2. СОСТАВЛЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ
Комплексная схема замещения представлена на
рисунке 2.
Рисунок 2 - Комплексная схема замещения
устойчивость электроэнергетический
напряжение аварийный
Расчет параметров схемы замещения.
а) генератор Ст:
,
,
б) генератор ЭС:
,
в) генератор Г:
,
.
г) трансформаторы Т1:
,
,
,
.
д) трансформаторы Т2:
,
,
,
.
е) трансформаторы Т3:
,
,
,
.
ж) трансформаторы Т4:
,
,
,
.
з) линия электропередачи Л1:
,
,
,
.
и) линия электропередачи Л2:
,
,
,
.
к) линия электропередачи Л3:
,
,
,
.
л) линия электропередачи Л4:
,
,
,
.
м) исходная активная нагрузка:
станции Ст:
,
генератора Г:
,
н) постоянная механической инерции:
станции Ст:
,
генератора Г:
.
. РАСЧЕТ УЧТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (НОРМАЛЬНАЯ СХЕМА БЕЗ АРВ, С АРВ ПД, РЕМОНТНАЯ СХЕМА С
АРВ ПД ГЕНЕРАТОРОВ)
Под статической устойчивостью
электрической системы понимается ее способность возвращаться в исходное
состояние или режим, весьма близкий к исходному, после малого его возмущения.
Поскольку в электрической системе постоянно происходят малые возмущения, то
статическая устойчивость является необходимым условием ее функционирования.
Поэтому расчеты статической устойчивости выполняются при перспективном и
рабочем проектировании, разработке и внедрении специальных устройств
автоматического регулирования, ввода в эксплуатацию новых элементов системы,
изменение условий эксплуатации.
Многие задачи, преследующие
практические и учебные цели, могут быть решены с использованием практического
критерия статической устойчивости:
гдеPi - активная мощность
исследуемой i-й станции(генератора).
dij
- угол сдвига векторов ЭДС i-й и j-й станции(генератора).
Известно что мощность i-й станции(генератора)
можно записать в виде:
По результатам вычислений строятся
характеристики, по которым определяется предел системы, критический угол и
коэффициент запаса статической устойчивости.
Коэффициент запаса:
Полученный коэффициент запаса
сопоставляется с нормативным. Нормативный коэффициент запаса принимается
равным:
для нормальных режимов - 0,2;
в послеаварийных режимах этот
коэффициент принимается равным 0,08.
Если условие выполняется,
то система считается статически устойчивой с соответствующим коэффициентом
запаса.
Рисунок 3 - Исходные данные по узлам
Рисунок 4 -Исходные данные по ветвям
Рисунок 5 - Результаты вычислений по узлам
Рисунок 6 - Результаты вычислений по ветвям
В данном режиме работы напряжения в узлах
энергосистемы находятся в допустимых пределах, следовательно, режим является
устойчивым.
.2 Нормальная схема с АРВ генераторами
Рисунок 7-Исходные данные по узлам
Рисунок 8-Исходные данные по ветвям
Рисунок 9 - Результаты вычислений по узлам
Рисунок 10 - Результаты вычисления по ветвям
В данном режиме работы напряжения в узлах
энергосистемы находятся в допустимых пределах, следовательно, режим является
устойчивым.
.3 Ремонтная схема с АРВ на генераторах
Расчет при отключенной линии Л2. Начальные
напряжения оставим такими же как в нормальном режиме с АРВ, чтобы тем самым
показать насколько просядет напряжение во всех узлах схемы кроме генерирующих,
при аварийном отключении линии Л2.
Рисунок 11-Исходные данные по узлам
Рисунок 12-Исходные данные по ветвям
Рисунок 13 - Результаты вычисления по узлам
Рисунок 14 - Результаты вычисления по ветвям
В данном режиме работы напряжения в узлах
энергосистемы находятся в допустимых пределах, следовательно, режим является
устойчивым.
. ПОСТРОЕНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПРЕДЕЛА ПЕРЕДАВАЕМОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ НОРМАЛЬНОЙ И РЕМОНТНОЙ СХЕМ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПО
УСЛОВИЯМ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
.1 Генераторов без АРВ
Характеристика мощности электростанции
электрической системы при работе генераторов без АРВ.
Режим с нулевой мощностью станции Ст в программе
MUSTANG представлен на рисунке 15, а с предельной мощностью станции на рисунке
16.
Рисунок 15-Режим с нулевой мощностью станции Ст
Рисунок 16-Режим с предельной мощностью станции
Ст
Результат расчет мощностей и токов ветвей для
режима с предельной мощностью программы MUSTANG представлен на рисунке 17.
Рисунок 17-результат расчет мощностей и токов
ветвей
Зависимость мощности Р генератора без АРВ от
угла dимеет
вид, представленный на рисунке 18:
Рисунок 18- Характеристика мощности станции при
работе
генераторов
без АРВ
критический угол системы ;
предел системы ;
коэффициент запаса статической устойчивости
. Систему можно
считать статическинеустойчивой, так как .
4.2 Генераторов АРВ ПД
Режим с нулевой мощностью станции Ст в программе
MUSTANG представлен на рисунке 19, а с предельной мощностью станции - на
рисунке 20.
Рисунок 19-Режим с нулевой мощностью станции Ст
Рисунок 20-Режим с предельной мощностью станции
Ст
Результат расчета мощностей и токов ветвей для
режима с предельной мощностью программы MUSTANG представлен на рисунке 21.
Рисунок 21- Результат расчета мощностей и токов
Зависимость мощности Р генераторов с АРВ от dимеет
вид, представленный на рисунке 22:
Рисунок 22- Характеристика мощности станции при
работе
генераторов
с АРВ ПД
Критический угол системы.
Предел системы.
Коэффициент запаса статической устойчивости:
Систему можно считать статически устойчивой, так
как.
.3Схема послеаварийного режима с АРВ ПД
генераторов
Характеристика мощности электростанции
электрической системы при работе генераторов с АРВ и отключенной линии Л2.
Рисунок 23-Режим с нулевой мощностью станции Ст
Рисунок 24-Режим с предельной мощностью станции
Ст
Рисунок 25-Результат расчета мощностей и токов
Зависимость мощности генераторов от угла dпредставлена
на рисунке 26.
Рисунок 26- Характеристика генераторов с АРВ ПД
при отключенной Л2
Критический угол системы .
Коэффициент запаса статической устойчивости:
Систему можно считать статически устойчивой, так
как.
Совмещенная характеристика генераторов станции
представлена на рисунке 27.
Рисунок 27- Совмещенная характеристика
генераторов станции
. РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ОТКЛЮЧЕНИЯ
КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АПВ
Предельное время отключения короткого замыкания
- один из важнейших параметров, определяемых при исследовании динамической
устойчивости энергосистем. Нахождение предельного времени отключения короткого
замыкания (в нашем случае - трехфазного) фактически является исследованием
заданной схемы на динамическую устойчивость. Для расчета динамической
устойчивости воспользуемся программой MUSTANG. В качестве возмущения примем
короткое замыкание на линии Л2 (участок 2-7).
Производя расчет установившегося режима. Введем
параметры динамических данных и произведем расчет динамической устойчивости
системы с шагом интегрирования h=0,01 с в интервале времени от 0 до 15 с при
следующих возмущениях: в момент времени t = 0,1 с происходит КЗ в узле 2 и
продолжается до момента времени tК, после чего происходит отключение
поврежденной линии Л2. Задача состоит в экспериментальном подборе времени tК.
Это такое время при котором система еще сохраняет синхронизм, но если добавить
к нему бесконечно малую величину, то система выпадет из синхронизма.
Исходные данные (параметры схемы замещения) для
расчета динамической устойчивости берем из пункта 2. Расчет производим для
генераторов c АРВ пропорционального действия. Удаляем генераторные ветви и узлы
9 и 10. Меняем генераторный тип, активную мощность генерации Pг, Qгmin, Qгmax
переносим из 9 и 10 узлов в 8 и 6 соответственно. Напряжение остается
неизменным.
Данные по автоматике и генераторам приведены на
рисунках 28 и 29.
Рисунок 28-Параметры автоматики
Рисунок 29-Параметры генераторов
Согласно полученным результатам предельное время
отключения короткого замыкания tпротк=0,214с. При t=0,215 c система выходит из
синхронизма.
Если действительное время КЗ меньше 0,214 с, то
динамическая устойчивость рассматриваемой системы при данном виде повреждения
обеспечивается.
Рисунок 30 - Изменение напряжения в узле 2
(синхронизм сохраняется)
Рисунок 31 - Изменение напряжения в узле 7
(синхронизм сохраняется)
Рисунок 32 - Изменение напряжения в узле 6
(синхронизм сохраняется
Рисунок 33 - Изменение относительного угла
ротора 6-8; 1-6; 1-8
(синхронизм сохраняется)
На рисунке 34 - представлено изменение
напряжения в узле 2
(синхронизм нарушается)
Рисунок 35 - Изменение напряжения в узле
7(синхронизм нарушается)
Рисунок 36 - Изменение напряжения в узле
6(синхронизмнарушается)
Рисунок 37 - Изменение относительного угла
ротора 6-8; 1-6; 1-8
Далее проанализируем влияние АПВ на динамическую
устойчивость системы. На рисунке 38 представлен алгоритм действия автоматики
при возникновении и отключении короткого замыкания с успешным АПВ.
Проведя расчёты, получили новое предельное время
отключения КЗ. Результаты расчета динамической устойчивости с применением АПВ
приводим для tК = 0,214 с (синхронизм сохраняется), а для tК = 0,215 с
(синхронизм нарушается).
При времени включения связи TАПВ=0,435 с
синхронизм сохраняется, а при TАПВ=0,436 c синхронизм нарушается.
Рисунок 38-Параметры автоматики с успешным АПВ
Рисунок 39 - Изменение напряжения в узле 2
(синхронизм сохраняется)
Рисунок 40 - Изменение напряжения в узле 7
(синхронизм сохраняется)
Рисунок 41 - Изменение напряжения в узле 6
(синхронизм сохраняется)
Рисунок 42 - Изменение относительного угла
ротора 6-8; 1-6; 1-8
(синхронизм
сохраняется)
Рисунок 43 - Изменение напряжения в узле 2
(синхронизм нарушается)
Рисунок 44 - Изменение напряжения в узле 7
(синхронизм нарушается)
Рисунок 45 - Изменение напряжения в узле 6
(синхронизм нарушается)
Рисунок 46 - Изменение относительного угла
ротора 6-8; 1-6; 1-8
(синхронизм
нарушается)
. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАПАСА
УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛА НАГРУЗКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С
АРВ И БЕЗ АРВ НА ГЕНЕРАТОРАХ
Рисунок 47-Типовые статические характеристики по
напряжению
Рисунок 48-Исходные данные с АРВ ПД на
генераторах станции
Рисунок 49-Исходные данные для режима без АРВ на
генераторах станции
Для оценки статической устойчивости
воспользуемся критерием dΔQ/dU<0, где
dΔQ
- небаланс
мощностей.
По данному критерию построим зависимости ΔQ=f(U),
Qн=f(U),
Рн=f(U),Qg=f(U), для каждого режима энергосистемы.
Рисунок 50- Оценка устойчивости нагрузки по
критерию dΔQ/dU<0
в
ремонтном режиме с АРВ ПД на генераторах станции
Зависимость небаланса мощности от напряжения для
режима БЕЗ АРВ на генераторах на рисунке 51.
Рисунок 51- Оценка устойчивости нагрузки по
критерию dΔQ/dU<0
в
режиме без АРВ на генераторах станции
Зависимость небаланса мощности от напряжения для
послеаварийного режима с АРВ ПД на генераторах на рисунке 52.
Рисунок 52- Оценка устойчивости нагрузки по
критерию dΔQ/dU<0
в
послеаварийном режиме с АРВна генераторах станции
Уровень статической устойчивости узлов нагрузки
оцениваем путем расчета коэффициента запаса по напряжению:
Для обеспечения устойчивости нагрузки
коэффициент запаса по напряжению должен быть не менее 0,15 в нормальных и 0,1 в
аварийных режимах электроэнергетических систем.
) Режим с АРВ ПД:
) Режим без АРВ:
3) Послеаварийный режим с АРВ:
Видно, что в режиме с АРВ ПД нагрузка обладает
более высоким коэффициентом запаса устойчивости по напряжению.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовой работе было выполнено 6 пунктов.
В пункте 1 были приведены параметры схемы
замещения принципиальной схемы энергосистемы для заданного варианта 01.
В пункте 2 составлена комплексная схема
замещения энергосистемы и значение их параметров.
В пункте 3 произведены расчеты трех режимов
работы энергосистемы (без АРВ на генераторах станции, с АРВ пропорционального
действия и ремонтного режима с АРВ пропорционального действия на генераторах
станции). Во всех трёх режимах работы напряжения в узлах энергосистемы
находятся в допустимых пределах, следовательно эти режимы являются устойчивыми.
В пункте 4 по результатам расчётов построены 3
угловые характеристики: для нормальных схем с генераторами без АРВ и с АРВ
пропорционального действия на станции и для ремонтной схемы с генераторами с
АРВ пропорционального действия на станции.
В пункте 5по полученным характеристикам
определены пределы передаваемой мощности и запас устойчивости для всех 3
режимов. В режиме без АРВ коэффициент запаса устойчивости по активной мощности
Kp=0,00208 меньше нормативного значения Kpн=0,2, что означает, что в таком
режиме система не обладает запасом статической устойчивости. В режиме с АРВ
коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности Kp=1,281
превышает нормативное значение Kp=0,2, что означает, что в таком режиме система
обладает запасом статической устойчивости. В схеме послеаварийного режима с АРВ
на генераторах коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности
Kp=1,094 превышает нормативное значение Kp=0,08, что означает, что в таком
режиме система обладает запасом статической устойчивости. Нашли предельное
время отключения короткого замыкания, при котором система сохраняет свою
устойчивость составило tо.пр.=0,214с. И определили, что при времени включения
связи TАПВ=0,435с синхронизм сохраняется, а при TАПВ=0,436c синхронизм
нарушается.
В пункте 6 исследована устойчивость узла
нагрузки по критерию dΔQ/dU<0 для
трех режимов энергосистемы (с АРВ пропорционального действия, ремонтного режима
с АРВ пропорционального действия и без АРВ). Построены зависимости небаланса
реактивной мощности от напряжения ΔQ=f(U). Коэффициент
запаса по напряжению для режима с АРВ KU=0,371; для без АРВ KU=0,0571 и
ремонтного режима KU=0,371. Результаты расчета коэффициента запаса устойчивости
по напряжению показали, что в режимах с АРВ пропорционального действия и в
послеаварийном нагрузка обладает достаточным коэффициентом запаса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1
Калентионок Е. В., Филипчик Ю. Д. Исследование устойчивости
электроэнергетических систем на ЭВМ: Методическое пособие к курсовой работе по
дисциплинам «Устойчивость электроэнергетических систем», «Переходные процессы в
электроэнергетических системах». - Мн.: БНТУ, 2010 - 85 с.
Калентионок
Е. В. Устойчивость электроэнергетических систем.
Мн.:
Техноперспектива, 2008. - 376 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рисунок 53 - Характеристика мощности генератора
в узле 6 (синхронизм сохраняется)
Рисунок 54 - Характеристика мощности генератора
в узле 1(синхронизм сохраняется)
Рисунок 55- Характеристика мощности генератора в
узле 8 (синхронизм сохраняется)
Рисунок 56- Характеристика мощности генератора в
узле 6 (синхронизм сохраняется)
Рисунок 57- Характеристика мощности генератора в
узле 1 (синхронизм сохраняется)
Рисунок 58- Характеристика мощности генератора в
узле 8 (синхронизм сохраняется)