тюменский государственный нефтегазовый университет институт промышленных технологий и инжиниринга
 Скачать 0.75 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА Кафедра «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА» Расчет устойчивости электроэнергетической системы РУКОВОДИТЕЛЬ доцент, канд. техн. наук __________Хмара Г.А. РАЗРАБОТЧИК: студент группы ЭСб(до)зу-14-1 _________ Логиновских Эдуард Николаевич Тюмень, 2017 СОДЕРЖАНИЕ:
- однолинейная принципиальная схема ЭЭС:  - тип генератора G: ТВВ-800-2Е; - параметры трансформатора Т1: 24/242 кВ; - параметры трансформатора Т2: 242/37,5 кВ; - напряжение системы UC: 35 кВ; - исходный режим: 780/85 МВт/Мвар. Содержание пояснительной записки
ВВЕДЕНИЕ Аварии, связанные с нарушением устойчивости параллельной работы генераторов в крупных электроэнергетических системах (в дальнейшем – электрических системах), влекут за собой сбой электроснабжения больших районов и городов. Ликвидация таких аварий и восстановление нормальных условий работы электрических систем представляют большие трудности и требуют много времени. При сравнительно небольшом числе аварий, их последствия весьма тяжелы как для энергосистемы региона, так и для единой энергосистемы государства, что заставляет уделять значительное внимание вопросам увеличения устойчивости как при проектировании электрических станций и сетей, так и при их эксплуатации. Различают статическую и динамическую устойчивость. Математические приемы, используемые для их анализа, существенно различаются между собой. Сложность расчетов требует применения соответствующих средств вычислительной техники [3, с. 3]. Устойчивость применительно к электрической системе – это способность её вернуться к исходному или новому установившемуся состоянию, после устранения возмущающего действия, без возникновения несинхронного вращения роторов генераторов системы. Если величина возмущающего действия мала, то говорят о статической устойчивости. При значительном возмущении в системе, например, при коротком замыкании, говорят о динамической устойчивости. Проблема устойчивости энергетической системы наложила большой отпечаток на схемы коммутации, режимы работы и параметры оборудования и автоматики электрических систем. На устойчивую параллельную работу станций непосредственное влияние оказывают также переходные процессы в узлах нагрузки, т. е. в приёмниках электроэнергии, включающих синхронные и асинхронные двигатели. Во время переходных процессов таких как пуск, самозапуск двигателей, резкие колебания на валу и т.д., напряжение на шинах узла нагрузки может изменяться по величине и фазе выше допустимых пределов. В ряде случаев это может оказывать значительное влияние на режим работы системы электроснабжения в целом. Поэтому при проектировании и особенно при эксплуатации электроэнергетических установок вопросу режима работы узлов нагрузок, как и вопросам устойчивости электрических систем, должно уделяться большое внимание. Целью курсовой работы является рассмотрение практических методов и приобретения навыков расчета и анализа статической устойчивости электроэнергетической системы, на примере генераторной подстанции, работающей на шинах бесконечной мощности. А также проверке статической устойчивости электроэнергетической системы. Расчет статической устойчивости электроэнергетической системы Характеристическое уравнение движения ротора при учете демпфирующих моментов в обмотке возбуждения генератора имеет вид  , (1.1)где ;  ; ;  ; ; - синхронная ЭДС генератора,  , о.е.; - напряжение системы, о.е.; - постоянная инерции генератора, , рад; - постоянная времени обмотки возбуждения, с; - угол между и , рад;  - синхронное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси, о.е.; - эквивалентное сопротивление системы, о.е.;  - переходное индуктивное сопротивление генератора, о.е.;  - потери мощности в демпферной обмотке, о.е.Рассмотрим решение на примере системы, изображенной на рисунке 2.1, состоящей из генератора типа ТВВ-800-2Е, трансформатора Т1 с номинальным напряжением 24/242 кВ, трансформатора Т2 с номинальным напряжением 242/37,5 кВ, при исходном режиме Р0=780 МВт, Q0=70 Мвар, Uc=35 кВ. За базисные условия примем U6I=24 кВ, U6II=230 кВ, U6III=37 кВ, S6=888,9 МВА. 1.1. Метод D-разбиения для анализа статической устойчивости электроэнергетической системы Для определения области допустимых значений сопротивления системы, приведенной на рисунке 1.1 используем метод D-разбиения по неизвестным параметрам С1 и С2. Рис.1.1 Однолинейная принципиальная схема электроэнергетической системы Для этого произведем преобразования характеристического уравнения: заменим  на  ,  на ,   на р;получим новое характеристическое уравнение вида ; (1.2) предположим, что имеется пара чисто мнимых корней характеристического уравнения   ; (1.3)раскроем скобки и разделим характеристическое уравнение на систему из двух уравнений - действительной и мнимой частями  ; (1.4) ;Постоянная инерции генераторного агрегата включает инерцию турбогенератора и инерцию турбины, поэтому постоянная времени инерции турбоагрегата равна  , (1.5) (рад).Приведенная постоянная времени обмотки возбуждения  (рад) (1.6)Мощность потерь в демпферных обмотках составляет   0,0025Рн = 0,0025  0,9 = 0,00225 (о.е.) (1.7)где о.е. Постоянная   , (1.8)где  =1 о.е.;  =0,95 о.е.; ;  =0,877 о.е.; =0,079 о.е.; о.е.;  ,Постоянная   , (1.9)где   .Подставим рассчитанные величины в (3.5) и упростим  ; (1.10) ; (1.11)где  .Произведем D-разбиение по параметрам С1 и С2 для этого приведем систему (1.11) к виду  ; (1.12)Найдем определители системы  ; (1.13) ; (1.14) ;(1.15)Выразим параметры и  (1.16) (1.17)Определим область значений параметров, при которых система будет устойчивой. Для этого на плоскости параметров С1 и С2 построим характеристику D-разбиения (рис.1.2), выберем точку в любой из полученных областей и подставим значения параметров в характеристическое уравнение (1.2). Затем определим устойчивость системы с помощью любого известного критерия.  Область устойчивости Рис. 1.2. Характеристика D-разбиения по параметрам С1 и С2 Рассмотрим определение области устойчивости на примере точки (100, 1000). Подставим значение параметров в характеристическое уравнение (1.2)  (1.18) . (1.19)Так как степень характеристического уравнения 3, то наиболее простой способ определения устойчивости - критерий Гурвица. Составим матрицу Гурвица . (1.20) Все коэффициенты с индексом i<0 или i>n обозначаются нулями. Для соблюдения устойчивости требуется, чтоб все n диагональных миноров матрицы Гурвица были положительны.  ; (1.21) ; (1.22) . (1.23)Следовательно, система устойчива в выбранной точке, а значит, устойчива во всей области параметров над характеристикой D-разбиения. 1.2. Выбор элементов электроэнергетической системы при условии статической устойчивости Подберем параметры электроэнергетической системы, схема замещения которой изображена на рисунке 1.3, при которой система будет статически устойчива.  Рис. 1.3. Схема замещения электроэнергетической системы Задача заключается в выборе величины ХС, состоящей из суммы сопротивлений элементов системы. Так как мощность рассматриваемого генератора выше 60 МВт, то для регулирования возбуждением генератора используется АРВ-С, следовательно, для определения статической устойчивости XГ=0. Тогда,  , (1.24)где  - сопротивление трансформатора Т1, о.е.;- сопротивление линий W1, W2, о.е.;  - сопротивление трансформатора Т2, о.е.Сопротивление трансформаторов определим по формуле  , (1.25)где  - напряжение короткого замыкания трансформатора, %; - номинальное высшее напряжение трансформатора, кВ;  - базисное напряжение, кВ; - номинальная мощность трансформатора, МВА; - базисная мощность, МВА.Так как полная мощность генератора составляет 888,9 МВА, то выбираем мощность трансформатора Т1 ближайшей из стандартного ряда, то есть 1000 МВА. Полная мощность исходного режима составляет 800 МВА, следовательно, номинальная мощность трансформатора Т2 из стандартного ряда - 800 МВА. Тогда сопротивление силовых трансформаторов Т1 и Т2 соответственно равны (о.е.) (о.е.) Выберем тип линии одноцепную с заземленными тросами из хорошо- проводящих материалов длиной 100 км, а ее погонное сопротивление 0,325 Ом/км. Сопротивление линии ; (1.26)  , (1.27)где  - погонное сопротивление линии, Ом/км; - длина линии, км; - базисная мощность, МВА. - базисное напряжение, кВ; (о.е.)Сопротивление системы определим по формуле (1.24) (о.е.) Проверим, будет ли устойчива электроэнергетическая система при выбранных элементах. Для этого рассчитаем параметры С1 и С2 по формулам (1.8) и (1.9).   .Полученные значения параметров входят в область устойчивости, следовательно, система статически устойчива с выбранными элементами. 1.3. Расчет запаса статической устойчивости и построение угловой характеристики мощности генератора Построим угловую характеристику генератора и рассчитаем запас статической устойчивости по активной мощности. Запас статической устойчивости по активной мощности рассчитывается по формуле  , (1.28)где - предельная мощность генератора с АРВ-С, МВА;   - для генераторов с АРВ-С. Для генератора ТВВ-800-2Е предельная мощность равна (МВт) Запас статической устойчивости равен  Уравнение угловой характеристики мощности неявнополюсного генератора определяется по формуле , (1.29) (МВт) На рисунке 1.4 показана угловая характеристика мощности генератора ТВВ-800-2Е и исходный режим работы системы.    Рис. 1.4. Угловая характеристика мощности генератора ТВВ-800-2Е 2. Анализ динамической устойчивости электроэнергетической системы 2.1. Анализ динамической устойчивости электроэнергетической системы методом площадей Для анализа динамической устойчивости системы методом площадей необходимо определить изменения угловой характеристики мощности генератора при нарушении нормального режима. Определим сопротивление   при указанных видах коротких замыканий и отключении поврежденного участка.Угловая характеристика генератора для анализа динамической характеристики описывается уравнением  , (2.1)где - переходная ЭДС генератора, кВ;  - переходное сопротивление генератора, Ом; ; (2.2) (о.е.)На рисунке 2.1 представлены схемы замещения для нормального, аварийного и послеаварийного режимов работы электроэнергетической системы.  Рис. 2.1. Схемы замещения: а - нормального режима; б - аварийного режима; в - послеаварийного режима Из рисунка следует, что сопротивление системы в нормальном режиме ; (2.3)  (о.е.)Тогда, угловая характеристика генератора в нормальном режиме для определения динамической устойчивости равна (МВт); (МВт). Сопротивление системы в аварийном режиме определяется по формуле , (2.4) где - шунт короткого замыкания вида n, о.е. Таблица 2.1 Шунт короткого замыкания
Сопротивление элементов обратной последовательности практически равно сопротивлению прямой последовательности, так как в системе не учитываются элементы с несколькими магнитными системами. Токи нулевой последовательности циркулируют между точкой несимметричного короткого замыкания через линии электропередач к трансформаторам системы. То есть  (о.е.); (о.е.),При внезапном однофазном металлическом коротком замыкании К(1)  (о.е.);(МВт); (МВт). При двухфазном коротком замыкании на землю K(1,1)  (о.е.);(МВт); (МВт). При трехфазном коротком замыкании К(3)  (о.е.);(МВт); (МВт). При отключении поврежденной линии (о.е.); (МВт); (МВт). На рисунке 2.2 приведены вычисленные угловые характеристики: - нормальный режим; - однофазное короткое замыкание на линии; - двухфазное короткое замыкание на землю на линии; - трехфазное короткое замыкание на линии; - отключение поврежденной линии.  Sуск Sв.торм Р0 Р  0,564 0,513 1,2 1,35 2,592 1 5 2 3 4 Рис. 2.2. К определению динамической устойчивости методом площадей Согласно методу площадей, система динамически устойчива, если площадь ускорения меньше площади возможного торможения ротора генератора (2.5) Определим площади ускорения и возможного торможения ротора генератора: ; ;  .Следовательно, система динамически неустойчива. 2.2. Анализ динамической устойчивости электроэнергетической системы методом последовательных интервалов Для анализа динамической устойчивости системы весь переходный процесс разбивается на небольшие интервалы времени  . Для каждого интервала времени последовательно вычисляется приближенное значение приращения  .В момент короткого замыкания из-за значительного снижения отдаваемой мощности генератора появляется избыток мощности  . На интервале этот избыток мощности постоянный. Тогда приращение скорости гене  и угла  в течение первого интервала ; (2.6) . (2.7)где  - ускорение ротора генератора;Следовательно, приращение угла в течение первого интервала можно определить по формуле  . (2.8)Зададимся начальными значениями P0 = 780 МВт и  рад. Выберем время = 0,01 с = 3,14 рад.Определим изменение угла за первый расчетный интервал по формуле (2.8) (рад).где - избыток мощности, вызванный возникновением однофазного короткого замыкания на землю, МВт. (МВт). Приращение угла в течение второго и последующих промежутков времени определяется по формуле  (2.9)Найдем значение угла в конце первого интервала времени по формуле  (2.10) (рад) Определим избыток мощности во втором интервале времени по формуле  (2.11)(МВт) Если в течение некоторого j-го промежутка времени происходит изменение режима, то избыток мощности изменяется от некоторой величины до величины . При вычислении приращения угла в следующем интервале после момента смены режима, значение избытка мощности определяется как среднее из и , то есть  . (2.12)Так как при угле нагрузки 0,5 рад в рассматриваемом примере однофазное короткое замыкание переходит в двухфазное короткое замыкание на землю и при этом наблюдается изменение режима, то для определения приращения  воспользуемся формулой (2.12) ,где (МВт), a (МВт). Остальные расчеты сведем в таблицу Таблица 2.1 Расчет предельного времени отключения короткого замыкания
На рисунке 2.3 изображена зависимость изменения угла нагрузки во времени.  , рад t, c Рис. 2.3. Зависимость  =f(t)Таким образом, время перехода однофазного короткого замыкания в двухфазное на землю - 20 мс, время перехода в трехфазное короткое замыкание - 90 мс, а предельное время отключения короткого замыкания - 100 мс с точностью ±10 мс. Заключение Основной задачей исследования является развитие комплексного представления о математических основах теории устойчивости, математических моделях энергосистем, практических методах анализа статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем. В контрольной работе был произведен расчет параметров энергетической системы, при различных типах генераторов, определены пределы передаваемой мощности и коэффициенты запаса статической устойчивости системы, а также выявлено влияния коэффициента мощности нагрузки на коэффициент запаса статической устойчивости. Расчёт коэффициента запаса статической устойчивости для режима максимальных нагрузок с АРВ-С показал, что коэффициент запаса в данном случае больше допустимого предельного значения. Таким образом, эту сеть можно считать устойчивой. Произведя расчёты с различными системами возбуждения генератора, пришли к выводу, что с увеличением скорости регулирования возбуждения, растет предел передаваемой мощности, а значит и коэффициент запаса статической устойчивости. При анализе динамической устойчивости электроэнергетической системы методом площадей получили, что система динамически неустойчива. Произвели расчет предельного времени отключения короткого замыкания. В ходе выполнения курсовой работы были приобретены навыки практических расчётов статической устойчивости систем. Список используемых источников Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: Энергосервис, 2011г. 2. Белов А.В., Коровин Ю.В. Устойчивость электрических систем: Учебное пособие. 2010. – 137 с. 3. Бугров В. Г. - Электромеханические переходные процессы в системах электроснабжения: учебное пособие для специальности 100400 "Электроснабжение". - Тверь: ТГТУ, 2005. - 115 с. 4. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. – М.: Высшая школа. 1970. 5. Электротехнический справочник. Т.2. Под общей ред. П. Г. Грудинского и др. Москва. Энергия, 1975. 6. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 390 с. 7. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989г. – 608с.: ил. 8. Овчинников В.В. Расчёт устойчивости электрических систем. Методические указания к курсовой работе. – Киров: изд. ВятГТУ, 1995. 9. Овчинников В.В. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учебное пособие. - Киров, 2002. 10. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах: учебное пособие / Ю.В. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 168 с. |
