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.

• 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

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:

Параметры двухцепной воздушной линии электропередачи

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 д = 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

2.1.1 Нормальный режим

Расчёт нормального режима проведён в задаче 1.

2.1.2 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?

X_{2? =} 3 Ом

Определяем сопротивления шунта КЗ X_?:

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

2.1.3 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 д_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.

0,29? 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 д_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 д 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.

2.2.2 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.

2.2.3 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 д_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.

0,17? 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 д_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 д 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):

0,05 = ,

0,0392 +0,05• = ,

произведём замену на х и получим:

0,05х² — х + 0,0392 = 0;

Д = в² — 4ас = 1^2 — 4•0,05•0,0392 = 0,99 216;

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:

n_ном = n₀• (1 — S_ном) = 741• (1−0,01) = 734 об/мин.

Находим критическое скольжение:

S_кр = S_ном•(5° +) = 0,01• (2,1 +) = 0,039.

Определяем номинальный и максимальный (критический) моменты двигателя:

М_ном = = Н•м,

М_max = 5° • М_ном = 2,1•6505,3 = 13 661, 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. ;

283 с.

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

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