Причины возникновения и возможные последствия электромеханических переходных процессов. Общее понятие устойчивости.

Причины возникновения и возможные последствия электромеханических переходных процессов. Общее понятие устойчивости.

Электроэнергетическая система в целом представляет собой систему автоматического регулирования замкнутого типа (с обратными связями), а точнее систему стабилизации таких выходных параметров системы как напряжение и частота напряжения в сети. При этом на систему действуют внешние возмущения, которые приводят к нарушению равновесия системы, то есть к изменению частоты и напряжения. Такими внешними возмущениями являются изменение режима нагрузки при ее подключении и отключении, изменение конфигурации энергосистемы при подключении и отключении новых источников питания (электростанций) и линий электропередач (ЛЭП), аварийные режимы в системе (КЗ). Поэтому изучение процессов в электрической системе требует рассмотрения не только электромагнитных, но и механических процессов в ее элементах: в первичных двигателях (турбинах), их автоматических  регуляторах, генераторах, двигателях нагрузки, где электрическая энергия вновь преобразуется в механическую. Именно изменение механического состояния элементов сис-темы приводит к самым тяжелым последствиям ― потере устойчивости, приводящей к нарушениям электроснабжения, как отдельных потребителей,так и целых регионов и даже стран. Таким образом, необходимо рассматри-вать и электрическое и механическое состояние системы ее режимы и электромеханические процессы.

Под устойчивостью системы понимается способность ее возвращаться к состоянию установившегося равновесия после снятия возмущения, нарушившего это равновесие.

Степень глубины описания модели в зависимости от требуемого класса точности.

    1-й класс. Процессы в генераторах описываются полными уравнениями Парка-Горева, либо уравнениями в естественных координатах А, В, С. Учитывается влияние демпферных обмоток. Учитываются системы регулирования мощности турбины и других систем и возбуждения генератора.

    2-й класс. Процессы в генераторах описываются упрощенными уравнениями Парка-Горева. Учитывается влияние демпферных обмоток. Учитываются системы регулирования мощности турбины и возбуждения генератора.

    3-й класс. Процессы в генераторах описываются упрощенными уравнениями Парка-Горева, как правило только с учетом переходных процессов в об-мотках возбуждения. Влияние демпферных обмоток и систем регулирования мощности и возбуждения также учитываются упрощенно.

    4-й класс. Допускается постоянство ЭДС (Е' = const) в течение всего

переходного процесса. Влияние демпферных контуров и системы регулирования не учитывается.

 

Рис. 12.2. Изменение напряжения нерегулируемого генератора при увеличении угла.

Рис. 12.1. Угловая характеристика генератора.

    При линейном представлении характеристики намагничивания (характеристики холостого хода) ток возбуждения и синхронная ЭДС генератора изменяется пропорционально и в соответствующей системе относительных единиц имеют равные численные значения. Поэтому при синхронной ЭДС Е _q регулируемого генератора ток возбуждения можно не вводить, а его действие учитывать упрощенно по выражению

                                                             (12.2)

где  Е _{q 0} - установочное (начальное) значение ЭДС; U _{Г 0} -установочное (требуемое) значение напряжения; k _{0 U} - коэффициент усиления АРВ по отклонению напряжения генератора.

    Строго выполнить задачу, то есть удержать равенство  c помощью АРВ не удается. Для этого требуется бесконечно большая ве­личина коэффициента усиления k _{0 U}. Однако при достаточно больших значениях этого коэффициента, достигающего 100-300 ед.возб.хх/ед.напр., напряжение генератора изменяется незна­чительно, и в упрощенных расчетах устойчивости это напряжение часто принимается неизменным. При этом синхронная ЭДС Е _q генератора изменяется в зависимости от его нагрузки и может принимать как наи­большие, так и наименьшие граничные значения. Другими словами, ге­нератор может выходить в некоторых режимах, как на верхнее, так и на нижнее ограничения по току возбуждения. Эти ограничения устанавли­ваются с помощью специальных устройств в системе АРВ генератора.

    Принимая в пределе, что с помощью АРВ поддерживается U _Г0 = const, проследим за изменением синхронной ЭДС по совмещен­ной для двух режимов векторной диаграмме генератора (рис. 12.3).

                       Рис. 12.3. Изменение ЭДС регулируемого генератора

                                          при увеличении угла.

 

    Из диаграммы видно, что при изменении тока статора поддер­жание генераторного напряжения на неизменном уровне обеспечивает­ся за счет соответствующего изменения синхронной ЭДС. Этот фактор существенно влияет на статическую устойчивость генератора. В общем случае, когда при действии АРВ учитывается изменение генераторного напряжения, при расчетном построении угловой характеристики Р (δ) следует принимать во внимание изменение ЭДС Е _q и напряжения U _Г.

    Поскольку параметры δ, Е _q, U _Г   взаимосвязаны, координаты ка­ждой точки характеристики Р (δ) определяются путем решения системы нелинейных уравнений. На качественном уровне угловую характери­стику регулируемого генератора можно построить графическим спосо­бом

 

Проверка устойчивости при наличии автоматического повторного включения (АПВ).

Автоматическое повторное включение (АПВ) может быть трёх­фазным (ТАПВ), если при аварии на линии отключаются и вновь вклю­чаются три фазы линии или однофазным (ОАПВ), если отключается и включается только одна повреждённая фаза. АПВ считается успешным, если за время отключённого состояния линии (фазы) короткое замыка­ние ликвидируется, и после обратного включения может восстановиться нормальная работа. АПВ считается неуспешным, если обратное вклю­чение производится на сохранившееся короткое замыкание. Восстанов­ление нормальной работы при успешных и неуспешных АПВ ограничи­вается возможным нарушением динамической устойчивости энергосис­темы.

    При ТАПВ на одноцепной линии (см. рис. 3.13,а) в режиме паузы АПВ генератор работает с нулевой мощностью (см. рис. 3.13,б), а по окончании паузы, при успешном АПВ, его мощность резко увеличива­ется в связи с переходом на угловую характеристику нормального ре­жима. При выполнении критерия К _д.у ≥ 1 генератор после нескольких циклов качания продолжит нормальную работу. В случае неуспешного ТАПВ осуществится переход на аварийную характеристику Р _II= f (δ).

    При неуспешном АПВ линия отключается повторно на длитель­ное время, и задача сохранения динамической устойчивости энергосис­темы с одноцепной линией электропередачи теряет смысл.

    В неполнофазном режиме при ОАПВ угловая характеристика мощности генератора проходит достаточно высоко, и торможение рото­ра может начаться уже в этом режиме (рис. 3.14).

    В случае успешного ОАПВ происходит переход на характеристи­ку нормального режима и при выполнении критерия К _д.у ≥ 1 восстанав­ливается исходный установившийся режим. При неуспешном ОАПВ производится трёхфазное отключение линии и, если эта линия одноцепная, теряется электрическая связь между удалённой электрической станцией и приёмной энергосистемой (см. рис. 3.13, а).

 

                  

    Рис. 3.13. Трехфазное АПВ на одноцепной линии электропередач.

 

                  

    Рис. 3.14. Однофазное АПВ на одноцепной линии электропередачи.

 

    Длительность режима короткого замыкания t _кзскладывается из времени срабатывания релейной защиты t _рзи времени работы выклю­чателя при отключении t _ов:

                                                                           (3.52)

    В электрических сетях напряжением 110 кВ и выше t _кз= 0,08 - 0,20 с. Длительность паузы АПВ t _апв =0,4 - 2,0 с. Нижнее значение этого диапазона ограничено временем восстановления диэлек­трических свойств воздушного промежутка, ионизированного электри­ческой дугой при коротком замыкании. Это время составляет приблизи­тельно 0,35 с.

    При t _апв = 0,4 - 0,8с автоматическое повторное включение счита­ется быстродействующим и обозначается как БАПВ.

    Следует отметить, что при анализе электромеханических пере­ходных процессов, протекающих в сложных электроэнергетических системах, рассматривается задача сохранения динамической устойчиво­сти при успешных и неуспешных АПВ, а также при отсутствии АПВ. Целью анализа является определение дозировок управляющих воздей­ствий, обеспечивающих сохранение динамической устойчивости энер­госистем.

Дополнительные мероприятия.

    — Сооружение переключательных пунктов на электропередачах.

    — Установка преобразовательных устройств связи систем

    — Использование управляемых источников реактивной мощности (ИРМ).

    — Использование автоматической аварийной разгрузки генераторов.

    — Заземление нейтралей трансформаторов через активное или реак­тивное сопротивление.

    — Электрическое торможение генераторов используется для повыше­ния устойчивости при симметричных КЗ. Генератор, ротор которого ускоряет­ся из-за какого-либо возмущения, тормозится активными сопротивлениями, включаемыми последовательно или параллельно. Наиболее эффективно параллельное включение сопротивления.

    — Регулирование турбин. Небаланс мощности, возникающий при возмуще­нии генератора, может быть уменьшен или полностью скомпенсирован сни­жением мощности турбины.

Мероприятия режимного порядка.

    Целенаправленное изменение параметров режима системы, обеспечение необходимых резервов мощности могут существенно увеличить запасы устойчивости.

    — Иерархическое управление системой с применением автоматики и ЦВМ и применение вычислительной техники для управления переходными процессами.

    — Отключение части генераторов в послеаварийном режиме.

    — Трехфазное и пофазное АПВ.

    — Непрерывный контроль состояния системы

    — Изменение схемы коммутации системы.

    — Распределение нагрузки между станциями с учетом требований улучшения устойчивости и качества переходных процессов.

    — Резервы активной и реактивной мощности на электрических стан­циях улучшают как статическую, так и динамическую устойчивость.

Нормальный режим без АРВ

Принимаем базисные условия: S_б = Р_С, U_б = U_C.

    Напряжение системы в относительных единицах равно: U_c* = U_C / U_б. 

Передаваемая активная мощность в относительных единицах равна: Р_C*= Р_С / S_б.    

Передаваемая реактивная мощность в относительных единицах равна: Q_C*= Q_C / S_б.

Сопротивление генератора в относительных единицах:           Сопротивление трансформатора Т1 в относительных единицах равно:

Сопротивление линии в относительных единицах равно:            Сопротивление трансформатора Т2 в относительных единицах равно:

                                                       

    Результирующее сопротивление системы:                      Синхронная ЭДС генератора:               

    Предел передаваемой мощности ЭЭС  

Послеаварийный режим без АРВ        

Сопротивление линии в относительных единицах равно:

        

   при приближенном приведении элементов схемы замещения в о.е.:

Результирующее сопротивление системы электропередачи:

                                                                       

Синхронная ЭДС генератора:           

        

    Предел передаваемой мощности ЭЭС:                                               

Аварийный режим без АРВ

         

                                  

 

Так, например, при КЗ в точке 1 значения сопротивлений находятся по формулам:               

                  

= 4,0 х_л.

    Результирующее сопротивление системы в аварийном режиме можно найти в соответствии с выражением;

                                                        

Например для случая КЗ в точке 2 системы:

                

 — амплитуда характеристики мощности в ава­рийном режиме при КЗ.

        

Причины возникновения и возможные последствия электромеханических переходных процессов. Общее понятие устойчивости.

Электроэнергетическая система в целом представляет собой систему автоматического регулирования замкнутого типа (с обратными связями), а точнее систему стабилизации таких выходных параметров системы как напряжение и частота напряжения в сети. При этом на систему действуют внешние возмущения, которые приводят к нарушению равновесия системы, то есть к изменению частоты и напряжения. Такими внешними возмущениями являются изменение режима нагрузки при ее подключении и отключении, изменение конфигурации энергосистемы при подключении и отключении новых источников питания (электростанций) и линий электропередач (ЛЭП), аварийные режимы в системе (КЗ). Поэтому изучение процессов в электрической системе требует рассмотрения не только электромагнитных, но и механических процессов в ее элементах: в первичных двигателях (турбинах), их автоматических  регуляторах, генераторах, двигателях нагрузки, где электрическая энергия вновь преобразуется в механическую. Именно изменение механического состояния элементов сис-темы приводит к самым тяжелым последствиям ― потере устойчивости, приводящей к нарушениям электроснабжения, как отдельных потребителей,так и целых регионов и даже стран. Таким образом, необходимо рассматри-вать и электрическое и механическое состояние системы ее режимы и электромеханические процессы.

Под устойчивостью системы понимается способность ее возвращаться к состоянию установившегося равновесия после снятия возмущения, нарушившего это равновесие.

Степень глубины описания модели в зависимости от требуемого класса точности.

    1-й класс. Процессы в генераторах описываются полными уравнениями Парка-Горева, либо уравнениями в естественных координатах А, В, С. Учитывается влияние демпферных обмоток. Учитываются системы регулирования мощности турбины и других систем и возбуждения генератора.

    2-й класс. Процессы в генераторах описываются упрощенными уравнениями Парка-Горева. Учитывается влияние демпферных обмоток. Учитываются системы регулирования мощности турбины и возбуждения генератора.

    3-й класс. Процессы в генераторах описываются упрощенными уравнениями Парка-Горева, как правило только с учетом переходных процессов в об-мотках возбуждения. Влияние демпферных обмоток и систем регулирования мощности и возбуждения также учитываются упрощенно.

    4-й класс. Допускается постоянство ЭДС (Е' = const) в течение всего

переходного процесса. Влияние демпферных контуров и системы регулирования не учитывается.