Расчёт и анализ устойчивости электроэнергетической системы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

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.



1. 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	-	cosн	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	%	Х2	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	4	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:

.



3. 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).

ij - 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.

3.1 Нормальная схема без АРВ генераторов

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.

3.2 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.

3.3 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.



4. ПОСТРОЕНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПЕРЕДАВАЕМОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ НОРМАЛЬНОЙ И РЕМОНТНОЙ СХЕМ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПО УСЛОВИЯМ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

4.1 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 имеет 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 имеет 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.

4.3Схема послеаварийного режима с АРВ ПД генераторов

Характеристика мощности электростанции электрической системы при работе генераторов с АРВ и отключенной линии Л2.

Режим с нулевой мощностью станции Ст в программе MUSTANG представлен на рисунке 23, а с предельной мощностью станции - на рисунке 24.

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 представлена 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



5. 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)



6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛА НАГРУЗКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С АРВ И БЕЗ АРВ НА ГЕНЕРАТОРАХ

Для исследования статической устойчивости в узлах нагрузки воспользуемся типовыми статическими характеристиками, которые представлены на рисунке 37.

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 dДQ/dU<0, где dДQ - небаланс мощностей.

По данному критерию построим зависимости ДQ=f(U), Qн=f(U), Рн=f(U),Qg=f(U), для каждого режима энергосистемы.

Рисунок 50_ Оценка устойчивости нагрузки по критерию dДQ/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 dДQ/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 dДQ/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.

1) Режим с АРВ ПД:

2) 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 dДQ/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 ДQ=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.

2 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)

Размещено на Allbest.ru