Устойчивость электрических систем

Министерство образования и науки Республики Казахстан Некоммерческое АО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» Институт Электроэнергетики и электротехники Кафедра Электроэнергетических систем ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика 9 Лекция. Устойчивость электрических систем Алматы 2021 1 Дисциплина «Переходные процессы в электроэнергетике» является одной из профилирующих для электроэнергетических специальностей. Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузок, источников питания, отдельных цепей и пр.), так и в аварийных условиях (обрыв нагруженной цепи или отдельной ее фазы, короткое замыкание, выпадение машины из синхронизма и т.д.). Изучение переходных процессов необходимо прежде всего для ясного представления причин возникновения и физической сущности этих процессов, а также для разработки практических критериев и методов их количественной оценки, с тем чтобы можно было предвидеть и заранее предотвратить опасные последствия таких процессов. Важно понимать переходные процессы, но еще важнее уметь сознательно управлять ими. При любом переходном процессе происходит в той или иной мере изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса между моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом. В результате этого нарушения соответственно изменяются скорости вращения машин, т.е. некоторые машины испытывают торможение, в то время как другие – ускорение. Такое положение существует до тех пор, пока регулирующие устройства не восстановят нормальное состояние, если это вообще осуществимо при изменившихся условиях. Из этого следует, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе. Последние взаимно связаны и, по существу, представляют единое целое. 2 9 Лекция. Устойчивость электрических систем Содержание лекции: основные понятия и определения устойчивости, допущения принимаемые при анализе устойчивости. Задачи расчета устойчивости электрических систем. Цель лекции: ознакомление с основными понятиями и определениями устойчивости, рассмотрение допущений при расчете устойчивости, знакомство с задачами расчета устойчивости. 9.1 Основные понятия и определение устойчивости В установившимся режиме реальной системы его параметры постоянно меняются, что связано со следующими факторами: - изменением нагрузки и реакцией на эти изменения регулирующих устройств; - нормальными эксплуатационными изменениями схемы коммутации системы; - включением и отключением отдельных генераторов или изменением их мощности. Таким образом, в установившимся режиме системы всегда есть малые возмущения параметров ее режима, при которых она должна быть устойчива. Статическая устойчивость – это способность системы восстанавливать исходный (или близкий к исходному) режим после малого его возмущения. Аварийные режимы в электрической системе возникают при КЗ, аварийных отключениях нагруженных агрегатов или линий и т.п. Под действием больших возмущений возникают резкие изменения режима. Динамическая устойчивость – это способность системы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после большого возмущения. Когда после большого возмущения синхронный режим системы нарушается, а затем после допустимого перерыва восстанавливается, то говорят о результирующей устойчивости системы. Исходя из определения статической устойчивости системы, можно заключить, что существует такой режим, при котором очень малое увеличение нагрузок вызывает нарушение его устойчивости. Такой режим называется предельным, а нагрузки системы – максимальными или предельными нагрузками по условиям статической устойчивости. 3 Ограничение нагрузок может быть вызвано и другими обстоятельствами, например, нагревом элементов электрической системы (генераторов, трансформаторов и т.п.). В этом случае говорят о предельных нагрузках по условию нагрева и устанавливают также максимальное время существования режима. Возможны ограничения нагрузок по уровням напряжения в узлах, напряжению короны и т.п. Пропускной способностью элемента системы называют наибольшую мощность, которую можно передать через этот элемент с учетом всех ограничивающих факторов (нагрева, устойчивости, напряжения в узлах и т.п.). Понятие о пропускной способности справедливо и для динамической устойчивости. В этом случае говорят о пределе передаваемой мощности по условиям динамической устойчивости при КЗ в какой-либо точке, отключении линии и т.п. Статические характеристики – это связи параметров режима системы, представленные аналитически или графически и не зависящие от времени. Эти связи выявляются в основном в установившимся режиме системы. Динамические характеристики – это связи параметров, полученных при условии, что они зависят от времени. В этом случае отражается влияние первых, а возможно, и более высоких производных рассматриваемых параметров. Динамический переход от одного режима к другому подвергается качественной оценке. При этом оцениваются характер протекания переходного процесса (быстрый, медленный, монотонный, апериодический) и характер нового установившегося режима. Считается, что качество переходного процесса хорошее, если наблюдаются быстрое его затухание, апериодичность или монотонность. Режим, наступающий после переходного процесса, должен иметь достаточный запас устойчивости, который проверяется изменением какого-либо параметра. Наибольшая величина отклонения, при которой система еще сохраняет устойчивость, определяет запас устойчивости, выражаемый коэффициентом запаса. Например, запас по напряжению определяется , 4 запас по мощности . 9.2 Допущения, принимаемые при анализе устойчивости В дополнение к принятым при анализе электромагнитных переходных процессов допущениям принимаются еще несколько, упрощающих оценку устойчивости и обеспечивающих достаточную для инженерных расчетов точность. 1.Предполагается, что скорость вращения роторов синхронных машин при протекании электромеханических переходных процессов изменяется в небольших пределах (2-3%) синхронной скорости. 2. Считается, что напряжения и токи статора и ротора генератора изменяются мгновенно. 3. Нелинейность параметров системы не учитывается. Нелинейность параметров режима учитывается. Если же это не учитывать, то считают систему линеаризованной. 4. Перейти от одного режима электрической системы к другому можно, изменив собственные и взаимные сопротивления системы, также ЭДС генераторов и двигателей. 5. Исследование динамической устойчивости при несимметричных возмущениях производится в схеме прямой последовательности. Считается, что движение роторов генераторов и двигателей обусловлено моментами, создаваемыми токами прямой последовательности. 9.3 Задачи расчета устойчивости электрических систем При анализе статической устойчивости возникает ряд задач, которые решаются в проектных и эксплуатационных организациях. К таким задачам относятся: 1) Расчет параметров предельных режимов (предельной передаваемой мощности по линиям энергосистемы, критического напряжения узловых точек системы, питающих нагрузку, и т.д). 5 2) Определение значений коэффициентов запаса. Вместе с коэффициентами запаса по напряжению и мощности могут вычисляться коэффициенты запаса по настроечным параметрам АРВ: , где и - максимальное и минимальное значение настроечных параметров, соответствующих границе области статической устойчивости. 3) Выбор мероприятий по повышению статической устойчивости энергосистем или обеспечению заданной пропускной способности передачи. 4) Разработка требований, направленных на улучшение устойчивости систем. Выбирается настройка АРВ, обеспечивающая требуемую точность поддержания напряжения. Решение перечисленных задач проводится с учетом возможности возникновения самораскачивания системы. Задачи анализа динамической устойчивости связаны с переходом системы от одного установившегося режима к другому. Это следующие задачи: а) расчет параметров динамического перехода при эксплуатационном или аварийном отключениях нагруженных элементов электрической системы; б) определение параметров динамических переходов при коротких замыканиях в системе с учетом различных факторов: - возможного перехода одного несимметричного КЗ в другое (например, однофазного в двухфазное); - работы автоматического отключившегося после КЗ, и т.д. повторного включения элемента, Результатами расчета динамической устойчивости являются: - предельное время отключения расчетного вида КЗ в наиболее опасных точках системы; - паузы систем АПВ, установленных на различных элементах электрической системы; - параметры систем автоматического ввода резерва (АВР). Расчеты ведутся, как правило, с учетом нелинейностей и существенных динамических характеристик. 6