Режимы работы электроэнергетических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Цели, задачи, предмет изучения дисциплины

2. Режимы работы электроэнергетических систем. Основные понятия и определения

2.1 Режимы работы электроэнергетических систем

2.2 Систематизация основных понятий и определений

Заключение

1. Цели, задачи, предмет изучения дисциплины

Изучение переходных процессов основывается на знаниях, полученных в предшествовавших общеобразовательных дисциплинах, - математике, теоретической механике, основах электротехники, - и в ряде специальных дисциплин, посвященных изучению режимов отдельных элементов системы - электрических машин и аппаратов, электрических сетей.

Для настоящей дисциплины существенно, прежде всего, то, что отдельные процессы, происходящие в элементах электрических систем, изучаются в их взаимосвязи. Здесь при постановке теоретических проблем и практических задач реализуется системный подход, т. е. учитывается множество связей между элементами системы, составляющими в совокупности подсистемы, и отдельными процессами, в них происходящими.

Можно, следовательно, сказать, что выявлению особенностей и качественно новых свойств, появляющихся при количественном изменении (объединении большого числа отдельных элементов в единую электрическую систему) и обучению понимания возникающих явлений посвящена данная дисциплина.

Однако только понимания инженеру еще недостаточно, он должен предвидеть протекание процессов и управлять ими. Для этого надо уметь рассчитывать процессы, предсказывая по изменениям параметров системы количественные изменения ее режима, устанавливать, когда и какие воздействия должны получать элементы системы от регулирующих устройств, для того чтобы переходный процесс приобретал желательный характер.

Понимание и умение предполагает наличие определенных знаний.

Необходимо знать исходные математические выражения, описывающие явления, главные расчетные формулы, терминологию, важнейшие понятия.

Необходимо знать основные параметры электрических систем и их элементов, значения физических величин, участвующих в процессах. Хотя главная цель обучения - это выработка понимания физики явлений, от курсанта требуется все же запоминание определенного, небольшого по объему фактического материала в виде формул и числовых характеристик.

Изучаемая дисциплина предшествует по времени и содержанию рассмотрению вопросов автоматизации и релейной защиты электрических систем. Она является основой для последующего изучения методов и приемов, применяемых при практических расчетах переходных процессов, в том числе при курсовом и дипломном проектировании. При этом на данных этапах активно будут использоваться ПЭВМ.

Это обстоятельство и переход к математическим моделям, содержащим программы для расчетов, приводят к тому, что физическая сторона рассчитываемых процессов неизбежно скрывается. Между тем именно роль физико-технических представлений особенно велика в современных условиях, когда управление переходными процессами средствами автоматики и вычислительной техники становится главной задачей специалиста, проектирующего и эксплуатирующего электроэнергетические системы. Поэтому при изучении дисциплины особое внимание надо уделить физической стороне проблемы, имея в виду, что применение вычислительной техники будет осваиваться позднее.

Следовательно, предметом изучения являются переходные взаимосвязанные электромагнитные и механические процессы в электрических системах и установившиеся режимы, предшествовавшие переходным процессам и заканчивающие их.

Цель настоящей дисциплины - научить будущего военного инженера понимать происходящие физические явления в любом переходном режиме, рассчитывать его и управлять им так, чтобы облегчить возможные последствия и тем более не допустить, чтобы они привели к технической и социально-экономической катастрофе, как это было в некоторых «национальных - общесистемных» авариях, например в США (2003 год). А для этого необходимо прежде всего осветить физику интересующих инженера режимов, изложить методы их количественных расчетов и описать те приемы, мероприятия и установки, с помощью которых можно управлять переходными режимами, придавая им желательный характер.

Курсант должен получить представление о мероприятиях, обеспечивающих нормальную работу системы при малых возмущениях (статическая устойчивость) и благополучный исход различных аварийных режимов (динамическая и результирующая устойчивость).

Знание поведения системы после любых возмущений оказывается, таким образом, необходимым для оценки действия устройств автоматического регулирования, правильного их выбора и обеспечения работы системы в нормальных и аварийных условиях.

2. Режимы работы электроэнергетических систем. Основные понятия и определения

2.1 Режимы работы электроэнергетических систем

Энергетика, имеющая огромное значение в развитии человеческого общества, превратилась в большую систему кибернетического типа, т. е. систему целенаправленную, оптимизируемую при прогнозировании, проектировании и эксплуатации.

Большая система энергетики состоит из отдельных взаимосвязанных систем или подсистем, функционирующих как единое целое, но при решении практических задач часто рассматриваемых раздельно.

Одной из таких подсистем является электроэнергетическая система - та часть энергетической системы, в которой теплота и различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию, передаваемую на расстояние, распределяемую по потребителям, где она вновь преобразуется. В настоящей дисциплине будет изучаться электромеханическая часть электроэнергетической системы, далее называемая электрической.

Электрическая система представляет собой совокупность взаимодействующих элементов, которые можно разбить на две группы:

силовые элементы, вырабатывающие (например, генераторы, с их первичными двигателями), преобразующие (трансформаторы, выпрямители, инверторы), передающие и распределяющие (линии передач, сети) и потребляющие (нагрузки) электрическую энергию;

элементы управления, регулирующие и изменяющие состояние системы (регуляторы возбуждения синхронных машин, регуляторы частоты, реле, выключатели и т. п.).

В нормальном рабочем состоянии, или, как будем называть в дальнейшем, нормальном режиме, система должна надежно обеспечить потребителя электрической энергией нормированного, достаточно постоянного качества. При этом было бы желательно, чтобы режим системы был совершенно неизменным. Однако такого полностью «установившегося режима» реально существовать не может. Нагрузка в системе колеблется: непрерывно происходят «малые изменения» (флуктуации) числа подключенных потребителей - их мощности и состава, т. е. нагрузка «дышит» (рис. 1).

Рисунок 1. Изменения параметров нормального режима системы: U - напряжение на шинах подстанций, питающей нагрузку; Рн - поток мощности, потребляемой нагрузкой Н; f- частота в системе. Индекс 0 означает номинальное (нормальное) значение.

Кроме этих малых отклонений, реже, но также довольно часто, происходят более крупные «большие изменения», связанные с вариациями значений вырабатываемых и потребляемых мощностей и конфигурации системы - включением и отключением генераторов линий передач, трансформаторов, мощных подстанций (узлов нагрузки). Такие изменения - переходы от одного режима к другому во время нормальной работы системы - называются нормальными переходными режимами (рис. 2)

Рисунок 2. Изменение параметров при нормальных переходных режимах в системе: а - схема системы; б-отключение линии электропередачи Л1, питающей подстанцию от генератора Г1; U1 - напряжение на шинах подстанции П1, Р1- поток мощности от генератора, в - включение мощного генератора Г2 и набор им нагрузки; U - напряжение на шинах подстанции П2, - поток мощности от генератора Г2, (индекс 0 - начальное значение, 1, 2- установившееся)

Электрическая система, как и любая другая система, может иногда подвергаться аварийным воздействиям. Аварии могут быть вызваны:

или нарушением режима системы - перегрузками отдельных элементов и их автоматическим отключением и делением системы на части - «развалом системы»;

или разрушением отдельных элементов системы. Например, из-за внешних воздействий (ветер, гололед) могут разрушиться опоры электропередачи. Из-за внутренних воздействий, обусловленных возросшими токами при коротком замыкании, могут разрушиться генераторы, трансформаторы, реакторы и подстанции. Состояние системы во время таких аварий и последующий переход к новому рабочему состоянию называется аварийным переходным режимом (рис. 3).

Рисунок 3. Переходный аварийный режим в системе. (Короткое замыкание в точке К на одной из линий электропередач вблизи шин питающей подстанции 1 и последующее отключение этой линии. Система остается устойчивой. U1, U2 - напряжение на шинах подстанций 1 и 2; Р1 - поток мощности от генератора; f1 - частота в системе.)

Изучение режимов электрической системы требует рассмотрения не только электромагнитных явлений, обусловливающих возможность получения, передачи и потребления электрической энергии, но и механических явлений в ее элементах: в первичных двигателях, их автоматических регуляторах, генераторах, двигателях нагрузки, где электрическая энергия вновь преобразуется в механическую.

Таким образом, необходимо рассматривать и электрическое, и механическое состояние системы, или электромеханические режимы.

2.2. Систематизация основных понятий и определений

В настоящей дисциплине рассматриваются переходные режимы электрической системы - переходы одного ее состояния в другое.

Режим - состояние системы, которое характеризуется показателями, количественно определяющими ее работу. Следует различать параметры режима и параметры системы.

К параметрами режима Пр. относятся значения мощности, напряжения, тока, углов сдвига векторов э. д. с., напряжений, токов, частоты и т. д.

Параметры системы - это показатели Пс, количественно определяющие физические свойства системы как некоторого материального сооружения, зависящие от схемы соединений ее элементов и принимаемых допущений. К параметрам системы относятся значения полных, активных и реактивных сопротивлений, проводимостей элементов, собственных и взаимных сопротивлений, коэффициентов трансформации, постоянных времени, коэффициентов усиления и т д. Например, если для некоторого элемента системы ток Э через сопротивление R, определяется

Э = Щ/R,

где Э и Щ - параметры режима; а R - параметр системы.

Параметры и системы и режима взаимосвязаны.

Ток в ветви сложной системы определяется параметрами режима (э. д. с. Л1, Л2, …Лn) и параметрами системы (проводимостями Y11, Y12, …, Y1k):

Э1= Л1 Y11+ Л2 Y12 +…+Лn Y1k

Нелинейность другого вида в изучаемой системе, обычно учитываемая при анализе, обусловлена характером соотношений между параметрами ее режима. Например, мощность Р, связанная квадратичной зависимостью с напряжением U и синусоидальной - с углом расхождения векторов напряжений по концам передачи д, будет нелинейной функцией этих величин:

Р = U2/R; Р = (U1U2/Х) sinд

где Р, Х - параметры системы.)

Режимы электрической системы разделяются на две большие группы установившиеся режимы и переходные режимы.

Внутри этих групп различают следующие виды режимов:

нормальные установившиеся - длительные режимы, применительно к которым при проектировании электрической системы определяются ее основные технико-экономические характеристики;

нормальные переходные - режимы, во время которых система переходит от одного рабочего состояния к другому;

аварийные - установившиеся и переходные режимы, для которых определяются технические характеристики устройств, предназначенных для ликвидации аварии, и выясняются условия дальнейшей работы системы;

послеаварийные установившиеся - режимы, которые в общем случае характеризуются изменением нормальной схемы системы, например, отключением какого-либо элемента или ряда элементов. В послеаварийном режиме система может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с характеристиками нормального режима.

Для режимов указанных видов устанавливаются и более мелкие градации Так, говоря о режиме того или иного вида, обычно имеют в виду состояние системы на некотором интервале времени. При этом указывают значение или другие признаки этого интервала (например, режим « после отключения короткого замыкания», « до срабатывания релейной защиты от повышения напряжения» и т. п.)

Любые переходные режимы возникают в результате изменения параметров системы, вызванных какими-либо причинами. Эти причины называются возмущающими воздействиями.

Режим системы не является чем-то единым, он состоит из множества различных процессов, схематически показанных на рис. 4.

Под процессом вообще понимается последовательная смена каких-либо явлений во времени. В электрических системах и их элементах таких процессов, составляющих любой режим, огромное количество (рис. 4).

Рисунок 4. Переходный режим блока «генератор - трансформатор - линия» при включении его в работу и процессы, составляющие этот режим

Изменение электромагнитных явлений в электрических цепях при одновременном изменении механических явлений во вращающихся машинах.

Рассмотрим понятие устойчивости системы, применяемое как для нормальных, так и для аварийных режимов.

Нормальные переходные процессы сопровождают текущую эксплуатацию системы. Они связаны в основном с изменениями нагрузки, а также с реакцией на них регулирующих устройств. Эти процессы возникают при обычных коммутационных операциях: включении и отключении генераторов, трансформаторов и отдельных линий электропередач; нормальных эксплутационных изменениях схемы коммутации системы; включении и отключении отдельных генераторов и нагрузок или изменение их мощности.

При нормальной работе системы всегда имеются некоторые малые возмущающие воздействия, вызывающие малые возмущения режима, например изменения нагрузки. Следовательно, происходят непрерывно и соответствующие действия регулирующих устройств. Это означает, что строго неизменного режима в системе не существует и установившийся режим представляет собой ряд переходных процессов, вызванных малыми возмущениями. При этом предполагают, что отклонения параметров режима, связанные с возмущениями, происходят около некоторого условно принятого исходного равновесного состояния. Отклонения должны быть более или менее (в зависимости от конкретных требований) постоянными. Разумеется, что эти малые возмущения не должны вызывать нарушения устойчивости режима, не допуская прогрессивно возрастающего изменения (включая и амплитуду колебаний) параметров режима. Система должна быть устойчива при малых возмущениях, иначе говоря, она должна обладать статической устойчивостью.

Статическая устойчивость - это способность системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или режим, весьма близкий к исходному (если возмущающее воздействие не снято).

Нормальные переходные процессы возникают и при больших возмущениях в виде резких и существенных изменений режима системы. Их причиной может быть изменение схемы соединения системы, появляющееся, например, при отключении агрегатов или линий электропередачи, несущих значительные нагрузки; при нормальном включении или отключении линий с большой зарядной мощностью; при включении генераторов методом самосинхронизации и т. д. При этом появляются такие значительные отклонения параметров режима от их исходного состояния, что учет наиболее существенных нелинейных зависимостей [например, Р=f (д) ] становится в большинстве случаев обязательным.

Аварийные переходные процессы, вызванные короткими замыканиями и последующими отключениями аварийных участков, а в некоторых случаях их повторными включениями, обязательно требуют при анализе учета нелинейностей. По отношению к большим возмущениям вводится понятие динамической устойчивости системы.

Динамическая устойчивость - это способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное состояние или состояние, практически близкое к исходному (допустимому по условиям эксплуатации системы). Если после большого возмущения синхронная работа системы сначала нарушается, а затем после некоторого, допустимого по условиям эксплуатации асинхронного хода восстанавливается, то считается, что система обладает результирующей устойчивостью.

Этот вид устойчивости иногда считают разновидностью динамической устойчивости, различая синхронную динамическую устойчивость и динамическую устойчивость (результирующую).

Иногда в зарубежной (особенно американской) литературе различают переходную устойчивость (Transient Stability), определяемую при рассмотрении процесса на интервале нескольких секунд, и динамическую устойчивость (Dynamic Stability), связанную с процессами, исследование которых ведется на протяжении нескольких минут. В этом случае требуется учет динамических характеристик таких элементов системы, как паровые котлы, атомные реакторы, напорные трубопроводы гидростанций, динамические характеристики релейной защиты и устройств системного регулирования, например, регулирования частоты и мощности.

В отечественной литературе обычно пользуются одним термином «динамическая устойчивость», а при рассмотрении ее на большом интервале времени добавляют «при длительных переходных процессах».

Введенные выше понятия «малых» и «больших» возмущений условны. Малое возмущение в этом понимании - это возмущение, влияние которого на характер поведения системы проявляется практически независимо от места появления возмущающего воздействия и его значения. В связи с этим система в диапазоне режимов, близких к исходному, может рассматриваться как линейная. Большое возмущение - это возмущение, влияние которого на характер поведения системы существенно зависит от времени существования, значения и места появления возмущающего воздействия, в связи с чем система во всем диапазоне исследования должна рассматриваться как нелинейная.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Переходные процессы в электроэнергетической системе

Все процессы, которые происходят или могут происходить в электрической системе, можно разделить по времени их протекания (от микросекунд до десятков часов), по причинам их появления и способам исследования на четыре большие группы.

Учитывая, что границы между этими группами несколько условны, их можно представить графически так, как это сделано на рис 6.

Для того, чтобы выполнить анализ сложных переходных процессов используют соответствующий математический аппарат. Для проведения инженерных расчетов часто при рассмотрении переходных процессов часть их параметров в течение всего процесса или отрезка его t вопреки реальности принимают постоянной ( на рис. 5) или изменяющейся по заранее заданному закону, например экспоненциальному (Еq на рис. 5) ; иногда часть параметров процесса может совсем не учитываться.

Непрерывное изменение параметра процесса иногда заменяется ступенчатым - дискретным (см. штриховую линию). Разумеется, эти допущения справедливы, если показано, что они практически оправданы в данной задаче. В этом случае говорят о квазипереходных процесса. Приставка «квази», означающая «как бы», указывает на то, что приняты вышеназванные допущения.

Описание переходных процессов также может быть полным или упрощенным. Если математическое описание изучаемых процессов учитывает все основные в данной постановке задачи составляющие процесса, то соответствующие уравнения называются полными.

Рисунок 5. Представление переходного процесса квазипереходным (на примере трехфазного короткого замыкания и его последующего отключения)

Если же часть влияющих, но в данной задаче менее существенных составляющих процесса и соответственно часть его параметров не учтена или учтена неполно и с заведомыми искажениями, допустимыми в данном исследовании, то уравнения называются упрощенными.

работа электроэнергетическая система

Заключение

Рассмотренные на лекции цели, предмет и задачи дисциплины «Переходные процессы в электроэнергетических системах», основные понятия и определения являются основой для правильного понимания теоретических положений решения практических задач по анализу систем электроснабжения и проектированию электроустановок.

Размещено на Allbest.ru