Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Электромеханические переходные процессы

в

Электроэнергетических системах

Рекомендовано Учёным советом Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в качестве учебного пособия для студентов направления «Электроэнергетика и электротехника» и специальности «Электроэнергетические системы и сети»

Новочеркасск

ЮРГТУ(НПИ)

2012

УДК 621.311.1 (076.5)

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышлен­ных предприятий и городов» ЮРГТУ (НПИ) А.И. Троицкий;

канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрические станции» ЮРГТУ (НПИ) Г.Н. Чмыхалов.

Составитель В. Ф. Кравченко

Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012.-171 с.

В учебном пособии рассмотрено моделирование электроэнергетиче­ских систем (ЭЭС) и их элементов, основные подходы и методы анализа статической и динамической устойчивости ЭЭС, асинхронные режимы, изменение мощности и частоты в ЭЭС, особенности переходных процес­сов в узлах нагрузок, способы обеспечения и улучшения устойчивости ЭЭС.

Учебное пособие предназначено для студентов направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и специальности 140205 «Электро­энергетические системы и сети»

О Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 2012

Введение

В дисциплине «Электромеханические переходные процессы в элек­троэнергетических системах» изучаются переходные процессы, появляю­щиеся в электроэнергетической системе при изменении условий её работы.

Электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет собой совокуп­ность взаимодействующих силовых элементов и элементов управления, связанных единством технологического процесса выработки передачи и потребления электрической энергии.

Совокупность процессов, существующих в ЭЭС и определяющих её состояние в любой момент времени или на некотором интервале времени, называется режимом системы. Режим системы характеризуется количе­ственными показателями, называемыми параметрами режима: мощности Р, Q узлов и ветвей; действующие значения напряжений U узлов и токов I ветвей; фазовые углы б ЭДС и напряжений; частота / и др. Параметры режима связаны между собой соотношениями, вытекающими из физиче­ских законов, в которые входят параметры системы - количественные по­казатели физических свойств системы: активные и реактивные сопротив­ления, коэффициенты трансформаций и усиления, постоянные времени и

Различают следующие виды режимов ЭЭС:

• нормальные установившиеся, применительно к которым проектиро­валась ЭЭС;

• нормальные переходные, во время которых ЭЭС переходит от одного рабочего состояния к другому рабочему состоянию;

• аварийные установившиеся и переходные, для которых определяются мероприятия, связанные с необходимостью ликвидации такого состояния;

• послеаварийные установившиеся, которые в общем случае характе­ризуются изменением нормальной схемы системы.

Переходные режимы в расчётных и познавательных целях можно классифицировать по ряду признаков:

• по видам возмущающих воздействий и величинам возмущений;

П С

по скорости протекания процессов в ЭЭС (от 10 до 10 с);

• по структуре исследуемой ЭЭС;

• по допущениям, сделанным при составлении и решении системы уравнений, описывающих поведение ЭЭС, т.е. по математическому описа­нию переходных процессов.

При этом под возмущающими воздействиями понимаются какие- либо причины, вызвавшие переходный режим, а под возмущениями - от­клонения параметров режима в начале переходного режима.

Электроэнергетическая система, обеспечивающая своим нормаль­ным функционированием работу промышленности, транспорта и быта, должна работать надёжно. Первым условием надёжной работы является её устойчивость, под которой понимают способность системы восстанавли­вать исходный или близкий к исходному режим после его нарушения.

На рис. 1. представлена простейшая механическая система, находя­щаяся в двух различных установившихся состояниях. Одно из этих состояний является устойчивым (а), другое - неустойчивым (б). В первом случае после возмущения система стремится вернуться в исходное состоя­ние, во втором случае любое возмущение, даже незначительное, уводит систему от исходного состояния.

Рис. 1. Устойчивое (а) и неустойчивое (б) состояния про­стейшей механической системы

Природа неустойчивости всегда обусловлена энергетическими свой­ствами системы. В установившемся режиме энергия W_T0, поступающая в

ЭЭС извне, и энергия W₀, расходуемая нагрузкой и на потери, равны W_r0=W₀. При каком-либо возмущении, проявляющемся в изменении на

А 77, определяющего режим параметра 77, этот баланс нарушается. Если свойства системы таковы, что расход энергии после возмущения W(77) = W₀ + AW(77) будет происходить более интенсивно, чем поступ­ление энергии от внешнего источника W_T (77) = W_r0 + A W_T (77), то новый

(возмущённый) режим не может быть обеспечен энергией, и в системе должен восстановиться прежний установившийся режим. Такая система расценивается как устойчивая. Математическим критерием устойчивости

будет AIK. > _{или в} дифференциальной форме

АП АП

d(W_L-W)_< о dH

Величина (W_r - W) называется избыточной энергией системы. Ре­жим системы будет устойчив, если производная от избыточной энергии по определяющему параметру 77 отрицательна.

Потеря устойчивости для ЭЭС обычно означает потерю синхронной работы генераторов системы. При этом нарушается электроснабжение значительных территорий с населением порою в несколько десятков мил­лионов человек.

При нормальной работе ЭЭС всегда имеют место малые возмущаю­щие воздействия, вызывающие малые возмущения режима. Обычные ком­мутационные операции, осуществляемые оперативным персоналом, изме­нение нагрузки системы, ответные реакции регулирующих устройств при­водят к тому, что строго неизменного режима в системе не существует.

Однако малые возмущения не должны вызывать нарушения устойчивости ЭЭС.

Статическая устойчивость ЭЭС - это её способность восстанавли­вать исходный или близкий к исходному режим после малого возмущения (толчка).

В процессе эксплуатации ЭЭС имеют место и большие возмущения. Причиной их являются, прежде всего, короткие замыкания, а также вне­запные отключения тяжело нагруженных элементов ЭЭС. По отношению к большим возмущениям введено понятие динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость ЭЭС - это её способность восстанавли­вать исходный или близкий к исходному режим после приложения боль­ших возмущений.

Из общего понятия динамической устойчивости выделяют понятие синхронной динамической устойчивости и результирующей устойчивости.

Синхронная динамическая устойчивость - это способность ЭЭС вос­станавливать исходный или близкий к исходному режим после приложе­ния больших возмущений при отсутствии хотя бы кратковременного асин­хронного хода у всех генераторов.

Результирующая устойчивость - это способность ЭЭС восстанавли­вать исходный или близкий к исходному режим после приложения боль­ших возмущений при возникновении хотя бы кратковременного асинхрон­ного хода у одного или нескольких генераторов системы.

В настоящее время имеется много технических решений для обеспе­чения (улучшения) устойчивости ЭЭС. Выбор наилучшего технического решения в конкретных условиях осуществляется с помощью расчётов ста­тической и динамической устойчивости ЭЭС. При этом расчёт статической или динамической устойчивости ЭЭС следует воспринимать как числен­ный эксперимент, выполненный с использованием её математической мо­дели.

В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные с математическим моделированием ЭЭС, методы и алгоритмы расчётов статической и динамической устойчивости и основные технические реше­ния по обеспечению устойчивости ЭЭС.