1. Основные понятия и определения

Энергетика – это большая, целенаправленная, оптимизируемая при прогнозировании, проектировании и эксплуатации система кибернетического типа. Большая система энергетики (БСЭ) состоит из отдельных подсистем, которые взаимосвязаны между собой и функционируют как единое целое, но при рассмотрении ряда практических задач эти отдельные подсистемы зачастую рассматриваются раздельно.

Одной из таких подсистем БСЭ является электроэнергетическая система (ЭЭС), представляющая собой совокупность взаимодействующих элементов, которые условно можно разбить на две большие группы:

1. Силовые элементы:

а) генераторы с первичными двигателями, вырабатывающие электроэнергию;

б) трансформаторы, инверторы, выпрямители, преобразующие электрическую энергию;

в) ЛЭП переменного и постоянного тока, передающие и распределяющие электроэнергию;

г) нагрузка, потребляющая электрическую энергию.

2. Элементы управления, регулирующие и изменяющие состояние системы:

автоматический регулятор возбуждения (АРВ), автоматический регулятор скорости (АРС), или автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ), выключатели, различного рода реле и автоматика.

Все названные элементы первой и второй групп взаимосвязаны между собой единством четырех процессов: процесс генерирования, трансформации, передачи и потребления энергии. В нормальном рабочем состоянии, которое будем называть нормальным режимом системы, режим считается неизменным. Однако в действительности такой установившийся режим реально существовать не может. Это объясняется тем, что нагрузка в системе непрерывно изменяется как по числу потребителей, так и по мощности.

Кроме того, любая ЭЭС может подвергаться аварийным воздействиям, которые могут быть вызваны следующими причинами:

а) нарушение режима работы системы вследствие перегрузки отдельных элементов и их автоматического отключения;

б) разрушение отдельных элементов системы из-за внешних воздействий: ветер, гололед. При этом могут разрушаться опоры ЛЭП. Разрушения отдельных элементов также могут происходить из-за внутренних воздействий, например, обусловленных возросшими токами КЗ, что может привести к повреждению генераторов, трансформаторов, реакторов и даже разрушению подстанции.

Состояние системы во время вышеназванных аварий и последующего

перехода к новому рабочему состоянию получило название аварийного переходного режима. В данном курсе будем рассматривать как электрическое, так и механическое состояние ЭЭС, т. е. электромеханический режим.

Прежде чем изучать электромеханические режимы работы, необходимо знать и понимать, что такое нормальный режим, при котором начинается переходный процесс, и послеаварийный установившийся режим, которым заканчивается любой переходный процесс.

Режим работы энергосистемы – это такое состояние системы, которое характеризуется параметрами, количественно определяющими ее работу: П_р =Р,Q, ,,f,s,, δ. Они связаны между собой соотношениями, в которые входят параметры системы (П_с) – показатели, количественно определяющиеся физическими свойствами системы как некоторого материального сооружения и зависящие от схемы соединения ее элементов и принимаемых допущений. К параметрам системы относят: П_с =r,x, ,g,b,,,,T_aи т. д. Простейшим примером является закон ОмаI =(взаимосвязь режимных и системных параметров).

Если ряд параметров системы в той или иной мере зависит от режима работы, то такая система называется нелинейной. Во многих задачах нелинейность не учитывают, и параметры системы считают не изменяющимися от режима, т. е. принимают систему как линейную. Кроме нелинейности такого вида, в реальных электрических системах существует нелинейность и другого вида, которая обусловлена характером соотношений между параметрами ее режима. Так, например, для цепей постоянного тока P=, а цепей переменного токаP=. От таких нелинейных зависимостей уже невозможно избавиться, их необходимо учитывать при расчетах и анализе режима.

Все режимы электроэнергетической системы делят на две большие группы:

1. установившиеся режимы работы;

2. переходные режимы (неустановившиеся, нестационарные).

Внутри этих групп различают следующие виды режимов:

– нормальный установившийся режим (применительно к которому при проектировании электроэнергетической системы определяют ее основные технико-экономические характеристики);

– послеаварийный установившийся режим (характеризующийся изменением нормальной схемы системы вследствие отключения какого-либо элемента или ряда элементов; в нем электроэнергетическая система может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками);

– нормальный переходный режим (ЭЭС переходит из одного рабочего состояния в другое во время нормальной эксплуатации);

– аварийный переходный режим (в нем определяются технологические характеристики устройств, предназначенных для ликвидации аварий, и при этом выясняются условия дальнейшей работы системы).

В любых режимах реальной ЭЭС, в т. ч. и установившихся, параметры режима непрерывно изменяются, т. е. отклоняются от некоторого среднего значения, но отклонения в установившемся режиме настолько малы, что он может оцениваться как установившийся. В переходных же режимах отклонения существенны. Любые переходные режимы возникают в результате изменений параметров системы, вызванных какими-либо причинами, которые называют возмущающими воздействиями, в свою очередь приводящими к появлению начальных отклонений параметров режима, т. е. к возмущению режима.

Режим работы любой системы не является чем-то единым, он состоит из множества различных процессов, под которыми понимается последовательная смена каких-либо явлений. В качестве процессов в реальных электрических системах представляются следующие:

1. тепломеханические процессы, протекающие в тепловой турбине;

2. гидромеханические, протекающие в гидравлической турбине;

3. механические, относящиеся к валу ротора генератора и протекающие вследствие наличия момента на валу ротора генератора;

4. электромеханические (определяются взаимодействием токов статора и ротора);

5. тепловые (определяются протеканием тока по тем или иным элементам);

6. электромагнитные;

7. волновые (вдоль проводов линии при распространении тока и напряжения по линии);

8. процессы излучения в пространство (влияют на внешнюю среду).

Рассматриваемые в данном учебном пособии электромеханические процессы – это последовательное изменение электромагнитных явлений в электрических цепях при одновременном изменении механических явлений во вращающихся машинах.

Задачи, связанные с изучением электромеханических режимов, сводятся

к определению изменений токов, мощностей, а также определению относительных (относительно синхронной частоты вращения роторов) перемещений роторов генераторов во времени.

Система всегда подвергается малым возмущениям, которые не должны вызвать нарушение устойчивости режима, прогрессивного возрастания изменений его параметров, т. е. ЭЭС должна обладать статической устойчивостью.

Статической устойчивостью называют способность системы восстанавливать исходный (нормальный) режим работы или весьма близкий к исходному после малого возмущения режима.

Под малым возмущением подразумевается такое, при котором изменение параметров несоизмеримо мало по сравнению с самим параметром режима.

Пример – U_НОМ = 220 кВ,кВ,=< 1 %.

По отношению к большим возмущениям режима, таким как короткое замыкание, вводится понятие динамической устойчивости системы. Динамическая устойчивость – способность системы восстанавливать исходный режим или режим, близкий к исходному и допустимый по условиям эксплуатации после большого возмущения режима (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Синхронная динамическая устойчивость

Под большим возмущением режима понимают такое возмущение, при котором изменения параметров режима соизмеримы с самим параметром режима.

Пример – U_НОМ = 220 кВ,кВ,=≈ 30 %.

Если же после большого возмущения режима синхронная работа системы нарушается, т. е. наступает асинхронный режим работы, а спустя некоторое время допустимый по условиям эксплуатации асинхронный ход прекращается и вновь восстанавливается синхронный режим работы, то в этом случае говорят, что рассматриваемая система обладает результирующей устойчивостью (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Результирующая динамическая устойчивость

Для асинхронных режимов характерно периодическое изменение вектора ЭДС хотя бы одной станции эквивалентного генератора системы на угол больше, чем 360^°.