Electromechanich perechodnye processy

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по курсу
“Электромеханические переходные процессы ”
для студентов специальностей: 6.05070101 – “Электрические
станции” и 6.05070106 –“Системы управления производством и
распределением электроэнергии”
Утверждено
редакционно-издательским
советом университета,
протокол № 2 от 01.12. 2010 г.
Харьков
НТУ “ХПИ”
2011
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу
“Электромеханические переходные процессы” для студентов специальностей: 6.05070101 – “Электрические станции” и 6.05070106 –“Системы
управления производством и распределением электроэнергии”/ состав.
Рудевич Н.В, Пискурев М.Ф. – Х. : НТУ “ХПИ”, 2011. – 83с.
Составители: Н.В. Рудевич,
М.Ф. Пискурев
Рецензент Г.М. Сердюкова
Кафедра автоматизации энергосистем
2
ВСТУПЛЕНИЕ
Комплекс лабораторных работ, приведенных в данных методических
указаниях, посвящен исследованию электромеханических переходных
процессов при малых и больших возмущениях в электрических системах.
Цель комплекса лабораторных работ – углубление и закрепление знаний
по курсу «Электромеханические переходные процессы в электрических
системах» и освоение методики исследования переходных процессов в
электрических системах с помощью виртуальных компьютерных моделей.
Современные компьютерные технологии, в основе которых лежат
прикладные пакеты, дают возможность более глубокого изучения вопросов, связанных с процессами в электрических системах. Они позволяют
качественно изменить и существенно улучшить технологию изучения,
перевести ее в виртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной действительности необходимые исследования с получением количественных результатов.
В качестве лаборатории выступает виртуальная компьютерная лаборатория, т.е. лабораторные работы представлены не физическими установками, а виртуальными компьютерными моделями. Инструментом исследования переходных процессов в электрических системах является
программа Matlab. Основными пакетами расширения, которые используются при исследовании электромеханических переходных процессов в
электрических системах, являются Simulink и SimPowerSystems.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПАКЕТОВ SIMULINK И
SIMPOWERSYSTEMS
Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов,
разбитых на несколько разделов:
 Commonly Used Blocks – часто используемые блоки;
 Continuous – блоки аналоговых элементов;
 Discontinuous – блоки нелинейных элементов;
 Discrete – блоки дискретных элементов;
3
 Logic and Bit Operations – блоки логических операций;
 Look-Up Tables – блоки таблиц;
 Math Operations – блоки математических операций;
 Model Verification – блоки проверки свойств сигналов;
 Model-Wide Utilities – блоки дополнительных утилит;
 Ports&Subsystems – блоки портов и подсистем;
 Signal Attributes – блоки задания свойств сигналов;
 Signal Routing – блоки маршрутизации сигналов;
 Sinks – блоки приема и отображения сигналов;
 Sources -–блоки источников сигнала;
 User-Defined Function – блоки функций, определяемых пользователем;
 Additional Math &Discrete – дополнительные блоки математических
операций и дискретных элементов.
Необходимые сведения для работы в пакете Simulink приведены в [1].
Библиотека SimPowerSystems представляет собой набор визуальных
объектов, разбитых на несколько разделов:
 Application Libraries – блоки лаборатории прикладных программ;
 Electrical Sources – блоки электрических источников;
 Elements – блоки элементов электроэнергетических систем;
 Extra Library – блоки дополнительной лаборатории;
 Machines – блоки электрических машин;
 Measurements – блоки измерительных устройств;
 Power electronics – блоки полупроводниковых устройств.
В лабораторных работах из библиотеки SimPowerSystems используются
следующие блоки: Synchronous Machine pu Standard, Three-Phase
Transformer, Mutual Inductance, Tree-Phase Source, Three-Phase series
RLC Branch, Three Phase Breaker, являющиеся виртуальными моделями
элементов электроэнергетической системы, и Fault – имитатор короткого
замыкания.
Блок Synchronous Machine pu Standard находится в разделе Machines
и представляет виртуальную модель синхронного генератора,
электрическая часть которого представлена уравнениями Парка-Горева,
а механическая – основным уравнением движения ротора генератора.
4
Исходными данными для модели являются:
 тип ротора (Rotor type): явнополюсный (Salient-pole) или неявнополюсный (Round);
 номинальная мощность Pн (ВА) (Nominal power Pn (VA)); номинальное действующее значение линейного напряжения Uн (В) (L-L voltage
Vn (V rms)); номинальная частота fн (Гц) (frequency fn (Hz));
 индуктивные
сопротивления
(о.е.)
(Reactances
(pu))
X d , X d/ , X d// , X q , X q/ , X q// , X 1 (сопротивление рассеивания);

постоянная времени (сек) (Time constants (s)) Td/ , Td// , Tq/ , Tq// или
Td/0 , Td//0 , Tq/0 , Tq//0 (в зависимости от того замкнутыми
(short-circuit) или
разомкнутыми (open-circuit) заданы цепи по осям d и q);
 активное сопротивление статора Rст (о.е.) (stator resistance Rs (pu));
 постоянная инерции Тj (сек.) (Сoefficient of inertia H (s)), коэффициент трения Кт (о.е.) (Friction factor F (pu)), число пар полюсов р (Pole
pairs p);
 начальные условия (Initial conditions): отклонение скорости вращения от номинальной   (dw, %), электрический угол ротора  (градусы) (th, deg), мгновенные значения токов в статоре (о.е.) ia, iв, ic (ia, ib, ic
(pu)), фазовый сдвиг между током и напряжением различных фаз а, в, с
(градусы) (pha, phb, phc (deg)), напряжение обмотки возбуждения Uf (о.е.)
(Vf (pu)).
Блок генератора имеет два входных зажима и четыре выходных зажима. Входные зажимы Pm та Vf (Uf) предназначены для подключения
мощности турбины и напряжения на обмотке возбуждения соответственно. Три выходных зажима (А В С) являются выводами статорных обмоток, выход m предназначен для подключения блока измерения. К измеряемым параметрам генератора относятся:
 токи статора в фазных координатах ia, iв, ic (Stator currents isa, isb,
isc);
 токи статора в dq координатах (Stator currents) iq, id;
 ток в обмотке возбуждения (Field current) ifd;
5
 токи в демпферных обмотках idq1, idq2, idd (Damper winding currents
ikq1, ikq2, ikd);
 взаимные потоки в dq координатах Фaq, Фad (Mutual fluxes phim_q,
phim_d);
 напряжение на статоре в dq координатах uq, ud (Stator voltages
vs_q, vs_d);
 отклонение угла ротора , радианы (Rotor angle deviation d_theta,
rad.);
 скорость ротора  (Rotor speed wm);
 электрическая мощность Рэл (Electrical power Pe);
 отклонение скорости ротора от синхронной   (Rotor speed
deviation dw);
 механический угол ротора , градуси (Rotor mechanical angle theta,
deg.);
 электромагнитный момент Мэл (Electromagnetic torque Te);
 угол нагрузки , градусы (Load angle delta, grad.);
 выходная активная мощность Рэло (Output active power Peo);
 выходная реактивная мощность Qэло (Output reactive power Qeo).
Блок Three-Phase Transformer находится в разделе Elements и представляет виртуальную модель трехфазного двухобмоточного трансформатора. Исходными данными для модели являются:
 единицы измерения (units) – о.е. (pu) или именованные единицы
(SI);
 номинальная мощность Pн (ВА) (Nominal power Pn (VA)); номинальная частота fн (Гц) (frequency fn (Hz));
 схема соединения первичной обмотки трансформатора (Winding 1 (ABC) connection): звездой (Y); звездой с нейтралью (Y with
accessible neutral); звездой с заземленной нейтралью (Grounded Y); треугольником, где вектор линейного напряжения отстает от соответствующего вектора линейного напряжения на звезде на 30о (Delta D1); треугольником, где вектор линейного напряжения опережает соответствующий вектор линейного напряжения на звезде на 30о (Delta D11);
6
 параметры первичной обмотки (Winding parameters): действующее значение номинального напряжения U1, В (The phase-to-phase nominal
voltage in volts RMS V1), активное сопротивление обмотки (resistance) R1,
индуктивность рассеивания (leakage) L1;
 схема соединения вторичной обмотки трансформатора (Winding 2
(abc) connection);
 параметры вторичной обмотки (Winding parameters): действующее значение номинального напряжения U2, В (The phase-to-phase nominal
voltage in volts RMS V2), активное сопротивление обмотки (resistance) R2,
индуктивность рассеивания (leakage) L2;
Блок Tree-Phase Mutual Inductance Z1-Z0 находится в разделе Elements и представляет виртуальную модель линии электропередач. Исходными данными для модели являются:
 активное сопротивление и индуктивность прямой последовательности (Ом, Гн) (Positive-sequence parameters (Ohms, H)), R1, L1 соответственно;
 активное сопротивление и индуктивность нулевой последовательности (Ом, Гн) (Zero-sequence parameters (Ohms, H)), R0, L0 соответственно;
Блок Tree-Phase Source находится в разделе Electrical Sources и представляет виртуальную модель источника неизменного напряжения (система бесконечной мощности). Исходными данными для модели являются:
 действующее значение линейного напряжение (B) (Phase-to-phase
rms voltage (V));
 фазовый угол напряжения фазы А (градусы) (Phase angle of phase
A (degree));
 частота (Гц) (Frequency (Hz));
 мощность короткого замыкания при базисном напряжении (ВА)
(3-phase short-circuit level at base voltage (VA));
 действующее значение линейного базисного напряжения (В)
(Base voltage Vrms ph-ph);
7
 отношение активного и индуктивного сопротивлений источника
(Xс / Rс ratio).
Блок Three-Phase series RLC Branch находится в разделе Elements и
представляет виртуальную модель статической нагрузки. Исходными
данными для модели являются:
 тип цепи (Branch type): R, L, C, RL, RC, LC, RLC;
 активное сопротивление (Ом) (Resistance (Ohms)) R;
 индуктивность (Гн) (Inductance (H)) L ;
 емкость (Ф) (Capacitance) (F)) C.
Блок Three Phase Breaker находится в разделе Elements и представляет виртуальную модель высоковольтного трехфазного выключателя. Исходными данными для модели являются:
 первичное состояние выключателя (Initial status of breakers): замкнутое (closed) или разомкнутое (open), с активацией необходимых фаз
(Switching of phase);
 время переключения (c) (Transition times (s));
 активное сопротивление выключателя Rв (Ом) (Breakers resistance
Ron (Ohm).
Блок Three Phase Fault находится в разделе Elements и представляет
виртуальную модель имитатора короткого замыкания. Исходными данными для модели являются:
 замкнувшиеся фазы (Fhase A, B, C Fault);
 переходное активное сопротивление Rпер (Ом) (Fault resistances
Ron (ohms));
 активное сопротивление земли Rз (Ом) (Ground resistance Rg
(ohms));

состояние выключателя в разные моменты времени (Transition
status (1,0,1…));

время переключения выключателя (с) (Transition times (s)).
При активации значка "External control of fault timing" будет моделироваться внешний контроль времени замыкания (размыкания) фаз, а
"Ground Fault" будет моделироваться замыкание фаз на землю.
8
Для исключения любого параметра из модели необходимо вместо его
значения в соответствующей строке ввести «inf».
Для создания виртуальной модели простой электрической системы в
среде Matlab необходимо нужные блоки из библиотеки скопировать в
рабочее окно модели. После чего их нужно определенным образом соединить между собой и задать исходные данные для каждого элемента в
его окне настройки.
Для настройки виртуальной модели электрической системы в целом и
для последующего анализа процессов в ней необходимо воспользоваться
блоком Powergui, который нужно скопировать в рабочее окно модели из
библиотеки пакета SimPower Systems.
В окне настройки блока Powergui задается метод интегрирования,
который будет использован при моделировании (Simulation Type):
 непрерывный метод с переменным шагом расчета (Continious);
 дискретный метод с фиксированным шагом расчета (Discretize
electrical model) с заданием частоты выборки (Sample time);
 векторный метод с заданием частоты (Phasor simulation).
В окне настройки блока Powergui можно активизировать и воспользоваться следующими функциями для анализа процессов в модели
(Analysis tools):
 Измерение установившихся значений напряжений и токов
(Steady-State Voltages and Currents);
 Задание параметров начального состояния (Initial States Settings);
 Задание параметров работы синхронного генератора (Load Flow
and Machine Initialization);
 Использование линейной время-инвариантной системы просмотра (Use LTI Viewer);
 Отображение зависимости полного сопротивления от частоты
(Impedance vs Frequency Measurement);
 Отображение гармонического анализа сигналов (FFT Tools);
 Создание отчета модели (Generate Report);
 Построение характеристики сердечника трансформатора (Hysteresis Design Tool);
9
 Расчет RLC параметров линии электропередач (Compute RLC Line
Parameters);
При выполнении лабораторных работ в окне настройки блока
Powergui необходимо:
1) метод интегрирования установить «Continious»;
2) исходный режим задать установившийся, для чего в функции
«Initial States Settings» активизировать значок «To steady state», затем
кликнуть «Apply» и «Ok» для его сохранения;
3) тип шин задать "P&V generator", при котором генератор выдает заданную активную мощность (Active power) и напряжение на его
шинах (Terminal voltage) номинальное.
Исходный режим при заданной нагрузке генератора (Load flow
initial condition) рассчитывается программой автоматически при выборе «auto». При каждом изменении значения активной мощности,
выдаваемой генератором, а также любых параметров электрической
системы, необходимо обновить расчет кликнув "Update Circuit &
Measurements" и "Update Load Flow".
10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
ПОСТРОЕНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЯВНОПОЛЮСНОГО ГЕНЕРАТОРА ПРОСТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ
Цель работы: определение зависимости параметров неявнополюсного
генератора простой электрической системы от угла .
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить теорию построения угловых характеристик простой
электрической системы.
Рекомендуемая литература [2, 3].
2. Изучить основные сведения о работе в среде Simulink.
Рекомендуемая литература [1, 4].
3. Ознакомиться со структурной схемой компьютерной модели для
построения угловых характеристик неявнополюсного генератора простой
электрической системы (рис. 1.7).
Краткие пояснения к работе
В работе исследуется простая электрическая система, где генератор
через ряд последовательных элементов электрической цепи выдает мощность на шины неизменного напряжения (рис. 1.1).
G
T
W
UO
IO
Рис. 1.1. Простая электрическая система
Мощность приемной системы настолько велика по сравнению с мощностью рассматриваемой электропередачи, что напряжение UО можно
11
считать неизменным при любых условиях работы электропередачи по
абсолютной величине и частоте (система бесконечной мощности).
Схема замещения данной простой электрической системы имеет следующий вид (рис. 1.2):
Eг
XЛ
Xг
XТ
Uo
XЛ
Рис. 1.2. Схема замещения
Преобразованная схема замещения представлена на рис. 1.3:
Eг
X гå
Uo
Рис. 1.3. Преобразованная схема замещения
где X Г – сопротивление электропередачи, X Г  X Г  X СВ ,
где
XГ
– сопротивление генератора,
X СВ – сопротивление связи,
ХЛ
.
2
При определении зависимости параметров неявнополюсного генератора простой электрической системы от угла  (угол между вектором
X СВ  Х Т 
напряжения приемной системы UО и вектором ЭДС E q ), генератор в
схему замещения при отсутствии у него автоматического регулятора возбуждения (АРВ) вводится параметрами E q и X d , таким образом,
X Г  X d  и E Г  E q . Генератор в схему замещения при наличии у него
АРВ пропорционального действия (АРВ ПД) вводится параметрами E q/ и
12
X d/ , следовательно, X Г  X d/  и E Г  E q/ . Генератор в схему замещения
при наличии у него АРВ сильного действия (АРВ СД) вводится параметрами U Гq и X Г  0 , таким образом, EГ  U Гq и X Г  X СВ .
Зависимости активной мощности Рэл, а также характерных параметров E q , E q/ , U Гq от угла δ носящих название угловых характеристик,
могут быть получены из векторной диаграммы. Векторная диаграмма для
простой системы, состоящей из неявнополюсного синхронного генератора, связанного реактивным сопротивлением X СВ с шинами неизменного
напряжения имеет вид (рис. 1.4).
Id Xd
ось q
/
I d Xd 
/
U0 c os
Iq
Id

o
Eq
Id Xсв E q
UГq E/
Io X d
/
UГ
Io X d
I o X св
UO
Io
ось d
Рис. 1.4. Векторная диаграмма простой электрической системы
Угловые характеристики активной мощности неявнополюсного генератора простой электрической системы:
1. Генератор без АРВ
EqU О
PЕ 
sin  ;
(1.1)
X d
q
2. Генератор с АРВ ПД
PEq/ 
Eq/UО
X d/ 
sin  
U О2 ( X d   X d/  )
sin 2 ;
2 X d/  X dΣ
13
(1.2)
3.
Генератор с АРВ СД
PUГq 
U ГqU О
X СВ
sin  
U О2 ( X d   X СВ )
sin 2 .
2 X d  X СВ
(1.3)
На рис. 1.5 в качестве примера приведены угловые характеристики
мощности неявнополюсного синхронного генератора соответствующие
уравнениям (1.1 – 1.3).
P
P
max U Гq
3
Pmax E /
q
2
1
Pmax E q
1
Рис. 1.5. Угловые характеристики мощности неявнополюсного синхронного
генератора: 1 – без АРВ; 2 – с АРВ ПД; 3 – с АРВ СД
Угловые характеристики ЭДС E q , E q/ и напряжения U Гq неявнополюсного генератора простой электрической системы:
1. Генератор без АРВ
Eq = const,
Eq/ 
U Гq 
Eq X
/
d
X d
Eq X СВ
X d

(1.4)
UО ( X d  X )
cos  ,
X d
(1.5)
U О ( X d   X СВ )
cos  .
X d
(1.6)

/
d
14
2. Генератор с АРВ пропорционального действия
E q/ = const ,
Eq 
U Гq 
E q/ X d

X d/ 
E q/ X СВ
X d/ 

(1.7)
U О ( X d  X d/  )
X d/ 
U О ( X d/   X СВ )
X d/ 
cos  ,
(1.8)
cos  .
(1.9)
3. Генератор с АРВ сильного действия
UГq = const,
Eq 
E 
/
q
U Гq X d 
X СВ
U Гq X d/ 
X СВ
(1.10)

U О ( X d   X СВ )
cos  ,
X СВ
(1.11)

U О ( X d/   X СВ )
cos  .
X СВ
(1.12)
Согласно выражениям (1.4 – 1.12) угловые характеристики ЭДС E q ,
E q/ и напряжения U Гq имеют вид (рис. 1.6).
Eq , Eq/ , UГq
Eq , Eq/ , U Гq
Eq
Eq
Eq/
Eq/
U Гq
U Гq 
а

б
Eq , Eq/ , U Гq
Eq
Eq/
U Гq

в
Рис. 1.6. Угловые характеристики E q , E q/ , U Гq неявнополюсного синхронного генератора: а – без АРВ; б – с АРВ ПД; в – с АРВ СД
15
У генераторов без АРВ E q  const , то есть ток возбуждения остается
постоянным при любых медленных изменениях нагрузки, а остальные
параметры изменяются при изменении нагрузки. В этом случае напряжение U Гq и результирующее потокосцепление, а, следовательно, и E q/ падает с ростом нагрузки (ростом угла ) генератора.
При наличии у генераторов АРВ ПД ток возбуждения регулируется
так, что ЭДС E q/ поддерживается неизменной, а напряжение будет меняться. По мере увеличения угла  напряжение генератора будет уменьшаться. Под действием АРВ ПД ток возбуждения будет расти, и E q будет
увеличиваться. Предельное значение мощности получается на 30 – 60 %
выше, чем у генератора без АРВ.
При наличии у генератора АРВ СД ток возбуждения регулируется
так, что поддерживается постоянным U Гq . По мере увеличения  ток возбуждения растет, а, следовательно, увеличивается
E q/ , Eq . Предельное
значение мощности получается на 50 – 80 % выше, чем у генератора без
АРВ.
Построение угловых характеристик проводится на компьютерной модели, структурная схема которой представлена на рис.1.7.
Исходными данными для модели являются значения параметров:
X d X d/ , X СВ , а также значений ЭДС E q для генератора без АРВ, E q/ для
генератора с АРВ ПД, U Гq для генератора с АРВ СД.
Модель построена таким образом, что позволяет сначала получить
на экране осциллографа (элемент 14) угловые характеристики активной
мощности Рэл генератора с различными видами АРВ, а затем угловые характеристики ЭДС E q , E q/ и напряжения U Гq отдельно для трех случаев: генератор без АРВ, генератор с АРВ ПД, генератор с АРВ СД.
Построение различных угловых характеристик осуществляется с помощью ручных переключателей (элементы 2, 4, 6, 7, 16, 17, 18, 21, 23, 24, 26,
30, 33, 34, 35, 36, 39). Использование блоков математических операций
16
(элементы 3, 8, 13, 37, 41) дает возможность смоделировать отдельные
слагаемые выражений (1.1 – 1.12).
Порядок выполнения работы
1. Составить компьютерную модель для построения угловых характеристик неявнополюсного генератора простой электрической системы
(рис. 1.7). Задать параметры простой
X d/ , X СВ ,
электрической системы
Xd
E q , E q/ , U Гq .
2. Смоделировать построение угловых характеристик активной
мощности генераторов без АРВ, с АРВ ПД, с АРВ СД на выходах элементов 4, 9, 38 соответственно.
Получить осциллограммы угловых характеристик активной
мощности PЕ , PЕ / , PUГq .
q
3.
q
Смоделировать построение угловых характеристик E q , E q/ , U Гq
генератора без АРВ на выводах элементов 4, 9, 38 соответственно.
Получить осциллограммы угловых характеристик E q , E q/ , U Гq .
4.
Смоделировать построение угловых характеристик E q , E q/ , U Гq
генератора с АРВ ПД на выводах элементов 4, 9, 38 соответственно.
Получить осциллограммы угловых характеристик E q , E q/ , U Гq .
5.
Смоделировать построение угловых характеристик E q , E q/ , U Гq
генератора с АРВ СД на выводах элементов 4, 9, 38 соответственно.
Получить осциллограммы угловых характеристик E q , E q/ , U Гq .
17
18
синхронного генератора
Рис. 1.7. Структурная схема компьютерной модели для построения угловых характеристик неявнополюсного
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Компьютерная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы угловых характеристик.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под простой электрической системой?
2. Что понимается под системой бесконечной мощности?
3. Что такое угол ?
4. Что такое параметры режима и параметры системы?
5. Какими параметрами задаются в схеме замещения генераторы
при исследовании статической устойчивости?
6. Что называется угловой характеристикой мощности?
7. Каким образом можно получить выражение для угловой характеристики мощности генератора?
8. Как соотносятся между собой угловые характеристики мощности
генераторов с различными видами АРВ?
9.
Как изменяются параметры генератора E q , E q/ , U Гq в зависимости
от угла , если у него отсутствует регулятор возбуждения?
10. Как изменяются параметры E q , E q/ , U Гq в зависимости от угла  у
генератора с АРВ ПД?
11. Как изменяются параметры E q , E q/ , U Гq в зависимости от угла 
у генератора с АРВ СД?
12. Что такое предел передаваемой мощности?
13. Генератор с каким видом АРВ имеет максимальный предел передаваемой мощности?
14. Генератор с каким видом АРВ имеет минимальный предел передаваемой мощности?
19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ПРОСТОЙ НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
БЕЗ УЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБМОТКЕ
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы:
1. Определение характера изменения параметров режима простой
нерегулируемой электрической системы при малых возмущениях.
2. Определение влияние на характер протекания переходного процесса величины демпфирования и постоянной инерции генератора.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить теорию исследования статической устойчивости простой
нерегулируемой системы.
Рекомендуемая литература [2].
2. Составить математическую модель простой нерегулируемой
электрической системы без учета переходных процессов в обмотке возбуждения.
3. Ознакомиться со структурной схемой компьютерной модели
простой нерегулируемой системы (рис. 2.3).
Краткие пояснения к работе
В лабораторной работе исследуется статическая устойчивость
простой нерегулируемой системы, под которой понимается способность
системы возвращаться в исходное состояние при малых возмущениях или
близкое к исходному, если это возмущение не снято. Малыми возмущениями считаются незначительные изменения нагрузки в системе.
Для анализа статической устойчивости простой нерегулируемой системы без учета переходных процессов в обмотке возбуждения и
20
используют основное уравнение движения ротора генератора, которое
имеет следующий вид:
d 2
d
(2.1)
 Pd
 PО  Pэл ,
2
dt
dt
где РО – мощность турбины (о.е.); Рэл – электрическая мощность генераE qU О
sin  ; Рd – демпфирующая мощность (о.е.);
тора (о.е.), Р эл 
X d
Tj
Тj - постоянная инерции генератора (рад).
При малых возмущениях уравнение (1) может быть записано:
d 2 
d dP
 Pd

  0 ,
(2.2)
2
dt
d
dt
где      O (O – угол, при котором выполняется баланс мощностей в
Tj
исходном режиме РO = Рэл),
dP
 C1 – синхронизирующая мощность.
d
При малых возмущениях в электрической системе угол  отклоняется
на некоторую величину , при этом скорость вращения ротора генератора отклоняется от синхронной. Во всех замкнутых его обмотках (обмотка
возбуждения и демпферная обмотка) наводятся дополнительные ЭДС, под
действием которых начинают протекать токи, которые, в свою очередь,
обуславливают появление демпфирующей мощности в машине.
Характер протекания электромеханического переходного процесса в
простой нерегулируемой системе при малых возмущениях будет зависеть
от того, где находится рабочая точка исходного режима на характеристике
Pэл () , а также от наличия демпфирования (рис. 2.1).
Система будет статически устойчива, если рабочая точка находится
на восходящем участке характеристики Pэл () (интервалы 1 – 2, 2 – 3),
т.е. С1  0 и имеется положительное демпфирование (практический критерий статической устойчивости). В этом случае при малом отклонении угла  система вернется в исходный установившийся режим (при условии
снятия возмущения), причем переходной процесс будет периодически
затухающим на интервале 1 – 2 (рис. 2.1, а) и апериодически затухающим
21
на интервале 2 – 3 (рис. 2.1, б). Положение точки 2 на характеристике
определяется из условия
P2
C1
 d 2 . При отсутствии демпфирования коT j 4T j
лебания будут не затухающие (рис. 2.1, д).

P
t

в
t
б

3
2
t

г
t

д
t
а
1
C1  0
C1  0
0
90
4

180
Рис. 2.1. Протекание процесса в простой системе после отклонения на угол
: а, б, в ,г – при положительном демпфировании; д, г – без демпфирования
Поведение системы в критическом случае (С1 = 0, точка 3) зависит от
знака отклонения угла . Если знак отклонения угла  будет отрицательный, то система может быть статически устойчива, если положительный,
то в системе произойдет нарушение устойчивости (рис. 2.1, в).
Система будет статически неустойчива, если рабочая точка находится
на нисходящем участке характеристики Pэл () , т.е. С1  0, независимо от
наличия демпфирования (рис. 2.1, г)
При отрицательном демпфировании в генераторе любое малое возмущение вызовет нарушение статической устойчивости системы. Характер процесса будет зависеть от того, на каком участке характеристики
мощности находится рабочая точка исходного режима (рис. 2.2). Эффект
отрицательного демпфирования может иметь место, когда электропередача работает на большое активное сопротивление.
22

P
t
3

2
t

t
4
1
0

180
Рис. 2.2. Протекание процесса в простой системе после отклонения на угол 
при отрицательном демпфировании
Исследование статической устойчивости простой нерегулируемой
электрической системы проводится на компьютерной модели, построенной в соответствии с выражением (2.1), структурная схема которой представлена на рис.2.3. Исходными данными для модели являются значения
параметров: U О (элемент 1), E q (элемент 6), X d  (элемент 10). Значение
приращения угла  задается в элементе 20, текущее значение угла  в
радианах моделируется на выходе элемента 16, а в градусах - на выходе
18 элемента. С помощью элементов 23, 24, 25, 26 осуществляется обнуление угла , при  = 360°. С помощью элемента 22 задается значение
демпфирующей мощности Pd в генераторе, а с помощью элемента 8 –
значение мощности турбины PО . В элементе 28 задается постоянная
инерции генератора T j . На верхнем экране осциллографа (элемент 5)
отображается Рэл, PО , Рd(t) на нижнем экране осциллографа (t).
23
24
Рис. 2.3. Компьютерная модель простой нерегулируемой электрической системы
Порядок выполнения работы
1. Составить компьютерную модель простой нерегулируемой электрической системы для исследования ее статической устойчивости
(рис. 2.3). Задать параметры системы: E q , U О , X d , Pd , T j , PО .
Определить нахождение точки 2 на характеристике мощности для данной
системы.
2. Смоделировать малое возмущение в системе, которое вызовет отклонение угла на  =  0.05 рад (для чего необходимо в элементе 20 задать значение отклонения, а также время, через которое это отклонение
произойдет – 0,5 с), при положительном демпфировании для следующих
случаев:
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 1 – 2 характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 2 – 3 характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 3 – 4 характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться в
точке 3 характеристики активной мощности;
Получить осциллограммы опытов.
3. Смоделировать малое возмущение в системе, которое вызовет отклонение угла на  = 0.05 рад, при отсутствии демпфирования для следующих случаев:
 рабочая точка исходного установившегося режима находится на
восходящем участке характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находится на
нисходящем участке характеристики активной мощности.
Получить осциллограммы опытов.
4. Смоделировать малое возмущение в системе, которое вызовет отклонение угла на  = 0.05 рад, при отрицательном демпфировании для
следующих случаев:
25
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 1 – 2 характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 2 – -3 характеристики активной мощности;
 рабочая точка исходного установившегося режима находиться на
участке 3 – 4 характеристики активной мощности.
Получить осциллограммы опытов.
5. Смоделировать малое возмущение в системе с эффектом положительного демпфирования генератора, которое вызовет отклонение угла
на  = 0.05 рад для следующих случаев:
 величина демпфирующей мощности увеличилась (уменьшилась)
в два раза;
 величина постоянной инерции увеличилась (уменьшилась) в два
раза.
Получить осциллограммы опытов.
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Компьютерная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы опытов.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под статической устойчивостью?
2. Что понимается под малым возмущением?
3. Что влияет на характер протекания переходного процесса при
малых возмущениях?
4. Каким уравнением описывается электромеханический переходной процесс в простой нерегулируемой электрической системе без учета
переходных процессов в обмотке возбуждения?
26
5. Что такое синхронизирующая мощность?
6. Что обуславливает появление демпфирующей мощности в
машине?
7. Каким образом наличие демпфирования у генератора влияет на
характер протекания переходного процесса при малых возмущениях?
8. В каком случае в машине может возникнуть эффект отрицательного демпфирования?
9. В чем суть практического критерия статической устойчивости?
10. От чего зависит поведение системы в критическом случае при
малых возмущениях?
11. В каком случае система будет статически неустойчива при малых
возмущениях?
12. Каким образом величина демпфирования у генератора влияет на
характер протекания переходного процесса при малых возмущениях?
13. Каким образом величина постоянной инерции генератора влияет
на характер протекания переходного процесса при малых возмущениях?
14. Какими должны быть корни характеристического уравнения,
чтобы система была статически устойчивой?
27
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДОВ НАРУШЕНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ
УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТОЙ НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Цель работы:
1. Экспериментальное определение на виртуальной модели параметров простой нерегулируемой системы, вызывающих различные виды
нарушения статической устойчивости
2. Экспериментальное определение на виртуальной модели характера изменения параметров режима простой нерегулируемой электрической системы при различных видах нарушении статической устойчивости.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить теорию исследования видов нарушения статической
устойчивости простой нерегулируемой системы.
Рекомендуемая литература [2].
2. Изучить основные сведения о работе в среде SimPowerSystem [5].
3. Озакомиться с виртуальной моделью простой нерегулируемой
электрической системы, созданной в пакете SimPowerSystem программы
Matlab 7.4 (рис. 3.7).
Краткие пояснения к работе
В лабораторной работе исследуются виды нарушения статической
устойчивости простой нерегулируемой системы типа «Самовозбуждение», «Самораскачивание».
Неустойчивость типа «Самовозбуждение» может наблюдаться в системе при большой емкостной последовательной компенсации реактивного сопротивления элементов электропередачи (рис. 3.1) .
28
Eг
X
X св
г
Xc
Uo
Xc
Рис. 3.1. Схема замещения простой системы при наличии емкостной последовательной компенсации
При выполнении условия X q  ( X св  X c )  X d в системе с явнополюсным генератором будет наблюдаться синхронное самовозбуждение
(рис.3.2, а); при выполнении условия
X d/  ( X св  X c )  X d в системе с
неявнополюсным генератором будет наблюдаться асинхронное самовозбуждение (рис. 3.2, б).
Без учета насыщения
iСТ
iСТ
С учетом насыщения
t
t
а
б
Рис. 3.2. Характер изменения iСТ  f (t ) при неустойчивости системы типа
«Самовозбуждение»: а – синхронное, б – асинхронное
Неустойчивость типа «Самораскачивание» может наблюдаться в системе в случае работы генератора при малых нагрузках на цепь, обладающую большим активным сопротивлением (рис.3.3)
29
Eг
Z г
Uo
P0
Рис. 3.3. Схема замещения простой системы при учете активных сопротивлений элементов электропередачи
При появлении самораскачивания в системе изменение угла  будет
колебательно нарастающим (рис. 3.4, а) и ток статора буде увеличиваться
(рис. 3.4, б).

iСТ
t
t
а
б
Рис. 3.4. Характер протекания процесса при неустойчивости системы типа
«Самораскачивание»: а –   f (t ) , б – iСТ  f (t )
Также в системе может наблюдаться неустойчивость типа «Сползание» при работе генератора вблизи предела передаваемой мощности
(рис. 3.5).
P
Eг
X
г
PO
Uo
P
эл

P Pmax
0
90
180
Рис. 3.5. Работа генератора вблизи предела передаваемой мощности
30
Возникновение малого возмущения в системе в таком случае может
привести к апериодически нарастающему изменению угла  (рис. 3.6, а) и
увеличению тока статора генератора (рис. 3.6, б).
iСТ

90
t
o
t
а
б
Рис. 3.6. Характер протекания процесса при неустойчивости системы типа
«Сползание»: а)   f (t ) , б) iСТ  f (t )
В работе исследование видов нарушения статической устойчивости
простой электрической нерегулируемой системы проводится на виртуальной модели, созданной в пакете SimPowerSystems программы Matlab 7.4
(рис. 3.7).
Исходными данными для модели являются значения параметров блоков генератора (Generator), трансформатора (Transformer), линии электропередач (Line), системы (System), которые вводятся в их окнах настройки.
Для вызова окна настройки любого блока необходимо два раза кликнуть
по изображению блока и ввести его параметры. Значения параметров блока генератора и трансформатора в модели задаются такими, как представлены на рис.3.8 (а, б) [6].
31
32
Рис. 3.7. Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис. 2.3 – Компьютерная модель простой нерегулируемой электрической системы
а
б
Рис. 3.8. Окно настройки блоков: а – генератора, б – трансформатора
Значения параметров блока линии электропередач в модели задаются
такими, как представлены на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Окно настройки блока линии электропередач
33
Значения параметров блока системы в модели задаются такими, как
представлены на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Окно настройки блока системы
Блок настройки (Continious) позволяет устанавливать величину выдаваемой мощности генератора, режим системы, предшествовавший возмущению, при этом мощность турбины Ро и напряжение возбуждения Uf
определяются автоматически. Для настройки блока необходимо кликнуть
по его изображению и установить метод интегрирования «Continious».
Затем кликнуть функцию «Initial States Settings» и активизировать значок
«To steady state» (установившейся) после чего кликнув «Apply» и «Ok»
для его сохранения. Далее кликнуть функцию «Load Flow and Machine
Initialization» (задание параметров работы генератора) и задать параметры
такими, как представлены на рис. 3.11.
34
Рис. 3.11. Окно настройки параметров работы синхронного генератора
Отключение элементов системы моделируется с помощью блоков
выключателей (Breaker 1 и Breaker 2), в которых устанавливается первоначальное положение, отключаемые фазы, время отключения (включения).
В блоке компенсационного устройства (Line Compensator) задается
его значение емкости, для блока Line Compensator 1 оно задается таким,
как представлено на рис. 3.12.
На осциллограф (Scope) выводятся изменение угла (t), изменение угловой скорости ротора генератора (t), активная мощность выдаваемая
генератором р(t) и мощность турбины генератора Ро, ток статора генератора i(t).
35
Рис. 3.12. Окно настройки блока компенсационного устройства
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель простой нерегулируемой электрической системы (рис. 3.7). Задать параметры генератора, трансформатора,
линии, системы, компенсационного устройства 1. Задать активную мощность выдаваемую генератором, а также режим системы.
2. Смоделировать увеличение величины емкостной последовательной компенсации реактивного сопротивления цепи статора простой системы. Время включения
компенсационного устройства 2
(Line Compensator 2) установить 0,3 с; его емкость –
C = 1/(314·314·1,6·10-3·100) Ф, а затем C = 1/(314·314·3,5·10-3·100) Ф,
время моделирования – 2 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t), Ро, i(t).
3. Смоделировать увеличение активного сопротивления электропередачи и уменьшение нагрузки генератора. Мощность, выдаваемую генератором установить
МВА, активное сопротивление линии увеличить
в
раз. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t),
Ро, i(t).
36
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Виртуальная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы опытов.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют виды нарушения статической устойчивости
простой нерегулируемой системы?
2. Что понимается под самовозбуждением системы?
3. В каких случаях возникает синхронное самовозбуждение?
4. В каких случаях возникает асинхронное самовозбуждение?
5.
Характерные признаки возникновения неустойчивости системы
типа «самовозбуждения»?
6. Что понимается под самораскачиванием системы?
7.
Характерные признаки возникновения неустойчивости системы
типа «самораскачивание»?
8. Что понимается под сползанием системы?
9. Характерные признаки возникновения неустойчивости системы
типа «сползание»?
37
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ПРОСТОЙ НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Цель работы:
1. Экспериментальное определение на виртуальной модели характера изменения угла сдвига между вектором ЭДС и напряжением приемной системы , скорости вращения ротора генератора  и активной мощности выдаваемой генератором р(t) в простой нерегулируемой электрической системе при отключении одной из цепей высоковольтной линии
электропередач (ЛЭП) в зависимости от длины отключаемой линии и ее
активного сопротивления.
2. Экспериментальное определение характера изменения тех же параметров при коротком замыкании (КЗ) в начале одной из цепей ЛЭП в
зависимости от вида КЗ и его длительности.
3. Углубление студентами понимания причин и физической сути
происходящих при этом явлений.
4. Приобретение студентами навыков предвидения протекания
электромеханического переходного процесса.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить теорию переходных процессов в простой нерегулируемой
электрической системе при отключении одной из цепей высоковольтной
ЛЭП и различных видах КЗ.
Рекомендуемая литература [1].
2. Ознакомиться с виртуальной моделью для исследования динамической устойчивости простой нерегулируемой электрической системы,
созданной в пакете SimPowerSystem программы Matlab 7.4 (рис. 4.6).
38
Краткие пояснения к работе
В работе исследуется динамическая устойчивость простой нерегулируемой электрической системы (рис. 4.1, а), а именно способность системы возвращаться в исходное состояние или близкое к исходному при
больших возмущениях. За большие возмущения принято отключение одной из цепей ЛЭП (рис. 4.1, б) и КЗ в начале одной из цепей ЛЭП (рис.
4.1, в).
G
T
W
G
W
T
Uo
Uo
б
а
К (n)
T
G
W
Uo
в
Рис. 4.1. Расчетная схема электрической системы: а – исходный режим;
б – отключение одной цепей ЛЭП; в – КЗ в начале одной из цепей ЛЭП
При любых возмущениях в системе нарушается баланс между мощностью турбины РО и активной мощностью выдаваемой генератором Рэл,
что приводит к изменению скорости вращения ротора генератора . Возмущения могут быть настолько сильными, что генератор может выпасть
из синхронизма. С целью выработки мероприятий по предотвращению
нарушения устойчивости необходимо исследовать электромеханические
переходные процессы, которые при этом возникают. Наиболее информативными параметрами при исследовании электромеханических переходных процессов являются активная мощность выдаваемая генератором Рэл
и угол , которые при синхронной работе генератора с системой остаются
постоянными. При исследовании устойчивости электрической системы
расчетным путем используют зависимости Рэл().
39
Упрощенные математические выражения для угловых характеристик
активной мощности при различных режимах без учета активных сопротивлений имеют вид:
Угловая характеристика мощности исходного режима
P 
Eq/U О
X /
sin  ,
(4.1)
d 
Угловая характеристика мощности послеаварийного режима
(при отключении одной цепей ЛЭП)
P  
Eq/U О
sin  ,
X /
(4.2)
d 
Угловая характеристика мощности аварийного режима
(при КЗ в начале одной из цепей ЛЭП),
P 
где
Eq/U О
X ав
sin  ,
(4.3)
X  / – суммарное сопротивление электропередачи в исходном режиd 
ме,
X  /  Х d/  Х Т 
d 
ХЛ
;
2
X  / – суммарное сопротивление электропередачи
d 
в послеаварийном режиме, X /  Х d  Х Т  Х Л , X ав – суммарное соd 
противление
электропередачи
X ав  Х d/  Х Т  Х Л 
в
аварийном
режиме,
(Х d  ХТ )Х Л
( X (n ) – сопротивление шунта, завиX ( n )
сящее от вида КЗ), E q/ – переходная ЭДС генератора по продольной оси.
В электрической системе могут возникать аварийные либо ремонтные
отключения одной из цепей ЛЭП, а также КЗ, которые считаются большим возмущениями для системы. При этом происходят существенные
отклонения активной мощности генератора от исходного значения, что
может привести к нарушению ее динамической устойчивости. Понимания
физической сути явлений, которые при этом происходят, дает возмож40
ность предвидеть протекания электромеханического переходного процесса.
При отключении одной из цепей ЛЭП простой электрической системы активная мощность генератора Рэл становится меньше мощности турбины РО и ротор генератора начинает ускоряться. В период ускорения
ротор запасает кинетическую энергию, которая математически выражает o/
ся как интеграл
 (P
О
 Pm sin ) и представляется графически в виде пло-
o
щадки 1 – 2 – 3 – 1 (площадка ускорения Ауск) (рис. 4.2). В период торможения при Рэл  Ро ротор возвращает эту запасенную кинетическую
 max
 (P
энергию, которая выражается как интеграл

m
sin   PО ) и представ-
 o/
ляется графически в виде площадки 3 – 4 – 6 – 3 (площадка торможения
Аторм) (рис. 4.2). Площадка 3 – 4 – 5 – 6 – 3 представляет собой площадку
возможного торможения Авозм. торм. (рис. 4.2)
PI
P
Aторм
Aуск
Aвозм.торм
4
1
3
5
Pо
6
PII
2
δ
δ0
δ'0 δmax
δкр
Рис. 4.2. Угловые характеристики активной мощности исходного режима РI и
при отключении одной из цепей ЛЭП РII
Исследование устойчивости расчетным путем основывается на методе площадей, согласно которому система будет динамически устойчива,
если площадка ускорения будет не больше площадки возможного торможения.
41
Исследование динамической устойчивости системы при КЗ расчетным путем также основывается на методе площадей с построением угловых характеристик активной мощности исходного, аварийного и послеаварийного режимов (рис. 4.3)
PI
P
5
Aуск
Aторм
Aвозм.торм
7
Pо
II
P
PIII
δ
6
1
4
8
3
2
δ0
δmax
δоткл
δкр
Рис. 4.3. Угловые характеристики активной мощности исходного режима РI,
при КЗ в начале одной из цепей ЛЭП РIII и при отключении поврежденной цепи РII
При КЗ в начале одной из цепей ЛЭП простой электрической системы
активная мощность генератора Рэл становится меньше мощности турбины
РО и ротор генератора начинает ускоряться. В период ускорения ротор
запасает кинетическую энергию, которая математически выражается как
 o ткл
интеграл
 (P
О
 Pm sin ) и представляется графически в виде площадки
o
1 – 2 – 3 – 4 (площадка ускорения Ауск) (рис. 4.3). В период торможения
при Рэл  РО ротор возвращает эту запасенную кинетическую энергию,
 max
которая выражается как интеграл
 (P

m
sin   PО ) и представляется гра-
 o ткл
фически в виде площадки 4 – 5 – 6 – 8 (площадка торможения Аторм)
(рис. 4.3). Площадка 4 – 5 – 6 – 7 – 8 представляет собой площадку возможного торможения Авозм. торм. (рис. 4.3).
42
Точная оценка динамической устойчивости при учете всех видов переходных процессов и изменений в системе весьма сложна, поэтому исследование расчетным путем основывается на ряде допущений:
1. Неизменность вращающего момента при переходном процессе;
2. Замена совокупности генераторов одним эквивалентным;
3. Малость отклонений частоты вращения ротора генератора от
синхронной;
4. Рассмотрение переходных процессов на ограниченном интервале
времени;
5. Сохранение трехфазной симметричной системы источников при
ее нарушении в электрической сети.
6. Рассмотрение несимметричных КЗ как симметричных, удаленных
на соответствующий аварийный шунт;
7. Пренебрежение нелинейностью параметров системы;
8. Мгновенное изменение активной мощности выдаваемой генератором при изменении режима;
9. Неизменность результирующего потокосцепления обмотки возбуждения во время всего переходного процесса, из чего следует постоянство ЭДС E/. В приближенных расчетах E /  Eq/ .
Более полную картину протекания электромеханического переходного процесса дает виртуальная компьютерная модель электрической системы, которая позволяет получить изменение мгновенных значений угла ,
скорости вращения ротора генератора  и активной мощности генератора
Рэл во времени. В таком случае число допущений сокращается, что приводит к несколько иному виду протекания электромеханического переходного процесса.
Можно выделить несколько основных отличительных особенностей
при исследовании динамической устойчивости на компьютерной виртуальной модели по сравнению с расчетным методом.
Первой основной отличительной особенностью является то, что при
изменении режима активная мощность не изменяется мгновенно. Это
обусловлено влиянием апериодических составляющих в токах фаз. Так,
например, при трехфазном коротком замыкании в начале одной из цепей
43
ЛЭП простой нерегулируемой системы активная мощность генератора
будет не мгновенно, а постепенно уменьшаться до значения близкого к
нулю (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Осциллограмма активной мощности
генератора при трехфазном КЗ в начале одной из цепей ЛЭП Pэл  f (t )
Второй основной отличительной особенностью является то, что при
несимметричных режимах в фазах будут протекать несимметричные токи,
что приводит к пульсации активной мощности около некоторого среднего значения. Так, например, при двухфазном коротком замыкании в начале одной из цепей ЛЭП простой нерегулируемой системы активная мощность генератора после затухания апериодических составляющих в токах
фаз будет пульсировать около некоторого среднего значения (рис. 4.5).
44
Рис. 4.5. Осциллограмма активной мощности
генератора при однофазном КЗ в начале одной из цепей ЛЭП Pэл  f (t )
В работе исследование динамической устойчивости простой нерегулируемой электрической системы проводится на виртуальной модели,
созданной в пакете SimPowerSystems программы Matlab 7.4 (рис. 4.6).
Исходными данными для модели являются значения параметров блоков генератора (Generator), трансформатора (Transformer), линии электропередач (Line), системы (System), приведенные в работе 3. Отключение
цепи ЛЭП моделируется с помощью блоков выключателей (Breaker 1 и
Breaker 2), в которых устанавливается первоначальное положение, отключаемые фазы, время отключения (включения). Короткое замыкание моделируется с помощью блока имитатора КЗ (Fault), в котором задаются замкнувшиеся фазы, время замыкания (устранения замыкания). На осциллограф (Scope) выводятся изменение угла (t), изменение угловой скорос- ти
ротора генератора (t), активная мощность выдаваемая генератором р(t) и
мощность турбины генератора Ро. На графопостроитель (XY Graf) выводится изменение активной мощности генератора от угла Р().
45
46
Рис.4.6. Виртуальная модель простой электрической нерегулируемой системы
Рис. 3.7 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис. 2.3 – Компьютерная модель простой нерегулируемой электрической системы
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель простой электрической нерегулируемой системы (рис. 4.6). Задать параметры генератора, трансформатора,
линии, системы. Задать активную мощность выдаваемую генератором, а
также режим системы, предшествовавший отключению цепи линии (короткому замыканию).
2. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при длине линии 50 км, 100 км, 150 км. Время моделирования установить 5 с, время
отключения выключателей 0,3 с. Получить осциллограммы изменения
параметров (t), (t), р(t) и Ро.
3. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при активном
сопротивлении линии: Rл = 0,25Xл, Rл = 0,5Xл, Rл = Xл (длина линии
100 км). Время моделирования установить 5 с, время отключения выключателя 0,3 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t),
р(t) и Ро.
4. Смоделировать все виды короткого замыкания в начале одной из
цепей ЛЭП, при длине линии 100 км. Время моделирования установить
3 с, время КЗ – 0,3 с. Получить осциллограммы изменения параметров
(t), (t), р(t) и Ро.
5. Смоделировать все виды короткого замыкания в начале одной из
цепей ЛЭП при длине линии 100 км и длительности короткого замыкания
0,3 с. Время моделирования установить 5 с, время КЗ – 0,3 с. Получить
осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
Содержание отчета по лабораторной работе
1. Краткое описание работы.
2. Виртуальная модель простой нерегулируемой системы и ее краткое описание.
3. Осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
4. Анализ полученных результатов.
5. Выводы.
47
Контрольные вопросы
1. Что понимается под динамической устойчивостью?
2. Что понимается под большими возмущениями?
3. На что влияет изменение активной мощности выдаваемой генератором в электрической системе?
4. Что понимается под исходным, аварийным, послеаварийным режимами электрической системы?
5. В чем различие между статическими угловыми характеристиками
активной мощности исходного, аварийного, послеаварийного режимов?
6. В чем суть метода площадей и практического критерия динамической устойчивости?
7. Физический смысл площадки ускорения и торможения?
8. Какие принимают основные допущения при исследовании динамической устойчивости электрической системы расчетным путем?
9. Может ли отключение одной из цепи ЛЭП, связывающая генератор и систему, привести к нарушению динамической устойчивости?
10. Какую опасность представляют близкие КЗ для генератора?
11. Какой вид КЗ является наиболее (наименее) опасным для генератора с точки зрения нарушения динамической устойчивости?
12. Какие признаки асинхронного хода?
13. Какие признаки режима больших качаний?
48
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО
СОХРАНЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТОЙ
НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Цель работы:
1.Экспериментальное определение на виртуальной компьютерной
модели влияния на динамическую устойчивость простой нерегулируемой
электрической системы основных мероприятий, связанных с изменением
характеристик основных элементов электрической системы, при отключении одной из цепей ЛЭП.
2.Углубление студентами понимания причин и физической сути происходящих при этом явлений.
3. Приобретение навыков управления переходными процессами для
повышения динамической устойчивости путем изменения характеристик
основных элементов электрической системы.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить основные мероприятия по сохранению динамической
устойчивости электрической системы.
Рекомендуемая литература [2,7]
2. Рассмотреть физику процессов при применении основных мероприятий по повышению динамической устойчивости.
3. Ознакомиться с виртуальной моделью для исследования мероприятий по сохранению динамической устойчивости, созданной в пакете
SimPowerSystem программы Matlab 7.4 (рис. 5.2).
Краткие пояснения к работе
В работе исследуется влияние на динамическую устойчивость простой нерегулируемой электрической системы при отключении одной из
49
цепей ЛЭП основных мероприятий, реализуемых, как правило, на стадии
проектирования.
К основным мероприятиям относятся:
1. Изменение параметров генератора:
а) уменьшение индуктивного сопротивления;
б) увеличение постоянной инерции;
2. Изменение параметров линии:
а) уменьшение индуктивного сопротивления;
б) увеличение напряжения.
При изучении влияния на динамическую устойчивость основных мероприятий расчетным путем используют угловые характеристики мощности и метод площадей. Почти все мероприятий направлены на увеличении предела передаваемой активной мощности, которую генератор может
передать в систему, что, в свою очередь, приводит к уменьшению площадки ускорения и увеличению площадки возможного торможения при
больших возмущениях. Предел передаваемой активной мощности простой
электрической системы зависит от ЭДС генератора, напряжения приемной системы, сопротивления элементов электропередачи:
Pm 
где
X
–
суммарное
EГU О
,
X
сопротивление
(5.1)
простой
системы,
ХЛ
.
2
Согласно выражению (5.1) уменьшение индуктивного сопротивления
генератора и линии, увеличение напряжения линии приведет к возрастанию максимального значения передаваемой активной мощности генератора во всех режимах.
В таком случае, например, при отключении одной из цепей ЛЭП характеристики передаваемой активной мощности исходного и послеаварийного режимов увеличатся с PI до PI и с PII до PII соответственно, при
этом площадка ускорения уменьшиться с Ауск до Ауск, а площадка возможного торможения увеличиться с Авозм. торм до А возм. торм. (рис. 5.1).
X  ХГ  ХТ 
50
P
P'I I
P
А'возм.торм
Aвозм.торм
P'mI
PmI
P'mII
PIIm
A'уск
Aуск
P'II Po
PII
δ
δ'o δo
Рис. 5.1. Угловые характеристики мощности
К основным мероприятиям также относится увеличение постоянной
инерции генератора Tj, которая зависит от массогабаритных размеров
генератора (момента инерции) и определяется как
T j  J ,
где  - угловая скорость вращения ротора генератора; J – момент инер-
GD 2
( G, D – масса и диаметр ротора генератора).
4
Tj численно равна времени разгона ротора генератора от неподвижного состояния до синхронной скорости (при условии, что на ротор
действует постоянный вращающий момент, равный номинальному, и что
момент сопротивления постоянен) или времени торможения от синхронной скорости до неподвижного состояния.
Увеличение постоянной инерции Tj генератора не приводит к
непосредственному увеличению предела передаваемой активной мощности, однако повышает эффективность остальных мероприятий по улучшению динамической устойчивости.
Согласно основному уравнению движения генератора (при отсутствии демпфирующей мощности)
ции, J 
51
Tj
d 2
 PО  p(t )
dt 2
или
d
 PО  p(t )
dt
или
T j   PО  p (t )
Tj
при больших возмущениях дополнительное ускорение  (торможение),
которое сообщается генератору, зависит от величины небаланса между
мощностью турбины и его электрической мощностью, а также от постоянной инерции. Так, при увеличении постоянной инерции Tj генератора
уменьшается его ускорение при неизменной избыточной мощности а, следовательно, и скорость нарастания угла , т.е. увеличивается предельное
время отключения tпред. откл (максимальное время длительности КЗ, при
котором необходимо отключить КЗ, чтобы не нарушилась устойчивость).
В работе исследование основных мероприятий по сохранению динамической устойчивости при отключении одной из цепей ЛЭП простой
нерегулируемой электрической системы проводится на виртуальной модели, созданной в пакете SimPowerSystems программы Matlab 7.4
(рис. 5.2).
Исходными данными для модели являются значения параметров блоков генератора (Generator), трансформатора (Transformer), линии электропередач (Line), системы (System), приведенные в работе 3. Исследование
основных мероприятий по сохранению динамической устойчивости реализуется путем изменения параметров в блоках элементов электрической
системы. На осциллограф (Scope) выводятся изменение угла (t), изменение угловой скорости ротора генератора (t), активная мощность выдаваемая генератором р(t) и мощность турбины генератора Ро.
52
53
Рис. 5.2. Виртуальная модель простой электрической системы
Рис.4.6 – Виртуальная модель простой электрической нерегулируемой системы
Рис. 3.7 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис. 2.3 – Компьютерная модель простой нерегулируемой электрической системы
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель простой нерегулируемой электрической системы для исследования основных мероприятий по сохранению
динамической устойчивости при отключении одной из цепей ЛЭП
(рис. 5.2). Задать параметры элементов системы. Задать активную мощность выдаваемую генератором, а также режим системы, предшествовавший отключению цепей ЛЭП.
2. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при длине линии 100 км при заданном индуктивном сопротивлении генератора, а также при уменьшении его в 1,5 раза. Время моделирования установить 5 с,
время отключения выключателей 0,3 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
3. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при длине линии 100 км при заданной постоянной инерции генератора, а также при
увеличении ее в 1,5 раза. Время моделирования установить 5 с, время отключения выключателей 0,3 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
4. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при длине линии 100 км при заданном напряжении линии, а также при увеличении его
до 220 кВ (высшее напряжение трансформатора – 242 кВ, напряжение
системы – 220 кВ). Время моделирования установить 5 с, время отключения выключателей 0,3 с. Получить осциллограммы изменения параметров
(t), (t), р(t) и Ро.
5. Смоделировать отключение одной из цепей ЛЭП при длине линии 100 км при заданном индуктивном сопротивлении линии, а также при
уменьшении его в 1,5 раза. Время моделирования установить 5 с, время
отключения выключателей 0,3 с. Получить осциллограммы изменения
параметров (t), (t), р(t) и Ро.
54
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Виртуальная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Какие мероприятия по сохранению динамической устойчивости
являются основными?
2. На что направлены основные мероприятия по сохранению динамической устойчивости?
3. Что такое предел передаваемой активной мощности простой системы и от чего он зависит?
4. Объяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при уменьшении индуктивного сопротивления генератора.
5. Объяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при увеличении напряжения линии.
6. Что такое постоянная инерции генератора и от чего она зависит?
7. Физический смысл постоянной инерции генератора.
8. Записать основное уравнение движения ротора генератора?
9. Объяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при увеличении постоянной инерции генератора.
55
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО
СОХРАНЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТОЙ
НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Цель работы:
1. Экспериментальное определение на виртуальной компьютерной
модели влияния на динамическую устойчивость простой нерегулируемой
электрической системы при коротких замыканиях дополнительных
мероприятий, связанных с использованием вспомогательных устройств.
2. Углубление студентами понимания причин и физической сути
происходящих при этом явлений.
3. Приобретение навыков управления переходными процессами для
повышения динамической устойчивости путем использования вспомогательных устройств.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить дополнительные мероприятия по сохранению динамической устойчивости электрической системы при КЗ.
Рекомендуемая литература [2, 7].
2. Рассмотреть физику процессов при применении дополнительных
мероприятий по повышению динамической устойчивости
3. Ознакомиться с виртуальной моделью для исследования мероприятий по сохранению динамической устойчивости, созданной в пакете
SimPowerSystem программы Matlab 7.4 (рис. 6.5).
Краткие пояснения к работе
В работе исследуется влияние на динамическую устойчивость
простой нерегулируемой электрической системы при КЗ дополнительных
мероприятий, связанных с введением новых вспомогательных устройств.
56
К дополнительным мероприятиям относятся:
а) использование компенсационных устройств на ЛЭП;
б) секционирование ЛЭП;
в) использование нагрузочных резисторов.
При изучении влияния на динамическую устойчивость дополнительных мероприятий расчетным путем используют угловые характеристики
мощности и метод площадей. Все мероприятия направлены на увеличении предела передаваемой активной мощности в различных режимах.
Использование компенсационных устройств на ЛЭП позволяет осуществить компенсацию индуктивных сопротивлений ЛЭП, в таком случае схема замещения простой электрической системы будет иметь вид
(рис. 6.1)
E'q
XЛ
X' d
X комп1
Uo
XТ
XЛ
X комп2
Рис.6.1. Схема замещения простой электрической системы с использованием
продольной компенсации
Из схемы замещения эквивалентное сопротивление ЛЭП определится
как
X экв Л 
( X комп1  X Л )( X комп2  X Л )
,
X комп1  X комп2  2 X Л
где X Л – индуктивное сопротивление цепи ЛЭП, X Л  L ( – угловая
частота, L – индуктивность ЛЭП), X комп1 , X комп2 – емкостное сопротивление компенсационного устройства в первой и второй цепи ЛЭП соответ-
1
(С – емкость компенсационного устройства). КомC
пенсационным устройством может быть конденсаторная батарея/
Емкостные сопротивления компенсационных устройств могут быть
выбраны такими, которые полностью скомпенсируют индуктивные
сопротивления линии, что приведет к уменьшению суммарного сопротивственно, X комп  
57
ления простой системы X   Х Г  Х Т . В таком случае, в соответствии с
выражением (5.1.), увеличиться предел передаваемой активной мощности
генератора во всех режимах, что, в свою очередь, приведет к увеличению
площадок возможного торможения и уменьшению площадок ускорения.
Использование другого дополнительного мероприятия по сохранению
динамической устойчивости системы, а именно секционирования ЛЭП,
будет эффективно при КЗ на линии. В таком случае будет отключаться
только часть цепи, при этом сопротивление линии в послеаварийном режиме будет меньше, чем при отключении всей цепи. Суммарное сопротивление простой системы в послеаварийном режиме уменьшится, что
приведет к увеличению предела передаваемой активной мощности генератора, а, следовательно, и площадки возможного торможения. Так,
например, при КЗ в точке К на первой секции одной из цепей ЛЭП (каждая цепь состоит из двух секций) (рис. 6.2) отключатся выключатели Q1,
Q2 и суммарное сопротивление простой системы в послеаварийном
режиме определится по следующему выражению
X /  Х d/  Х Т 
d 
W
К
G
T
3
ХЛ .
4
Q1
Q2
1
Q3
Q4
Uo
2
Рис. 6.2. Расчетная схема электрической системы при секционировании ЛЭП
Основной причиной, по которой генератор может выпасть из синхронизма при КЗ, является сброс им активной нагрузки. Кратковременное
включение дополнительной активной нагрузки приводит к улучшению
динамической устойчивости системы при КЗ. В цепь генераторов включают нагрузочные резисторы (НР), которые снова отключаются после
устранения аварии и на работу системы влияния не оказывают.
Существует два способа включения нагрузочных резисторов: параллельное (рис. 6.3,а) и последовательное (рис. 6.3,б).
58
Q1
G
G
НР
Q1
Q2
Q2
НР
а
б
Рис. 6.3. Способы включения НР: а – параллельное, б – последовательное
При включении нагрузочных резисторов характеристика аварийного
режима PIII и послеаварийного режима PII будут проходить несколько
выше, что приведет к уменьшению площадки ускорения с Ауск до А уск и
увеличению площадки возможного торможения с Авозм. торм до А возм. торм
(рис. 6.4).
P
PI
'II
P
A'возм.торм
Aвозм.торм
PII
'
A уск
Aуск
δ0
Po
P'III
PIII
δ
δоткл
Рис. 6.4. Угловые характеристики мощности
В работе исследование дополнительных мероприятий по сохранению
динамической устойчивости при КЗ простой нерегулируемой
электрической системы проводится на виртуальной модели, созданной в
пакете SimPowerSystems программы Matlab 7.4 (рис. 6.5).
59
60
Рис. 6.5. Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис.5.2 – Виртуальная модель простой электрической системы
Рис.4.6 – Виртуальная модель простой электрической нерегулируемой системы
Рис. 3.7 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис. 2.3 – Компьютерная модель простой нерегулируемой электрической системы
Исходными данными для модели являются значения параметров блоков генератора (Generator), трансформатора (Transformer), линии электропередач (Line), системы (System), компенсационного устройства линии
(Line Compensator), приведенные в работе 3, и нагрузочного резистора
(Load Resistor). Исследование дополнительных мероприятий осуществляется с помощью следующих блоков: компенсационного устройства линии
(Line Compensator) и выключателя 1 (Breaker 1); нагрузочного резистора
(Load resistor) и выключателя 2 (Breaker 2); двух секций линии электропередач (Section 1, Section 2) и трех выключателей (Breaker 3, Breaker 4,
Breaker 5). На осциллограф (Scope) выводятся изменение угла (t), изменение угловой скорости ротора генератора (t), активная мощность выдаваемая генератором р(t) и мощность турбины генератора Ро.
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель простой нерегулируемой электрической системы для исследования дополнительных мероприятий по
сохранению динамической устойчивости при КЗ (рис. 6.5). Задать параметры генератора, трансформатора, линии, системы, компенсационного
устройства линии и нагрузочного резистора (R = 0,2 Oм). Задать активную
мощность выдаваемую генератором, а также режим системы, предшествовавший короткому замыканию.
2. Смоделировать трехфазное короткое замыкание с последующим
отключением его при отсутствии и наличии компенсационного устройства ЛЭП (при условии полной компенсации сопротивления цепи). Время
моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время
отключения выключателей 0,5 с. Получить осциллограммы изменения
параметров (t), (t), р(t) и Ро.
3. Смоделировать трехфазное короткое замыкание с последующим
отключением его при отсутствии и наличии секционирования ЛЭП. Время
моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время
отключения (включения) выключателей 0,48 с. Получить осциллограммы
изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
61
4. Смоделировать трехфазное короткое замыкание с последующим
отключением его при отключенном и включенном нагрузочном
резисторе. Время моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время отключения выключателей 0,5 с, время включения
нагрузочного резистора 0,4 с при длительности в 1 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Виртуальная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Какие мероприятия по сохранению динамической устойчивости
являются дополнительными?
2. На что направлены дополнительные мероприятия по сохранению
динамической устойчивости?
3. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при использовании компенсационных устройств на ЛЭП?
4. В чем суть продольной компенсации сопротивлений ЛЭП?
5. Какие условия полной компенсации сопротивлений ЛЭП?
6. Что понимается под секционированием ЛЭП?
7. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при секционировании линии электропередач?
8. С какой целью в цепь генератора включают нагрузочные резисторы в аварийных и послеаварийных режимах?
9. Какие существуют способы включения нагрузочных резисторов?
10. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при включении нагрузочных резисторов в цепь генератора?
62
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ РЕЖИМНОГО
ХАРАКТЕРА ПО СОХРАНЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ
УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТОЙ НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Цель работы:
1. Экспериментальное определение на виртуальной модели влияния
на динамическую устойчивость простой электрической системы при коротких замыканиях мероприятий режимного характера.
2. Углубление студентами понимания причин и физической сути
происходящих при этом явлений.
3. Приобретение навыков управления переходными процессами для
повышения динамической устойчивости путем применения мероприятий
режимного характера/
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить мероприятия режимного характера по сохранению
динамической устойчивости электрической системы при КЗ.
Рекомендуемая литература [2, 7].
2. Рассмотреть физику процессов при применении мероприятий
режимного характера по повышению динамической устойчивости/
3. Ознакомиться с виртуальной моделью для исследования мероприятий по сохранению динамической устойчивости, созданной в пакете
SimPowerSystem программы Matlab 7.4 (рис. 7.4).
Краткие пояснения к работе
В работе исследуется влияние на динамическую устойчивость простой нерегулируемой электрической системы при КЗ мероприятий режимного характера.
К основным мероприятиям режимного характера относятся:
63
а) отключение части генераторов в послеаварийном режиме;
б) аварийная разгрузка турбины;
в) быстрое отключение КЗ;
г) пофазное отключение цепи ЛЭП;
д) автоматическое повторное включение (АПВ) цепи ЛЭП;
е) применение автоматических регуляторов возбуждения у генераторов.
При изучении влияния на динамическую устойчивость мероприятий
режимного характера расчетным путем используют угловые характеристики мощности и метод площадей. Все мероприятия направлены на увеличении площадки возможного торможения и (или) уменьшения площадки ускорения, что способствует улучшению динамической устойчивости.
Увеличение площадки возможного торможения возможно не только
за счет увеличения предела передаваемой активной мощности, но и за
счет снижения механической мощности турбины РО. Это имеет место при
отключении части генераторов на станции (рис. 7.1, а) и при аварийной
разгрузке турбины генераторов (рис. 7.1, б).
P
Aуск
PIII
δo
P
PI Aвозм.торм
PII
A'возм.торм
Po
P'o
PI Aвозм.торм
PII
A'возм.торм
PO
P'O
PIII
δ
Aуск
δ
δo
δоткл
а
δоткл
б
Рис. 7.1. Угловые характеристики мощности для случаев: а – отключение
части генераторов; б – аварийная разгрузка турбины
Увеличение площадки возможного торможения возможно и при
быстром отключении КЗ, при этом угол  не достигает значения предельного угла отключения пред.откл. Под предельным углом отключения
понимается максимальный угол, при котором необходимо отключить КЗ,
64
чтобы генератор не выпал из синхронизма. Предельному углу отключения
соответствует предельное время отключения tпред.откл - максимальное время
длительности КЗ, при котором необходимо отключить КЗ, чтобы генератор не выпал из синхронизма. Так, например, если отключение КЗ происходит в момент, соответствующий точке 1 система сохраняет устойчивость, а при отключении в момент, соответствующий точке 2 устойчивость нарушается (рис. 7.2, а) Ускоренное отключение КЗ ограничивает
площадку ускорения и увеличивает площадку возможного торможения.
P
PI A'возм.торм
P
PI
Aвозм.торм
P'II
PII
Po
PIII
Aвозм.торм
PII
Aуск
Po
Aуск
III
1 2
P
δ
δo
δ
δo
δпред.откл
δоткл
а
б
Рис. 7.2. Угловые характеристики мощности: а – трехфазное отключение;
б – пофазное отключение
Увеличение площадки возможного торможения также возможно при
отключении только замкнувшихся фаз, что способствует увеличению характеристики передаваемой мощности в послеаварийном режиме с PII до
PII и соответственно площадки возможного торможения с Авозм. торм до
Авозм. торм (рис. 7.2, б).
Известно, что 80 % всех КЗ являются самоустраняющимися, что делает использование автоматического повторного включения линий электропередач эффективным. АПВ считается успешным при включении цепи
ЛЭП на устранившееся КЗ. АПВ не только восстанавливает электроснабжение,
но также способствует улучшению устойчивости системы. АПВ направлено на
восстановление исходного режима, при котором предел передаваемой
мощности имеет наибольшее значение по сравнению с аварийным и по65
слеаварийным режимами, что в свою очередь приводит к увеличению
площадки возможного торможения Авозм. торм до Авозм.торм (рис. 7.3)
P
PI
Aуск
A'возм.торм
Aвозм.торм
PII
Po
III
P
δ
δ0
δоткл δапв
Рис. 7.3. Угловые характеристики мощности
Увеличению площадки возможного торможения и уменьшению площадки ускорения также способствует использование автоматических регуляторов возбуждения у генераторов. Характеристики мощности исходного, послеаварийного и аварийного режимов пройдут несколько выше у
генераторов с АРВ.
В работе исследование мероприятий режимного характера по сохранению динамической устойчивости при КЗ простой нерегулируемой электрической системы, а именно быстрого отключения КЗ, пофазного отключения цепи ЛЭП, автоматического повторного включения цепи ЛЭП
проводится на виртуальной модели, созданной в пакете SimPowerSystems
программы Matlab 7.4 (рис. 7.4).
66
67
Рис. 7.4 . Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис.6.4 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис.5.2 – Виртуальная модель простой электрической системы
Рис.4.6 – Виртуальная модель простой электрической нерегулируемой системы
Рис. 3.7 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Исходными данными для модели являются значения параметров блоков генератора (Generator), трансформатора (Transformer), линии электропередач (Line), системы (System), приведенные в работе 3, а также значения параметров блока системы автоматического регулирования возбуждения (Excitation System), представленные на рис. 7.5.
.
Рис. 7.5. Окно настройки блока системы автоматического регулирования
возбуждения
Быстрое отключение КЗ, пофазное отключение цепи ЛЭП; автоматическое повторное включение цепи ЛЭП моделируется с помощью блока
имитатора КЗ (Fault) и двух выключателей (Breaker 1 и Breaker 2). Подключение системы возбуждения к генератору осуществляется с помощью
изменения положения переключателя (Switch). На осциллограф (Scope)
68
выводятся изменение угла (t), изменение угловой скорости ротора генератора (t), активная мощность выдаваемая генератором р(t) и мощность
турбины генератора РО.
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель простой нерегулируемой электрической системы для исследования мероприятий режимного характера по
сохранению динамической устойчивости при КЗ (рис. 7.4). Задать параметры генератора, трансформатора, линии, системы. Задать активную
мощность выдаваемую генератором, а также режим системы, предшествовавший короткому замыканию.
2. Смоделировать трехфазное КЗ с последующим отключением его.
Время моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с,
время отключения выключателя 0,5 с; 0,4 с. Определить предельное время
отключения трехфазного КЗ. Получить осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
3. Смоделировать двухфазное короткое замыкание на землю с последующим трехфазным и пофазным отключением цепи ЛЭП. Время моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время отключения фаз 0,58 с. Получить осциллограммы изменения параметров
(t), (t), р(t) и Ро.
4. Смоделировать двухфазное короткое замыкание с последующим
отключением его при не успешном и успешном АПВ. Время моделирования установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время отключения выключателя 0,82 с, время АПВ 0,95 с. Получить осциллограммы
изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
5. Смоделировать двухфазное короткое замыкание с последующим
отключением его при отсутствии и наличии АРВ. Время моделирования
установить 5 с, время короткого замыкания 0,3 с, время отключения выключателя 0,82 с. Получить осциллограммы изменения параметров (t),
(t), р(t) и Ро.
69
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Виртуальная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы изменения параметров (t), (t), р(t) и Ро.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что относится к мероприятиям режимного характера по сохранению динамической устойчивости?
2. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при отключении части генераторов?
3. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при автоматической разгрузке турбины?
4. Что понимается под пофазным отключением?
5. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при пофазном отключение цепи ЛЭП?
6. Для каких видов КЗ пофазное отключение цепи ЛЭП является
эффективным с точки зрения сохранения устойчивости?
7. Что понимается под автоматическим повторным включением
ЛЭП?
8. Что понимается под предельным времен (углом) отключения?
9. Когда автоматическое повторное включение является успешным?
10. Обьяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при автоматическом повторном включение ЛЭП?
11. Объяснить физику процесса повышения динамической устойчивости при применении автоматических регуляторов возбуждения у генераторов.
70
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ В ПРОСТОЙ
НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПРИ
НАРУШЕНИИ БАЛАНСА АКТИВНЫХ МОЩНОСТЕЙ
Цель работы:
1. Экспериментальное определение характера изменения частоты в
одномашинной электрической системе при нарушении баланса активных
мощностей с учетом регулирующего эффекта нагрузки, первичного и вторичного регулирования частоты, постоянной инерции генератора.
2. Экспериментальное определение характера изменения частоты и
перетоков мощности в двухмашинной электрической системе при нарушении баланса активных мощностей с учетом величины статизма регулирования каждой машины.
Указания по подготовке к работе:
1. Изучить теорию изменения частоты в простой нерегулируемой
электрической системе при нарушении баланса активных мощностей.
Рекомендуемая литература [8, 9].
2. Ознакомиться с компьютерной моделью одномашинной и двухмашинной систем, созданных в пакете Simulink программы Matlab 7.4
(рис. 8.3, 8.5).
Краткие пояснения к работе
В лабораторной работе исследуются изменение частоты в простой
нерегулируемой электрической системе при нарушении баланса активных
мощностей, обусловленного изменением нагрузки.
В каждый момент времени в установившемся режиме электрической
системы ее станции должны вырабатывать активную мощность  PГ , равную мощности потребителей (нагрузки)  Pн , и покрывать потери в сети
71
 Pпот , т.е. должен соблюдаться баланс вырабатываемой и потребляемой
мощностей
PГ  Pн  Pпот .
При неизменном составе нагрузок системы потребляемая ими мощность связана с частотой переменного тока. При нарушении исходного
баланса частота принимает новое значение. Снижение генерируемой активной мощности приводит к уменьшению частоты, ее возрастание обуславливает рост частоты.
Частота переменного электрического тока является одним из главных
показателей качества электрической энергии, вырабатываемой генераторами электростанций и поставляемой потребителям. От частоты переменного тока зависит частота вращения электродвигателей, а, следовательно,
и производительность вращаемых ими механизмов (станков, насосов, вентиляторов и т, д.). При понижении частоты их производительность понижается. Повышение же частоты приводит к перерасходу электроэнергии.
Таким образом, всякое отклонение частоты от номинального значения
наносит ущерб. Поэтому, а также по ряду других важных причин, частота
переменного тока нормируется. Номинальное значение частоты переменного тока составляет 50 Гц. Допустимое отклонение от номинального значения составляет ± 0,1 Гц. Допускается кратковременная работа с отклонением ± 0,2 Гц [8].
Для поддержания частоты на номинальном уровне на генераторах
используются автоматические регуляторы скорости (АРС) и автоматические регуляторы частоты (АРЧ). АРС относится к первичным регуляторам,
их действие направлено на изменение положения клапана (направляющего аппарата) на турбине (T), т.е. регулирование количества энергоносителя подаваемого на лопатки турбины. АРЧ являются вторичными регуляторами, их действие направлено на изменение уставки регулятора скорости, в зависимости от заданных значений частоты (fО), при помощи механизма изменения частоты оборотов (МИЧО).
Исследование характера изменения частоты в электрической системе
проведем для одномашинной системы, где генератор работает на нагрузку
(рис. 8.1).
72
Г
H
Рис. 8.1. Одномашинная система
Для построения математической модели одномашинной системы
воспользуемся математическими моделями каждого элемента структурной схемы, пренебрегая переходными процессами в трансформаторе напряжения и турбине:

синхронный генератор
Tj
d
 PО  Pэл
dt
( p)
1

,
P( p) T j p

(8.1)
где      o , Pэл  Pн ;

автоматический регулятор частоты
d  МИЧО
2
TМИЧО

dt
2

d МИЧО

( p)
K АРЧ
;
 K АРЧ   МИЧО



(
p
)
dt
TМИЧО p 2  p
(8.2)
автоматический регулятор скорости



  к  s
( p )  к  s ( p )


d T
 T ( p )
1

;
  T     МИЧО  

Tрс
dt

 ( p )   МИЧО ( p )   T ( p ) Tрс p
dPО
 P ( p )

1
 PО   T
 О
Tno

dt

  T ( p ) Tno p  1
где s – скольжение, s 
(8.3)
o  
; K – коэффициент крутизны характерисo
тики АРС, величина обратная статизму регулирования (  =4,5  0,5,
k =22
 2), Т – величина открытия регулирующего клапана турбины
(  min   Т   max ); Трс, Тпо – постоянные времени регулятора скорости и
73
парового обьема турбины соответственно (Тпо = 0,25; Трс = 0,5); TМИЧО –
постоянная времени МИЧО (TМИЧО = 0,15),  – величина сигнала регулирования.
Величина мощности, потребляемой нагрузкой зависит от частоты.
При большом количестве и разнообразии потребителей современных
энергосистем среди них могут присутствовать потребители с самой различной степенью зависимости нагрузки от частоты. Эта зависимость может быть представлена в следующем виде:
Рн  Р  Р1

2
3
п
 Р2 2  Р3 3      Рп п .
o
o
o
o
(8.4)
Каждому члену правой части уравнения (8.4) соответствует определенная категория потребителей. Коэффициент регулирующего эффекта
нагрузки по частоте равен выраженной в относительных единицах производной (8.4) по частоте в точке   o , т.е. к н 
Рн  k н  
Р Н
o
 Р Н ном
Рн ( p)  kн ( p) .
, откуда
 0
(8.5)
В приближенных расчетах коэффициент регулирующего эффекта
нагрузки по частоте определяется экспериментально и он находится в
пределах Кн = 1 – 3.
В работе исследование изменения частоты в одномашинной системе
проводится на компьютерной модели, созданной в пакете Simulink программы Matlab 7.4 (рис. 8.2).
В модели изменение частоты в системе связано с изменением мощности нагрузки (электрическая мощность генератора), которая задается в
элементе 21. С помощью элементов 19, 20 реализуется основное уравнение движения ротора генератора в соответствии с выражением (8.1).
С помощью элементов 1 – 7, 11 реализуется математическая модель АРС
в соответствии с системой уравнений (8.3), вводимая в модель одномашинной системы переключателем 9. В элементе 18 реализуется математическая модель АРЧ, вводимая в модель одномашинной системы переключателем 14. Введение элемента 16 в модель с помощью переключателя 17
позволяет учитывать регулирующий эффект нагрузки в соответствии с
74
выражением (8.5). В элементе 23 задается номинальная частота генератора в относительных единицах, а на выходе элемента 24 моделируется текущая частота в системе в именованных единицах. На осциллограф 25
выводится изменение мощности турбины PO (t ) , мощности нагрузки
PН (t ) и частоты f (t ) .
Рис. 8.2. Компьютерная модель одномашинной системы
При исследовании изменения частоты в двухмашинной системе
(рис. 8.3) математическая модель каждого из генераторов аналогична модели одномашинной системы, но с учетом перетоков мощности между
машинами.
Г2
Г1
H1
H2
Рис. 8.3. Двухмашинная система
В данном случае основное уравнение движения ротора для каждого из
двух генераторов имеет вид соответственно:
75
Tj
d1
 Kн1  Pc1  Pас1  PО1  Pэл1 ,
dt
d2
 Kн2  Pc2  Pас2  PО 2  Pэл2 ,
dt
где Pc , Pаc – приращение синхронной и асинхронной электрической
Tj
мощности в генераторе, обусловленное несинхронной скоростью вращения генератора ( P  Pc  Pac – переток активной мощности между
станциями),
Pc 
dP
dPэл
 , Pаc  эл E q .
dЕ q
d
При отсутствии у генераторов автоматического регулятора возбуждения
Pэл1  Pэл2 
Eq1 E q 2
X 12
sin 12 ,
где E q1 , E q 2 – ЭДС генераторов в установившемся режиме, X 12 – взаимное сопротивление между станциями,  12 – взаимный угол между векторами ЭДС станций.
Математическая модель приращения синхронной мощности:
Pc1  Ac1 12  Ac  (1  2 )dt
Pc2  Ac2  21  Ac  (2  1 )dt
где Ac1  Ac 2  Ac 
E q1 E q 2
X 12


cos 12 .
76
Pc1 ( p)
A
 c ,
1 ( p)  2 ( p)
p
Pc 2 ( p)
A
 c ,
2 ( p)  1 ( p)
p
(8.6)
(8.7)
Математическая модель приращения асинхронной мощности:
Е q 2 sin  12

E q1
Pас1 
X 12



/
E  T / dE q1  X 12  X 12 T E sin  d 12
d
dО q 2
12
 q1
dt
X 12
dt

Pаc1 ( p)
A 
 аc 0 ,
1 ( p)  2 ( p) Т ас p  1
(8.8)
Е q1 sin  21

E q 2
Pас 2 
X 12



/
E  T / dE q 2  X 21  X 21 T E sin  d 21
d
dО q1
21
 q2
dt
X 21
dt

Pаc 2 ( p)
A 
 аc 0 ,
2 ( p)  1 ( p) Т ас p  1
где Аас 
/
X 21  X 21
X 21 X 12/
(8.9)
TdО E q21 sin 2  21 , Tас  Td/ .
В работе исследование изменения частоты в двухмашинной системе
проводится на компьютерной моделе, созданной в пакете Simulink программы Matlab 7.4 (рис. 8.5).
В модели с помощью переключателей 1 и 4 вводится АРЧ, а с помощью переключателей 2 и 3 учитываются перетоки активной мощности
между генераторами
77
78
Рис. 8.5. Компьютерная модель двухмашинной системы
Рис.7.4 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис.6.4 – Виртуальная модель простой нерегулируемой электрической системы
Рис.5.2 – Виртуальная модель простой электрической системы
Рис.4.6 – Виртуальная модель простой электрической нерегулируемой системы
Порядок выполнения работы
1. Создать виртуальную модель одномашинной системы (рис. 8.3).
Задать параметры постоянных времени и коэффициентов усиления регуляторов скорости и частоты (Тпо = 0,25; Трс = 0,5; T МИЧО = 0,15; КАРЧ = 5;
K = 22), постоянную инерции генератора (Tj = 10 c), коэффициент
нагрузки (Kн = 2), а также номинальную частоту генератора (0 =1) и его
нагрузку ( Pн = 1).
1.1. Смоделировать увеличение мощности нагрузки Pн с 1 до 1,1;
1,3; 1,5 о.е. в момент времени t = 1с при отсутствии регулирующего эффекта нагрузки и АРЧ с учетом действия АРС. Получить осциллограммы
изменения параметров PО (t ) , Pн (t ) , f (t ) .
1.2. Смоделировать уменьшение постоянной инерции генератора
Tj
в два раза при увеличении мощности нагрузки PН с 1 до 1,3 о.е. при отсутствии регулирующего эффекта нагрузки и АРЧ. Получить осциллограммы изменения параметров PО (t ) , Pн (t ) , f (t ) .
1.3. Смоделировать увеличение мощности нагрузки PН до 1,3 о.е. с
учетом регулирующего эффекта нагрузки и АРЧ. Получить осциллограммы изменения параметров PО (t ) , Pн (t ) , f (t ) .
2. Создать виртуальную модель двухмашинной системы (рис.8.5).
Задать параметры постоянных времени и коэффициентов регуляторов
скорости и частоты (Тпо1 = Тпо2= 0,25; Трс1 = Трс1 = 0,5; TМИЧО1 = TМИЧО2 =
= 0,15; КАРЧ1 = 10; КАРЧ2 = 6), постоянные инерции генераторов (Tj1 = Tj2=
= 10c), коэффициенты нагрузок (Kн1 = Kн2 = 2), номинальную частоту генераторов (о =1) и их нагрузку (Рн1 = Рн2 = 1), коэффициентов Ac o  30 ,
Aаc  о  1, Т ас  0,1 .
2.1 Смоделировать увеличение мощности нагрузки первой станции
на 2% в момент времени t = 1 сек при отсутствии регулирования частоты,
без учета перетоков мощности, с учетом действия регуляторов скорости
турбин на обеих станциях для двух случаев: а) K1 = K2 = 22;
79
б) K1 = 10, K2 = 22. Получить осциллограммы изменения параметров PО (t ) , Pн (t ) , f (t ) .
2.2 Смоделировать увеличение мощности нагрузки первой станции на
2 % в момент времени t = 1с при наличии регулирования частоты с учетом перетоков мощности у первой станции и с учетом действия регуляторов скорости турбин на обеих станциях для двух случаев: а) K1 = K2 =
= 22; б) K1 = 10, K2 = 22. Получить осциллограммы изменения параметров PО (t ) , Pн (t ) , f (t ) .
2.3 Смоделировать увеличение мощности нагрузки первой станции
на 2 % в момент времени t =1с при наличии регулирования частоты, с
учетом перетоков мощности и с учетом действия регуляторов скорости
турбин на обеих станциях для двух случаев: а) K1 = K2 = 22; б) K1 =
= 10, K2 = 22. Получить осциллограммы изменения параметров PО (t ) ,
Pн (t ) , f (t ) .
Содержание отчета по лабораторной работе
1.
2.
3.
4.
5.
Краткое описание работы.
Компьютерная модель и ее краткое описание.
Осциллограммы опытов.
Анализ полученных результатов.
Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под балансом активных мощностей в энергосистеме?
2. На какой параметр режима в электрической системе главным образом влияет нарушение баланса активных мощностей?
3. Как влияет на работу потребителей отклонение частоты от номинального значения?
80
4. В каких пределах допускается отклонение частоты от номинального значения?
5. Какие используются устройства на генераторах для поддержания
частоты на номинальном уровне?
6. Что понимается под регулирующим эффектом нагрузки?
7. Что такое лавина частоты?
8. Как осуществляется первичное регулирование частоты?
9. Как осуществляется вторичное регулирование частоты?
10. Что понимается под одномашинной (двухмашинной) электрической системой?
81
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Методические указания к выполнению лабораторных работ по
курсу «Электромагнитные переходные процессы» для студентов специальностей 7.090601 – “Электрические станции”, 7.000008 –
“Энергетический менеджмент ” и 7.090615 –“Системы управления производством и распределением электроэнергии”/ состав. М.Ф. Пискурев,
Е.А. Данилова. – Х. : НТУ “ХПИ”, 2010. – 48с.
2. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В.А. Веников. – М. : Высш. шк., 1970. – 472с.
3. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем
/ П.С. Жданов; под. ред. Л.А. Жукова. – М. : Энергия, 1979. – 456с.
4. Черных И.В. Simulink среда создания инженерных приложений.
М. : Диалог МИФИ, 2004. – 490с.
5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в
Matlab, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. – М. : ДМК Пресс;
СПб. : Питер, 2008. – 288с.
6. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: учебное пособие для вузов / Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков. – М. :
Энергоатомиздат, 1989. – 608с.
7. Переходные процессы в системах электроснабжения: учебник для
вузов / Г.Г. Пивняк, В.Н. Винославский, А.Я. Рибалко, Л.И. Несен; под.
ред. Г.Г. Пивняк. – М. : Энергоатомиздат, 2003. – 548с.
8. Стернинсон Л.Д. Переходные процессы при регулировании частоты и мощности в енергосистемах / Л.Д. Стернинсон. – М. : Энергия. –
1973. – 216с.
9. Гуревич Ю.Е. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в енергосистемах / Ю.Е. Гуревич, Л.Е. Либова, А.А. Окин. – М. :
Энергоатомиздат. – 1990. – 390с.
82
Навчальне видання
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт по курсу
“Електромеханічні перехідні процеси” для студентів спеціальностей:
6.05070101 – “Електричні станції” и 6.05070106 –“Системи управління
виробництвом та розподілом електроенергії”
Російською мовою
Упорядники: РУДЕВІЧ Наталія Валентинівна
ПІСКУРЬОВ Михайло Федорович
Відповідальний за випуск О.Г.Гриб
Роботу до видання рекомендував Ю.М.Веприк
В авторській редакції
План 2011р., поз. 52/
Підп. до друку
2011 р. Формат 60х84 1/16 Папір офсетний.
Riso-друк. Гарнітура Таймс. Ум. друк. арк. . Обл.-вид. арк. 4.2 .
Наклад 100 прим. Зам. № . Ціна договірна.
Видавничий центр НТУ «ХПІ».
Свідоцтво про державну реєстрацію ДК №3657 від 24.12.07.2009 р.
61002, Харків, вул. Фрунзе, 21
Друкарня НТУ «ХПІ». 61002, Харків, вул. Фрунзе,21
83