что такое статическая устойчивость энергосистемы

Устойчивость энергосистемы. Общие сведения. Способы повышения устойчивости

Устойчивость энергосистемы — это способность ее возвращаться в исходное состояние при малых или значительных возму­щениях. По аналогии с механической системой установившийся режим энергосистемы можно трактовать как равновесное поло­жение ее.

Параллельная работа генераторов электрических станций, вхо­дящих в энергосистему, отличается от работы генераторов на од­ной станции наличием линий электропередачи, связывающих эти станции. Сопротивления линий электропередачи уменьшают снихронизирующую мощность генераторов и затрудняют их параллель­ную работу. Кроме того, отклонения от нормального режима рабо­ты системы, которые происходят при отключениях, коротких за­мыканиях, внезапном сбросе или набросе нагрузки, также могут привести к нарушению устойчивости, что является одной из наи­более тяжелых: аварий, приводящей к перерыву электроснабжения потребителей Поэтому изучение проблемы устойчивости очень важно, особенно применительно к линиям электропередачи пере­менным током. Различают два вида устойчивости: статическую и динамическую.

Статической устойчивостью называют способность системы са­мостоятельно восстановить исходный режим при малых и медлен­но происходящих возмущениях, например при постепенном незна­чительном увеличении или уменьшении нагрузки.

Динамическая устойчивость энергосистемы характеризует способность систе­мы сохранять синхронизм после внезапных и резких изменений параметров режима или при авариях в системе (коротких замыка­ниях, отключений часта генераторов, линий или трансформаторов). После таких внезапных нарушений нормальной работы в системе возникает переходный процесс, по окончании которого вновь дол­жен наступить установившийся послеаварийный режим работы.

Способы повышения устойчивости

Основным способом повышения устойчивости является увели­чение предела передаваемой мощвости. Этого можно достичь повышением э.д.с. генераторов, на­пряжения на шинах нагрузки или уменьшением индуктивного со­противления линии. Основными средствами повышения устойчи вости являются следующие:

— применение быстродействующих автоматических регулято­ров напряжения, увеличивающих э. д. с. генераторов при возрастании нагрузки. Для повышения динамической устойчивости при к. з. особенно большое значение имеет форсировка возбуждения, при которой контакты специального реле шунтируют реостаты возбуждения; в результате в обмотку возбудителя подается наи­больший возможный ток («потолочное» возбуждение). В совре­менных генераторах «потолочный» ток возбуждения составляет 1,8—2.0 его номинального значения;

— повышение напряжений действующих линий, например со 110 на 150 или иа 220 кВ;

— уменьшение индуктивного сопротивления линий, достигаемое расщеплением проводов мощных линий на два или три, или при­менением продольной емкостной компенсации с последовательным включением в линию батареи конденсаторов;

— применение быстродействующих выключателей, защит и авто­матического повторного включения линий.

Источник

Устойчивость энергосистемы

Общие положения

При исследованиии устойчивости энергосистемы её принято рассматривать как единое целое: нагрузки, генераторы и электрическая сеть их связывающая.

Статическая устойчивость установившегося режима всегда существует, если существует данный установившийся режим. Статически неустойчивый режим длительно существовать не может, так как даже самые малые возмущения (например, изменение нагрузки) немедленно приведёт к его нарушению.

Есчли считать, что установившийся режим энергосистемы по аналогии с равновесным состоянием механической системы отвечает положению равновесия, то о его статической устойчивости можно судить по одному из следующих условий:

Для энергетических систем оба условия практически равносильны.

Динамической устойчивостью режима энергосистемы называют её способность возвращаться после временного приложения внезапного и резкого возмущения к такому установившемуся режиму, при котором значения параметров режима в её узловых точках близки к нормальным.

Естественно, что энергосистема, способная вынести резкое возмущение без нарушения устойчивости, будет устойчивой и при малом возмущении (то есть обладает статической устойчивостью). По этой причине, при наличии запаса динамической устойчивости режим энергосистемы обладает некоторым запасов статической устойчивости. Исключение могут составить случаи, когда для улучшения динамической усточивости применяют специальные мероприятия, не влияющие на улучшение статической устойчивости, напрмер автоматическое отключение части генераторов и поперечных реакторов при авариях.

Различе между статической и динамической устойчивостью заключается в различии величин возмущений. Однако в обоих случаях благоприятный исход соответствует одному и тому же результату, а именно сохранению нормальных параметров электрчиеского режима в узловых точках электрчиеской сети.

Нарушение устойчивости энергосистемы обычно связано с большим ущербом от недоотпуска электроэнергии, так как сопровождается массовыми отключениями потребителей.

В связи с этим проведение мероприятий, исключающих возможность нарушения устойчивости или значительно снижающих вероятность потери устойчивости обычно экономически оправданы.

С точки зрения параметров режима энергосистемы различают устойчивость [5] :

Источник

Статическая устойчивость в электроэнергетической системе

Статическая устойчивость в электроэнергетической системе

Установившийся режим работы энергосистемы является квазиустановившемся, так как характеризуется малыми изменениями перетоков активной и реактивной мощности, значений напряжений и частоты. Таким образом, в энергосистеме постоянно один установившийся режим работы переходит к другому установившемуся режиму работы. Малые изменения режима работы энергосистемы возникают вследствие увеличения или снижения потребления электроустановок потребителя. Малые возмущения, вызывают реакцию системы в виде колебаний скорости вращения роторов генераторов, которые могут быть нарастающими или затухающими, колебательными или апериодическими. Характер получаемых колебаний определяет статическую устойчивость данной системы. Статическая устойчивость проверяется при перспективном и рабочем проектировании, разработке специальных устройств автоматического регулирования (расчеты и эксперименты), вводе в эксплуатацию новых элементов системы, изменении условий эксплуатации (объединение систем, ввод новых электростанций, промежуточных подстанций, линий электропередачи).

Под понятием статической устойчивости понимают способность энергосистемы восстанавливать исходный или близкий к исходному режим работы энергосистемы после малого возмущения или медленных изменениях параметров режима.

Статическая устойчивость является необходимым условием существования установившегося режима работы системы, но не предопределяет способность системы продолжать работу при возникновении конечных возмущений, например, коротких замыканий, включения или отключения линий электропередачи.

Различают два вида нарушений статической устойчивости: апериодическое (сползание) и колебательное (самораскачивание).

Статическая апериодическая (сползание) устойчивость связана с изменением баланса активной мощности в энергосистеме (изменение разности между электрической и механической мощностями), что приводит к росту угла δ, в результате может произойти выпадение машины из синхронизма (нарушение устойчивости). Угол δ изменяется без колебаний (апериодически), сначала медленно, а затем всё быстрее, как бы сползая (см. рис. 1,а).

Статическая периодическая (колебательная) устойчивость связана с настройками автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов. АРВ должны быть настроены таким образом, чтобы исключить возможность самораскачивания системы в широком диапазоне режимов работы. Однако, при некоторых сочетаниях ремонтов (схемно-режимной ситуации) и настройках регуляторов возбуждения могут возникнуть колебания в системе регулирования, вызывающие нарастающие колебания угла δ вплоть до выпадения машины из синхронизма. Это явление и называется самораскачиванием (см. рис. 1,б).

Рис.1. Характер изменения угла δ при нарушении статической устойчивости в виде сползания (а) и самораскачивания (б)

Статическая апериодическая (сползание) устойчивость

Первый этап исследования статической устойчивости – это исследование статической апериодической устойчивости. При исследовании статической апериодической устойчивости предполагается, что вероятность колебательного нарушения устойчивости при увеличении перетока по межсистемным связям очень мала и можно пренебречь самораскачиванием. Для определения области апериодической устойчивости энергосистемы производят утяжеление режима работы энергосистемы. Метод утяжеления заключается в последовательном изменении параметров узлов или ветвей, или их групп заданными шагами с последующим расчетом нового установившегося режима на каждом шаге изменения и выполняется до тех пор, пока обеспечивается возможность расчета.

Рассмотрим простейшую схему сети, которая состоит из генератора, силового трансформатора, линии электропередачи и шин бесконечной мощности (см. рис.2).

Рис.2. Схема замещения расчетной цепи

В рассматриваемом простейшем случае электромагнитная мощность, которую можно передать от генератора к шинам бесконечной мощности, описывается следующим выражением:

В записанном выражении переменная представляет собой модуль линейного напряжения на шинах станции, приведенный к стороне ВН, а переменная — модуль линейного напряжения в точке шин бесконечной мощности.

Рис.3. Векторная диаграмма напряжений

Следует отметить, что формула для электромагнитной мощности написана в предположении, что генератор снабжен автоматическим регулятором возбуждения, который контролирует напряжение на стороне генераторного напряжения (), а также для простоты выкладок пренебрегли активным сопротивлением в элементах расчетной схемы.

Анализируя формулу для электромагнитной мощности можно сделать вывод, что величина передаваемой мощности в энергосистему зависит от угла между напряжениями. Данная зависимость получила название угловой характеристикой мощности электропередачи (см. рис.4).

Рис.4. Угловая характеристика мощности

Установившийся (синхронный) режим работы генератора определяется равенством двух моментов, действующих на вал турбогенератора (считаем, что можно пренебречь моментом сопротивления, обусловленным трением в подшипниках и сопротивлением охлаждающей среды): момент турбины Мт, вращающий ротор генератора и стремящийся ускорить его вращение, и синхронный электромагнитный момент Мэм, противодействующий вращению ротора.

Допустим, что в турбину генератора поступает пар, который создает крутящий момент на валу турбины (при некотором приближении он равен внешнему моменту Мвн, передаваемому от первичного двигателя). Установившийся режим работы генератора может быть в двух точках: А и Б, так как в данных точках соблюдается баланс между моментом турбины и электромагнитным моментом с учетом потерь.

При работе синхронной машины в точке А увеличение/уменьшение мощности турбины на величину ΔP приведет к увеличению/уменьшению угла d, соответственно. Таким образом, сохраняется равновесие моментов, действующих на вал ротора (равенство момента турбины и электромагнитного момента с учетом потерь), и тем самым нарушение синхронной машины с сетью не происходит.

При работе синхронной машины в точке В увеличение/уменьшение мощности турбины на величину ΔP приведет к уменьшению/ увеличению угла d, соответственно. Таким образом, равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается. В результате либо генератор выпадает из синхронизма (т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора), либо синхронная машина переходит в точку устойчивой работы (точка А).

Таким образом, из рассмотренного примера видно, что простейшим критерием сохранения статической устойчивости является положительный знак у выражения, которое определяет отношение приращения мощности к приращению угла:

Таким образом, область устойчивой работы определяется диапазоном углов от 0 до 90 градусов, а в области углов от 90 до 180 градусов, устойчивая параллельная работа невозможна.

Максимальное значение мощности, которая может быть передана в энергосистему, называется пределом статической устойчивости, и соответствует значению мощности при взаимном угле 90 градусов:

Работа на предельной мощности, соответствующей углу 90 градусов, не производится, так как малые возмущения, всегда имеющиеся в энергосистеме (например, колебания нагрузки), могут вызвать переход в неустойчивую область и нарушение синхронизма. Максимальное допустимое значение передаваемой мощности принимается меньшим предела статической устойчивости на величину коэффициента запаса статической апериодической устойчивости по активной мощности.

Запас статической устойчивости для электропередачи в нормальном режиме должен составлять не менее 20%. Значение допустимого перетока активной мощности в контролируемом сечении по данному критерию определяется по формуле:

Запас статической устойчивости для электропередачи в послеаварийном режиме должен составлять не менее 8%. Значение допустимого перетока активной мощности в контролируемом сечении по данному критерию определяется по формуле:

Статическая периодическая (колебательная) устойчивость

Неправильно выбранный закон управления или неправильная настройка параметров автоматического регулятора возбуждения (АРВ) может привести к нарушению колебательной устойчивости. При этом нарушение колебательной устойчивости может происходить в режимах не превышающих предельного режима по апериодической устойчивости, что неоднократно наблюдалось в действующих электроэнергетических системах.

Исследование колебательной статической устойчивости сводится к следующим этапам:

1. Составление системы дифференциальных уравнений, которая описывает рассматриваемую электроэнергетическую систему.

2. Выбор независимых переменных и выполнение линеаризации записанных уравнений с целью формирования системы линейных уравнений.

3. Составление характеристического уравнения и определение области статической устойчивости в пространстве регулируемых (независимых) параметров настройки АРВ.

Об устойчивости нелинейной системы судят по затуханию переходного процесса, который определяется корнями характеристического уравнения системы. Для обеспечения устойчивости необходимо и достаточно, чтобы корни характеристического уравнения имели отрицательные вещественные части.

Для оценки устойчивости применяют различные методы анализа характеристического уравнения:

1. алгебраические методы (метод Рауса, метод Гурвица), основанные на анализе коэффициентов характеристического уравнения.

2. частотные методы (метод Михайлова, Найквиста, D-разбиения), основанные на анализе частотных характеристик.

Мероприятия по повышению предела статической устойчивости

Мероприятия по повышению предела статической устойчивости определяются при анализе формулы для определения электромагнитной мощности (формула записана в предположении, что генератор снабжен автоматическим регулятором возбуждения):

1. Применение АРВ сильного действия на генерирующем оборудовании.

Одним из эффективных средств повышения статической устойчивости является применение АРВ генераторов сильного действия. При использовании устройств АРВ генераторов сильного действия угловая характеристика видоизменяется: максимум характеристики смещается в область значений углов больших 90° (с учетом относительного угла генератора).

2. Поддержание напряжения в точках сети с помощью устройств компенсации реактивной мощности.

Установка устройств компенсации реактивной мощности (СК, УШР, СТК и т.п.) для поддержания напряжения в точках сети (устройства поперечной компенсации). Устройства позволяют поддерживать напряжения в точках сети, что благоприятно сказывается на пределе статической устойчивости.

3. Установка устройств продольной компенсации (УПК).

При увеличении длины линии соответственно возрастает ее реактивное сопротивление и вследствие этого существенно ограничивается предел передаваемой мощности (ухудшается устойчивость параллельной работы). Уменьшение реактивного сопротивления длинной линии электропередачи повышает ее пропускную способность. Для уменьшения индуктивного сопротивления линии электропередачи в рассечку линии устанавливают устройство продольной компенсации (УПК), которое представляет собой батарею статических конденсаторов. Таким образом результирующее сопротивление линии уменьшается, тем самым увеличивается пропускная способность.

4. Повышения номинального класса напряжения.

В связи с тем, что величина напряжения прямо пропорциональна электромагнитной мощности, то увеличение класса напряжения позволит повысить предел передаваемой мощности от электростанции.

Источник

Что такое статическая устойчивость энергосистемы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

СОСТАВИТЕЛИ д-р техн. наук Л.Г.Мамиконянц (введение, гл.1, 5-7, 10), канд. техн. наук Л.М.Горбунова (гл.6), канд. техн. наук Ю.Е.Гуревич (гл.6, приложения 1, 11, 12). инж. Л.Е.Либова (гл.2), канд. техн. наук В.Ф.Тимченко (гл.7), д-р техн. наук А.А.Хачатуров (гл.5, 8, приложения 1, 8, 9), ВНИИЭ; д-р техн. наук В.А.Веников (гл.2-6, 8 приложение 1), канд. техн. наук Н.Д.Анисимова (гл.3, 8, приложения 3, 4, 14), д-р техн. наук Л.А.Жуков (гл.2, 5), д-р техн. наук И.В.Литкенс (гл.3, приложения 5, 6), канд. техн. наук В.А.Строев (гл.3, 6, приложение 10), канд. техн. наук Д.А.Федоров (гл.4, 5), канд. техн. наук А.Н.Цовьянов (гл.4), МЭИ; д-р техн. наук Д.И.Азарьев (гл.2-4), инж. Ю.А.Кишкин (гл.2, приложения 2, 18), инж. Ю.В.Морошкин (гл.3), инж. Ю.А.Поздняков (гл.3, 4, приложение 7), канд. техн. наук З.Г.Хвощинская (гл.2, приложение 18), инж. Л.П.Шипунова (гл.2), Энергосетьпроект; д-р техн. наук С.А.Совалов (введение, гл.1, 7, 10, приложение 1), канд. техн. наук М.Г.Портной (гл.7, 10), ЦДУ ЕЭС СССР; д-р техн. наук Л.В.Цукерник (гл.9, приложения 15, 16, 17), ИЭД; канд. техн. наук Е.А.Марченко (гл.7, приложение 13), канд. техн. наук В.А.Андреюк (гл.7, приложение 13), НИИПТ.

Методические указания предназначены для специалистов проектных институтов и эксплуатирующих организаций Минэнерго СССР.

Глава 6. УСТОЙЧИВОСТЬ НАГРУЗКИ

6.1. Статическая устойчивость нагрузки

Условия устойчивости нагрузки существенно зависят от характеристик узлов нагрузки энергосистемы и от параметров всей электрической системы в целом. Опасность возникновения лавины напряжения возрастает при увеличении суммарной мощности асинхронных двигателей в составе комплексной нагрузки, их загрузки, электрической удаленности узла от генерирующих источников. Нарушение статической устойчивости нагрузки может проявляться как в энергосистемах, содержащих длинные и относительно короткие, но сильно загруженные линии электропередачи, так и в концентрированных энергосистемах, характеризующихся малой удаленностью электрических станций от центров потребления.

6.1.2. Расчеты устойчивости нагрузки следует проводить для определения запасов устойчивости в нормальных и послеаварийных режимах, а также проверки устойчивости послеаварийных режимов. Запас устойчивости ( ) определяется в соответствии с соотношением

%, (6.1)

где — нормальное напряжение.

6.1.3. При выполнении расчетов, связанных с глубокими понижениями напряжения в узлах нагрузки, нужно иметь в виду, что по ряду причин (в частности, из-за того, что применяемые в настоящее время магнитные пускатели самопроизвольно отключаются при напряжении 0,6-0,8 ) снижения напряжения могут вызвать самоотключения потребителей. Сброс нагрузки промышленных предприятий может достигать, по экспериментальным данным, 50%. Поэтому при выполнении расчетов для действующих энергосистем следует при снижении напряжения на шинах потребителей примерно до 0,7 и ниже учитывать самоотключения, для чего необходимо уменьшать величину двигательной нагрузки на 20 30% (ориентировочно).

Поскольку в будущем следует ожидать усовершенствования коммутационной аппаратуры низкого напряжения и улучшения средств защиты и автоматики на промышленных предприятиях, проектные (перспективные) расчеты целесообразно выполнять и без учета самоотключений двигателей.

6.1.4. Для определения критического напряжения и запаса устойчивости нагрузки необходимо осуществлять утяжеление исходного нормального режима. Способы утяжеления режима могут быть различны:

1) снижение ЭДС источников питания при неизменной схеме внешней сети;

2) изменение схемы внешней сети (отключение некоторых элементов), изменение внешнего реактивного сопротивления при ЭДС, равных или отличающихся от ЭДС исходного режима;

3) увеличение активной и реактивной нагрузки узла.

6.1.5. На основании этих расчетов в случае необходимости следует выбирать мероприятия, улучшающие устойчивость нагрузки: регулирование возбуждения синхронных машин, а также отключение части неответственной нагрузки при снижении напряжения в узлах.

Если эти мероприятия не решают задачи, то может быть поставлен вопрос об улучшении характеристик комплексной нагрузки (например, замена части асинхронных двигателей синхронными), а также параметров внешней сети (увеличение мощности питающих трансформаторов, строительство новых линий электропередач в распределительных сетях и т.д.).

6.1.7. Общий метод исследования статической устойчивости нагрузки. При использовании метода малых колебаний следует учитывать специфику рассматриваемой задачи. Она заключается в том, что при составлении дифференциальных уравнений, описывающих переходный процесс в энергосистеме, выделяются мощные узлы нагрузки, в то время как остальные узлы нагрузки задаются в виде постоянных сопротивлений.

6.1.9. Уравнения переходных процессов в малых отклонениях для энергосистемы произвольной конфигурации, содержащей электростанций (представленных эквивалентными генераторами) и выделенных узлов нагрузки, записываются в следующем виде [Л.1]:

1) Уравнения переходных процессов в эквивалентных генераторах энергосистемы

(6.2)

— угол между векторами и (или и );

— передаточная функция АРВ генератора по параметру регулирования (см. гл.3);

* Обычно принимают , но может быть принято или , выбор той или иной ЭДС определяется удобством выполнения расчетов и, не влияя на конечные результаты анализа устойчивости, приводит к изменению выражений для частных производных в (6.2) и их численных значений.

2) Уравнения балансов мощностей в узлах нагрузки

; (6.3)

, (6.4)

;

;

;

,

— скольжение асинхронного двигателя.

3) Уравнения переходных процессов в эквивалентных двигателях узлов нагрузки.

(6.5)

— угол вектора относительно синхронной оси ().

. (6.6)

С помощью приведенных уравнений анализ статической устойчивости энергосистемы с учетом характеристик нагрузки можно выполнять любыми известными методами с применением алгебраических или частотных критериев устойчивости.

В общем случае условие является необходимым, но недостаточным условием статической устойчивости и дает несколько завышенные значения пределов устойчивости. Однако погрешность при таком упрощенном подходе будет тем меньше, чем лучше осуществлена стабилизация энергосистемы путем соответствующего выбора структуры и параметров АРВ синхронных машин.

Проведение упрощенных расчетов устойчивости, без учета самораскачивания, позволяет сократить необходимый объем более точных расчетов.

6.1.11. Практические методы расчетов устойчивости нагрузки. Их применение позволяет еще более упростить расчеты статической устойчивости нагрузки без снижения их точности по сравнению с расчетом свободного члена характеристического уравнения (см. гл.3).

6.1.12. Выбор того или иного практического критерия, из которых наиболее распространенными являются

*, , (6.7)

Источник