Введение к работе
Актуальность работы. Современное развитие энергетики идет по пути создания больших систем и объединения отдельных энергосистем СЭС) в единые системы С ЕЭС). Создание моаных территориальных энергообъединений, как известно, позволяет получить существенный экономический эффект. Однако опыт эксплуатации объединенных энергосистем СОЭСЗ показал, что их образование приводит к изменению, а в ряде случаев и к ухудшению динамических свойств системы.
Понятие "динамические свойства энергосистемы" включает в себя вопросы статической и динамической устойчивости, качества электромеханических переходных процессов, а такге вопрос о реакции системы на внешние возмущения.
Долгое время вопрос об оценке реаісции энергосистемы на внешние возмущения казался решенньм. Считалось бесспорным утверждение о том, что чем блиге рассматриваема элемент находится к месту приложения возмущения, тем сильнее проявляется реакция системы.
Однако в последние годы при изучении путей развития энергосистемы, появлении и все большем распространении энергосистем протяженной структуры была обнаружена возмоаность нарушения этого утверждения. В ряде работ таких организаций, как ЗНИН, СибНИИЭ указывается, что аварийное возмущение могет распространяться по всему энергообъединению и реакция системы может достичь наибольших значений в удаленном от места возмущения конце системы. Это ставит под сомнение привьнныэ подходы к проектированию релейной защиты и противоаваркйной автоматики, оценке динамической устойчивости, эквивалентированию.
В связи с этим в последнее время на кафедре электроэнергетических систем МЭИ проводятся комплексные расчетно-эксперимен-тальные исследования особенностей динамических свойств энергосистем протяженной структуры. Данная диссертационная работа является частью этих комплексных исследовании.
Целью работы является проведение расчетных исследований электромеханических переходных процессов в энергосистеме протяженной структуры (ЭСПС). На основе проведения исследований необходимо-
оценить влияние различных факторов на появление неблагоприятных особенностей динамических свойств системы в отношении реакции на внешние возмущения;
определить схемно-режимные условия и параметры возмущений, при которых наиболее вероятно появление особенностей динамических СВОЙСТВ;
выяснить возможность опасного усиленая электромеханических колебаний и нарушения динамической устойчивости в частях системы, удаленных от места прилосения возмущения.
Метод исследования - математическое моделирование и вычислительный эксперимент на ЭВМ. Расчеты проводились по промышленной программе мУСТАНГ.
Достоверность полученных результатов подтверждена их совпадением с результатами расчетов по другой программе и с результатами экспериментов на электродинамической модели электрической системы протяЕенной структуры.
Научная новизна
1.Предложены показатели для оценки реакции ЭСПС на внеание возмущения.
2.Показана возможность появления неблагоприятных особенностей динамических свойств в отношении реакции системы на внеание возмущения.
-
Проанализировано влияние различных факторов на появление неблагоприятных особенностей динамических свойств системы. Первая группа факторов - параметры внешних возмущений и исходных режимов, вторая группа факторов - параметры элементов системы.
-
Определены условия, при которых реакция системы не концентрируется вокруг внешнего возмущения, а распространяется по всей системе и в некоторых особо тяжелых случаях может вызывать нарушение устойчивости в элементах системы, удаленных от места приложения внешнего возмущения.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы научно-исследовательскими организациями, занимающийся вопросаки развития электроэнергетических систем за счет объединения отдельных энергосистем в единые системы.
Применение полученных результатов при выполнении проектных работ по развитию энергосистем, а также эксплуатационными организациями при управлении режимами объединенных энергосистем поз-
волит повысить точность и обоснованность принимаемых решений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах научно-исследовательской лаборатории "Проблемы электрических систем" (МЭИ, 1994г.) и на заседании кафедры "Электроэнергетические системы" С МЭИ, 1994г.). Основные полоаения и выводы диссертации подтверкданы экспериментами на электродинамической модели КЭИ.
Структура работы. Диссертация состоят из введения, четырех глав, заключения,списка литературы и приложения.
Во введении обоснована актуальность исследования особенностей динамических свойств энергосистем протяженной структуры, кратко изложено содержание работы.
В первой главе выполнен анализ состояния проблемы улучшения динамических свойств сложных электроэнергетических систем СЗЭС). Сформулированы цель и задачи работы.
Опыт эксплуатации современных энергосистем показывает, что длительные, практически незатухающие или слабозатухающие системные колебания могут явиться причиной ограничения ряда эксплуатационных режимов или вызвать необходимость некоторых дополнительных мероприятий -оснащение автоматических регуляторов возбуждения крупных генераторов системными стабилизаторами, ввод добавочных линий электропередачи как между подсистемами, объединенными межсистемньми связями, так и внутри подсистем.
Слабозатухающие и незатухающие электромеханические колебания наблюдались в энергосистемах СНГ - в Киевэнерго, в ОЭС Сибири, по межсистемной связи ЕЭС СНГ с энергосистемой НРБ.
Подобные явления наблюдались также и в зарубежных странах, энергообъединения которых содержали подсистемы, соединенные относительно слабьми связями С в США,Канаде, скандинавских странах, Австралии), а также в ОЭС протяженной структуры С Югославия, Великобритания). Устранение и предотвращение таких колебаний нередко достигалось за счет снижения рабочих перетоков по межсистемным связям и установления пределов передаваемой мощности ниже уровней, допустимых по условиям апериодической статической
устойчивости, что приводило к ограничению планируемых режимов ОЭС-
Анализ случаев появления низкочастотных колебании показал, что наряду с существенно различными системами автоматического регулирования, одной из основных причин возникновения таких колебания являются структурные особенности современных ОЭС «наличие слабых межсистемных связей. цепочечные структуры энергосистемы), которые приводят к негативным динамическим свойствам этой системы по сравнение с концентрированной многомашинной ЭС. Причем негативные с точки зрения динамических свойств тенденции в развитии ЭЭС не всегда могут быть полностью компенсированы лишь за счет совершенствования принципов и средств управления- Следовательно, в процессе анализа развития ЭЭС с точки зрения живучести должны рассматриваться такге и структурные решения- определящие в том числе принципы формирования системы -
До последнего времени казалось очевидным устойчивое представление, что в сложных ЭС, без учета их структуры, реакция ЭС на внешние возмущения локализуется вокруг места их приловения. Влияние возмущения по мере удаления от места его возникновения "ощущается'' все меньше в силу рассеяния энергия, наличия зон нечувствительности автоматических регуляторов скорости 'и других причин- Это представление о специфическом свойстве сложных ЭС-уменьшении влияния аварийного возмущения по мере удаления от него - используется при эквивалентировании, создании упрощенных расчетных схем. разработке противоаварийной автоматики и решении других вопросов, связанных с анализом электромеханических переходных процессов и устойчивости.
Однако в последнее время при расчетных исследованиях переходных процессов для решения задач планирования развития ЭСПС исследователи столкнулись с особенностями ее динамических свойств. Эти особенности заключаются в том, что в некоторых случаях внешние возмущения не локализуются вокруг места их приложения, а распространяются вдоль ЭСПС- Такой характер динамических процессов может привести к снияению уровня устойчивости и живучести системы.
Анализу динамических свойств протяженного энергообъединения посвящены работы Андреюка В. А., Левита Д.М., Кощеева Л. А., Бари-
нова В. А., Воропая Н. И., Буиуева В. В., Лизалека Н. И., Груздева И.Д., Устинова СМ., и ряда других. В этих работах на основе модального анализа, использования волновых уравнений и проведения расчетов электромеханических переходных процессов выявлен ряд важных особенностей даїакнческнх своЗств ЭСПС. Однако рассмотренные схемы замещения энергообъедпнания настолько сложны и содержат так жого элементов С генераторов, нагрузок, линий электропередачи!), что не представляется возкожныи выявить основные факторы, обуславливашиэ усиленнув реакцию на возмущение вдали от места его приложения.
В настоящей работе проводится коьетлекснка анализ условий, при которых возможно развитие интенсивных электро)«еханичоских колебаний и нарушение устойчивости в удаленных от места возмущения частях энергообъединения.
Во второй главе рассматривается методические вопросы исследования динамических свойств энергосистемы протяженной структуры.
Процессы в ЭСПС сложны и имеют ряд особенностей, противоречащих привычным представлениям о характере реакции ЭЭС на возмущение. Для того, чтобы разобраться в этих слозных вопросах, целесообразно выбрать в качестве объекта исследования максимально упрощенную, обозримую схему ЭСПС с относительно малым числом элементов и, соответственно с малым числом варьируемых параметр-)в. Вместе с тем, эта схема должна отражать все основные особенности динамических свойств энергосистемы протяженной структуры.
Перечисленным требованиям удовлетворяет цепочечная схема с ;ильными межсистемными связями. Применительно к этой схеме в іастоящее время на кафедре Электроэнергетических систем МЭИ про-юдятся комплексные расчетно-экспериментальные исследования іинамических свойств ЭСПС, включающие.-
а) экспериментальные исследования на электродинамической
юдели кафедры;
б) расчетные исследования, проводимые на ЭВМ.
Настоящая работа является часть» этих комплексных исследо-іаний. В связи с этим для обеспечения возможности сопоставления езультатов расчетов и экспериментов в качестве исследуемой рас-етной схемы была принята модельная цепочечная пятимашинная схе-а воспроизводимая на электродинамической модели МЭИ (рисі).
При выборе вида расчетных возмущений также необходимо использовать максимально возможные упрощения. В качестве анали-зируе»!ых возмущения целесообразно вьбрать кратковременные "проходящие" возмущения, после действия которых система возвращается в исходное состояние С короткое замшание на отходящей линии и отключение этой линии, сброс и последупиий наброс нагрузки и
п = 1
n = 2
п = 3
n = 4
Г« Гз Г* Г» Г»
Рис-1- Схема исследуемой ЭЗС
т.д.). Выбор таких возмущений позволяет не учитывать .изменение частоты системы и, следовательно, существенно упростить ее математическое описание.
В целях упрощения анализа процессов в ЭСПС и уменьшения числа варьируемых факторов в работе используется простейшая модель синхронного генератора в виде постоянной ЭДС за переходньм реактивным сопротивлением. Демпфирование учитывается упрощенно путем введения в уравнение движения члена, пропорционального производной угла--
dP&i
-СГ,
сГві сИі р,
J-»
J *t
18000 Jl d f
где: r^j —постоянная инерции агрегата в сек. ;
Е —ЭДС за переходным реактивным сопротивлением в отн.ед. п—число станций в ЭЭС ;
ei—угол соответствушей ЭДС в эл. градусах ;
РТ1 —механическая мощность турбины в отн. ед. ;
у,, —взаимная проводимость между генераторами і и j в
отн. ед. ; уи —собственная проводимость генератора і в отн. ед. ;
И' ви—ДОПОЛНИТеЛЬНЫе УГЛЫ ПРОВОДИМОСТИ;
Рл—коэффициент демпфирования в отн.ед.
Введем показатели, с помощью которых целесообразно оценивать реакцию ЭСПС на возмущение и въйереы из них наиболее подходящие для данной задачи.
Так как требуется оценить всшюзкность нарушения динакичес-кой устойчивости, эти показатели доляны отрасать взаданое двиге-ние эквивалентных генераторов подсистем. А поскольку нарушение устойчивости мокет произойти на одной какой-либо мексистеиюй связи, то показатели долены характеризовать взаимное движение соседних подсистем, примыкавших к данной связи. Для оценки взаимного двивения соседних подсистем mosho использовать следующие величины:
1) отклонение перетока активной мощности APt по меееистем-
НОЙ СВЯЗИ;
2D отклонение взаимного угла медду ЭДС Бі и Еі эквивалентных генераторов соседних подсистем;
3) отклонение взаимного угла &5„ между векторами напряжений II и U. по концам меясвстемной связи Сна стороне высшего на-прявения).
Величина перетока Pt. определяется параметрами данной конкретной энергосистемы, поэтому показатель APV. косит частный характер. Разность фаз ЭДС Е; и Е} представляет собой расчетную величину, ее нельзя измерить в эксперименте. В СВЯЗИ С ЭТИМ более подходящей является величина отклонения взаимного угла A5tj меиду векторами напрявений по концам связи. Значения угла в эл. градусах меньше привязаны к параметрам данной конкретной энергосистемы и в этом смысле носят более общий характер. Кроме того, величину да^ моано измерить в эксперименте на электродинамической модели или в натурной энергосистеме.
В процессе электромеханических колебаний угол по 1-й связи увеличивается и уменьшается. Для оценки реакции ЭСПС на возмуще-
ниє можно использовать такие величины Срис.2)=
а) разность между наибольшим и наименьшим значениями взаим
ного угла по связи Л&^= fy^^- аіминв переходном процессе;
б) разность между наибольшим значением взаимного угла по
связи в переходном процессе и его значением в исходном режиме
**нГ 8{макс- 51о-
Вторая величина предпочтительнее, поскольку именно увеличение взаимного угла характеризует опасность нарушения динамической устойчивости.
S,
Рис.2. Показатели для оценки реакции ЭСПС на возмущение
Таким образом, для оценки реакции ЭСПС на возмущение в качестве первого показателя целесообразно вьбрать разность A5raj меаду наибольшим значением 3^макс взаимного угла между векторами напряжений по концам l-fl связи в переходном процессе и значением этого угла в исходном режиме в1о:
***f 51макс~ 5to Целесообразно ввести такхе второй показатель - отношение
^&nt
- и -
где AS^j = 5імакс- &lo- первый показатель для I - й связи;
АЗ^ = Бамако' sk~ аналогичная величина для k - Я связи, примыкающей к месту приложения возмущения.
Показатель Kg^j позволяет оценить, усиливается ли реакция на возмущение по мере удаления от места его приложения.
В третьей главе исследуется влияние на реакцию ЭСПС следующих факторов:
вида возмущения;
места приложения возмущения;
величины и длительности возмущения;
загрузки межсистемных связей в исходном режиме;
запаса статической устойчивости;
коэффициента демпфирования.
Исследования показали, что отключение одной цепи линии электропередачи 2-4 (см.рис.1) на время At = 0.2 с Спосле чего отключаемая цепь включается обратно) вызывает небольшие увеличения углов по межсистемнньм связям Сна 1.5-3). Однофазное короткое замыкание в узле 2 С см.рис.D длительностью At = 0.2 с является более тяжелым возмущением, вызывающим большие отклонения углов Сна 5-8). Величину возмущения в виде кратковременного отключения части нагрузки в узле С на время At, после чего эта часть нагрузки включается обратно) гораздо легче дозировать, чем величину возмущения при однофазном КЗ или коммутации цепи ЛЭП. Поэтому в ходе дальнейших исследований в качестве расчетного воэмущения рассматривается кратковременный сброс нагрузки в одном из узлов энергосистемы.
На рис.3 показано влияние места приложения возмущения на реакцию энергосистемы. В исходном режиме мощность передается от узла 2 (передающий конец системы на рис.1) к узлу 10 (приемный конец) и монотонно возрастает от передающего конца к приемному. Узлы загрузки связей в исходном регмме показаны на рис 3,а, где п — номер мексистемной связи (n = 1 соответствует связи 2-4 на рис.1). Значения углов соседних связей на рис 3,а для наглядности соединены отрезками прямой линии.
Расчетное возмущение в виде отключения части нагрузки в узле на время At прикладывается в передающем конце ЭС (узел 2 на рис.1), в середине ЭС (узел 6) и в приемном конце (узел 10). Значения наибольшего отклонения AS», углов по межсистемным свя-
30.0
20.0
10.0
У
0.0
"Г" а)
1 ln
AS
т.
12.0 і
6.0 -
4.0 -
0.0
і г
п П 4
б)
Рис.3. Влияние места приложения возмущения 2,6,10—точка приложения возмущения.
зям, характеризующие реакцию ЭСПС на возмущение, показаны на рис.3,6.
Рисунок 3,6 демонстрирует интересныэ особенности динамических свойств энергосистемы протяженной структуры. Он показывает, что величина и характер реакции ЭСПС существенно зависят от места приложения возмущения. При кратковременном сбросе нагрузки в приемном конце ЭСПС (узел 10) наблюдается привычная для сложных X картина: влияние возмущения по мере удаления от места его приложения "ощущается" все меньше (см.рис.3,6). При сбросе нагрузки в передающем конце ЭСПС (узел 2D, наоборот, реакция ЭС наиболее сильно проявляется в удаленном от возмущения конце X (отклонение угла по связи 8-Ю в 1.4 раза превыаает отклонение угла по примыкающей к месту возмущения связи 2-4).
Внешнее возмущение одной и той ге величины в зависимости от места его приложения вызывает реакцию ЭС различиной интенсивности. Наибольшие отклонения углов по всем меасистемным связям наблюдаются при сбросе нагрузки на передающем конце ЭСПС. Сброс нагрузки в середине ХПС Сузел 6) приводит к меньшим отклонениям углов. Сброс нагрузки на приемном конце вызывает самую слабую реакцию на возмущение.
Из рис.3,6 видно, что где бы ни прикладывалось возмущение, наибольшее отклонение угла наблюдается на связи 8-10 Сп =4). Причем чем дальше от этой связи прикладывается возмущение, тем сильнее реакция на него, т.е. тем больше отклонение угла А3.10. При сбросе нагрузки в узле б отклонение АЗмо больше, чем при сбросе нагрузки в узле 10 , а самое большое отклонение Д5мо наблюдается при возмущении в узле 2, наиболее удаленном от связи 8-10 .
Этот факт, выявленный в настоящей работе, заставляет пересмотреть сложившиеся представления о характере реакции сложной X на возмущение. Обычно в практике проектирования и эксплуатации ЗЭС при определении предельной по условию динамической устойчивости передаваемой мощности по исследуемому (например, ослабленному) сечению возмущение прикладывается именно к этому сечению, поскольку предполагается, что любое удаленное от него возмущение менее опасно и вызывает на исследуемом сечении меньшее отклонение угла. Рис.3,6 показывает, что для рассматриваемой энергосистемы протяженной структуры это предположение неверно.
Наибольшее отклонение угла по связи 8-10 соответствует случаю, когда возмущение приложено в наиболее удаленном от этой связи узле 2.
Исследования показали, что интенсивность электромеханических колебаний увеличивается с ростом величины и длительности возмущения, но если величина отключаемой нагрузки АРН и длительность возмущения At варьируются таким образом, что значение APH*At (которое условно можно назвать "энергией возмущения") остается неизменным, то и реакция ЭСПС на возмущение практически не изменяется.
Характер реакции ЭСПС на внешнее возмущение существенно зависит от соотношения загрузки различных межсистемных связей в исходном режиме. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие ВЫВОДЫ:
D при самобалансировании отдельных подсистем в исходном режиме по активной мощности влияние возмущения по мере удаления от места его приложения "ощущается" все меньше ( кривая 2 на рис.4,6);
2) если в исходном режиме загрузка связей монотонно увели
чивается при удалении от места приложения возмущения, то реакция
ЭС на возмущение имеет качественно иной характер ( кривая 3 на
рис.4,6): отклонение угла в переходном процессе на удаленной
связи превыиает отклонение угла на связи, примыкающей к месту
возмущения (К5т > 1); тот же характер реакции X, но с меньшим
превышением ( 1 < Кага< KSm~) наблюдается при одинаковой и доста
точно большой (26) загрузке всех межсистемных связей в исходном
режиме;
3) реакция ЭС на возмущения при других рассмотренных в ра
боте вариантах исходного режима (режим с монотонно уменьшающейся
загрузкой связей при удалении от места возмущения, режим с
одинаковой, но меньшей (13) загрузкой всех связей, режим со
сначала увеличивающейся, а потом падающей загрузкой) занимает
промежуточное положение между случаями 1) и 2): реакция на воз
мущение охватывает всю систему, но отклонение угла по наиболее
удаленной связи не превыиает отклонения угла на примыкающей к
месту возмущения связи (KSir>5 D .
Отклонение угла в переходном процессе на наиболее удаленной связи может значительно (К5т г 3) превьшать отклонение угла на
оті
Л5,
12.5 -і
10.0 -
7.5 -
5.0 -
2.5
і 2
и П 4-
Рис.4. Влияние загрузки межеистемных связей 1 —загрузка связи гадает ;
-
режим самобаланса ;
-
загрузка связи возрастает .
50.00
о.оо -з
0.00 -
а:
30.0 -і
25.0 -і 20.0 15.0 -10.0 :
5.0
2 б)
-1 п
Рис.5. Влияние запаса статической устойчивости и коэффициента демпфирования
1 - hp - 40* ; 2- % = * 3- *зр = 1С*
связи, примыкавшей к месту возмущения, при сочетании следующих факторов
монотонный рост загрузки меясистемных связей в исходном режиме от передающего конца ЭСПС к приемному;
малый запас статической устойчивости в исходном режиме Скривая 3 на рис.51;
приложение возмущения в виде сброса нагрузки на передающем конце ЭСПС.
Увеличение коэффициента демпфирования Раприводит к снижению расчетных значений отклонений углов в переходном процессе; чем меньше запас статической устойчивости в исходном режиме, тем большее влияние оказывает рост коэффициента демпфирования на снижение отклонений углов (см.рис.5,б).
В четвертой главе исследуется влияние параметров элементов энергосистемы протяженной структуры на ее динамические свойства.
Показано, что передача больших потоков мощности через ЭСПС не всегда сопровождается усиленной реакцией в удаленном от места возмущения конце системы. Если в ЭСПС с одинаковыми параметрами всех элементов (схемная однородность) в исходном режиме и загрузки всех межсистемных связей одинаковы Срежимная однородность), то даже при достаточно больших углах загрузки (26) реакция ЭСПС на удаленном от возмущения приемном конце системы проявляется слабее, чем вблизи места приложения возмущения.
Усилению реакции на возмущение вдали от места его приложения способствует изменение следующих параметров системы =
увеличение переходных сопротивлений эквивалентных генераторов ВСЄХ ПОДСИСТеМ;
рост мощности и постоянной инерции генератора удаленной подсистемы;
рост сопротивления трансформатора удаленной подсистемы;
увеличение сопротивления мевсистеиной связи, примыкающей к удаленному концу ЭСПС.
Наибольшие отклонения угла в переходном процессе наблюдаются на сильно загруженной межсистемной связи и на связи с меньшей пропускной способностью, что согласуется с физическими представлениями.
Особенно большие отклонения угла происходят на связи,
которая одновременно является ослабленной и сильно загруженной.
При монотонно возрастающей загрузке межсистемных связей в исходном режиме от передающего конца ЭСПС к приемному увеличение сопротивления линии 2-4 на передающем конце системы мало влияет на отклонение угла Ь&т в удаленном от места возмущения приемном конце энергосистемы; увеличение сопротивления сильно загруженной линии 8-10 на приемном конце ЭСПС приводит к значительному возрастанию отклонения угла Ь&т и величины Квт на этой линии, удаленной от места возмущения.
В работе была рассмотрена схемно-режимная ситуация, при которой одновременно действуют все выявленные в настоящей диссертации факторы, усиливающие реакцию ЭСПС на удаленной от места возмущения межсистемной связи. Сопротивление связи 8-10, примыкающей к приемному концу ЭСПС Сем.рис.ID было увеличено вдвое. При монотонном росте загрузки межсистемных связей от передающего конца ЭСПС к приемному угол загрузки связи 8-Ю был увеличен до значения, при котором коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности К— = 4. В этих условиях при кратковременном сбросе нагрузки в узле 2 на удаленной от места приложения возмущения межсистемной связи 8-10 происходит нарушение динамической устойчивости во втором цикле качаний.
В приложении приведены значения параметров всех рассмотренных в диссертации вариантов исходного режима исследуемой ЭСПС.
