Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ II"
1.1. Асинхронный режим в энергосистемах II
1.2. Работа синхронных и асинхронных двигателей при асинхронном режиме 15
1.3. Управление асинхронным режимом 20
1.4. Постановка задачи исследования 21
Глава 2. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПЛЕКСНОГО УЗЛА НАГРУЗКИ ПРИ АСИНХРОННОМ РЕЖИМЕ В СИСТЕМЕ 23
2.1. Введение. Постановка задачи 23
2.1.2. Основные допущения 24
2.1.3. Задачи и методы исследования 26
2.2. Исходные уравнения исследуемой системы 28
2.2.1. Модель возмущения для напряжения питания промежуточного комплексного узла нагрузки при асинхронном режиме по межсистемной связи 28
2.2.2. Математические модели элементов комплексного узла нагрузки 29
2.3. Взаимное влияние элементов узла при малых колебаниях 32
2.3.1. Влияние асинхронного двигателя на параметры малых вынужденных колебаний синхронного двигателя - "синхронный эквивалент" 35
2.3.2. Влияние синхронного двигателя на параметры малых вынужденных колебаний асинхронного двигателя - "асинхронный эквивалент" 36
2.4. Нелинейные колебания комплексного узла нагрузки при приложении возмущения на вал 43
2.4.1. "Асинхронный эквивалент" комплексного узла нагрузки при возмущении на вал синхронного двигателя 44
2.4.2. "Синхронный эквивалент" комплексного узла нагрузки при возмущении на вал синхронного двигателя 46
2.5. Устойчивость комплексного узла нагрузки при асинхронном режиме 48
2.5.1. Преобразования исходных уравнений 48
2.5.2. Периодические решения уравнений 50
2.5.3. Условия устойчивости больших колебаний "асинхронного эквивалента" комплексного узла нагрузки 53
2.5.4. Условия устойчивости больших колебаний "синхронного эквивалента" 55
2.6. Выводы 60
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ РЕЖИМОМ НА МЕЖСИСТЕМНОЙ СВЯЗИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ УЗЛОВ НАГРУЗКИ 61
3.1. Введение 61
3.2. Обоснование одночастотной модели возмущения от асинхронного режима в точке подключения комплексного узла нагрузки на межсистемной связи 62
3.3. Графо-аналитическое представление критерия устойчивости КУН для целей управления режимом 63
3.4. Мероприятия по увеличению запаса результирующей устойчивости узлов нагрузки на межсистемной связи 67
3.5. Методика выбора закона управления и управляющих воздействий для минимально необходимого электрического перемещения комплексного узла нагрузки в область устойчивых режимов 77
3.6. Алгоритм и программа управления асинхронным режимом для повышения устойчивости комплексного узла нагрузки 78
3.7. Выводы 82
Глава 4. ПРОВЕРКА СПРАВЩЯИВОСТИ УПРОЩЕННЫХ МАТШАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ПРИБЛИЖЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И РАСЧЕТОВ НА ЦВМ 83
4.1. Введение 83
4.2. Постановка эксперимента 84
4.3. Экспериментальное определение областей устойчивой работы комплексных узлов нагрузки и их перемещение на межсистемной связи 89
4.4. Повышение устойчивости комплексных узлов нагрузки с помощью управления регулируемым источником реактивной мощности 98
4.5. Центры качаний и области устойчивой работы узлов нагрузок в многомашинных регулируемых системах 104
4.6. Проверка достоверности полученных решений по полным моделям на ЦВМ ИЗ
4.6.1. Проверка упрощенного моделирования ИЗ
4.6.2. Расчеты асинхронных режимов в ОЭС Востока
4.7. Выводы И5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
ЛИТЕРАТУРА 118
Приложение I. Выражения для частных производных . 129
Приложение 2. Выражение для учета неоднородности меж системной связи 133
Приложение 3. Параметры исследуемых схем энергосистем . 134
Приложение 4. Выражения для гармонического анализа периодических функций 140
Приложение 5. Определение электрических центров качаний в сложных энергосистемах 141
- Асинхронный режим в энергосистемах
- Основные допущения
- Обоснование одночастотной модели возмущения от асинхронного режима в точке подключения комплексного узла нагрузки на межсистемной связи
- Постановка эксперимента
Введение к работе
В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС и Энергетической программы страны предусмотрено дальнейшее развитие ЕЭС СССР. Продолжается укрупнение схемы энергосистемы СССР за счет подсоединения объединенных энергетических систем (ОЭС). Это придает схеме ЕЭС характер протяженной структуры.
Развитие ЕЭС ведет к её усложнению в значительной степени за счет использования слабых межсистемных связей (CMC), что повышает вероятность возникновения асинхронного режима (АР). В ЕЭС СССР накоплен определенный опыт использования АР как эффективного средства повышения её надежности и живучести С 1,2 J. Особый интерес представляет использование асинхронных режимов в системах, содержащих слабые межсистемные связи. Чем более слабой является межсистемная связь (МС), тем менее опасен её АР для соединяемых подсистем. Опыт эксплуатации показал, что условия ресинхронизации на CMC весьма благоприятны Е3,4] . Вместе с тем, если ответственные узла нагрузки находятся вблизи электрического центра качаний (ЭЦК), АР на СмС недопустим Г3,4] . Это указывает на целесообразность разработки мероприятий, обеспечивающих допустимость АР на CMC по условию работы промежуточных узлов нагрузки (УН).
Вопросы нарушения устойчивости комплексных узлов нагрузки (КУН), присоединенных к МС, при АР по ней представляют собой один из сложных, недостаточно изученных и важных аспектов проблемы результирующей устойчивости, решение которых будет способствовать повышению надежности и живучести ЕЭС СССР.
Методам оценки параметров асинхронного режима, вопросам управления и разработки средств управления асинхронными режимами посвящены работы П.С.Жданова, В.А.Веникова, Л.Г.Мамиконянца,
А.А.Хачатурова, Н.И.Соколова, Д.П.Ледянкина, Л.А.Жукова, И.В.Лит-кенс, М.Г.Портного, В.Й.Пуго и других [l-I5] . Исследования указанных авторов позволяют решать многие новые задачи управления асинхронным режимом. Одной из актуальных задач является обеспече-ние допустимости асинхронного режима по межсистемной связи по условию устойчивости узлов нагрузки. В работах М.Г.Портного, Р.С.Рабиновича, Л.М.Горбуновой, Ю.Е.Гуревича [4,497 показана возможность управления асинхронным режимом для осуществления регулирования, обеспечивающего устойчивость работы узла нагрузки. Решение этой задачи позволит повысить надежность и живучесть энергосистем за счет управления асинхронным режимом на межсистемной связи.
Работа проводилась на кафедре "Электрические системы" МЭИ в рамках целевой научно-технической программы 0.Ц003.0.0І.06.Ц. 05.02.Нб, выполняемой в соответствии с Постановлением Государственного комитета СССР по науке и технике.
Цель работы состоит в развитии методов анализа и управления в ЭС при асинхронном режиме по межсистемной связи для повышения устойчивости промежуточных КУН.
В соответствии с указанной целью, основные задачи диссертационной работы состоят в следующем:
Анализ существующих методов, оценки и средств обеспечения устойчивости КУН при АР по МС;
Разработка критериев оценки устойчивости промежуточных КУН при АР по МС;
Разработка методики определения областей устойчивых режимов промежуточных КУН при АР по МС;
Выявление закона управления режимом энергосистемы для обеспечения устойчивости промежуточных КУН при АР на МС;
5. Экспериментальная проверка на физической (электродинамической) и цифровой модели методики определения областей устойчивых режимов КУН на МС и эффективности законов управления.
Методы и средства выполнения исследований. В основу положено сочетание качественного анализа по аналитическим выражениям, полученным с помощью упрощенных математических моделей и приближенных методов;.расчетов на ЦВМ по более полным моделям и более строгим методам; проведение экспериментов на физической (динамической) модели энергосистемы.
Первый этап дает основные качественные представления о параметрах асинхронного режима по межсистемной связи и о основных влияющих факторах на устойчивость промежуточных КУН.
Научная новизна. Основные положения, выносимые на защиту.
Обоснована одночастотная математическая модель возмущения дли промежуточных КУН, присоединенных к МС, соединяющей две несинхронно работающие подсистемы.
Получен критерий устойчивости КУН для случаев: приложения периодической возмущающей силы на вал синхронного двигателя (СД); для периодического возмущения от АР по МС.
Разработана наглядная графо-аналитическая методика: определения областей устойчивых режимов промежуточных КУН, учитывающая режимные и конструктивные параметры системы и элементов КУН; управления АР по МС.
Показана возможность, проверены и сопоставлены способы управления АР по МС с целью повышения устойчивости КУН, включающие: изменение уровней напряжения на шинах подсистем; изменение сопротивления МС с помощью коммутационных переключений; включение источников реактивной мощности (ИРМ); изменение загрузки элементов КУН.
5. Графо-аналитическая методика позволяет оценить эффективность и сопоставить различные методы управления с точки зрения обеспечения устойчивости промежуточных КУН при АР по МС. Практическая ценность.
Разработанная методика определения областей устойчивости КУН и управления асинхронным режимом по МС может быть использована при проектировании развития энергосистем и в практике эксплуатации для оценки допустимости АР по МС.
На основании предложенной методики разработана программа ' (в виде дополнительного модуля к програмной системе расчета динамики "Надежда", разработанной на кафедре электрических систем МЭЙ), реализованная на ЕС ЭВМ.
Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные её части докладывались и обсуждались: на УШ Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (г.Баку, 1982); на Всесоюзном научно-техническом совещании "Исследование длительных переходных процессов энергосистем" (г.Новосибирск, 1982); на У Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, посвященной 60-летию образования СССР (г.Москва, 1983); на УШ научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (г.Куйбышев, 1984); на научных семинарах и заседании кафедры "Электрические системы" МЭИ, 1984г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 печатные работы L 90-92J .
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 117 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, список литературы, включающий 107 наименований и пяти приложений. - II -
Асинхронный режим в энергосистемах
В связи с интенсивным развитием ЕЭС СССР резко возрастают требования к надежности и живучести функционирования ЭС,и проблема предотвращения каскадного развития системных аварий требует решения ряда задач, одной из которых является исследование и управление послеаварийными квазиустановившимися режимами. Асинхронные режимы являются послеаварийными режимами работы ЭС. Их применение целесообразно только в случае отсутствия вторичных нарушений устойчивости в подсистемах и промежуточных узлов нагрузки, обеспечения успешной ресинхронизации выпавших из синхронизма частей. Поэтому системы, обладающие свойством самопроизвольно или . под действием автоматических регуляторов восстанавливать синхронную работу после выхода из синхронизма некоторых генерирующих уз-лов, нельзя назвать неустойчивыми Г IJ . Они обладают так называемой результирующей устойчивостью. Этот частный случай динамичес-кой устойчивости - введенный В.А.Вениковым - определяется как способность ЭС восстанавливать синхронную работу при условии сохранения устойчивости основных нагрузок как во время АР, так и в послеаварийном режиме. В работе f16J указывается, что плохая ус-тойчивоспособность и низкая живучесть энергосистемы в ряде случаев обусловлена недостаточной режимной управляемостью. Отметим, что практика решения задачи повышения надежности и живучести ЭЭС только за счет резервирования генерирующих мощностей и элементов сети не может быть экономически оправдана, а увлечение ею за ру - 12 бежом, при меньшем чем в СССР внимании к режимным мероприятиям привело к тяжелым авариям Г 1,17J .
В Советском Союзе решающая роль во время аварийных и после-аварийных режимов отдается противоаварийной автоматике.
Несмотря на установку в энергосистемах устройств АПАХ в эксплуатации ЭС отмечено большое число случаев относительно длительных АР, и нужно обеспечить в этих случаях такое управление, которое не приведет в этой ситуации к дальнейшему развитию аварий и в частности к нарушению устойчивости промежуточных узлов нагрузок на МС.
Одним из эффективных средств повышения надежности и живучести ЭС можно считать повышение уровня результирующей устойчивости.
В ЕЭС СССР нашли применение мероприятия, связанные с использованием кратковременных АР: сохранение в работе турбогенераторов при потере возбуждения, самосинхронизация генераторов, несинхронные включения при установившемся значении разности частот, АПВ без проверки синхронизма, ресинхронизация после АР, вызванного нарушением устойчивости. Асинхронный режим одиночного генератора возникает, как правило, при потере возбуждения. Асинхронный режим в ЭС, т.е. в системе, возникает в результате выпадения из синхронизма станций или частей системы при наличии возбуждения на генераторах. Если АР возникает между двумя частями системы, то его обычно называют двухчастотным, между несколькими частями - многочастотным. Многочастотный АР менее вероятный, но более тяжелый режим. В этом случае ресинхронизация происходит редко, и этот режим, как правило, сводят к двухчастотному [17,18] . Целесообразность АР между отдельными частями системы без потери возбуждения генераторов определяется возможностью передачи активной и реактивной мощности по МС и быстрой ресинхронизацией подсистем Г 1,4] .
Если по условиям работы ЭЭС ресинхронизация выгоднее, чем деление, то возможность реализовать передачу мощности определяется допустимостью АР для оборудования и ЭС. Применение кратковременных АР в ЭС имеет своей конечной целью обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей.
АР генератора, как известно, считается допустимым, если выполняются следующие условия: а) нет опасности повреждения асинхронно идущего генератора; б) в результате действия автоматики возможна ресинхронизация; в) возмущение, создаваемое АР генератора, не приводит к дальнейшему развитию аварии. Влияние АР на систему зависит от того, имеет ли место АР одиночного генератора, без возбуждения или АР между подсистемами. В первом случае наибольшую опасность представляет снижение средних значений напряжений на шинах генераторов и особенно, если с них питаются механизмы собственных нужд. В случае АР в ЭС синхронные генераторы могут как потреблять, так и выдавать среднее значение реактивной мощности. Средние значения напряжений в системе могут не изменяться в больших пределах. При исследовании допустимости АР по МС возникает ряд задач. Во-первых, АР по МС представляет собой периодическое возмущение для генераторов синхронно работающих частей системы. Такое возмущение может привести к нарушению внутриподсистемной устойчивости работы генераторов; при этом задача исследования состоит в том, чтобы оценить опасную амплитуду возмущения, создаваемую АР и частоты связываемых передачей подсистем, которые могут привести к развитию аварии. Вторая задача - исследование квази-установившихся АР, после изменения частоты в одной или в обеих подсистемах.
Основные допущения
Первый этап решения поставленной задачи, т.е. аналитическое исследование устойчивости КУН при АР по МС, представляет значительные математические трудности. Поэтому для выполнения задачи необходимо принять ряд основных допущений,с одной стороны,существенно облегчающих решение поставленной задачи, с другой стороны, сохраняющих все основные физические закономерности рассматриваемых процессов. Прежде всего, будем считать, что установленная мощность систем, объединенных МС много больше мощности КУН. Вместе с тем мощность КУН может различаться с мощностью перетока по МС менее чем на порядок, а при определенных условиях составлять до 50 мощности перетока. Это допущение позволяет не учитывать влияние процессов, происходящих в КУН на движение роторов генераторов, объединенных CMC систем, и его влияние на изменение напряжения в точке подключения КУН к CMC. Рассматривается установившийся асинхронный режим, т.е. характеризующийся неизменностью средних значений режимных параметров и постоянством их гармонического состава во времени, что с точки зрения устойчивости больших вынужденных колебаний- является наиболее опасным. Каждая эквивалентная система представляется постоянной ЭДС за некоторым реактивным сопротивлением, фазовый угол которой изменяется с постоянной скоростью. Принимается, что МС однородна.
Эти допущения позволяют не рассматривать динамику взаимодействия между асинхронно идущими системами СЇ и 2 и сконцентрировать внимание только на режиме КУН. Справедливость этих допущений специально проверена и подтверждена с помощью экспериментов на ЭДМ и расчетов на ЦВМ ( глава 4) .
Обоснование одночастотной модели возмущения от асинхронного режима в точке подключения комплексного узла нагрузки на межсистемной связи
При установившемся АР по CMC между подсистемами возникают нелинейные колебания режимных параметров. Выявление наглядных аналитических соотношений, характеризующих изменения среднего уровня частоты, а также перераспределения средних значений реактивных мощностей и изменения среднего уровня напряжения в узлах при АР по МС, рассматривалось в работах Г 29,41,42j . Однако результаты, приведенные в L 29 J , в основном относятся к анализу изменения частоты по МС, а [41,42] приводятся выражения для постоянных составляющих напряжений в генераторных узлах.
Критерии устойчивости КУН получены ( глава 2) в одночастотном приближении. При приближении к центру качаний зависимость огибающей напряжения на МС все резче отличается от гармонического вида. Это привело к необходимости, проанализировав гармонический состав кривой ЩІ) вдоль МС, показать правомерность представления возмущения вдоль всей длины МС и решения поставленных задач в одно-частотном приближении.
В связи с поставленной задачей рассматривается схема, состоящая из двух эквивалентных подсистем, представленных эквивалентными генераторами, связанных МС.
Рассмотрим математическую модель в которой один генератор моделируется равномерно проворачивающейся ЭДС, с частотой од ( угловой скоростью) . Второй генератор моделируется фиксированной ЭДС. Рассчитывается электрический режим системы для каждого момента времени и определяется напряжение в заданных точках МС. Раскладывая полученные кривые напряжения в ряд Фурье, определяем их гармонический состав.
В работе С глава 4) рассматривается определение гармонического состава кривой U(ij вдоль МС по полной математической модели и доказывается правомерность такого моделирования АР.
На рис.3.I представлены зависимости изменения постоянной составляющей, первой и второй гармоник напряжения по длине МС. На рис.3.2 представлены аналогичные зависимости для третьей, четвертой и пятой гармоник распределения напряжения. Столь детальный подход вызван тем обстоятельством, что по аналогии с изменением частоты [29] существует мнение, что в центре качаний наличие высших гармонических составляющих может доминировать. Анализ полученных зависимостей показывает, что только вторая гармоника составляет больше 10% от первой гармоники, причем в диапазоне, равном 0,15 Ujf. от точки центра качаний. В ЭЦК процентное отношение высших гармоник по отношению к первой составляет соответственно: вторая - 18%; третья - Э%\ четвертая - 4,5$; пятая - 2%. Учитывая сказанное, а также утверждение, что неучет высших гармоник идет в запас устойчивости [ 41J АД при оценке в одночастотном приближении, можно сделать вывод о применимости одночастотного приближения для анализа нелинейных колебаний КУН на МС.
title4 Постановка эксперимента
Экспериментальное исследование имело своей целью проверить и уточнить некоторые положения аналитических методов и численных решений влияния АР на устойчивость УН, расположенных на МС. На динамической модели рассматривалась качественная, физическая сторона явлений, а для получения более точных количественных характеристик проводилось цифровое моделирование по более строгой математической модели, обеспечивающей получение более достоверных и более точных результатов.
В соответствии с целью исследований на физической и цифровой модели решались следующие задачи:
1. Экспериментальное обоснование метода гармонической линеаризации для решения задач исследования устойчивости УН при АР на CMC С проверка правомерности упрощенной модели возмущения от АР в точке подключения УН к МС) .
2. Определение областей устойчивых режимов УН на МС. ( Проверка графо-аналитического метода определения областей устойчивых режимов КУН и приближенного метода гармонической линеаризации для получения моделей элементов КУН) .
3. Оценка мероприятий по повышению уровня результирующей устойчивости УН. (Проверка методов перемещения области устойчивости КУН путем управления APj .
4. Определение ЭЦК в сложных энергосистемах.
Методика проведения экспериментов заключалась в следующем:
1. При заданных параметрах исследуемой системы перед началом опытов устанавливается заданный исходный режим.
2. Затем медленным подъемом момента первичного двигателя одного из генераторов, моделирующих подсистему, до нарушения статической устойчивости по CMC осуществляется нарушение синхронной работы подсистем. Последующим регулированием момента первичного двигателя добиваемся установившегося АР на CMC с определенным скольжением. Оценка предельно устойчивого режима производится по предельному значению активной мощности в начале МС, которая определяется с точностью 1%;
3. Осциллографируются режимные параметры исходного предельного и устойчивого АР: напряжения в точках CMC 2,5,4 , мощности по CMC /7 , Q , взаимный угол 0 , активная и реактивная мощности исследуемого УН и др.;
4. Эксперименты по пунктам (1-3) повторяются при варьировании режимных параметров и схем ЭС;
5. По анализу процессов, полученных на осциллограммах, строятся зависимости &ф) J(?) ffi(j)-J(P), "i j(t) и делаются соответствующие выводы.
Аналогичный процесс рассчитывается на ЦВМ по полной математической модели и производится сравнение результатов физического и цифрового моделирования с ранее полученными по упрощенным моделям.
