Для любого расчета нам требуется математическая модель, отражающая поведение исследуемого
объекта. В нашем случае это расчетная схема энергосистемы. Ее формирование следует начать с
расстановки узлов. Где и сколько поставить
узлов каждый должен решить сам, исходя из предполагаемых задач. Например, если ожидается что будет большое число расчетов
с разделением шин ПС, с односторонним отключением ВЛ и т.п., то на одну ПС потребуется до 5 и более узлов. А если
требуется отобразить влияние на системообразующую сеть каскада ГЭС, расположенного в соседней энергосистеме, то вполне
можно обойтись и одним узлом.
Вопрос проще раскрыть на примере. Предположим у нас есть ПС со схемой, изображенной на рисунке 1.1:
рис.1.1 Схема ПС
Если необходимо предусмотреть возможность расчетов с раздельной работой трансформаторов по высокой стороне, то необходимо расставить
узлы так, как показано на рисунке 1.2.
рис.1.2 Возможны расчеты с раздельной работой трансформаторов по высокой стороне
Если же расчеты с раздельной работой трансформаторов по высокой стороне не предполагается, то в разделении шин высокого напряжения нет
необходимости и их можно представить одним узлом, как показано на рисунке 1.3:
рис.1.3 Расчеты с раздельной работа трансформаторов по высокой стороне не предполагается
Если же возможны расчеты и с раздельной работой трансформаторов по высокой стороне и с односторонним отключением ВЛ, то придется
вводить 3 узла, как отражено на рисунке 1.4:
рис.1.4 Возможны расчеты и с раздельной работой трансформаторов по высокой стороне и с односторонним отключением ВЛ
Аналогичный подход применяется и для низкой стороны. На рисунке 1.5 возможны расчеты с раздельной работой по низкой стороне, а на
рисунке 1.6 они не предполагаются.
рис.1.5 Возможны расчеты с раздельной работой трансформаторов по низкой стороне |
рис.1.6 Расчеты с раздельной работой трансформаторов по низкой стороне не предполагаются |
Для большинства ПС потребность в разделении шин при расчетах возникает крайне редко, потому обычно выделяется один узел для
высокой стороны и один узел для низкой. В таком случае трансформаторы ПС в расчетной схеме будут представлены двумя
параллельными ветвями. В принципе, если не предполагается расчет режима с отключением одного из трансформаторов, то их можно
представить одной ветвью с эквивалентными параметрами. Но делать так не стоит потому как с одной стороны ограничения на число ветвей (как
впрочем и на число узлов) в существующих расчетных программах давно снято, а с другой - наперед неизвестно какие именно ситуации
придется просчитать в будущем.
Таким образом, типовое представление в расчетной схеме рассматриваемой ПС будет таким, как показано на рисунке
1.7:
рис.1.7 Типовое представление ПС
Все вышесказанное в полной мере относится и к схемам электростанций. Дополнительный нюанс, связанный со схемами электростанций - это
представление генераторов. Генератор можно представить как на высокой стороне, так и на генераторном напряжении вместе с блочным
трансформатором. Подход к решению вопроса как представить генератор определяется задачами, которые должны будут решаться с помощью
данной расчетной модели. Например, если предполагаются расчеты, в которых генератор выдает или потребляет максимально-возможную
реактивную мощность, то он должен быть представлен на генераторном напряжении для корректного учета располагаемой реактивной
мощности, приведенной к стороне высокого напряжения, величина которой зависит от потерь в блочном трансформаторе.
После расстановки узлов необходимо определить параметры связывающих их линий. Здесь возможны варианты:
- Электрически связываемые узлы являются одной точкой, например моделируется секционный выключатель;
- Моделируются линии электропередач;
- Моделируются (авто)трансформаторы.
В 1-м случае необходимо использовать ветви с нулевым сопротивлением. Сейчас большинство расчетных программ умеют
корректно обрабатывать такую величину. Если же в каких-то частных случаях такой подход не приемлем, то нужно использовать величину
близкую к нулю, например Z=0+j0.01
Для моделирования линии электропередач применяется П-образная схема замещения:
рис.2.1 П-образная схема замещения
Значения R [Ом], X [Ом], B [См] определяются длиной
L [км] линии между соседними узлами расчетной схемы и значениями удельных параметров r0 [Ом/км],
x0 [Ом/км], b0 [См/км]:
R=r0L; X=x0L; B=b0L (2.1)
Поскольку П-образная схема, в которой емкостная и активная
проводимости линий сосредоточены в ее концах, не дает возможности точно
отобразить соотношение между токами и напряжениями на линии, при больших длинах
линий ее приходится разбивать на участки до 200-300 км или вводить поправочные
коэффициенты:
R=r0LKr; X=x0LKx; B=b0LKC (2.2)
Значения поправочных коэффициентов для линий длиной от 300 до 500-600 км
вычисляются по формулам:
при малых длинах линий эти коэффициенты близки к единице.
Активная проводимость на землю G для ВЛ определяется потерями на корону, а для
КЛ - потерями в изоляции кабеля. Потери на корону в основном невелики и сильно
зависят от погоды. При измороси они многократно больше, чем в сухую погоду. Но
из-за неопределенности этой величины ее как правило не учитывают. При
необходимости потери на корону можно учесть используя G,
либо включением дополнительной активной нагрузки в узле с постоянным значением
или зависимым от напряжения в узле.
Для КЛ напряжением 110 кВ и выше необходимо учитывать потери в изоляции кабеля.
Они определяются по формуле:
G=Btgδ (2.4)
При этом tgδ определяется по данным
завода-изготовителя и обычно находиться в пределах от 0.003 - 0.006.
Примеры определения параметров линии.
Пример 2.1
Исходные данные.
Номинальное напряжение U=220 кВ,
длина L=200 км, провод АС-240.
Расчет.
Из таблицы 7.6 "Расчетные данные ВЛ 220 - 1150 кВ со сталеалюминевыми проводами
(на 100 км)" справочника [4] в пересчете на 1 км находим r0=0.121 Ом/км,
x0=0.435 Ом/км, b0=2.60*10-6 См/км. Так как
длина линии всего 200 км, параметры линии необходимо определять по формулам (2.1)
без поправочных коэффициентов:
R=r0L=0.121*200=24.2 [Ом];
X=x0L=0.435*200=87.0 [Ом];
B=b0L=2.60*10-6*200=520*10-6 [См].
В исходных данных какая-либо информация о погоде в месте прохождении линии
отсутствует, поэтому G линии примем равным 0.
Пример 2.2
Исходные данные.
Номинальное напряжение U=500 кВ,
длина L=500 км, провод 3*АС-300 (3 провода в фазе).
Расчет.
Из таблицы 7.6 "Расчетные данные ВЛ 220 - 1150 кВ со сталеалюминевыми проводами
(на 100 км)" справочника [4] в пересчете на 1 км находим r0=0.034 Ом/км,
x0=0.310 Ом/км, b0=3.97*10-6 См/км. Так как
длина линии 500 км, параметры линии необходимо определять по формулам (2) c учетом поправочных коэффициентов, определяемых по формулам (2.3):
R=r0LKr=0.034*500*0.897=15.2 [Ом];
X=x0LKx=0.310*500*0.949=147 [Ом];
B=b0LKC=3.97*10-6*500*1.03=2040*10-6 [См].
В исходных данных какая-либо информация о погоде в месте прохождении линии отсутствует, поэтому G линии примем равным 0.
В приведенных примерах все результаты расчетов даны с точностью до 3-х значащих цифр, т.к.
именно с такой точностью они указаны в справочнике.
Для двухобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов, когда не используется
третья обмотка, используется Г-образная схема замещения:
рис.3.1.1 Г-образная схема замещения
Параметры Г-образной схемы замещения определяются по следующим формулам:
Условные обозначения:
- Uном - номинальное междуфазное напряжение стороны
трансформатора, к которой приводится сопротивление трансформатора (как правило,
это сторона высокого напряжения);
- Sном - номинальная мощность трехфазного трансформатора или
трехфазной группы однофазных трансформаторов;
- uk - напряжение КЗ, % номинального напряжения;
- Рk - потери КЗ (потери в меди) трех фаз трансформатора;
- Рхх - потери холостого хода (потери в стали) трех фаз трансформатора;
- Iхх - ток холостого хода трансформатора, % номинального тока.
Пример определения параметров двухобмоточного трансформатора.
Пример 3.1.1
Исходные данные.
Тип трансформатора ТДЦ-80000/110.
Расчет.
Трансформатор двухобмоточный, поэтому применяем Г-образную схему замещения (рис.3.1.1) Из таблицы 5.13 "Трехфазные двухобмоточные трансформаторы 110 кВ"
справочника [6] находим Sном=80 МВА, UВН=121 кВ,
UНН=10.5 кВ, uk=10.5 %, Pk=310 кВт,
Pхх=70 кВт, Iхх=0.6 %. Все расчетные величины будем приводить к стороне ВН.
По формулам (3.1.1) определяем:
Для автотрансформаторов и трехобмоточных трансформаторов используется схема замещения в виде трехлучевой звезды:
рис.3.2.1 Трехлучевая схема замещения
Параметры данной схемы замещения определяются по следующим формулам:
G [См] и B [См] - по таким же формулам, как и для двухобмоточного трансформатора:
Полные сопротивления Z [Ом] определяются по формулам:
В случае если известны все три значения потерь КЗ между парами обмоток, то активные сопротивления
R [Ом] определяются по формулам:
Если в каталожных данных указывается только значение максимальных потерь КЗ, то
активные сопротивления определяются следующим образом:
- при равных мощностях обмоток
(3.2.4)
- для обмотки, мощность которой составляет долю kS мощностей остальных двух обмоток.
Например если SВН=SСН=Sном, а SНН=kSSном
(3.2.5)
По найденным Z и R находятся индуктивные сопротивления X [Ом]:
Знак у индуктивного сопротивления X принимается такой же как у соответствующего ему полного сопротивления Z,
определяемого по формулам (3.2.2).
При наличии вольтодобавочного трансформатора, включенного в нейтраль автотрансформатора, сопротивления
корректируются в соответствии с формулами (при условии, что они были приведены к стороне ВН):
Примечание:
Формулы (12) для учета ВДТ являются переработанными формулами (2.27)-(2.30) методических указаний [3]. К сожалению,
найти указанные формулы в какой-либо другой справочной литературе не удалось.
Коэффициенты трансформации определяются по формулам:
- если нет РПН или ВДТ
(3.2.8)
- если есть РПН или ВДТ и:
- добавка производится только к напряжению Uрег, в зависимости от стороны (авто)трансформатора, на которой
производиться регулирование, коэффициент трансформации рассчитывается по следующей формуле:
(3.2.9)
Обычно это РПН с регулированием на средней стороне;
- добавка производится к обоим напряжениям, коэффициент трансформации рассчитывается по формуле:
(3.2.10)
Обычно это ВДТ с регулированием в нейтрали;
- добавка напряжения следующей фазы производится к обоим напряжениям, коэффициент трансформации рассчитывается по формуле:
(3.2.11)
Коэффициент трансформации kT комплексный. Обычно это ВДТ с регулированием в нейтрали, вольтодобавка
берется от соседней фазы;
- добавка напряжения предыдущей фазы производится к обоим напряжениям, коэффициент трансформации рассчитывается по формуле:
(3.2.12)
Коэффициент трансформации kT комплексный. Обычно это ВДТ с регулированием в нейтрали, вольтодобавка
берется от соседней фазы.
Если производится добавка линейного (междуфазного) напряжения, то угол добавочного напряжения в формулах (3.2.11), (3.2.12)
необходимо изменить в соответствии с фактическим углом между основным и добавочным напряжениями.
Условные обозначения:
- Uном и Sном - то же, что и для двухобмоточного трансформатора;
- uк(ВС), uк(ВН), uк(СН) -
напряжение КЗ между обмотками ВН-СН, ВН-НН, СН-НН соответственно, отнесенные к номинальной мощности
(авто)трансформатора Sном, % номинального напряжения;
- Ркз(ВС), Ркз(ВН), Ркз(СН) - потери КЗ между обмотками ВН-СН, ВН-НН, СН-НН
соответственно.
Ркз(ВС) в справочниках приводится отнесенной к номинальной мощности (авто)трансформатора
Sном, а Ркз(ВН),
Ркз(СН)
- к номинальной мощности обмотки НН SНН, поэтому необходимо использование
kS;
- kS - коэффициент, показывающий долю номинальной мощности обмотки НН
SНН от номинальной мощности (авто)трансформатора Sном, если
SНН не указана,
то kS принимается равным коэффициенту выгодности автотрансформатора:
kвыг=(UВН-UСН)/UВН;
- - сопротивление вольтодобавочного трансформатора, определяемое по формулам (3.1.1);
- ΔU - добавка напряжения ВДТ или РПН.
ΔU указывается в справочниках или может быть определена по формуле:
(3.2.13)
- Nст - номер ступепени (номер анцапфы), для которой рассчитывается добавка напряжения ΔU;
- h - шаг ступени, %;
- Uном - номинальное напряжение стороны (авто)трансформатора, относительно которой указывается шаг ступени
h.
Примеры определения параметров автотрансформаторов.
Пример 3.2.1
Исходные данные.
Тип автотрансформатора АТДЦТН-250000/330/150. Автотрансформатор оснащен РПН ±6x2 % на стороне СН.
Расчет.
Предположим, что требуется явное представление всех обмоток автотрансформатора. Для этого необходима трехлучевая схема замещения (рис.3.2.1)
Из таблицы 5.20 "Трехфазные и однофазные автотрансформаторы 330 кВ"
справочника [6] находим Sном=250 МВА, UВН=330 кВ,
UСН=158 кВ, UНН=10.5 кВ, uk(ВС)=10.5 %,
uk(ВН)=54 %, uk(СН)=42 %, Pk(ВС)=660 кВт,
Pk(ВН)=490 кВт, Pk(СН)=400 кВт,
Pхх=165 кВт, Iхх=0.5 %, мощность обмотки НН составляет 40 % номинальной мощности АТ.
Все расчетные величины будем приводить к стороне ВН.
По формулам (3.2.1) и (3.2.2) определяем G, B и Z:
В исходных данных указано, что мощность обмотки НН составляет 40 % от номинальной мощности АТ, поэтому:
kS=SНН/Sном=0.4
Активное сопротивления АТ определяем по формулам (3.2.3), т.к. даны потери КЗ Pk(ВС), Pk(ВН), Pk(СН):
По формулам (3.2.6) находим индуктивные сопротивления X [Ом]:
Учитывая, что ZС отрицательно, окончательно принимаем XС=-3.3 [Ом].
По условию задачи РПН, установлен на стороне СН, поэтому при изменении положения анцапфы будет изменяться только
коэффициент трансформации между СН и ВН kT С-В, коэффициент трансформации между НН и ВН
kT Н-В при изменении положения анцапфы меняться не будет. В связи с этим kT Н-В
необходимо определять по формуле (3.2.8):
Учитывая, что значение kT С-В определяется текущим номером анцапфы, определим только его крайние значения.
Для этого необходимо определить добавку напряжения
ΔU в крайних положениях РПН, принимая во внимание, что шаг ступени указан относительно стороны СН:
Далее по формуле (3.2.9) находим kT С-В в крайних положениях РПН
(знак минус уже учтен в ΔU):
Пример 3.2.2
Исходные данные.
Тип автотрансформатора АТДЦТН-250000/220/110.
Расчет.
Будем использовать трехлучевую схему замещения (рис.3.2.1)
Из таблицы 5.18 "Трехфазные трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы 220 кВ"
справочника [6] находим Sном=250 МВА, UВН=230 кВ,
UСН=121 кВ, UНН=38.5 кВ, uk(ВС)=11.5 %,
uk(ВН)=33.4 %, uk(СН)=20.8 %, Pk(ВС)=520 кВт,
Pхх=145 кВт, Iхх=0.5 %, мощность обмотки НН составляет 50 % номинальной мощности АТ.
Все расчетные величины будем приводить к стороне ВН.
По формулам (3.2.1) и (3.2.2) определяем G, B и Z:
В исходных данных указано, что мощность обмотки НН составляет 50 % от номинальной мощности АТ, поэтому:
kS=SНН/Sном=0.5
Активное сопротивления АТ определяем по формулам (3.2.5), т.к. даны только максимальные потери КЗ Pk(ВС):
По формулам (3.2.6) находим индуктивные сопротивления X [Ом]:
Учитывая, что ZС отрицательно, окончательно принимаем XС=-1.2 [Ом].
Коэффициенты трансформации будем определять по формулам (3.2.8), т.к. рассматриваемый АТ не оснащен средствами
для регулирования напряжения:
Пример 3.2.3
Исходные данные.
Автотрансформатор из примера 3.2.2 дополнительно оборудован вольтодобавочным трансформатором ВРТДНУ-240000/35/35.
Расчет.
Рассчитаем параметры ВДТ по формулам (3.1.1) и определим итоговые параметры автотрансформатора, работающего совместно с ВДТ,
опираясь на формулы (3.2.7) и рассчитанные в примере 3.2.2 значения.
Для расчета по формулам (3.2.7) требуется . Для его определения из таблицы 5.23
"Последовательные регулировочные трансформаторы" справочника [6] находим
Sном=240 МВА, Uвозб=38.5 кВ,
Uрег=ΔU=+24.9 ÷ -26.2 кВ, uk=11.1 - 0 - 11.3 %,
Pk=178 кВт.
Определим сопротивление ВДТ при крайних положениях анцапф по формулам (3.1.1):
Запишем полученные параметры ВДТ и АТ в комплексном виде:
По формулам (3.2.7) окончательно определяем:
По формуле (3.2.9) определяем kT В-Н при крайних положениях анцапф
(знак минус уже учтен в ΔU):
По формуле (3.2.10), учитывая, что знак минус уже учтен в ΔU, определяем
kT C-Н при крайних положениях анцапф:
Для анализа полученные результаты сведем в таблицу:
Параметр |
без ВДТ |
с ВДТ с max ΔU |
с ВДТ с min ΔU |
ZВ |
0.22+j25.5 [Ом] |
0.25+j28.6 [Ом] |
0.16+j18.8 [Ом] |
ZС |
0.22-j1.2 [Ом] |
0.20-j3.0 [Ом] |
0.25+j1.9 [Ом] |
ZН |
0.44+j45.2 [Ом] |
0.42+j43.6 [Ом] |
1.8+j187 [Ом] |
kT С-В |
0.5261 |
0.5724 |
0.4652 |
kT Н-В |
0.1674 |
0.1510 |
0.1889 |
Для трансформаторов с расщепленной на 2 части обмоткой низшего напряжения применяется схема замещения в виде трехлучевой звезды:
рис.3.3.1 Схема замещения трансформатора с расщепленной на 2 части обмоткой низшего напряжения
Для трансформаторов с расщепленной обмоткой специфическими параметрами являются:
- сопротивление расщепления ZР, равное сопротивлению между выводами
двух ветвей расщепленной обмотки:
(3.3.1)
т.к. ветви одинаковые, то:
(3.3.2)
- сквозное сопротивление Zскв=ZВ-Н, равное сопротивлению между выводами обмотки
высокого напряжения и объединенными (запараллелеными) ветвями расщепленной обмотки низшего напряжения;
- коэффициент расщепления КР, равный отношению ZР к Zскв:
(3.3.3)
Для трехфазных трансформаторов КР=3.34 ÷ 3.64; при отсутствии точных данных принимается
КР=3.5.
Для трехфазной группы однофазных трансформаторов КР=4.
Параметры схемы замещения определяются по следующим формулам:
G [См] и B [См] - по таким же формулам, как и для двухобмоточного трансформатора:
Выбор формул для нахождения Z[Ом] определяется составом исходных данных (все сопротивления
должны быть приведены к обмотке ВН по формуле
и представлены в именованных единицах ):
- Дано ZВ-Н и КР:
(3.3.5)
(3.3.6)
-
Дано ZВ-Н и ZВ-Н1(Н2):
-
Дано ZВ-Н и ZН1-Н2:
ZН1(Н2) определяется по формуле (3.3.2)
(3.3.10)
КР определяется по формуле (3.3.3)
Как видно из формул, для трехфазной группы однофазных трансформаторов ZН1=ZН2=2ZВ-Н;
ZВ=0.
Активные сопротивления R[Ом] находятся по формулам:
По найденным Z и R определяются X[Ом]:
Коэффициент трансформации определяется таким же образом, как для двухобмоточного трансформатора:
(3.3.13)
Пример определения параметров двухобмоточного трансформатора c расщепленной на 2 части обмоткой.
Пример 3.3.1
Исходные данные.
Тип трансформатора ТРДЦН-160000/220.
Расчет.
Трансформатор двухобмоточный с расщепленной обмоткой, поэтому применяем трехлучевую схему замещения (рис.3.3.1).
Из таблицы "Трансформаторы с расщепленной на 2 части обмоткой низшего напряжения"
находим Sном=160 МВА, UВН=230 кВ, uк.В-Н=12.5 %, uк.В-Н1(Н2)=23.0 %,
uк.Н1-Н2=42.0 %, КР=3.360, Pk=525 кВт,
Pхх=140 кВт, Iхх=0.6 %. Примем UНН=6.6 кВ. Все исходные и расчетные величины приведены к стороне ВН.
По формулам (3.3.4) определяем:
Для определения Z будем использовать ZВ-Н и ZН1-Н2 (п. с):
По формулам (3.3.11) определяем R:
По формулам (3.3.12) определяем X:
По формуле (3.3.13) определяем kТ Н-В:
Для трансформаторов с расщепленной на 3 части обмоткой низшего напряжения применяется схема замещения в виде четырехлучевой звезды:
рис.3.4.1 Схема замещения трансформатора с расщепленной на 3 части обмоткой низшего напряжения
Параметры схемы замещения определяются по следующим формулам:
G [См] и B [См] - по таким же формулам, как и для двухобмоточного трансформатора:
Сопротивления трансформатора Z[Ом] определяются по формулам:
(3.4.2)
(3.4.3)
Коэффициент расщепления для трехфазной группы однофазных трансформаторов с расщепленной на 3 части обмоткой низшего напряжения КР=6.
Как видно из формул, для трехфазной группы однофазных трансформаторов ZН1=ZН2=ZН3=3ZВ-Н;
ZВ=0.
Активные сопротивления R[Ом] находятся по формулам:
По найденным Z и R определяются X[Ом]:
Коэффициент трансформации определяется таким же образом, как для двухобмоточного трансформатора:
(3.4.6)
Для автотрансформаторов с расщепленной на 2 части обмоткой низшего напряжения применяется схема замещения, изображенная на рис. 3.5.1:
рис.3.5.1 Схема замещения автотрансформатора с расщепленной на 2 части обмоткой низшего напряжения
Параметры схемы замещения определяются по следующим формулам:
G [См] и B [См] - по таким же формулам, как и для двухобмоточного трансформатора:
Полные сопротивления Z [о.е.] определяются по формулам:
(3.5.2)
(3.5.3)
(3.5.4)
(3.5.5)
(3.5.6)
(3.5.7)
где uk(ВН) и uk(СН) получены при включенных параллельно обмотках НН.
Перевод из относительных величин в именованные осуществляется по стандартной формуле:
(3.5.8)
Активные сопротивления определяются таким же образом, как и для обычного автотрансформатора (см. формулы (3.2.3÷3.2.5));
R` принимается равным 0 (R`=0); RН1=RН2=2RН.
По найденным Z и R определяются X[Ом]:
X` принимается равным Z` (X`=Z`)
Знак у индуктивного сопротивления X принимается такой же как у соответствующего ему полного сопротивления
Z.
Коэффициенты трансформации определяются таким же образом, как и для обычного автотрансформатора (см. формулы (3.2.8÷3.2.12))
Моделирование нагрузки при расчетах установившегося режима производиться с использованием статических характеристик нагрузки
СХН. Данные характеристики показывают зависимость нагрузки от напряжения и частоты в месте подключения нагрузки.
Обычно применяемое задание нагрузки постоянной активной и реактивной мощностью является лишь одним из возможных вариантов.
В зависимости от характера потребителя различают следующие способы учета зависимости нагрузки от напряжения:
- Нагрузка задана постоянным сопротивлением шунта R=const, X=const. В этом случае мощность является квадратичной функцией
от напряжения, и эта зависимость имеет вид:
-
Нагрузка задана постоянным током I=const, тогда мощность является линейной функцией от напряжения:
где I` - активная составляющая тока;
I`` - реактивная составляющая тока.
-
Нагрузка задана постоянной мощностью P=const, Q=const, т.е. мощность не зависит от напряжения.
Существующая зависимость нагрузки от частоты хорошо моделируется линейной функцией.
Все варианты задания нагрузки обобщены в виде:
где a0, a1, a2, a3,
b0, b1, b2, b3 - коэффициенты;
V - расчетное напряжение;
Vном - номинальное напряжение;
Δf - отклонение частоты, о.е.
Примечание:
Данная форма уравнений СХН принята в отечественной практике. В зарубежных расчетных программах
характеристики СХН определяются через показатель степени у отклонения напряжения и частоты.
Подробней об этом см. описание соответствующих программ.
Условие P=Pном и Q=Qном при V=Vном и
Δf=0 выполняется, когда a0+a1+a2=1 и
b0+b1+b2=1.
Нагрузка, представленная в виде постоянных сопротивлений реализуется a0=0,
a1=0, a2=1 и b0=0,
b1=0, b2=1;
в виде постоянного тока - a0=0, a1=1, a2=0 и
b0=0, b1=1, b2=0;
в виде постоянной мощности - a0=1, a1=0, a2=0 и
b0=1, b1=0, b2=0.
Различие характеристик изображено на рисунке:
рис.4.1 Статических характеристики нагрузки
Для типовой нагрузки применяют следующие СХН:
-
Шунтирующие реакторы представляются с помощью шунта, включаемого в узел установки реактора. Для этого необходимо определить
G [См] и B [См] по формулам:
-
Токоограничивающие реакторы моделируются реактивным сопротивлением Х [Ом], включаемым последовательно с линией.
Активное сопротивление R токоограничивающего реактора не учитывается из-за его малой величины.
Сопротивление токоограничивающего реактора определяется по формуле:
(5.2)
-
Батареи статических компенсаторов БСК (шунтовые конденсаторные батареи) представляются аналогично шунтирующим реакторам - с помощью
шунта в узле установки. Реактивная проводимость B [См] БСК определяется по формуле:
(5.3)
где Qб - мощность батареи при номинальном напряжении.
Учет активной проводимости B БСК желателен, но т.к. в справочниках, как правило, приводиться только величина генерируемой реактивно
мощности Q, то B принимают равным нулю.
-
Батареи продольной компенсации моделируются так же, как токоограничивающие реакторы - включением реактивного сопротивления
X [Ом] последовательно с линией. Его величина определяется по формуле:
(5.4)
Активное сопротивление R батареи не учитывается из-за его малой величины.
Пример определения параметров шунтирующего реактора и БСК.
Пример 5.1
Шунтирующий реактор: полная мощность Sном=20 МВА, активная мощность
P=120 кВт, номинальное напряжение Uном=38.5 кВ.
По формулам (5.1) находим:
Пример 5.2
БСК: Установленная мощность Q=52 МВАр, номинальное напряжение Uном=110 кВ.
Из таблицы 5.32 "Шунтовые конденсаторные батареи 6 - 110 кВ" справочника [6] находим, что при номинальном напряжении
мощность, выдаваемая батареей Qб равна 36.8 МВАр. По формуле (5.3) находим:
Следует отметить, что моделирование реакторов и конденсаторных батарей должно осуществляться именно пассивными элементами,
а не инъекциями мощности. В этом плане весьма показательна приведенная ниже таблица, полученная по данным рассмотренных примеров:
Зависимость мощности, генерируемой шунтирующим реактором и БСК от напряжения
Напряжение, о.е. |
0.75 |
0.90 |
1.00 |
1.05 |
1.10 |
Q реактора, МВАр |
11.3 |
16.2 |
20.0 |
22.1 |
24.2 |
Q БСК, МВАр |
20.7 |
29.8 |
36.8 |
40.6 |
44.5 |
При расчетах установившегося режима для отображения генераторов используют одну из двух моделей:
PQ или PU (вместо Q и U возможно использование некоторой ЭДС
E за хгенератора, определяемым по специальным правилам,
но такой подход не нашел широкого практического применения).
В первом случае в исходных данных узла, отображающего генератор (далее - генераторный узел) указывается генерируемая активная
P и реактивная Q мощности. При этом такой генератор не учувствует в поддержании напряжения в узле.
Как правило, таким образом моделируются малоответственные небольшие генераторы,
установленные у потребителя и фактический режим работы которых оказывает незначительное влияние на результат решения
рассматриваемых задач (хотя и их рекомендуется представлять по модели PU).
Применение второй модели - PU - является наиболее эффективным и отражает фактическое положение дел, т.к.
большинство генераторов оборудовано системой автоматической регулировки возбуждения АРВ, обеспечивающей в
установившемся режиме практически неизменное напряжение на шинах генератора или на стороне высокого напряжения блочного
трансформатора, через который генератор связан с энергосистемой. При этом погрешность, вносимая неучетом существующей
зависимости U=f(P,Q) минимальна.
В исходных данных генераторного узла по модели
PU необходимо указать генерируемую им активную мощность P и заданное напряжение U в узле подключения
генератора, которое он будет "стремиться" выдержать за счет изменения генерируемой им реактивной мощности Q
(в некоторых зарубежных программах существует возможность указать какой-либо иной узел, напряжение в котором будет
поддерживать данный генератор). Дополнительно к указанным данным, необходимо ввести ограничения на величину генерируемой
реактивной мощности Q, т.к. она не может меняться безгранично. Допустимый диапазон изменения генерируемой реактивной
мощности связан с ограничениями по току статора и току рота и обычно представляется в виде зависимости
Q=f(P). Для каждого генератора эта зависимость индивидуальна. Как правило, она имеет следующий вид:
рис.6.1 Типовая диаграмма мощности
К сожалению, в большинстве программ для расчета установившегося режима нет возможности задания зависимости
Q=f(P). Вместо этого предлагается только указать Qmin и Qmax
("вилка" по Q). В такой ситуации для всех генераторов задается минимальная и максимальная
величина генерации реактивной мощности, определяемая по диаграмме мощности. Учет фактических ограничений производиться
только для влияющих на решение конкретной задачи генераторов путем сужения "вилки" по Q в соответствии с
текущей генерацией активной мощности P.
В ходе расчета может случиться, что генерируемая реактивная мощность Q достигнет одной из границ
Qmin или Qmax. В таком случае генераторный узел будет автоматически
переведен с модели PU на модель PQ, после чего он перестанет "поддерживать" заданное напряжение
U в узле. Если же в дальнейших расчетах потребная для поддержания напряжения
U генерируемая реактивная мощность Q вновь окажется внутри "вилки" по Q, то генераторный
узел будет обратно переведен на модель PU.
Учет зависимости генерации активной мощности P от частоты f производится через статизм генератора
σ=
(Δfо.е./ΔPо.е.)*100 %,
который по действующим нормам должен быть ~5 %. Учет зоны нечувствительности регулятора скорости, как правило, не производится, т.к.
текущее положение регулирующих органов во многом величина случайная и мало предсказуемая. А с учетом того, что в энергосистеме
присутствует большое число генераторов, то на "общем фоне" зона нечувствительности отдельного генератора "теряется".
Учет зависимости генерации реактивной мощности Q от частоты f в основном определяется характеристиками АРВ
(ее зависимость от изменения хгенератора незначительна). Так же от частоты f зависит и "вилка"
по Q, т.к. при неизменном токе ротора if (т.е. при выходе генератора на одно из ограничений
Qmin или Qmax) ЭДС E, генерируемая в статоре током возбуждения, пропорциональна
частоте вращения ротора.
Таким образом, принимая во внимание сложность и неоднозначность зависимостей Q=f(f), Qmin=f(f),
Qmax=f(f), в практических расчетах их не учитывают и принимают что Q от частоты f не зависит.
Моделирование синхронных компенсаторов осуществляется аналогично моделированию генераторов, при этом P=0.
Балансирующий узел - это узел за счет которого при расчетах установившегося режима без изменения частоты в расчетной схеме
поддерживается баланс между генерацией и потреблением. Для работы в таком режиме в узле должен быть зафиксирован вектор напряжения,
т.е. U и φ. Таким образом генерация активной и реактивной мощности в таком узле
в ходе расчета могут изменяться программой самостоятельно для обеспечения баланса. Как правило, балансирующий узел назначается и базовым
узлом, т.е. отсчеты углов всех векторов напряжения φ осуществляются относительно него.
В связи с этим угол напряжения в балансирующем узле принимают равным нулю φ=0.
В качестве балансирующего узла, как правило, назначается самый мощный генератор в энергосистеме или какой-либо узел в соседнем
объединении. Выбор определяется тем, за счет каких источников фактически производиться ликвидация небалансов мощности, вызываемых
небольшими колебаниями нагрузки.
При проведении расчетов установившегося режима с учетом изменения частоты баланс между генерацией и потреблением устанавливается
без участия балансирующего узла за счет СХН нагрузки и статизма генераторов
σ. В этом случае балансирующий узел выполняет только роль
базового узла.
7. Использованная литература:
- Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990 - 390 с.
- Канаевский Я.М. Расчет параметров схемы замещения трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения.
"Электричество", 2001 №2
- Методические указания по определению устойчивости энергосистем. Часть 1. - М., СПО Союзтехэнерго, 1979 - 184 с.
- Рабинович Р.С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989 - 352 с.
- Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Под ред. С. С. Рокотяна и И. М. Шапиро.- 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 352 с.
- Справочник по проектированию электрических сетей. Под ред. Д.Л. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с.
- Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Под ред. Б.Н. Неклепаева. Изд. 2-е, перераб. М., "Энергия", 1972 - 336 с.
- Help к программе RastrWin.
|