Шпаргалка режимщика

Энергосистема: схемы замещения и модели элементов для расчета УР
(теория с примерами)


  1. Узлы расчетной схемы

  2. Линий электропередач


  3. Трансформаторы

    1. двухобмоточные трансформаторы


    2. автотрансформаторы и трехобмоточные трансформаторы


    3. трансформаторы с расщепленной на 2 части обмоткой


    4. трансформаторы с расщепленной на 3 части обмоткой

    5. автотрансформаторы с расщепленной обмоткой

  4. Нагрузка

  5. Реакторы и батареи конденсаторов


  6. Генераторы и синхронные компенсаторы, балансирующий узел

  7. Использованная литература



1. Узлы расчетной схемы

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


2. Линий электропередач

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:
 

         (2.3)

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.

3. Трансформаторы

     1. двухобмоточные трансформаторы

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:
(3.1.1)
 
 

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:
















     2. автотрансформаторы и трехобмоточные трансформаторы

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:

(3.2.1)

Полные сопротивления Z [Ом] определяются по формулам:
 

        

   (3.2.2)

        

В случае если известны все три значения потерь КЗ между парами обмоток, то активные сопротивления R [Ом] определяются по формулам:

        

   (3.2.3)

        

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]:

        

   (3.2.6)

        

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):

                                  

                           (3.2.7)

        

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:

  1. если нет РПН или ВДТ
  2.      (3.2.8)
  3. 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


     3. трансформаторы с расщепленной на 2 части обмоткой

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:

(3.3.4)

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 ):

  1. Дано ZВ-Н и КР:
       (3.3.5)
         (3.3.6)


  2. Дано ZВ-Н и ZВ-Н1(Н2):
       (3.3.7)
       (3.3.8)
       (3.3.9)


  3. 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:
(3.3.11)

По найденным Z и R определяются X[Ом]:
(3.3.12)

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:




     4. трансформаторы с расщепленной на 3 части обмоткой

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:

(3.4.1)

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:
(3.4.4)

По найденным Z и R определяются X[Ом]:
(3.4.5)

Коэффициент трансформации определяется таким же образом, как для двухобмоточного трансформатора:

   (3.4.6)



     5. автотрансформаторы с расщепленной обмоткой

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:

(3.5.1)

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]:
(3.5.9)
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))

4. Нагрузка

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:

  1. Нагрузка задана постоянным сопротивлением шунта R=const, X=const. В этом случае мощность является квадратичной функцией от напряжения, и эта зависимость имеет вид:


  2. Нагрузка задана постоянным током I=const, тогда мощность является линейной функцией от напряжения:


    где I` - активная составляющая тока;
          I`` - реактивная составляющая тока.

  3. 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:
  • коэффициенты по напряжению для активной мощности a0=0.83, a1=-0.3, a2=0.47;
  • коэффициенты по напряжению для реактивной мощности зависят от класса напряжения, к которому приведена нагрузка и текущего напряжения:
    • для сети 110 кВ СХН1:
      b0=3.7, b1=-7, b2=4.3 если 0.815Vном V 1.2Vном;
      b0=0.721, b1=0.158, b2=0 если V < 0.815Vном;
      b0=1.49, b1=0, b2=0 если V > 1.2Vном;
    • для сети 35 кВ СХН2:
      b0=4.9, b1=-10.1, b2=6.2 если 0.815Vном V 1.2Vном;
      b0=0.657, b1=0.158, b2=0 если V < 0.815Vном;
      b0=1.708, b1=0, b2=0 если V > 1.2Vном;
    Приведенные характеристики по напряжению изображены на рисунке:


    рис.4.2 Стандартные статические характеристики нагрузки по напряжению

  • коэффициент по частоте для активной мощности a3=2;
  • коэффициент по частоте для реактивной мощности b3 не может быть представлен одной цифрой, т.к. он во многом определяется зависимостью напряжения в узле от частоты, что в свою очередь определяется составом нагрузки. Весьма показательными являются приведенные ниже графики:


    рис.4.3 Экспериментальные статические характеристики реактивной мощности по частоте:
    1, 2 - комплексная нагрузка; 3 - узел с асинхронными и синхронными двигателями (с преобладанием асинхронной нагрузки); 4 - узел с асинхронными двигателями

    Как видно из приведенных графиков коэффициент b3 может изменяться от -2.5 до +4. В связи подобной неопределенностью при проведении расчетов не требующих точного отображения изменения реактивной мощности нагрузки при изменении частоты коэффициент b3 целесообразно принять равным нулю. В противном случае необходим детальный анализ состава нагрузки в рассматриваемых узлах c применением дополнительной литературы, например [4];


5. Реакторы и батареи конденсаторов

  • Шунтирующие реакторы представляются с помощью шунта, включаемого в узел установки реактора. Для этого необходимо определить G [См] и B [См] по формулам:

    (5.1)

  • 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


6. Генераторы и синхронные компенсаторы, балансирующий узел

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:

  1. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990 - 390 с.
  2. Канаевский Я.М. Расчет параметров схемы замещения трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения. "Электричество", 2001 №2
  3. Методические указания по определению устойчивости энергосистем. Часть 1. - М., СПО Союзтехэнерго, 1979 - 184 с.
  4. Рабинович Р.С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989 - 352 с.
  5. 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.
  6. Справочник по проектированию электрических сетей. Под ред. Д.Л. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с.
  7. 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.
  8. Help к программе RastrWin.
Последние изменение 16.02.2007
Сергей Мотовилов