Способы повышения устойчивости системы

ОТВЕТЫ на Экзамен / Вопрос 18

Средства и методы повышения

устойчивости электроэнергетических систем

Средства и методы повышения устойчивости электроэнергетических систем можно разделить на четыре основные группы:

Во-первых, методы, связанные с улучшением характеристик основных элементов систем, непосредственно принимающих участие в выработке и распределении электрической энергии, с помощью конструктивных изменений. К этой группе можно отнести снижение переходных и синхронного сопротивлений генераторов, увеличение их механической постоянной инерции, повышение потолка возбуждения и быстродействия возбудителей, снижение индуктивного сопротивления линий электропередачи путем расщепления проводов и т. п.

Во-вторых, методы, предусматривающие использование для улучшения характеристик основных элементов систем электроснабжения средств автоматики. Это применение современных автоматических регуляторов возбуждения, в том числе регуляторов сильного действия, частоты вращения, экстренной форсировки возбуждения, автоматического повторного включения элементов системы, быстродействующих релейных защит и т.п.

В-третьих, дополнительные меры повышения устойчивости –емкостная продольная компенсация и переключательные пункты на линиях электропередачи, нагрузочные сопротивления для электрического торможения генераторов, синхронные компенсаторы на промежуточных подстанциях и т. д.

В-четвертых, мероприятия эксплуатационногохарактера. Книмможно отнести выбор схемы соединений и режимасистемы,обеспечивающих их наибольшую устойчивость, отключение части генераторов при коротком замыкании в системе, применение кратковременных асинхронных режимов и др.

Перечисленные методы могут повышать либо статическую или динамическую устойчивость системы, либо и ту и дру­гую одновременно. Выбор тех или иных средств улучшения устойчивости должен производиться на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов для каждого конкретного случая.

Улучшение характеристик основного оборудования путем конструктивных изменений связано, как правило, с повышением его стоимости и должно быть специально обосновано. Тот же эффект, но более экономичным путем, может быть достигнут с помощью средств автоматизации. Поэтому второй группе методов повышения устойчивости электроэнергетических систем в настоящее время отдается предпочтение. Дополнительные меры увеличения устойчивости применяются в основном в очень мощных энергосистемах и сочетают решение задачи повышения устойчивости с другими, главными для них задачами (регулирование уровней напряжения, увеличение пропускной способности линий и т. д.).

Из изложенного в параграфах 1.2, 1.4, 1.5 следует, что предел передаваемой мощности, а значит и статическая устойчивость системы электроснабжения, зависят прежде всего от ее общего сопротивления Х_с, номинального напряжения линии электропередачи U_Л, а также от ЭДС генератора Е и характера ее регулирования. Уменьшая сопротивление системы, увеличивая номинальное напряжение электропередачи и обеспечивая автоматическое регулирование возбуждения генераторов, мы повышаем предел передаваемой мощности и статическую устойчивость данной системы.

К сожалению, уменьшение сопротивлений элементов приводит, как уже отмечалось, к их удорожанию и часто экономически не оправдано. Находится в противоречии с экономическими требованиями и мера, связанная с повышением напряжения электропередачи. Известно, что линии электропередачи того или иного номинального напряжения экономически целесообразны лишь в определенном диапазоне передаваемых мощностей и дальностей передачи. Поэтому главным средством повышения статической устойчивости электроэнергетических систем является широкое применение автоматического регулирования напряжения генераторов. Современные быстродействующие, практически безынерционные, автоматические регуляторы напряжения обеспечивают возможность работы систем с малым запасом статической устойчивости вблизи внутреннего предела передаваемой мощности, а регуляторы сильного действия – даже за этим пределом, в зоне так называемой искусственной устойчивости.

Методы повышения динамической устойчивости электроэнергетических систем более многообразны. Рассмотрим важнейшиеиз них.

Является эффективным средством повышения динамической устойчивости. Только эта мера позволяет обеспечить устойчивость систем при наиболее тяжелых трехфазных коротких замыканиях. Сущность ее заключается в уменьшении длительности периода ускорения генераторав аварийном режиме.

Построим, характеристики мощности для системы с двумя линиями электропередачи, одна из которых отключается защитой после короткого замыкания (рис. 1.27). Очевидно, что чем меньше угол отключения т. е. чем меньше время отключения короткого замыкания, тем меньше площадь ускорения и тем больше площадь торможения, а значит и выше динамическая устойчивость данной системы. Заданной величине передаваемой мощности отвечает вполне определенный предельный угол отключения короткого замыкания , при котором площади ускорения и торможения равны. Если передаваемую мощность несколько увеличить, например до величины (рис. 1.27), то площадь ускорения увеличится, а площадь торможения уменьшится. Чтобы обеспечить устойчивую работу системы, необходимо уравнять площади ускорения и торможения, т.е. уменьшить угол отключения короткого замыкания ( на рис. 1.27, б). Таким образом, каждому значению передаваемой мощности соответствует вполне определенный предельный угол (и предельное время) отключения короткого замыкания. Очевидна и обратная зависимость – каждому значению угла от ключения (и времени отключения t_отк) короткого замыкания соответствует определенная максимальная передаваемая мощность.

На практике зависимости рассчитываются заранее. Вид таких зависимостей для одной из систем, работающей по схеме рис. 1.27, а на приемную систему неограниченной мощности, представлен на рис. 1.28. За 100% передаваемой мощности принята мощность, которая может быть передана системой при времени отключения короткого замыкания, равном нулю (внезапное отключение одной из линий). Как видно, увеличение времени отключения короткого замыкания резко уменьшает возможную величину передаваемой мощности. Особенно ярко эта зависимость выражена при трехфазных коротких замыканиях.

Уменьшение времени отключения короткого замыкания благоприятно не только с точки зрения устойчивости системы в прямом смысле – оно сокращает также вероятность перехода однофазного короткого замыкания в более тяжелые двух- и трехфазные, уменьшает разрушения от электрической дуги, повышает термическую и механическую устойчивость элементов системы и т. д. Время отключения короткого замыкания складывается из собственного времени срабатывания выключателя и времени уставки срабатывания релейной защиты. Отсюда становятся очевидными тенденции к максимальному сокращению времени срабатывания выключателей и реле защиты, а также требования к строго обоснованному выбору временной уставки защиты и стремление к уменьшению ее ступеней.

Автоматическое повторное включение (АПВ)

Автоматическое повторное включение (АПВ) элементов систем, особенно воздушных линий электропередачи, через небольшое время, необходимое для деионизации дуги короткого замыкания, позволяет сохранить питание потребителей, в 65…90% случаев вследствие самоустранения замыкания. Однако целесообразность применения АПВ определяется не только возможностью сокращения числа отключений потребителей, но и соображениями повышения устойчивости систем.

Особенно эффективно АПВ на одноцепных (нерезервированных) линиях, для которых каждое короткое замыкание при отсутствии АПВ влечет за собой длительные отключениялинии и, следовательно, нарушение параллельной работы передающей и приемной систем.

Рассмотрим картину двухфазного короткого замыкания в системе с одноцепной воздушной линией электропередачи (рис. 1.29). В точке а начального режима происходит короткое замыкание и сброс передаваемой мощности до уровня, соответствующего точке b на характеристике мощности при двухфазном замыкании. В точке с имеет местоотключение линии под действием релейной защиты. При этом передаваемая мощность, естественно, падает до нуля. Через некоторое время осуществляется автоматическое повторное включение линии с возвращением на исходную характеристику нормального режима, но с углом (точка d). Если располагаемая площадь торможения при этом будет больше площади ускорения, то система после успешного АПВ вернется в исходный режим.

Как видно из рис. 1.29, б, вследствие отключения одноцепной линии и сброса передаваемой мощности до нуля площадь ускорения генераторов существенно увеличивается. Для того чтобы уравновесить ее площадью торможения, угол не должен превышать некоторого предельного значения. В противном случае устойчивость системы будет нарушена.

Следует заметить, что условие равенства площадей торможения и ускорения устанавливает предельные значения не самого времени, а углов отключения и повторного включения поврежденной линии. Интервалы времени, в течение которых достигаются эти значения углов, зависят от постоянных инерции передающей и приемной систем. Чем больше эти постоянные,тем легче требования к скорости действия защиты и АПВ.

Таким образом, с точки зрения сохранения устойчивостисистемы время АПВ должно быть возможно меньшим. Но нельзя забывать, что оно не может быть меньше времени деионизации дуги, которое составляет от 0,05 до 0,3 с для линий электропередачи различного напряжения и исполнения. Автоматическое повторное включение обеспечивает также повышение устойчивости двухцепных линий электропередачи (рис. 1.30). При коротком замыкании на одной излиний рабочая точка режима системы перемещаетсяна характеристику аварийного режима (a—b), а при отключенииповрежденной линии–на характеристику мощностиодноцепнойсистемы(с—d).При успешном АПВ аварийной цепирабочаяточка режима переходит на исходную характеристику (е—f), что приводит к существенному увеличению площади торможения и, следовательно, повышению запаса динамической устойчивости рассматриваемой системы.

Данный способможет оказать существенное влияние на динамическую устойчивость систем. В предшествующем материале динамическая устойчивость рассматривалась в предположении, что во время переходного процесса не изменяется подача энергоносителя в первичный двигатель, т.е. остается постоянной механическая мощность Р₀. Такой подход значительно упрощает расчеты и достаточно обоснован, так как регуляторы первичных двигателей во время качаний, т.е. при небольших периодических изменениях скорости роторов, обычно не успевают прийти в действие и оказать влияние на характер электромеханических переходных процессов.

Если, однако, регулирование первичных двигателей будет достаточно быстрым и с ростом угла механическая мощность уменьшится, то устойчивость системы резко возрастет. Это хорошо видно из рис. 1.33, показывающего, как возрастает площадь торможения при уменьшении Р₀ с ростом .

Из вышеизложенного следуют два вывода. Во-первых, расчет устойчивости без учета изменения Р₀идет в запас устойчивости. Во-вторых, совершенствование регуляторов первичных двигателей, прежде всего повышение их быстродействия, является важным способом увеличения устойчивости систем. Вообще, если бы изменение механической мощности удавалось осуществлять в точном соответствии с величиной и скоростью изменения электрической мощности генераторов, не возникали бы избыточные моменты и проблема устойчивости перестала существовать.

К числу локальных мер, обеспечивающих повышение динамической устойчивости систем при однофазных и двухфазных замыканиях на землю, относится отказ от режима глухозаземленной нейтрали и переход на режим изолированной или компенсированной нейтрали в тех случаях, когда это допустимо по другим соображениям.

Широкое и комплексное внедрение рассмотренных выше мер повышения устойчивости электроэнергетических систем привело к тому, что нарушения устойчивости, вызывающие перерывы в электроснабжении, стали за последние годы сравнительно редким явлением. Однако тенденция к созданию мощных и сверхмощных энергообъединений делает проблему обеспечения устойчивости работы таких сложных систем одной из труднейших и актуальнейших в современной энергетике. Весьма актуальной остается также проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов соизмеримой мощности на резервных и автономных электростанциях.

Источник

Устойчивость энергосистемы. Общие сведения. Способы повышения устойчивости

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

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

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

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

Способы повышения устойчивости

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

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

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

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

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

Источник