Praca systemów elektroenergetycznych - laboratorium NST, 2018/19

Transkrypt

1 Ćwiczenie 3 Regulacja napięć i rozpływów mocy biernej w wielonapięciowych systemach elektroenergetycznych Cel ćwiczenia Zapoznanie ze sposobami regulacji napięć i rozpływów mocy biernej w wielonapięciowym systemie elektroenergetycznym przez regulację przekładni transformatorów, zmianę napięcia generatorów i kompensację mocy biernej. Wprowadzenie Regulacja napięć i rozpływów mocy biernej jest oprócz regulacji częstotliwości, najważniejszym zagadnień związanych z prowadzeniem ruchu i eksploatacją SEE. Napięcia węzłowe są jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących stan pracy systemu a ich dopuszczalne wartości są ściśle określone przez przepisy ruchu i eksploatacji. Zbyt duże odchylenia napięć od wartości znamionowych wpływają negatywnie na właściwości ruchowe odbiorników powodując pogorszenie sprawności, wydajności, trwałości itp. Mogą też prowadzić do rozwinięcia się awarii systemowych związanych z utratą stabilności napięciowej. Konieczne staje się zatem utrzymanie napięć w SEE na odpowiednim poziomie w każdych możliwych do wystąpienia warunkach normalnej pracy. Zadaniem regulacji napięcia w warunkach ustalonej pracy SEE jest oddziaływanie na wartości napięć węzłowych oraz sterowanie nimi w celu uzyskania ich pożądanych wartości w poszczególnych częściach systemu jak również uzyskanie pożądanego rozpływu mocy. Głównymi środkami technicznymi stosowanymi w sterowaniu napięciami i przepływami mocy biernej stosuje się regulację napięcia generatorów, regulację przekładni transformatorów pod obciążeniem, zmianę układu połączeń w systemie, zmianę rozpływu mocy biernej przez przyłączenie dodatkowych źródeł tej mocy (baterii kondensatorów, dławików). Utrzymanie właściwych poziomów napięć i rozpływów mocy biernej w dużych stacjach elektrownianych wymaga stosowania indywidualnych lub grupowych układów automatycznej regulacji napięcia i rozpływów mocy biernej realizowanych w oparciu o układy Automatycznej Regulacja Napięcia Elektrowni (ARNE). Ich zadaniem jest regulacja mocy biernej generatorów i przekładni transformatorów sprzęgłowych. Prócz tego zastosowanie znajdują energoelektroniczne układy FACTS realizujących funkcje kompensatorów statycznych. Jako środki regulacji napięć i rozpływów mocy biernej w ćwiczeniu rozpatrywane są: regulacja przekładni transformatorów pod obciążeniem, zmiana napięcia generatorów i kompensacja mocy biernej. Regulacja przekładni transformatorów pod obciążeniem W transformatorach z regulacja przekładni pod obciążeniem (ang. On-Load Tap Changer, OLTC) regulacja napięcia jest realizowana przez zmianę czynnej przekładni zwojowej przy pracującym transformatorze (nie ma przerw w przesyle energii przy zmianie przekładni). Transformatory tego typu nazywa się też transformatorami regulacyjnymi. Wysokie koszty przełączników zaczepów sprawiają, że stosowane są one w GPZ i stacjach NN. W warunkach krajowych w przełączniki zaczepów nie wyposaża się transformatorów blokowych. Ze względu na większą liczbę zwojów i mniejsze prądy uzwojenia regulację przekładni realizuje się zwykle po stronie uzwojenia górnego. Przekładnię reguluje się za pomocą przełącznika zaczepów. Zmiany przekładni odbywają się skokowo. Zakres i dokładność regulacji zależą od zakresu zmian przekładni i liczby odczepów: dochodzi on do ±20% przy stopniach regulacyjnych od 0,5 % do 2,5%. Przy włączonej regulacji przekładni pod obciążeniem transformator utrzymuje zadaną wartość napięcia o ile pozwala na to dostępny zakres regulacji. Przekładnia transformatora zmienia się zgodnie z zależnością: t tmin n 1 t, (1) gdzie: t min minimalna wartość przekładni odpowiadająca dolnemu krańcowemu położeniu przełącznika zaczepów, n numer zaczepu (licząc od dolnego krańcowego położenia przełącznika zaczepów), t zmiana przekładni na jeden stopień regulacji. 1

2 Bieżąca wartość napięcia regulowanego U L jest porównywana z wartością nastawioną U Ls przez obliczenie błędu regulacji: U U L U Ls. (2) Sygnał sterujący, w zależności od wartości błędu, przyjmuje jedną z trzech wartości: 0 / 2 U / 2 e 1 U / 2, (3) 1 U / 2 gdzie: szerokość strefy nieczułości regulacji. Numer odczepu n jest modyfikowany zgodnie z zależnością: n' n e. (4) Nie można przy tym przekroczyć dopuszczalnego zakresu regulacji. W niniejszym ćwiczeniu realizowane są obliczenia z uwzględnieniem nowej wartości przekładni. Zmiana napięcia generatorów Turbozespoły w elektrowni składają się turbiny i generatora, który jest źródłem mocy czynnej i biernej. Moc czynna zależna jest od mocy czynnika roboczego dostarczonego do turbiny, zaś moc bierna zależy m. in. od oddawanej mocy czynnej, napięcia wzbudzenia, napięcia na zaciskach generatora i in. Generatory synchroniczne mają możliwość generowania, jak i pobierania mocy biernej. Możliwości generacji mocy biernej zależą od ich reaktancji synchronicznej. Mogą one być zwiększone przez zastosowanie regulacji napięcia. Sterując wzbudzeniem uzyskuje się wymaganą wartość napięcia na zaciskach generatora lub wartość mocy biernej. Węzeł generatorowy jest modelowany w obliczeniach rozpływów mocy jako węzeł PU, tzn. napięcie w tym węźle jest ustalane na początku obliczeń. Kompensacja mocy biernej Zadaniem kompensacji mocy biernej jest przede wszystkim utrzymanie wartości napięć węzłowych na odpowiednim poziomie a także ograniczenie strat mocy czynnej w SEE. Przepływ mocy biernej Q przez gałąź o rezystancji R i reaktancji X wpływa na spadek napięcia na impedancji, który można oszacować z przybliżonej zależności: P R Q X U, (5) U gdzie: P moc czynna w gałęzi, U napięcie na krańcu gałęzi, którego dotyczą przepływy P i Q. Ponieważ w sieciach WN i NN reaktancje gałęzi są większe od ich rezystancji (X > R), spadki i poziomy napięć w sieci są ściśle powiązane z przepływami mocy biernej. Moc bierna przysyłana w gałęzi od węzła i do j może być wyznaczona ze wzoru: Ui U j Qij Ui. (6) X Zwiększenie mocy biernej dopływającej do węzła i (przy stałym U j ) powoduje zwiększenie napięcia w tym węźle, zmniejszenie przepływu mocy biernej z kolei obniża napięcie. Napięcia węzłowe wpływają na prądy, których wartości przy tej samej mocy są odwrotnie proporcjonalne do napięcia. Straty mocy przesyłanej zależą od kwadratu modułu prądu: 2 2 P Q 2 S I Z R j X. (7) 2 U Przepływy mocy biernej ograniczają możliwości przesyły mocy czynnej i wpływają na straty mocy. Wynika stąd potrzeba wytwarzania mocy biernej lokalnie, aby unikać jej przesyłania na większe odległości. Kompensacja mocy biernej jest realizowana przez przyłączenie do węzłów sieci dodatkowych jej źródła, którymi są baterie kondensatorów oraz dławiki. W niektórych zastosowaniach wykorzystuje się też kompensatory statyczne oparte na układach energoelektronicznych. Lokalizacja dodatkowych źródeł mocy biernej odbywa się na podstawie złożonych obliczeń optymalizacyjnych. ij 2

3 W obliczeniach rozpływów mocy kompensację mocy biernej można uwzględnić przez podanie wartości mocy kompensacji parametr Qsh w danych węzłowych lub przez zmniejszenie mocy biernej odbioru (parametr Q D ) lub dołączenie do węzła poprzecznej gałęzi o charakterze pojemnościowym (B sh >0). Przebieg ćwiczenia 1. Do obliczeń rozpływów mocy wykorzystuje się model systemu przygotowany w ramach realizacji ćwiczeń nr 1 i 2. Dane wyjściowe powinny być zapisane w pliku zgodnie z formatem akceptowanym przez program rmnew z możliwością uwzględnienia różnych sposobów regulacji napięć węzłowych. Przyjąć, że napięcie w węźle bilansującym (wsys) ma wartość 1.05 pu oraz stan załączenia wszystkich gałęzi (linii i transformatorów). 2. Realizacja ćwiczenia polega na wielowariantowych obliczeniach rozpływów mocy, których celem jest określenie sposobów regulacji napięć i zmian przepływów mocy biernej w celu uzyskania zadanego profilu napięć węzłowych systemu i zmniejszenia strat mocy w stosunku do przypadku bazowego. W obliczeniach rozpływowych należy wykorzystać następujące sposoby (lub ich kombinację): Przyłączenie do węzłów dodatkowych źródeł mocy biernej: w węzłach o dużym poborze mocy biernej indukcyjnej zostaje włączony uogólniony kompensator poprzez dołączenie mocy kompensacyjnej (zmniejszenie mocy biernej indukcyjnej obciążenia Q D ) lub dołączenie do węzła poprzecznej gałęzi (bocznika) o charakterze pojemnościowym (Q sh < 0), Zmiana napięć generatorów: ustalenie napięcia w zakresie ±10%U N w węzłach typu 2 (typu PU) z przyłączonymi generatorami, tj. w węzłach wg1 wg4, Regulacja przekładni transformatorów pod obciążeniem: uwzględnienie możliwości zmian przekładni transformatorów 110/SN: T3, T4 oraz T7 oraz T8 (GPZ); węzeł po stronie SN, w którym ma być utrzymywane zadane napięcie przez zmianę przekładni (o ile zakres regulacji na to pozwala) musi być zamodelowany jako węzeł typu 5. Uwaga: węzeł, w którym utrzymywane jest zadane napięcie musi być węzłem końcowym gałęzi transformatora. 3. Zachować dane dotyczące kilku najlepszych, zdaniem ćwiczącego, wariantów rozpływów biorąc pod uwagę: napięcia węzłowe w węzłach odbiorczych, straty mocy czynnej, wartości mocy biernej w węzłach generacyjnych, zdolność utrzymania zadanych wartości napięć przez regulację przekładni pod obciążeniem. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: dane wyjściowe do obliczeń, zestawione tabelarycznie wyniki obliczeń komputerowych dla wariantu podstawowego (bez stosowania środków regulacji napięć i przepływów mocy biernej), wybrane wyniki obliczeń wariantowych dla rozpatrywanych sposobów regulacji napięć, charakterystykę wybranych w pkt. 3 wariantów rozpływów mocy, wnioski końcowe. Pytania kontrolne 1. Przedstawić najważniejsze cele regulacji napięć i zmiany rozpływów mocy biernej w systemie elektroenergetycznym. 2. Scharakteryzować następujące sposoby regulacji napięcia i mocy biernej: regulacja przekładni transformatorów pod obciążeniem, zmiana napięcia generatorów, kompensacja mocy biernej. 3. W jaki sposób modeluje się wymieniowe w pkt. 2 sposoby regulacji napięć i rozpływów mocy biernej dla potrzeb obliczeń rozpływów mocy? 3

4 Dodatek Przykładowy plik cw3dat.m z danymi do obliczeń rozpływów mocy dla a=0; włączona została regulacja pod obciążeniem dla transformatorów T3, T4 z zadanym napięciem w węźle W6 (typ 5) równym U n. 4

5 function [wezly,linie,transf,sbase]=cw3dat % Dane do programu srm.m Sbase = 100; % moc bazowa w MVA % Uwaga! Wszystkie nastepne dane wezlowe i galeziowe podane sa w jednostkach mianowanych. % Dane transformatorow odniesione do napieci poczatkowego wezly={ % Pd(+) - moc czynna odbierana w wezle, Pd(-) - moc czynna doplywajaca z sieci do wezla % Qd(+) - moc bierna odbierana w wezle (indukcyjna), Qd(-) - moc bierna generowana w wezle (pojemnosciowa) % Pg(+) - moc czynna generowana w wezle, Pg(-) - moc czynna odbierana w wezle % Qg(+) - moc bierna generowana w wezle, Qg(-) - moc bierna odbierana w wezle % Psh(+) - moc czynna odbierana w wezle jako staloimpedancyjna (shunt - np. straty ulotu) % Qsh(+) - moc bierna poprzeczna (shunt) pojemnosciowa, Qsh(-) - moc bierna poprzeczna indukcyjna %nazwa typ Un_kV Um k_st Pd Qd Pg Qg Psh Qsh % 'w1' ; 'w2' ; 'w3' ; 'w4' ; 'w5' ; 'w6' ; 'w7' ; 'wg1' ; 'wg2' ; 'wg3' ; 'wg4' ; 'wsys' ; }; linie={ % Susceptancja poprzeczna linii jest dodatnia % STATUS galezi: status=1 - zalaczona, status=0 - wylaczona % nazwa n_wp n_wk R X G B st % 'lin1' 'w1' 'w3' ; 'lin2' 'w1' 'w3' ; 'lin3' 'w2' 'w3' ; 'lin4' 'w2' 'w3' ; 5

6 'lin5' 'w3' 'w4' ; 'lin6' 'w3' 'w4' ; 'lin7' 'w5' 'w3' ; 'lin8' 'w5' 'w3' ; 'lin9' 'w1' 'w4' ; 'lin10' 'w1' 'w4' ; 'lin11' 'w2' 'w5' ; 'lin12' 'w2' 'w5' ; 'lin13' 'w1' 'w2' ; 'lin14' 'w1' 'w2' ; 'lin15' 'w4' 'w5' ; 'lin16' 'w4' 'w5' ; }; transf={ % Susceptancja poprzeczna transformatora jest ujemna. % Przekladnia znamionowa trans. tn=uwpn/uwkn % Uwpn - nap. znam. wez. pocz., Uwkn - nap. znam. wez. konc. % Przekladnia trpu = tr/tn jest odniesiona do przekladni znamionowej tn. % Kat przekladni musi byc podany w stopniach. % dtr - przyrost przekl. na zaczep % Imax - dopuszczalny prad w ka odnosi sie do wezla poczatkowego transformatora % STATUS galezi: status=1 - zalaczona, status=0 - wylaczona %nazw nazwp nazwk R X G B tm k_st tmin tmax dtr st % 'tr1' 'w1' 'wg1' ; 'tr2' 'w1' 'wg2' ; 'tr3' 'w2' 'w6' ; 'tr4' 'w2' 'w6' ; 'tr5' 'w3' 'wsys' ; 'tr6' 'w3' 'wsys' ; 'tr7' 'w4' 'w7' ; 'tr8' 'w4' 'w7' ; 'tr 9' 'w5' 'wg3' ; 'tr10' 'w5' 'wg4' ; }; return; 6

7 Plik rmout.m z przykładowymi wynikami obliczania rozpływu mocy dla a=0 (włączona regulacja pod obciążeniem dla transformatorów T3, T4 dla zadanej wartości napięcia w węźle 6 U m6 = U z =1.055 U N ). Input data have been read from the file G:\cw\cw2new.m There is a slack bus with the numerical bus name 12 1-w1 - polaczenia!: 2-w2, 3-w3, 4-w4, 8-wG1, 9-wG2, 2-w2 - polaczenia!: 1-w1, 3-w3, 5-w5, 6-w6, 3-w3 - polaczenia!: 1-w1, 2-w2, 4-w4, 5-w5, 12-wSYS, 4-w4 - polaczenia!: 1-w1, 3-w3, 5-w5, 7-w7, 5-w5 - polaczenia!: 2-w2, 3-w3, 4-w4, 10-wG3, 11-wG4, 6-w6 - polaczenia!: 2-w2, 7-w7 - polaczenia!: 4-w4, 8-wG1 - polaczenia!: 1-w1, 9-wG2 - polaczenia!: 1-w1, 10-wG3 - polaczenia!: 5-w5, 11-wG4 - polaczenia!: 5-w5, 12-wSYS - polaczenia!: 3-w3, ============ Rozplyw mocy po procesie iteracyjnym ============= Iteration process of Netwon-Raphson method IT= 1, SignDetJ=-1, Unbalance= bus with Max. Unbal. 10: Um=1.0906, dpmax= IT= 2, SignDetJ=-1, Unbalance= bus with Max. Unbal. 7: Um=0.9113, dpmax= IT= 3, SignDetJ=-1, Unbalance= bus with Max. Unbal. 7: Um=0.9110, dpmax= IT= 4, SignDetJ=-1, Unbalance=1.815e bus with Max. Unbal. 7: Um=0.9110, dpmax=-4.298e-008 Brak wezlow z ograniczeniami mocy biernej Bus Voltages and Powers obtained from Load Flow Solution 7

8 ================================================================================================= BUS VOLTAGE GENERATION LOAD const LOAD shunt Nr Name type U_pu angle U_kV Pg(MW) Qg(Mvar) Pd(MW) Qd(Mvar) Psh(MW) Qsh(Mvar) ================================================================================================= 1 w w w w w w w wg wg wg wg wsys Total: Active - P and Reactive - Q Branch Flows ========================================================================================================== FROM TO FLOW at begin FLOW at end straty I^2*Z str.(up^2+uk^2)ysh Nr BUS BUS P(MW) Q(Mvar) P(MW) Q(Mvar) dp(mw) dq(mvar) dpsh(mw) dqsh(mvar) ========================================================================================================== 1 lin1 w1 w lin2 w1 w lin3 w2 w lin4 w2 w lin5 w3 w lin6 w3 w lin7 w5 w lin8 w5 w lin9 w1 w lin10 w1 w lin11 w2 w lin12 w2 w

9 13 lin13 w1 w lin14 w1 w lin15 w4 w lin16 w4 w tr1 w1 wg tr2 w1 wg tr3 w2 w tr4 w2 w tr5 w3 wsys tr6 w3 wsys tr7 w4 w tr8 w4 w tr 9 w5 wg tr10 w5 wg ========================================================================================================== Razem LINIE Razem TRANSF Razem STRATY ================================================================== 9