Laboratorium Pracy Systemów Elektroenergetycznych STS, 2017/18

Transkrypt

1 Ćwiczenie 3 Regulacja napięć i rozpływów mocy biernej w wielonapięciowych systemach elektroenergetycznych Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta ze sposobami regulacji napięć i gospodarką mocą bierną w wielonapięciowym systemie elektroenergetycznym przez regulację przekładni transformatorów, zmianę napięcia generatorów i kompensację mocy biernej. Wprowadzenie Napięcie zasilające odbiór jest jednym z podstawowych parametrów jego pracy. Zbyt duże odchylenia napięć od wartości znamionowych wpływają negatywnie na właściwości ruchowe odbiorników powodując pogorszenie sprawności, wydajności, trwałości itp. 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 moduł i fazę napięć węzłowych oraz sterowanie nimi w celu uzyskania odpowiednich wartości napięć w poszczególnych częściach systemu bądź też pożądanego rozpływu mocy. W praktyce dopuszcza się niewielkie odchylenia napięcia nie wpływające istotnie na pracę odbiorników. Głównymi środkami technicznymi stosowanymi w sterowaniu napięciami i przepływami mocy biernej stosuje się regulację napięcia generatorów, regulację przekładni transformatorów, zmianę układu połączeń w systemie, zmianę rozpływu mocy biernej przez lokalizację dodatkowych źródeł tej mocy (baterii kondensatorów statycznych, dławików). W sieciach najwyższych napięć zastosowanie znajdują urządzenia do automatycznej regulacji napięcia i mocy biernej (Automatyczna Regulacja Napięcia Elektrowni ARNE). Coraz szersze 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. 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. 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 1

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. Dalej 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 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. Dodatkowo możliwa jest zmiana przekładni transformatorów blokowych. 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, 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. 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. Schemat systemu pokazano na rys. 1 w instrukcji do ćw. 1 (indywidualny schemat do obliczeń). Należy wykorzystać dane przygotowane dla wariantu podstawowego, podobnie jak dla ij 2

3 rozpływu mocy w jednostkach mianowanych. W ćwiczeniu wykorzystuje się wielokrotnie program rozpływowy rmnew. 2. Dane do obliczeń powinny być przygotowane podobnie jak w ćwiczeniu 2 i zapisane w m- pliku podobnym do pliku rmdat.m, np. cw3dat.m. 3. Za pomocą programu komputerowego rmnew należy obliczyć warianty rozpływów mocy dla następujących warunków: napięcie systemu zewnętrznego 220 kv, tj. napięcie w węźle bilansującym ma wartość 1.05U N, wszystkie gałęzie (linie i transformatory) są załączone. 4. Regulacja napięć i rozpływów mocy biernej jest realizowana następującymi sposobami: w węzłach o dużym poborze mocy biernej indukcyjnej zostaje włączony uogólniony kompensator poprzez dołączenie mocy kompensacyjnej (zmniejszenie mocy biernej indukcyjnej Q D > 0) lub dołączenie do węzła poprzecznej gałęzi (bocznika) o charakterze pojemnościowym (B sh > 0), zmiana przekładni transformatorów blokowych T1, T2, T9, T10 zgodnie z dostępnym zakresem, ewentualnie zmiana napięcia w węzłach generatorowych w celu zmiany napięcia po stronie 110 kv, włączenie regulacji napięcia pod obciążeniem przez zmianę przekładni transformatorów 110/SN: T3, T4 oraz T7 oraz T8 (GPZ); węzeł po stronie SN, w którym ma być utrzymywane napięcie przez zmianę przekładni (o ile zakres regulacji na to pozwala) musi być typu 5. Określa się go w kolumnie typ danych węzłowych. Uwaga: węzeł, w którym utrzymywane jest zadane napięcie musi być węzłem końcowym gałęzi transformatora. 5. Obliczyć rozpływów mocy dla wybranych wariantów realizujących sposoby podane w pkt. 3, rejestrując poziomy napięć w węzłach, straty mocy czynnej w rozważanym systemie, wartości przekładni transformatorów i in. 6. Ocenić w każdym wariancie, czy odchylenia napięć w węzłach sieci znajdują się w dopuszczalnych przedziałach ±10%U n oraz jak zmieniają się straty mocy czynnej w sieci i rozpływy gałęziowe mocy biernej. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: dane wyjściowe do obliczeń, zestawione tabelarycznie wyniki obliczeń komputerowych dla wariantu podstawowego bez uwzględnienia sposobów regulacji, wybrane wyniki obliczeń wariantowych dla rozpatrywanych sposobów regulacji, ocenę poszczególnych wariantów pod względem występujących odchyleń napięć, wielkości strat mocy czynnej, analizę skuteczności regulacji napięcia, możliwość utrzymania zadanych wartości napięć itp., wnioski końcowe. Pytania kontrolne 1. Przedstawić najważniejsze cele regulacji napięcia i mocy biernej w systemie elektroenergetycznym. 2. Scharakteryzować następujące sposoby regulacji napięcia i mocy biernej: regulacja przekładni transformatorów pod obciążeniem, zmiana napięcia generatorów i kompensacja mocy biernej. 3. Jak modeluje się wymieniowe w pkt. 2 sposoby regulacji dla potrzeb obliczeń rozpływów mocy? 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. 3

4 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' ; 4

5 '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; 5

6 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 6

7 ================================================================================================= 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

8 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 ================================================================== 8