Расчет электроэнергетической системы в условиях несимметрии и несинусоидальности
Аннотация
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ НЕСИММЕТРИИИ И НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ
Для эффективного и безопасного управления энергосистемой осуществляются расчеты допустимых электроэнергетических режимов ЕЭС России и ее составных частей: объединенных и региональных энергосистем, отдельных энергорайонов и энергоузлов. При проектировании и эксплуатации электрических систем основной составляющей являются расчёты установившихся режимов. Результаты этих расчётов важны, так как используются при оперативном управлении и планировании режимов, также эти данные используются при оптимизации, оценке устойчивости и надёжности энергетической системы (ЭС).
Два
На втором слайде представлены задачи моего исследования.
Оценка существующей системы допущений при методики расчете установившихся режимов электроэнергетической системы;
Расчет режима электроэнергетической системы в условиях несимметричности и его особенности;
Моделирование элементов электроэнергетической системы при использовании метода фазных координат;
Расчет режима электроэнергетической системы в условиях несинусоидальности.
Три
Допущения при классических методах расчетов режимов.
Традиционные методы расчета режимов электрических систем базируются на однолинейном представлении трехфазных цепей и расчетная математическая модель, описывающая состояние энергосистемы имеет ряд допущений, таких как
Напряжения симметричны;
Токи симметричны;
Напряжения и токи синусоидальны;
Нагрузка синусоидальна;
Схема замещения однолинейная;
Не учитывается схема соединений трансформаторов;
Как следствие:
Расчет выполняется в линейных напряжениях и фазных токах
Четыре
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что в реальных сетях наблюдается несимметирия токов и напряжений. Результаты реальных измерений в сети 110 кВ приведены на слайде. Показаны Фазные токи и напряжения, посчитаны линейные напряжения.
Пять
Как было сказано выше, в реальной электроэнергетической системе возникает несимметрия токов и напряжений, и уход от допущений, приводит к усложнению расчетной модели.
Несимметричная нагрузка характеризуется:
Токи несимметричны;
Напряжения несимметричны;
Схема замещения несимметрична и моделируется пофазно с учетом взаимосвязей между фазами;
Наличие связей через систему заземления и грозозащитные тросы.
Расчет в таком случае производится в фазных координатах
Шесть
В общем виде любая электрическая система может быть представлена моделью, состоящей из узлов и связей между ними. Электрическая трехфазная система в фазных координатах моделируется представлением каждого трехфазного узла как трех отдельных узлов, соответствующих фазам А, В, С. Каждая ветвь системы (рис.1а) так же представляется тремя ветвями, соответствующими фазам А, В, С и в общем случае связанными взаимными электромагнитными влияниями (рис. 1б). Основная сложность данного метода заключается в необходимости разработки математических моделей каждого элемента сети. При учёте взаимных сопротивлений мы получаем модели элементов сети с в виде полносвязных решетчатых схем замещения.
Семь
В настоящее время чаще всего параметры предоставляются в симметричных составляющих, поэтому определять параметры в фазных координатах необходимо из параметров фактических испытаний и измерений или расчетным способом, зная геометрические и электромагнитные параметры элемента.
На примере двухцепной ВЛ с различными вариантами фазировки, видно что геометрическое расстояние между фазами в каждом случае разное, и влияние цепей друг на друга разное. Это необходимо учитывать при составление расчетной модели.
Восемь
На данном слайде представлена расчетная схема замещения. На ней отмечены взаимосвязи между фазами. Обозначена нейтраль т ее взаимодействие. А так же грозозащитный трос. Взаимные связи с ним не обозначены что бы не перегружать рисунок, но такие связи существуют и их возможно учитывать при расчете режимов в фазных координатах.
Девять
Был проведен расчет установившегося режима несколькими вариантами.
-Расчет однолиненйной схемы при симметричной нагрузке
-Расчет в фазных координатах при симметричной нагрузке.
На слайде представлены исходные данные для этого расета.
(результаты численных экспериментов. В качестве базисного узла принимается узел 1. Одноцепные линии выполнены проводами марки АС-240.
Нагрузки приводятся к узлам. Мощность в узлах. Линии строго симметричны, расстояние между фазами одной линии составляет 6 метров).
Десять
Расчеты проводились методом фазных координат и сравнивались с соответствующими расчетами, выполненными методом симметричных составляющих (результаты приведены в таблице)
За счет накопления ошибки в процессе расчета, отличия полученных результатов не значительны.
Одиннадцать
Результаты расчета при несимметричной нагрузке. Заданная степень несимметрии показана на слайде. Результаты приведены на рисунке.
Двенадцать
Причины нарушения синусоидальности токов и напряжений в электроэнергетической системе:
Нелинейные потребители электроэнергии
Нелинейность оборудования электроэнергетической системы
Увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов.
Влияние высших гармоник на электроэнергетическую систему:
Снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии;
Старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
Ложная работа оборудования.
Тринадцать
Параметры схемы замещения ЛЭП. Параметры изменяют при учете высших гармоник. Зависимость от номера гармоникии представлена на графике.
Четырнадцать:
Методы расчета установившихся режимов при наличии несинусоидальной нагрузки:
При допущении о симметричности нагрузки рассчитываем для каждой гармоники с дальнейшим объединением результатов;
Методом фазных координат для каждой гармоники
Методом с учетом распределенности параметров
Расчет в мгновенных значениях
Пятнадцать
Уравнения для расчета в мгновенных значениях и с учетом распределенности параметров, приведены на слайдах.
Шестнадцать
Для оценки влияния коэффициента искажения синусоидальности на результат расчета установившегося режима, сравним результаты расчета напряжения базисного узла при чисто синусоидальной нагрузке и при искаженных фазных токах и напряжениях нагрузки.
Первый расчет был выполнен для чисто синусоидального сигнала тока и напряжения (коэффициент искажения формы кривой K_i=0%; K_u=0%).
Второй расчет выполнен для симметричных токов и напряжений, но несинусоидальных, как токов, так и напряжений.
Третий расчет выполнен для симметричных токов и напряжений, но несинусоидальных, как токов, так и напряжений, но с большим коэффициентом искажения по току.
Все расчеты были выполнены тремя способами. Методом фазных координат, методом с учетом распределенности параметров, методом расчета в мгновенных значениях.
Семнадцать
Задачей для данного расчета, так же как и для первого, было найти напряжения балансирующего узла. Для второго численного эксперимента была взята расчетная схемы, показанная на рисунке, но для этого расчета были взяты симметричные и синусоидальные напряжения, но несинусоидальные и несимметричные по фазам токи
Восемнадцать
Третий численный эксперимент был проведен на основе схемы сети показанной на рисунке. Во втором узле чисто синусоидальный потребитель (симметричные и синусоидальные токи и напряжения), в третьем узле несинусоидальный потребитель (токи несимметричные и несинусоидальные).
Особенность данного эксперимента заключалась в том, чтобы оценить влияние несинусоидальной нагрузки на синусоидальную, в условиях сопоставимых по величине нагрузок, сети с небольшой протяженностью линий, тем самым приблизив данный эксперимент к реальным городским условиям.
Результаты расчета приведены в таблице, для третьего как и для предыдущих случаев для сравнения приведены расчеты по трем методикам.
В результате было выявлено, что после итерационного метода расчета влияние нелинейной нагрузки в узле 3, оказало отрицательное влияние на нагрузку второго узла, как видно из таблицы напряжения в балансирующем узле перестали быть симметричными и синусоидальными.
Таким образом нельзя игнорировать, тот факт, что нелинейная нагрузка оказывает отрицательное влияние на сеть. То есть если у нас имеется какой-либо крупный нелинейный потребитель, то он будет значительно искажать ток и напряжение во всей сети. Качество электрической энергии будет страдать.
Девятнадцать
Наличие несинусоидальных токов и напряжений оказывает влияние на результаты расчета установившегося режима.
Параметры схемы замещения изменяются в зависимости
от формы кривой приложенного напряжения и формы кривой приложенного тока.
Изменяется поведение синусоидальных потребителей
под действием нелинейных нагрузок.
Для оценки таких режимов требуется знание о характере нагрузки (форма кривой
Двадцать
Для эффективного и безопасного управления энергосистемой осуществляются расчеты допустимых электроэнергетических режимов ЕЭС России и ее составных частей: объединенных и региональных энергосистем, отдельных энергорайонов и энергоузлов. При проектировании и эксплуатации электрических систем основной составляющей являются расчёты установившихся режимов. Результаты этих расчётов важны, так как используются при оперативном управлении и планировании режимов, также эти данные используются при оптимизации, оценке устойчивости и надёжности энергетической системы (ЭС).
Два
На втором слайде представлены задачи моего исследования.
Оценка существующей системы допущений при методики расчете установившихся режимов электроэнергетической системы;
Расчет режима электроэнергетической системы в условиях несимметричности и его особенности;
Моделирование элементов электроэнергетической системы при использовании метода фазных координат;
Расчет режима электроэнергетической системы в условиях несинусоидальности.
Три
Допущения при классических методах расчетов режимов.
Традиционные методы расчета режимов электрических систем базируются на однолинейном представлении трехфазных цепей и расчетная математическая модель, описывающая состояние энергосистемы имеет ряд допущений, таких как
Напряжения симметричны;
Токи симметричны;
Напряжения и токи синусоидальны;
Нагрузка синусоидальна;
Схема замещения однолинейная;
Не учитывается схема соединений трансформаторов;
Как следствие:
Расчет выполняется в линейных напряжениях и фазных токах
Четыре
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что в реальных сетях наблюдается несимметирия токов и напряжений. Результаты реальных измерений в сети 110 кВ приведены на слайде. Показаны Фазные токи и напряжения, посчитаны линейные напряжения.
Пять
Как было сказано выше, в реальной электроэнергетической системе возникает несимметрия токов и напряжений, и уход от допущений, приводит к усложнению расчетной модели.
Несимметричная нагрузка характеризуется:
Токи несимметричны;
Напряжения несимметричны;
Схема замещения несимметрична и моделируется пофазно с учетом взаимосвязей между фазами;
Наличие связей через систему заземления и грозозащитные тросы.
Расчет в таком случае производится в фазных координатах
Шесть
В общем виде любая электрическая система может быть представлена моделью, состоящей из узлов и связей между ними. Электрическая трехфазная система в фазных координатах моделируется представлением каждого трехфазного узла как трех отдельных узлов, соответствующих фазам А, В, С. Каждая ветвь системы (рис.1а) так же представляется тремя ветвями, соответствующими фазам А, В, С и в общем случае связанными взаимными электромагнитными влияниями (рис. 1б). Основная сложность данного метода заключается в необходимости разработки математических моделей каждого элемента сети. При учёте взаимных сопротивлений мы получаем модели элементов сети с в виде полносвязных решетчатых схем замещения.
Семь
В настоящее время чаще всего параметры предоставляются в симметричных составляющих, поэтому определять параметры в фазных координатах необходимо из параметров фактических испытаний и измерений или расчетным способом, зная геометрические и электромагнитные параметры элемента.
На примере двухцепной ВЛ с различными вариантами фазировки, видно что геометрическое расстояние между фазами в каждом случае разное, и влияние цепей друг на друга разное. Это необходимо учитывать при составление расчетной модели.
Восемь
На данном слайде представлена расчетная схема замещения. На ней отмечены взаимосвязи между фазами. Обозначена нейтраль т ее взаимодействие. А так же грозозащитный трос. Взаимные связи с ним не обозначены что бы не перегружать рисунок, но такие связи существуют и их возможно учитывать при расчете режимов в фазных координатах.
Девять
Был проведен расчет установившегося режима несколькими вариантами.
-Расчет однолиненйной схемы при симметричной нагрузке
-Расчет в фазных координатах при симметричной нагрузке.
На слайде представлены исходные данные для этого расета.
(результаты численных экспериментов. В качестве базисного узла принимается узел 1. Одноцепные линии выполнены проводами марки АС-240.
Нагрузки приводятся к узлам. Мощность в узлах. Линии строго симметричны, расстояние между фазами одной линии составляет 6 метров).
Десять
Расчеты проводились методом фазных координат и сравнивались с соответствующими расчетами, выполненными методом симметричных составляющих (результаты приведены в таблице)
За счет накопления ошибки в процессе расчета, отличия полученных результатов не значительны.
Одиннадцать
Результаты расчета при несимметричной нагрузке. Заданная степень несимметрии показана на слайде. Результаты приведены на рисунке.
Двенадцать
Причины нарушения синусоидальности токов и напряжений в электроэнергетической системе:
Нелинейные потребители электроэнергии
Нелинейность оборудования электроэнергетической системы
Увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов.
Влияние высших гармоник на электроэнергетическую систему:
Снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии;
Старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
Ложная работа оборудования.
Тринадцать
Параметры схемы замещения ЛЭП. Параметры изменяют при учете высших гармоник. Зависимость от номера гармоникии представлена на графике.
Четырнадцать:
Методы расчета установившихся режимов при наличии несинусоидальной нагрузки:
При допущении о симметричности нагрузки рассчитываем для каждой гармоники с дальнейшим объединением результатов;
Методом фазных координат для каждой гармоники
Методом с учетом распределенности параметров
Расчет в мгновенных значениях
Пятнадцать
Уравнения для расчета в мгновенных значениях и с учетом распределенности параметров, приведены на слайдах.
Шестнадцать
Для оценки влияния коэффициента искажения синусоидальности на результат расчета установившегося режима, сравним результаты расчета напряжения базисного узла при чисто синусоидальной нагрузке и при искаженных фазных токах и напряжениях нагрузки.
Первый расчет был выполнен для чисто синусоидального сигнала тока и напряжения (коэффициент искажения формы кривой K_i=0%; K_u=0%).
Второй расчет выполнен для симметричных токов и напряжений, но несинусоидальных, как токов, так и напряжений.
Третий расчет выполнен для симметричных токов и напряжений, но несинусоидальных, как токов, так и напряжений, но с большим коэффициентом искажения по току.
Все расчеты были выполнены тремя способами. Методом фазных координат, методом с учетом распределенности параметров, методом расчета в мгновенных значениях.
Семнадцать
Задачей для данного расчета, так же как и для первого, было найти напряжения балансирующего узла. Для второго численного эксперимента была взята расчетная схемы, показанная на рисунке, но для этого расчета были взяты симметричные и синусоидальные напряжения, но несинусоидальные и несимметричные по фазам токи
Восемнадцать
Третий численный эксперимент был проведен на основе схемы сети показанной на рисунке. Во втором узле чисто синусоидальный потребитель (симметричные и синусоидальные токи и напряжения), в третьем узле несинусоидальный потребитель (токи несимметричные и несинусоидальные).
Особенность данного эксперимента заключалась в том, чтобы оценить влияние несинусоидальной нагрузки на синусоидальную, в условиях сопоставимых по величине нагрузок, сети с небольшой протяженностью линий, тем самым приблизив данный эксперимент к реальным городским условиям.
Результаты расчета приведены в таблице, для третьего как и для предыдущих случаев для сравнения приведены расчеты по трем методикам.
В результате было выявлено, что после итерационного метода расчета влияние нелинейной нагрузки в узле 3, оказало отрицательное влияние на нагрузку второго узла, как видно из таблицы напряжения в балансирующем узле перестали быть симметричными и синусоидальными.
Таким образом нельзя игнорировать, тот факт, что нелинейная нагрузка оказывает отрицательное влияние на сеть. То есть если у нас имеется какой-либо крупный нелинейный потребитель, то он будет значительно искажать ток и напряжение во всей сети. Качество электрической энергии будет страдать.
Девятнадцать
Наличие несинусоидальных токов и напряжений оказывает влияние на результаты расчета установившегося режима.
Параметры схемы замещения изменяются в зависимости
от формы кривой приложенного напряжения и формы кривой приложенного тока.
Изменяется поведение синусоидальных потребителей
под действием нелинейных нагрузок.
Для оценки таких режимов требуется знание о характере нагрузки (форма кривой
Двадцать