Исследование простейшей системы работы генератора с сетью бесконечной мощности

Введение

Все системы производства и распределения электрической энергии работают в различных режимах. В самом общем случае устойчивого режима работы в таких системах никогда не встречается, так как в любой момент времени уровень потребления энергии изменяется. Это вызывает перераспределение потоков мощности. Однако в большинстве случаев изменение в системе не носят спонтанный характер, поэтому такие режимы работы относят к устойчивым режимам.

Среди нормальных режимов работы выделяются случаи кратковременных воздействий на систему, вызывающие всплеск токов потребителей, которые превышают номинальные значения трансформаторов, кабелей, ЛЭП, выключателей и других устройств систем распределения электрической энергии. Анализ таких режимов работы вызывает особый интерес, так как аппараты коммутации и передачи электрической энергии должны предусматривать прохождение таких токов.

Наибольшие проблемы создаются аварийными ситуациями, вызванные нарушением электрической прочности изоляции. Факторов, приводящих, в конечном счете, к коротким замыканиям, достаточно много. Но короткие замыкания являются причиной резких всплесков токов, которые приводят к выходу из строя систем электроснабжения при их длительном воздействии. Длительность аварийного режима работы зависит от времени срабатывания защиты энергосистем, в результате срабатывания которой отключается аварийный участок для предотвращения его влияния на всю энергосистему.

К аварийным ситуациям относится и нарушения, вызванные обрывами проводов или значительными асимметриями трехфазной системы. Такие отклонения могут также привести к выходу из строя элементов энергосистем.

Для выбора аппаратуры защиты всех элементов энергосистем при их проектировании необходимо уметь прогнозировать возможные нарушения нормального режима работы. В настоящее время используется давно устоявшийся метод анализа аварийных режимов работы, базирующийся на упрощении расчетов, связанных с идеализацией параметров элементов систем. С другой стороны в значительной степени искусственно упрощается и структура самой анализируемой системы путем замены группы потребителей одним эквивалентным потребителем. Такое упрощение вызвано сложностью расчетов. С внедрением вычислительной техники математические вычисления могут быть выполнены с помощью персональных компьютеров. Но использование математических сред требует составления программ вычислений по традиционным формулам, поэтому такой подход к решению задач проектирования просто неэффективен.

Лучшим решением проблемы в настоящее время является использование специальных компьютерных программ, позволяющих моделировать системы энергоснабжения. Такие программы предусматривают использование блоков, моделирующих основные элементы энергосистем, из которых составляется модель системы. При этом математическая база построения таких блоков предусматривает наибольшее приближение модели к реальной конструкции и учитывает практически все параметры элементов.

Хорошие результаты дает использование компьютерных моделей в учебном процессе. Исследование систем производства и распределения электрической энергии путем компьютерного моделирования позволяет подготовить студентов к применению компьютерной технологии в дальнейшей работе. С другой стороны компьютерное моделирование позволяет без дополнительных затрат изучить и понять большинство явлений в электроэнергетических сетях.

Настоящий лабораторный практикум позволяет исследовать реакцию энергетических цепей на наиболее распространенные в реальных условиях воздействия. Практикум включает в себя шесть лабораторных работ, по основным темам курса «Электромеханические переходные процессы». Содержание лабораторного практикума рассчитано на 17 – ти недельный семестр. Однако темы и объем каждого исследования могут быть изменены по желанию преподавателя.

Автор благодарит коллектив кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» Пензенского государственного университета и студентов, принявших участие в разработке моделей электроэнергетических систем в среде MatLAB.

 

Лабораторная работа № 1

Исследование простейшей системы работы генератора с сетью бесконечной мощности

Цель работы: исследование угловых характеристик мощности простейшей системы передачи электрической энергии от генератора в электрическую сеть бесконечной мощности.

 

1.1 Рабочее задание

Подготовка к лабораторной работе

 

- Используя рекомендованные для курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить теоретические основы условий передачи электрической энергии от генератора в электрическую сеть бесконечно большой мощности системах.

- По заданным в таблице 1.1 номинальным значениям напряжений источника, линии, напряжения нагрузки и ее мощности выбрать типы трансформаторов и линии электропередач простейшей системы, схема которой представлена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1

 

Рисунок 1.2

Примечание: Схема составлена с учетом предположения, что источником электрической энергии является генератор с заданными характеристиками. В качестве модели генератора использовать источник трехфазного напряжения с заданными параметрами

 

Таблица 1.1

№№ вариантов	кВ	кВ	UC кВ	МВт		км
	15, 75				0.6
	10, 5				0.65
	6, 3				0.7
					0.75
	6, 6				0.8
	10, 5				0.85
					0.9
					0.95
					0.62
	10, 5				0.67
	6, 3				0.72
					0.77
	8, 5				0.82
					0.87
	10, 5				0.92
	10, 5				0.97
					0.6
	10, 5				0.65
	10, 5				0.7
					0.75
					0.8
	15, 75				0.85
	10, 5				0.9
	10, 5				0.95
	13, 5				0.62
	10, 5				0.67
	15, 75				0.72
	6, 6				0.77
					0.82
					0.87
					0.92
					0.97
					0.6
	10, 5			6, 6	0.65
	6, 6			6, 3	0.9

 

 

- Составить схему замещения простейшей цепи.

- На основании паспортных данных элементов системы и предыдущих вычислений рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах. Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB». На рисунке 1.2 представлена модель простейшей системы передачи электрической энергии.

- Привести электрическую систему к линии и найти эквивалентное суммарное сопротивление системы.

- Рассчитать ЭДС генератора, при которой он через систему будет передавать номинальную активную и реактивную мощности

.

В качестве исходных данных использовать паспортные характеристики генератора и характеристики элементов системы.

 

Лабораторная работа № 2

Асинхронного двигателя

Цель работы: исследование устойчивости асинхронного двигателя при изменении механического момента нагрузки на валу и при изменении напряжения питающей сети.

 

2.1. Рабочее задание

Подготовка к лабораторной работе

 

- Используя рекомендованные для курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить проблемы устойчивости асинхронного двигателя при воздействии на двигатель изменения механического момента сопротивления на валу и при изменении напряжения на его зажимах.

- По заданным номинальным значениям напряжений источника, линии, номинального напряжения двигателя и его мощности выбрать типы трансформаторов и линии электропередач системы, схема которой представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

- На основании паспортных данных элементов системы рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах. Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB».

Рисунок 2.2

В качестве исходных данных использовать паспортные характеристики генератора и характеристики элементов системы.

Таблица 2.1

№№ вариантов	кВ	кВ	МВт		км	Pad МВт
				0.6		0, 5
				0.65		0, 6
				0.7		0, 7
				0.75		0, 8
				0.8		0, 9
				0.85
				0.9		0, 3
				0.95		0, 6
				0.62
				0.67		0.5
				0.72		0, 6
				0.77		0, 7
				0.82		0, 8
				0.87		0, 9
				0.92		1, 2
				0.97		0, 3
				0.6
				0.65		1, 2
				0.7		0, 5
				0.75		0, 6
				0.8		0, 7
				0.85		0, 8
				0.9		0, 9
				0.95		1, 4
				0.62		1, 2
				0.67		0, 3
				0.72
				0.77		0, 5
				0.82		0, 6
				0.87		0, 7
				0.92		0, 8
				0.97		0, 9
				0.6		0, 5
			6, 6	0.65		0, 2
			6, 3	0.7		0, 4

 

Лабораторная работа № 3

Генератора

Цель работы: исследование устойчивости синхронного генератора, работающего на магистральную сеть при коротком замыкании на одной из двух параллельных цепей линии электропередач.

 

3.1. Рабочее задание.

Подготовка к лабораторной работе.

- Используя рекомендованные для курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить проблемы устойчивости синхронного генератора при коротком замыкании в системе передачи электрической энергии.

Рисунок 3.1

- По заданным в таблице 3.1 номинальным параметрам генератора, напряжению линии электропередач, выбрать типы трансформаторов и линии системы, схема которой представлена на рисунке 3.1.

- На основании паспортных данных элементов системы рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах. Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB». В качестве исходных данных использовать паспортные характеристики генератора и характеристики элементов системы, выбранные в соответствии с вариантом.

 

Лабораторная работа № 4

Асинхронного двигателя.

Цель работы: исследование динамической устойчивости асинхронного двигателя при различных кратковременных нарушениях режима работы питающей сети и кратковременном увеличении механического момента нагрузки.

 

4.1. Рабочее задание.

Подготовка к лабораторной работе

- Используя рекомендованные для курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить проблемы динамической устойчивости асинхронного двигателя при коротком замыкании в системе передачи электрической энергии.

- По заданным номинальным параметрам сети, асинхронного двигателя, напряжения линии электропередач выбрать типы трансформаторов и линии системы, схема которой представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1

- При выборе элементов системы передачи электрической энергии необходимо учесть подключение нагрузки к шинам питания асинхронного двигателя. Мощность нагрузки (Charge 1, рисунок 4.2) принять равной 0.01 мощности трансформатора T1. Сопротивление нагрузки (Charge 2) вычислить из условия потребления мощности, в два раза большей мощности двигателя с учетом коэффициента мощности.

- На основании паспортных данных элементов системы рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах. Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB». В качестве исходных данных использовать номинальные данные выбранных элементов системы.

 

Таблица 4.1

№№ вариантов	кВ	кВ	кВ	МВт		км	Pad МВт
					0.6		0, 5
					0.65		0, 6
					0.7		0, 7
					0.75		0, 8
					0.8		0, 9
					0.85
					0.9		0, 3
					0.95		0, 6
					0.62
					0.67		0.5
					0.72		0, 6
					0.77		0, 7
					0.82		0, 8
					0.87		0, 9
					0.92		1, 2
					0.97		0, 3
					0.6
					0.65		1, 2
					0.7		0, 5
					0.75		0, 6
					0.8		0, 7
					0.85		0, 8
					0.9		0, 9
					0.95		1, 4
					0.62		1, 2
					0.67		0, 3
					0.72
					0.77		0, 5
					0.82		0, 6
					0.87		0, 7
					0.92		0, 8
					0.97		0, 9
					0.6		0, 5
				6, 6	0.65		0, 2
				6, 3	0.7		0, 4

Лабораторная работа № 5

Электроснабжения

Цель работы: исследование устойчивости станций электроснабжения, работающих на магистральную сеть при несанкционированном подключении нагрузки.

 

5.1. Рабочее задание.

Подготовка к лабораторной работе.

- Используя рекомендованные для курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить проблемы устойчивости сложной системы при незапланированном подключении нагрузки к системе.

Рисунок 5.1

- По заданным в таблице 5.1 номинальным параметрам генератора, напряжению линии электропередач выбрать типы трансформаторов и линии системы, схема которой представлена на рисунке 5.1.

- Рассчитать сопротивление нагрузки P_н, при котором ее мощность будет равна пятой части мощности генератора G1 при напряжении в линии, равном номинальному напряжению.

- Рассчитать индуктивностей катушек, имитирующих линии электропередач. Считать индуктивность линии длиной 100 км. равной 0.1 Генри.

- Рассчитать внутреннее сопротивление сети, которое должно быть равно одной сотой базисного сопротивления выходной обмотки трансформатора T2. Это базисное сопротивление равно отношению фазного напряжения выходной обмотки трансформатора к номинальному току той же обмотки. Аргумент внутреннего сопротивления принять равным 40^о.

- На основании паспортных данных элементов системы рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах. Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB». В качестве исходных данных использовать паспортные характеристики генератора и характеристики элементов системы, выбранные в соответствии с вариантом.

 

Таблица 5.1

№№	UG1 кВ	UG2 кВ	UL кВ	Uc кВ	PG1 МВт	PG2 МВт	LG1 км	LG2 км	LC км
		6, 3
		15, 75
	6, 6
		10, 5
	13, 5	6, 3
	10, 5
	6, 3
		10, 5
		6, 6
	10, 5
	6, 6
		10, 5
		6, 3
	10, 5	15, 5
	6, 3	13, 5
	15, 75	6, 3
	10, 5
	6, 3	15, 75
		10, 5
		6, 3
	10, 5	15, 5
	6, 3
	15, 5	10, 5
		6, 3
	10, 5
	6, 3	13, 5
		10, 5
	13, 5	6, 3
	10, 5	15, 5
	6, 3
	15, 5	10, 5
	13, 5	6, 3
	10, 5	13, 5
	6, 3	10, 5

Лабораторная работа 6

Исследование устойчивости

Подготовка к лабораторной работе

- Используя рекомендованные для изучения курса учебники, материал лекций и вспомогательной литературы изучить проблемы устойчивости генератора при резком увеличении нагрузки в системе передачи электрической энергии.

- По заданным номинальным параметрам сети, генератора, напряжения линии электропередач выбрать типы трансформаторов и линии системы, схема которой представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1

- При выборе элементов системы передачи электрической энергии необходимо учесть подключение выключателем В нагрузки на промежуточной подстанции. Предусмотреть изменение мощности нагрузки в широких пределах (Charge 2, рисунок 6.2) путем изменения сопротивления.

- Вычислить такое сопротивление нагрузки Charge2, при котором она будет рассеивать мощность, равную пяти процентам номинальной мощности генератора при номинальном напряжении линии.

- Внутреннее сопротивление сети вычислить из условия уменьшения напряжения на шинах на 2% при мощности, отдаваемой в систему, равной номинальной мощности генератора.

- Мощность трансформаторов выбрать равной мощности генератора без учета мощности подключаемой нагрузки.

- На основании паспортных данных элементов системы рассчитать параметры элементов для использования при моделировании. Следует обратить внимание на то, что в модели используются параметры элементов в абсолютных и относительных единицах.

Таблица 6.1

№№	UG1 кВ	UL кВ	Uc кВ	PG1 МВт	Pн МВт	cosjн	L1 км	L2 км
	15, 75					0.6
	10, 5					0.65
	6, 3					0.7
						0.75
	6, 6					0.8
	10, 5					0.85
						0.9
						0.95
						0.62
	10, 5					0.67
	6, 3					0.72
						0.77
	8, 5					0.82
						0.87
	10, 5					0.92
	10, 5					0.97
						0.6
	10, 5					0.65
	10, 5					0.7
						0.75
						0.8
	15, 75					0.85
	10, 5					0.9
	10, 5					0.95
	13, 5					0.62
	10, 5					0.67
	15, 75					0.72
	6, 6					0.77
						0.82
						0.87
						0.92
						0.97
						0.6
	10, 5					0.65
	6, 6					0.7

Методика вычислений параметров элементов электрической цепи представлена в учебниках и в методическом пособии «Справочник элементов энергосистем среды MatLAB». В качестве исходных данных использовать номинальные данные выбранных элементов системы.

 

Трансформаторы

Автотрансформаторы

Тип автотранс форматора	, МВА	Пределы регулиро вания, %	, кВ обмоток	, % обмоток	, кВт	, кВт	, %
В	С	Н	В-С	В-Н	С-Н
АТДТНГ-32000/220/110					6.6; 11; 38.5						0.6
АТДЦТН-200000/220/110					6.6; 11; 38.5						0.5
АТДЦТН-250000/220/100					10.5; 38.5	11.5	33.4	20.8			0.5
АТДЦТН- 125000/330/110					10.5; 38.5						0.5
АТДЦТН-200000/330/110					6.6; 11; 13.8; 15.75; 38.5						0.6
АТДЦТН-240000330/220					11; 38.5	9.5					0.6
АТДЦТН- 125000/500/110					6.6; 11; 38.5	10.5					0.5
АТДЦТН-250000/500/100					11/38.5	10.5					0.5

 

 

Параметры воздушных линий

Приложение 3

Параметры турбогенераторов

4.1 Номинальные данные турбогенераторов

Тип	Sном МВА	Pном МВт	Uном кВ	Iном кА	cosj	Ufном В	Ifном А	Ifxx А
Т2-12-2	15.0	12.0	6.3		0.8
15.0	12.0	10.5		0.8
Т-20-2	25.0	20.0	10.5		0.8
ТВС-30	37.5	30.0	6.3		0.8
ТВС-32	40.0	32.0	6.3		0.8
40.0	32.0	10.5		0.8
ТВФ-63-2	78.5	63.0	6.3		0.8
78.5	63.0	10.5		0.8
ТВФ-100-2	117.58		10.5		0.85
ТВ2-100-2	117.5		13.8		0.85
ТВФ-120-2			10.5		0.85
ТВ2-150-2	166.5		18.0		0.9
ТВФ-200-2			11.0		0.85
ТВВ-200-2	253.3		15.75		0.85
ТГВ-200			15.75		0.85
ТГВ-300			20.0		0.85

 

 

4.2 Электрические параметры турбогенераторов

 

 

Тип	Rст Ом	Rf Ом	Xd о.е.	X¢ d о.е.	X¢ ¢ d о.е.	Xs о.е.	X2 о.е.
Т2-12-2	0.00724	0.53	2.09	0.23	0.116	0.092	0.142
0.0278	0.53	2.09	0.23	0.116	0.091	0.142
Т-20-2	0.0078	0.174	2.46	0.294	0.159	0.159	0.194
ТВС-30	0.00198	0.324	2.53	0.257	0.152	0.118	0.186
ТВС-32	0.00451	0.305	2.52	0.251	0.151	0.126	0.184
0.00451	0.305	2.7	0.27	0.159	0.134	0.194
ТВФ-63-2	0.00066	0.096	1.915	0.275	0.18	0.18	0.22
0.00221	0.096	2.199	0.224	0.139	0.139	0.17
ТВФ-100-2	0.00104	0.185	1.79	0.26	0.183	0.157	0.223
ТВ2-100-2	0.00145	0.335	1.8	0.2	0.14	0.113	0.17
ТВФ-120-2	0.00104	0.120	1.907	0.278	0.192	0.167	0.234
ТВ2-150-2	0.00141	0.436	1.49	0.18	0.122	0.097	0.149
ТВФ-200-2	0.00041	0.123	1.88	0.25	0.165	0.140	0.201
ТВВ-200-2	0.00154	0.0878	1.88	0.275	0.191	0.166	0.230
ТГВ-200	0.00115	0.174	1.85	0.295	0.19	0.165	0.232
ТГВ-300	0.00128	0.103	2.2	0.3	0.195	0.17	0.238

 

4.3 Показатели инерционности турбогенераторов

12Следующая ⇒

Поделиться: