Электроэнергетических систем

Глава 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

И УСТОЙЧИВОСТЬ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Общие сведения о переходных процессах и устойчивости электроэнергетических систем

Различают три основных вида режимов электроэнергетических систем (ЭЭС):

- нормальный установившийся, применительно к которому проектируется система и определяются ее основные технико-экономические характеристики;

- послеаварийный установившийся, наступающий после аварийного отключения какого-либо элемента или ряда элементов системы;

- переходный режим, во время которого система переходит из одного режима в другой.

Наряду с основными выделяют так называемые особые режимы, не относящиеся к нормальным рабочим, но и не являющиеся аварийными и существующие сравнительно непродолжительное время. К особым режимам ЭЭС относятся: холостой ход электропередачи в системе, синхронизация ее отдельных частей, асинхронный ход генератора или части генераторов, выпавших из синхронизма, и их синхронизация, работа части системы на двух фазах и т.д.

Режим характеризуется показателями, количественно определяющими условия работы системы и называемыми параметрами режима (значения активной и реактивной мощностей в элементах системы; напряжения у потребителей и в узловых точках системы; величины токов; углов расхождения ЭДС и напряжений; значения частоты тока в системе и т.д.). В установившихся режимах параметры режима могут приниматься практически неизменными. В переходных режимах скорости изменения параметров настолько значительны, что они должны учитываться при рассмотрении конкретных практических задач.

Составные элементы ЭЭС тесно связаны между собой единством процесса выработки и потребления электрической энергии. В установившихся режимах в системе существует баланс мощностей: сколько электроэнергии потребляется в данный момент, столько же ее и вырабатывается. Нарушение этого баланса и приводит к переходным режимам.

Различают следующие процессы, принципиально имеющиеся в любом переходном режиме, но обычно выделяемые для рассмотрения в соответствии с поставленными техническими задачами:

- волновые, связанные с появлением коммутационных, грозовых и других перенапряжений; такие процессы изучаются главным образом в курсе техники высоких напряжений;

- электромагнитные, рассматриваемые без учета изменения скорости движения роторов генераторов и электродвигателей ЭЭС; к этой группе относятся, в частности, процессы коротких замыканий, изучаемые в курсе электрической части станций и подстанций;

- электромеханические, рассматриваемые с учетом изменения положений и скоростей вращения роторов генераторов и электродвигателей.

Переходные электромеханические процессы в свою очередь могут быть разделены на три основных вида:

- переходные процессы при малых возмущениях и малых изменениях скорости;

- переходные процессы при больших кратковременных возмущениях и малых изменениях скорости;

- переходные процессы при больших возмущениях и больших изменениях скорости.

Два первых вида процессов непосредственно связываются с понятием устойчивости ЭЭС, и именно им посвящена настоящая глава. Третий вид электромеханических переходных процессов изучается в различных курсах электротехнического цикла (релейная защита и автоматизация систем электроснабжения, автоматизированный электропривод и др.).

Под  устойчивостью ЭЭС понимается устойчивость ее режима, т.е. способность системы сохранять параметры режима. Режим системы устойчив, если после какого-либо возмущения параметры режима: токи, напряжения, углы между ЭДС и т.д. – самостоятельно, без вмешательства обслуживающего персонала, возвращаются к значениям исходного режима или принимают значения нового установившегося режима.

Строго говоря, переходные процессы протекают в ЭЭС постоянно. Практически нет такого момента времени, когда бы в системе не происходило каких-либо изменений режима. Эти изменения можно условно разделить на два вида процессов – нормальные переходные и аварийные переходные.

Нормальный переходный процесс происходит в системе в ходе нормальной эксплуатации вследствие изменения нагрузки и действия регулирующих устройств. При этом отклонения параметров режима от их установившихся значений невелики, а возмущающие воздействия, вызывающие эти отклонения, относительно малы. Фактически в системе не существует стабильного установившегося процесса, так как в ней всегда имеются малые возмущающие воздействия. Эти воздействия не должны служить причиной неустойчивой работы системы, причем здесь имеется в виду статическая устойчивость системы. Следовательно, под статической устойчивостью ЭЭС понимается способность системы самостоятельно восстанавливать исходный (или близкий к нему) режим при малых возмущениях.

Наиболее часто приходится решать вопрос об устойчивости работы важнейших элементов системы – источников энергии, генераторов. В этом случае под статической устойчивостью понимается способность генераторов, работающих параллельно с системой, сохранять синхронную работу при малых возмущениях.

Аварийный переходный процесс возникает в системе при резких изменениях в ее режиме (отключение генераторов, нагруженных линий электропередачи, мощных потребителей; короткие замыкания в системе и т.п.). Такой процесс сопровождается, как правило, значительными изменениями параметров режима.

Аварийный переходный процесс качественно отличается от процесса, обуславливающего статическую устойчивость системы, хотя резкой границы между ними провести нельзя. Например, если перед отключением линии электропередачи от электростанции с нее предварительно небольшими ступенями будет снята нагрузка, то такой процесс будет протекать как нормальный переходный. Если же линия электропередачи, несущая достаточно большую нагрузку, отключится от электростанции внезапно, то такой процесс может протекать как аварийный.

С аварийными переходными процессами связывается понятие динамической устойчивости ЭЭС, под которой понимается ее способность вернуться к установившемуся режиму после больших возмущений. Применительно к генераторам системы динамическая устойчивость – это способность генератора сохранять синхронную работу с системой при больших возмущениях.

Вопросы статической и динамической устойчивости ЭЭС имеют исключительно важное практическое значение. От устойчивости систем в значительной мере зависит надежность электроснабжения. Аварии систем, связанные с нарушением устойчивости, являются по своим последствиям наиболее тяжелыми системными авариями, так как сопровождаются прекращением электроснабжения большого числа (или даже всех) потребителей, а восстановление нормального режима работы системы и снабжения потребителей электроэнергией занимает много времени. Несмотря на относительно небольшое число аварий, связанных с нарушением устойчивости систем, именно этот вид вызывает наибольший аварийный недоотпуск электроэнергии. Тяжелые последствия таких аварий заставляют уделять большое внимание вопросам устойчивости на всех этапах проектирования, строительства и эксплуатации ЭЭС. Требования обеспечения устойчивости накладывают глубокий отпечаток на выбор схем коммутации, режимов работы и характеристик оборудования ЭЭС.

Расчеты, связанные с анализом статической и динамической устойчивости ЭЭС, в общей постановке чрезвычайно сложны. Сущность их сводится к составлению и решению системы дифференциальных уравнений переходного режима. Несмотря на большое число упрощающих допущений, уравнения переходного процесса получаются настолько сложными, что их аналитическое решение удается найти только в отдельных частных случаях. При исследовании устойчивости широко применяют метод линеаризации уравнений. Однако здесь определение корней характеристических уравнений, по которым судят об устойчивости систем, весьма затруднительно, так как порядок характеристического уравнения обычно высок. В практике используют методы, позволяющие, не вычисляя корней характеристических уравнений, судить об их расположении на комплексной плоскости, а значит и об устойчивости системы (имеются в виду критерии Гурвица, Рауса, Михайлова, метод Д - разбиений и др.).

Для анализа устойчивости сложных систем, кроме того, широко применяют универсальные расчетные модели ЭЭС (УРМЭС), электронные вычислительные машины, а также специальные физические (динамические) модели, представляющие собой миниатюрную копию ЭЭС, все элементы которой (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, нагрузка и т.д.) делаются физически подобными соответствующим элементам оригинала. Сочетание расчетов на расчетных моделях и вычислительных машинах с экспериментом на физических моделях и в реальных электроэнергетических системах позволяет наиболее эффективно исследовать переходные процессы и устойчивость ЭЭС, что дает возможность наиболее быстро получать правильные результаты.

В настоящей главе мы уделим главное внимание рассмотрению физики процессов, связанных со статической и динамической устойчивостью, с тем чтобы глубже понять требования к схемам, режимам и оборудованию ЭЭС, обусловленные их устойчивостью, а также изучению упрощенных, или так называемых практических, методов оценки устойчивости ЭЭС и их элементов, широко используемых в инженерной практике.