Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра «Системы электроснабжения»
Курсовая работа
по курсу «Переходные процессы в электрических системах»
Э-468.1004.035.00.00 ПЗ

Нормоконтролер
Столбов Ю.А.
«­­­__»________2006 г.
Руководитель
Столбов Ю.А.
 «__»________2006 г.
Автор проекта
студент группы Э–468
Павлов Е.В.
«__»________2006 г.
Проект защищен с оценкой
________________
«__»________2006 г.

Челябинск
2006

Задание
Генераторная станция работает на шины бесконечной мощности через две параллельные линии 2хАС-F  и передает мощность  при  (рис. 1). Напряжение на шинах приемной системы поддерживается неизменным, равным . Генераторы оснащены системой АРВ пропорционального действия.
                                                                                    
 

Рисунок 1. Схема системы
1.       Используя постоянные четырехполюсника, построить круговые диаграммы и угловые характеристики передачи при условии поддержания неизменным тока возбуждения генератора.
2.  Построить статическую  и динамическую  угловые характеристики генераторной станции и определить коэффициент запаса статической устойчивости для каждой из характеристик при угле , соответствующем передаваемой мощности .
3.  Выявить влияние коэффициента мощности нагрузки  на запас статической устойчивости системы при условии поддержания неизменной величины передаваемой активной мощности .
4.  Проверить статическую устойчивость системы без учета действия АРВ, найти частоту и период собственных колебаний в различных режимах без учета и с учетом демпферного момента. Определить зависимость изменения угла во времени при отклонении ротора на один градус от положения установившегося режима при ; ;  и .
5.  По заданной принципиальной электрической схеме системы АРВ составить структурную схему электрической системы с АРВ пропорционального действия.
6.  Последовательными преобразованиями упростить структурную схему и определить эквивалентную передаточную функцию системы, а также характеристический многочлен системы с учетом наличия АРВ пропорционального действия.
7.  Произвести анализ устойчивости системы по алгебраическому критерию Гурвица и частотному критерию Михайлова.
8.  Используя D-разбиения, найти область допустимых значений параметра системы АРВ пропорционального действия – .
9.  Произвести расчет динамической устойчивости системы с определением предельного угла отключения аварии при двухполюсном коротком замыкании на землю одной из параллельных линий вблизи шин генераторной станции.
Вариант курсового проекта № 35. Исходные данные занесены в
таблицу 1.
Таблица 1

№ вар.	Расчетные данные
	, кВ	, МВт	, км	, МВт	, с	, с	, с
35	320	484	510	2 х 300	10	2,0	4,0	83

			, МВА	,%	,%	,о.е.
0,85	2,0	0,3	2 х 400	2	10,5	30

Аннотация
Павлов Е.В. Исследование статической и динамической устойчивости простейшей регулируемой системы, состоящей из генераторной станции, работающей на шины бесконечной мощности через две параллельные линии
электропередачи. – Челябинск: ЮУрГУ, Э, 2006.
58 с. 28 илл. Библиография литературы –  3 наименования.
Данная курсовая работа посвящена исследованию статической и динамической устойчивости регулируемой системы, включающей в себя генераторную станцию, работающей на шины бесконечной мощности через две параллельные линии электропередачи.

Содержание

  1. Определение параметров схемы замещения и построение круговых диаграмм и угловых характеристик передачи. 6
2. Построение статической  и динамической  угловых характеристик генераторной станции и определение коэффициента запаса статической устойчивости. 16
3. Влияние коэффициента мощности нагрузки  на запас статической устойчивости системы.. 20
4. Проверка статической устойчивости системы без учета действия АРВ и определение зависимости изменения угла во времени. 22
5. Структурная схема электрической системы с АРВ пропорционального действия  29
6. Упрощение структурной схемы.. 34
7. Анализ устойчивости системы по алгебраическому критерию Гурвица и частотному критерию Михайлова. 40
8. Нахождение области допустимых значений параметра системы АРВ пропорционального действия – .......   43
9. Расчет динамической устойчивости системы.. 46
Заключение. 57
Литература. 58

1. Определение параметров схемы замещения и построение круговых диаграмм и угловых характеристик передачи

Для определения параметров схемы замещения системы необходимо выбрать сечение линий электропередач по экономической плотности тока. При этом следует иметь ввиду, что при заданном номинальном напряжении 330 кВ провод в фазе расщепляется на два. В этом случае радиус эквивалентного провода может быть подсчитан по формуле
,
    где  –  действительный радиус провода, мм:
;
       – число проводов в фазе;
      – среднегеометрическое расстояние между проводами
            одной фазы линии (для данной линии не менее 300 мм), мм.

Затем по известным из курса электрических сетей формулам определяются удельные километрические индуктивные и емкостные сопротивления передачи:

Где  - среднегеометрическое расстояние между проводами, мм;

Емкостная проводимость


и активное сопротивление одной цепи линий электропередачи


При  составлении  электрической  схемы  замещения  системы (рис. 2),  можно  пренебречь  активными  сопротивлениями и проводимостями трансформатора.
 

Рисунок 2. Схема замещения системы
Параметры всех элементов, входящих в схему замещения должны быть выражены в относительных единицах, приведенных к базисным условиям. Для упрощения расчетов удобно за базисную мощность принять полную мощность, передаваемую генерирующей станцией в систему бесконечной мощности ,

а за базисное напряжение – напряжение на шинах приемной системы .
,
где












, с
.
Ветвь проводимости, подсоединенная к линиям системы бесконечной мощности, исключается из схемы замещения.
Таким образом, эквивалентная схема замещения системы может быть представлена последовательным соединением двух четырехполюсников, разделенных на рис.2 вертикальной пунктирной линией, Т-образного четырехполюсника,  содержащего элементы , и Г-образного, состоящего из элементов  и .
Обобщенные постоянные Т-образного четырехполюсника:








Выполним проверку:

Обобщенные постоянные Г-образного четырехполюсника:     
;






Делаем проверку расчетов:

Обобщенные постоянные эквивалентного четырехполюсника (рис.3) подсчитываются по формулам



   



                                                                 
                                                          
      Рисунок 3. Эквивалентный четырехполюсник
Для системы с эквивалентными постоянными  уравнения для токов и напряжений будут представлены в виде:

При построении круговых диаграмм вектор напряжения  в конце передачи удобно совместить с действительной осью комплексной плоскости мощностей, т.е. . Тогда , а ЭДС генератора будет опережать напряжение на угол нагрузки , т.е.  . Из первого уравнения системы получаем:

Тогда комплексы полных мощностей начала и конца передачи определяются выражениями:
,
.
Таким образом, выражения для мощностей начала и конца системы представляют собой сумму двух векторов: для мощности в начале системы первый вектор  и второй . Их геометрическая сумма и дает комплекс мощности  в начале передачи.
Комплекс мощности  в конце передачи состоит из суммы векторов  и .
Действительные части этих комплексов представляют собой соответственно активные мощности  и  , а мнимые – реактивные  и . При постоянстве ЭДС  в начале и напряжения  в конце системы единственной переменной величиной является угол . В этом случае комплексы  и  остаются неизменными по величине и по фазе, а комплексы  и , оставаясь неизменными по величине, изменяют угол поворота с изменением угла . При  они занимают положение , где – аргумент комплекса , . При угле , отличном от нуля, они поворачиваются на этот угол: для начала системы – против часовой стрелки и для конца системы – по часовой стрелке (рис. 4).
Из рисунка видно, что при этих условиях концы комплексов полных мощностей начала и конца перемещаются по окружностям, центры которых определяются радиус-векторами:
для мощности в начале системы


для мощности в конце системы


Радиусы обеих окружностей одинаковы:


Отсчет углов  производится от линии, проведенной из центра окружностей под углом к горизонтали.
Из характерных для четырехполюсников соотношений известно:






где  и – собственные, а – взаимная проводимости системы.
Угловые характеристики для активных мощностей начала и конца передачи определяются по выражениям:
,
,
где














Рис. 4. Круговая диаграмма передачи

2. Построение статической  и динамической  угловых характеристик генераторной станции и определение коэффициента запаса статической устойчивости

При наличии у генератора автоматического регулятора пропорционального типа машина характеризуется переходным сопротивлением , и действующей за ним переходной ЭДС , величина которой поддерживается постоянной при изменении нагрузки.
Для качественной оценки влияния АРВ на коэффициент статической устойчивости системы рассмотрим упрощенную схему замещения сети, пренебрегая активными сопротивлениями элементов и контуром намагничивания трансформатора.
На рис.5 изображена совмещенная схема замещения системы, в которой генерирующая станция при отсутствии АРВ представлена ЭДС холостого хода  и продольной синхронной реактивностью , а при наличии АРВ – переходной ЭДС  за переходным сопротивлением .

Рисунок 5. Совмещенная схема замещения системы

Угловая характеристика генератора при отсутствии АРВ, представленная на рис.6, построена согласно выражению
.
Это – так называемая статическая характеристика синхронной машины при поддержании в ней неизменного тока возбуждения ( ).
При изменении нагрузки, например, при ее возрастании угловая характеристика от начального угла  пойдет по другой кривой, соответствующей выражению
.
Входящие в формулы для угловых характеристик выражения  и  представляют собой взаимные сопротивления схемы замещения сети (рис.5) при отсутствии и наличии у генераторов АРВ соответственно:




Угловая характеристика  представляет собой динамическую характеристику генератора и имеет место только в переходном режиме, т.е. в процессе изменения передаваемой мощности. Началом динамической характеристики является предшествующий изменению передаваемой мощности установившийся режим, соответствующий углу   на статической характеристике . Естественно, что при этом угле статическая и динамическая характеристики будут иметь общую точку, т.е. при , (рис.6). Если сравнить амплитуды угловых характеристик мощностей, полученных при постоянстве  и , то нетрудно заметить, что амплитуда динамической угловой характеристики значительно превышает амплитуду статической характеристики и, кроме того, максимум динамической угловой характеристики смещается вправо и превышает угол , соответствующий статическому пределу мощности нерегулируемой системы.
Необходимые для построения угловых характеристик значения ЭДС  и  можно определить по векторной диаграмме системы (рис.7) по следующим соотношениям:




Переходная ЭДС  равна проекции вектора ЭДС  на поперечную ось машины :


 

       
Рисунок 6. Векторная диаграмма системы
Если сравнить амплитуды угловых характеристик мощностей, полученных при постоянстве  и , то нетрудно заметить, что коэффициент статической устойчивости  значительно превышает коэффициент статической устойчивости .





Рисунок 7. Статическая и динамическая  характеристики генератора

3. Влияние коэффициента мощности нагрузки  на запас статической устойчивости системы

На величину предела передаваемой мощности весьма сильное влияние оказывает коэффициент мощности нагрузки. Чем меньше коэффициент мощности нагрузки при нормальном режиме работы, тем больше должна быть ЭДС генератора при заданном напряжении в конце системы  и следовательно, тем выше будет предел передаваемой мощности (рис. 8).
 

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

     
Рисунок 18. Схема замещения системы, поясняющая принцип определение частных производных
Значение переходной ЭДС  определится как проекция ЭДС  на поперечную ось генератора :
      ;
      .
Напряжение на выводах генератора  определяется аналогично:
      ;
      .
Величина угла
      ;
      .
ся частными производными угловых характеристик простейшей системы. Их аналитические выражения:      
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;
      ;

Так как рассматриваемая система – система четвертого порядка, то
      ;      ;
      ;
      ;
      ,
Для соблюдения размерностей при расчете коэффициентов  характеристического уравнения постоянные времени  и   подставляются в секундах, а постоянная инерции при подстановке ее значения  в секундах должна быть поделена на .
      ;
      ;
      ;
      ;
      .
Коэффициенты  и  целесообразно представить в виде двух слагаемых
          и    .
ставляющие  и , содержащие коэффициент усиления системы, в большой степени влияют на величину коэффициентов характеристического уравнения и, тем самым, на устойчивость системы.
         ;
         ;
         ;
         .

7. Анализ устойчивости системы по алгебраическому критерию Гурвица и частотному критерию Михайлова

После вычисления коэффициентов характеристического уравнения заполняется квадратная табличка-матрица для определения устойчивости системы по алгебраическому критерию Гурвица:
      .
Так как рассматриваемое характеристическое уравнение имеет четвертый порядок, то единственным нетривиальным условием, определяющим устойчивое состояние системы, будет положительность предпоследнего определителя:
      .

Из отрицательности предпоследнего определителя делаем вывод о неустойчивости системы. Определим нижний и верхний пределы, в которых должна лежать величина коэффициента усиления  при обеспечении устойчивости системы.
Нижний предел определяется из условия нахождения коэффициента  на грани нарушения тривиального условия, т.е. , откуда
      .                                                            (7)
     
Верхний предел коэффициента усиления  находится из условия :
                                             (8)
.
Для систем более высокого порядка использование  алгебраического критерия Гурвица превращается в весьма громоздкую операцию и затрудняет оценку параметров системы на ее устойчивость. Поэтому большой интерес представляет предложенный А.В. Михайловым достаточно простой, удобный и наглядный графоаналитический критерий устойчивости.
В данном случае рассматриваемое уравнение четвертого порядка
      .
Обозначив характеристический многочлен, находящийся в его левой части, через , получим
      .
Подставим теперь в это выражение  вместо . При этом  в общем случае не равно нулю, если только  не является корнем рассматриваемого уравнения. В этом случае
      ,
где
                                                        (9)
     
Величина  является комплексным числом, которое может быть изображено на комплексной плоскости. Если теперь начать изменять параметр  от до , то конец вектора  опишет на комплексной плоскости некоторую кривую, которая называется кривой Михайлова, являющейся годографом вектора   при  и дающей ответ об устойчивости системы.
Формулировка критерия устойчивости Михайлова такова.
Если результирующий угол поворота вектора  при изменении  от до  равен , то система устойчива. Если же этот угол отличается от , то система неустойчива. При этом за положительный угол поворота считается направление против часовой стрелки. Для уравнения четвертой степени в устойчивой системе конец вектора  должен повернуться вокруг начала системы координат на результирующий угол  и описать годограф. Таким образом, для найденного  получаем годограф следующего вида (рис.19).

Рисунок 19. Годограф Михайлова
Полученная кривая не удовлетворяет исходным условиям. Таким образом, и алгебраический критерий Гурвица, и критерий Михайлова показали, что система с коэффициентом усиления регулятора  является неустойчивой.

8. Нахождение области допустимых значений параметра системы АРВ пропорционального действия –

Как было установлено в предыдущем пункте, система является неустойчивой при . Необходимо установить такое значение этого коэффициента, при котором корни характеристического уравнения движения системы располагаются только в левой полуплоскости. Это можно осуществить с помощью -разбиения по одному параметру. Для этого характеристическое уравнение необходимо привести к виду
,
где
       – совокупность членов, не зависящих от ;
       – совокупность членов, содержащих   множитель.
;
;
;
.
Граница - разбиения определится при  уравнением
      ,                                   (10)
откуда
      .
По этому выражению находится значение параметра  (в общем случае комплексного ), при котором уравнение (10) имеет один мнимый корень. Давая  значение от  до , можно вычислить  и и построить на комплексной плоскости   границу -разбиения (рис. 20). Теперь при изменении параметра  от  до  в плоскости  движемся по границе - разбиения и штрихуем ее слева. Претендентом на область устойчивости является область, внутрь которой направлена штриховка. Поэтому в этой области будет содержаться наибольшее число левых корней.

Рисунок 20. Кривая D-разбиения по одному параметру
Чтобы установить, является ли эта область действительно областью устойчивости, зададимся каким-либо значением , лежащим в этой области. Пусть . Используя критерий Михайлова, проверим систему на устойчивость.
Для этого пересчитаем коэффициенты, содержащие :
      ;
     
Тогда по формуле (9):
      .
Остальные значения останутся прежними.
По полученным значениям строим годограф (рис.21):

Рисунок 21. Годограф Михайлова для
Вид годографа удовлетворяет необходимым условиям, поэтому данная область является областью устойчивости.
Так как исследуемый параметр является вещественным числом, то из полученной области выделяется только отрезок устойчивости, представляющий собой отрезок вещественной числовой оси, лежащей в области устойчивости , (рис. 20). Причем, координаты точек пересечения вещественной оси кривой -разбиения  и  равны значениям этих же коэффициентов, найденных по выражениям (7) и (8) в соответствии с алгебраическим критерием Гурвица.

9. Расчет динамической устойчивости системы

Заключительным этапом при выполнении курсовой работы является проверка системы на динамическую устойчивость при больших возмущениях в системе, вызванных коротким замыканием вблизи шин передающей станции и последующим его отключением.
Расчет динамической устойчивости производится при условии сохранения неизменной величины переходной ЭДС  у генераторов станции. Для проверки системы на динамическую устойчивость необходимо на одном графике построить три угловых характеристики передачи, соответствующие нормальному (I), аварийному (II) и послеаварийному (III) режимам работы. Амплитуды указанных характеристик определяются по схемам замещения системы для каждого из указанных режимов работы (рис. 22, 23 и 24).
Сопротивление шунта короткого замыкания, входящее в схему замещения системы в аварийном режиме, определяется сопротивлениями схем замещения обратной и нулевой последовательностей, способ соединения которых между собой

Рисунок 22.  Схема замещения системы в нормальном режиме работы

Рисунок 23.  Схема замещения системы в аварийном режиме работы

Рисунок 24.  Схема замещения системы в послеаварийном режиме работы
определяется видом короткого замыкания. Так, для трехфазного короткого замыкания , двухфазного – , однофазного –  и для двухфазного короткого замыкания на землю .
Величины результирующих сопротивлений обратной и нулевой последовательностей определяются из соответствующих схем замещения системы (рис. 25, 26).
                  
Рисунок 25. Схема замещения системы обратной последовательности
Сопротивление генератора обратной последовательности подсчитывается по формуле
,
где
 – сверхпереходная реактивность генератора и может быть принята для генераторов всех типов равной .
.
После элементарных преобразований схемы (рис. 25) получаем
;
.
При определении результирующего сопротивления нулевой последовательности следует иметь в виду, что трансформатор блока имеет схему соединения обмоток . Поэтому генератор может быть исключен из схемы замещения нулевой последовательности, а сопротивление трансформатора можно принять равным его сопротивлению прямой последовательности.
Сопротивление нулевой последовательности линии электропередач в значительной степени отличается от сопротивления прямой последовательности и колеблется в весьма широких пределах от  в зависимости от конструктивного исполнения передачи. Для данного курсового проекта приняли .

Рисунок 26.  Схема замещения системы нулевой последовательности
Тогда результирующее сопротивление нулевой последовательности
;
,
а сопротивление шунта короткого замыкания для двухфазного короткого замыкания на землю подсчитывается по формуле
;
.
Проводимость шунта короткого замыкания:
;
.
Сопротивления связи , определяющие амплитуды угловых характеристик для каждого из режимов, определяются по схемам замещения системы (рис. 22, 23, 24):
Тогда амплитуды угловых характеристик, представленных на рис. 27, определяются по формулам:
;
;
;
;
;
.

Рис. 27.  Определение предельного угла отключения аварии
Используя правило площадей (рис. 27), можно найти предельный угол отключения аварии , величина которого определяется из условия равенства площадки ускорения  площадке торможения  .
;
.
Величину критического угла можно найти из выражения:
;
.
Тогда
;

Зная предельный угол отключения аварии, можно определить максимально допустимое время отключения короткого замыкания. Для этого необходимо решить дифференциальное уравнение движения ротора:
.
Данное уравнение в силу своей нелинейности может быть решено только численными методами, наиболее предпочтительным из которых является метод последовательных интервалов.
Сущность этого метода заключается в следующем.
Весь процесс качания машины разбивается на ряд небольших и равных между собой интервалов времени. Обычно продолжительность интервала принимается равной с и для каждого из этих интервалов последовательно вычисляется приближенное значение приращения угла .
Возникающий в момент короткого замыкания  избыток мощности  сообщает ротору некоторое ускорение . Для достаточно малого интервала времени  можно допустить, что избыток мощности в течение этого периода остается неизменным. Тогда по формулам равноускоренного движения нетрудно вычислить приращение скорости машины  и угла  в течение первого интервала:
;
.
;

Величина ускорения  и, следовательно,
;
здесь угол выражен в градусах, а время – в секундах.
Обозначив
;
,
получим
;
.
Зная приращение угла в первом интервале, можно найти абсолютное значение угла в конце этого интервала времени:
;
.
Для нового значения угла  можно определить величину избытка мощности  в начале второго интервала времени по формуле
;
.
Тогда приращение угла на втором интервале
;
.
Для произвольного -го интервала приращение угла определяется выражением
.
Получаем, следующие значения (табл.5):
Таблица 5

	0	1	2	3	4	5	6
	25,451	26,681	30,344	36,359	44,597	54,901	67,1
	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3

Применив совместно метод последовательных интервалов и способ площадей, можно найти максимально допустимое время отключения короткого замыкания. Для этого с помощью метода последовательных интервалов вычисляют время, в течение которого ротор достигает угла . Этот промежуток времени и соответствует предельному времени отключения короткого замыкания с (рис. 28).

Рисунок 28. Расчет предельного времени отключения аварии

Заключение

Таким образом, в ходе работы было проведено исследование статической и динамической устойчивости простейшей регулируемой системы, состоящей из генераторной станции, работающей на шины бесконечной мощности через две параллельные линии электропередачи. Анализируя устойчивость системы по алгебраическому критерию Гурвица и частотному критерию Михайлова, выяснили, что система с исходным параметром системы АРВ пропорционального действия – (см. табл.1) неустойчива. Используя D-разбиение, была найдена область допустимых значений . Кроме того, произведен расчет динамической устойчивости системы с определением предельного угла отключения аварии при двухполюсном коротком замыкании на землю одной из параллельных линий вблизи шин генераторной станции.

Литература

1.  Столбов Ю.А., Пястолов В.В. Электромеханические переходные процессы: Учебное пособие по курсовому проектированию.– Челябинск:  ЮУрГУ, 2005. – 47 с.;
2.  Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах.- Москва: ВШ, 1978. – 415 с.;
3.  СТП.– Челябинск:  ЮУрГУ, 2001.