МОЯ НАУКОВА ПРАЦЯ

Тема: "Математичне моделювання перехідних процесів у головних схемах электричних з'єднань ТЕС і АЕС"

Донецький Державний Технiчний Унiверситет

Автор: Шарпан Д.С.

Керiвники: Сивокобиленко В.Ф., Меженкова М.О. Главная страница Головна сторінка Main page Ethan Frome

1 ОПИС ГОЛОВНОЇ СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ З`ЄДНАНЬ

ЗУЇВСЬКОЇ ТЕС ТА РЕЖИМІВ ЇЇ РОБОТИ

1.1 Головна схема електричних з`єднань Зуївської ТЕС і її особливості

На Зуївської ТЕС встановлено 4 енергоблоки потужністю 300 МВт кожний. Встановлена потужність ТЕС-1200 МВт.

Всї блоки приєднуються на напругу 330 кВ к підстанції “Харцизька-330” за схемою спарених блоків без спорудження розподільчої злагоди на промплощадці Зуївської ТЕС.

Потужність видається на підстанцію “Харцизька-330” по двум лініям, простяжність кожної із яких 8 км. Лінії зроблені з гнучкого провідника марки 2*АСО-330.

Генератори енергоблоків прийняті за типом ТГВ-300-2.

Блокові трансформатори прийняті за типом ТДЦ-400000/330.

У колі генератор-трансформатор для більшої надійності встановлені генераторні вимикачі за типом ВВГ-20/160/12500 та роз`єднувачі РВП-20/12500. Струмопровід генераторної напруги виконан за типом ТЭНЕ-20/11200.

З високої сторони блокових трансформаторів встановлені роз`єднувачі РНДЗ-2-330/3200.

Схема власних потреб 6 кВ виконана за блоковим принципом з живленням двигунів блоків від робочих трансформаторів власних потреб 20/6,3-6,3 кВ, підключених у відголуження від струмопроводів генератор-підвищуючий трансформатор відповідних блоків. Живлення загальностанційних споживачив здійснюється від цих же трансформаторів, причому парні загальностанційні споживачи підключені до секцій 6 кВ різних блоків.

Для кожного блоку виконується дві секції робочого живлення власних потреб 6 кВ. Електродвигуни ВП потужністю вище 200 кВт прийняті на напругу 6 кВ, а електродвигуни нище 200 кВт- на напругу 0,4 кВ.

Для робочого живлення власних потреб блоків прийняті по одному трансформатору за типом ТРДНС-32000/35. Для резервування живлення секцій ВП 6 кВ станції встановлен пускорезервний трансформатор за типом ТРДН-40000/110. Висока сторона цього трансформатора підключається на напругу 110 кВ підстанції Зуївської ТЕЦ.

З високої сторони РТВП встановлен вимикувач за типом ВВБМ-110Б/31,5/2000 та роз`єднувачи за типом РНДЗ-2-110/1000. З низької сторони робочих та резервного трансформаторів власних потреб встановлені вимикачи ВМП-10, якї знаходяться в висувних комірках комплектної розподільчоі злагоди за типом К-26.

Для підключення релейного захисту, автоматики та контрольно-вимірювальних приборів на електростанції встановлюються вимірювальні трансформатори струму та напруги. В колі генератора встановлені трансформатори напруги за типом 3*ЗНОМ-20 та трансформатори струму ТШЛ-20. З високої сторони блокових трансформаторів встановлені трансформатори струму за типом ТВТ-330/2000/5, з високої сторони трансформаторів власних потреб- трансформатори струму ТВТ-35/500/5, з високої сторони пускорезервного трансформатора- трансформатор струму ТВТ-110/300/5 та трансформатор напруги НКФ-110.

Головна схема електричних з`єднань Зуївської ТЕС приведена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1- Схема головних електричних з`єднань Зуївської ТЕС

Головною особливістю схеми Зуївської ТЕС є відсутність відкритої розподільчої злагоди, що з точки зору економічності вигідно. Але ж з точки зору надійності дана схема не надійна. При короткому замиканні в однієї із ліній вимикаються два генератора спареного блока.

Наявність генераторних вимикачів та возможність відключення в ремонт блокових трансформаторів 400 МВА розєднувачами 330 кВ знижує кількість можливих одночасових відключень двох турбогенераторів спареного блока.

В виду відсутності відкритої розподільчої злагоди живлення резервного трансформатора власних потреб виконується по окремій лінії з підстанції Зуївської ТЕЦ 220/110/35 кВ (7км по трасі ліній).

Резервний трансформатор власних потреб повинен бути такого ж ступеню, як і робочі ТВП (32МВА), так як в колі генератора встановлені вимикачі. Але ж, так як промисловість не випускає такої потужності трансформатори з розщепленою обмоткою низької напруги та з обмоткою високої напруги 110кВ, то до установки прийнятий резервний трансформатор потужністю 40МВА.

1.2 Режими роботи Зуївської ТЕС

Зуївська ТЕС працює в базовому режимі, топто в роботі знаходиться постійна кількість працюючих блоків з постійним навантаженням протягом доби та навантажуються в часи ранкового та вечірнього максимуму згідно диспетчерського графіка навантажень.

Добовий графік навантажень Зуївської ТЕС представлений на рисунку 1.2

 

Рисунок 1.2- Добовий графік навантажень Зуївської ТЕС на 2.05.2000 р.

 

При надлишку потужності в енергосистемі та можливості несення енергоблоками навантаження вище вказаної у графіку, потужність, яку додатково може нести електростанція, вважають горячим резервом.

Часто блоки відключаються від мережі із-за малого запасу палива на електростанції (із-за відсутності вугілля) і знаходяться в холодному резерві, топто готові до пуску в любий час.

У нічний час потужність різко знижується і блоки часто працюють нижче технічного мінімуму, що приводить до зниження надійності та економійності роботи устаткування.

В качестві палива на ТЕС може використовуватись вугілля, природний газ та мазут. Але у зв`язку з дороговизною газа і відсутності мазута, основним видом палива для ТЕС є вугілля.

Мазут спалюється при пуску енергоблоків, а також при роботі енергоблоків з малим навантаженням та на підсвітку при спалюванні низькоякісного вугілля у суміші з газом.

Спалювання низькоякісного вугілля в топці котла знижує надійність та економійність роботи устаткування і приводить до:

- зашлаковування льоток котлів енергоблоків в наслідок нарушення топочного режиму;

- ненадійної роботи допоміжного устаткування;

-зашлаковуванню ширмових пароперегревачив при роботі на суміші газ-вугілля із-за недостатньоі кількості природного газу.

Структура палива, спалюємого в рік:

вугілля- 83,8 %

мазут-0,5 %

газ- 15,7 %

Показники твердого палива:

Qн=(3110- 4350) ккал/кг

Ан=(22,00- 46,25) %

Wн=(6,0- 24,2) %

Показники рідкого палива:

Qн=8442 ккал/кг

Вн=0,95 %

Wн=9,5 %

Кількість зупинок блоків у 1999 році составила 70, в тому числі вимушенних- 43.

1.3 Задачи дослідження

В даний час при проектуванні, реконструкції й експлуатації електричних установок і систем для рішення багатьох технічних питань і задач потрібно попередньо провести ряд розрахунків, серед яких помітне місце займають розрахунки перехідних процесів.

Задачи дослідження, поставлені в даній дипломній роботі, состоять в слідучому:

- вибір математичної моделі та параметрів основних елементів електростанції (генераторів, трансформаторів, синхронних та асинхронних двигунів власних потреб, ліній електропередачи, електричних систем, навантажень);

- розрахунок струмів короткого замикання у всіх вузлах схеми Зуївської ТЕС;

- підготовка ісходних даних для моделювання на ПЕОМ режимів короткого замикання і стійкості генераторів ЗуТЕС з використовуванням програми, розробленої на кафедрі Електричних станцій;

- аналіз динамічної стійкості синхронних генераторів 300МВт на Зуївської ТЕС при різних видах КЗ;

- аналіз впливу частоти енергосистеми на динамічну стійкість синхронних генераторів 300МВт Вуглегірської ТЕС в малоагрегатному стані;

- узагальнення результатів моделювання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ЗУЇВСЬКОЇ ТЕС

2.1 Вихидні дані елементів системи

Для побудови і розрахунку математичної моделі електростанції були зібрані реальні вихідні дані на Зуївської ТЕС [1-20]. Всі ці дані зведені в таблицях 2.1-2.9

 

Таблиця 2.1- Паспортні дані турбогенераторів

 

Тип

ТГ

Pном,

МВт

Uст,

кВ

Iст,

кА

fном,

А

Ufном,

В

cosj

h ,

%

Xd’’,

в.о.

ТГВ -300-2

300

20

10,2

3050

420

0,85

98,7

0,236

 

Таблиця 2.2- Параметри турбогенератора (в.о)

 

Òèï ÒÃ

Rs

Xs

Xad

Xaq

Rrd(1)

Rrd(2)

Xrd(1)

Xrd(2)

Rrq(1)

ТГВ-300

0,002

0,17

2,02

2,02

0,013

0,205

0,146

0,207

0,012

 

 

 

Продовження таблиці 2.2

 

Тип ТГ

Rrq(1)

Rrq(2)

Xrq(1)

Rq(2)

Rf

Xf

ТГВ-300

0,012

0,095

0,208

0,05

0,00145

0,326

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 2.3- Б локові трансформатори

 

Тип

Трансформатора

Номінальна

Напруга,

кВ

Втрати,

КВт

Uкз

ВН-НН,

%

Струм неробочого ходу,

%

 

ВН

НН

неробочого ходу

Короткого замикання

   

ТДЦ-400000/330

347

20

300

790

11.5

0,45

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.4 – Паспортні дані робочого та резервного

трансформаторів власних потреб.

 

Тип трансформатора

Номінальна напруга, кВ

Втрати,

КВт

Uк,

ВН-НН,

%

Струм неробочого ходу,%

ВН

НН

Неробочого ходу

Короткого замикання

ТРДН-32000/35

ТРДН-40000/110

20

115

6,3-6,3

6,3-6,3

29

34

143

170

12,7

10,5

0,6

0,55

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 2.5- Паспортні дані агрегатів в.п.

 

 

Наймену

Вання

Ознака

Тип ЕД

Рн,

кВт

Un,

В

In,

А

Ki,

в.о.

cosj

h ,

%

Багерний насос

БН

ДАЗО-1367-6МУ1

630

6000

74

5,8

0,89

92,5

Сітьовий насос

НСН

А-114-4М

320

6000

37,1

6,5

0,89

92,8

Сітьовий насос

НСД

АВ-113-4М

250

6000

28,7

5,0

0,9

93

Сітьовий насос

НСВ

А-1252-4У4

630

6000

74

6,1

0,89

92,5

Стрічковий конвеєр

СК6

ДАЗО4-450У-6У1

630

6000

74

5,8

0,89

92,5

 

Циркуляц.

Насос

ЦН

АВСМ-1673-12

1000

6000

139

5,2

0,85

94,1

Конденсатний насос

КН

АОВ-2-1441-4У3

500

6000

53,5

6,5

0,9

93,6

Димосос рециркул.

газів

ДРГ

ДАЗО-13-67

630

6000

74

6,4

0,89

93

Димосос

Д

ДАЗО-19-10-12

1700

6000

216

8,5

0,8

94,3

Дуттьовий

вентилятор

ДВ

ДАЗО2-18-76-8/10У1

1250

725

6000

147 92

6

6,5

0,88

0,82

92 91,5

Мельничний

Вентилятор

МВ

ДАЗО-2-16-59

1250

6000

148,5

7,1

0,85

94

Бустерний насос

БПН

2АЗМ1-500/6000

500

6000

54,8

6,0

0,92

95,6

Живильний насос

ЖН

2АВ- 8000/6000

8000

6000

875

5,4

0,91

96,6

Сітьовий

насос

СН

А-114-

320

6000

37,1

6,5

0,895

92,8

 

 

 

 

Продовження таблиці 2.5

 

Наймену

Вання

Ознака

Тип ЕД

Рн,

кВт

Un,

В

In,

А

Ki ,в.о.

cosj

h ,

%

Шаробараб.

мельниця

ШБМ

СДМ32-

2234-60У

1930

6000

185

8

0,9

92

 

 

Стрічковий конвеєр

СК-3

ДАЗО-1342-6МУ1

400

6000

47

7,0

0,87

94,2

Резервний

збудник

РЗ

АСЗ-1764-8У4

1800

6000

250

14

0,76

89

 

Таблиця 2.6- Дані лінії

 

Найменування ПОВІТРЯНА ЛІНІЯ

Загальна довжина , км

Марка і перетин

проводу

X,

Ом

R,

Ом

ХАРЦИЗЬКА-330

8,0

2АСО-300

2,6

0,4

 

 

Таблиця 2.7- Струми короткого замикання, які надходять

від систем

 

Режими роботи

систем

система 110 кВ

система 330 кВ

3-х ф.,

кА

1-о ф.,

кА

U на ши-

нах, кВ

3-х ф.,

кА

1-о ф.,

кА

U на

шинах,

кВ

Максимальний

16,0

3,5

115

18,105

4,205

342

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 2.8- Опіри системи

 

 

Опіри

система 110

кВ

система 330

кВ

R(1) , Ом

0,69

1,086

X(1) , Ом

4,091

10,466

R(0) , Ом

---

3,12

X(0), Ом

---

24,062

 

 

Таблиця 2.9- Параметри двоконтурної схеми заміщення

еквівалентного двигуна

 

Тип ЕД

Iном ЕД,

кА

Еквівалентна

Ki , в,о,

Параметри еквівалентної схеми

заміщення , в.о.

R1

Xs1

R21

X21

R22

X22

Д1

0,06

0,6

18

0,07

0,7

0,6

0,7

 

Примітка: Д1- типовий глибокопазний двигун

-Параметри двоконтурної схеми заміщення групи АД розраховуються по наступних формулах:

-Номінальний струм (2.1)

- Еквівалентна кратність пускового струму

(2.2)

 

- Параметри двоконтурної схеми заміщення Д1 (2.3)

 

У даній роботі за основу приймаються математичні моделі елементів енергосистеми, засновані на повних диференційних рівняннях Парка-Горева.

 

2.2 Математична модель синхронного генератора

При розробці математичної моделі СГ щоб уникнути занадто громіздких і складних описів застосовані наступні допущення:

- відсутні втрати в сталі;

- повітряний зазор рівномірний, магнітна провідність однакова і розподіл магнітного поля в повітряному зазорі синусоидально;

- відсутній вплив ємностей у середині і між обмотками;

- активний опір не залежить від температури;

- статор і ротор мають трифазні симетричні обмотки.

З метою найбільше повного відображення процесів, що відбуваються в синхронній машині як у перехідних, так і в сталих режимах роботи, генератор доцільно представити многоконтурною схемою заміщення, у якій ротор поданий у виді декількох паралельно включених активно-індуктивних ланцюжків із постійними параметрами .

Для того, щоб уникнути періодичних коефіцієнтів, що залежать від кутового положення ротора, диференціальні рівняння синхронного генератора записуються в осях d, q, жорстко зв'язаних із його ротором. Для обліку витиснення струму масив ротора представляється k еквівалентними демпферними контурами по кожній з осей d, q і обмоткою збудження по осі d.

ДР, що описують поводження СГ із многоконтурнам ротором (i=1,2,... ,k) можна представити наступним способом:

 

, (2.4)

, (2.5)

, (2.6)

, (2.7)

, (2.8)

, (2.9)

, (2.10)

, (2.11)

де - оператор похідною за часом;

- напруга на виводах СГ по осях d і q;

- потокозчеплення статора, i-ого роторного контуру СГ по осях d, q і потокозчеплення обмотки збудження відповідно;

- похідні потокозчеплень статора, i-ого роторного контуру СГ по осях d, q і похідна потокозчеплення обмотки збудження відповідно;

- напруга обмотки збудження;

- швидкість обертання ротора СГ;

- сумарний момент інерції;

- обертаючий момент турбіни й електромагнітний момент генератора;

- результуючі вектори струму статора і його потокозчеплення;

- кут повороту ротора, тобто кут між віссю d і електричною віссю обмотки фази a;

- коефіцієнти загасання контуру статора, i-ого роторного контуру, обмотки збудження по осі d і i-ого роторного контуру по осі q:

 

(2.12)

 

де - активний опір обмотки статора, i-ого роторного контуру, обмотки збудження по подовжній осі СГ і i-ого роторного контуру по поперечній осі СГ;

- індуктивність розсіювання обмотки статора, i-ого роторного контуру, обмотки збудження по подовжній осі СГ і i-ого роторного контуру по поперечній осі СГ.

 

 

 

Потокозчеплення гілки намагнічування:

 

, (2.13)

, (2.14)

 

де - коефіцієнти розподілу потокозчеплень статора, i-ого роторного контуру по осях d, q, і обмотки збудження відповідно, який визначаються як:

 

, , , (2.15)

, , (2.16)

де , (2.17)

, (2.18)

 

де - індуктивність гілки намагнічування по осях d і q.

Струми статора, обмотки збудження і i-ого роторного контуру:

 

, , , (2.19)

, . (2.20)

Рівняння для визначення напруги збудження , що враховують тип збудника й автоматичне регулювання збудження (АРЗ), є частиною математичної моделі СГ. З обліком дії фіксуванн збудження, рівняння для визначення напруги збудження генератора із системою самозбудження подано як:

 

, (2.21)

 

де - номінальне значення напруги збудження;

- номінальне напруга статора;

- діюче значення напруги статора;

- кратність фіксуванні збудження

2.3 Математична модель синхронного двигуна

ДР, що описують поводження СД із многоконтурнам ротором (i=1,2,... ,k), аналогічні рівнянням СГ, за винятком вираження для швидкості обертання ротора, що набуває вид:

 

, (2.22)

 

де - момент опіру механізму й обертаючий момент двигуна.

2.4 Математична модель двообмоточних силових

трансформаторів

У дійсній роботі силові блокові трансформатори моделювалися в натуральних фазних координатах з обліком групи з'єднання його обмоток.

Математична модель трифазного двообмоточного трансформатора при з'єднанні його обмоток за схемою трикутник-зірка з заземленою нейтраллю обмотки високий напруги (рис.2.1) має наступний вид:

 

, (2.23)

, (2.24)

, (2.25)

, (2.26)

, (2.27)

, (2.28)

 

де a, b, c - індекси, що позначають відповідні фази;

- фазний напруги низкою і високої обмоток трансформатора відповідно;

- фазні струми низкою і високої обмоток трансформатора відповідно;

- похідні від фазнихих струмових низкою і високої обмоток трансформатора відповідно;

- похідні від фазнихих струмових низькі обмотки трансформатора, приведені до обмотки високий напруги і похідні від фазнихих струмових обмотки високий напруги трансформатора, приведені до обмотки низький напруги;

- фазні активні опори низкою і високої обмоток трансформатора відповідно;

- фазні індуктивності розсіювання низкою і високої обмоток трансформатора відповідно.

Рисунок 2.1 - Принципова схема з'єднання обмоток трифазної

трансформаторної групи.

      1. Математична модель глибокопазного асинхронного двигуна

Так як опіри глибокопазного АД мають складну залежність від частоти струму в роторі через форму його стрижнів, то виникає необхідність представляти їх у виді функціональних залежностей від ковзання. У такому виді схема заміщення АД може бути використана тільки для розрахунку стаціонарних і квазістаціонарних режимів. Поводження двигунів у перехідних режимах більш точно відбиває многоконтурна схема заміщення, що і буде прийнята за основу при описі АД.

ДР, що описують поводження АД з многоконтурнам ротором (i=1,2,... ,k) можна представити у виді:

 

, (2.29)

, (2.30)

, (2.31)

, (2.32)

, (2.33)

, (2.34)

, (2.35)

, (2.36)

 

де - результуючий вектор напруги на виводах АД;

- результуючі вектори струмів статора, i-ого роторного контуру і гілки намагнічування;

- результуючі вектори потокозчеплень статора, i-ого роторного контуру і гілки намагнічування;

- результуючі вектори похідною потокозчеплень статора і i-ого роторного контуру;

- індуктивність розсіювання обмотки статора, i-ого роторного контора й індуктивність гілки намагнічування;

- активний опір статора і i-ого роторного контуру;

- частота обертання ротора і системи координат;

- сумарний момент інерції приводу;

- момент опору механізму й обертаючий момент двигуна.

Підставивши (2.33) у (2.31) і (2.34), струми статора і i-ого роторного контуру можна знайти як:

 

, (2.37)

. (2.38)

 

Потокозчеплення гілки намагнічування представляється в наступному виді:

 

, (2.39)

 

де - коефіцієнти розподілу потокозчеплень статора, i-ого роторного контуру, що показують яка частина потокозчеплення відповідного контуру бере участь у створенні робочого потокозчеплення в повітряному зазорі

 

, , (2.40)

де . (2.41)

 

Приймаючи за невідомого потокозчеплення статора і контурів ротора, з обліком (2.37), (2.38) і (2.39), рівняння (2.29) і (2.31) представляються у формі Коші

 

, (2.42)

, (2.43)

 

де - коефіцієнти загасання контуру статора і i-ого роторного контуру

 

, . (2.44)

 

Практика показала, що математичну модель АД доцільно записати в системі координатних осей , , жорстко зв'язаної зі статором ( =0), обравши вісь , що збігається з електричною віссю обмотки фази a, а вісь , що випереджає її на кут 90 градусів. Гідністю цієї системи координат є відповідність складових результуючих векторів по осі дійсним значенням у фазі a трифазного двигуна, що дозволяє робити безпосереднє порівняння осцилограм, отриманих на моделі і знятих експериментальним шляхом.

З обліком вищевикладеного математична модель АД має вид:

 

, (2.45)

, (2.46)

, (2.47)

, (2.48)

, (2.49)

., (2.50)

 

2.6 Математична модель лінії електропередачі

Математична модель лінії міжвузлового зв'язку (наприклад, повітряна лінія між вузлами 2 і 3 і з прийнятим напрямком рівчака потужності від вузла 2 до вузла 3) у перехідних режимах описується як:

 

, (2.52)

 

де - напруги першого і другого вузлів відповідно;

- похідна струму і струм лінії;

- активний опір і індуктивність лінії.

2.7 Математична модель статичного навантаження

ДР змішаного активно-індуктивного навантаження у фазних координатах мають вид:

 

, (2.53)

де - напруги у вузлі, до якого підключена навантаження;

- похідна струму і струм навантаження;

- активний опір і індуктивність навантаження.

2.8 Математична модель шунта

Для імітації коротких замикань використовувався шунт, що підключався в різних точках системи. ДР шунта у фазних координатах мають вид:

 

, (2.54)

 

де - напруги у вузлі, до якого підключений шунт;

- похідна струму і струм шунта;

- активний опір і індуктивність шунта.

2.9 Рівняння зв'язку між елементами системи

На кожному кроку розрахунку визначаються напруги в кожному вузлі схеми, за допомогою методу Гауса. Формується матриця вузлових провідностей і матриця - вектор струмових , що задають .

 

, (2.55)

, , (2.56)

 

де n - кількість вузлів;

- власні провідності;

- взаємні провідності.

Схема математичної моделі електростанції представлена на рисунку 2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2- Схема математичної моделі Зуївської ТЕС