doc7-Sähkövoimajärjestelmän_hallinta
download 
Report Transcription
7-Sähkövoimajärjestelmän_hallinta
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Sähkövoimajärjestelmän hallinta BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Sähkövoimajärjestelmä Koostuu voimalaitoksista ja kuormituksista sekä niitä yhdistävistä johdoista G G P, Q P, Q G Toimintavaatimukset: Lähde: Fingrid Oyj – generaattorit käyvät samassa tahdissa – tuotannon ja kulutuksen tasapaino joka hetki Lappeenranta University of Technology 2 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Sähkönsiirtojärjestelmän stabiilius Järjestelmän kyky säilyttää tasapaino siihen kohdistuvien erilaisten muutostilojen poistuttua ja aikana kuormituksen muutokset tuotannon muutokset käyttötoimenpiteet viat Häiriötä seuraa energian heilahtelu verkossa onko vaimeneva ? säilyykö generaattoreiden tahtikäynti ? kuinka taajuus käyttäytyy ? Tasapaino: Tuotanto = Kulutus Mitkä ovat riippuvuussuhteet järjestelmässä - kuinka stabiilius säilytetään ? pätöteho, loisteho, taajuus, jännite Lappeenranta University of Technology 3 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Tehonsiirto reaktiivisella johdolla X U = I·jX I Uv1 Uv2 Tehon siirtyminen jännite-erolla ? U U Uv1 I Uv1 Uv2 Uv2 I Pätötehoa siirtyy vain, kun 0 Siirtyy pelkästään loistehoa ! Lappeenranta University of Technology 4 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Tehonsiirto reaktiivisella johdolla Suurjännitejohto I1 S1 I2 S2 jX Uv1 Uv2 Uv1 I1 Uv1 Uv1 0 U jI1·X Uv2 Uv2 Uv2 Uv1 Uv2 jI1 X I1 Uv1 Uv2 Uv1 Uv2 jX jX S1 3Uv1I1 3 Uv1 Uv1 Uv2 jX Lappeenranta University of Technology 5 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Tehonsiirto reaktiivisella johdolla Siirrytään pääjännitteisiin U12 jX S1 U1U 2 jX U1U 2 sin X U12 j X j U12 X U1U 2 cos jU1U 2 sin jX U2U1 U1U 2 cos X U2 Q P P U1 jU1U2sin U1U2cos Pmax 0 90 180° P U1U 2 sin X tehokulmayhtälö stabiili alue Staattisen stabiilisuuden rajateho Lappeenranta University of Technology 6 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Staattinen stabiilius P G Xj Uv Xg Xg Eg I Eg Xj Ug Ug Uv Uv P UE sin , Xg X j Pmax jXgI jXjI UE (staattisen stabiilisuuden rajateho) Xg X j Lappeenranta University of Technology 7 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Staattinen stabiilius E U P X Im Verkkoa kuvaava ekvivalenttigeneraattori Generaattori Generaattorin mekaanisen tehon ja sähköisen tehon välillä vallitsee aina tasapaino, kun tehokulma < 90 o. Esimerkiksi kun mekaanista tehoa lisätään, kasvaa tehokulma, jonka seurauksena sähköinen teho kasvaa, kunnes se on yhtä suuri kuin mekaaninen teho. Muutostilanteissa generaattorin reaktanssina tehokulmayhtälössä käytetään muutostilan arvoa X ’. Vastaavasti generaattorin lähdejännitteenä käytetään arvoa E ’. Lappeenranta University of Technology 8 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Staattinen stabiilius Esimerkki: Generaattori syöttää jäykkään verkkoon tehon Sr= 0,7 ; cos = 0,8 ind. Määritä tehokulma, kun Ur = 1,1 ; Xdr = 1,2 ; Xjr = 0,2. Mikä on staattisen stabiiliuden rajateho? Sr Ir 0,509 Ur Xr X dr X jr Er Ur P2 r Er U r sin Xr sin j 0,382 A 1,4 Ir j Xr 0,56 1,4 Ur= 1,1 1,63 j 0,71 V 1,78 V 23,5 1,78 1,1 sin 1,4 1,78 P2 r 1,4 sin Pr 0,56 staattisen stabiiliuden rajateho I Xdr Xjr Er 23,5 Jos Pb = 10 MW Er Ur P2rmax = 14 MW Lappeenranta University of Technology 9 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Dynaaminen stabiilius T Pm PS G J P m PS Pm Pm PS PS (mekaaninen teho = sähköteho ; staattinen tilanne) Wk Wk d J dt d dt t 1 J 2 2 d2 dt 2 J d dt 2 Pm Kuvassa tilanne on epästabiili PS t Lappeenranta University of Technology 10 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Dynaaminen stabiilius Dynaamisen stabiiliuden ratkaisu pinta-alakriteeriön avulla (soveltuu vain yksikonemalliin) Tilanne: Generaattori toimii teholla P0, kun sen syöttöjohdossa tapahtuu ohimenevä oikosulku. Johto palautuu käyttöön, kun katkaisijat kytkevät johdon takaisin verkkoon. Millä hetkellä takaisinkytkentä on tehtävä, jotta generaattori säilyttää tahtikäyttönsä? P’ Oletuksia: Pm=P0 Pm Pe vakio E 'U sin ' X' ’ ’0 ’kr ’max 180° Lappeenranta University of Technology 11 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Dynaaminen stabiilius (Pm – Pe) d kuvaa kiihdyttävää pinta-alaa, kun Pm > Pe jarruttavaa pinta-alaa, kun Pe > Pm Pinta-alojen oltava vähintään yhtä suuria tai jarruttavan pinta-alan oltava suurempi ts. takaisinkytkennän on tapahduttava ennen kuin napapyörä saavuttaa tehokulman kr’. Kriittinen napakulma saavutetaan ajassa tkr. t kr ( kr o) 2 J Pm Lappeenranta University of Technology 12 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Dynaaminen stabiilius Esimerkki: Uv P Q x xd’ = 1,0 = 1,0 =0 = 0,15 = 0,25 J = 0,05 s2 E’ , xd’ P x ~ U Ohimenevä vika (vaatii katkaisijan aukaisemisen) Laske tehokulman kr’ arvo, jolla katkaisijan on pikajälleenkytkennän jälkeen sulkeuduttava, jotta siirtotilanne säilyisi stabiilina. E’ = U + j(x + xd’)I = 1,0 + j(0,4·1) = 1,08 V E’ = 1,08 V ; 0’ 21,8° = 21,8° UE ' sin ' 2,69 sin ' x xd P' ’0 Lappeenranta University of Technology ’kr ’max 13 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Dynaaminen stabiilius - Esimerkki 'kr 'max Pm d PS '0 'kr 'kr määrätty integraali Pm d 'max 1,0 ' '0 2,69 cos ' 'kr ' '0 'max 'kr 0,38 2,50 2,69 cos 'kr 2,76 cos 'kr 'kr t kr 0,38 rad 0,38 rad 2,76 rad 'kr 0.12 2,69 92,5 (92.5 21.8) 2 0.05 0.35s 180 1 Lappeenranta University of Technology 14 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Riippuvuudet P, ja Q, U verkossa Siirtoverkossa tavallisesti on pieni ja R << X Tehokulmayhtälö: U1U 2 U12 U1U 2 P sin Q cos X X X P U1U 2 cos 1 cos X Pätöteho on voimakkaasti kulmasta (taajuudesta)riippuvainen. P U1 U2 sin X Q U1U 2 sin X sin Q U1 0 2U1 U 2 cos X X Loisteho on voimakkaasti jännitteestä riippuvainen. Lappeenranta University of Technology 15 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Taajuuden ja jännitteen säätö Taajuus – pätötehotasapaino määrää taajuuden ts. taajuussäätö voidaan toteuttaa pätötehotasapainon avulla – taajuus on kaikkialla verkossa sama Jännite – verkon jännitteet riippuvat voimakkaasti loistehosta ts. jännitteensäätöä voidaan toteuttaa loistehotasapainoon vaikuttamalla – jännite on paikallinen suure ts. verkon jokaisen solmun jännite on yksilöllinen Lappeenranta University of Technology 16 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Taajuuden säätö Taajuussäätö toteutetaan tehotasapainon eli tuotannon säädön avulla. Tuotannon säätö kulutusta vastaavaksi voidaan toteuttaa: Jako ajan perusteella: – – – – pitkäaikaissäätö viikkosäätö vuorokausisäätö hetkellinen säätö Jako toteutustavan perusteella: – ohjelma-ajo – (käsisäätö) – automaattinen säätö Säätökriteerit: – ajo-ohjeet – verkon taajuus – yhdysjohtojen tehonsiirto Lappeenranta University of Technology 17 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Taajuuden vaihtelu ja säätö Kuormitusmuutokset aiheuttavat taajuuden vaihtelua f T t fp 2 Ilman säätöäkin löytyy uusi tasapainotilanne, sillä taajuuden laskiessa myös kuormat pienentyvät 1 Pk Kv Verkon taajuus kuormitusmuutoksen jälkeen 1. ilman säätöä, 2. normaali säätö. Taajuus pyritään pitämään mahdollisimman hyvin nimellisarvossaan, poikkeamat 0,1 Hz, joka vastaa 0,2 % poikkeamaa Synkroniaika, sallittu aikapoikkeama max 10 s t t t0 dt f0 3600 t 0 0,1 dt 50 7,2 s (tunnissa syntyvä aikavirhe, jos taajuus-poikkeama on 0,1 Hz) Lappeenranta University of Technology 18 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Taajuuden säätö Taajuuden (tehon) säätö Suomessa osana Nordel-järjestelmää Suomi pyrkii osaltaan tehotasapainoon kaupalliset sopimukset (myynti/osto Ruotsista) huomioon ottaen Tehotasapainoa seurataan rajajohtojen tehojen mittauksella Rajajohtojen tehon poiketessa asetusarvosta Suomen tehoa säädetään joko tuntitasolla (energiavirhe) tai hetkellisesti (tehovirhe). Säätö tehdään pääasiassa Kemi- ja Oulujoen vesivoimalaitoksilla Ruotsi huolehtii tarkasta taajuussäädöstä Suomella on kyky toimia myös omana itsenäisenä saarekkeena, tällöin hoidamme itse myös taajuussäädön Lappeenranta University of Technology 19 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Verkon jännitteensäätö Jännite on paikallinen suure ja sitä säädetään paikallisesti Siirtojohdon loistehotase - Jännitteiden Uv1 ja Uv2 ylläpitämiseksi on johdolle syötettävä loistehot P Uv1 2 1 Q1 U X U1U 2 cos X Qh Q1 Q2 Qc Q2 U 22 X QC Y 2 U1 U 22 2 U1U 2 cos X Q1 QC1 Y 2 X Q2 P QC2 Uv2 Y 2 QC1 QC 2 Johdon loistehontarve on, jos oletetaan Uv1=Uv2=Uv Qh 2 U2 1 cos X YU 2 (Tämä on siis johdon kuluttama/tuottama loisteho) Lappeenranta University of Technology 20 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Verkon jännitteensäätö Kun Kun on pieni Qh < 0 on suuri Qh > 0 2 Qh= 0, kun 2 U 1 cos X cos Pl l 1 U2 sin X XY 2 l l U2 X l sin YU l 2 Kun on pieni 2 1 2 cos XY Pl U2 X Y Pl on ns. luonnollinen teho, tällöin johto kompensoi itsensä U 20kV 110kV 400kV Pl avojohto 1,0 MW 30 MW 500 MW kaapeli 10 MW 300 MW Lappeenranta University of Technology 21 BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Jännitteensäädön toteutus 1) Generaattorin magnetoinnin säätö: – napajännitteen säätö 2) Loistehon kompensointi – tahtimoottorit – synkronikompensaattorit – kondensaattorit – reaktorit P X ~ Y/2 P ~ Y/2 Y/2 X X Y/2 C 3) Muuntajien käämikytkimet Lappeenranta University of Technology 22
