Systemy_DM.pdf

(5169 KB) Pobierz
A. Kanicki: Systemy elektroenergetyczne
ANDRZEJ KANICKI
SYSTEMY
ELEKTROENERGETYCZNE
Strona 1 z 32
A. Kanicki: Systemy elektroenergetyczne
Strona 2 z 32
A. Kanicki: Systemy elektroenergetyczne
1.
SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY
1.1.
Wstęp
Systemem energetycznym będziemy nazywali zespół obiektów i urządzeń służących do
uzyskiwania, przetwarzania, przesyłania, rozdziału oraz użytkowania energii we wszystkich jej
postaciach. System energetyczny pozyskuje tzw. energię pierwotną, do której zaliczamy:
• energię chemiczną zawartą w węglu, ropie naftowej, gazie,
• energię potencjalną lub kinetyczną zawartą w wodzie, wietrze,
• energię powiązań atomowych zawartą w tzw. paliwach atomowych,
• energie słoneczną, itp..
Energia pierwotna może być użytkowana u odbiorcy po jej dostarczeniu i może być przetwarzana
na inną postać energii tzw. energię wtórną np. spalanie węgla w piecu w domu. Na ogół energia
pierwotna jest przetwarzana na tą samą postać energii np. przeróbka ropy w benzynę lub na inną
postać energii wtórnej. Przykładowy cykl przetwarzania i użytkowania energii:
• chemiczna węgla na cieplną,
• cieplna na mechaniczną,
• mechaniczna na elektryczną,
• elektryczna na mechaniczną wykorzystywaną np. w pile tarczowej.
Jedną z postaci energii wtórnej jest energia elektryczna. Energię elektryczną wytwarzamy w
elektrowniach, które w zależności od rodzaju energii pierwotnej dzielimy na:
elektrownie cieplne, gdzie energia chemiczna przetwarzana jest na energię cieplną, a ta na energię
elektryczną. Źródłem energii pierwotnej może być węgiel, ropa naftowa.
• elektrownie wodne,
• elektrownie wiatrowe,
• elektrownie jądrowe,
• elektrownie słoneczne,
• elektrownie gazowe.
Energię elektryczną w czasie jej użytkowania zamieniamy na:
• energię mechaniczną,
• energię cieplną,
• energię świetlną,
• z powrotem na energię chemiczną.
Z powyższych rozważań wynika, że jednym z podsystemów systemu energetycznego jest system
elektroenergetyczny. System elektroenergetyczny to zespół obiektów i urządzeń służących do
wytwarzania, przetwarzania, przesyłania, rozdziału oraz użytkowania energii elektrycznej. Do
przesyłu i rozdziału energii elektrycznej a także do jej przetwarzania służy sieć elektroenergetyczna
zwana też układem elektroenergetycznym lub układem przesyłowo – rozdzielczym.
Energia elektryczna w systemie elektroenergetycznym jak i sam system elektroenergetyczny
posiadają pewne cechy:
1.
Wytwarzanie, przesyłanie, rozdział i użytkowanie energii elektrycznej odbywa się
praktycznie biorąc równocześnie. Prędkość fali elektromagnetycznej (3000000 km/s)
powoduje, że rozprzestrzenianie zjawisk w systemie elektroenergetycznym trwa pomijalnie
mało czasu pomimo rozległości systemu sięgającej setek lub tysięcy kilometrów,
przykładowo opóźnienie dla 100 km linii wyniesie mniej niż pół milisekundy.
2.
W chwili obecnej nie znamy możliwości magazynowania energii elektrycznej. Znane nam
sposoby dotyczą w zasadzie innych rodzajów energii np. elektrownie szczytowo pompowe.
Powoduje to, że energia elektryczna, a więc moc czynna oraz bierna, wytwarzana musi być w
każdej chwili równa energii użytkowanej powiększona o straty energii w systemie
elektroenergetycznym.
Strona 3 z 32
A. Kanicki: Systemy elektroenergetyczne
3.
Znane sposoby magazynowania energii dotyczą innych rodzajów energii niż energia
elektryczna, z których najszybciej mogą wyprodukować energię elektryczną elektrownie
wodne i szczytowo pompowe. W przypadku elektrowni szczytowo pompowych opóźnienie
wynosi jednak ok. 30 s.
4.
Energia pobierana przez odbiorców ulega zmianom w cyklach:
• dobowych,
• miesięcznych,
• rocznych,
• wieloletnich.
5.
Do tego zapotrzebowania musi dostosowywać się podsystem wytwórczy w systemie
elektroenergetycznym. Duża szybkość tych zmian powoduje, że regulacja mocy wytworzonej
musi się odbywać automatycznie.
6.
Dodatkowo
moc
bierna
pobierana
i
wytwarzana
przez
elementy
systemu
elektroenergetycznego musi się równoważyć w każdym momencie.
7.
Kryteriami regulacji nie może być energia ani moc czynna czy bierna albowiem dla systemu
są to wielkości w zasadzie niemierzalne. Dlatego przyjmuje się jako kryteria regulacji:
wartość częstotliwości systemu elektroenergetycznego, wartość napięć w wybranych
miejscach systemu elektroenergetycznego. Są to także podstawowe dwa wskaźniki jakości
energii elektrycznej.
8.
Proces regulacji mocy turbin rozpoczyna się, gdy wartość częstotliwości systemu
elektroenergetycznego przekracza założoną strefę nieczułości regulatorów. Powszechnie
przyjmuje się, że wartość strefy nieczułości regulatorów wynosi ± 0,05 Hz.
9.
Do czasu, gdy nie zadziałają układy regulacji, niezbilansowanie mocy jest pokrywane poprzez
zmianę energii kinetycznych wirników turbin. Samoczynny rozdział mocy niezbilansowania
odbywa się:
• w pierwszym etapie, natychmiast po wystąpieniu niezbilansowania, proporcjonalnie do
momentów
(mocy)
synchronizujących
poszczególnych
generatorów,
co
jest
proporcjonalne do rozdziału według parametrów elektrycznych sieci,
• w drugim etapie, co następuje z niewielkim opóźnieniem po wystąpieniu niezbilansowania,
proporcjonalnie do momentów bezwładności poszczególnych generatorów, co jest
proporcjonalne do rozdziału według mocy znamionowych generatorów.
10.
Po zadziałaniu układów regulacji turbin moc niezbilansowania jest rozdzielana w następujący
sposób:
• w pierwszym etapie, proporcjonalnie do wartości statyzmów regulatorów turbin oraz do
nachylenia charakterystyk częstotliwościowych odbiorów i jest to tzw. regulacja pierwotna
a następnie wtórna,
• w przypadku głębokiego załamania się częstotliwości, rozdział zależy od działania
automatyki SCO, której pierwszy stopień uaktywnia się przy 49,2 Hz,
• w przypadku braku głębokiego załamania się częstotliwości, proporcjonalnie do działania
regulacji trójnej.
11.
W przypadku braku zbilansowania się mocy czynnej i biernej, pobieranej i wytwarzanej,
system elektroenergetyczny zaczyna pracować niestabilnie, co zazwyczaj prowadzi do
kolejnych wyłączeń urządzeń elektroenergetycznych a w końcu do wyłączenia części lub
całego systemu, czyli tzw. blackoutu.
12.
Dodatkowo należy pamiętać, że elementy przesyłowe systemu elektroenergetycznego
posiadają swoje maksymalne zdolności przesyłowe wynikające z:
• granicznej temperatury przewodów i izolacji,
• spadków napięć na elemencie,
• mocy granicznej wynikającej z impedancji elementu systemu elektroenergetycznego.
13.
Energia elektryczna jest wykorzystywana u odbiorców w newralgicznych punktach
działalności człowieka np.:
• oświetlenie,
Strona 4 z 32
A. Kanicki: Systemy elektroenergetyczne
• windy,
• zabezpieczenia przeciwpożarowe,
• szpitale,
14. System musi zapewniać dużą niezawodność dostaw energii elektrycznej, co jest jednym
z elementów bezpieczeństwa energetycznego Polski.
15. Dostarczana energia elektryczna musi charakteryzować się odpowiednią jakością.
16. W przypadku, gdy w systemie występują elektrownie, których produkcja zależy od
czynników przypadkowych takich jak pogoda (np. elektrownie wiatrowe, słoneczne) musimy
utrzymywać rezerwę mocy w innych elektrowniach.
Reasumując, aby zbilansować moc w systemie elektroenergetycznym oraz zapewnić dużą
niezawodność dostawy energii elektrycznej jak i jej jakość wykonuje się dla założonych
przedziałów czasowych, jednogodzinnych lub piętnastominutowych, dla których przyjmuje się
stałość mocy odbieranych i wytwarzanych, następujące obliczenia:
• wartości napięć we wszystkich węzłach systemu elektroenergetycznego, które muszą być
w założonym przedziale,
• wartość mocy we wszystkich gałęziach systemu elektroenergetycznego, które nie mogą być
większe od mocy dopuszczalnych długotrwale w danej gałęzi.
Obliczenia powyższych wielkości odbywają się poprzez odpowiednie modelowanie systemu
elektroenergetycznego, co w rezultacie prowadzi do układ równań nieliniowych rozwiązywanego
metodami iteracyjnymi o wymiarze równym podwojonej liczbie węzłów w systemie, która zwykle
jest większa niż 500. Obliczenia takie nazywane są obliczeniami rozpływów mocy. W przypadku
sieci 1000 węzłowej należy odwrócić macierz kwadratową o wymiarze 2000 × 2000, co najmniej 4
razy w procesie iteracyjnym.
Obliczenia niezawodnościowe sprawdza się stosując tzw. zasadę (N-1), co oznacza, że
założona zostaje możliwość awaryjnego wyłączenia każdego, dowolnego elementu systemu
elektroenergetycznego z jednoczesnym zapewnieniem bilansowania się energii elektrycznej
w wyniku działania regulacji pierwotnej, wtórnej czy trójnej, z jednoczesną koniecznością nie
przekraczania wartości napięć węzłowych i mocy gałęziowych. Wyłączenia awaryjne mogą
dotyczyć dowolnego generatora (grupy generatorów), odbioru czy elementu przesyłowego.
Powoduje to, że należy wykonać kilka tysięcy obliczeń rozpływów mocy. Dla sieci 1000 węzłowej
byłoby to, co najmniej 100 tysięcy wariantów obliczeń rozpływów mocy. W tej sytuacji upraszcza
się obliczenia poprzez zastąpienie nieliniowego modelu matematycznego systemu
elektroenergetycznego modelem liniowym. W przypadku modelu liniowego można określić tzw.
macierze wrażliwości charakteryzujące moce gałęziowe po dowolnym wyłączeniu.
W systemach elektroenergetycznych wytwarzające energię elektryczną elektrownie są między
sobą połączone za pomocą sieci elektroenergetycznej do tak zwanej pracy równoległej,
synchronicznej. Zazwyczaj mówimy o systemie elektroenergetycznym danego państwa. Od około
20 lat systemy elektroenergetyczne państw łączą się w większe systemy. W Europie mamy między
innymi:
• UCPTE (UCTE),
• JSE (b. ZSRR),
• Nordel,
• GBE (W. Brytania i Irlandia),
• Centrel.
Między tymi wielkimi systemami elektroenergetycznymi istnieją powiązania na prądzie
zmiennym lub stałym. Długość linii przesyłowych prądu zmiennego jest ograniczona. Ta długość
graniczna zależy od obciążenia linii oraz typu linii: napowietrzna czy kablowa, przy czym
graniczne długości linii kablowych są znacznie mniejsze niż napowietrznych. W sytuacji, gdy
rzeczywista długość linii prądu przemiennego jest większa od długości granicznej musimy
zastosować linię prądu stałego. Dla linii prądu stałego pojęcie długości granicznej nie istnieje.
Strona 5 z 32

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin