1. SYSTÉM REGULÁCIE NAPÄTIA V ES SR

Transcript

1 Obsah ÚVOD SYSTÉM REGULÁCIE NAPÄTIA V ES SR Koncepcia regulácie napätia Automatická regulácia napätia v ES SR Princíp regulácie napätia v PS Slovenskej republiky Primárna regulácia napätia Sekundárna regulácia napätia Terciárna regulácia napätia Spôsoby regulácie napätia Regulácia generátorom Regulácia transformátorom... 1 NAPÄŤOVÝ KOLAPS Napäťová stabilita Opatrenia vedúce k obmedzeniu rizika napäťového kolapsu PILOTNÝ UZOL LEMEŠANY Základné zapojenie pilotného uzla Lemešany Možnosti riešenia problému regulácie napätia pre pilotný uzol v Lemešanoch Klasifikácia premenných Všeobecná formulácia problému MODELOVANIE REGULÁCIE NAPÄTIA POMOCOU SIMULAČNÉHO PROGRAMU MATLAB Popis simulačného programu Matlab SimPowerSystems Blockset a jeho využitie v elektroenergetike Popis a výpočet jednotlivých prvkov simulácie Popis a výpočty parametrov transformátorov Popis a funkcia bloku premenlivej záťaže Popis parametrov ostatných blokov Principiálna schéma simulácie Priebehy získané simuláciou ZÁVER Zoznam použitej literatúry

2 ÚVOD Regulácia napätia je jednou zo systémových služieb, ktoré musí prevádzkovateľ elektrizačnej sústavy zabezpečiť na zaistenie bezpečnosti a hospodárnosti prevádzky, stability napätia sústavy a tiež ovplyvňuje kvalitu dodávky elektrickej energie. S reguláciou napätia je úzko spätá regulácia jalového výkonu, pričom sa jedná o reguláciu lokálnych veličín. Oblasť pilotného uzla Lemešany patrí k najväčším rozvodniam na Slovensku a v poslednom období zaznamenala zásadné rekonštrukčné zmeny. Uvedením transformácie 400/110kV do prevádzky, sa zmenila topológia základného zapojenia, čo okrem iného ovplyvnilo napäťové pomery a toky jalových výkonov v tomto uzle. Keďže sa tu plánuje pripojiť ešte jeden takýto transformátor, je na mieste zaoberať sa bližšie problematikou regulácie napätia v tomto pilotnom uzle. V jednotlivých kapitolách je postupne opísaný systém, koncepcia a princíp regulácie napätia v elektrizačnej sústave Slovenskej republiky. Malá časť sa tiež zaoberá napäťovou stabilitou a možnosťami obmedzenia rizika vzniku napäťového kolapsu. V kapitole. je naznačený spôsob, akým by sa dali vypočítať optimálne riadiace parametre pre pilotný uzol, avšak táto práca nie je zameraná týmto smerom. Jej hlavným cieľom je namodelovanie pilotného uzla Lemešany s jeho regulačnými prostriedkami a následné skúmanie vplyvu týchto prostriedkov na napätia na pilotných prípojniciach. Taktiež skúma zmenu veľkostí jalových výkonov tečúcich na strane vyššieho napätia transformátorov pre rôzne skokové zmeny zaťaženia. 1

3 1. SYSTÉM REGULÁCIE NAPÄTIA V ES SR Na zabezpečenie prevádzkovej spoľahlivosti elektrizačnej sústavy Slovenskej republiky (ES SR), na zabezpečenie bezpečnej prevádzky výrobných zariadení výrobcu elektriny a na zabezpečenie prevádzkyschopnosti sústavy, kvality, stability prenosu a distribúcie elektriny a obnovy synchrónnej prevádzky pri rozpade ES využíva prevádzkovateľ prenosovej sústavy, ktorým je v SR Slovenská elektrizačná prenosová sústava, a.s. (SEPS, a.s.), tzv. podporné služby, medzi ktoré patrí aj regulácia napätia, konkrétne sekundárna regulácia napätia. Sústavu na vymedzenom území SR riadi Slovenský elektroenergetický dispečing (SED) v Žiline. Z dôvodu zabezpečenia koordinovateľnej automatickej regulácie napätia v uzloch ES je inštalovaný a využívaný na SED-e systém automatickej regulácie napätia. Do konca roka 005 slúžil na riadenie ES SR riadiaci systém LS 00, ktorý bol v roku 006 nahradený riadiacim systémom Sinaut Spectrum od firmy Siemens. Na automatickú reguláciu napätia sa používa funkcia Automatic Voltage Control (AVC), ktorá je súčasťou nového riadiaceho systému [1]. 1.1 Koncepcia regulácie napätia Regulácia napätia v ES je veľmi dôležitou úlohou, ktorá zaisťuje bezpečnosť prevádzky, stabilitu napätia, hospodárnosť prevádzky ES a okrem toho ovplyvňuje aj kvalitu dodávky elektrickej energie. Silne korelovanou veličinou k napätiu je jalový výkon a na rozdiel od regulácie činného výkonu a frekvencie sa jedná pri regulácii napätia a jalového výkonu o reguláciu lokálnych veličín. Koncepcia regulácie napätia v ES SR je postavená na trojstupňovej hierarchii: Terciárna regulácia napätia na úrovni celej regulovanej sústavy, Sekundárna regulácia napätia na úrovni jedného uzla sústavy, Primárna regulácia napätia na úrovni jedného bloku elektrárne. Každá úroveň má inú akčnú rýchlosť (sekundy až minúty), inú lokalizáciu (alternátory, elektrické stanice, dispečing), iný akčný dosah (alternátor, pilotná zóna, celá sústava) a iné ciele (ochrana alternátora, regulácia napätia v oblasti, optimálna regulácia napätia v sústave). Na reguláciu napätia slúžia generátory, transformátory a kompenzačné prostriedky (tlmivky). Všetky elektrárne pracujúce do prenosovej sústavy

4 (PS) sú schopné automatickej diaľkovej regulácie napätia (DRN) z dispečingu SED. Z transformátorov je schopný automatickej regulácie odbočiek transformátor T401 v Lemešanoch. PS SR je rozdelená do tzv. pilotných zón, v každej z týchto zón je možné regulovať napätie prostredníctvom napätia v tzv. pilotnom uzle (na napäťovej hladine 400 kv sú pilotnými uzlami 400 kv prípojnice v elektrickej stanici Sučany, Bošáca, Križovany, Lemešany, Veľké Kapušany, Veľký Ďúr, Gabčíkovo, Liptovská Mara a Stupava; na napäťovej hladine 0 kv sú pilotnými uzlami 0 kv prípojnice v elektrickej stanici Križovany, Lemešany a Sučany) [1]. 1. Automatická regulácia napätia v ES SR Na automatickú reguláciu napätia v pilotných uzloch PS SR slúži modul pre napäťovú reguláciu AVC, ktorý je súčasťou riadiaceho systému Sinaut Spectrum. AVC porovnáva zadanú (žiadanú) hodnotu napätia s hodnotou meranou, s akceptovaním dovolenej tolerancie napätia. V prípade vzniku regulačnej odchýlky určuje také zásahy do sústavy, pre všetky pilotné zóny, ktoré vedú k vyrovnaniu regulačnej odchýlky. Referenčné hodnoty napätí potrebné pre modul AVC sa získavajú z okolitých objektov ES prostredníctvom výmeny procesných dát. Výmena dát je v súčasnosti realizovaná sériovými asynchrónnymi protokolmi TG 809 resp. IEC-101 medzi jednotlivými riadiacimi informačnými systémami (RIS), konkrétne medzi RIS SED a IS v objektoch ES. Sú to nutné vstupné dáta pre správnu činnosť modulu AVC. Následné hodnoty žiadaného riadiaceho napätia (budenie zdroja, hladinová regulácia napätia transformátora) sú posielané z RIS SED cez SCADA ako setpoint hodnota, prípadne ako binárny povel na vypnutie (resp. zapnutie) tlmivky. Samotný modul AVC je nadstavbovou výbavou základnej SCADY a je plne integrovaný do grafického užívateľského prostredia, je naprogramovaný v jazyku C, program je kompilovaný v prostredí operačného systému Sun Solaris 5.8. Model je prevádzkovaný na dvoch redundantne pracujúcich serveroch SCADA. Pomocou modulu AVC je možné riadiť napätia v pilotných uzloch ES. Čo však modul AVC neumožňuje je zosúladiť činnosť regulačných prostriedkov napätia v takých prípadoch, kedy je v pilotnom uzle zapojených viac typov regulačných prostriedkov (generátory, tlmivky, transformátory). Aj keď modul AVC nie je úplne ideálny, hlavne jeho grafické prevedenie, za svoju krátku dobu preukázal svoju funkčnosť. V súčasnosti sa automaticky riadia iba budenia na generátoroch. Prechodom rozvodní do režimu diaľkovej regulácie zo SED-u, bude

5 možné diaľkovo regulovať aj ostatné regulačné prostriedky (prípadne aj automaticky). Ak by sme mali záujem, aby všetky regulačné prostriedky v jednom uzle boli regulované automaticky a aby pracovali v optimálnom režime, bolo by potrebné rozšíriť modul AVC o optimalizačný podprogram [1]. 1. Princíp regulácie napätia v PS Slovenskej republiky Na Obr je zobrazený princíp regulácie napätia pre pilotnú zónu 1, obdobne je realizovaná regulácia napätia vo všetkých pilotných zónach PS. Merania v ES SR a zahraničných TERCIÁRNA sústavách Dispečer REGULÁCIA NAPÄTIA (VVS) U pilot1 AVC P i, Q i, hodnoty pre pilotnú zónu 1 hodnoty pre SEKUDÁRNA U gi, U pilotnú zónu x VSi REGULÁCIA U žpil1 Tl žpil1 t žpil1 NAPÄTIA SKRN Regulátor Spínač odbočky tlmiviek U g Q ž1 Q žn SBS SBS PRIMÁRNA REGULÁCIA NAPÄTIA U ž TR P g1, Q g1 P gn, Q gn Tl sieť (merania na prípojniciach rozvodní v pilotnej zóne Obr Princíp regulácie napätia v PS SR SKRN skupinový regulátor napätia, SBS budiaca súprava stroja, TR transformátor, Tl tlmivky, U ž žiadané hodnoty napätí pre pilotné zóny v PS, 4

6 U žpil1 žiadaná hodnota napätia pre SKRN, Tl žpil1 žiadaný stav prevádzky Tl, t žpil1 žiadaná pozícia odbočky TR, Q ž1, Q žn žiadané hodnoty jalových výkonov generátorov, U pilot1 napätia na elektricky blízkych prípojniciach v rozvodni, do ktorých sú vyvedené generátory, P i, Q i, U gi, U VSi, hodnoty výkonov (činných a jalových) a napätí (generátorové a na vlastnej spotrebe) generátorov regulujúcich úroveň napätia v pilotnej zóne, P g1, Q g1, P gn, Q gn, hodnoty výkonov (činných a jalových) prvého a n-tého generátora, U g, generátorické napätie Primárna regulácia napätia (PRN) Primárna regulácia je realizovaná regulátormi napätia v budiacich obvodoch alternátorov. Regulátor budiacej sústavy udržiava požadované napätie na svorkách generátora v prípade rýchlych zmien záťaže, zmien v topológii systému a iných porúch v sieti. Primárna regulácia rýchlou zmenou budenia v priebehu prechodného javu musí udržať požadované napätie na svorkách generátorového agregátu pri zachovaní jeho stability. Doba odozvy na regulačnú odchýlku je niekoľko sekúnd. Prevádzkový rozsah budenia je daný niekoľkými obmedzeniami: dovoleným prúdom rotora, statora, oteplením, medzou podbudenia a pod. Súčasťou regulátora napätia generátorového agregátu musí byť kontrola medze statorového a rotorového prúdu, kontrola medze podbudenia a stabilizačná spätná väzba známa pod názvom PSS (systém stabilizácie výkonu). Primárna regulácia napätia generátora musí udržiavať svorkové napätie generátora v predpísaných medziach U G U ng + (+ 5 % až - 10 %) U ng pri dodržaní predpísanej hodnoty napätia vlastnej spotreby. [, ] 1.. Sekundárna regulácia napätia (SRN) Sekundárna regulácia napätia zabezpečuje udržiavanie napätia vo vybraných uzloch siete (pilotných uzloch) v uzavretej slučke na žiadanej hodnote. Pilotný uzol je vybraný tak, aby jeho napätie určovalo vývoj napätia v určitej oblasti (tzv. pilotnej zóne). SRN v pilotnom uzle sa vykonáva zmenou veľkosti a charakteru jalového výkonu. Potrebný 5

7 jalový výkon v pilotnom uzle je v ES SR zabezpečovaný generátorovými agregátmi, transformátormi alebo kompenzačnými prostriedkami. Veľkosť a charakter jalového výkonu generátorového agregátu je možné zabezpečiť zmenou jeho budenia v rámci prevádzkovej časti P - Q diagramu. Generátorový agregát, ktorý má pracovať v sekundárnej regulácii napätia, musí spĺňať nasledovné podmienky: regulácia napätia generátora musí byť prispôsobená na automatickú diaľkovú reguláciu napätia vo vzdialenom pilotnom uzle elektrizačnej sústavy, blokový transformátor a transformátor vlastnej spotreby musia mať prepínateľné odbočky pod záťažou minimálne ± 8 odbočiek po 1 % z U n. Regulácia prepínania odbočiek musí byť súčasťou automatickej diaľkovej regulácie napätia vo vzdialenom pilotnom uzle elektrizačnej sústavy, ak dva alebo viac generátorových agregátov pracuje do spoločného uzla (paralelná prevádzka), musia byť vybavené skupinovou reguláciou napätia a jalového výkonu, prevádzkový rozsah P - Q diagramu môže byť oproti P - Q diagramu, ktorý pre príslušný generátorový agregát dodáva výrobca, obmedzený v zápornej časti o 10 % z maximálne dovoleného jalového výkonu a v kladnej časti o 15 % z maximálne dovoleného jalového výkonu. Blokový transformátor a transformátor vlastnej spotreby s prepínaním odbočiek pod záťažou, ktorý má pracovať v sekundárnej regulácii napätia, musí ešte spĺňať []: Blokové transformátory a transformátory vlastnej spotreby musia mať prepínateľné odbočky pod záťažou, minimálne ± 8 odbočiek po U o (1-) % U nt. Prepínanie odbočiek blokových transformátorov musí byť súčasťou automatickej diaľkovej regulácie napätia vo vzdialenom pilotnom uzle ES. Transformátory vlastnej spotreby musia byť vybavené obvodmi automatickej regulácie napätia. 6

8 Hlavnými časťami sekundárnej regulácie napätia sú automatická regulácia napätia (AVC), skupinové regulátory napätia (SKRN) v elektrárňach, regulátory odbočiek transformátorov a pomocné funkcie pre ovládanie tlmiviek (nie sú zatiaľ v prevádzke). Skupinové regulátory napätia: Zmena jalového výkonu generátorov na základe žiadanej hodnoty napätia sa realizuje prostredníctvom skupinového regulátora napätia (SKRN) resp. skupinových regulátorov napätia. Doba odozvy na regulačnú odchýlku je niekoľko minút (<5 min). SKRN umožňuje regulovať napätie v danej pilotnej zóne na základe požiadavky z AVC, tak aby sa dosiahla požadovaná úroveň napätia pilotného uzla. Úlohou SKRN je na základe požiadavky zmeny napätia regulovať jalový výkon skupiny generátorov nastavovaním žiadanej hodnoty budiacej súpravy, pričom sa zohľadňuje pracovná oblasť P-Q diagramu jednotlivých generátorov. SKRN okrem zohľadňovania P-Q diagramu udržuje svorkové napätie generátora v stanovených medziach a kontroluje prípustné medze napätia vlastnej spotreby. Skupinové regulátory umožňujú režim diaľkového ovládania z dispečingu SED, resp. v prípade Vážskej kaskády dispečingu VET. [, ] Regulátory odbočiek transformátorov: Ako jediný transformátor schopný diaľkovej automatickej regulácie pozície odbočiek je transformátor T401 v Lemešanoch. Momentálne sa ešte táto možnosť nevyužíva. Ovládanie tlmiviek: Tlmivky, ktoré sú pripojené na terciárne vinutie transformátora T401 v Lemešanoch je možné zatiaľ spínať lokálne, ale uvažuje sa s ich diaľkovou možnosťou spínania zo SED-u. 7

9 1.. Terciárna regulácia napätia (TRN) Pod terciárnou reguláciou napätia sa rozumie zavedenie systémového hľadiska do riadenia napätia podľa kritéria hospodárnosti. Jej výsledkom je na základe merania v ES zabezpečenie optimálnych parametrov napäťovej regulácie (veľkosť napätia, výrobu jalového výkonu, napäťový prevod transformátorov, nasadenie kompenzačných prostriedkov atď.), najmä s cieľom minimalizácie strát v sieti. Za riadenú oblasť sa v ES SR považuje prenosová sústava končiaca na svorkách na 110 kv priechodkách transformátorov z PS na DS. Základnými predpokladmi, aby terciárna regulácia napätia pracovala efektívne sú optimálny výber pilotných uzlov a presné a spoľahlivé meranie potrebných veličín v sústave. Za pilotné uzly v ES SR boli vyberané uzly, ktoré spĺňajú nasledovné podmienky [4]: Pri zmenách zaťaženia ES je zabezpečená dostatočne malá zmena napätia v jednotlivých uzloch zaťaženia za predpokladu konštantnosti napätia v pilotných uzloch. V blízkosti pilotného uzla je zdroj elektrickej energie generátor (alebo iná možnosť regulácie napätia), ktorý má najväčší vplyv na pilotný uzol z hľadiska čo najlepšieho udržiavania konštantnosti napätia v tomto uzle pri zmenách jeho zaťaženia. 1.4 Spôsoby regulácie napätia Regulácia generátorom Realizuje sa regulátormi napätia v budiacich obvodoch generátora tak, že sa mení jalový výkon stroja. Táto regulácia je vybavená prúdovou kompaudáciou tak, že napätie na svorkách generátora sa udržiava s kladnou statikou (smernica priamky U G na obr. 1..). To znamená, že U G nie je konštantné, ale zvyšuje sa so zaťažovaním stroja jalovým výkonom U f(q). Reaktancia blokového transformátora spôsobuje, že na jeho výstupe je záporná statika približne 5 percent (smernica priamky U T na obr. 1..). 8

10 U Svorkové napätie generátora U G u k Výstupné napätie blokového transformátora U T Q N Q Obr. 1.. Statika regulátora napätia Správne nastavenie statiky nie je len záležitosťou výroby (elektrárne), ale aj celej elektrizačnej sústavy na základe sieťových výpočtov. Na obr. 1. je uvedená statika regulátora napätia generátora, hodnota u k zodpovedá napätiu nakrátko blokového transformátora [5]. Synchrónny generátor môže vyrábať alebo spotrebovávať jalový výkon v závislosti od režimu prevádzky. V podbudenom stave (kapacitná záťaž) generátor spotrebováva jalový výkon, pritom ale sieť zaťažuje induktívne. Prebudený stroj (induktívna záťaž) vyrába jalový výkon a sieť je zaťažená kapacitne. Zmena budenia generátorov sa využíva na zabezpečenie požadovanej hodnoty napätia na strane vyššieho napätia blokového transformátora. Základná požiadavka na generátor je možnosť maximálne využiť jeho prevádzkový diagram [1]. Povolené tolerancie budenia sú dané P-Q diagramami generátorov, obr. 1.. Tento diagram udáva závislosť dovolených trvalých zaťažení generátora činným výkonom na jalovom výkone pri rôznych cosφ. Kladná hodnota budenia je obmedzená maximálnym statorovým a rotorovým prúdom, maximálnym dovoleným napätím na svorkách generátorov a na vlastnej spotrebe. Záporná hodnota budenia je obmedzená minimálnym napätím na svorkách generátorov, vlastnou spotrebou a rezervou na statickú a dynamickú stabilitu. Na obr. 1. predstavuje: 1 technologické ohraničenie činného výkonu, - hranice rotorového prúdu, hranice statickej a dynamickej stability, 4 hranice statorového prúdu. 9

11 P (0,8-0,9) 1 4 (0,5-0,8) (0,6-0,8) Q Obr. 1.. P-Q diagram synchrónneho generátora Pri regulácii napätia generátora sa rozlišuje Primárna a Sekundárna regulácia. Primárny regulátor ovládajúci budenie generátora v závislosti na svorkovom napätí predstavuje nutnú výbavu. Vzhľadom k jeho funkcii v prechodových dejoch, keď riadením budenia zvyšuje stabilitu stroja a ďalším funkciám (stráženie podbudenia, statorového a rotorového prúdu, ochrana pred prúdovým preťažením), je považovaný skôr za ochranu stroja. Porucha primárneho regulátora znamená vyradenie stroja z prevádzky. Primárny regulátor reguluje len v malej časti rozsahu, na rozdiel od sekundárneho, ktorý posúva celý interval primárnej regulácie. Táto regulácia v konečnej fáze riadi jalový výkon generátora podľa požiadavky udržania zadaného napätia v pilotnom uzle sústavy. Tento proces je zabezpečovaný ručnými zásahmi alebo automaticky skupinovými regulátormi. Tento regulátor rozdelí nadradeným automatickým regulátorom pridelenú zmenu jalového výkonu na jednotlivé stroje. Ak sú stroje rovnaké, je rozdelenie rovnomerné, pretože znamená nielen maximálne využitie regulačného rozsahu, ale aj najmenšie straty činného výkonu v budiacich obvodoch [10]. Automatické regulátory napätia regulujú napätia na svorkách generátorov zmenami budiaceho prúdu. Merací prvok najprv sníma veľkosť prúdu, napätí, výkonu a frekvencie. Zmerané napätie U g, ktoré je kompenzované s ohľadom na prúd I g, je porovnané s referenčným napätím U ref. Odchýlka U je zosilnená a použitá k tomu, aby 10

12 sa zmenil výkon budiča, čo sa prejaví v zmene budiaceho prúdu I f. Tím sa hodnota U g zmení tak, aby sa eliminovala odchýlka U. Napäťový normál Napäťová chyba Spracovanie signálu Trojfázový prívod Výkonový prevod Synchrónny generátor Napäťová spätná väzba Obr Principiálna schéma regulátora napätia Uvedený spôsob regulácie predstavuje typickú uzavretú slučku. Regulačný proces sa stabilizuje negatívnou spätnou väzbou odvodenou zo zosilňovača. Uvedený regulátor obsahuje radu ďalších prvkov, ktoré chránia samotný regulátor, budič aj alternátor voči nadmerným napätiam a prúdom. Automatický regulátor napätia býva tiež často doplnený stabilizátorom, ktorý dovoľuje tlmenie vplyvom zmien záťaže [14]. Regulátorom napätia sú vybavené všetky generátory pracujúce do ES, pretože okrem udržiavania prevádzkového napätia stroja, respektíve napätia na vyššej strane blokového transformátora s predpísanou toleranciou v ustálenom aj prechodnom stave, zabezpečuje aj jeho: - ochranu pred prúdovým preťažením, - nutnú rezervu statickej stability generátora, - obmedzenie statorového a rotorového prúdu, - stráženie podbudenia. Podľa zdroja budenia poznáme tri odlišné typy budiacich systémov: - Jednosmerné (DC) budiace systémy, ktoré zahŕňajú jednosmerný generátor s komutátorom ako zdroj budiaceho napätia. V súčasnosti sa vyrába len niekoľko 11

13 typov DC budičov, ktoré sú postupne nahradzované AC a ST budiacimi systémami. Avšak veľa takýchto systémov je stále v prevádzke v našich tepelných elektrárňach. - Striedavé (AC) budiace systémy, ktoré používajú alternátor a statické, alebo rotačné usmerňovače na vytvorenie jednosmerného prúdu, potrebného na budenie generátora. Budiče značne ovplyvňujú zmeny zaťaženia a použitie budiaceho prúdu ako vstupného signálu do modelov týchto budiacich systémov dovoľuje, aby boli presne modelované. Takýto budiaci systém sa v SR používa v jadrových elektrárňach a v PVE Čierny Váh. - Statické (ST) budiace systémy, ktorých budiace napätie je dodávané cez transformátor a usmerňovač. Usmerňovače (riadené alebo neriadené) zabezpečujú potrebný jednosmerný prúd pre budiace vinutie generátora. Veľa statických systémov má stropné napätie veľmi vysoké. Pre takéto systémy existujú prídavné obmedzujúce obvody budiaceho prúdu. Takýto typ budiča je napríklad vo vodnej elektrárni Gabčíkovo. V niektorých energetických spoločnostiach sa primárna regulácia realizuje tak, že udržiava na svorkách generátora konštantné napätie. Má to význam najmä vtedy, ak sa priamo z týchto svoriek napája vlastná spotreba elektrárne. Ak je napätie na svorkách generátora premenné, tak musí byť vlastná spotreba napájaná z odbočkového transformátora s možnosťou regulácie pod zaťažením [5] Regulácia transformátorom Umožňuje pri stálej frekvencii riadiť veľkosť napätia pomocou zmeny prevodu transformátora. Prevod sa mení prepínaním odbočiek (obr. 1.5) na vstupnom alebo výstupnom vinutí. Z dôvodu optimálneho využívania magnetického toku v transformátore, by sa malo riadiť napätie na tej strane, na ktorej kolíše. Pretože úbytky napätia vznikajú hlavne v nadradenej sústave (na dlhých vedeniach) t. j. na strane vyššieho napätia, napätie sa riadi prepínaním odbočiek na strane vyššieho napätia. Pre túto voľbu hovoria tiež konštrukčné dôvody, keďže pri vyššom napätí tečú menšie prúdy a tým je aj silové namáhanie menšie. Odbočky týchto transformátorov sa robia na strane uzemnenia. 1

14 Z hľadiska regulácie napätia rozlišujeme: - Riaditeľné transformátory, ktoré môžu meniť veľkosť napätia po stupňoch pri zaťažení t. j. pod napätím a prúdom, pričom počet a veľkosť stupňov je daný normou STN Normálne transformátory, u ktorých sa ovláda odbočkový prepínač len vo vypnutom stave t. j. bez prúdu a bez napätia. Tento prepínač je malý a jednoduchý, odbočky sú odstupňované po ±5 % menovitého napätia. PK Z U U 1 HK HK hlavný kontakt PK pomocný kontakt Z - impedancia obmedzujúca vyrovnávacie prúdy Obr Princíp prepínacieho zariadenia riaditeľného transformátora Zmena prevodu transformátora Prenášaný činný a jalový výkon cez transformátor je závislý ako od priloženého napätia, tak aj od prevodu transformátora. Vysvetlenie principiálnych vzťahov je vysvetlené na nasledovnom modeli. Ako model je použitý bezstratový, odbočkový transformátor, ktorý sa nachádza medzi dvoma elektrizačnými vvn sústavami (obr. 1.6). 1

15 X kt U b1 U b1 U b 400kV 0kV Obr Náhradná schéma uvažovaného modelu Vzhľadom na predpoklad elektricky tvrdých sústav, bude prevádzkové napätie na oboch stranách transformátora konštantné. Súčet činného a jalového výkonu prenášaného cez transformátor môžeme v komplexnom zobrazení, s komplexným fázovým napätím U b a s komplexným prúdom I b vyjadriť podľa vzťahu S P + j Q U b I b. (1.1) Pomocou hodnoty napätia prepočítaného na sekundárnu stranu dostaneme vzťah I b1 (U / ) (U / ). (1.) j X kt b1 b Ak sa vloží tento výraz do výrazu (1.1) a napätie U b sa položí do reálnej osi, tak sa zmení vzťah (1.1) nasledovne S U b U + b1 (cos ϕ U j sinϕu j X kt ) U b Ďalšími matematickými úpravami je možné dostať vzťah S U b 1 U b sinϕ + j X kt U U b. (1.) U cosϕ U 1 b U b1 (1.4) X kt Na zistenie závislosti medzi prenášaným činným a jalovým výkonom je potrebné najprv eliminovať fázový uhol φ U. K tomu sú potrebné nasledovné vzťahy 14

16 U b 1 U b P X kt sin ϕ U (1.5) a U b U b 1 U b Q + X kt X kt cos ϕ U, (1.6) a s výrokom sin ϕ U + cos ϕ U 1, (1.7) dostaneme vzťah U b P + Q + U b U b 1 (1.8) X kt X kt Vzťah (1.8) predstavuje pre premenné P a Q kružnicu s polomerom r U b 1 U b, (1.9) X kt so stredom v bode A U b. (1.10) X kt Obr. 1.7 zobrazuje túto krivku pre rozličné transformátorové prevody a 1 > a > a. P S nt S 1 r 1 a 1 a a φ U1 A Q Obr Diagram P-Q pre rozličné transformátorové prevody Z obrázka je vidieť, že pri nezmenenom transformátorovom prevode je pri elektricky tvrdých sústavách jalový výkon konštantný. Zmena prevodu transformátora ovplyvňuje prenášaný jalový výkon. Pri elektricky silných sústavách bude teda zmena prevodu transformátora základom pre reguláciu prenášaného jalového výkonu a teda aj napätia [10]. 15

17 . NAPÄŤOVÝ KOLAPS Napäťový kolaps je havarijný stav v ES, ktorý vzniká, ak sústava nemá dostatok regulačných možností jalového výkonu pre zabezpečenie stability napätia v ES..1 Napäťová stabilita Napäťová stabilita súvisí so schopnosťou ES udržať stabilné napätia na všetkých prípojniciach sústavy po poruche, ktorá postihla ES. Závisí od schopnosti udržať/obnoviť rovnováhu medzi požiadavkou na zaťaženie a dodávkou. Nestabilita, ktorá takto môže vzniknúť, môže mať formu postupného poklesu alebo vzostupu napätí na niektorých prípojniciach. Možným dôsledkom napäťovej nestability je strata záťaže v danej oblasti, alebo vypnutie prenosových vedení alebo iných prvkov ochranami, čo by mohlo viesť ku kaskádovému výpadku a následnej strate synchronizmu niektorých generátorov. Postupný pokles napätí na prípojniciach môže byť teda spájaný s nestabilitou uhla rotora generátora. Príkladom je strata synchronizmu strojov ak sa uhlový rozdiel medzi dvoma skupinami generátorov blíži ku 180, čo zapríčiní prudký pokles napätia v blízkom okolí elektrického stredu sústavy. Často používaným pojmom je napäťový kolaps. Je to proces, pri ktorom postupnosť udalostí sprevádzaných napäťovou nestabilitou vedie ku blackoutu alebo ku abnormálne nízkym napätiam v dôležitých častiach ES. Vážnym faktorom prispievajúcim ku napäťovej nestabilite je pokles napätia, ktorý nastáva pri toku činného a jalového výkonu tečúceho cez induktívnu reaktanciu prenosových vedení. Tento limituje prenosovú schopnosť vedení. Podobne ako u stability uhla rotora generátora, tak aj v prípade napäťovej stability je možné rozlišovať: Napäťovú stabilitu pri veľkej poruche: súvisí so schopnosťou systému udržať stabilné napätia po veľkej poruche ako je napr. skrat, výpadok generátora alebo zmena topológie sústavy. Táto schopnosť je určená charakteristikami systému a záťaže a interakciami medzi riadiacimi prvkami a ochranami. Časový interval prislúchajúci daným prechodovým javom je v rozmedzí od niekoľkých sekúnd do desiatok minút. Napäťovú stabilitu pri malej poruche: súvisí so schopnosťou systému udržať stabilné hodnoty napätí pri malých poruchách ako sú napr. relatívne zmeny v zaťažení 16

18 sústavy. Táto forma stability je ovplyvnená charakteristikami záťaží a plynulým alebo diskrétnym riadením v danom okamihu. Pre potreby analýzy je možné (s vhodnými predpokladmi) rovnice popisujúce systém linearizovať. Túto linearizáciu však nemožno uskutočniť v prípade výskytu nelineárnych vplyvov (napr. riadenie prepínaním odbočiek). Napäťovú stabilitu je možné z časového pohľadu rozdeliť do dvoch skupín: Krátkodobá napäťová stabilita: zahŕňa dynamické javy rýchlo reagujúcich záťaží ako sú indukčné motory, elektronicky riadené záťaže a konvertory vysokonapäťových jednosmerných sústav (HVDC). Časový interval javov je v rozmedzí niekoľkých sekúnd. Dlhodobá napäťová stabilita: zahŕňa pomalšie pôsobiace zariadenia: napr. transformátor s prepínaním odbočiek alebo termostaticky riadené záťaže. Je dôležité si uvedomiť, že rozdiel medzi stabilitou uhla generátora a napäťovou stabilitou nie je založený na slabej väzbe medzi odchýlkami činného výkonu/uhla a jalového výkonu/napätia. V skutočnosti je táto väzba počas poruchových stavov silná a ako uhlová stabilita, tak aj napäťová stabilita sú ovplyvňované tokmi činných a jalových výkonov pred poruchou [7]. Sústava je stabilná pokiaľ je pri bežnej prevádzke alebo po poruche schopná udržať hodnotu napätia v blízkosti menovitých hodnôt. Sústava je nestabilná pokiaľ pri bežnej prevádzke alebo po poruche napätie v uzloch nekontrolovateľne klesá s rizikom až rozpadu synchrónneho chodu. Na napäťovú stabilitu majú predovšetkým vplyv: výpadky zdrojov jalového výkonu, výpadky vedení a transformátorov, prudký nárast zaťaženia, nevhodná koordinácia regulačných opatrení v sieti. Situácie vedúce k veľkým napäťovým poklesom v prenosovej sústave Slabá previazanosť v časti prenosovej sústavy (málo vedení). Málo zdrojov pracujúcich do prenosovej sústavy. Veľké odbery z prenosovej sústavy do siete 110 kv. Vynútená nízka hladina napätia v časti prenosovej sústavy. Prenosy na veľké vzdialenosti (medzištátne výmeny elektrickej energie). 17

19 Poruchy : Výpadok veľkého zdroja vyvedeného do prenosovej sústavy. Výpadok zaťaženého vedenia (pri údržbe iného). Pripojenie veľkého odberu, rovnako tak výpadok veľkého zdroja. Kombinácia viacerých činiteľov.. Opatrenia vedúce k obmedzeniu rizika napäťového kolapsu Opatrenia na strane zdrojov Zabezpečenie možnosti rýchlo štartujúcich zdrojov (VE, plynové turbíny) a to hlavne v režime s rizikom napäťových problémov (po výpadkoch prenosových prvkov). Overenie a certifikácia regulačných rozsahov hlavných zdrojov v PS (maximalizácia rozsahu, rýchlosť odozvy, prevádzkové obmedzenia). Prevádzka zdrojov s možnosťou ďalšej okamžitej regulácie (hlavne zvýšenia) jalového výkonu (nie blízko medzí daných PQ diagramom). Trvalé monitorovanie všetkých rezerv jalového výkonu v oblasti. Vybavenie blokových transformátorov možnosťou prepínania odbočiek a to i pod zaťažením zabezpečenie prevádzky zdrojov i pri výraznejších odchýlkach napätia v sieti. Moderné budiace systémy s rýchlou odozvou a vysokým stropom budenia a obmedzením prebudenia. Možnosť rýchlej aktivácie/zvýšenia výkonu na prevádzkovaných zdrojoch, čím sa tiež docieli výrazné zlepšenie napäťovej stability. Príprava a výcvik obsluhy elektrární na situácie s nutnosťou rýchleho zvýšenia výroby jalového výkonu. Opatrenia na strane prevádzky sietí Najlepším dlhodobým opatrením proti kolapsu je koncepčné budovaná a rozvíjaná prenosová sústava s dostatkom prenosových vedení z oblasti zdrojov smerom do oblasti spotrieb, čo však prináša územné problémy spojené s výstavbou nových vedení [16]. 18

20 . PILOTNÝ UZOL LEMEŠANY Rozvodňa (Rz) Lemešany patrí k najväčším rozvodniam na Slovensku. Napätie v tomto uzle je možné regulovať zmenou budenia generátorov v elektrárni Vojany, spínaním tlmiviek pripojených na terciárne vinutia transformátorov T401 a T40 alebo zmenou odbočiek týchto transformátorov (obr..1). Na napäťovej úrovni 400kV a 0kV reguluje napätie systém AVC. Systém AVC automaticky riadi budenie generátorov a navrhuje spínanie tlmiviek a pozície transformátorových odbočiek. T401 SP zap. 400kV EVO1 TL1 TL T40 0kV TL5 TL6 T01 SP vyp. T0 110kV Obr..1. Časť regulačnej oblasti Lemešany s prostriedkami pre reguláciu napätia V regulačnej oblasti je pripojených niekoľko prostriedkov pre reguláciu napätia. - Na napäťovej úrovni 0 kv je pripojená tepelná elektráreň Vojany (priamim vedením V07 alebo cez vedenia V071 a V85). - Transformátor T401 (400/0/5) kv s menovitým výkonom 500 MVA. Ako jediný transformátor na Slovensku je vybavený automatickou reguláciou pozícií odbočiek. Od konca roku 006 je v prevádzke nový transformátor T40 (400/110/4) kv. Do konca roku 007 sa plánuje pripojiť ešte jeden takýto transformátor 19

21 - Tlmivky s menovitým výkonom x0 MVA, ktoré sú pripojené na terciárne vinutia transformátorov T401 a T40. Momentálne je tlmivky možné riadiť len lokálne, ale v blízkej budúcnosti budú všetky regulačné zariadenia diaľkovo riadené z dispečingu SED. Pretože všetky regulačné zariadenia bude možné riadiť z dispečingu SED, môžeme upraviť funkciu AVC tak, že všetky zaradenia budú pracovať automaticky. Upravený AVC systém má zaistiť: - reguláciu pilotných uzlov na úrovni 400 kv a 0 kv, - optimálnu spoluprácu všetkých regulačných prostriedkov, - kontrolovať kritické hraničné hodnoty všetkých regulačných prostriedkov [1]..1 Základné zapojenie pilotného uzla Lemešany V základnom zapojení pracuje sústava s rezervou na výpadok jedného prenosového prvku (kritérium n-1). Je potrebné upozorniť, že v základnom zapojení pracuje prenosová sústava približne štvrtinu časového fondu roka. Vo zvyšnom čase sa vykonávajú údržbové práce, pričom dochádza k zníženiu spoľahlivosti prenosu elektriny [1]. Rz Lemešany je prevádzkovaná nasledovne (obr..): Na úrovni 400 kv: I. prípojnica : V408, V477, T401. II. prípojnica : V409, V478, T40. Spínač prípojníc zapnutý. Na úrovni 0 kv: I. prípojnica : V85, T401, V77, T01. II. prípojnica : V78, V7, V85, T0. Spínač prípojníc je vypnutý. Rok 007 je možné z hľadiska prevádzky považovať za prechodný z dôvodu pokračujúcej rekonštrukcie Rz 110 kv Lemešany a rekonštrukcie Rz 400 kv Lemešany. Pri výbere základného zapojenia Rz Lemešany bolo nutné zvažovať nasledovné okolnosti: - nízka skratová odolnosť rozvodne 110 kv Lemešany: 0

22 V408 V477 Rz 400kV 1. príp. V409. príp. SP zap. T401 V478 T40 V7 Rz 0kV V77 V78 1. príp.. príp. SP vyp. T01 T01 T0 V071 V07 ~ ~ EVO1 Rz 110kV 1. príp.. príp. SP vyp. Obr... Schéma základného zapojenia pilotného uzla Lemešany V súčasnej dobe prebieha rekonštrukcia Rz 110 kv Lemešany. Zo strany VSE a.s. je avizované, že splnená skratová odolnosť 110 kv rozvodne Lemešany bude v decembri 007. S tým súvisí aj problém výberu základného zapojenia v rozvodni Lemešany, kde niektoré spoľahlivostne lepšie schémy nemohli byť využité z dôvodu prekročenia skratovej odolnosti 110 kv Rz Lemešany. - rekonštrukcia Rz 400 kv Lemešany: SEPS a.s. začal v roku 007 rekonštrukciu Rz 400 kv Lemešany. Transformátor T40 Lemešany bol v decembri v roku 006 pripojený do poľa kombinovaného 1

23 spínača prípojníc v poli č.010., nakoľko v tej dobe nebolo ešte vybudované nové pole pre tento transformátor. Z dôvodu jeho vybudovania a takisto nutnosti vybudovania poľa pre druhú transformáciu 400/110 kv Lemešany (plán uvedenia do prevádzky - december 007) je nutná rekonštrukcia Rz 400 kv Lemešany. Táto rekonštrukcia bude mať vplyv na zapojenie Rz 400 kv, požiadaviek na vynútenú výrobu v elektrárni EVO1 a možnosti riešenia prípadných poruchových stavov [1]. V408 V477 Rz 400kV 1. príp. V409. príp. SP zap. T401 V478 T40 V7 T40 Rz 0kV 1. príp.. príp. SP zap. V77 V78 T01 T01 T01 V071 V07 ~ ~ EVO1 Rz 110kV 1. príp.. príp. SP vyp. Obr... Schéma zapojenia pilotného uzla Lemešany po uvedení druhej transformácie 400/110 kv

24 Po uvedení druhej transformácie 400/110 kv Lemešany do prevádzky bude platiť nasledovné základné zapojenie (obr..) : Na úrovni 400 kv: I. prípojnica : V408, V477, T40, T40 II. prípojnica : V409, V478, T401 Spínač prípojníc zapnutý. Na úrovni 0 kv: I. prípojnica : T401, V07, V7, V77 II. prípojnica : V85, T01, V78 Spínač prípojníc je zapnutý. Druhý transformátor 400/110 kv Lemešany bude zaústený do poľa 05 v Rz 400 kv Lemešany. Uvedenie druhého transformátora 400/110 kv Lemešany do prevádzky bude závislé od termínu uvedenia poľa 05 do prevádzky (predpoklad koniec novembra, začiatok decembra 007). Po jeho uvedení do prevádzky nie je požiadavka na vynútenú výrobu v EVO1 v základnom zapojení ES SR pre splnenie n-1 kritéria v ES SR. Uvedené platí len za predpokladu splnenia skratovej odolnosti Rz 110 kv Lemešany zo strany VSE a.s. a dodržania termínov rekonštrukcie Rz 400 kv Lemešany. V prípade nedodržania predpokladaných termínov bude nutné až do uvedenia transformátora T40 Lemešany do prevádzky naďalej podmienka vynútenej výroby v EVO1 minimálne 100 MW ( blokov EVO1), resp. v roku 008 podľa predpokladaných odberov VSE a.s. a USS Košice (bude upresnené v roku 007 v rámci prípravy prevádzky na rok 008). [1]

25 . Možnosti riešenia problému regulácie napätia pre pilotný uzol v Lemešanoch Ak máme problém vypočítať optimálne riadiace parametre (parametre, ktoré minimalizujú činné straty v rámci daných obmedzení) pre regulačnú oblasť Lemešany, musíme v prvom rade matematicky sformulovať tento problém. Až potom môže byť problém riešený použitím vhodných matematických prostriedkov. Tento problém môžeme nazvať ako problém optimálnej regulácie napätia. Časť regulačnej oblasti Lemešany je pre lepšie pochopenie výpočtu zobrazená ako to ukazuje obr.. [1]. Ideálny napäťový zdroj Referenčná prípojnica Pilotná prípojnica EVO1 t OPT T401 PRN Tl OPT SRN V gopt SED (optimálny tok výkonu) V požpilot V aktualpilot SED (dispečer) Obr... Koncept optimálnej regulácie napätia elektrické vedenia, signálové vedenia, SED Slovenský elektroenergetický dispečing, SRN sekundárny regulátor napätia, 4

26 PRN primárny regulátor napätia, V požpilot požadované napätie v pilotnom uzle, V aktualpilot okamžité napätie v pilotnom uzle, V gopt optimálne napätie pre SRN, t OPT optimálna pozícia transformátorovej odbočky, Tl OPT optimálne nastavenie tlmiviek...1 Klasifikácia premenných Pri formulácii problému optimalizácie regulácie napätia sú použité rozličné typy premenných. Tieto premenné môžeme rozdeliť do štyroch skupín [11]. - Žiadané premenné zastúpené vektorom k vrátane premenných reprezentujúcich konštanty. Výpočet musí ponechať tieto premenné nezmenené. - Riadiace premenné zastúpené vektorom x sú všetky premenné, ktoré sú upravované aby sa docielili minimálne činné straty v rámci daných obmedzení. V našom výpočte zahŕňajú tiež: V gopt, t OPT a Tl OPT. - Stavové premenné zastúpené vektorom s sú všetky premenné, ktoré opisujú akýkoľvek stav systému. - Výstupné premenné sú všetky ostatné. Sú vyjadrené ako funkcie riadiacich a stavových premenných... Všeobecná formulácia problému Tento problém je možné matematicky zapísať nasledovne: objektová funkcia: ( rovnosť: ( h k, x, s ) 0, x f s k ( ), x ) f ) k (x ) min, x nerovnosť: ( g x, s ) 0. Riešenie problému takéhoto typu je ukázané v []. 5

27 4. Modelovanie regulácie napätia pomocou simulačného programu Matlab 4.1 Popis simulačného programu Matlab Matlab je vysoko výkonný integrovaný prostriedok pre technické výpočty. Je charakterizovaný integráciou výpočtov, vizualizácie a programovaním v jednoduchom užívateľskom prostredí, kde problémy a riešenia sú vyjadrené bežnými matematickými zápismi. Programovací systém Matlab pozostáva z piatich základných častí: - syntax jazyka Matlab: popisuje syntax jazyka pre riadiace príkazy, funkcie, štruktúry dát, vstupy/výstupy a objekty pripravené na ďalšie programovanie, - užívateľské prostredie: umožňuje prácu s M-súbormi, premennými, dátami a celým užívateľským prostredím, - grafika Matlabu: popisuje celý grafický systém Matlabu. Zahŕňa v sebe príkazy pre dvojrozmerné a trojrozmerné zobrazenia, spracovanie obrazov, animácie a rôzne grafické prezentácie. Tiež poskytuje kompletné grafické užívateľské prepojenie pre všetky aplikácie Matlabu, - knižnica matematických funkcií: obsahuje kompletnú kolekciu matematických funkcií. Zahŕňa v sebe základné matematické funkcie, komplexnú aritmetiku a maticové funkcie, - prepojenie Matlabu s aplikačnými programovacími jazykmi: umožňuje preloženie programu z Matlabu do zdrojového kódu programovacích jazykov C a Fortran. Program Matlab spolupracuje s nadstavbami tzv. blocksets, ktoré obsahujú knižnice s prvkami špecifickými pre dané odvetvie priemyslu. Pre silnoprúdovú elektrotechniku sa využíva nadstavba SimPowerSystems Blockset. Táto nadstavba využíva prostredie Simulink a tým umožňuje zostaviť model jednoducho pomocou počítačovej myši. Elektrické prvky môžu spolupracovať s prvkami knižnice Simulinku, čo umožňuje prepájať elektrické časti modelu s mechanickými, resp. inými časťami vytvorenými v Simulinku [8]. 6

28 4. SimPowerSystems Blockset a jeho využitie v elektroenergetike Vlastnosti SimPowerSystems Blockset-u: - kombinácia elektrických a mechanických blokov, - súhrn Simulink-ových blokov pre riešenie konkrétneho okruhu problémov, - pre vytváranie simulačných obvodov môže byť použitý Simulink a aj ostatné toolboxy Matlabu, - knižnice obsahujú modely základných energetických zariadení ako napr. transformátory, zdroje, vedenia, výkonovú elektroniku atď., - spúšťa sa štandardne pomocou Simulinku, alebo sa dá otvoriť priamo knižnica SimPowerSystems Blockset-u. Program Matlab a jeho nadstavba SimPowerSystems Blockset sa dá využiť v oblasti elektroenergetiky z hľadiska simulácie prechodových javov v elektrických obvodoch, pri výpočte toku výkonov v sústave, pri simuláciách ustálených stavov atď. Prvky obsiahnuté v knižniciach je možné kombinovať vo vytvorenom modelee, čo nám umožňuje pozorovať ich vplyv na tvar napätia a prúdu v sústave, napr. pri simulácii skratov a prepätí v sústave. SimPowerSystems Blockset umožňuje simuláciu chodu trojfázovej sústavy pomocou jednofázového alebo trojfázového modelu. Program Matlab spolupracuje aj s ďalšími nadstavbami, ktoré majú uplatnenie v elektroenergetike. Ďalšou často využívanou nadstavbou je tzv. Neural Network Toolbox, ktorý podporuje prácu s neurónovými sieťami. Neurónové siete pomocou umelej inteligencie rozpoznajú daný problém a na základe predtým získaných vedomostí navrhnú riešenie tohto problému. Neurónové siete sa používajú napr. v expertných systémoch, ktoré obsahujú databázu znalostí potrebnú pre dispečera pri operatívnom rozhodovaní po obdržaní prognózy zaťaženia, napr. pri rôznych poruchách, zapínaní rezerv a pod. Taktiež sa využívajú na predikciu zaťaženia elektrizačnej sústavy, kde na základe vopred nadobudnutých hodnôt teploty, zaťaženia a predpokladanej teploty neurónová sieť predpovedá zaťaženie elektrizačnej siete na daný deň. Tento prípad sa využíva najmä pri príprave prevádzky pri dispečerskom riadení [9]. Keďže knižnice SimPowerSystems sú rozsiahle, budem sa ďalej venovať iba prvkom použitých pri vytváraní modelu. 7

29 4. Popis a výpočet jednotlivých prvkov simulácie Pri modelovaní často nahrádzame reálne prvky náhradnými schémami, aby sme tak zjednodušili výpočet parametrov daného prvku. Preto si ďalej znázorníme a popíšeme náhradné schémy prvkov použitých v simulácii Popis a výpočty parametrov transformátorov Na modelovanie transformátora využijeme jeho úplnú náhradnú schému (obr..1), pomocou ktorej vypočítame hodnoty prvkov náhradnej schémy. Táto sa kreslí vždy len pre jednu fázu aj u viacfázových transformátorov a predpokladáme, že všetky fázy sú súmerné. I 1 R 1 jx σ1 jx σ jx σ R I R I I 0 I Fe I µ U 1 U i1 R Fe jx µ U i U U Obr Úplná náhradná schéma trojvinuťového transformátora Popis jednotlivých prvkov a veličín náhradnej schémy: R 1 R R R Fe X σ1 X σ - činný odpor jednej fázy primárneho vinutia - činný odpor jednej fázy sekundárneho vinutia prepočítaný na primárnu stranu - činný odpor jednej fázy terciárneho vinutia prepočítaný na primárnu stranu - odpor reprezentujúci straty v železe - rozptylová reaktancia primárneho vinutia - rozptylová reaktancia sekundárneho vinutia prepočítaná na primárnu stranu 8

30 X σ X µ I 0 I Fe I µ - rozptylová reaktancia terciárneho vinutia prepočítaná na primárnu stranu - magnetizačná reaktancia - prúd naprázdno - prúd v železe - magnetizačný prúd Pre potreby modelovania však parametre náhradnej schémy v absolútnych jednotkách nepostačujú. Preto ich prepočítame na pomerné jednotky (pu). Určíme vzťažnú hodnotu impedancie, ktorá je pre stranu vyššieho napätia reprezentovaná vlastnou impedanciou Z 1N Z 1VZ. Pre stranu nižšieho napätia určíme vzťažnú hodnotu impedancie nasledovne: U N U Z N VZ, I f S N U N U N Z VZ. I f S N Výpočet primárnych parametrov: Z 1VZ L1VZ π f, R ( pu) 1 R 1 Z 1VZ, L σ 1 ( pu) L σ 1. L 1VZ Výpočet sekundárnych parametrov: Z VZ LVZ π f, R ( pu) Z R VZ, L σ ( pu) L σ. L VZ Výpočet sekundárnych parametrov: Z VZ LVZ π f, 9

31 R ( pu) R ZVZ L σ ( pu) L σ. L VZ, Výpočet parametrov priečnej vetvy: R Fe ( pu) R Fe Z1VZ, L µ L ( pu). µ L 1VZ Jednotlivé základné parametre transformátorov, ktoré sú potrebné pre výpočet prvkov náhradnej schémy, sú uvedené v tab Všetky štyri transformátory sú trojfázové, trojvinuťové so zapojením vinutí YNa0d11, čo znamená: Y primárne vinutie zapojené do hviezdy N uzemnený uzol hviezdy primárneho vinutia a0 autotransformátor s nulovým hodinovým uhlom d11 terciárne vinutie zapojené do trojuholníka s hodinovým uhlom 11 Tab Základné parametre transformátorov T01 T401 T0 T40 S N [MVA] 00/00/50 501/501/180 00/00/100 50/50/100 U N [kv] 0/11/10,5 400/1/4 1/11/10,5 400/11/4 I N [A] 50/954,5/749 7/15/ /955/ /1670/1698 u K1 [%] 11 1,5 8,4 1,75 u K [%] 16 11,5 16, u K1 [%] 8 6 8,4 4,6 P 0 [kw] ,9 90 P K [kw] I 0 [A] 11,5 11,5 11,7 11,6 Keďže z hľadiska regulácie napätia majú pre nás význam len terciárne vinutia transformátorov T401 a T40, v ktorých sú zapojené tlmivky Tl1 a Tl resp. Tl5 a Tl6, budeme pre zjednodušenie uvažovať transformátory T01 a T0 ako dvojvinuťové (ich terciárne vinutia slúžia na napájanie vlastnej spotreby, ochrán atp.). 0

32 Transformátor T01 Výpočet parametrov v absolútnych jednotkách U Z 1N 1N ( 0 10 ) 6 S1N , 5 Ω p U 1N 0 10 U U N R P KN I 1N 50 1, 9 0, 476 Ω R 0,476 R 1 R R R 0,8 p U 1, 9 0, 8 Ω 0, 0659 Ω r P KN S N , 18 % x u K r 11 0,18 10,998 % X σ x Z 1N 10,998 64, X σ1 X X 9,089 σ σ 9, 089 Ω 14, 544 Ω X L σ1 σ1 14, , 9 mh π f π 50 X σ X σ 14,544 p U 1, 9 4, 09 Ω L σ X σ 4, 09 π f π 50 1, 8 mh P cos ϕ 0 0, 0098 I 11, U1 N I FE I 0 cosϕ 0 11,5 0, , 11A I µ I 0 sin ϕ 0 11,5 0, , 499 A U 1Nf ( 0 10 ) / R Fe 1, 176 MΩ I Fe 0, 11 U 1Nf ( 0 10 ) / X µ 11, 547 kω I 11, 499 µ 1

33 L µ X µ 11, π f π 50 6, 757 H Výpočet vzťažných hodnôt Z 1VZ Z 1N 64, 5 Ω L 1VZ Z 1VZ 64, 5 π f π 50 0, 84 H Z VZ U N ( ) 6 S N , 05 Ω L VZ Z VZ 7, 05 π f π 50 0, H Prepočet parametrov na pomerné jednotky (pu) R R ( pu) 1 0, 8 1 8, Z 1VZ 64, 5 L σ1 ( pu) L σ1 0,046 5, L 1VZ 0, 841 R ( pu) R 0, ,00 10 Z VZ 7, 05 L σ ( pu) L σ 0,018 5,50 10 L VZ 0, R Fe ( pu) R Fe 1, Z 1VZ 64, , 50 L ( pu) µ Lµ 6,757 L 1VZ 0, 841 4, 659 Transformátor T40 Výpočet parametrov v absolútnych jednotkách Z 1N U 1N ( ) 6 S 1N , 14 Ω p U 1N U U N 11 10, 05

34 R P KN I 1N , 0, 757 Ω R 0,757 R 1 R R R 0,78 p U, 05 0, 78Ω 0, 046 Ω r P KN S 1N , 165% x u K r 1,75 0,165 1,749 % X σ x Z 1N 1, , X σ1 X X 6,85 σ σ L σ1 X σ1 1, 46 0, 1H π f π 50 6, 85Ω 1, 46 Ω X σ X σ 1,46 p U, 05, 877 Ω L σ X σ, 877 π f π 50 9, 158mH P cos ϕ 0 0, 011 I U 11, N I FE I 0 cosϕ 0 11,6 0, 011 0, 17 A I µ I 0 sin ϕ 0 11,6 0, , 599 A R Fe U I 1 Nf Fe ( ) / 0,17 1,809 MΩ X µ U 1 Nf I µ ( ) / 11,599 19,91kΩ L µ X µ π f 19,91 10 π 50 6, 76 H Výpočet vzťažných hodnôt Z 1VZ Z 1N 457, 14 Ω

35 Z L 1VZ 1VZ 457, 14 π f π 50 1, 455 H Z VZ U N S ( ) 6 50 N 10 41, 81Ω Z L VZ VZ 41, 81 π f π 50 0, 1 H Prepočet parametrov na pomerné jednotky (pu) R 1 ( pu) R 1 0, 78 Z 1VZ 457, 14 8,68 10 L σ 1 ( pu) L σ 1 0,1 6,87 10 L 1VZ 1, R ( pu) R 0, 046 Z VZ 41, 81 8, L σ ( pu) L σ 9, L VZ 0, 1 6,88 10 R Fe ( pu) R Fe Z 1, , 1VZ , L ( pu) µ Lµ 6,76 L 1VZ 1, 455 4, 557 Výpočet parametrov terciárneho vinutia u k1s 4, 6 % S n u k1sn u k1s 4, 6 119, 91% S u k Sn 1 (u k1sn + u k Sn u k1sn ) 1 (, 91 I K f I N f u k Sn ,1 61,18 U Nf 4 10 Z K 1, 49 Ω I K f 775, , 58 A R Z K cosϕ K 1,49 0, 016 0, 196 A X σ Z K sin ϕ K 1,49 0, 999 1, 6 A , 1, 75) 61, 18 % 4

36 X L σ σ 1, 6 π f π 50 9 mh 4 ) U Z N ( 10 VZ S , 68Ω L VZ Z VZ 4, 68 π f π 50 0, 11H R ( pu) R 0, 196 Z VZ 4, 68 5, L σ ( pu) L σ 0, 54 L VZ 0, 11 Transformátor T0 Výpočet parametrov v absolútnych jednotkách Z 1N U 1N ( 1 10 ) 6 S1N Ω p U 1N 1 10 U U N , 909 R P KN I 1N , 96 Ω R 0,96 R 1 R R R 0,148 p U 1, 909 0, 148Ω 0, 0406 Ω r P KN S 1N , 111% x u K r 8,4 0,111 8,49 % X σ x Z 1N 8, X σ1 X X,514 σ σ, 514 Ω 11, 57 Ω 5

37 X L σ 1 σ 1 11, 57 π f π 50 5, 8 mh X σ X σ 11,57 p U 1, 909, 088 Ω L σ X σ, 088 π f π 50 9, 8 mh P0 1,94 10 cos ϕ 0 0, 009 I U 11, N I FE I 0 cosϕ 0 11,7 0, 009 0, 046 A I µ I 0 sin ϕ 0 11,7 0, , 699 A U 1Nf ( 1 10 ) / R Fe, 899 MΩ I Fe 0, 046 U 1Nf ( 1 10 ) / X µ 11, 99 kω I 11, 699 µ L µ X µ 11,99 10 π f π 50 6, 87 H Výpočet vzťažných hodnôt Z 1VZ Z 1N 67 Ω L 1VZ Z 1VZ 67 π f π 50 0, 85 H Z VZ U N S ( ) 6 00 N 10 7, 05 Ω L VZ Z VZ 7, 05 π f π 50 0, H Prepočet parametrov na pomerné jednotky (pu) R 1 ( pu) R 1 0, 148 Z 1VZ 67 5, L σ 1 ( pu) L σ 1 0,058 4,1 10 L 1VZ 0, 85 6

38 R ( pu) R 0, 0406 Z VZ 7, 05 5, L σ ( pu) L σ 9,8 10 L VZ 0, R Fe ( pu) R Fe Z, VZ , , 6 L ( pu) µ Lµ 6,87 L 1VZ 0, 85 4, 69 Transformátor T401 Výpočet parametrov v absolútnych jednotkách Z 1N U 1N S ( ) N 10 19, 61Ω p U 1N U U N , 71 R P KN I 1N 745, , 475 Ω R 0,475 R 1 R R R 0,7 p U 1, 71 0, 7 Ω 0, 079 Ω r P KN S 745, N , 148 % x u K r 1,5 0,148 1,499 % X σ x Z 1N 1,5 19, X σ 1 X X 4,11 σ σ L σ 1 4, 11Ω 1, 555 Ω X σ 1 1, , 611mH π f π 50 X σ X σ 1,555 p U 1, 71 7, 188 Ω 7

39 X L σ σ 7, 188 π f π 50, 88 mh P cos ϕ 0 0, 0146 I U 11, N I FE I 0 cosϕ 0 11,5 0, , 164 A I µ I 0 sin ϕ 0 11,5 0, , 8 A U 1Nf ( ) / R Fe 1, 408 MΩ I Fe 0, 164 U 1Nf ( ) / X µ 0, 549 kω I 11, 8 µ L µ X µ 0, π f π 50 65, 41 H Výpočet vzťažných hodnôt Z 1VZ Z 1N 19, 61Ω L 1VZ Z 1VZ 19, 61 π f π 50 1, 0165 H Z VZ U N S ( 1 10 ) N , 508 Ω L VZ Z VZ 106, 508 π f π 50 0, 9 H Prepočet parametrov na pomerné jednotky (pu) R 1 ( pu) R 1 0, 7 Z 1VZ 19, 61 7, L σ 1 ( pu) L σ 1 68, L 1VZ 1, , R ( pu) R 0, 079 Z VZ 106, 508 7, L σ ( pu) L σ,88 10 L VZ 0, 9 6,

40 R Fe ( pu) R Fe Z 1, , 1VZ , 8 L ( pu) µ Lµ 65,41 L 1VZ 1, , 5 Výpočet parametrov terciárneho vinutia u k1s 6 % S n u k1sn u k1s S 16 % u k Sn 1 (u k1sn + u k Sn u k1sn ) 1 (16 + 1, 5) 67, 5 % I K f I N f u k Sn ,1 67, , 055 A U Nf 4 10 Z K 1, 465 Ω I 55, K f 055 R Z K cosϕ K 1,465 0, 016 0, 15 A X σ Z K sin ϕ K 1,465 0, 999 1, 451 A L σ X σ 1, 451 π f π 50 4, 817 mh U Z N ( 4 10 VZ S ) 6 19, 66 Ω L VZ Z VZ 19, 66 π f π 50 0, 061 H R ( pu) R 0, 15 Z VZ 19, 66 11, L σ ( pu) L σ 4, LVZ 0, 061 0, 698 9