ΗΜΥ 681 Έλεγχος παραγωγής Ι

Transcript

1 ΗΜΥ 68 Έλεγχος παραγωγής Ι Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 007 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Έλεγχος παραγωγής Λειτουργία σύγχρονης γεννήτριας Μοντέλο γεννήτριας Μοντέλο φορτίου Μοντέλο κινητήριας μηχανής

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από την κάθε μονάδα παραγωγής υπολογίζεται από την διαδικασία ένταξης μονάδων και την οικονομική κατανομή του φορτίου. Όμως, το φορτίο μεταβάλλεται: η παραγωγή των μονάδων πρέπει να μεταβάλλεται για να ανταποκρίνεται στην μεταβολή του φορτίου. Η μεταβολή του φορτίου πρέπει να διαμοιράζεται σε όλες τις γεννήτριες.

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ρύθμιση της παραγόμενης ισχύος (και της συχνότητας) γίνεται με συστήματα ελέγχου. τοπικός έλεγχος για κάθε μονάδα ξεχωριστά έλεγχος από το Κέντρο Ελέγχου κάθε ηλεκτρικής εταιρείας που ελέγχει όλες τις γεννήτριες καθώς και την ροή ισχύος μεταξύ των διασυνδεδεμένων συστημάτων έλεγχος μιας περιοχής που αποτελείται από δυο ή περισσότερες ηλεκτρικές εταιρείες ή/και ανεξάρτητους παραγωγούς από (α) ανεξάρτητους διαχειριστές του συστήματος (independent ytem operator) (ISO) ή (β) το Διαχειριστή του Συστήματος Μεταφοράς (ΔΣΜ) (Tranmiion Sytem Operator) (TSO).

5 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Η σύγχρονη γεννήτρια είναι η ραχοκοκαλιά του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος (κύρια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας). Μετατρέπει μηχανική ενέργεια από μια κινητήρια μηχανή (prime mover) σε ηλεκτρική ενέργεια. Η κινητήρια μηχανή (prime mover) (turbine) μετατρέπει ενέργεια από την καύση κάρβουνου, πετρελαίου, ή ενέργεια από πυρηνική διάσπαση, ή κινητική ενέργεια του νερού σε περιστρεφόμενη κίνηση.

6 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Περιστρεφόμενη περιέλιξη Περιέλιξη στάτη Slip ring Ένταση dc στην περιέλιξη του περιστρεφόμενου πεδίου

7 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Σε μια τριφασική σύγχρονη μηχανή υπάρχουν τρεις περιελίξεις τοποθετημένες στο στάτη με απόσταση 0 0 μεταξύ τους. Η κινητήρια μηχανή (prime mover) περιστρέφει τον άξονα (haft) στον οποίο είναι συνδεδεμένος ο δρομέας της μηχανής με την περιέλιξη πεδίου. Η περιέλιξη πεδίου διεγείρεται με ένταση dc. Επομένως, δημιουργείται ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και επάγωνται τάσεις στις περιελίξεις του στάτη (νόμος του Faraday).

8 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Ο δρομέας περιστρέφεται με μια σταθερή ταχύτητα, την σύγχρονη ταχύτητα (ynchronou peed) n = σύγχρονη ταχύτητα n f = ηλεκτρική συχνότητα (Hz) p = αριθμός πόλων 0 p f

9 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Για μια σύγχρονη μηχανή πόλων που λειτουργεί σε συχνότητα 50 Hz, η σύγχρονη ταχύτητα είναι 3000 rpm. Για μια σύγχρονη μηχανή 4 πόλων που λειτουργεί σε συχνότητα 50 Hz, η σύγχρονη ταχύτητα είναι 500 rpm.

10 BLOCK DIAGRAM ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

11 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Μια μηχανή για να περιστρέφεται σε σύγχρονη ταχύτητα πρέπει η μηχανική ισχύς εισόδου να ισούται ακριβώς με την ηλεκτρική ισχύ εξόδου της μηχανής (P m = P e ). Αν η P m είναι μεγαλύτερη από την P e, τότε η μηχανή επιταχύνει. Αν η P m είναι μικρότερη από την P e, τότε η μηχανή επιβραδύνει.

12 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Αυτός ο επιθυμητός έλεγχος ταχύτητας επιτυγχάνεται μέσω ενός μηχανισμού ανάδρασης (feedback mechanim). Αυτός ο έλεγχος είναι η κύρια μορφή ελέγχου της συχνότητας και ονομάζεται ρυθμιστής στροφών (governor). Αύξηση ζήτησης φορτίου μείωση ταχύτητας αύξηση ατμού επιστροφή ταχύτητας στην αρχική τιμή Generator

13 ΕΛΕΓΧΟΙ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

14 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ C() + - G() R() H() R( ) C( ) G( ) G( ) H ( )

15 Laplace Tranform: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ t ( ) 0 L{ f ( t)} F( ) f t e dt f(t) L(f) / t / t!/ 3 e αt /(-α) coωt /( +ω ) inωt ω/( +ω )

16 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Θεώρημα αρχικής τιμής (initial value theorem) x( 0) lim X( ) Θεώρημα τελικής τιμής (final value theorem) lim t x( t) X( ) 0 Το θεώρημα τελικής τιμής ισχύει μόνο όταν το X() δεν έχει πόλους στο δεξιό επίπεδο (right half plane, RHP). Αν υπάρχουν πόλοι στον φανταστικό άξονα (imaginary axi), τότε ισχύει μόνο αν οι πόλοι δεν είναι διπλοί.

17 ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Παράδειγμα Υπολογίστε τη συνάρτηση μεταφοράς (tranfer function) R()/C() C() G G R() H H

18 ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ C-H R C-H R-H x x C() G G R() H H

19 (C-H R-H x)g = x G x = R ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ R( ) C( ) G H G G G G H

20 Βρείτε τις αρχικές και τελικές τιμές του f i (t) για τις οποίες δίνονται οι συναρτήσεις Laplace ) ( ) ( ) ( F F F ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

21 Αρχικές τιμές ) ( lim (0) ) ( ) ( lim 0 X x X t x 0 ) (0 0 lim ) (0 0 lim ) (0 3 3 f f f ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

22 Τελικές τιμές πρώτα πρέπει να γίνει έλεγχος για την θέση των πόλων lim x( t) X( ) 0 Για την F, οι πόλοι βρίσκονται στο ± j0.866 => δεν υπάρχουν RHP πόλοι f x(0) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ lim X( ) ( ) lim 0 Για την F οι πόλοι βρίσκονται στο 0, ± j.0 => δεν μπορεί να εφαρμοστεί το θεώρημα Για την F 3 οι πόλοι βρίσκονται στο -.368, , ± j => δεν υπάρχουν RHP πόλοι f 3 ( ) = 0 0

23 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ T a = Iα Ροπή επιτάχυνσης (accelerating torque) M = ωi Στροφορμή μηχανής (angular momentum) P a = ωt a = ω(iα) = Mα Ισχύς επιτάχυνσης (accelerating power) όπου I: ροπή αδράνειας (moment of inertia) (kgm ) α: γωνιακή επιτάχυνση (angular acceleration) (rad/ ) ω: ταχύτητα περιστροφής (rotational peed) (rpm) Αν αγνοήσουμε τις απώλειες, T mech = T elec Αν δημιουργηθεί μια διαταραχή, τότε ο δρομέας θα επιταχύνει ή θα επιβραδύνει. d Ta Tmech Telec I ( ) dt δ: φασική γωνία μηχανής

24 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ t dt d t t t t dt dt t dt dt dt t dt t d ) ( ) ( ) ( Σύγχρονη ταχύτητα Μεταβολή ταχύτητας M P P P dt d M dt d M dt d I T P P P P P P elec mech a a elec mech a elec mech a

25 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΔP mech + - M Δω ΔP elec ΔP mech ΔP elec = MΔω

26 ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΟΡΤΙΟΥ Διάφορα είδη ηλεκτρικών φορτίων Αμιγώς αντίσταση (purely reitive) Κινητήρες (motor load) Ηλεκτρονικά ισχύος (power electronic) Διαχωρισμός των μερών ενός φορτίου: Όρος που εξαρτάται από τη συχνότητα (frequency dependent term): ΔP L(freq) = D.Δω Όρος που είναι ανεξάρτητος της συχνότητας (frequency independent term): ΔP L D: ποσοστιαία μεταβολή φορτίου/ποσοστιαία μεταβολή συχνότητας Προσοχή: Αν η τιμή βάσης της ισχύος του φορτίου είναι διαφορετική από εκείνη του συστήματος, πρέπει να διορθώσουμε την τιμή του D. D D new old S S B B old new

27 Η ΔP elec θα είναι τώρα, Μέρος του φορτίου που δεν είναι ευαίσθητο στις μεταβολές συχνότητας ΔP mech + - ΔP L ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΟΡΤΙΟΥ ΔP elec = ΔP L + D.Δω - M D Μέρος του φορτίου που είναι ευαίσθητο στις μεταβολές συχνότητας Δω ΔP mech + - M D Δω ΔP L

28 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Έστω ότι έχουμε ένα απομονωμένο σύστημα ηλεκτρικής ισχύος με μια γεννήτρια και ένα φορτίο. Η γεννήτρια είναι 600 MVA και έχει στροφορμή 7.6 pu MW/pu συχνότητα/ στην τιμή βάσης της μηχανής. Το φορτίο είναι 400 MVA και μεταβάλλεται κατά % για % μεταβολή της συχνότητας. Η τιμή βάσης του συστήματος είναι 000 MVA. Αν το φορτίο αυξηθεί κατά 0 MVA, βρείτε την εξίσωση της μεταβολής της συχνότητας και την τελική τιμή της συχνότητας.

29 M D new new pu pu 000 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔP mech + - ΔP L Δω Μεταβολή στο φορτίο: 0 MVA => 0.0 pu 0. 0 P L ( t) ( ) e 0.8t ( e ) t 0.05 Τελική τιμή: Δω( ) = pu Αν το σύστημα λειτουργεί στα 50 Hz, τότε έχουμε μια πτώση συχνότητας 0.65 Hz. => f new = Hz

30 ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΙΝΗΤΗΡΙΑΣ ΜΗΧΑΝΗΣ (PRIME MOVER MODEL) Η κινητήρια μηχανή περιστρέφει τον δρομέα. Μπορεί να είναι τουρμπίνα ατμού ή υδροτουρμπίνα. Υπάρχουν πολλά μοντέλα δεν είναι απλά συστήματα. Το πιο απλό μοντέλο είναι για την κινητήρια μηχανή χωρίς επαναθέρμανση (non reheat turbine). ΔP valve /(+T CH ) ΔP mech T CH : χρόνος φόρτισης (charging time) (σταθερά χρόνου, time contant) ΔP valve : μεταβολή της θέσης της βαλβίδας

31 ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΙΝΗΤΗΡΙΑΣ ΜΗΧΑΝΗΣ-ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ-ΦΟΡΤΙΟΥ ΔP valve /(+T CH ) ΔP mech + - /(M+D) Δω ΔP L

32 TO BE CONTINUED