ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Εργασία 1 η : Χρήση του λογισμικού ΕΜΤΡ/ΑΤΡ για την προσομοίωση μεταβατικών φαινομένων σε εναέριες ΓΜ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εργασία 1 η : Χρήση του λογισμικού ΕΜΤΡ/ΑΤΡ για την προσομοίωση μεταβατικών φαινομένων σε εναέριες ΓΜ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015

2 Γενικά Δεδομένα του Συστήματος Ένας τριφασικός καταναλωτής S=200 MVA, cosφ=0.9 επαγωγικό στα 400 kv τροφοδοτείται μέσω 2 γραμμών μεταφοράς (ΓΜ) υψηλής τάσης. Στους τερματισμούς των ΓΜ τοποθετούνται πυκνωτές σειράς με χωρητικότητα C=50 μf/φάση προκειμένου να αυξηθεί η δυνατότητα μεταφοράς ισχύος και η ευστάθεια του συστήματος. Επιπλέον, για την αντιστάθμιση των ΓΜ χρησιμοποιούνται τριφασικά πηνία στον τερματισμό κάθε γραμμής. Αυτά συνδέονται σε αστέρα και παρέχουν 50 MVAr στα 400 kv σε κάθε γραμμή. Οι γραμμές μεταφοράς (ΓΜ) του συστήματος είναι γραμμές απλού κυκλώματος σε τριγωνική διάταξη με δέσμη 2 αγωγών ανά φάση και με τις διαστάσεις του Σχήματος 2. Πάνω από τους αγωγούς των φάσεων υπάρχουν 2 συμπαγείς, χαλύβδινοι αγωγοί προστασίας. Όλοι οι αγωγοί (φάσεων και προστασίας) θεωρούνται ιδανικά τανυσμένοι. αγωγοί προστασίας 2η φάση 5m 1η φάση 3η φάση 1m 20m 36m 28m 11m Σχήμα 1: Διάταξη εναέριας γραμμής μεταφοράς. Οι αγωγοί των φάσεων είναι τύπου ACSR με εσωτερική ακτίνα rin = cm και εξωτερική rout = 1.65 cm. Η dc αντίσταση κάθε αγωγού είναι R dc = Ω/km. Οι αγωγοί προστασίας είναι συμπαγείς με διάμετρο 0.4 cm και R dc=2.61 Ω/km.

3 r in r out Σχήμα 2: Διατομή αγωγών φάσεων. Η τροφοδότηση των ΓΜ γίνεται από δύο υποσταθμούς. Η αναπαράσταση της τροφοδοσίας (50 Hz) σε καθεμία από τις 2 γραμμές είναι αυτή του Σχήματος 3. Το Ζeq απαρτίζεται από τα στοιχεία R=20 Ω, L=28 mh, C=60 μf, ενώ Rs-eq =1 Ω. Ο συνδυασμός των Rs-eq και Zeq παριστάνει τη σύνθετη αντίσταση της τροφοδοσίας (feeder). Σχήμα 3: Ισοδύναμο μονοφασικό κύκλωμα της τροφοδότησης κάθε γραμμής (feeder) Για τη ζεύξη/απόζευξη των στοιχείων του εξεταζόμενου συστήματος χρησιμοποιούνται τριφασικοί διακόπτες ισχύος SF6 (Ιmar = 0 A). S 1 1 η ΓΜ C 1 S 2 AC L 1 S 5 S 3 2 η ΓΜ C 2 S 4 Φορτίο AC L 2 Σχήμα 4: Συνολική απεικόνιση του συστήματος.

4 Δεδομένα ανά Ομάδα Οι ομάδες 1 έως 7 θα μοντελοποιήσουν τις εναέριες γραμμές μεταφοράς με τη χρήση Π-ισοδυνάμων κυκλωμάτων, οι ομάδες 8 έως 14 με το μοντέλο διανεμημένων παραμέτρων στο πεδίο του χρόνου (KCLee / Bergeron) και οι ομάδες 17 έως 22 με τη χρήση του μοντέλου JMarti (default fitting, 8 δεκάδες με 10 σημεία/δεκάδα ξεκινώντας από το 0.1 Hz). Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθεί (από όλες τις ομάδες) η ειδική αντίσταση του εδάφους ίση με 150 Ωm για τη ΓΜ#1 και 300 Ωm για τη ΓΜ#2, εκτός αν ορίζεται διαφορετικά σε κάποιο ερώτημα. Το επιδερμικό φαινόμενο θα πρέπει να ληφθεί υπόψη σε όλες τις περιπτώσεις, καθώς και να θεωρηθεί ότι ο πίνακας ιδιομετασχηματισμού είναι πραγματικός. Οι αγωγοί προστασίας θεωρούνται συνεχώς γειωμένοι. Το Δt που θα χρησιμοποιηθεί να κυμαίνεται από 10-7 s έως 10-6 s, ανάλογα με τις δυνατότητες του υπολογιστή. Ο χρόνος προσομοίωσης της κάθε περίπτωσης δεν καθορίζεται, εντούτοις θα πρέπει να είναι τέτοιος ώστε να καταλήγει σε στάσιμη κατάσταση και να παρατηρείται όλη η εξέλιξη του μεταβατικού φαινομένου. Το μήκος των ΓΜ για κάθε ομάδα είναι: 1 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 50 km και 2 ης ΓΜ 200 km 2 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 75 km και 2 ης ΓΜ 225 km 3 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 100 km και 2 ης ΓΜ 250 km 4 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 125 km και 2 ης ΓΜ 50 km 5 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 150 km και 2 ης ΓΜ 75 km 6 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 175 km και 2 ης ΓΜ 100 km 7 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 200 km και 2 ης ΓΜ 125 km 8 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 225 km και 2 ης ΓΜ 150 km 9 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 250 km και 2 ης ΓΜ 175 km 10 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 50 km και 2 ης ΓΜ 200 km 11 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 75 km και 2 ης ΓΜ 225 km 12 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 100 km και 2 ης ΓΜ 250 km

5 13 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 125 km και 2 ης ΓΜ 50 km 14 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 150 km και 2 ης ΓΜ 75 km 15 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 175 km και 2 ης ΓΜ 100 km 16 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 200 km και 2 ης ΓΜ 125 km 17 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 225 km και 2 ης ΓΜ 150 km 18 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 250 km και 2 ης ΓΜ 175 km 19 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 50 km και 2 ης ΓΜ 200 km 20 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 75 km και 2 ης ΓΜ 225 km 21 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 100 km και 2 ης ΓΜ 250 km 22 η ομάδα: μήκος 1 ης ΓΜ 125 km και 2 ης ΓΜ 50 km

6 Ερωτήσεις 1) Αρχικά θεωρούνται μόνο οι δύο γραμμές μεταφοράς χωρίς να έχουν συνδεθεί τα υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώματος. Nα απαντηθεί από τις ομάδες 1 έως 7: a) Να παρουσιαστούν περιληπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης του μοντέλου των Π-ισοδυνάμων κυκλωμάτων για την προσομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς. b) Ποια είναι η ιδανική συχνότητα υπολογισμού των ανά μονάδα μήκους παραμέτρων στις δυο γραμμές μεταφοράς; Ποιοι είναι οι κυριότεροι παράγοντες που την επηρεάζουν; Nα απαντηθεί από τις ομάδες 8 έως 14: a) Να παρουσιαστούν περιληπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης του μοντέλου οδευόντων κυμάτων (KCLee / Bergeron) για την προσομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς. b) Ποια είναι η ιδανική συχνότητα υπολογισμού των ανά μονάδα μήκους παραμέτρων στις δυο γραμμές μεταφοράς; Ποιοι είναι οι κυριότεροι παράγοντες που την επηρεάζουν; Nα απαντηθεί από τις ομάδες 15 έως 22: a) Να παρουσιαστούν περιληπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης του μοντέλου JMarti για την προσομοίωση εναέριων γραμμών μεταφοράς. b) Ποια είναι η ιδανική συχνότητα υπολογισμού του πίνακα ιδιομετασχηματισμού στις δυο γραμμές μεταφοράς; Ποιοι είναι οι κυριότεροι παράγοντες που την επηρεάζουν;

7 2) Θεωρούμε αρχικά το σύστημα αφόρτιστο (όλοι οι διακόπτες ισχύος ανοιχτοί). Τη χρονική στιγμή t=35 ms ηλεκτρίζεται η 1 η γραμμή μεταφοράς με το κλείσιμο του διακόπτη S1. Nα απαντηθεί από τις ομάδες 1 έως 7: a) Να θεωρηθεί ότι η 1 η ΓΜ αναπαρίσταται διαδοχικά από 1, 5, 10 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα. Να καταγραφούν οι τάσεις στην φάση c στον τερματισμό της ΓΜ#1 (προς το διακόπτη S2) για τις 3 παραπάνω μοντελοποιήσεις, για παραμέτρους ΓΜ υπολογισμένες στα 1.5 khz. Να σχολιαστούν οι διαφορές που ενδεχόμενα προκύπτουν. b) Για την περίπτωση των 10 ισοδυνάμων να υπολογιστεί ο χρόνος και η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. Nα απαντηθεί από τις ομάδες 8 έως 14: a) Να καταγραφεί συγκριτικά για την περίπτωση της αναπαράστασης της 1 ης ΓΜ με 1 ισοδύναμο η τάση στην φάση b για παραμέτρους ΓΜ υπολογισμένες στα 50 Hz, 1.5 khz και 5 khz. Σε ποια από τις παραπάνω περιπτώσεις έχουμε μικρότερη μέγιστη τιμή για την τάση στο άκρο τερματισμού; Να αιτιολογηθεί η απάντηση. b) Για την περίπτωση των 1.5 khz να υπολογιστεί ο χρόνος και η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Έχει νόημα η σύνδεση πολλαπλών μοντέλων KCLee / Bergeron; Αν ναι, γιατί; Να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. Nα απαντηθεί από τις ομάδες 15 έως 22: a) Να θεωρηθεί μόνο για αυτό το ερώτημα ότι δεν είναι σταθερή η ειδική αντίσταση της γης. Να καταγραφεί συγκριτικά για την περίπτωση της αναπαράστασης της 1 ης ΓΜ με 1 ισοδύναμο η τάση στην φάση a για ειδική αντίσταση γης ρ=100 Ωm, 500 Ωm και 1000 Ωm. Σε ποια από τις παραπάνω περιπτώσεις έχουμε μικρότερη μέγιστη τιμή για την τάση στο άκρο τερματισμού; Να αιτιολογηθεί η απάντηση (Θα γίνει μοντελοποίηση με συχνότητα υπολογισμού των πινάκων ιδιομετασχηματισμού τα 1 kηz).

8 b) Για την περίπτωση των 100 Ωm να υπολογιστεί ο χρόνος και η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Να σχολιάσετε τα αποτελέσματα. 3) Nα απαντηθεί από όλες τις ομάδες: Οι ΓΜ #1 και #2 είναι ηλεκτρισμένες και τροφοδοτούν το φορτίο με συνδεδεμένη την αντιστάθμιση. Την χρονική στιγμή t=30 ms, τα πηνία αντιστάθμισης της 1 ης ΓΜ αποσυνδέονται και την χρονική στιγμή t=50 ms συνδέονται πυκνωτές αντιστάθμισης σε συνδεσμολογία αστέρα και ονομαστικής ισχύος 30 MVAr (η αντιστάθμιση της 2 ης ΓΜ παραμένει συνδεδεμένη). Για τις ομάδες 1 έως 7: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 10 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με παραμέτρους υπολογισμένες στα 1.5 khz. Για τις ομάδες 8 έως 14: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 1 ισοδύναμο κύκλωμα και παραμέτρους υπολογισμένες στο 1 khz. Για τις ομάδες 15 έως 22: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 1 ισοδύναμο κύκλωμα με πίνακα ιδιομετασχηματισμού υπολογισμένο στο 1 khz. a) Να καταγραφεί συγκριτικά η τάση της φάσης b στο φορτίο σε διάστημα 6 κύκλων. b) Να καταγραφεί το μέγιστο (peak) της τάσης στο φορτίο για κάθε φάση. c) Συγκρίνοντας την τάση της φάσης b στον ζυγό του φορτίου, ποιες συχνότητες παρατηρούνται εποπτικά να εμφανίζονται και πώς εξηγούνται οι διαφορές; 4) Nα απαντηθεί από όλες τις ομάδες: To φορτίο τροφοδοτείται κανονικά μέσω και των 2 ΓΜ (όλοι οι διακόπτες S κλειστοί και τα πηνία αντιστάθμισης συνδεδεμένα). Τη χρονική στιγμή t=15 ms παρουσιάζεται σφάλμα στον κοινό ζυγό τροφοδοσίας του φορτίου. Το σφάλμα έχει τη μορφή μονοφασικού βραχυκυκλώματος ως προς τη γη στη φάση b, μέσω ωμικής αντίστασης 1.5 Ω και διαρκεί για 4 περιόδους, ενώ μετά το πέρας των 4 περιόδων απομονώνεται. Για τις ομάδες 1 έως 7: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 10 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με παραμέτρους υπολογισμένες στα 1.5 khz. Για τις ομάδες 8 έως 14: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 2 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με παραμέτρους υπολογισμένες στο 1 khz.

9 Για τις ομάδες 15 έως 22: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 2 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με πίνακα ιδιομετασχηματισμού υπολογισμένο στο 1 khz. a) Ποια είναι η μέγιστη τάση που θα εμφανιστεί πάνω στους πυκνωτές C1 και C2; Πώς μπορούν να προστατευθούν; b) Αν υποτεθεί ότι το βραχυκύκλωμα είναι τριφασικό ως προς τη γη μέσω ωμικής αντίστασης 0.5 Ω/φάση για την ίδια διάρκεια, τι διαφοροποιήσεις προκύπτουν στο ρεύμα του φορτίου σε σχέση με το μονοφασικό σφάλμα και που οφείλονται αυτές; Διευκρίνιση: Για την υλοποίηση του μονοφασικού βραχυκυκλώματος θα χρησιμοποιηθεί το Splitter (3 phase) που βρίσκεται στο Probes & 3-phase. 5) Να απαντηθεί από όλες τις ομάδες: To φορτίο τροφοδοτείται μόνο από τη 2 η ΓΜ (διακόπτες S1, S2 ανοικτοί και τα πηνία αντιστάθμισης συνδεδεμένα). Κάποια στιγμή συμβαίνει ένα κεραυνικό πλήγμα (5 ka, 1.2μs/50μs) στη φάση b στο μέσο της 2 ης ΓΜ. Να υπολογιστεί σε ποια χρονική στιγμή πρέπει να συμβεί το πλήγμα ώστε να δημιουργηθεί η χειρότερη στιγμιαία τάση που μπορεί να αναπτυχθεί στο φορτίο. Να απεικονισθεί η τάση αυτή καθώς και οι άλλες 2 φάσεις με μορφή διαγράμματος. Για τις ομάδες 1 έως 7: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 10 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με παραμέτρους υπολογισμένες στα 1.5 khz. Για τις ομάδες 8 έως 14: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 2 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με παραμέτρους υπολογισμένες στο 1 khz. Για τις ομάδες 15 έως 22: Να θεωρηθεί ότι κάθε ΓΜ αναπαρίσταται με 2 ισοδύναμα κυκλώματα σε αλυσίδα με πίνακα ιδιομετασχηματισμού υπολογισμένο στο 1 khz. Διευκρίνιση: Το κεραυνικό πλήγμα έχει συντελεστή χρησιμοποίησης (amplitude) 2 ka και περιγράφεται από μια LI 1.2 μs / 5 μs (χρόνος μετώπου / χρόνος ημίσεως εύρους). Στο ATPDraw προσομοιώνεται με μια πηγή ρεύματος Surge Type 15. Οι αρνητικοί όροι Α και Β είναι οι χρονικές σταθερές της διπλεκθετικής συνάρτησης που περιγράφει την LI (βλέπετε το help της πηγής στο ATPDraw) και για τη συγκεκριμένη περίπτωση είναι s -1 και s -1 αντίστοιχα. Στη περίπτωση που το

10 ATPDraw δεν δέχεται κάποια τιμή, πατήστε στο Edit Definitions και αλλάξτε το εύρος (Min, Max) της μεταβλητής ώστε να περιέχει τη τιμή που θέλετε να δώσετε. Η χρονική στιγμή του πλήγματος καθορίζεται από την τιμή Tstart. Παρουσίαση αποτελεσμάτων Θα παραδώσετε ένα αρχείο doc ή pdf με τις απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα της 1 ης εργασίας. Στις περιπτώσεις που κρίνετε σκόπιμο, θα δείξετε αποτελέσματα έτσι ώστε να υπάρχει ευκρινής εστίαση (zoom in). Το αρχείο doc/pdf θα πρέπει να παραδοθεί και εκτυπωμένο στο γραφείο του Γιώργου Κρυωνίδη (κτίριο Δ - 4 ος όροφος - Τομέας Ενέργειας - Γραφείο 9). Κάθε ομάδα θα στείλει με στη διεύθυνση kryonidi@auth.gr ένα συμπιεσμένο φάκελο (zip/rar) με ονομασία P01G01 για την ομάδα 1, P01G02 για την ομάδα 2 κ.ο.κ. Σε αυτό το συμπιεσμένο φάκελο θα περιέχονται τα αρχεία ATPDraw με όλες τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήσατε. Τα αρχεία θα έχουν συγκεκριμένη ονομασία, όπως αυτή του παραδείγματος που ακολουθεί: Το αρχείο P01G15Q2C1 σημαίνει: P01: 1 η εργασία του μαθήματος (είναι P01 για όλους σε αυτή την εργασία) G15: η ομάδα 15 δίνει το αρχείο Q2: αποτελεί αρχείο ATPDraw του 2 ου ερωτήματος C1: είναι το πρώτο case που σας ζητάμε να τρέξετε. Αν υπάρχουν παραπάνω cases που πρέπει να παρουσιαστούν θα στείλετε και C2, C3 κτλ. Η ημερομηνία ηλεκτρονικής παράδοσης είναι αυστηρά μέχρι και την Πέμπτη 10/12/2015 στις 12 το βράδυ. Η αντίστοιχη ημερομηνία παράδοσης του εκτυπωμένου κειμένου είναι μέχρι την Παρασκευή 11/12/2015.