шифра: Филигран Истражувачки труд на тема: Анализа на мала хидроцентрала Брајчино 2

Transcript

1 шифра: Филигран Истражувачки труд на тема: Анализа на мала хидроцентрала Брајчино 2 Битола, 2016

2 Содржина 1. Вовед Поделба на хидроцентрали Поделба на хидроцентрали според инсталирана моќност Поделба на хидроцентрали според падот на водата Поделба на хидроцентрали според начинот на користење на водата Поделба на хидроцентрали според сместувањето на машинската зграда Опис на МХЕЦ Брајчино Податоци за опремата на МХЕЦ Брајчино Пелтонова турбина Систем за регулација на турбина Систем за возбудување Синхрона машина Анализа на МХЕЦ Брајчино 2 во Matlab/Simulink Заклучок Користена литература

3 Куса содржина Во овој труд е анализирана малата хидроцентрала Брајчино 2 на Брајчинска река. Оваа мала хидроцентрала се наоѓа во југоисточниот дел од територијата на општина Ресен. При анализата користен е софтверскиот пакет Matlab/Simulink кој овозможува широк спектар за анализи. Со помош на симулациите направени во софтверскиот пакет, анализирано е однесувањето на дел од опремата во хидроцентралата во нормален режим на работа и при куса врска. Разгледан се два случаи. Разгледан е нормален режим на работа и случај кога кусата врска настанува меѓу генераторот и трансформаторот. Нормален и хавариски режим на работа (режим при куса врска) се разгледани и меѓу трансформаторот и мрежата. Клучни зборови: мала хидроцентрала, куса врска, Мatlab/Simulink 1. Вовед Порастот на емисиите од стакленички гасови посочува на климатски промени кои можат да предизвикаат катастрофални последици за човештвото. Голем дел од стакленичките гасови се добиваат при производство на електрична енергија од необновливи електроенергетски ресурси. Во Европските земји се вложуваат големи инвестиции за зголемување на обновливите извори на енергија во вкупното производство на електрична енергија. Производството на електрична енергија со користење на обновливи извори добива сè поголемо значење бидејќи претставува побезбеден и посигурен начин на добивање на електрична енергија и не влијае во загадувањето на животната средина. Водата претставува најзначаен обновлив енергетски извор во Македонија [11]. Малите хидроцентрали имаат најголемо учество во производството на електрична енергија од обновливи енергетски извори, како во Европа така и во целиот свет [4]. Во последните години во Македонија, зголемен е интересот за изградба на мали хидроцентрали и искористувањето на хидро потенцијалот со кој располага нашата земја. До крајот на 2015 година во Македонија, 58 мали хидроцентрали произвеле електрична енергија. Од нив, 22 биле изградени и пуштени во употреба во 2015 година [8]. Во 2014 година, во употреба е пуштена малата хидроцентрала Брајчино 2 која е анализирана во овој труд. Трудот е составен од 6 поглавја. Во второто поглавје направена е општа поделба на хидроцентралите според која понатаму е анализирана МХЕЦ Брајчино 2. Во третото поглавје даден е подетален опис за опремата на малата хидроцентрала. Даден е опис на диспозиционото решение, прикажани се податоци за опремата и во кратки црти опишани се турбината, системот за регулација на турбината, системот за 2

4 возбудување и синхрониот генератор. Во четвртото поглавје претставени се блоковите за опремата во малата хидроцентрала кои се користат при симулацијата во софтверскиот пакет Мatlab/Simulink. Прикажана е шемата на МХЕЦ Брајчино 2. Во ова поглавје анализирани се нормален режим на работа и куса врска. Разгледана е куса врска меѓу генераторот и трансформаторот и куса врска меѓу трансформаторот и мрежата. При тоа, анализирани се и дискутирано е за добиените резултати за струите, напоните и моќностите при нормален режим на работа и при куса врска на дел од опремата во малата хидроцентрала. Во петтото поглавје изложен е заклучокот од трудот, а во шестото поглавје дадена е користената литература. 2. Поделба на хидроцентрали Хидроцентралите можат да се поделат според инсталирана моќност, пад на водата, начин на користење на водата, сместување на машинската зграда итн Поделба на хидроцентрали според инсталирана моќност Категорија Рангирање според моќност Број на домови кои можат да ги снабдуваат Големи хидроцентрали поголеми од 100 MMMM повеќе од Средни хидроцентрали 10 MMMM 100 MMMM Мали хидроцентрали 1 MMMM 10 MMMM Мини хидроцентрали 100 kkkk 1 MMMM Микро хидроцентрали 5 kkkk 100 kkkk Пико хидроцентрали До 5 kkkk До 5 Разликата помеѓу прагот на моќноста на хидроцентралите во светот не е многу јасно дефинирана. Во некои земји не постои толку детална поделба на хидроцентралите според инсталираната моќност, туку се поделени на големи и мали хидроцентрали [10] Поделба на хидроцентрали според падот на водата Според [6], според падот на водата, односно висинската разлика помеѓу котите на горната и долната вода, хидроцентралите се поделени на: хидроцентрали со мал пад (пад од 2 до 30 метри) хидроцентрали со среден пад (пад помеѓу 30 и 100 метри) хидроцентрали со висок пад (пад поголем од 100 метри) 3

5 2.3. Поделба на хидроцентрали според начинот на користење на водата Според начинот на користење на водата, хидроцентралите се поделени на: акумулациони, кај кои дел од водата се акумулира за да може да се користи кога е потребна проточни, кај кои водата се искористува како што дотекува реверзибилни или пумпно-акумулациони кои можат да го прифатат вишокот електрична енергија кој преостанува по намирување на потребите на електричните потрошувачи, а во часовите на врвното оптоварување (кога постои недостиг од електрична енергија) можат да произведуваат електрична енергија. Карактеристично е тоа што водата од долното езеро се пумпа во горното езеро. Овој процес се случува за време кога нема врвно оптоварување. И покрај тоа што при пумпање на водата од долниот во горниот базен се троши електрична енергија, корисноста на овие хидроцентрали е во тоа што тие располагаат со голем потенцијал на вода за време на врвните оптоварувања [1] Поделба на хидроцентрали според сместувањето на машинската зграда Хидроцентралите според сместувањето на машинската зграда се поделени на: надземни, кај кои машинската зграда се наоѓа на земјата подземни, кај кои машинската зграда се наоѓа под земјата 3. Опис на МХЕЦ Брајчино 2 Малата хидроцентала Брајчино 2 се наоѓа во село Брајчино, југоисточен дел од територијата на општина Ресен. Инсталираната моќност на малата хидроцентрала Брајчино 2 е 1,386 MW. Нето падот на водата е 113 m [9]. Таа е хидроцентрала со висок пад на вода. Според поделбата која беше направена во второто поглавје, таа е протечна хидроцентрала. Машинската зграда е сместена над земјата. Диспозицијата на објектите и инфраструктурата на МХЕ Брајчино 2 се прикажани на слика 1. 4

6 Зафат Слика 1. Диспозиција на објекти и инфраструктура на МХЕ Брајчино 2 Зафатот го спроведува потребниот проток на вода од реката и го пренасочува во доводен канал. За малата хидроцентрала Брајчино 2 се направени два зафати од кои едниот е на Брајчинска река, а другиот е на реката Станишар. Доводен канал Овој канал ја пренесува водата од зафатот до умирителната комора. Каналот треба да има оптимални перформанси со цел да се намалат загубите поради истекување. Умирителна комора Служи за амортизација на зголемен притисок во случај на ненадејно затворање на турбината. Цевовод Цевоводот ја пренесува водата под притисок од умирителната комора до турбината, каде потенцијалната енергија на водата се претвора во кинетичка енергија со цел да се ротира турбината. 5

7 Машинска зграда Машинска зграда е објект каде што се сместени турбина, генератор и контролни единици. За малите хидроцентрали улогата на машинската зграда е да ја заштити електромеханичката опрема од временските услови. Бројот, типот и моќноста на агрегатите, нивната конфигурација и локацијата влијаат на обликот и големината на објектот. Одводен канал Овој канал овозможува водата да се врати назад во реката откако ќе помине низ турбината Податоци за опремата на МХЕЦ Брајчино 2 Податоците за опремата на МХЕЦ Брајчино 2, реф.бр.376 се земени од [7]. - број на агрегати проценет животен век...40 години тип, производител и номинални податоци за турбината: -тип... Пелтон вертикална -производител... GUGLER PELTON TURBINE PT 280v-6 -нето пад ,3 mm -номинален проток ll/ss -број на вртежи mmmmnn 1 -номинална моќност kkkk тип, производител и номинални податоци за генераторот: -тип... трофазен синхрон генератор со воздушно ладење -вратило... вертикално -работен напон... 0,4 kkkk -фреквенција HHHH -производител... TESS -номинална активна моќност kkkk -број на вртежи mmmmnn 1 -cccccccc тип, производител и номинални податоци за трансформаторот: - тип... трофазен, маслен - производител... Siemens - преносен однос... 0,4/10(20) kkkk/kkkk 6

8 - моќност kkkkkk - фреквенција HHHH - напон на краток спој... 6 % 3.2. Пелтонова турбина Слика 2. Пелтонова турбина Кај Пелтоновата хидротурбина прикажана на слика 2, водата од акумулацијата со помош на цевковод под притисок се донесува до работното коло кое има форма на диск и кое е прицврстено на вертикална оска. Колото се врти во воздушна средина. По периферијата на колото се поставени лопатки со карактеристична форма. Во лопатките на колото се врши трансформација на кинетичката енергија на водата во механичка. Доводот на вода кон работното коло е концентриран, а се реализира со помош на млазник во чија внатрешност се наоѓа регулациска игла. Иглата во внатрешноста на млазникот може да се движи лево -десно и на тој начин се зголемува или намалува протокот на вода низ млазникот. Кога иглата ќе се најде во крајна десна положба, таа целосно го затвора отворот на млазникот. Поради тоа, хидротурбината престанува да се врти. Со цел да се спречи значително зголемување на притисокот во цевководот под притисок, до кое доаѓа при ненадејно испаѓање на генераторот од мрежа, затворањето на млазникот со помош на иглата треба да биде бавно. Според начинот на поставување на оската на хидротурбината, тие можат да се постават хоризонтално и вертикално. За мали моќности Пелтоновите хидротурбини се прават со еден млазник и со хоризонтална оска. За поголеми моќности на хидротурбините, бројот на млазници може да достигне и до 6. Млазниците се поставуваат така што млазовите кои излегуваат од нив треба да создаваат максимален спрег на сили [1]. 7

9 3.3. Систем за регулација на турбина Системот за регулација на турбина го контролира влезот на турбина со цел да се контролира брзината на генератор, а оттука и активната моќ на потрошувачите. Системот за регулација на турбината овозможува започнување со работа, достигнување на оперативна брзина и добивање на бараната излезна моќност. Механизмот за контрола на брзината вклучува опрема како што се релеи, сервомотори и уреди за засилување на притисок и моќност. Системот за регулација на турбина ја контролира влезната механичка моќност, така што моќноста се намалува доколку брзината се зголеми и обратно. На овој начин се одржува рамнотежа меѓу влезна и излезна моќност [5] Систем за возбудување Системот за возбудување се состои главно од возбудител и автоматски регулатор на напон (AVR). Тој го создава струјното поле на генератор и вклучува управувачки, регулирачки и заштитни функции. Системот за возбудување треба да обезбеди и автоматско прилагодување на струјното поле на генераторот за одржување на напонот. Покрај тоа, за подобрување на транзиентната стабилност треба да биде во можност да одговори на транзиентни нарушувања [5]. Системот за вобудување треба да ги исполнува следниве услови: да обезбеди ограничувачка и заштитна функција со цел да се спречи оштетување на системот за возбудување, генераторот и друга опрема исполнување на наведените услови за флексибилност при работа сигурност и доверливост со вклучување на потребното ниво на редундантност, откривање внатрешна грешка и способност за изолација Синхрона машина Синхрона машина е таква машина на наименична струја чиј ротор се врти со брзина nn еднаква на брзината на магнетното поле nn 1 создадено од статорската намотка кога низ неа протекува трифазна наизменична струја. Синхроните машини се изведуваат како електрични генератори и како електрични мотори. Во генераторот се врши трансформација на механичката во електрична енергија. Синхроните генератори се главен извор на електрична енергија во електроенергетскиот систем. Заради тоа, разбирањето на теоријата и изведбата на синхроните машини е од фундаментално значење за проучување на стабилноста на електроенергетскиот систем. Во конструктивен поглед синхроната машина се состои од активен дел кој го сочинуваат електричното и магнетното коло. Електричното коло се состои од намотка која е сместена на статорот и е поврзана на мрежа со U=const и f=const. Oваа намотка претставува намотка на индуктот. Втората 8

10 намотка е поставена на роторот и е приклучена на еднонасочен напон. Оваа намотка претставува намотка на индуктор. Струјата низ оваа намотка го создава основното возбудно магнетно поле [2]. Магнетниот флукс кој го произведуваат ампернавивките на возбудната намотка ја опфаќа самата возбудна намотка, а дел од тој флукс ја опфаќа и намотката на статорот. Големината на магнетниот флукс кој ја опфаќа статорската намотка зависи од меѓусебната положба меѓу роторот и статорот. Многу често има една кусоврзана пригушна намотка која исто така е поставена на роторот. Таа намотка е изведена во облик на метални клинови или прачки кои меѓу себе се кусоврзани. Нејзината функција е да ги пригуши осцилациите на роторот кои се јавуваат за време на преодните процеси. Во нормален погон, низ неа не тече струја. Заради својата физичка положба на роторот, поволно е влијанието на пригушната намотка да се гледа како влијание на две одвоени намотки: една намотка чија оска се совпаѓа со оската на возбудната намотка (d-оска) и една намотка чија оска е нормална на оската на возбудната намотка (q-оска) [3]. Со А- оска, B-оска и C-oска се означени оските на фазните намотки кои една во однос на друга се поместени за агол од 120 како што е прикажано на слика 3. Слика 3. Приказ на d и q оска кај синхрона машина За синхрона машина со трифазни намотки на статор и возбудна намотка на ротор, магнетните флуксови на поедините наметки се пресметуваат: Ψ а = LL aa i a + LL ab i b + LL ac i c + LL af i f Ψ b = LL ba i a + LL bb i b + LL bc i c + LL bf i f Ψ c = LL ca i a + LL cb i b + LL cc i c + LL cf i f (1) Ψ а = LL fa i a + LL fb i b + LL fc i c + LL ff i f 9

11 каде: Ψ а, Ψ bb, Ψ c - магнетни флуксеви опфатени со намотките од статорот LL aaaa, LL bbbb, LL cccc, LL ffff - сопствени индуктивности LL aaaa, LL аcc, LL aaaa, LL bbbb, LL bbbb, LL cccc - меѓусебни индуктивности ii aa, ii bb, ii cc, ii ff струи низ фазни намотки на статор и струја низ возбудна намотка Сопствените индуктивности зависат од обликот и димензиите на намотките низ кои тече струја, а меѓусебните индуктивности од обликот, димензиите и меѓусебната положба на намотките. 4. Анализа на МХЕЦ Брајчино 2 во Matlab/Simulink Користејќи ги податоци за опремата на МХЕЦ Брајчино 2 [7], направена е симулација во софтверскиот пакет Matlab/Simulink. Анализирани се случаи во нормален режим на работа и при куса врска. Во ова поглавје накратко се претставени блоковите од софтверскиот пакет за опремата во МХЕЦ Брајчино 2 кои се употребени при симулацијата. Во софтверскиот пакет Matlab/Simulink хидротурбината и системот за регулација на турбина се претставени со следниот блок [12]. Блок во Simulink за турбина и систем за регулација на турбина -wwwwwwww е референта брзина (релативни единици p.u.) -PPPPPPPP е референтана механичка моќност (релативни единици p.u.) -wwww e брзина на роторот на турбината (релативни единици p.u.) -PPPP0 e активна електрична моќност (релативни единици p.u.) -dddd e брзина на девијација (релативни единици p.u.) -PPPP e механичка моќност за блокот на синхрона машина ( вати или p.u.) -gggggggg e порта 10

12 Системот за возбудување е претставен со следниот блок [12]. Блок во Simulink за турбина систем за возбудување vvrrrrrr- сакана вредност за краен напон на статорот vvvv-компонента на краен напон vvqq-компонента на краен напон vvvvvvvvvv-овој влез се поврзува на стабилизатор со цел да обезбеди дополнителна стабилизација на осцилациите во електроенергетскиот систем VV ff (field voltage)- напонско поле за блокот на синхроната машина При симулацијата, синхроната машина е претставена со следниот блок [12]. Трите фази се бележани со А, B и C. Блок во Simulink за трофазна синхрона машина - PP mm (mechanical power) е механичка моќност која се внесува во вати (W) или релативни единици (p.u.). Доколку синхроната машина ја претставуваме како генератор овој влез треба да биде изразен како позитивна вредност. Во режим на мотор, механичката моќност е негативна вредност. -VV ff (field voltage) е напонско поле. Овој напон се создава од регулаторот на напон кој е дел од блокот прикажан како Еxcitation system (систем за возбудување). -mm е излез кој се поврзува на собирница (Bus selector) со цел да се прикажат мерените сигнали. 11

13 Други блокови кои се искористени во Simulink моделот за МХЕЦ Брајчино 2 се : Блок за трифазен извор Блок за трофазен трансформатор Волтметар Трoфазно мерење на напон и струја Трофазна грешка Прекинувач Оптоварување Синхроната машина (генератор) како извор на електрична енергија не може да биде сериски поврзана со трансформаторот кој е индуктивен елемент. Истото објаснение важи 12

14 и за оптоварувањето кое е поставено меѓу трансформаторот и трофазниот извор. Поради тоа меѓу нив треба да се постави оптоварување. Scope Scope служи за прикажување на мерените сигнали. 13

15 Слика 4. Симулација на МХЕЦ Брајчино 2 во Matlab/Simulink 14

16 На слика 4 е дадена симулација на малата хидроцентрала Брајчино 2 во софтверскиот пакет Matlab/Simulink. Разгледан е случај на куса врска меѓу генераторот и трансформаторот и куса врска меѓу трансформаторот и мрежата. Анализирани се струите и напоните пред и по кусата врска. Нормалното функционирање на електроенергетскиот систем се карактеризира со тоа што трофазните струи и напони се претставуваат како постојани наизменични сигнали. Ако се појави куса врска во одреден момент, ќе има абнормална појава, па струјните и напонските сигнали нема да бидат постојано наизменични. Синхрониот трофазен генератор на МХЕЦ Брајчино 2 е со номинална моќност 1,8 МVA и излезен напон 0,4 kv [7]. Генераторот е поврзан на 10 kv мрежа преку трофазен трансформатор ( 0,4 kv/ 10 kv). При нормален режим на работа, кривите на напоните и струите се синусоиди. Кривите се претставени на слика 5. Слика 5. Напони/струи при нормален работен режим На слика 6, прикажана е симулација на куса врска меѓу трансформаторот и мрежата на МХЕЦ Брајчино 2, грешката која настанува кај струјните сигнали се појавува во првата секунда и трае помалку од 15 стотинки. Сигналот на фазата А е обележан со жолта боја, на фазата B со виолетова боја и на фазата C со светло сина боја. 15

17 Слика 6. Струи при куса врска меѓу трансформатор и мрежа Разгледуван е обликот на кривите на напоните на фазите А, B и C при настаната куса врска. Грешката настанува уште во првата стотинка која се забележува кај напонот на фазата C обележан со светло сина боја. Наместо облик на синусоида, при куса врска кривата го менува својот облик и се појавува шпиц кој е прикажан на слика 7а. Од 7-ма до 17-та стотинка напонот е 0. Претставено е на слика 7б. Слика 7: a) Шпиц при куса врска на фазата C меѓу трансформатор и мрежа 16

18 б) Напонот е 0 во одреден временски интервал Направена е анализа при настаната куса врска меѓу генераторот и трансформаторот. Во нормален режим на работа, напонот на системот за возбудување е прикажан на слика 8. При куса врска, како што е прикажано на слика 9, настанува значително зголемување на напонот во 0.02 s. Зголемувањето на напонот е позитивен одговор на системот за возбудување бидејќи со тоа се зголемува флуксот. Со зголемувањето на флуксот се појавува стремење кон враќање на обликот на кривата пред да настане кусата врска. Слика 8. Напон на систем за возбудување во нормален работен режим 17

19 Слика 9. Напон на систем за возбудување при куса врска На слика 10 е претставен напонот на фаза A меѓу генераторот и трансформаторот во нормален режим на работа кој изнесува p.u. Слика 10. Напон на фазата А пред куса врска меѓу генератор и трансформатор При куса врска на фаза А, грешка се појавува во s и трае до 0.096s. Во 0.086s напоност ја достигнува својата максимална вредност p.u. Времетраењето на грешката е s. После речиси 8 стотинки од секундата, како што е прикажано на слика 11 напонот повторно има вредност од 0.03 p.u. 18

20 Слика 11. Напон на фазата А при куса врска меѓу генератор и трансформатор При куса врска, анализирани се активната, реактивната и привидната моќност на синхроната машина (генератор). Слика 12. Активна моќност на синхрона машина при куса врска Активната моќност на синхроната машина е прикажана на слика 12. Нејзината максималната вредност на во случај на куса врска е 0,825 p.u. 19

21 Слика 13. Реактивна моќност на синхрона машина при куса врска Максималната вредност на реактивната моќност на синхроната машина при куса врска е 0,031 p.u и е прикажана на слика 13. Слика 14. Привидна моќност на синхрона машина при куса врска 20

22 Бидејќи вредноста на реактивната моќност е значително помала од активната моќност, разликата помеѓу кривите со кои се претставени активната и привидната моќност на синхрониот генератор се занемарливо мали. Истото објаснување важи за активната, реактивната и привидната моќност на синхрониот генератор при нормален режим на работа. Привидната моќност на синхроната машина во случај на куса врска е прикажана на слика

23 5. Заклучок Во овој труд беше направена анализа на опремата на МХЕЦ Брајчино 2 и анализа на нормален и хавариски режим на работа. Подетално е објаснат принципот на работа на Пелтоновата хидротурбина која е составен дел од малата хидроцентрала. Опишани се системот за регулација на турбина, системот за возбудување и синхрониот генератор кои исто така спаѓаат во опремата на хидроцентралата. Направена е симулација на МХЕЦ Брајчино 2 во софтверскиот пакет Matlab/Simulink. Дискутирано е за обликот на напоните и струите при нормален режим на работа и куса врска. Разгледана е куса врска во 2 случаи: куса врска меѓу генератор и трансформатор и куса врска меѓу трансформатор и мрежа. При нормален режим на работа, кривите на напоните и струите се претставени како постојани наизменични сигнали. Во случај на куса врска меѓу трансформатор и мрежа, при направената симулација која трае 4 секунди, кај кривата на напонот се појавува абнормалност (шпиц) во првата стотинка. До 7-ма стотинка обликот на кривата е синусоида, a потоа 10 стотинки напонот е 0. Анализиран е напонот на системот за возбудување меѓу генераторот и трансформаторот во нормален режим на работа и куса врска. При куса врска меѓу генераторот и трансформаторот, забележано е значително зголемување на напонот на системот за возбудување. Но, тоа е позитивна карактеристика бидејќи системот за возбудување се стреми да го врати обликот на кривата приближно како оној пред да настане кусата врска. Анализирани се вредностите на напонот при еднофазна куса врска, како и вредностите на активната, реактивната и привидната моќност на синхрониот генератор при случај на куса врска меѓу генераторот и трансформаторот. При анализата, заклучено е дека кривите на активната и привидната моќност се речиси исти бидејќи реактивната моќност на синхрониот генератор при куса врска е многу мала. Кусата врска разгледувана е со цел да се анализира колку брзо системот може да ја врати својата стабилност доколку се случи куса врска. 22

24 6. Користена литература [1] Арсен Арсенов, Производство на електрична енергија, Скопје ЕТФ, 1996 [2] Милан Чундев, Електрични машини II-Синхрони машини, 2004/05 [3] Благоја Стеваноски, Куси врски во ЕЕС materials/download/5b09c2016e2aeb379062c5bbb76d5ad8 [4] Верче Стаманџиоска, Koцесиска градба на мали хидроцентрали во Република Македонија, магистерски труд, Битола ТФБ, 2014 [5] Luz Alexandra Lucero Tenorio, Hydro Turbine and Governor Modelling, Master of Science in Electric Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, [6] Прирачник за обновливи извори на енергија [7] Лиценца за вршење на енергетска дејност [8] Aгенција за енергетика на Република Македонија [9] Оцена на влијанието врз животната средина од мала хидроелектрана Брајчино 2 општина Ресен, Македонија [10] [11] [12] 23