ΗΜΥ 680 Ανάλυση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος Συστήματα ελέγχου

Transcript

1 ΗΜΥ 680 Ανάλυση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος Συστήματα ελέγχου Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Έλεγχος τάσης γεννητριών (generator-voltage control) Έλεγχος στρόβιλου-ρυθμιστή (turbine-governor control) Έλεγχος φορτίου-συχνότητας (Load-frequency control)

3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ -- Απαραίτητα για την απρόσκοπτη και ασφαλή λειτουργία του συστήματος -- Δύο είδη: (α) Τοπικά συστήματα ελέγχου (local control systems) Χρησιμοποιούνται σε γεννήτριες και σε ζυγούς ελεγχόμενους από τάση. (β) Κεντρικά συστήματα ελέγχου (central control systems) Χρησιμοποιούνται σε κέντρα ελέγχου (control centers)

4 ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Είναι απαραίτητος ο έλεγχος σε κεντρικό επίπεδο Κάθε περιοχή έχει το δικό της κεντρικό σύστημα ελέγχου (control center) Ελέγχει τη λειτουργία του συστήματος, καταχωρεί τις διάφορες μετρήσεις σε χώρους μνήμης, επιτρέπει τον αυτόματο και χειρoκίνητο έλεγχο του εξοπλισμού του συστήματος Παρακολουθεί πληροφορίες όπως η συχνότητα του συστήματος, η παραγωγή κάθε μονάδας και η μεταφορά ισχύος μεταξύ περιοχών Μπορεί να στείλει σήματα ελέγχου σε διάφορα σημεία του συστήματος (π.χ. έλεγχος εξόδου γεννητριών)

5 Καμπύλη διαρκείας φορτίου MW Load PEAK LOAD INTERMEDIATE LOAD BASE LOAD t hrs Μονάδες που εργάζονται συνεχώς Μονάδες που ελέγχονται από το κεντρικό σύστημα ελέγχου

6 ΤΟΠΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ -- Ρυθμιστής τάσης γεννήτριας (generator-voltage regulator) -- Ρυθμιστής (governor)

7 ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ -- Η τάση στα άκρα της γεννήτριας V t συγκρίνεται με μια τάση αναφοράς V ref και η διαφορά αυτής της τάσης (error signal) χρησιμοποιείται ως είσοδος του ρυθμιστή τάσης. -- Η τάση εξόδου του ρυθμιστή χρησιμοποιείται ως είσοδος του συστήματος διέγερσης (η έξοδος του οποίου είναι η τάση πεδίου (field voltage)).

8 ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ (GOVERNOR) Generator -- Μείωση στην ταχύτητα του δρομέα: Ο ρυθμιστής ανοίγει περισσότερο τη βαλβίδα του ατμού για να δώσει περισσότερη μηχανική ισχύ -- Αύξηση στην ταχύτητα του δρομέα: Ο ρυθμιστής κλείνει τη βαλβίδα του ατμού για να δώσει λιγότερη μηχανική ισχύ

9 ΣΧΕΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΞΟΔΟΥ ΣΤΡΟΒΙΛΟΥ P m = P ref f R R: σταθερά ρύθμισης, regulation constant (droop)

10 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ένα σύστημα 60 Hz έχει 3 στροβιλογεννήτριες με ονομαστικές τιμές 1000, 750 και 500 MVA. Η σταθερά ρύθμισης κάθε μονάδας είναι R = 0.05 p.u. στην βάση της κάθε μονάδας. Κάθε μονάδα λειτουργεί αρχικά στο μισό της ονομαστικής της τιμής. Σε κάποια στιγμή το φορτίο αυξάνεται κατά 200 MW. Υπολογίστε: (α) Το β σε τιμή βάσης 1000 MVA (β) Το Δf (γ) To ΔP m για κάθε μονάδα Υποθέστε ότι το P ref για κάθε μονάδα είναι σταθερό. Αγνοήστε τις απώλειες.

11 ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Ο έλεγχος στροβίλου-ρυθμιστή (turbine-governor control) βοηθά στην αντιμετώπιση αλλαγών στο φορτίο με την αύξηση ή μείωση της ταχύτητας του στροβίλου. Πρόβλημα: Η συχνότητα μεταβάλλεται ( f 0) Στόχοι ελέγχου φορτίου-συχνότητας (load-frequency control): 1. Μετά από μεταβολή φορτίου, κάθε περιοχή πρέπει να βοηθήσει στην επιστροφή του Δf στο μηδέν 2. Κάθε περιοχή πρέπει να διατηρεί την ροή ισχύος μεταξύ των συνδετικών γραμμών (tie line power flow) στην προκαθορισμένη τιμή, ούτως ώστε κάθε περιοχή να απορροφά τις δικές της μεταβολές φορτίου.

12 ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ LOAD-FREQUENCY CONTROL (LFC) Για να επιτευχθούν και οι δύο στόχοι, μεταβάλλεται η ισχύς αναφοράς ΔP ref κάθε μονάδας, σύμφωνα με, P = K ACEdt, ref i i όπου το K i είναι μια σταθερά και το ACE δίνεται από, ACE = P tie + B f f ΔP tie : μεταβολή της ροής φορτίου μέσω των συνδετικών γραμμών από την προκαθορισμένη ροή B f : frequency bias constant Δf: μεταβολή συχνότητας περιοχής.

13 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ένα σύστημα ηλεκτρικής ισχύος 60 Hz, αποτελείται από δυο διασυνδεδεμένες περιοχές. Η περιοχή 1 έχει συνολική ικανότητα παραγωγής 2000 MW και μια χαρακτηριστική απόκρισης συχνότητας περιοχής β 1 = 700 MW/Hz. Η περιοχή 2 έχει συνολική ικανότητα παραγωγής 4000 MW και β 2 = 1400 MW/Hz. Κάθε περιοχή αρχικά παράγει το μισό της συνολικής της παραγωγής και P tie1 = P tie2 = 0. Ξαφνικά, το φορτίο στην περιοχή 1 αυξάνεται κατά 100 MW. Υπολογίστε το Δf και το ΔP tie για κάθε περιοχή για τις ακόλουθες περιπτώσεις: (α) χωρίς LFC (β) με LFC Αγνοήστε τις απώλειες.