o Sistem, omrežje, elementi Splošno o sistemu Uporaba osnovnih konceptov električnih vezij Modeliranje osnovnih elementov

Transcript

1 8.1 OBRATOVANJE ELEKTROENERGETSKEGA SSTEMA o Sistem, omrežje, elementi Splošno o sistemu poraba osnovnih konceptov električnih vezij Modeliranje osnovnih elementov

2 8.1 Sistem, omrežje, elementi Na splošno definiramo kot sistem neko celoto, ki jo tvorijo medsebojno funkcionalno povezani elementi sistema. Ta definicija velja tudi za elektroenergetski sistem. Elementi tega sistema so: elektrarne, kot pretvorniki primarne energije v električno energijo (proizvajalci električne energije); stikalne postaje, ki služijo za transformacijo in razdeljevanje električne energije; prenosni in razdeljevalni vodi, ki služijo za prenos električne energije; porabniške naprave, ki so porabniki električne energije. V sklop proizvajalcev zajemamo tudi vse proizvajalce jalove energije (kompenzatorje in kondenzatorske baterije), v sklop prenosnih vodov pa tudi vse vzdolžno ali prečno vezane dušilke. Elementi sistema so tudi izredno pomembne naprave za zaščito in vodenje, ki pa ne vplivajo na izračune pretokov moči, kratkih stikov in stabilnosti. Vsi ti osnovni elementi morajo biti povezani v tako celoto, da zagotavljajo porabnikom električne energije na nekem širšem geografskem področju ekonomično rabo kakovostne električne energije in zanesljivo oskrbo z električno energijo. Tako celoto bi potem lahko definirali kot elektroenergetski sistem. Elektroenergetski sistem je živ organizem, ki se nenehno spreminja. Kratkoročno se spreminja z nihanjem proizvodnje in porabe in njim pripadajočimi stikalnimi in regulacijskimi manipulacijami; dolgoročno pa se spreminja z izgradnjo in vključevanjem novih elementov v sistem.

3 V sistemu imamo vzporedno obratovanje vseh elektrarn z isto frekvenco. Obratovanje sistema nadzorujemo in usmerjamo iz enega mesta, ne glede na to, komu pripadajo posamezni elementi sistema in ne glede na organizacijske oblike elektrogospodarskih organizacij. Ko splošno govorimo o elektroenergetskih sistemih, imamo pred očmi energetski sistem neke države, npr. slovenski. Tak sistem je praviloma povezan z energetskimi sistemi sosednjih držav, je pa vsak trenutek sposoben obratovati povsem samostojno. Kadar gre za zelo tesno povezanost energetskih sistemov (enotna pravila obratovanja, skupno dogovorjen planski razvoj itd.), govorimo o intersistemih ali interkonekcijah. V Evropi smo poznali dva taka velika intersistema. ntersistem držav zahodne Evrope se je imenoval CPTE (Združba za proizvodnjo in razdeljevanje električne energije). ntersistem evropskih članic SEV-a se je imenoval OES SEV (Združeni elektroenergetski sistem SEV) in je zajemal evropski del SSSR in socialistične države vzhodne Evrope. Samostojno je obratovala le Albanija. Danes so vsi državni sistemi povezani v območne sisteme (NORDEL, SDEL, CENTREL itd.), te pa združuje CTE. Članstvo pomeni izpolnjevanje obveznosti, ki so povezane predvsem z avtarktičnimi priporočili, ki veljajo za samostojne elektroenergetske sisteme.

4

5 Vsak elektroenergetski sistem deluje v interkonekciji z vsemi svojimi lastnostmi, ki jih zahtevajo posebnosti območja, na katerem oskrbuje odjemalce z električno energijo. Med te sodijo državna in pravna ureditev in posebnosti organizacijskega značaja, ki so večkrat povezane z zgodovinskim razvojem oblikovanja elektroenergetskih sistemov in z lastninskimi odnosi. Kljub različno oblikovanim elektroenergetskim sistemom obstajajo nekatere skupne karakteristike, kot so: Zadolžitev za preskrbo z električno energijo na določenem območju, pri tem se zatekajo k monopolu ali koncesiji. Gradnja elektroenergetskih zmogljivosti je usmerjena k samozadovoljevanju potreb; temeljni vzrok je zanesljivost oskrbe z električno energijo, ki je potrebna za gospodarski in družbeni razvoj. Vlade držav odločilno vplivajo na tarifno politiko in na zahtevo po visoki kakovosti električne energije. Pet ključnih značilnosti povezanih električnih prenosnih sistemov je:

6 Prenosna zmogljivost vodov Vodi so zmožni prenašati samo omejeno moč. V času velike obremenitve so lahko vodi zamašeni, lahko so tudi prekomerno segreti, kar vodi na koncu v termično porušitev voda. Regulacija frekvence Proizvodnja in poraba morata biti neprestano uravnoteženi, da ne pride do razpada. Kakovost uravnovešenja je mogoče razbrati iz frekvence, ki ne sme močno odstopati od postavljenih 50 Hz. zgube v vodih Kolikor več energije se pretaka, toliko več je je izgubljene v obliki toplote. Vzporedni pretoki Vzporedni pretoki so pretoki moči po večkratni povezavi med proizvodnjo in porabo, skladno z najnižjo impedanco, ne vedno po najkrajši poti ali poti, ki je najmanj obremenjena. Krajevne zahteve Razdeljevanje proizvodnje v omrežju je neizbežno povezano s padci napetosti in zahteva jalovo energijo, da lahko sistem obratuje pri stalni napetosti. Vsaka izmed naštetih značilnosti je vplivno povezana z ostalimi. Obratovanje močno zazankanega sistema CTE zahteva tesno sodelovanje med upravljalci prenosnih omrežij, skladno s sprejetimi pravili. Ta pravila se v normalnem, ustaljenem obratovanju nanašajo na avtomatsko regulacijo frekvence in s tem povezano rezervno močjo.

7

8 Primarna regulacija (mili sekunde) ne sme preseči odstopanja ± 10 mhz; potrebna rezervna moč (vroča rezerva), ki mora biti na razpolago 4 ur na dan, je ocenjena na 3000 MW pri koničnem odjemu 300 GW. Merilo je kazalec omrežne frekvence λ; ta je definirana kot razmerje med spremembo delovne moči in odstopanjem frekvence, ki ga povzroči: P λ =. f Za območje s koničnim odjemom 300 GW znaša kazalec omrežne frekvence MW/Hz. Sekundarna regulacija (sekunde) mora vzdrževati ravnotežje med proizvodnjo in odjemom v vsakem regulacijskem območju, ob upoštevanju načrtovanega tranzita (in brez upoštevanja rezerve primarne regulacije). Odstopanje ( ) G = P P + K f f meas prog ri meas 0 mora biti stalno blizu nič. Tu pomenijo: G P meas P prog K ri f meas f 0 odstopanje moči vsota merjenih delovnih moči tranzita načrtovani tranzit s sosednjimi območji koeficient regulacijskega območja, najpogosteje kar K ri = 1,1 λ, da sekundarna regulacija pomaga primarni razlika med merjeno in zahtevano frekvenco Terciarna regulacija (minute) je vsako avtomatsko ali ročno spreminjanje delovne točke generatorjev, ki sodelujejo v sekundarni regulaciji zato, da je pravočasno na razpolago rezerva za sekundarno regulacijo ali, da je razdeljevanje rezerve moči za sekundarno regulacijo najbolj ekonomična.

9

10 Slovenija obratuje vzporedno z zahodnoevropsko interkonekcijo od osamosvojitve, pred tem pa v okviru Jugoslavije od 16. septembra 1974.

11

12

13 Velikost nazivne napetosti je značilen podatek vsakega omrežja. Nazivne napetosti so normirane in predpisane s standardi. Nekatere nazivne napetosti so še vedno ostanek preteklosti, so sicer še dovoljene, ne smemo pa jih uporabljati pri načrtovanju in vključevanju novih elementov. Vse nazivne napetosti razvrščamo v štiri skupine: a) nizko napetostna omrežja do 1 kv, b) srednje napetostna omrežja do 35 kv, c) visoko napetostna omrežja do 75 kv in d) omrežja najvišjih napetosti nad 75 kv. Napetostni nivo 110 kv je trenutno pri nas meja med omrežji, ki imajo prvenstveni namen prenosa oz. transporta električne energije, in med omrežji, ki imajo prvenstveni namen razdeljevanja oz. distribucije električne energije. Zato po namenu delimo električna omrežja v dve skupini: a) Prenosna omrežja povezujejo med seboj elektrarne in velika potrošniška središča. Velikokrat jih imenujemo kar visokonapetostna omrežja, saj v njih izključno uporabljamo visoke in najvišje napetosti. b) Razdelilna omrežja povezujejo lokalne elektrarne in lokalna napajališča (razdelilne transformatorske postaje) s porabniki. V razdelilnih omrežjih so vedno prisotne nizke in srednje napetosti, lahko pa tudi najnižja visoka napetost. Po obliki razvrščamo električna omrežja v zankasta in žarkasta (radialna) omrežja. Na splošno prevladuje v prenosnih omrežjih zankasta oblika, v razdelilnih omrežjih pa najdemo tako zankasto kot radialno obliko. Pri tem pa od čistih radialnih omrežjih tudi v distribuciji čimbolj odstopamo. Zanesljivost oskrbe z električno energijo je tem večja, s čim več strani lahko nekega porabnika napajamo.

14 G 400 kv sosednja omrežja sosednja omrežja 0 kv G sosednja omrežja G 110 kv sosednja omrežja porabniki 35 kv porabniki 10 kv porabniki 0 kv porabniki 0.4 kv 0.4 kv porabniki porabniki

15 dealni elementi predstavljajo osnovo teorije vezij, kajti poljubni realni element električnega omrežja smemo pri določeni frekvenci predstaviti z neko aproksimativno nadomestno vezavo idealnih elementov. dealne elemente delimo na aktivne in pasivne. Aktivni idealni elementi so izvori električne energije, v pasivnih idealnih elementih pa se električna energija bodisi porablja ali kopiči. + i + i e u j u dealni napetostni vir dealni tokovni vir

16 i R R u R dealni ohmski upor u i R R = R i R = G u R i L L u L i L = u L d t + i L ( 0 ) dealna tuljava u L = L 1 L d i d t t 0 L i C C u C dealni kondenzator 1 u = i d t + u 0 i C C C C 0 C = C t d u d t C ( )

17 i 1 i u 1 N u i p = = = N u i u dealni transformator d i 1 u = i R + L + i d t d t C R L C i u Zaporedna vezava R, L in C j ϕ 1 1 j e j ω ω e Z = Z = R + L = R + L ω C ω C 1 ω L ϕ = αu αi = arctg ω C R 1 u = R i + j ω L i j i = Z i ω C 1 = R + j ω L = Z ω C ϕ

18 Del električnega vezja, ki razpolaga z dvema paroma priključnih sponk, imenujemo četveropol. Če dani četveropol ne vsebuje virov električne energije, govorimo o pasivnem četveropolu, sicer pa o aktivnem. Če četveropol vsebuje le linearne elemente, je to linearni četveropol. Sponki, kjer četveropolu dovajamo energijo, imenujemo vhodni sponki ali vhod; sponki, kjer energijo odvzemamo pa izhodni sponki ali izhod. Četveropol je obratljiv, če je razmerje med napetostjo na vhodu in tokom na izhodu neodvisno od izbire vhodnih in izhodnih sponk. Četveropol je simetričen, če se z zamenjavo vhodnih in izhodnih sponk električne razmere v četveropolu nič ne spremenijo. Simetričen četveropol je vedno tudi obratljiv, obratno pa ni nujno vsak obratljiv četveropol tudi simetričen ' ' 1 ' Četveropol ' = A + A = A + A A11 A1 [ A] = = A A 1 1

19 V1 V = T1 T V1 A V V = T1 A T T V1 V T1 T = [ AV ] V1 [ AT ] V = T1 T V1 V T1 T T [ AV ] [ Av ] [ Av ] [ AT ] [ A] = V1 = = = V T1 T T Kaskadna vezava četveropolov

20 Pasivni četveropol smemo nadomestiti z neko vezavo pasivnih idealnih elementov. Nadomestna vezava četveropola je vedno bolj ali manj uspešna aproksimacija fizikalnega elementa sistema. Od vseh nadomestnih vezav so najprimernejše tiste, v katerih je nadomestna vezava sorazmerno preprosta, a še vedno zadovoljivo ponazarja stvarni element. 1 1 Z 1 Y Z 1 1 Y 1 Y = A + A = A + A 1 1 = 1 + Z 1 ( 1 ) = Y + + Y Z 1 Z = A in Y = 1 A A 1 = A + A = A + A 1 1 = (1 + Z Y ) + Z = ( Y + Y + Y Z Y ) + (1 + Z Y ) A 1 A 1 Z = A, Y = in Y = A1 A1

21 Ko govorimo o osnovnih elementih električnih omrežij, mislimo na tiste, ki jih moramo upoštevati v izračunih in obravnavah obratovalnih stanj. Ne glede na absolutne vrednosti za R, X in Z je impedančni kot ϕ za različne elemente zelo različen. X generatorji transformatorji daljnovodi Z = R + j X kabli tgϕ = X / R Generatorji Transformatorji Daljnovodi Kablovodi 0, ϕ R ϕ

22 Φ sr E Φ r Φ sv E s j X sr δ j X ss ϕ Kazalčni diagram sinhronskega generatorja s cilindričnim nim rotorjem R X s R E + Z = R + j X. n s Nadomestna vezava sinhronskega generatorja s cilindričnim rotorjem

23 1 Z 1 Z 1 1 Z Z k = 1 1 j X k = a) b) Nadomestna vezava transformatorja pri zanemaritvi magnetilnega toka

24 V izračunih pretokov moči moramo vedno upoštevati dejstvo, da se dejansko prestavno razmerje transformatorja razlikuje od nominalnega prestavnega razmerja, podanega z razmerjem nazivnih napetosti primarne in sekundarne strani. To nenazivno prestavno razmerje zajamemo tako, da zaporedno s transformatorjem z nazivnim prestavnim razmerjem p n = 1 / vežemo transformator, ki je idealen in ima tako prestavno razmerje t, da bo p = p t, nenazivno n 1 1 Z = 1 t = Z + = 1 + Z 1 1 = = [ A] 1 Z t 0 t 1 Z t = = 0 1 t 0 t = t = t = = 0 + t t Y = = Y t A A 13 1 ( 1 ) 33 Y 1 = = Y t A13 A 1 = = 11 Y 3 Y t t A13 poštevanje nenazivnega prestavnega razmerja transformatorja 3 ( 1)

25 Zaradi porazdeljene narave parametrov celotni vod predstavimo kot kaskadno vezavo diferencialno malih četveropolov. Slika voda z vrisanim diferencialnim četveropolom na razdalji x od izhodnih sponk voda je podana na sliki. 1 d 1 z dx 1 d y dx l x dx x d z d x =, d y d x = d 0 z y d x =, l d d z y x = ( ) = ch ( γ ) + v sh ( γ ) ( ) sh ( γ ) ch ( γ ) x x Z x x = Y x + x v 0 γ = z y ali γ = z y = α + j β Z v z z = = y γ

26 Enačbi veljata za poljubno točko voda, torej tudi za začetek voda x = l. Tam je (l) = 1 in (l) = 1. Če ju zapišemo v matrični obliki, dobimo ( γ l) Z 0 sh ( γ l) ( γ ) ch ( γ ) ch = Y sh l l A 11 = ch 1 v ( γ l) sh ( γ ) A = Y l 1 v sh ( γ ) ( γ l) A = Z l A = ch. Z1 = A1 = Z0 shγ l 1 Y A γ 1 l = = Y th A Y A γ 11 1 l = = Y th A 0 1 Natančna nadomestna π - vezava voda

27 poraba reduciranih vrednosti za razreševanje električnih omrežij je starejša metoda, ki pa se vse bolj umika bolj moderni in elegantni metodi uporabe enotinih vrednosti (per unit). Princip enotinih vrednosti izhaja iz dejstva, da je možno poljubno veličino podati tudi kot relativno vrednost, s tem, da povemo kolik del neke izbrane bazne vrednosti predstavlja. Dejanska vrednost neke veličine je potem definirana kot produkt enotine in bazne vrednosti. Enotine vrednosti so torej brezdimenzijske relativne vrednosti. b S s S = b u = b i = b Z z Z = b Y y Y = b S b n = b b b 3 S = b b Z S = b b S Y =