7-Sähkövoimajärjestelmän_hallinta

BL20A0700
Sähköverkkotekniikan
peruskurssi
Sähkövoimajärjestelmän hallinta
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Sähkövoimajärjestelmä
Koostuu voimalaitoksista ja kuormituksista
sekä niitä yhdistävistä
johdoista
G
G
P, Q
P, Q
G
Toimintavaatimukset:
Lähde: Fingrid Oyj
– generaattorit käyvät samassa tahdissa
– tuotannon ja kulutuksen tasapaino joka hetki
Lappeenranta University of Technology
2
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Sähkönsiirtojärjestelmän stabiilius
Järjestelmän kyky säilyttää tasapaino siihen kohdistuvien erilaisten
muutostilojen poistuttua ja aikana
kuormituksen muutokset
tuotannon muutokset
käyttötoimenpiteet
viat
Häiriötä seuraa energian heilahtelu verkossa
onko vaimeneva ?
säilyykö generaattoreiden tahtikäynti ?
kuinka taajuus käyttäytyy ?
Tasapaino: Tuotanto = Kulutus
Mitkä ovat riippuvuussuhteet järjestelmässä - kuinka stabiilius
säilytetään ?
pätöteho, loisteho, taajuus, jännite
Lappeenranta University of Technology
3
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Tehonsiirto reaktiivisella johdolla
X
U = I·jX
I
Uv1
Uv2
Tehon siirtyminen jännite-erolla ?
U
U
Uv1
I
Uv1
Uv2
Uv2
I
Pätötehoa siirtyy vain, kun
0
Siirtyy pelkästään loistehoa !
Lappeenranta University of Technology
4
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Tehonsiirto reaktiivisella johdolla
Suurjännitejohto
I1
S1
I2
S2
jX
Uv1
Uv2
Uv1
I1
Uv1 Uv1 0 U
jI1·X
Uv2 Uv2
Uv2
Uv1 Uv2 jI1 X
I1
Uv1 Uv2 Uv1 Uv2
jX
jX
S1 3Uv1I1 3 Uv1
Uv1 Uv2
jX
Lappeenranta University of Technology
5
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Tehonsiirto reaktiivisella johdolla
Siirrytään pääjännitteisiin
U12
jX
S1
U1U 2
jX
U1U 2
sin
X
U12
j
X
j
U12
X
U1U 2 cos
jU1U 2 sin
jX
U2U1
U1U 2
cos
X
U2
Q
P
P
U1
jU1U2sin
U1U2cos
Pmax
0
90
180°
P
U1U 2
sin
X
tehokulmayhtälö
stabiili alue
Staattisen stabiilisuuden rajateho
Lappeenranta University of Technology
6
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Staattinen stabiilius
P
G
Xj
Uv
Xg
Xg
Eg
I
Eg
Xj
Ug
Ug
Uv
Uv
P
UE
sin ,
Xg X j
Pmax
jXgI
jXjI
UE
(staattisen stabiilisuuden rajateho)
Xg X j
Lappeenranta University of Technology
7
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Staattinen stabiilius
E
U
P
X
Im
Verkkoa kuvaava
ekvivalenttigeneraattori
Generaattori
Generaattorin mekaanisen tehon ja sähköisen tehon välillä vallitsee aina
tasapaino, kun tehokulma < 90 o.
Esimerkiksi kun mekaanista tehoa lisätään, kasvaa tehokulma, jonka
seurauksena sähköinen teho kasvaa, kunnes se on yhtä suuri kuin
mekaaninen teho.
Muutostilanteissa generaattorin reaktanssina tehokulmayhtälössä käytetään
muutostilan arvoa X ’. Vastaavasti generaattorin lähdejännitteenä käytetään
arvoa E ’.
Lappeenranta University of Technology
8
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Staattinen stabiilius
Esimerkki: Generaattori syöttää jäykkään verkkoon tehon
Sr= 0,7 ; cos = 0,8 ind.
Määritä tehokulma, kun Ur = 1,1 ; Xdr = 1,2 ; Xjr = 0,2.
Mikä on staattisen stabiiliuden rajateho?
Sr
Ir
0,509
Ur
Xr
X dr
X jr
Er
Ur
P2 r
Er U r
sin
Xr
sin
j 0,382 A
1,4
Ir j Xr
0,56
1,4
Ur= 1,1
1,63
j 0,71 V 1,78 V 23,5
1,78 1,1
sin
1,4
1,78
P2 r
1,4 sin
Pr
0,56
staattisen stabiiliuden rajateho
I
Xdr
Xjr
Er
23,5
Jos Pb = 10 MW
Er
Ur
P2rmax = 14 MW
Lappeenranta University of Technology
9
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Dynaaminen stabiilius
T
Pm
PS
G
J
P m PS
Pm
Pm
PS
PS
(mekaaninen teho = sähköteho ; staattinen tilanne)
Wk
Wk
d
J
dt
d
dt
t
1
J
2
2
d2
dt
2
J
d
dt 2
Pm
Kuvassa tilanne on epästabiili
PS
t
Lappeenranta University of Technology
10
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Dynaaminen stabiilius
Dynaamisen stabiiliuden ratkaisu pinta-alakriteeriön avulla
(soveltuu vain yksikonemalliin)
Tilanne:
Generaattori toimii teholla P0, kun sen syöttöjohdossa tapahtuu ohimenevä
oikosulku.
Johto palautuu käyttöön, kun katkaisijat kytkevät johdon takaisin verkkoon.
Millä hetkellä takaisinkytkentä on tehtävä, jotta generaattori säilyttää
tahtikäyttönsä?
P’
Oletuksia:
Pm=P0
Pm
Pe
vakio
E 'U
sin '
X'
’
’0
’kr
’max 180°
Lappeenranta University of Technology
11
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Dynaaminen stabiilius
(Pm – Pe) d
kuvaa
kiihdyttävää pinta-alaa, kun Pm > Pe
jarruttavaa pinta-alaa, kun Pe > Pm
Pinta-alojen oltava vähintään yhtä suuria tai jarruttavan pinta-alan
oltava suurempi ts. takaisinkytkennän on tapahduttava ennen kuin
napapyörä saavuttaa tehokulman kr’.
Kriittinen napakulma saavutetaan ajassa tkr.
t kr
(
kr
o)
2 J
Pm
Lappeenranta University of Technology
12
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Dynaaminen stabiilius
Esimerkki:
Uv
P
Q
x
xd’
= 1,0
= 1,0
=0
= 0,15
= 0,25
J
= 0,05 s2
E’ , xd’
P
x
~
U
Ohimenevä vika
(vaatii katkaisijan aukaisemisen)
Laske tehokulman kr’ arvo, jolla katkaisijan on pikajälleenkytkennän jälkeen
sulkeuduttava, jotta siirtotilanne säilyisi stabiilina.
E’ = U + j(x + xd’)I = 1,0 + j(0,4·1) = 1,08 V
E’ = 1,08 V ;
0’
21,8°
= 21,8°
UE '
sin ' 2,69 sin '
x xd
P'
’0
Lappeenranta University of Technology
’kr
’max
13
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Dynaaminen stabiilius - Esimerkki
'kr
'max
Pm d
PS
'0
'kr
'kr
määrätty
integraali
Pm d
'max
1,0
'
'0
2,69 cos '
'kr
'
'0
'max
'kr 0,38 2,50 2,69 cos 'kr 2,76
cos 'kr
'kr
t kr
0,38 rad
0,38 rad 2,76 rad
'kr
0.12
2,69
92,5
(92.5 21.8)
2 0.05
0.35s
180
1
Lappeenranta University of Technology
14
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Riippuvuudet P,
ja Q, U verkossa
Siirtoverkossa tavallisesti on pieni ja R << X
Tehokulmayhtälö:
U1U 2
U12 U1U 2
P
sin
Q
cos
X
X
X
P U1U 2
cos
1
cos
X
Pätöteho on voimakkaasti kulmasta (taajuudesta)riippuvainen.
P
U1
U2
sin
X
Q
U1U 2
sin
X
sin
Q
U1
0
2U1 U 2
cos
X
X
Loisteho on voimakkaasti jännitteestä riippuvainen.
Lappeenranta University of Technology
15
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Taajuuden ja jännitteen säätö
Taajuus
– pätötehotasapaino määrää taajuuden ts. taajuussäätö voidaan
toteuttaa pätötehotasapainon avulla
– taajuus on kaikkialla verkossa sama
Jännite
– verkon jännitteet riippuvat voimakkaasti loistehosta ts.
jännitteensäätöä voidaan toteuttaa loistehotasapainoon
vaikuttamalla
– jännite on paikallinen suure ts. verkon jokaisen solmun jännite
on yksilöllinen
Lappeenranta University of Technology
16
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Taajuuden säätö
Taajuussäätö toteutetaan tehotasapainon eli tuotannon säädön avulla.
Tuotannon säätö kulutusta vastaavaksi voidaan toteuttaa:
Jako ajan perusteella:
–
–
–
–
pitkäaikaissäätö
viikkosäätö
vuorokausisäätö
hetkellinen säätö
Jako toteutustavan perusteella:
– ohjelma-ajo
– (käsisäätö)
– automaattinen säätö
Säätökriteerit:
– ajo-ohjeet
– verkon taajuus
– yhdysjohtojen tehonsiirto
Lappeenranta University of Technology
17
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Taajuuden vaihtelu ja säätö
Kuormitusmuutokset aiheuttavat taajuuden vaihtelua
f
T
t
fp
2
Ilman säätöäkin löytyy uusi tasapainotilanne,
sillä taajuuden laskiessa myös kuormat
pienentyvät
1
Pk
Kv
Verkon taajuus kuormitusmuutoksen jälkeen
1. ilman säätöä, 2. normaali säätö.
Taajuus pyritään pitämään mahdollisimman hyvin nimellisarvossaan,
poikkeamat 0,1 Hz,
joka vastaa 0,2 % poikkeamaa
Synkroniaika, sallittu aikapoikkeama max 10 s
t
t t0
dt
f0
3600
t
0
0,1
dt
50
7,2 s
(tunnissa syntyvä aikavirhe, jos
taajuus-poikkeama on 0,1 Hz)
Lappeenranta University of Technology
18
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Taajuuden säätö
Taajuuden (tehon) säätö Suomessa osana Nordel-järjestelmää
Suomi pyrkii osaltaan tehotasapainoon kaupalliset sopimukset (myynti/osto
Ruotsista) huomioon ottaen
Tehotasapainoa seurataan rajajohtojen tehojen mittauksella
Rajajohtojen tehon poiketessa asetusarvosta Suomen tehoa säädetään
joko tuntitasolla (energiavirhe) tai hetkellisesti (tehovirhe). Säätö tehdään
pääasiassa Kemi- ja Oulujoen vesivoimalaitoksilla
Ruotsi huolehtii tarkasta taajuussäädöstä
Suomella on kyky toimia myös omana itsenäisenä saarekkeena, tällöin
hoidamme itse myös taajuussäädön
Lappeenranta University of Technology
19
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Verkon jännitteensäätö
Jännite on paikallinen suure ja sitä säädetään paikallisesti
Siirtojohdon loistehotase
-
Jännitteiden Uv1 ja Uv2 ylläpitämiseksi on
johdolle syötettävä loistehot
P
Uv1
2
1
Q1
U
X
U1U 2
cos
X
Qh
Q1 Q2 Qc
Q2
U 22
X
QC
Y 2
U1 U 22
2
U1U 2
cos
X
Q1
QC1
Y
2
X
Q2
P
QC2
Uv2
Y
2
QC1 QC 2
Johdon loistehontarve on, jos oletetaan Uv1=Uv2=Uv
Qh
2
U2
1 cos
X
YU 2
(Tämä on siis johdon kuluttama/tuottama loisteho)
Lappeenranta University of Technology
20
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Verkon jännitteensäätö
Kun
Kun
on pieni Qh < 0
on suuri Qh > 0
2
Qh= 0, kun 2 U 1 cos
X
cos
Pl
l
1
U2
sin
X
XY
2
l
l
U2
X
l
sin
YU
l
2
Kun
on pieni
2
1
2
cos
XY
Pl
U2
X
Y
Pl on ns. luonnollinen teho, tällöin johto kompensoi itsensä
U
20kV
110kV
400kV
Pl avojohto
1,0 MW
30 MW
500 MW
kaapeli
10 MW
300 MW
Lappeenranta University of Technology
21
BL20A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi
Jännitteensäädön toteutus
1) Generaattorin magnetoinnin säätö:
– napajännitteen säätö
2) Loistehon kompensointi
– tahtimoottorit
– synkronikompensaattorit
– kondensaattorit
– reaktorit
P
X
~
Y/2
P
~
Y/2
Y/2
X
X
Y/2
C
3) Muuntajien käämikytkimet
Lappeenranta University of Technology
22