Skip to content

Zadatak 11

Dinamička stabilnost, vod kao četvorokrajnik: rešen zadatak

Zadatak i rešenje: prof. dr Andrija T. Sarić

Analiza elektroenergetskih sistema, TF Čačak

Zadatak

11. Za EES sistem prikazan na slici proveriti dinamičku stabilnost generatora za slučaj trofaznog kratkog spoja na početku jednog od dva voda i vremenom isključenja voda u kvaru tit_i = 0,20 s. Pretpostaviti da je šema idealizovana, a vod tretirati preko raspodeljenih parametara. Radne veličine zadate su na sabirnicama C.

GT1Alv = 200 kmZceBT2Cjaka mrežaPC = 0,8·ΣPnatcos φC = 0,9indSGn = ST1n = 1,2·ΣPnatmT1 = UGn/1,05·Uvn kV/kVxdG = 30 %xT1 = 12 %H = 8 sST2n = 1,08·ΣPnatmT2 = Uvn/UMnxT2 = 12 %UC = UMn

Poznato

  • SGn/∑Pnat=ST1n/∑Pnat=1,2S_{Gn}/\sum P_{nat} = S_{T1n}/\sum P_{nat} = 1{,}2
  • UT1n/Uvn=1,05U_{T1n}/U_{vn} = 1{,}05
  • xdG=30x_{dG} = 30%
  • xT1=12x_{T1} = 12%
  • H=8H = 8s
  • lv=200l_v = 200km
  • ST2n/∑Pnat=1,08S_{T2n}/\sum P_{nat} = 1{,}08
  • xT2=12x_{T2} = 12%
  • PC/∑Pnat=0,8P_C/\sum P_{nat} = 0{,}8
  • cos⁡φC=0,9\cos\varphi_C = 0{,}9ind.
  • ti=0,2t_i = 0{,}2s

Rešenje

Jednopolna šema sistema je:

Jednopolna šema: elektromotorna sila E′_Gf, reaktansa jX′_(dG+T1) do tačke A, vod sa raspodeljenim parametrima Z_ce, λ do tačke B, reaktansa jX_T2 do tačke C sa naponom V_C.

U zamenskoj šemi generator je predstavljen tranzijentnom reaktansom XdG′X'_{dG} i elektromotornom silom E‾G′\ph{E}'_G iza tranzijentne reaktanse. Dva identična paralelna voda prikazana su preko ekvivalentne karakteristične impedanse Zce=Zc/2Z_{ce} = Z_c/2 (ZcZ_c je karakteristična impedansa voda). Jaka mreža je zamenjena konstantnim naponom UcU_c.

Ako se elementi predstave preko odgovarajućih četvorokrajnika dobija se:

Ista šema sa vodom kao četvorokrajnikom A_v, B_v, C_v, D_v između reaktansi jX′_(dG+T1) i jX_T2, i ispod nje cela šema kao jedan ekvivalentni četvorokrajnik A_e, B_e, C_e, D_e između E′_Gf i napona V_C.

Kada se srede ovi četvorokrajnici dobija se

[A‾eB‾eC‾eD‾e]=[1jX(dG+T1)′01][cos⁡λjZce⋅sin⁡λj1Zcesin⁡λcos⁡λ][1jXT201].\begin{bmatrix} \ph{A}_e & \ph{B}_e \\ \ph{C}_e & \ph{D}_e \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & \mathrm{j}X'_{(dG+T1)} \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \cos\lambda & \mathrm{j}Z_{ce} \cdot \sin\lambda \\ \mathrm{j}\dfrac{1}{Z_{ce}}\sin\lambda & \cos\lambda \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & \mathrm{j}X_{T2} \\ 0 & 1 \end{bmatrix}.

Posle ovih množenja dobija se:

A‾e=cos⁡λ−X(dG+T1)′Zcesin⁡λ;B‾e=j[XT2⋅cos⁡λ−XT2ZceX(dG+T1)′⋅sin⁡λ+Zce⋅sin⁡λ+X(dG+T)′⋅cos⁡λ];C‾e=j1Zcesin⁡λ;D‾e=cos⁡λ−XT2Zcesin⁡λ.\begin{aligned} \ph{A}_e &= \cos\lambda - \frac{X'_{(dG+T1)}}{Z_{ce}}\sin\lambda; \\ \ph{B}_e &= \mathrm{j}\left[X_{T2} \cdot \cos\lambda - \frac{X_{T2}}{Z_{ce}}X'_{(dG+T1)} \cdot \sin\lambda + Z_{ce} \cdot \sin\lambda + X'_{(dG+T)} \cdot \cos\lambda\right]; \\ \ph{C}_e &= \mathrm{j}\frac{1}{Z_{ce}}\sin\lambda; \\ \ph{D}_e &= \cos\lambda - \frac{X_{T2}}{Z_{ce}}\sin\lambda. \end{aligned}

Parametri zamenske šeme su:

X(dG+T1)′=xdG′+xT1(%)100⋅UGn2SGn⋅(1,05Uvn)2UGn2=0,421,2∑Pnat⋅(1,05Uvn)2=0,3859Uvn2∑Pnat;XT2=xT2(%)100⋅UT2n2ST2n=0,111Uvn2∑Pnat.\begin{aligned} X'_{(dG+T1)} &= \frac{x'_{dG} + x_{T1}(\%)}{100} \cdot \frac{U_{Gn}^2}{S_{Gn}} \cdot \frac{\left(1{,}05U_{vn}\right)^2}{U_{Gn}^2} \\ &= \frac{0{,}42}{1{,}2\sum P_{nat}} \cdot \left(1{,}05U_{vn}\right)^2 = 0{,}3859\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}; \\ X_{T2} &= \frac{x_{T2}(\%)}{100} \cdot \frac{U_{T2n}^2}{S_{T2n}} = 0{,}111\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}. \end{aligned}

Radne veličine koje odgovaraju zadatom radnom stanju sistema na sabirnicama C su:

P=0,8∑Pnat;Q=P tgφ=0,8∑Pnat1−cos⁡2φcos⁡φ=0,8∑Pnat⋅0,484=0,3872∑Pnat.\begin{gathered} P = 0{,}8\sum P_{nat}; \\ Q = P\,\mathrm{tg}\varphi = 0{,}8\sum P_{nat}\frac{\sqrt{1 - \cos^2\varphi}}{\cos\varphi} = 0{,}8\sum P_{nat} \cdot 0{,}484 = 0{,}3872\sum P_{nat}. \end{gathered}

U prethodnim izrazima ∑Pnat\sum P_{nat} je prirodna snaga dva paralelna voda.

Ugao između elektromotorne sile E‾G′\ph{E}'_G i napona U‾C\ph{U}_C, koji je označen sa θ0\theta_0, ako se napon U‾C\ph{U}_C stavi u referentnu osu (U‾C=UC/0∘‾=UMnUvnUMn/0∘‾=Uvn/0∘‾\ph{U}_C = U_C\underline{/0^\circ} = U_{Mn}\frac{U_{vn}}{U_{Mn}}\underline{/0^\circ} = U_{vn}\underline{/0^\circ}). Tada je fazni stav elektromotorne sile generatora E‾G′=EG′/θ0‾\ph{E}'_G = E'_G\underline{/\theta_0}.

Ova promenljiva može se naći iz prve jednačine koja važi za četvorokrajnik sa prethodne slike:

E‾Gf′=A‾eV‾C+B‾eI‾,\ph{E}'_{Gf} = \ph{A}_e\ph{V}_C + \ph{B}_e\ph{I},

gde su:

A‾e=cos⁡λ−X(dG+T)′Zcesin⁡λ=cos⁡(12∘)−0,3859Uvn2∑Pnat∑Pnat⋅Uvn2sin⁡(12∘)=0,89815;λ=0,06⋅200=12∘;Zce=Uvn2∑Pnat;\begin{aligned} \ph{A}_e &= \cos\lambda - \frac{X'_{(dG+T)}}{Z_{ce}}\sin\lambda \\ &= \cos(12^\circ) - \frac{0{,}3859U_{vn}^2\sum P_{nat}}{\sum P_{nat} \cdot U_{vn}^2}\sin(12^\circ) = 0{,}89815; \\ \lambda &= 0{,}06 \cdot 200 = 12^\circ; \\ Z_{ce} &= \dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}; \end{aligned}
B‾e=j[XT2⋅cos⁡λ−XT2ZceX(dG+T)′⋅sin⁡λ+Zce⋅sin⁡λ+X(dG+T)′⋅cos⁡λ]=j⋅cos⁡λ[XT2+X(dG+T)′(1−XT2Zcetgλ)+Zce⋅tgλ]=j⋅cos⁡(12∘)[0,3859Uvn2∑Pnat(1−0,111Uvn2∑PnatUvn2∑Pnattg(12∘))+Uvn2∑Pnattg(12∘)+0,111Uvn2∑Pnat]=j⋅0,684Uvn2∑Pnat\begin{aligned} \ph{B}_e &= \mathrm{j}\left[X_{T2} \cdot \cos\lambda - \frac{X_{T2}}{Z_{ce}}X'_{(dG+T)} \cdot \sin\lambda + Z_{ce} \cdot \sin\lambda + X'_{(dG+T)} \cdot \cos\lambda\right] \\ &= \mathrm{j} \cdot \cos\lambda\left[X_{T2} + X'_{(dG+T)}\left(1 - \frac{X_{T2}}{Z_{ce}}\mathrm{tg}\lambda\right) + Z_{ce} \cdot \mathrm{tg}\lambda\right] \\ &= \mathrm{j} \cdot \cos(12^\circ)\left[0{,}3859\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\left(1 - \frac{0{,}111\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}{\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}\mathrm{tg}(12^\circ)\right) + \dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\mathrm{tg}(12^\circ) + 0{,}111\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\right] \\ &= \mathrm{j} \cdot 0{,}684\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}} \end{aligned}

Struja I‾\ph{I} u jednačini četvorokrajnika je:

I‾=S‾∗V‾C∗=Se−jφVvn=Pcos⁡φVvne−jφ=0,8∑Pnatcos⁡φ⋅Vvne−jφ=0,889∑PnatVvne−j25,84∘,\begin{aligned} \ph{I} &= \frac{\ph{S}^*}{\ph{V}_C^*} = \frac{Se^{-\mathrm{j}\varphi}}{V_{vn}} = \frac{\dfrac{P}{\cos\varphi}}{V_{vn}}e^{-\mathrm{j}\varphi} = \frac{0{,}8\sum P_{nat}}{\cos\varphi \cdot V_{vn}}e^{-\mathrm{j}\varphi} \\ &= 0{,}889\frac{\sum P_{nat}}{V_{vn}}e^{-\mathrm{j}25{,}84^\circ}, \end{aligned}

Kada se ova struja zameni u izraz E‾G′\ph{E}'_G dobija se:

E‾G′=0,89815⋅Uvn+j0,684Uvn2∑Pnat⋅0,889∑PnatUvne−j25,84∘=1,2853⋅Uvn⋅ej25∘12′\begin{aligned} \ph{E}'_G &= 0{,}89815 \cdot U_{vn} + \mathrm{j}0{,}684\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}} \cdot 0{,}889\frac{\sum P_{nat}}{U_{vn}}e^{-\mathrm{j}25{,}84^\circ} \\ &= 1{,}2853 \cdot U_{vn} \cdot e^{\mathrm{j}25^\circ12'} \end{aligned}

To znači da je δ1=25∘12′\delta_1 = 25^\circ12'.

Kontrola ovog rezultata vrši se preko dinamičke karakteristike ustaljenog stanja sa koje se ugao δ1\delta_1 ima u tački u kojoj je električna odata snaga jednaka mehaničkoj snazi (pošto su gubici zanemareni):

EG′UCB‾esin⁡δ1=Pm=0,8∑Pnat,\frac{E'_GU_C}{\ph{B}_e}\sin\delta_1 = P_m = 0{,}8\sum P_{nat},

odakle je

sin⁡δ1=0,8∑Pnat⋅B‾eEG′UC.\sin\delta_1 = \frac{0{,}8\sum P_{nat} \cdot \ph{B}_e}{E'_GU_C}.

Dinamička karakteristika za vreme kvara je P(k)=0P^{(k)} = 0, pošto se radi o tropolnom kratkom spoju.

Dinamička karakteristika posle isključenja voda u kvaru nalazi se preko koeficijenta ekvivalentnog četvorokrajnika B‾ei\ph{B}_{ei}, gde indeks ii označava da je jedan od dva voda isključen (Zce→ZcZ_{ce} \to Z_c, odnosno Zc=2Zce=2Uvn2∑PnatZ_c = 2Z_{ce} = 2\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}).

To znači da je:

B‾ei=j⋅cos⁡λ[XT2+X(dG+T)′(1−XT2Zctgλ)+Zc⋅tgλ]=j⋅cos⁡(12∘)[0,3859Uvn2∑Pnat(1−0,111Uvn2∑Pnat2Uvn2∑Pnattg(12∘))+2Uvn2∑Pnattg(12∘)+0,111Uvn2∑Pnat]=j⋅0,896Uvn2∑Pnat\begin{aligned} \ph{B}_{ei} &= \mathrm{j} \cdot \cos\lambda\left[X_{T2} + X'_{(dG+T)}\left(1 - \frac{X_{T2}}{Z_c}\mathrm{tg}\lambda\right) + Z_c \cdot \mathrm{tg}\lambda\right] \\ &= \mathrm{j} \cdot \cos(12^\circ)\left[0{,}3859\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\left(1 - \frac{0{,}111\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}{2\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}\mathrm{tg}(12^\circ)\right) + 2\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\mathrm{tg}(12^\circ) + 0{,}111\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}\right] \\ &= \mathrm{j} \cdot 0{,}896\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}} \end{aligned}

Dinamička karakteristika snaga-ugao u normalnom radnom režimu (pre kvara) je:

P1=EG′UCB‾esin⁡δ=1,2853⋅Uvn20,684Uvn2∑Pnatsin⁡δ=1,9⋅∑Pnat⋅sin⁡δ.\begin{aligned} P_1 &= \frac{E'_GU_C}{\ph{B}_e}\sin\delta = \frac{1{,}2853 \cdot U_{vn}^2}{0{,}684\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}\sin\delta \\ &= 1{,}9 \cdot \sum P_{nat} \cdot \sin\delta. \end{aligned}

Dinamička karakteristika za vreme kvara je:

P(k)=0.P^{(k)} = 0.

Dinamička karakteristika posle kvara je:

P2=EG′UCB‾eisin⁡δ=1,2853⋅Uvn20,896Uvn2∑Pnatsin⁡δ=1,434⋅∑Pnat⋅sin⁡δ.\begin{aligned} P_2 &= \frac{E'_GU_C}{\ph{B}_{ei}}\sin\delta = \frac{1{,}2853 \cdot U_{vn}^2}{0{,}896\dfrac{U_{vn}^2}{\sum P_{nat}}}\sin\delta \\ &= 1{,}434 \cdot \sum P_{nat} \cdot \sin\delta. \end{aligned}

Ilustracija ovih krivih snaga-ugao je:

Krive snaga-ugao P1 = 1,9·ΣP_nat·sin δ pre kvara i niža P2 = 1,434·ΣP_nat·sin δ posle isključenja voda, prava P_m = 0,8·ΣP_nat i P^(k) = 0 za vreme kvara: osenčena površina ubrzanja ispod P_m od δ1 do δ_is i osenčena površina kočenja između P2 i P_m od δ_is do δ^gr.

Sa slike je:

sin⁡δ2=0,8⋅∑Pnat1,434⋅∑Pnat=0,5577(δ2=33∘54′ i δgr=180∘−δ2=146∘06′).\begin{gathered} \sin\delta_2 = \frac{0{,}8 \cdot \sum P_{nat}}{1{,}434 \cdot \sum P_{nat}} = 0{,}5577 \\ \left(\delta_2 = 33^\circ54' \text{ i } \delta^{gr} = 180^\circ - \delta_2 = 146^\circ06'\right). \end{gathered}

Iz jednakosti površina je:

cos⁡δis=Pm(δgr−δ1)+P2Mcos⁡δgrP2M=0,8∑Pnat(δgr−δ1)+1,434∑Pnat⋅cos⁡δgr1,434∑Pnat=0,8(146,10−25,2)3,14180+1,434⋅cos⁡(146,10)1,434=0,347,\begin{aligned} \cos\delta_{is} &= \frac{P_m(\delta^{gr} - \delta_1) + P_{2M}\cos\delta^{gr}}{P_{2M}} \\ &= \frac{0{,}8\sum P_{nat}(\delta^{gr} - \delta_1) + 1{,}434\sum P_{nat} \cdot \cos\delta^{gr}}{1{,}434\sum P_{nat}} \\ &= \frac{0{,}8(146{,}10 - 25{,}2)\dfrac{3{,}14}{180} + 1{,}434 \cdot \cos(146{,}10)}{1{,}434} \\ &= 0{,}347, \end{aligned}

pa je δis=69,72∘\delta_{is} = 69{,}72^\circ.

Kritično vreme isključenja kvara je

tis=2H(δis−δ1)πf0PmSGn=4H(δis−δ1)ωsPmSGn=0,345 s.t_{is} = \sqrt{\frac{2H(\delta_{is} - \delta_1)}{\pi f_0\dfrac{P_m}{S_{Gn}}}} = \sqrt{\frac{4H(\delta_{is} - \delta_1)}{\omega_s\dfrac{P_m}{S_{Gn}}}} = 0{,}345\ \text{s}.

Pošto se tropolni kratak spoj isključuje posle 0,20 s, generator je stabilan.

Rezultat

δis=69,72∘\delta_{is} = 69{,}72^\circ, tis=0,345t_{is} = 0{,}345 s >ti=0,20> t_i = 0{,}20 s: generator je dinamički stabilan.

Metod u predavanju

Slični zadaci

Teme

Stabilnost · Vodovi i kablovi