Математическое моделирование (ММ) играет важную роль в современном мире, находя применение в различных отраслях науки и техники: от медицины до электроэнергетики. Эффективность применения ММ во многом зависит от точности расчётов и программного комплекса, их осуществляющего.

Существует множество различных программных комплексов для ММ. Они могут быть предназначены как для специфических профессиональных расчётов, так и для более общих. К последнему виду относится ПО REPEAT, позволяющее моделировать как электрические, так и механические, и тепловые процессы.

Целью данной работы является оценка возможностей ПО REPEAT в области моделирования электромеханических переходных процессов.

Вводная информация для создания модели

Для оценки возможностей ПО REPEAT в области моделирования электромеханических переходных процессов была реализована модель энергосистемы, включающей в себя тепловую (ТЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС), линии электропередач (ЛЭП), силовые трансформаторы (СТ), а также статическую активную и динамическую двигательную нагрузки (САН и ДДН).

Рисунок 1. Структурная схема моделируемой системы

В данном исследовании рассматривается переходный процесс (ПП) при изменении величины САН от 100 МВт до 150 МВт. Структурная схема модели приведена на Рисунке 1. Данная модель, собранная в ПО REPEAT, представлена в Приложении 1.

Расчеты и создание модели

В ПО REPEAT электрогенераторы моделируются посредством блока «Управляемый генератор», выходным сигналом которого является синусоида напряжения, а её параметры – амплитуда, частота и фаза – являются управляемыми, их изменение возможно посредством подачи соответствующего сигнала на вход модели генератора. Таким образом, возможно применение моделей системы автоматического регулирования возбуждения (АРВ) для управления амплитудой напряжения, а также моделей тепловой и гидравлической турбин, включающих в себя системы автоматического регулирования частоты вращения. В рамках данной работы амплитуды напряжений генераторов были приняты неизменными, рассматривались только модели эквивалентных турбин ТЭС и ГЭС.

Структурные схемы моделей турбин ТЭС и ГЭС приведены на Рисунке 2.

Рисунок 2. Структурные схемы моделей турбин ТЭС и ГЭС

Параметры данных моделей приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Параметры моделей турбин

Линии электропередач (ЛЭП) в ПО REPEAT моделируются в упрощённом виде, без учёта ёмкостных проводимостей [Идельчик В.И., с.57], через активное и реактивное сопротивление ЛЭП.

СТ в ПО REPEAT также моделируются в упрощённом виде, без учёта процессов в магнитопроводе – через активное и реактивное сопротивление приведённой обмотки [1, с. 62].

Маркировка выбранного электрооборудования приведена на Рисунке 1, справочные данные были взяты из [2, с. 88] – ЛЭП, [2, с. 248-249] – СТ, [3, c. 201] – асинхронные электродвигатели.

Рисунок 3. Кривая изменения частоты

ПП в системе вызывается посредством изменения САН от 100 МВт до 150 МВт через 7 с после начала моделирования. Кривая изменения частоты приведена на Рисунке 3.

Данную кривую возможно разделить на два участка: пусковой (0-3 с) и участок наброса САН (7-10 с). На каждом из этих участков системы АРЧВ выполняют свою функцию и приводят частоту к установившемуся значению.

Важными являются переходные процессы, происходящие в ДДН. На Рисунке 4 и Рисунке 5 приведены кривые угловой скорости ротора одного из двигателей и напряжения в узле подключения ДДН. Стоит отметить, что угловая скорость приведена в относительных единицах от скорости вращения магнитного поля.

Рисунок 4. Угловая скорость ротора одного из двигателей

Рисунок 5. Напряжение в узле подключения ДДН

Исходя из Рисунка 4, двигатели успешно запустились, а изменения САН незначительно увеличили скольжение, замедлив ротор. Столь небольшое влияние объясняется массивностью ротора, момент инерции которого составляет 135 . Напряжение в узле подключения ДДН возрастало по мере запуска двигателей, и незначительно снизилось при набросе САН.

Исследуемая модель позволяет также рассмотреть перетоки мощности через ЛЭП. Номер, присвоенный каждой линии, обозначен на Рисунке 1. Кривые потоков активной и реактивной мощностей каждой линии приведены на Рисунках 6-13.

Рисунок 6. Поток активной мощности через линию 42

Рисунок 7. Поток реактивной мощности через линию 42

Рисунок 8. Поток активной мощности через линию 52

Рисунок 9. Поток реактивной мощности через линию 52

Рисунок 10. Поток активной мощности через линию 58

Рисунок 11. Поток реактивной мощности через линию 58

Рисунок 12. Поток активной мощности через линию 76

Рисунок 13. Поток реактивной мощности через линию 76

Перетоки через линию питания нагрузки 52 закономерно высоки во время запуска ДДН и снижаются по мере того, как характеристики ДДН выходят на установившиеся участки. Изменение активной нагрузки в системе вызывает закономерное изменение потребляемой ДДН активной мощности и незначительно – реактивной. Однако данный ПП довольно быстро затухает – по мере действия систем АРЧВ.

Важно отметить, что практически вся питающая активная мощность протекает через линии 58 и 42. В то же время, рассматриваемая система избыточна по реактивной мощности, вследствие чего её переток через линию 42 отрицателен – она отдаётся во внешнюю систему. Это обусловлено отсутствием допущением исследуемой модели – постоянной величиной напряжения генераторов – вследствие чего отсутствует регулирование реактивной мощности.

Результаты моделирования

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о возможности применения ПО REPEAT для моделирования электромеханических переходных процессов.

В рамках представленной работы было осуществлено исследование электромеханического ПП в энергосистеме со смешанной генерацией и комбинированной нагрузкой в ПО REPEAT. Полученные результаты обладают достаточной достоверностью: системы первичного регулирования частоты выполняют надлежащие функции, распределение перетоков мощности по системе логически объяснимо, четко прослеживается влияние изменения статической нагрузки на нагрузку динамическую.

Таким образом, можно сделать вывод о применимости ПО REPEAT в области моделирования реальных электромеханических переходных процессов в энергетика, при расчете режимов в электрических сетях.

Список литературы

1. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 592 с.: ил.

2. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2012. – 376 с.: ил.

3. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.: ил.

Приложение 1.

Модель исследуемой системы, собранная в ПО REPEAT