Analiza prijelazne stabilnosti generatora industrijskog postrojenja

Dalibor Sipl Energetika

Belie d.d. Trg Ante Starevia 1, Belie, Hrvatska

Telefon: 031-516 231 Fax: 031-516 279 E-mail: dalibor.sipl@belisce.hr

Saetak - Elektroenergetski sustav je kontinuirano izloen

raznim vrstama poremeaja (promjene optereenja, kvarovi,

ispadi proizvodnih jedinica i ostalih elemenata sustava).

Poremeaji po svojoj prirodi pripadaju stohastikim

dogaajima. Upravo je sposobnost sustava da odri stabilnost

prilikom pojave poremeaja od vrlo bitnog znaaja za

cjelokupan rad elektroenergetskog sustava. U radu se daje

pregled stabilnosti, sa posebnim naglaskom na prijelaznu

stabilnost kao jednu od kategorija stabilnosti. Na primjeru

industrijske mree elektroenergetskog sustava Belia d.d.

promatran je utjecaj vrste uzbudnog sustava na prijelaznu

stabilnost sustava. U sustavu promatrane mree su

instalirana dva turbogeneratora sa razliitim sustavima

uzbude (beskontaktni uzbudni sustav generatora G2, statiki

sustav uzbude generatora G3). Generatori omoguuju rad

sustava u otonom ili paralelnom radu sa mreom.

Simulacijom je pokazano da je za analizirani sustav i

analizirana pogonska stanja povoljniji sustav uzbude

generatora G3 sa aspekta prijelazne stabilnosti.

Kljune rijei: stabilnost elektroenergetskog sustava,

prijelazna stabilnost elektroenergetskog sustava, uzbudni

sustavi generatora, industrijska elektrana

I. UVOD U PROBLEMATIKU STABILNOSTI ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA

Stabilnost elektroenergetskog sustava (EES-a) se moe openito definirati kao sposobnost sustava koje omoguava zadravanje ravnotenog pogonskog stanja u normalnim pogonskim uvjetima, te postizanje zadovoljavajueg ravnotenog stanja nakon pojave poremeaja. Nestabilnost u EES-u se moe manifestirati na vie razliitih naina, ovisno o konfiguraciji sustava i pogonskom stanju. Budui da su sinkroni strojevi uglavnom jedini izvori elektrine energije u sustavu, nuan uvjet zadovoljavajueg rada predstavlja zadravanje sinkronizma svih sinkronih strojeva ili kolokvijalno reeno zadravanje istih u koraku. Na ovaj aspekt stabilnosti najvie utjee dinamika kuta rotora generatora i odnos izmeu djelatne snage i kuta rotora. Meutim, nestabilnost sustava ne mora uvijek biti povezana sa gubljenjem sinkronizma, npr. u sustavu koji se sastoji od sinkronog generatora koji preko prijenosnog voda napaja elektromotorni pogon moe doi do nestabilnosti zbog sloma napona. U ovom sluaju odranje sinkronizma nije sporno, problem predstavlja stabilnost i reguliranje napona.

Poremeaji mogu biti mali ili veliki. Mali poremeaji poput promjene optereenja se dogaaju kontinuirano i sustav se prilagoava prema uvjetima nakon promjene.

Sustav treba biti u zadovoljavajuim uvjetima pogona pri tim poremeajima te uspjeno napajati najvei dio optereenja. Takoer, sustav treba izdrati i brojne druge poremeaje znatno ozbiljnije prirode poput kratkih spojeva na prijenosnim vodovima, ispad velikog generatora ili tereta, ili ispad konektivnog voda izmeu dva podsustava.

Odziv sustava na poremeaj ukljuuje veliki broj elemenata. Primjerice, kratki spoj na kritinom elementu, koji biva izoliran iz mree djelovanjem zatitnih releja, izazvati e promjene tokova snaga, brzine rotora strojeva i napona vorita. Promjene napona e uzrokovati djelovanje regulatora proizvodnje i mrenih naponskih regulatora, dok e promjene brzina vrtnje rotora generatora uzrokovati djelovanje turbinskih regulatora brzine vrtnje. Promjene napona i frekvencije djeluju na potroae ovisno o njihovim naponsko-frekventnim karakteristikama. Djelovanje ureaja za zatitu pojedinih elemenata mree moe izazvati takve promjene varijabli sustava koje u konanici mogu dovesti sustav u podruje nestabilnog rada. [1, 2]

II. KLASIFIKACIJA STABILNOSTI ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA

Stabilnost EES-a predstavlja jedinstven problem koji je vrlo nepraktino analizirati kao cjelinu. Nestabilnost moe poprimiti razliite oblike i biti predmetom utjecaja velikog broja razliitih faktora. Odgovarajuom klasifikacijom stabilnosti uvelike se olakava: analiziranje problema stabilnosti, prepoznavanje kljunih faktora koji doprinose nestabilnosti te stvaranje metoda za poboljanje stabilnog pogona. U osnovi, stabilnost je mogue klasificirati obzirom na:

fiziku prirodu rezultirajue nestabilnosti;

veliinu poremeaja koji uzrokuje nestabilnosti;

ureaje, procese i vremenski raspon razmatranja prijelazne pojave;

najprikladnije metode prorauna i predvianja stabilnosti.

Klasifikacija je iz praktinih razloga zasnovana na veem broju razliitih razmatranja tako da se na prvi pogled tee razlikuje potpuna odvojenost razliitih kategorija. Zbog toga je oteano i postavljanje jasnih definicija koje bi zadovoljile rigorozne matematike postavke i istovremeno bile prihvatljive za praktinu primjenu. Stabilnost se u osnovi moe podijeliti na kutnu i naponsku stabilnost (slika 1). Takoer su uvedene kategorije srednjetrajne i dugotrajne stabilnosti. [1, 2]

- P-V i Q-V krivulje

- granina stabilnost, rezerva

jalove snage

- veliki poremeaji

- sklopne operacije

- dinamika reg. preklopki, tereta

- koordinacija zatite i upravljanja

- jednolika frekvencija sustava

- spora dinamika

- period promatranja od

nekoliko desetaka minuta

- ozbiljniji poremeaji; velika odstupanja napona i frekvencije- brza i spora dinamika

- period promatranja

do nekoliko minuta

- veliki poremeaji

- aperiodiki otklon prvog njihaja

- period promatranja do 10 s

Stabilnost elektroenergetskog sustava

- sposobnost zadravanja ravnotee pogona

- ravnotea izmeu protusila

Kutna

stabilnost

Naponska

stabilnost

Prijelazna

stabilnost

Naponska stabilnost

pri velikim

poremeajima

Srednjetrajna

stabilnost

Dugotrajna

stabilnost

Stabilnost pri

malim

poremeajima

Neoscilatorna

nestabilnost

- nedostatan sinkronizirajui moment

Oscilatorna

nestabilnost

Lokalni

modovi

Meupodruni

modovi

Upravljaki

modoviTorzijski modovi

- sposobnost odravanja

sinkronizma

- ravnotea momenata

sinkronih strojeva

- sposobnost odravanja

stacionarno prihvatljivog

napona

- ravnotea jalove snage

- nedostatan priguni moment

- nestabilnost upravljanja

Naponska stabilnost

pri malim

poremeajima

Sl. 1. Klasifikacija stabilnosti EES-a

A. Kutna stabilnost

Kutna stabilnost, u ovisnosti o intenzitetu poremeaja i sloenosti modela promatranog EES-a, klasificira se u dvije kategorije: stabilnost pri malim poremeajima i prijelazna stabilnost.

Kutna stabilnost pri malim poremeajima definira se kao sposobnost sustava da odri sinkronizam kada je isti izloen djelovanju malih poremeaja. Takvi poremeaji su kontinuirano prisutni u sustavu, a uzrokuju ih male promjene u potronji ili proizvodnji. Nestabilnost se moe manifestirati na dva naina:

konstantno poveanje kuta rotora uslijed manjka dovoljnog sinkronizacijskog momenta;

rotorske oscilacije rastuih amplituda uslijed manjka dovoljnog prigunog momenta.

Priroda odziva sustava ovisi o mnogo faktora ukljuujui pogonske prilike prije nego li je nastupio poremeaj, karakteristike prijenosnog sustava i vrstu regulacije uzbudnog sustava generatora.

Prijelazna stabilnost se definira kao sposobnost sustava da odri sinkronizam nakon velikog poremeaja. Rezultirajui odziv sustava karakteriziraju velike promjene kuta rotora generatora uz utjecaj izrazite nelinearne ovisnosti izmeu djelatne snage i kuta. [1, 3, 7]

B. Naponska stabilnost

Naponska stabilnost se definira kao sposobnost sustava da odri prihvatljive razine napona svih vorita u normalnim pogonskim uvjetima kao i u uvjetima nakon poremeaja. U ovisnosti o intenzitetu poremeaja i sloenosti modela promatranog EES-a naponska stabilnost se klasificira u dvije kategorije: stabilnost pri malim poremeajima i stabilnost pri velikim poremeajima. Glavni faktor koji uzrokuje ovu nestabilnost je nemogunost EES-a da odgovori zahtjevima sustava za jalovom snagom. Ova stabilnost moe, a i ne mora biti povezana sa gubitkom sinkronizma. [1, 2]

C. Srednjetrajna i dugotrajna stabilnost

Pojmovi srednjetrajne i dugotrajne stabilnosti su uvedeni zbog potrebe analiza odziva EES-a na velike poremeaje koji uzrokuju velike promjene napona, frekvencije i tokova snaga to nadalje uzrokuje sporo djelovanje procesa, upravljanja i zatita to nije modelirano u uobiajenim analizama prijelazne stabilnosti. Karakteristino vrijeme trajanja procesa i odziva ureaja izazvano velikim poremeajima se kree u rasponu od nekoliko sekundi (npr. odzivi zatite i regulacije generatora) do nekoliko minuta (npr. odzivi sustava opskrbe energijom turbina te regulatori tereta i napona).

Analiza dugotrajne stabilnosti podrazumijeva da su oscilacije sinkronizacijske snage izmeu sinkronih strojeva priguene, a frekvencija sustava jedinstvena. Fokus se ovdje stavlja na spore i dugotrajne pojave koje prate velike poremeaje, te na rezultirajue velike disbalanse izmeu proizvodnje i potronje djelatne i jalove snage. Te pojave ukljuuju: dinamiku kotlova i termo jedinica, cjevovode i dinamiku hidro jedinica, automatske regulatore proizvodnje, upravljanja i zatite elektrana i prijenosnih sustava te utjecaje odstupanja napona i frekvencije na terete i na mreu. Dugotrajna stabilnost je usmjerena na odziv sustava na velike nepredviene poremeaje koji imaju za posljedicu kaskadni raspad sustava na vie podruja sa generatorima koji su ostali u sinkronizmu u svakom od njih. U ovom se sluaju problem stabilnosti odnosi na ispitivanje da li e nastala podruja biti u stanju postii prihvatljivo ravnoteno pogonsko stanje uz minimalno odbacivanje tereta. U nekim ekstremnim sluajevima zatite proizvodnih jedinica i sustava mogu dodatno pogorati situaciju to moe dovesti do potpunog ili djelominog raspada podruja.

Analize srednjetrajne stabilnosti usmjerene su na oscilacije sinkronizacijske snage izmeu sinkronih strojeva, ukljuujui efekte nekih sporih pojava kao i mogue velike promjene napona ili frekvencije.

Tipina vremena trajanja stabilnosti:

kratkotrajna ili prijelazna stabilnost: 0 do 10 sekundi;

srednjetrajna stabilnost: 10 sekundi do nekoliko minuta;

dugotrajna stabilnost: nekoliko minuta do nekoliko desetaka minuta.

Treba meutim primijetiti da se srednjetrajna i dugotrajna stabilnost primarno meusobno razlikuju prema pojavi koja se analizira i o upotrijebljenim modelima, posebice ako se radi o brzim tranzijentima i oscilacijama izmeu sinkronih strojeva. To je bolji pristup, nego li spomenute stabilnosti razlikovati prema vremensku trajanja.

Openito se moe rei da su problemi srednjetrajne i dugotrajne stabilnosti povezani sa neadekvatnim odzivima opreme, slabom koordinacijom upravljake i zatitne opreme i nedovoljnim operativnim rezervama snage (djelatne i jalove).

Ostale primjene dugotrajne i srednjetrajne analize stabilnosti ukljuuju dinamike analize naponske stabilnosti koje zahtijevaju simulaciju efekata regulacijske preklopke transformatora, zatite generatora od prekomjerne struje uzbude te granice jalovog optereenja

generatora. Oscilacije izmeu sinkronih strojeva su najee nebitne u ovom sluaju. [1, 4]

III. PRIJELAZNA STABILNOST

A. Openito

Odziv sustava na teke prijelazne poremeaje (kvar na prijenosnoj mrei, ispad proizvodne jedinice/a ili ispad velikog tereta) je takav da dolazi do velikih promjena kuta rotora generatora, tokova snaga, napona vorita i drugih karakteristinih veliina sustava. Na stabilnost utjeu nelinearne karakteristike sustava. Ukoliko se nastala razlika izmeu kuteva strojeva u sustavu nalazi u odreenim granicama, sustav e ostati u sinkronizmu. Gubitak sinkronizma zbog prijelaznih poremeaja je obino evidentan tijekom prve dvije do tri sekunde od pojave inicijalnog poremeaja.

Uslijed djelovanja poremeaja dolazi do neravnotee izmeu elektromagnetskog i mehanikog momenta pojedinih sinkronih generatora, a rezultantni moment djeluje na rotor generatora uzrokujui njegovo ubrzavanje ili usporavanje. Ponaanje generatora u takvim prilikama opisano je jednadbom njihanja (1).

2

2

0

2m e D r

H dT T K

dt

(1)

gdje je:

H MWs MVA - konstanta inercije;

0 rad s - kutna brzina rotora;

rad - kut rotora u odnosu na referentnu os koja rotira sinkronom brzinom;

. .mT p u - mehaniki moment;

. .eT p u - elektromagnetski moment;

. . . . D p u p uK moment promjena brzine - koeficijent

priguenja;

. .r p u - promjena kutne brzine.

Na stanje sustava, nakon to je isti izloen poremeaju, uvelike utjee teina poremeaja i stanje u kojem je bio sustav prije pojave poremeaja. U sluajevima kada je sustav stabilan, nova stabilna radna toka u kojoj se sustav nalazi razlikuje se od stabilne radne toke u kojoj je sustav bio prije poremeaja.

Stabilnost sustava se ispituje jo u fazi njegovog projektiranja na karakteristian skup poremeaja (jednopolni kratki spoj sa zemljom, dvopolni kratki spoj sa zemljom ili tropolni kratki spoj, automatsko ponovno uklapanje) uz pretpostavku izoliranja kvara pomou prekidaa. Na slici 2 prikazani su primjeri odziva kuta rotora sinkronog stroja za jedan stabilni i dva nestabilna sluaja.

Sl. 2. Odziv kuta rotora generatora na poremeaj

U stabilnom sluaju (sluaj 1), kut rotora raste do maksimuma, zatim se smanjuje i oscilira smanjujui amplitudu dok ne dostigne stacionarno stanje. U sluaju nestabilnosti (sluaj 2), kut rotora se kontinuirano poveava sve dok se ne izgubi sinkronizam. Ovakav oblik nestabilnosti uzrokovan nedovoljnim sinkronizacijskim momentom esto se naziva nestabilnost prvog njihaja. U sluaju 3, sustav je stabilan u prvom njihaju, ali postaje nestabilan zbog rastuih amplituda oscilacija. Ovaj oblik nestabilnosti najee se javlja u sluaju kada je ustaljeno stanje poslije kvara samo po sebi nestabilno (kategorija nestabilnosti pri malom poremeaju) i nije nuno rezultat prijelaznih poremeaja.

U analizama prijelazne stabilnosti, vrijeme promatranja je obino ogranieno na 3 do 5 sekundi od pojave poremeaja, mada se ono moe proiriti na oko 10 sekundi za vrlo velike sustave sa dominantnim meupodrunim oscilacijama.

U velikim sustavima, prijelazna nestabilnost se ne mora uvijek pojaviti kao nestabilnost prvog njihaja, ona moe biti rezultat superponiranja nekoliko naina osciliranja koja su uzrokovana velikim promjenama kuta rotora poslije prvog njihaja.

Na prijelaznu stabilnost utjee:

optereenje generatora;

optereenje generatora tijekom kvara (ovisi o vrsti i lokaciji kvara);

vrijeme potrebno za izoliranje kvara;

reaktancija prijenosnog sustava nakon kvara;

reaktancija generatora (manja reaktancija poveava vrne vrijednosti snage i smanjuje inicijalni kut rotora);

inercija generatora (vea inercija rezultira sporijom promjenom kuta, te smanjuje kinetiku energiju tijekom kvara);

unutarnji napon generatora (ovisi o vrsti uzbudnog sustava generatora);

napon vorita krute mree.

Tone analize prijelazne stabilnosti sustava zahtijevaju detaljno modeliranje proizvodnih jedinica i ostalih elemenata kompleksne mree sustava, te naravno proraune kako bi se dobili nelinearni dinamiki odzivi sustava na velike poremeaje. Na slici 3 predstavljen je cjelokupni sustav sa onim elementima koji su bitni za

analizu prijelazne stabilnosti. Elementi su dakako predstavljene odgovarajuim modelima.

ER, EIIR, II

**

**

****

Jednadbe statora generatora

Transformacije sustava (abc, dq0)

Jednadbe rotora generatora

Jednadbe akceleracije ili njihanja

Uzbudni sustav

Regulacijski sustav

turbine

Jednadbe

prijenosnog sustava

ukljuujui i

statika optereenja

} ostali generatori

} ostala dinamika opremanpr. statiki kompenzatori

pojedini stroj

d-q referentni sustav

* algebarske jednadbe

** diferencijalne jednadbe

zajedniki R-I

referentni sustav

} motori

Sl. 3. Struktura modela cjelokupnog sustava za potrebe analiza

prijelazne stabilnosti

Sustav jednadbi moraju biti postavljeni u obliku prikladnom za primjenu numerikih metoda. Model cjelokupnog sustava sastoji se od velikog broja diferencijalnih i vrlo rijetkih algebarskih jednadbi. Analiziranje prijelazne stabilnosti provodi se uz pomo trenutno najpraktinije dostupne metode, a to je simulacija u vremenskoj domeni u kojoj se nelinearne diferencijalne jednadbe rjeavaju tehnikama numerike integracije (integriranje metodom korak po korak). Uz osnovne veliine vezane uz stabilnost sustava bitno je poznavanje i napona vorita, tokova snaga kroz vodove i podeenja zatitnih releja. [1, 2, 3]

B. Metode za poboljanje prijelazne stabilnosti sustava

U praksi se najee primjenjuje kombinacija vie metoda koje su paljivo odabiru sa ciljem najefektivnijeg odranja stabilnosti prilikom pojave razliitih poremeaja za razliita stanja sustava. [1, 4]

Primjenom metoda za poboljanje prijelazne stabilnosti nastoji se postii slijedee:

smanjiti utjecaj poremeaja na nain da se smanji teina i trajanje kvara, i/ili;

poveati sinkronizirajue snage generatora, odnosno njegove sposobnosti da radi sinkrono s mreom i ostalim generatorima u njoj za vrijeme i nakon poremeaja, i/ili;

smanjenje akceleracijskog momenta rotora nastalog zbog gubitaka, odnosno smanjenja elektrinog protumomenta generatora kroz djelovanje turbinskih regulatora ili primjenom dodatnog optereenja.

To se moe postii na slijedee naine:

brzim otklanjanjem kvara, odnosno izoliranjem kvarnog elementa od ostatka sustava;

smanjenjem reaktancije prijenosne mree;

primjenom reguliranih kompenzacijskih ureaja;

dinamikim koenjem (prikljuivanje dodatnog tereta);

prikljuivanjem paralelnih prigunica u blizini generatora;

primjenom tropolno upravljivih prekidaa (jednopolni automatski ponovni uklop, smanjenje vjerojatnosti od zatajenja pri tropolnom isklopu);

brzim otvaranjem i zatvaranjem ventila parnih turbina;

iskljuenjem generatora;

kontroliranim odbacivanjem tereta (potroaa) i dijeljenjem sustava na vie podruja;

primjenom brzih sustava uzbude generatora;

primjenom diskontinuiranog upravljanja uzbudom generatora;

upravljanjem visokonaponskim istosmjernim vezama.

C. Vrste uzbudnih sustava generatora i njihov utjecaj na

prijelaznu stabilnost sustava

U osnovi postoje tri vrste uzbude: uzbuda s istosmjernim uzbudnikom, statika uzbuda i beskontaktna uzbuda. U nastavku je dan njihov vrlo pojednostavljen pregled.

Uzbuda s istosmjernim uzbudnikom kao najstarije rjeenje koje se uglavnom vie ne primjenjuje, ima na zajednikoj osovini prigraen istosmjerni generator (uzbudnik) ije su izlazne stezaljke spojene s uzbudnim namotom generatora preko etkica i kliznih prstenova. Uzbudna struja se regulira se regulacijom uzbude uzbudnika pomou automatskog regulatora.

Statika uzbuda kao izvor koristi izmjenini izvor koji se ispravlja upravljivim tiristorskim ispravljaem pod djelovanjem regulatora uzbudne struje.

Kod beskontaktne uzbude mali generator sa permanentnim magnetima na rotoru slui za napajanje uzbude malog sinkronog generatora koja je smjetena na statoru. Armatura malog sinkronog generatora je smjetena na rotoru zajedno sa ispravljaem i spojena je sa uzbudnim namotom sinkronog generatora. Uzbudna struja sinkronog generatora regulira se regulacijom uzbudne struje malog sinkronog generatora. [6]

Detaljnija podjela uzbudnih sustava dana je na slici 4. Najee koriteni sustavi uzbude su: statiki sustav uzbude napajan sa stezaljki stroja (S3a1), sustav uzbude sa rotacijskim uzbudnikom konstantnog napona i stacionarnim tiristorskim usmjerivaem (R2a2), te beskontaktni sustav uzbude s izmjeninim uzbudnikom i rotirajuim ispravljaem (R2b1). [8]

Uzbudni sustavi

sa rotacijskim

uzbudnikom (R)

statiki sustavi

uzbude (S)

istosmjerni

uzbudnik (1)

izmjenini

uzbudnik (2)

statiki armaturni

namot (2a)

rotirajui armaturni

namot (2b)

stacionarne

diode (2a1)

stacionarni

tiristori (2a2)

s naponskim

izvorom (3)s naponskim i

strujnim izvorom

kompaudacija (4)

serijski spoj

(4a)

paralelni spoj

(4b)

napajanje sa

visokonaponskih

sabirnica (3a2)

napajanje sa

stezaljki stroja

(3a1)

stacionarne

diode (2b1)

stacionarni

tiristori (2b2)

Sl. 4. Podjela sustava uzbude

Tijekom prijelaznog poremeaja, koji se pojavljuje uslijed kvara u prijenosnoj mrei, napon na stezaljkama generatora je nizak. Automatski regulator napona u takvim okolnostima djeluje na nain da povea napon polja generatora te se time poveava i unutarnji napon stroja to u konanici rezultira poveanjem sinkronizacijske snage. Krajnji ishod, poveanje sinkronizacijske snage, djeluje pozitivno na poboljanje prijelazne stabilnosti. Efikasnost ovog naina poboljanja prijelazne stabilnosti ovisi o mogunosti uzbudnog sustava da brzo povea napona polja na najveu moguu vrijednost.

Rapidnim privremenim poveanjem uzbude generatora se mogu postii znaajna poboljanja prijelazne stabilnosti. U tom smislu najefektivniji su inicijalno brzi odzivni uzbudni sustavi sa visokim stropnim (forsiranim) naponima. Ogranienje iznosa stropnog napona proizlazi iz ogranienja izolacije rotora generatora, pa tako kod turbogeneratora to ogranienje iznosi od oko 2,5 do 3 puta nazivnog napona polja.

Samostalna primjena uzbudnog sustava sa brzim odzivom esto vodi ka slabljenju priguenja lokalnih oscilacija elektrane. Stoga se esto uz brzo odzivni sustav uzbude primjenjuje i dodatno upravljanje uzbudnim sustavom stabilizatorom sustava (PSS), te se time na prikladan nain osigurava priguenje oscilacija sustava. Primjena inicijalno brzog odzivnog uzbudnog sustava sa stabilizatorom sustava (PSS-om) je najefektivnija i najekonominija metoda za poboljanje stabilnosti cjelokupnog sustava. Dakako, efikasnost takvog rjeenja ovisi o njegovu pravilnom odabiru kao i o njegovom podeenju. [1]

IV. SIMULACIJA PRIJELAZNE STABILNOSTI ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA BELIE

A. Kratak opis elektroenergetskog sustava Belie

Industrijsko postrojenje za proizvodnju poluceluloze, papira i papirne ambalae Belie d.d. napaja se iz dva vlastita turbogeneratora ukupne instalirane snage 40 MVA (31 MW) koji proizvode elektrinu energiju na naponskoj razini 6,3 kV. Pored toga, postoji i mogunost napajanja iz prijenosne elektroprivredne mree preko dva transformatora 110/6,3 kV nazivnih snaga 20 MVA koji su instalirani u TS 110/6,3 kV Belie. Na taj nain, pored otonog rada, omoguen je paralelni pogon EES-a Belie i vanjske mree, to je trenutno, sa tehnikog i ekonomskog stajalita i povoljnije. Angaman pojedinih agregata, te udio preuzete energije iz vanjske mree, ovisan je o potrebama tehnolokog procesa.

Na naponskom nivou 6,3 kV instalirana su tri glavna rasklopna postrojenja (RK, 1AL, 2AL). Distribucija elektrine energije obavlja se putem 47 transformatora prijenosnog omjera 6,3/0,4 kV. Na naponskom nivou 6,3 kV prikljuen je i 31 srednjenaponski motor. Principijelna shema EES Belie prikazana je na slici 5. [9]

20 MVA

110/6,3 kV

T1

=A

110 kV

M G2

FTS-706,3 kV

FTS-806,3 kV

2AL6,3 kV

G3 M

FTS-306,3 kV

FTS-406,3 kV

T2 20 MVA110/6,3 kV

RK6,3 kV

15 MW

0,4 kV 0,4 kV 0,4 kV

16 MW

0,4 kV 0,4 kV 0,4 kV

FTS-506,3 kV

0,4 kV

FTS-906,3 kV

0,4 kV

M0,4 kV

1AL6,3 kV

Sl. 5. Principijelna shema EES-a Belie

Svaki od generatora ima razliite uzbudne sustave to je posebno zanimljivo posebice sa aspekta prijelazne stabilnosti. Generator G2 ima beskontaktni uzbudni sustav - brushless (slika 6), dok generator G3 ima statiki sustav uzbude s naponskim i strujnim izvorom (slika 7). Prema IEEE, koji je standardizirao dvanaest modela uzbudnih sustava za potrebe analiziranja prijelazne stabilnosti i stabilnosti pri malim poremeajima, za uzbudni sustav generatora G2 primijenjen je model AC1, dok je za uzbudni sustav generatora G3 primijenjen model ST2. [1]

IG, UG

3~ 50 Hz, 6,3 kV

G3~

Sl. 6. Beskontaktni uzbudni sustav generatora G2

3~ 50 Hz, 6,3 kV

G3~

sustav uzbude

Y

y0

Sl. 7. Statiki sustav uzbude generatora G3

B. Simulirana stanja i rezultati

Stabilnost industrijske mree ispitana je za sluaj tropolnog kratkog spoja na polovini duljine dalekovoda DV Valpovo-Belie 110 kV 0,5 sekundi od poetka simulacije za sva etiri pogonska stanja.

Prvo ispitivano pogonsko stanje: generator G2 u pogonu sa fiksnom uzbudom, generator G3 izvan pogona, svaki od sustava 6,3 kV sabirnica (1AL, 2AL) spojen preko svojih transformatora na 110 kV mreu, spoj izmeu sabirnica 1AL i 2AL je izvan pogona. Generator proizvodi 12 MW i 3,6 MVAr, a iz mree se uzima 9,6 MW i 6,7 MVAr. Simulacijom se dobiva kritino vrijeme od 210 ms. Na slici 8. prikazan je kut optereenja generatora G2.

Sl. 8. Kut optereenja generatora G2 (fiksna uzbuda)

Drugo ispitivano pogonsko stanje: generator G3 u pogonu sa fiksnom uzbudom, generator G2 izvan pogona, svaki od sustava 6,3 kV sabirnica (1AL, 2AL) spojen preko svojih transformatora na 110 kV mreu, spoj izmeu sabirnica 1AL i 2AL je izvan pogona. Generator proizvodi 12 MW i 4,7 MVAr, a iz mree se uzima 9,6 MW i 5,5 MVAr. Simulacijom se dobiva kritino vrijeme od 260 ms. Na slici 9. prikazan je kut optereenja generatora G3.

Sl. 9. Kut optereenja generatora G3 (fiksna uzbuda)

Tree ispitivano pogonsko stanje: generator G2 u pogonu sa stvarno instaliranom uzbudom (beskontaktni uzbudni sustav, AC1), generator G3 u pogonu sa stvarno instaliranom uzbudom (statiki sustav uzbude s naponskim i strujnim izvorom, ST2), svaki od sustava 6,3 kV sabirnica (1AL, 2AL) je spojen preko svojih transformatora na 110 kV mreu, spoj izmeu sabirnica 1AL i 2AL izvan pogona. Generator G2 proizvodi 8 MW i 3,8 MVAr, generator G3 proizvodi 8 MW i 4,9 MVAr, a iz mree se uzima 5,6 MW i 1,5 MVAr. Simulacijom se

dobiva kritino vrijeme od 330 ms. Na slici 10. prikazani su kutevi optereenja generatora G2 i G3. Generator G2 prvi gubi stabilnost to je i prikazano slikom 11.

Sl. 10. Kutevi optereenja generatora G2 i G3 (instalirana

uzbuda), stabilno stanje

Sl. 11. Kutevi optereenja generatora G2 i G3 (instalirana

uzbuda), generator G2 gubi stabilnost

etvrto ispitivano pogonsko stanje: isto kao i tree ispitivano pogonsko stanje samo je za uzbudu generatora G2 uzeta uzbuda kao ona koja je instalirana na generatoru G3. Dakle, ovo je sluaj kada oba generatora imaju istu vrstu uzbude (statiki sustav uzbude s naponskim i strujnim izvorom, ST2). Simulacijom se dobiva kritino vrijeme od 320 ms. Na slici 12. prikazani su kutevi optereenja generatora G2 i G3. Generator G2 i ovdje prvi gubi stabilnost.

Sl. 12. Kutevi optereenja generatora G2 i G3 (uzbuda G2 ista

kao i instalirana uzbuda generatora G3), stabilno stanje

Svi prorauni su provedeni pomou programskog paketa za analizu elektroenergetskih mrea ETAP 5.5.6C (Electrical Transient Analyzer Program). [11]

V. ZAKLJUAK

Prijelazna stabilnost sustava se analizira u fazi planiranja, te provjerava u fazi pogona sustava. Veliki sustavi imaju bolji odziv na kvarove u mrei pa su i rezultati analize prijelazne stabilnosti povoljniji u odnosu na manje sustave, a posebno one koji su radijalno prikljueni na prijenosnu mreu.

U radu je analizirano vie razliitih varijanti uzbudnih sustava, te je zakljueno da je za analiziranu industrijsku mreu tvrtke Belie d.d., povoljniji sustav statike uzbude sa aspekta prijelazne stabilnosti.

LITERATURA

[1] P. Kundur, Power System Stability and Control, Electric

Power Research Institute, McGraw-Hill, Inc. USA, 1994.

[2] Dj. Breevi, M. Aunedi, D. Bajs, T. Barievi, H. Bai,

D. Maljkovi, K. Stupin, M. Tot, M. Zeljko, Strategija

razvoja energetike Republike Crne Gore do 2025. godine

sa strunim osnovama, Knjiga D, EIHP i IREET,

Ljubljana, 2006.

[3] Mrena pravila elektroenergetskog sustava, Narodne

novine, br. 36, godina 2006., Slubeni list Republike

Hrvatske

[4] D. Bajs, Ekonomsko-tehniki pristup planiranju razvoja

prijenosne mree, Magistarski rad, Fakultet elektrotehnike

i raunarstva, Zagreb, 2000.

[5] H. Poar, Proizvodnja elektrine energije, I. dio, svezak

2, Elektrotehniki fakultet Zagreb, Zagreb, 1978.

[6] N. upin, V. Mikulii, S. Tenjak, Proizvodnja

elektrine energije - laboratorijske i auditorne vjebe,

Elektrotehniki fakultet Zagreb, Zagreb, 1974.

[7] I. Pavi, Analiza visokonaponskih mrea, predavanja,

Fakultet elektrotehnike i raunarstva, Zagreb, 2007.

[8] Tehniki prirunik, Konar elektroindustrija d.d., peto

izdanje, Zagreb, 1991.

[9] Tehnika dokumentacija Belia d.d.

[10] H. Poar, Visokonaponska rasklopna postrojenja,

Tehnika knjiga, Zagreb, 1990.

[11] "ETAP Power Station 5.5.6 (Electrical Transient Analyzer

Program), Operation Technology Inc. California, 1995-

2006.

[12] B. Mitrakovi, Sinkrone maine, Nauna knjiga,

Beograd, 1983.

[13] G. Kneevi, P. Mari, S. Nikolovski, Transient Stability

Simulation of Industrial Power Plant during Faults on 110

kV Transmission Line, Proceedings of the 31st

International convention on information and

communication technology, electronics and

microelectronics (MIPRO 2008), pp. 82-87, Opatija, 2008.

[14] D. Bajs, S. Babi, Prijelazna stabilnost elektroenergetskog

sustava pri ispadu 400 kV dalekovoda Tumbri-Melina-

Obrovac-Konjsko u uvjetima prijenosa velikih snaga, 3.

savjetovanje HK Cigre, Cavtat, 1997.

[15] D. Bajs, Analiza prijelazne stabilnosti planiranog

elektroenergetskog sustava na podruju srednje

Dalmacije, Energija 6, pp 295-309, Zagreb, 1996.

[16] M. Mikovi, M. Miroevi, M. Milkovi, Analiza kutne

stabilnosti sinkronog generatora u ovisnosti o izboru

sustava uzbude, Energija 4, pp 430-445, Zagreb, 2009.

[17] B. De Metz-Noblat, G. Jeanjean, Dynamic stability of

industrial electrical networks, Cahiers techniques no 185,

Groupe Schneider, Grenoble, France, June 1997.