ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento: Jännitestabiilius. Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

Transkriptio

1 ELEC-E849 Sähkönsiirtoärestelmät Luento: Jännitestabiilius Kurssi syksyllä 05 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

2 Luennon ydinasiat Stabiiliuden määritelmät Jännitestabiiliuden yhtälöt PV-käyrät Jänniteromahdus Stabiiliuden parantamismahdollisuuksia Kiran luku 5.3 Mukava tietää: Suomen ännitehäiriö elokuussa 99

3 Stabiilius, yleistä Stabiili voimaärestelmä: tahtikoneet pysyvät tahdissa, ännitteet a taauudet pysyvät hyväksyttävällä tasolla Stabiiliuskysymykset koskevat päävoimansiirtoverkkoa Stabiilius liittyy läheisesti käyttövarmuuteen: os verkko menettää stabiiliuden, seurauksena on suurhäiriö Stabiiliusilmiöt ovat dynaamisia ilmiöitä 3

4 Stabiiliuden määritelmä Voimaärestelmän stabiilius tarkoittaa sitä, että ärestelmä tietyssä käyttötilanteessa pystyy saavuttamaan tasapainotilan häiriön älkeen siten, että ärestelmä pysyy suurimmaksi osaksi kokonaisena. Power system stability is the ability of an electric power system, for a given initial operating condition, to regain a state of operating equilibrium after being subected to a physical disturbance, with most system variables bounded so that practically the entire system remains intact (IEEE/CIGRE 004) Huomaa, että tämä määritelmä on koko ärestelmälle. Jos yksi generaattori menettää stabiilin käynnin a irtoaa verkosta, koko ärestelmä ei kaadu, os verkkoa käytetään (N )- periaatteen mukaan 4

5 Stabiiliusasioita (IEEE/CIGRE 004) Tasapainotilassa voimaärestelmä voi olla stabiili onkun häiriön älkeen, mutta epästabiili toisenlaisen häiriön älkeen Jos ärestelmä on stabiili häiriön älkeen, se saavuttaa oko saman tai uuden tasapainotilan häiriön älkeen eikä haoa osiin Häiriöitä ovat kuorman muutokset, viat (oikosulut, maasulut) a suurten generaattoreiden tai kuormien irtoamiset 5

6 Häiriön älkeen Generaattoreiden roottoreiden kulmat, ohtoen tehot, asemien ännitteet heilahtelevat Järestelmän kyky säilyä stabiilina häiriön älkeen riippuu seuraavista asioista: ) Voimaärestelmä tilasta ennen häiriötä ) Verkon komponenttien ominaisuuksista 3) Säätöärestelmistä 4) Häiriöstä 6

7 Stabiiliuden luokittelu ) Generaattoreiden roottorikulmastabiilius ) Jännitestabiilius 3) Taauusstabiilius 4) Roottorin nopeusstabiilius (ehdotettu stabiiliuden lai, Samuelsson and Lindahl 006) 7

8 Puhdas ännite- a kulmastabiilius Puhdas ännitestabiilius: Johdon päässä on kuormaa eikä mitään loistehonsäätöä (ännitetukea). Esimerkiksi generaattori syöttämässä kuormaa Puhdas kulmastabiilius: yksi generaattori syöttää isoa voimaärestelmää Jännitestabiilius Kulmastabiilius Kuorma (P,Q, tanϕ) Taylor p.5 8

9 Jännite- a kulmastabiilius sein verkoissa ännite- a kulmastabiiliusilmiöt esiintyvät yhdessä, eikä aina voida helposti sanoa aiheuttiko ännitteen romahdus tahtikäynnin menetyksen vai aiheuttiko tahtikäynnin menetys ännitteen romahduksen? Esimerkki: Johdon laukeaminen vian älkeen aiheutti tehon siirron kasvun älelle ääneille ohdoille. Verkossa ei ollut tarpeeksi loistehoa ylläpitämään ännitettä a sekä ännitteet että generaattorit alkoivat värähdellä a ännitteet tippuivat alas. (Yhdysvallat, itärannikko 996) 9

10 Voimaärestelmän stabiilius Kulmastabiilius Taauusstabiilius Jännitestabiilius Pienten häiriöiden kulmastabiilius Transientti kulmastabii lius Pienten häiriöiden ännitestabiilius Suurten häiriöiden ännitestabi ilius Nopea short term, 0-0 s. Nopea Hidas long term 5 sek. kymmeniä minuuttea Nopea Hidas 0

11 Eri ilmiöiden aikaskaala Aaltoilmiöt Sähkömagneettiset ilmiöt Sähkömekaaniset ilmiöt Termodynaamiset ilmiöt mikrosekuntea millisekuntea sekuntea tuntea aika /sekuntea Machowski, Bialek, Bumby s.

12 Jännitestabiiliuden aikaskaalat aika / sekuntea Lyhyen aan JS Pidemmän aan ännitestabiilius Epätahtikoneen dynamiikka Gen. ännitteensäädön dynamiikka Kondensaattorit / reaktorit SVC Voimakoneen säätö Kuorman irrotus aliännitteestä Käämikytkimet, ännitteen säätö Kuorman /tehonsiirron kasvu Kuorman muutokset Jännitteensäädön raoitus Kaasuturpiinien käynnistys Voimalaitosten käyttötoimenpiteet Generaattorien vaihtaminen Generaattorin hitausdynamiikka Kattilan dynamiikka Johtoen / muuntaien ylikuorma DC Tasasähkönyhteyden muuntaien käämikytkimet Voimaärestelmän käyttötoimenpiteet Suoareleistys (mukana ylikuormitussuoaus) Taylor 994

13 Jännitestabiiliuden määritelmä Jännitestabiilius tarkoittaa voimaärestelmän kykyä pitää yllä vakaat ännitteet tietyssä käyttötilanteessa kaikissa solmuissa häiriön älkeen. Jännitestabiilius riippuu kuorman tarvitsemasta tehosta, voimaärestelmän antamasta tehosta a niiden välisestä tasapainosta Voltage stability (ännitestabiilius) refers to the ability of a power system to maintain steady voltages at all buses in the system after being subected to a disturbance from a given initial operating condition. It depends on the ability to maintain/restore equilibrium between load demand and load supply from the power system. (IEEE/CIGRE 004 p. 390) Tämän määritelmän mukaan ännitestabiilius liittyy kuormaan a kuorman käyttäytymiseen. Kuorman dynamiikka ännitteen muutosten suhteen on tärkeä asia ännitestabiiliudessa 3

14 Miksi ännitteen tulee pysyä tietyissä raoissa? Liian alhainen ännite: täydellä kuormalla toimivat moottorit kuumenevat liikaa a voivat pysähtyä, prosessiteollisuuden laitteille voi tulla ongelmia, siirtoverkossa suuret I R-häviöt, siirtoverkon tehonsiirtokyky pienene, kun ( sin) / pienenee Liian korkea ännite: eristeet voivat rikkoutua, liian suuret vuot a kyllästyminen aiheuttavat yliaaltoa (/f-suhde muuttuu), hehkulamppuen toimintaikä lyhenee 4

15 5 0 S S Q cos sin sin max P P E E E I Q P S r s s cos sin cos sin sin cos sin cos ) ( * * * * * Loisteho a ännitteet liittyvät yhteen: Pätö- a loisteho siirtoohdolla Taylor p.4

16 6 0 S S sin cos sin cos ) sin cos ( sin cos ) sin cos ( sin cos ) sin cos ( ) ( * * * * I Q P S sin P cos Q Pätö- a loisteho siirtoohdolla

17 Tehokulma, pätöteho a loisteho atkuvassa tilassa.5 Q Q P max ( cos).5 P P max sin Taylor p.6 Loistehon kulutus kasvaa kun tehokulma kasvaa 7

18 Kun tehonsiirto on pientä Kun ohdolla siirtyvä teho on pieni, on ohdon päiden ännitteiden välinen kulmaero myös pieni a tällöin cos ~. Loistehon yhtälöt voidaan silloin kiroittaa ilman kulmaa Q cos Q cos 8

19 9 Johdon pätö- a loistehohäviöt Katsotaan ohtoa, onka pätöteho on P, loisteho Q, reaktanssi a ännite (kummassakin päässä). Lasketaan pätötehohäviöt RI a loistehohäviöt I. Huomataan, että sekä loistehon pienentäminen että ännitteen pitäminen korkealla pienentävät pätö- a loistehohäviöitä Q P I Q R Q P R I P Q P Q P Q P S S I I I häviöt häviöt * * * *

20 Jännitestabiilius suurissa häiriöissä Jännitestabiilius suurten häiriöiden suhteen tarkoittaa ärestelmän kykyä pitää yllä vakaita ännitteitä suurten häiriöiden (esim. oikosulkuen) älkeen. Jännitestabiilius riippuu ärestelmän a kuorman ominaisuuksista a säätöen a suoausärestelmien ominaisuuksista. Järestelmän epälineaarinen vaste häiriöön (moottorit, käämikytkimet, generaattoreiden roottorivirtaraoitukset) täytyy ottaa huomioon kun tutkitaan ännitestabiiliutta. Large-disturbance voltage stability refers to the system's ability to maintain steady voltages after a large disturbance (e.g. a short circuit). It depends on system and load characteristics, and the interactions of controls and protections. Non-linear response of the system needs to be studied (like motors, on-load-tap-changers, generator field current limiters) Aikaskaala: muutamista sekunneista kymmeniin minuutteihin IEEE/CIGRE p. 39 0

21 Jännitestabiilius pienissä häiriöissä Jännitestabiilius pienten häiriöiden suhteen tarkoittaa ärestelmän kykyä pitää yllä vakaita ännitteitä pienten muutosten (esim. kuorman muutokset) älkeen. Jännitestabiilius riippuu kuormista a atkuvan tilan säätöärestelmien ominaisuuksista. Järestelmä voidaan linearisoida tasapainotilan ympärille, mutta käämikytkinten säätö täytyy ottaa huomioon. Lineaarista a epälineaarisen analyysin yhdistäminen voi olla hyödyllistä. Small-disturbance voltage stability refers to the system's ability to maintain steady voltages when subected to small perturbations like changes in system load. It depends on characteristics of loads, continuous controls, and discrete controls. The power system can be linearized, but the linearization can not account for tap changer controls, A combination for linear and non-linear analysis is useful. IEEE/CIGRE p

22 Jännitestabiiliuden yhtälöitä Johdetaan yhteys siirretyn tehon P a loppupään ännitteen välille, kun kuorman tehokerroin on yksi. Käytetään suhteellisarvoa, oissa perustehona on oikosulkuteho (E /) a perusännitteenä E. E Perusteho a -ännite: S b b E E sin P E sin E sin sin p u sin Sb E E P E 0 P + Q cosφ

23 3 cos cos cos cos u u E E E E q E Q muistetaan, että u sin + u cos u, saadaan ) ( ) ( ) ( cos sin u q u p u q u p u q u u u u p + + +

24 Kun kuorman tehokerroin on yksi, q 0, olloin tehon yhtälö on: p u ( q + u ) u u 4 Maksimitehoa vastaava kriittinen ännite u kr saadaan derivoimalla p:n yhtälö u:n suhteen, merkitsemällä derivaatta nollaksi a ratkaisemalla yhtälöstä ännite u. Tämä on esitetty mallilaskuissa. 4

25 Jännitestabiiliuden PV-käyrät ( nenäkäyrät ) Kun ohdon alkupäässä on generaattori oka pitää alkupään ännitteen e vakiona (e pu eli verkko on äykkä), ohdon loppupäässä on kuormaa s p + q, ohdon reaktanssi on x, on loppupään ännite u. Yhtälön avulla voidaan piirtää ännitestabiiliuden nenäkäyrät. Yhtälö ohdetaan mallilaskuissa. u ( xp tan φ) ± 4xp tan φ 4 p x 5

26 Jännitestabiiliuden PV-käyrät u / pu, 0,8 0,6 0,4 0, tanφ 0,4 ohdon reaktanssi x 0, tanφ -0,3 tanφ 0 tanφ 0, 0 0 0,5,5,5 3 3,5 4 p / pu 6

27 /kv Jännitestabiiliuden PV-käyrät, esimerkki tan φ P/MW 7

28 Jännitestabiiliuden PV-käyrät Onko ännite hyvä indikaattori ännitestabiiliudelle? Se riippuu käyrien muodosta. Jos pv-käyrä on vaakasuora, ännite ei ole hyvä indikaattori. Miksi käyrien alaosa on epästabiili? Onko se epästabiili? Alempi osa: os rinnakkaiskondensaattori kytketään, tanϕ muuttuu pienemmäksi. Alemmalla käyrän osalla se alentaa ännitettä, mitä ei voi tapahtua oikeasti. Miten ohdon pituus vaikuttaa sen tehonsiirtokykyyn? Pitkä ohto-> suuri reaktanssi -> pienempi tehonsiirtokapasiteetti samoilla ännitteillä 8

29 Jännitestabiiliuden PV-käyrät Miksi verkkoyhtiön kannattaa laskuttaa suuresta loistehon kulutuksesta? Koska se vähentää ohdon kykyä pätötehon siirtoon! Mikä on ero sara- a rinnakkaiskompensaation välillä, os aatellaan ännitestabiiliutta? Sarakondensaattori: virta (teho) kasvaa -> loistehon tuotanto kasvaa. Rinnakkaiskondensaattori: ännite laskee -> loistehon tuotanto laskee. Tämä on hyvä vain os tehonsiirto on tarpeeksi pieni. 9

30 Miksi loistehoa ei kannata siirtää, vaan se kannattaa tuottaa lähellä kulutusta? Loistehon siirto vie kapasiteettia pätötehon siirrolta Loistehon siirtäminen vaatii ännite-eroa Loistehon siirto aiheuttaa pätö- a loistehohäviöitä Suuri loistehon siirto voi aiheuttaa suuren ännitteen nousun, kun kuorma irtoaa Laitteet pitää mitoittaa näennäistehon mukaan, oten os loistehoa siirretään, tarvitaan isompia a kalliimpia laitteita kuin pätötehon siirto vaatisi 30

31 Tahtigeneraattorin PQ-diagrammi generaattorin stabiiliusraa P turpiinin tehoraa ϕ alimagnetointiraa staattorivirran maksimi roottorin lämpenemisen asettama raa (vakiomagnetointiraa) Q 3

32 Tahtigeneraattori ännitteensäätäänä Generaattori voi pitää ännitteen vakiona niin kauna kuin sen antama tai ottama loisteho riittää Kun generaattorin loistehoraat tulevat vastaan, ei generaattori voi enää säätää ännitettä Jännitestabiiliustarkasteluissa on tärkeä ottaa huomioon, palonko generaattoreista saadaan loistehoa. Kun generaattorin loistehoraa tulee vastaan, yhtälöt eivät ole lineaarisia a stabiilius on vaarassa Suomessa suurin osa 400 kv:n verkkoon liitettyen generaattoreiden loistehosta varataan häiriöiden varalle 3

33 Kuormat Vakiotehokuorma P L, Q L eivät muutu ännitteen muuttuessa. Jos ännite alenee, ei kuorma pienene. Realistinen oletus noin u 0,8 pu:n ännitearvoon saakka Vakiovirtakuorma: I L vakio. Realistinen oletus noin u 0,5 pu ännitearvoon saakka Vakioimpedanssikuorma. Kuorma riippuu ännitteen neliöstä. Kuorma pienenee, kun ännite pienenee. 33

34 Kuorman änniteriippuvuuden vaikutus Kuorman dynaaminen käyttäytyminen ännitteen muuttuessa vaikuttaa ännitestabiiliuteen Staattiset kuormat: lämmityskuorma on vakioresistanssikuormaa a se riippuu ännitteen neliöstä valaistus: hehkulamppu, P k,6, Q 0 loisteputki P k,3, Q 3 Dynaamiset kuormat Oikosulkumoottorin pätöteho vaihtelee ännitteen mukaan vähemmän kuin loisteho 34

35 Erilaiset kuormat P (%) ei-moottorikuorma (änniteriippuvainen) moottorikuorma yhdistetty kuorma (%) 35

36 Epätahtimoottorin pätötehon änniteriippuvuus Jos epätahtimoottori toimii vakiomomentilla (P 0 Tω), on sen kuluttama pätöteho P e vakio ännitteen laskiessa, kunnes moottori pysähtyy Kun moottori pysähtyy (kohta A kuvassa), pätöteho P e alkaa pienentyä P e P P e e I P0 P 0 R ( s) s + R P e R s + ( R / s) R s kun > Teho ännitteen funktiona vakiomomenttikuormalla ( P 0 R s s) + R T m ω s µ R R/s R P e P 0 siaiskytkentä Machowski et al. s. 77, P e A 36

37 Epätahtimoottorin loistehon änniteriippuvuus Magnetointireaktanssi kuluttaa loistehoa Q µ Moottorin kuormituksesta riippuva osuus Q s pienenee kun ännite kasvaa Q Q Q µ s I µ P s e R Q µ A Q s 37

38 Loistehon kompensointi ännitestabiiliuden kannalta Voimakkaasti rinnakkaiskompensoitu verkko: nenäkäyrät ovat melko vaakasuoria käännepisteeseen asti. Jännitettä ei voida käyttää ännitestabiiliusindikaattorina Rinnakkaiskompensointi vähentää loistehon siirtoa ohdolla, mutta os ännite alkaa laskea, laskee myös loistehon tuotanto Sarakompensointi on itsesäätyvä eli mitä suurempi teho (a virta) ohdolla kulkee, sitä, enemmän se tuottaa loistehoa 38

39 Jännitteen romahdus Kun ollaan lähellä nenäkäyrän käännepistettä, pienetkin muutokset kuormassa tai tuotannossa voivat ohtaa epästabiiliin tilanteeseen a ännitteen romahdukseen Äkillinen ännitteen lasku ohtaa ketureaktioon: ohtoa laukeaa ylikuormasta (os niillä on ylikuormareleet), generaattoreita laukeaa ylitaauudesta, kun ohdot eivät voi siirtää tehoa (niiden ännite on liian pieni tai ne ovat lauenneet pois) 39

40 Jännitestabiilius a siirtokapasiteetti Kun Suomessa siirretään tehoa pohoisesta etelään a Ruotsista Suomeen pohoisessa, määrää ännitestabiilius siiirtokapasiteetin Ruotsissa siirto on käytännöllisesti katsoen aina pohoisesta etelään a siirtokapasiteetin määrittää ännitestabiilius Svenska Kraftnät laskee reaaliaassa (kerran 5 minuutissa), miten lähellä verkko on änniteromahdusta. Pohoisen a etelän välisen siirto a generaattoreiden toimintapisteet mitataan. Verkkomallilla lasketaan erilaisia ennustettavien vikoen älkitilanteita (tehonakoa) a katsotaan, miten hyvin verkko kestää. Kun tullaan tarpeeksi lähelle ännitestabiiliusraaa, käynnistetään kaasuturpiinea. (Haarla, 006) 40

41 Jännitestabiiliuden parantaminen Sarakompensointi (kiinteä sarakondensaattori a säädettävä sarakondensaattori) Rinnakkaiskompensointi Johtoreaktanssien pienentäminen (sarakompensointi, rinnakkaiset ohdot) Nopea vian laukaisu, automaattiset älleenkytkennät -vaiheisten vikoen älkeen tehdään -vaiheinen laukaisu (ei 3-v. laukaisua) a -v. älleenkytkentä. Tämä kannattaa tehdä voimalaitosohdoilla Nopeat staattiset kompensaattorit, FACTS (flexible 4 ac transmission systems)

42 Jännitestabiiliusongelmia Suomessa tapahtui elokuussa 99 tapahtumasara, onka seurauksena 400 kv:n verkossa oli hyvin alhaiset ännitteet. Käytönvalvoan nopean toiminnan ansiosta verkko ei romahtanut. Häiriö kesti noin 0 minuuttia a sen aikana vain 400 kv:n ännitteet olivat alhaisia eli häiriötä ei voinut havaita alemmista ännitetasoista Ruotsi 003, Italia 003, SA 003: suurhäiriöt, otka kokonaan tai osittain ohtuivat ännitestabiiliuden menetyksestä 4

43 Tyypillinen änniteromahdus Generaattori tai ohto laukeaa (vika, virhelaukaisu, vika a virhelaukaisua), minkä seurauksena verkossa olevien ohtoen kuorma lisääntyy a ännitteet laskevat Jännitteestä riippuvat kuormat pienenevät, mikä auttaa tilannetta, mutta ne palautuvat pian Muuntaien käämikytkimet säätävät otta alemman änniteportaan ännite ei laskisi -> loistehoa virtaa pääsiirtoverkosta alueverkkoon Rinnakkaiskondensaattoreiden tuottama loisteho pienenee ~ ), kun verkon ännite laskee Loistehotuki on riittämätöntä (liian vähän generaattoreita verkossa, generaattorit kaukana), yhä useamman generaattoreiden loistehoraat tulevat vastaan Jännite romahtaa 43

44 Lähteitä a muuta luettavaa Elenius Stefan, hlen, Ketil, Lakervi, Erkki: Effects of controlled shunt and series compensation ofd damping in the nordel system. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 0, Issue: 4, Nov. 005, pp Haarla, L.C, State estimation and load forecasting in Finland and in Sweden. IEEE PES Workshop on Robust methods for power system state estimation and load forecasting in May 9-30th 006, Paris IEEE/CIGRE 004. Joint task force on stability terms and definitions. Kundur, P.; Paserba, J.; Aarapu, V.; Andersson, G.; Bose, A.; Canizares, C.; Hatziargyriou, N.; Hill, D.; Stankovic, A.; Taylor, C.; Van Cutsem, T.; Vittal, V. Definition and classification of power system stability. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, Issue: 3, Aug. 004, pp Kundur P Power System Stability and Control. McGraw-Hill, New York 994. ISBN , 76 pages. Laiho, Elovaara: Sähkölaitostekniikan perusteet. Otakustantamo p. Machowski, J., Bialek, J.W. Bumby, J.R Power System Dynamics and Stability. John Wiley and Sons, Chichester 997. ISBN (PPC), (PR). 46 p. 44

45 Lähteitä a muuta luettavaa Nordel 004. Nordisk Regelsamling 004. (Nordic Grid Code 004). Del. En gemensam nordisk regelsamling. Del : regler för planering (Planning Code) med bilagor. Del 3. Regler för Drift (Operational Code) (Systemdriftavtal). Del 4: Regler för anslutning (Connection Code). Del 5: Regler för data (Dataaftale mellem de nordiske systemansvarige). 80 p. Retrieved November, 004 from Nordel 004. Nordisk Regelsamling 004. (Nordic Grid Code 004). Del. En gemensam nordisk regelsamling. Del : regler för planering (Planning Code) med bilagor. Del 3. Regler för Drift (Operational Code) (Systemdriftavtal). Del 4: Regler för anslutning (Connection Code). Del 5: Regler för data (Dataaftale mellem de nordiske systemansvarige). 80 p. Retrieved November, 004 from L. Pottonen. A method for the probabilistic security analysis of transmission grids. A doctoral dissertation, Helsinki niversity of Technology 005. Pp ISBN , (pdf), isbn pdf O. Samuelsson, S. Lindahl. Discussion of "Definition and classification of power system stability". IEEE Transactions on Power Systems, Vol., Issue:, Feb. 006, p.46 O. Samuelsson, S. Lindahl. Letters, On speed stability. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 0, No, May 005, pp C.W.Taylor 994. Power System Voltage Stability. New York, McGraw-Hill, Inc ISBN pages. J. Elovaara, L. Haarla: Sähköverkot, Otatieto 0. 45