SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö - 06.02.2010
Teksti on luotu tekstintunnistuksella alkuperäisestä tenttitiedostosta, joten se voi sisältää virheellistä tai puutteellista tietoa. Esimerkiksi matemaattisia merkkejä ei voida esitää oikein. Tekstiä käytetään pääasiassa hakutulosten luomiseen.
Alkuperäinen tenttiSVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 6.2.2010 Sami Repo Tentissä saa käyttää omaa ohjelmoitavaa laskinta. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana. 1. Jännitteen säätö Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. Valitse jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla. 2. Tuotannon optimointi a) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen, kun kokonaiskuorma on 850 MW. b) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa tilanteessa. Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot. Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen —Maxteho Minteho — Sisäänmeno -ulostulo käyrä hinta [R/MBtu] — [MW] [MW] [MBtuw/h] 1 Hiili 1.1 600 150 Hi=510+7.2P1+0.00142P;* 2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P>+0.00194P2? 3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P3? 3. Stabiilisuus Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi. O-O5*'— 1) Xxg=1.0 x'a=0.3 x"'a=0.1 Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u Kuva 1. 4. Vastaa lyhyesti a) Selosta silmukoidun siirtoverkon distanssisuojan suojausvyöhykkeiden asetteluperiaatteita. b) Minkälaiset tekijät vaikuttavat ja miten voimalaitosten ajojärjestykseen? c) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä. 5. Valitse toinen tehtävistä A) Kuvaa SVC-yksikön rakenne ja toimintaperiaate sähköverkon jännitteen säädössä. Selosta myös mihin muihin tarkoituksiin SV C-laitetta voidaan soveltaa. B) Selosta mitä ovat PU-käyrät ja miten niitä voidaan hyödyntää analysoitaessa sähköverkon jännitestabiilisuutta. Voit käyttää selostuksesi apuna yksinkertaista esimerkkiä, missä kahden rinnakkaisen siirtojohdon kautta syötetään kuormitusta. Tarkastele normaalitilanteen lisäksi häiriötilannetta, missä toinen siirtojohdoista irtikytkeytyy. SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 5.10.2009 Sami Repo Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana. 1. Jännitteen säätö Siirtojohdon jännitetason hallinnassa sovelletaan loistehon kompensointia. Selosta mistä syystä johdon jännitetason hallitsemiseksi tarvitaan loistehon kompensointia. V oit käyttää apuna johdon sijaiskytkentää ja = osoitinpiirrosta. = Selosta kompensointitarvetta johdon = erilaisissa kuormitustilanteissa. Valitse tarkastelun kohteeksi toinen kompensointitavoista rinnakkais- tai sarjakompensointi. Merkitse vastaukseesi selkeästi kumpaa kompensointitapaa käsittelet. 2. Tehonsäätö Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3, joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a generaattoreiden nimellistehojen suhteen. a) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt? b) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta? c) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos? 3. Stabiilisuus Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi. A Oota 0 Xg=1.0 - x'a=03 =14 w4=01 Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u Kuva 1. 4. Vastaa lyhyesti d) Mitä ovat tahtikoneen muuntajajännitteet ja miten niiden huomiotta jättäminen vaikuttaa tahtikoneiden muutostilanteiden analysointiin? e) Minkälaiset tekijät vaikuttavat ja miten voimalaitosten ajojärjestykseen? f) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä. 5. Valitse toinen tehtävistä A) Kuvaile millä tavalla sähkömarkkinat vaikuttavat sähkönsiirtoverkon toimintaan. Pyri kuvaamaan vaikutuksia mahdollisimman laaja-alaisesti ilman takertumista yksityiskohtiin. Syy- yhteys, millä tavalla markkinat vaikuttavat siirtoverkkoon, tulee kuitenkin olla selkeästi esitetty. B) Kuvaa HVDC-linkin tehonsäätömenetelmän pääpiirteet. SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 15.5.2009 Sami Repo Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana. 1. Jännitteen säätö Generaattori syöttää verkkoon tehon P = 80 MW, O =0. Verkon liityntäpisteen jännite U = 110 kV ja verkon oikosulkuteho Sx =1 000 MVA jännitteellä 110 kV. Paljonko aseman jännite muuttuu, jos sinne kytketään kondensaattori, jonka nimellisarvot ovat Un = 120 kV, O, = 60 Mvar. Generaattorin nimellisteho on 100 MVA, nimellisjännite 10,5 kV ja tahtireaktanssi 1,5 pu. Generaattorimuuntajan nimellisteho on 100 MVA, nimellisjännitteet ovat 110 / 10,5 kV ja oikosulkuimpedanssi on 10 %. 2. Tehonsäätö Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3, joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a generaattoreiden nimellistehojen suhteen. d) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt? e) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta? f) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos? 3. Stabiilisuus Kuvassa 1 esitetyt kuvaajat ovat järjestelmästä, jossa generaattori syöttää tehoa kahden rinnakkaisen johdon kautta jäykkään verkkoon. Tutkittava vika esiintyy toisen johdon puolivälissä. P = pätöteho, 6 = tehokulma, alaindeksit 0 ja c viittaavat vastaavasti ennen vikaa vallitsevaan tasapainotilaan ja vian erottamisajankohtaan. a) Perustele ovatko kuvan 1 tilanteet A ja B stabiileja pinta-alakriteerion perusteella. Arvioi pinta-alakriteerion avulla maksimikulmaa johon järjestelmä vian seurauksena heilahtaa ja piirrä kulma kuvaajiin. Piirrä lisäksi kuvaajiin stabiilisuuden määrittämisessä käytettävät pinta-alat. b) Perustele miksi tehokäyrät ovat erilaiset ennen vikaa, vian aikana ja vian jälkeen. c) Kuvaa generaattorin pätötehon, pyörimisnopeuden ja tehokulman käyttäytymistä tapauksessa A. Tapaus A Tapaus B P.- ennen vikaa P,- ennen vikaa / Pe - vian jälkeen Pe - vian aikana P Pe - vian jälkeen Pe - vian aikana Kuva 1. 4. Vastaa lyhyesti g) Kuinka määritetään voimalaitoksen polttoaineen lisäkustannukset? h) Piirrä distanssireleen RX -diagrammi ja selitä sen perusteella distanssireleen toimintaperiaate. Nimeä minkä tyyppinen distanssirele on kyseessä. i) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä. 5. Valitse toinen tehtävistä A) Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. V alitse jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla. B) Selosta keinoja joilla voidaan parantaa siirtoverkon jännitestabiilisuutta. SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 16.2.2009 Sami Repo 1. Jännitteen säätö Siirtojohdon jännitetason hallinnassa sovelletaan loistehon kompensointia. Selosta mistä syystä johdon jännitetason hallitsemiseksi tarvitaan loistehon kompensointia. Voit käyttää apuna johdon sijaiskytkentää ja osoitinpiirrosta. Selosta kompensointitarvetta johdon erilaisissa kuormitustilanteissa. 2. Tuotannon optimointi c) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen, kun kokonaiskuorma on 850 MW. d) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa tilanteessa. Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot. Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen — Maxteho Minteho = Sisäänmeno -ulostulo käyrä hinta [R/MBtu] [MW] [MW] [MBtwh] Hiili 1.1 600 150 H1=510+7.2P1+0.00142P; 2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P2+0.00194P;? 3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P3? 3. Tehonsäätö Kaksinapaisen tahtigeneraattorin inertiavakio H=4 MJ/MVA, nimellisteho 100 MVA ja nimellistaajuus 50 Hz. Nimellisteholla toimivan generaattorin kuormitus pienenee 50 MW:iin. Mikä on roottorin pyörimisnopeus, kun tehonsäätäjä alkaa toimia 0.2 s kuluttua häiriöstä? V oit olettaa, että roottori kiihtyy vakiokiihtyvyydessä koko ajan. Generaattorin häviöitä ei tarvitse myöskään huomioida. 4. Vastaa lyhyesti j) Mikäon tahtigeneraattorin vaimennuskäämien tehtävä? Missä ne sijaitsevat ja mikä on se ilmiö, jonka kautta ne vaikuttavat? k) Selosta silmukoidun siirtoverkon distanssisuojan suojausvyöhykkeiden asetteluperiaatteita. 1) Mistä syystä tavallinen kondensaattori ei tue siirtoverkon jännitestabiilisuutta kovinkaan hyvin? 5. Valitse toinen tehtävistä A) Selosta siirtoverkon pullonkaulojen hallintamenetelmien periaatteet ja vaikutukset Pohjoismaisilla sähkö markkinoilla. B) Selosta keinoja joilla voidaan parantaa siirtoverkon transienttistabiilisuutta. SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 9.10.2008 Sami Repo ja Pasi Vuorenpää Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana. 1. Jännitteen säätö Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. V alitse jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla. 2. Tuotannon optimointi e) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen, kun kokonaiskuorma on 850 MW. f) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa tilanteessa. Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot. Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen — Maxteho Minteho = Sisäänmeno -ulostulo käyrä hinta [R/MBtu] [MW] [MW] [MBtwh] Hiili 1.1 600 150 H1=510+7.2P1+0.00142P; 2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P>+0.00194P;? 3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P;? 3. Stabiilisuus Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi. O-O5*'— 1) Xxg=1.0 x'a=0.3 x"'a=0.1 Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u Kuva 1. 4. Vastaa lyhyesti a) Mikäon(n-1) -kriteeri? ) Mikä on sähköverkon pullonkaula? Mitä sen ilmetessä tulisi tehdä? ) Mitä on vastakauppa ja mihin sitä tarvitaan? Kuinka vastakaupat käytännössä toteutetaan? ) Jos jostain syystä, esimerkiksi kahden yhtäaikaisen vian seurauksena, menetetään siirtoverkon käyttövarmuus, on kantaverkkoyhtiöllä joukko toimenpiteitä tämän häiriötilanteen hallitsemiseksi. Mitä nämä toimenpiteet ovat ja kuinka niitä käytetään ko. häiriötilanteessa? e) Mikä on hetkellinen häiriöreservi ja mihin sitä tarvitaan? f) Mikä ja minkälainen on käyttötilan luokittelun palautustila? 2 o 0 5. Valitse toinen tehtävistä A) Kuvaile ja perustele tasasähkönsiirron etuja ja haittoja verrattuna vaihtosähkövoimansiirtoon. B) Selosta siirtojohdon distanssisuojauksen perusperiaate. Kuvaa lisäksi kuinka siirtojohdon varasuojaus toteutetaan distanssisuojilla. Selosta myös distanssisuojauksen mahdollisia ongelmakohtia: niiden syntymekanismeja ja mahdollisia ratkaisukeino ja. SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö Tentti, 12.5.2008 Sami Repo ja Pasi Vuorenpää Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana. 1. Jännitteen säätö a) Selosta mitkä tekijät ja millä tavalla vaikuttavat siirtojohdon alku- ja loppupään jännitteisiin siirrettävän tehon suhteen. Hyödynnä selostuksessa siirtojohdon m- sijaiskytkentää. Millä tavalla johdon loppupäähän asennettava rinnakkaiskondensaattori vaikuttaa siirtojohdon jännitteisiin ja siirtokykyyn? Piirrä osoitindiagrammi yliluonnollisella tehoalueella toimivasta siirtojohdosta, kun johdon loppupäässä on rinnakkaiskondensaattori. Diagrammissa tulee näkyvät sekä johdon alku- ja loppupään jännitteet ja jännitehäviöosoittimet että näennäis-, pätö- ja loisvirtaosoittimet. Siirtojohdon kuormitusvirran suuruuden voit valita itse. Tehtävässä on oleellista, että osoittimet ovat selvästi oikeansuuntaisia. = a 2. Tehonsäätö Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3, joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a generaattoreiden nimellistehojen suhteen. g) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt? h) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta? i) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos?
Tämä sivusto käyttää evästeitä, mukaanlukien kolmansien puolten evästeitä, vain sivuston toiminnan kannalta välttämättömiin tarkoituksiin, kuten asetusten tallentamiseen käyttäjän laitteelle, käyttäjäistuntojen ylläpitoon ja palvelujen toiminnan mahdollistamiseen. Sivusto kerää käyttäjästä myös muuta tietoa, kuten käyttäjän IP-osoitteen ja selaimen tyypin. Tätä tietoa käytetään sivuston toiminnan ja tietoturvallisuuden varmistamiseen. Kerättyä tietoa voi päätyä myös kolmansien osapuolten käsiteltäväksi sivuston palvelujen tavanomaisen toiminnan seurauksena.