Исследование динамических свойств модели вставки постоянного тока в составе электроэнергетической системы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

"Национальный исследовательский Томский политехнический университет "

Исследование динамических свойств модели вставки постоянного тока в составе электроэнергетической системы

В.Е. Рудник

Н.Е. Десюков

Аннотация

ток мощность энергосистема вставка

Одним из основных направлений развития электроэнергетических систем является внедрение устройств и технологий на базе силовых полупроводниковых ключей (устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) и HVDC (High Voltage Direct Current) технологий), в частности вставок постоянного тока на базе статического преобразователя напряжения (ВПТН). ВПТН используются для решения таких задач, как соединение несинхронных электрических сетей различных частот, передача электроэнергии, повышения локальной и системной управляемости электроэнергетической системы (ЭЭС), повышения пропускной способности элементов сети, содержащих «слабые» связи. Однако внедрение и эксплуатация ВПТН в ЭЭС определяет необходимость в проведении широкого спектра анализа и исследований, которые можно провести только с помощью математического моделирования.

Ключевые слова -- вставка постоянного тока; обеспечения надёжности передачи электроэнергии; режимы работы; восстановление электроснабжения.

Analysis of dynamic behavior of the high voltage direct current link model as part of electrical power system

V.E. Rudnik, N.E. Desyukov, R.A. Ufa, A.S. Gusev

1«National Research Tomsk Polytechnic University»

Tomsk, Russia

One of the main directions of the development of electric power systems is the introduction of devices and technologies based on high-power semiconductor switches (FACTS devices (Flexible Alternative Current Transmission Systems) and HVDC (High Voltage Direct Current) technologies; one of the elements of this technology is direct current link on the basis of static voltage сonverter (HVDC). HVDC are used for tasks such as connecting asynchronous power grids for various frequencies, transmission of electricity, improve local and systemic handling of electric power system (EPS), increasing the capacity of network elements that contains a "weak" connection. However, the implementation and operation of HVDC in the EPS determines the need for a wide range of analysis and research that can only be done with the help of mathematical modeling.

Key words -- DC link; maintenance of reliability of electricity transmission; modes of operation; restoration of supply.

Введение

Одно из основных направлений развития и совершенствования современных электроэнергетических систем является внедрение устройств и технологий на базе силовых полупроводниковых ключей (устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) и HVDC (High Voltage Direct Current) технологий), которые предназначены для повышения управляемости и пропускной способности сетей, обеспечения надёжности передачи электроэнергии [1]. Одним из элементов большинства обозначенных устройств является вставка постоянного тока, выполненная на базе статического преобразователя напряжения (ВПТ) [2].

Структура и принцип работы вставки постоянного тока

Вставка постоянного тока является преобразовательной подстанцией, которая используется для преобразования переменного тока в постоянный и с последующим преобразованием постоянного тока в переменный исходной или другой частоты [1]. ВПТ эффективно решает следующие задачи [1]:

Объединения несинхронно работающих электроэнергетических систем (ЭЭС);

Передачи мощности постоянным током между ЭЭС;

Повышения локальной и системной управляемости ЭЭС;

Повышения пропускной способности ЛЭП.

При проектировании и оценке эффективности работы ВПТ требуется анализ ее функционирования в составе ЭЭС. Одним из способов проведения такого анализа является моделирование, в основном математическое.

Тестирование модели вставки постоянного тока в ЭЭС

Согласно [3] необходимым для оценки адекватности моделей ВПТ является проведение следующих тестовых испытаний.

Исследования будут проводиться с использованием программно-математического комплекса “Matlab Simulink” (рис.1) и программно-аппаратного комплекса “ВМК РВ ЭЭС” (рис.2):

Объединение несинхронного работающих энергосистем.

Короткое замыкание на одной из сторон энергосистем.

Ступенчатое изменение и реверс передаваемой мощности.

Рис. 1. Модель двухмашинной ЭЭС, содержащая ВПТ.

Рис. 2. Модель двухмашинной ЭЭС, содержащая ВПТ.

Объединение двух энергосистем, работающих при разных частотах

Осциллограммы напряжения энергосистемы 1 и энергосистемы 2, работающих при разных частотах (50 и 60 Гц соответственно) представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Осциллограмма напряжений фазы А на стороне энергосистемы 1 и энергосистемы 2 в момент их функционирования независимо друг от друга.

На рисунке 4 представлены осциллограммы напряжений и токов фаз на стороне энергосистемы 1 и напряжение в цепи постоянного тока, после объединения двух энергосистем.

На рисунке 5 представлены осциллограммы напряжений и токов фаз на стороне энергосистемы 2, при объединении двух энергосистем.

Рис. 4. Осциллограммы напряжений и тока при объединении двух энергосистем.

Рис. 5. Осциллограммы напряжения и токов на стороне энергосистемы 2, и напряжение ШИМ модуляции.

Согласно осциллограммам, изображенных на рисунке 6, напряжение фазы А на стороне энергосистемы 1 и энергосистемы 2 после объединения двух энергосистем, можно сделать вывод, что наблюдается сохранение прежней величины частоты в обоих энергосистемах, что подтверждает корректное функционировании вставки постоянного тока. Так же стоит отметить, что на осциллограмме (рис. 6) наблюдается наличие высших гармоник, которые генерируются статическим преобразователем. Устранить высшие гармоники возможно при правильной настройки фильтра высших гармоник.

Рис. 6. Осциллограммы напряжения фазы А на стороне энергосистемы 1 и энергосистемы 2 после объединения двух энергосистем.

Возникновение КЗ на стороне энергосистемы 2.

Сценарий исследования заключается в следующем: энергосистема 1 передает мощность энергосистеме 2, затем, в момент времени 0.1 с. происходит КЗ на стороне энергосистемы 2. На рисунке 7 изображены осциллограммы напряжений и токов энергосистем при использовании линии электропередач (ЛЭП).

Рис. 7. Осциллограммы токов и напряжений, при возникновении КЗ, в программной среде “Matlab Simulink” (ЛЭП).

Согласно представленным на рисунке 7 осциллограммам, при КЗ на стороне энергосистемы 2 наблюдается резкое увеличение токов на сторонах двух энергосистем.

Рис. 8. Осциллограммы токов и напряжений, при возникновении КЗ, в программной среде “Matlab Simulink” (ВПТ).

Рис. 9. Осциллограммы токов и напряжений, при возникновении КЗ, в программной среде “ВМК РВ ЭЭС” (ВПТ).

При связи энергосистем с помощью ВПТ, реализованной в программной среде “Matlab Simulink” (рис. 8) видно, что в промежутке времени 0.1-0.2 с. произошел резкий скачек токов до 30 кА, а также просадка напряжений на стороне энергосистемы 2, при этом токи и напряжения энергосистемы 1 практически не изменились.

При связи энергосистем с помощью ВПТ, реализованной в программно-аппаратной среде “ВМК РВ ЭЭС” (рис. 9), выполнялся следующий сценарий действий: в момент времени t1 происходит трехфазное замыкание на землю на стороне энергосистемы 1, затем в течение 0.1 с. система релейной защиты отключает энергосистему 1 и в момент времени t3 срабатывает автоматическое повторное включение энергосистемы 1. На рисунке 9 видно, что в период КЗ энергосистема 2 работает в нормальном режиме.

Результаты исследования показывают, что при использовании ВПТ можно произвести полную развязку энергосистем, то есть, авария, возникшая на одной энергосистеме, не влияет на работу другой энергосистемы.

Регулирование и реверс передаваемой мощности по ВПТ

Результаты исследований регулирования мощности модели ВПТ приведены на рисунках 10,11.

Рис. 10. Осциллограммы активной и реактивной мощности, при регулировании передаваемой мощности модели ВПТ, в программной среде “Matlab Simulink”.

Рис. 11. Осциллограммы активной мощности, при регулировании передаваемой мощности модели ВПТ, в программно-аппаратной среде “ВМК РВ ЭЭС”.

В программном комплексе “Matlab Simulink” сценарий регулирования и реверса передаваемой мощности проводился в следующем порядке (рис. 10): в промежуток времени до 3 с., происходило подключение нагрузок через каждые 0.5 с. Затем, в момент времени 3 с. произведен реверс передаваемой мощности. Из осциллограмм, изображенных на рис. 10, видно, что ВПТ справляется с реверсом передаваемой мощности за время, равное 0.3 с.

В “ВМК РВ ЭЭС” моделирование регулирования и реверса передаваемой мощности проводился в следующем порядке (рис. 11): в момент времени 1 с. произошло ступенчатое изменение нагрузки (7 ступеней) и в момент времени 3,5 с. произошел реверс передаваемой мощности. ВПТ справляется с реверсом передаваемой мощности за время, равное 1 с.

Данное исследование показывает, что при возникновении аварии на электростанции и последующим отключении генератора, выдаваемой мощности будет не хватать потребителям. ВПТ может осуществить регулирование передаваемой мощности, тем самым удовлетворить требования потребителей по мощности, не нарушив параметры энергосистемы.

Заключение

В результате исследования был проведен анализ взаимодействия ВПТ с примыкающей энергосистемой. Одним из способов проведения такого анализа являлось моделирование, которое проводилось с помощью программно-математического комплекса “Matlab Simulink”, а также программного-аппаратного комплекса “ВМК РВ ЭЭС”. Были рассмотрены 3 ситуации по объединению двух несинхронно работающих энергосистем: 1) разность частот 50 и 60 Гц; 2) Возникновение КЗ; 3) Регулирование и реверс передаваемой мощности ВПТ. Исследование показало, что возможно осуществить объединение двух несинхронно работающих энергосистем без каких-либо аварийных ситуаций. Также стоит отметить, что при выполнении исследований с помощью “Matlab Simulink” и “ВМК РВ ЭЭС” наблюдается общий тренд полученных результатов. Это говорит о том, что новейший программно-аппаратный комплекс “ВМК РВ ЭЭС” корректно выполняет моделирование.

Список литературы

Виджей К. Суд. HVDC and Controllers: Применение статических преобразователей в энергетических системах: Пер. с англ. - М.: НП "НИИА", 2009. - 344 с. - ил.

Sellick R.L., A?kerberg M. Comparison of HVDC Light (VSC) and HVDC Classic (LCC) Site Aspects, for a 500MW 400kV HVDC Transmission Scheme // 10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission. Birmingham. - 2012. ? pp. 1?6.

Mohamed K., Sid-Ahmed Zidi Samir H., Mohammed-Karim F. Dynamic performance of a back-to-back HVDC station based on voltage source converters. // Journal of electrical engineering, VOL. 61, NO 1. - 2010. - pp. 29-

Размещено на Allbest.ru