ALL-MODE PHASE SHIFTING TRANSFORMER MODEL IN ELECTRIC POWER SYSTEM

S. A Stavitsky; Ставицкий С. А; A. A Suvorov; Суворов А. А; R. A Ufa; Уфа Р. А; M. A Andreev; Андреев М. В; A. S Gusev; Гусев А. С

doi:10.15593/.v0i32.2501

ALL-MODE PHASE SHIFTING TRANSFORMER MODEL IN ELECTRIC POWER SYSTEM

Authors: Stavitsky S.A¹, Suvorov A.A¹, Ufa R.A¹, Andreev M.A¹, Gusev A.S¹
Affiliations:
1. National Research Tomsk Polytechnic University
Issue: No 32 (2019)
Pages: 7-21
Section: Articles
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/elinf/article/view/2501
DOI: https://doi.org/10.15593/.v0i32.2501
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

The phase shifting transformer in the electric power system (EPS) provides more efficient control of EPS modes by voltage and active power flow regulation. However, nowadays quasi-steady and transient processes in the EPS become more complicated. As a result, the commonly used simulation tools apply decomposition of EPS processes to quasi-steady and transient, simplification of mathematical models of EPS elements, limitation of the simulation time interval. Mentioned simplifications and limitations in general lead to an uncertain loss of completeness of EPS modeling. The concept of software and hardware tools of phase shifting transformer simulation, presented in the article, allows to solve this problem. The software and hardware of phase shifting transformer simulation are the tools of hybrid simulation, which include analog, digital, and physical approaches of the simulation. The analog approach is the solution of the differential equations system, describing the phase shifting transformer processes by continuous implicit integration. The digital approach provides the control of the electronic switches, the phase shifting transformer parameters, such as leakage inductance, active resistance etc. The physical approach is the connection and switching in the EPS elements as in real EPS. The article presents the all-mode thyristor-controlled phase shifting transformer model, developed by hybrid simulation approach and adapted for use in the Hybrid Real Time Power System Simulator developed in Tomsk polytechnic university. The appropriate research of phase shifting transformer in the EPS was carried out by Hybrid Real Time Power System Simulator, in which the Tomsk EPS (region of Russia where there is a problem of non-synchronous operation of the northern and southern parts) is implemented. By means of the Tomsk EPS model and developed phase shifting transformer model, the purpose of which was to interconnect two asynchronously operating parts of the Tomsk EPS and experimental research were carried out.

Keywords

electric power system, phase shifting transformer, hybrid simulation, real-time.

Full Text

Введение. Внедрение в электроэнергетические системы (ЭЭС) устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems), одним из которых является фазоповоротный трансформатор (ФПТ) [1-3], позволяет повысить надежность и управляемость ЭЭС [4, 5], в частности, осуществлять автоматическое регулирование напряжений и потоков активной мощности, минимизацию потерь мощности [6-8]. ФПТ состоит из двух трансформаторов (рис. 1, а), один из которых включается последовательно (Т1, сериесный) в каждую фазу линии, другой - параллельно (Т2, шунтовый) на междуфазное напряжение [9, 10]. Векторная диаграмма напряжений, описывающих принцип работы ФПТ, показана на рис. 1, б. Напряжение ФПТ (U’) будет определяться напряжением в начале линии (U) и напряжением последовательной обмотки Т1 (∆U), которое сдвинуто по отношению к напряжению фазы на 90 эл. град (напряжение каждой фазы сдвинуто по отношению к междуфазному напряжению двух других фаз на 90°). а б Рис. 1. Схема (а) и векторная (б) диаграмма полупроводникового ФПТ В результате U’ и угол между напряжениями по концам линии будут определяться так: U`= U ± ∆U, Δ = δ` ± ∆δ. Регулирование ∆δ по величине и по знаку, которое обеспечивается с помощью блока управления тиристорным переключателем, обеспечивает изменение и регулирование передаваемой по линии мощности. Внедрение ФПТ значительно усложняет динамические свойства ЭЭС: квазиустановившиеся и переходные нормальные и анормальные процессы в оборудовании. В результате для многих задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС оказываются неприемлемыми неизбежно применяемые в используемых средствах расчета режимов и процессов ЭЭС упрощения и ограничения, а именно глубокая декомпозиция объективно единого и непрерывного спектра нормальных и анормальных квазиустановившихся и переходных процессов ЭЭС, существенные упрощения математических моделей элементов, особенно электросетевых, и соответственно ЭЭС в целом, ограничения интервала воспроизведения процессов [11-13], что приводит к неопределимой потере полноты и достоверности моделирования. Следует также отметить повышенные в этих условиях для эксплуатации требования к оперативности моделирования вплоть до осуществления его в реальном времени [14-16]. Вышеизложенное определяет актуальность создания программно-технических средств, обеспечивающих непрерывное и бездекомпозиционное, методически точное решение всережимной математической модели ФПТ в реальном времени и на неограниченном интервале с гарантированной приемлемой инструментальной погрешностью, а также адекватную реализацию систем автоматического управления ФПТ и воспроизведения всевозможных трехфазных продольных и поперечных коммутаций, различное управление параметрами моделируемого ФПТ и другие необходимые информационно-управляющие функции, в том числе в составе соответствующих средств моделирования ЭЭС. 1. Материалы и методы. Основу обозначенной математической модели для различных конструктивных модификаций ФПТ с двумя трансформаторами (шунтовый и сериесный) составляют нижеприведенные системы уравнений, которые могут использоваться непосредственно или являются одной из идентичных частей такого рода моделей для каждой из параллельных электромагнитных систем фазы ФПТ: 1) шунтовый трансформатор (1) где j - фаза, ; N - число гальванически развязанных секций шунтового трансформатора, ; - напряжение j-й фазы первичной и вторичной обмоток шунтового трансформатора; - ток j-й фазы k-й обмотки шунтового трансформатора; - число витков j-й фазы k-й обмотки шунтового трансформатора; - индуктивность рассеивания j-й фазы k-й обмотки шунтового трансформатора; - активное сопротивление j-й фазы k-й обмотки шунтового трансформатора; k - номер обмотки шунтового трансформатора, ; - намагничивающая сила j-й фазы шунтового трансформатора электромагнитной системы шунтового трансформатора, определяемая уравнением баланса намагничивающих сил; - ток намагничивания j-й фазы шунтового трансформатора; - магнитный поток; 2) сериесный трансформатор: (2) где j, m, n - фазы сериесного трансформатора , m = A,B,C, , при этом ; - напряжение j-й фазы первичной обмотки сериесного трансформатора; , - напряжения в начале и в конце j-й фазы k-й обмотки сериесного трансформатора. Остальные величины имеют аналогичное значение, как для шунтового трансформатора; 3) токоограничивающий реактор: (3) где и - напряжения на входе и выходе j-й фазы реактора; - ток j-й фазы реактора; - индуктивность рассеивания обмотки j-й фазы реактора; - активное сопротивление обмотки j-й фазы реактора. При использовании подобной математической модели ФПТ, а также аналогичных математических моделей других элементов совокупная математическая модель любой реальной ЭЭС, даже с учетом допустимого частичного эквивалентирования, неизбежно содержит жесткую, нелинейную систему дифференциальных уравнений чрезвычайно большой размерности, удовлетворительное решение которой численными методами оказывается маловероятным, и указанные ранее упрощения и ограничения становятся неизбежными. Кроме того, независимо от этого всегда неизвестной остается присущая численному интегрированию дифференциальных уравнений методическая ошибка решения, определение которой отнесено в теории методов дискретизации дифференциальных уравнений к категории фундаментальных проблем. Альтернативным направлением решения указанной проблемы является комплексный подход, представляющий собой в широком смысле гибридное моделирование, концепция которого включает в себя аналоговый, цифровой и физический виды моделирования. Аналоговый подход представляет собой решение системы дифференциальных уравнений, которые описывают модель ФПТ, методом непрерывного неявного интегрирования. Цифровой подход - управление параметрами ФПТ через компьютерные средства. Физический подход - соединения и коммутации в элементах ЭЭС, как в реальных ЭЭС. Более подробное описание данной концепции приведено в [17, 18]. Структурная схема ФПТ, соответствующая обозначенной концепции, изображена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема всережимной модели ФПТ Входом модели ФПТ служат блоки моделирования продольно-поперечных коммутаций (БМППК) 1 и 2, осуществляющие различного рода продольные и/или поперечные коммутации, например, короткие замыкания, обрывы фаз. Аналогичные блоки установлены под номерами 4, 5, 6, 8, 10, 11, 13 и 15, БМППК под номером 15 является выходом модели ФПТ. Управление коммутациями производится через цифровые каналы от процессора коммутаций (ПК). ПК также управляет блоком моделирования тиристорного коммутатора (БМТК), который представляет собой набор ключей, каждый из которых замещает действие тиристора. Решение дифференциальных уравнений, описывающих функционирование ФПТ, осуществляется в отдельных блоках моделирования шунтового трансформатора (БМШТ), сериесного трансформатора (БМСТ). В случае необходимости в модели ФПТ могут быть подключены блоки моделирования токоограничивающих реакторов (БМР). Результаты решения систем дифференциальных уравнений в БМШТ, БМСТ и БМР передаются в АЦП, после которого оцифрованные сигналы попадают в процессор АЦП (ПАЦП), связанный с ПК и центральным процессором (ЦП). ЦП осуществляет связь с компьютером, а также задает параметры реакторов, шунтового и сериесного трансформаторов, например, активное сопротивление или индуктивность рассеивания. Разработанная подобным образом модель ФПТ адаптирована для использования во Всережимном моделирующем комплексе реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС) [19, 20]. ВМК РВ ЭЭС представляет собой параллельную, многопроцессорную, программно-техническую систему реального времени гибридного типа, объединяющую в себе адаптируемую совокупность моделей всех элементов ЭЭС и информационно-управляющую систему. 2. Результаты исследований и обсуждение. Для проверки адекватности разработанной модели ФПТ в ВМК РВ ЭЭС была реализована модель Томской ЭЭС (рис. 3). На сегодняшний день Томская ЭЭС состоит из несинхронно работающих северной и южной частей, эксплуатационный раздел между которыми проходит по транзиту 220 кВ между подстанциями (ПС) Томская (ОЭС Сибири) - Нижневартовская ГРЭС (ОЭС Урала) протяженностью 797,3 км. Поэтому проведение эксплуатационных переключений на транзите практически всегда приводит к временному отключению части потребителей, значительному недоотпуску нефти и газа. При сравнительно небольшом недоотпуске электроэнергии этим потребителям (в основном предприятиям нефтегазового комплекса) в режимах оперативных переключений, недоотпуск нефти и газа достигает весьма заметных размеров из-за длительного восстановления технологического процесса [21]. Рис. 3. Место установки ФПТ в Томской энергосистеме: СМ - синхронная машина; АМ - асинхронная машина Обозначенные ранее свойства и возможности ФПТ позволяют рассматривать его для решения данной проблемы и объединения несинхронно работающих частей Томской ЭЭС. Рис. 4. Включение несинхронно работающих частей ЭЭС на параллельную работу без фазоповоротного трансформатора Для нормальной схемы Томской энергосистемы в эксплуатационном разделе на ПС «Парабель» угол между векторами напряжений разных систем шин составляет 43,2о. Осциллограммы подключения на параллельную работу южной и северной частей Томской энергосистемы без ФПТ представлены на рис. 2. Напряжения и токи измеряются на ПС «Парабель». Линия ПВ-224 (ПС «Каргасок» - ПС «Парабель») изначально отключена со стороны ПС Парабель; линия ЧП-223 (ПС «Чажемто» - ПС «Парабель») включена с обеих сторон. На рис. 4 видно, что при включении южной и северной частей Томской энергосистемы на параллельную работу наступают асинхронные качания тока, которые не затухают с течением временем и могут служить причиной перехода системы в асинхронный режим. Согласно проведённым исследованиям было установлено, что величина угла ФПТ, при котором колебания тока затухают и наступает процесс синхронизации между южной и северной частями Томской энергосистемы, не должна превышать 21,6о. Соответствующая осциллограмма данного процесса представлена на рис. 5. Рис. 5. Включение несинхронно работающих частей ЭЭС на параллельную работу с помощью ФПТ Выводы. Предложенный гибридный подход моделирования ФПТ позволяет решать свойственную цифровым методам моделирования проблему получения полной и достоверной информации о процессах в ФПТ и ЭЭС в целом. С помощью разработанной всережимной модели ФПТ, добавленной в модель ВМК РВ ЭЭС Томской энергосистемы, получены результаты уменьшения угла между векторами напряжений и объединения несинхронно работающих частей Томской энергосистемы. Получен критический угол (21,6о), при котором наступает процесс ресинхронизации. Совокупность представленных результатов разработки программно-технических средств всережимного моделирования ФПТ и выполненные экспериментальные исследования на примере реально проектируемой системы электроснабжения подтверждают достижения поставленной цели, заключающейся в создании средств, обеспечивающих бездекомпозиционное, непрерывное, методически точное решение в реальном времени всережимной математической модели ФПТ.

About the authors