Особенности моделирования передачи постоянного тока на базе преобразователя напряжения в составе электрической сети

В энергосистемах с передачами (ППТН) или вставками (ВПТН) постоянного тока на базе преобразователей напряжения расширяются возможности оптимизации режимов сети, но при этом требуется корректное моделирование ППТН в программах расчета длительных режимов. Известны работы по моделированию СТАТКОМ в программном комплексе (ПК) RastrWin3 [1] и ВПТН в ПК Eurostag [2]. Вторая работа анализирует переходные процессы ВПТН в тестовой схеме с двумя эквивалентными энергосистемами и промежуточными потребителями. В ней не рассматриваются особенности моделирования и функции ВПТН в программах расчета рабочих режимов сети. Поэтому задача моделирования ППТН в программах расчета длительных режимов энергосистемы является актуальной.

Математическая модель ППТН

Особенность модели длительных режимов ППТН состоит в том, что векторы напряжений в узлах выпрямительной и инверторной подстанций не связаны жестко, а активная мощность линии регулируется независимо. Поэтому в модели узлы связаны косвенно – через потребление мощности в одном узле и генерацию во втором, причем харак- терно, что в длительных режимах контур постоянного тока ППТН описывается теми же уравнениями, что и ППТ на преобразователях тока с фазовым регулированием [3, 4]:

(U = U^ + IdRf, Pa = U;

Pa = Uto

P^^ sin§ ;

ии

P^^ sing

V и    x_&     и

При записи уравнений (1) потери в преобразовательных трансформаторах и реакторах и преобразователях учтены в виде нагрузок в узлах соответствующих подстанций, поэтому мощность, поступающая на выпрямительную подстанцию Рв равна мощности Р,В после выпрямления, как и мощности Ри, Pd. Разница мощностей Р,в и Р,и обусловлена потерями в линии постоянного тока. Постоянные напряжения на подстанциях U и Щи отличаются величиной падения напряжения на линии. Векторная разность между напряжением выпрямительной подстанции ин и сетевым напряжением UB (с фазовым сдвигом 6в) на индуктивностях трансформатора и реактора х^в определяет величину и направление полной мощности передачи. То же справедливо и для инверторной подстанции по отношению к ее прилегающей энерго- системе.

Учтем потери электроэнергии на преобразо- вательных подстанциях и введем рассмотренные ранее [5] ограничения режимов работы передачи. Наибольшее допустимое напряжение передачи определяется ограничением по напряжению преобразователей (2). При этом наибольшее напряжение на преобразователях появляется при коэффициенте широтно-импульсной модуляции кт = 1.

и Пн = к т g^. (2)

Предельно допустимая мощность передачи ограничивается наибольшим действующим значением тока преобразователя (3), который при неизменном коэффициенте модуляции зависит от активной и реактивной составляющих полного тока фазы на входе преобразователя и ограничен нор- мируемой токовой нагрузкой силовых полупро- водниковых приборов:

Jc^WSP^ в

' = V3^fc ^ (Vs/VIDU ^ .

Эти ограничения позволяют определить соот- ветствие заданным режимам передачи диапазонов уставок для регуляторов активной, реактивной мощностей и напряжений преобразователей.

Апробация моделии некоторые исследования

При опробовании математической модели ППТН она была интегрирована в программу расчета сети, разработанную в среде Labview на кафедре ЭССиС ЮУрГУ (рис. 1, 2). Программа позволяет задавать конфигурацию сети, сопротивления ЛЭП, мощности нагрузок и генерации, напряжение балансирующего узла и точность расчета. На экране в результате расчета выводятся полные мощности ЛЭП, напряжения на подстанциях и суммарные потери в сети. Передача постоянного тока соединяет узлы 3 и 4, при этом, если какой-либо из двух выключателей по краям передачи находится в выключенном положении, то перетока мощности по передаче нет, а преобразователь, подключенный к сети, работает в режиме СТАТКОМ и может регулировать реактивную мощность в узле.

В правой части экрана (см. рис. 2) расположено окно с исходными параметрами ППТН: сопротивлениями трансформаторов, реакторов, линии постоянного тока, выпрямленным напряжением, наибольшей полной мощностью передачи и квадратичной функцией потерь. Полные потери в ППТН нелинейно зависят от мощности и складываются из потерь в трансформаторах, реакторах, а также потерь в вентилях, как коммутационных, так и на интервале проводимости. Эта зависимость

Рис. 1. Электрическая сеть в программе Labview

Булатов Б.Г., Гольдштейн М.Е., Корбуков Н.В.

Рис. 2. Исходные данные в программе Labview

Рис. 3. Функция потерь ППТН и потерь в сети от активной мощности ППТН

представлена в модели в виде функции, аппроксимирующей данные испытаний передачи Cross Sound Cable [6] (рис. 3):

ЬР(Ра) = 0,0002Pd2 + 0,01Pd + 1,2.      (4)

Из этого выражения видно, что при увеличении активной мощности передачи от 0 до номинальной потери в ней растут от 1,2 до 4,2 % (при этом базовой мощностью принята номинальная).

Загрузка линий и напряжения в послеаварийных режимах

	S 4 ,МВА	S 5 ,МВА	S 6 ,МВА	S 7 ,МВА	S 8 ,МВА	S 34 ,МВА	U 2 ,кВ	U 3 ,кВ	U 4 ,кВ	U 5 ,кВ	U 6 ,кВ
Нормальный режим без 3-4	139+j74	107+j65	16+j20	16+j4	55+j28	0	219,3	221,6	208,2	212,5	206,8
Вкл. ЛЭП №9	80+j36	79+j44	-30-j6	43+j21	28+j12	84	221,0	219,7	215,6	213,5	211,3
Вкл. ППТН	71+j22	74+j55	-39+j49	47+j10	24+j22	100	226,6	229,8	222,7	223,1	219,8
Откл.ЛЭП №4 (1 цепь)	120+j70	129+j80	-1+j9	-5-j6	76+j41	0	219,2	220,0	200,7	209,4	201,9
Откл.ЛЭП №4,вкл.ЛЭП №9	56+j26	82+j46	-50-j16	39+j19	31+j13	105	221,1	218,4	213,5	212,0	209,4
Откл.ЛЭП №4, вкл.ППТН	60+j20	86+j59	-48+j46	36+j7	34+j25	100	226,4	229,2	220,1	221,8	217,9
Откл.ЛЭП №5	259+j187		106+j83	126+j82	-50-j30	0	213,8	223,9	190,0	165,6	172,5
Откл.ЛЭП №5,вкл.ЛЭП №9	101+j51		-15+j1	124+j77	-51-j32	146	219,5	219,0	211,6	190,6	196,6
Откл.ЛЭП №5, вкл.ППТН	152+j101		24+j97	124+j77	-50-j30	100	223,0	231,9	209,2	184,9	191,9
Откл.ЛЭП №6	131+j64	115+j75		8-j4	63+j37	0	218,6	225,6	209,3	216,0	209,6
Откл.ЛЭП №6,вкл.ЛЭП №9	103+j41	76+j44		46+j21	25+j11	65	221,3	218,5	214,9	212,5	210,3
Откл.ЛЭП №6, вкл.ППТН	88+j4	58+j77		64-j10	7+j44	100	224,5	233,2	221,5	224,9	219,8
Откл.ЛЭП №7	122+j68	124+j72	3+j15		71+j34	0	219,8	221,2	210,4	211,5	205,2
Откл.ЛЭП №7,вкл.ЛЭП №9	70+j32	124+j72	-39-j13		71+j34	51	220,8	218,7	216,1	208,9	202,4
Откл.ЛЭП №7, вкл.ППТН	23+j11	123+j71	-78+j36		71+j33	100	226,2	226,6	224,5	216,4	209,2
Откл.ЛЭП №8	198+j117	50+j31	63+j50	71+j35		0	217,9	224,0	202,3	219,9	194,6
Откл.ЛЭП №8,вкл.ЛЭП №9	88+j40	50+j31	-24-j3	71+j34		106	220,8	219,8	214,8	215,6	207,6
Откл.ЛЭП №8, вкл.ППТН	95+j49	50+j31	-19+j68	71+j34		100	225,4	230,5	218,0	226,2	210,1

Общие потери в сети переменного тока включают и потери в ППТН. Поэтому, несмотря на более низкие потери в линии в сравнении с ЛЭП на переменном токе, потери в сети с существенно недогруженной ППТН получаются выше, чем без нее. Так, в режиме с выведенной ППТН суммарные потери в сети составляют 10,5 МВт, а с работающей ППТН от 10,9 до 12,1 МВт. Характерно, что минимум потерь в сети в независимости от реактивных мощностей преобразователей достигается при загрузке ППТН до 40–50 % от номинальной мощности (см. рис. 3).

Несмотря на то, что в рассматриваемой сети в рабочих режимах применение ППТН не приводит к снижению потерь, ее особые свойства позволяют повысить надежность работы сети в аварийных и послеаварийных режимах и снизить ущерб от не-доотпуска электроэнергии. В таблице приведены результаты расчета нескольких послеаварийных режимов сети, возникающих при отключениях линий 4, 5, 6, 7, 8. Отключению каждой из линий соответствует три режима: без связи узлов 3–4, с передачей переменного тока (ЛЭП 9 между узлами 3 и 4) и с ППТН (между узлами 3 и 4).

Так как в нормальном режиме напряжения в узлах оказались ниже нормируемых, и следовательно, в послеаварийных режимах напряжения будут еще ниже, то для увеличения напряжений в узлах сети уставки для режимных параметров ППТН зададим максимальными по генерации реактивных мощностей, но с учетом базовых ограничений: р;в = 100 МВт, QB = 50 МВАр, Qu = 50 МВАр. Во всех послеаварийных режимах с ППТН ее активная мощность неизменна и равна 100 МВт, в то время как линия переменного тока 9 в режимах с выведенными линиями 6 и 7 недогружена, а в режимах с отключенной ЛЭП № 5 перегружена. В первом случае это говорит о недостаточной эффективности передачи, во втором – о риске отключения ее защитой. Примечательно также, что только в режиме без ЛЭП № 5 напряжения в узлах сети выше в вариантах с линией переменного тока. Во всех остальных режимах применение ППТН обеспечивает значительно более высокие уровни напряжения за счет генерации реактивной мощности на преобразовательных подстанциях в узлах 3 и 4.

Заключение

Рассмотрены особенности включения математической модели длительных режимов ППТН в программу расчета 7-узловой сети 220 кВ. На основе анализа нормальных и послеаварийных рабочих режимов сети показана адекватность модели для интеграции в программы расчета режимов сети.

Булатов Б.Г., Гольдштейн М.Е., Корбуков Н.В.

Проведено сравнение включения передачи переменного тока и ППТН в послеаварийных режимах. Разработанная программа рассчитана на применение в учебных целях, а модель ППТН – для интеграции в промышленные программы расчета и оптимизации режимов энергосистем.