Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует моделирование компенсации серии и связанных с ней явлений, таких как подсинхронный резонанс в системе передачи.
Показанная здесь однолинейная схема представляет трехфазную, 60 Гц, 735 кВ энергосистему, передающую мощность от электростанции, состоящей из шести генераторов 350 МВА, в эквивалентную систему через линию передачи 600 км. Линия электропередачи разделена на две линии протяженностью 300 км, соединенные между автобусами B1, B2 и B3.
Система передачи с компенсацией серии и шунта
Для увеличения пропускной способности каждая линия последовательно компенсируется конденсаторами, составляющими 40% реактивного сопротивления линии. Обе линии также компенсируются шунтирующим сопротивлением 330 Мвар. Шунтирующее и последовательное компенсационное оборудование расположено на подстанции B2, где трансформатор 300 MVA-735/230 кВ питает нагрузку 230 kV-250 МВт.
Каждый ряд компенсационных блоков защищен металлоксидными варисторами (MOV1 и MOV2). Два автоматических выключателя линии 1 показаны как CB1 и CB2.
Эта система питания доступна в power_3phseriescomp модель. Загрузите эту модель и сохраните ее в рабочей папке как case1 позволяет вносить дальнейшие изменения в исходную систему.
Сравните Simscape™ Electrical™ Специализированная модель схемы Энергосистем (Компенсированная Ряду Система (power_3phseriescomp)) со схематической диаграммой выше (Ряд, и Шунт Дал компенсацию Системе Передачи). Генераторы моделируются с помощью блока упрощенной синхронной машины. Для моделирования этих двух трансформаторов используются блок трехфазного трансформатора (две обмотки) и блок трехфазного трансформатора (три обмотки). Насыщение осуществляется на трансформаторе, подключенном к шине B2.
Блоки B1, B2 и B3 представляют собой трехфазные блоки измерения V-I, взятые из библиотеки Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements. Эти блоки переформатируются и придаются чёрный цвет фона, чтобы придать им внешний вид шин. Они выводят три напряжения от линии к земле и три тока от линии. Откройте диалоговые окна B1 и B2. Обратите внимание, как блоки программируются для вывода напряжений в pu и токов в pu/100 MVA. Обратите внимание, что сигналы напряжения и тока посылаются во внутренние блоки Goto путем указания меток сигналов. Сигналы принимаются блоками From в подсистеме сбора данных.
Неисправность наносится на линию 1 на стороне линии конденсаторной батареи. Откройте диалоговые окна блока «Трехфазный отказ» и блоков «Трехфазный прерыватель» CB1 и CB2. Узнайте, как указывается начальное состояние выключателя и время переключения. Замыкание линии на землю применяется на фазе А при t = 1 цикле. Два выключателя, которые первоначально замкнуты, затем размыкаются при t = 5 циклов, имитируя обнаружение неисправности и время открытия 4 циклов. Неисправность устраняется при t = 6 циклов, один цикл после открытия линии.
Система с последовательной компенсацией (power_3phseriescomp)
Теперь откройте подсистему Series Compensation1 power_3phseriescomp модель. Трехфазный модуль состоит из трех идентичных подсистем, по одной для каждой фазы. Примечание показывает, как вычисляются значение емкости и уровень защиты MOV. Откройте подсистему Series Compensation1/Phase A. Можно увидеть детали соединений последовательного конденсатора и блока разрядника (переименованного в MOV). Линия передачи на 40% компенсируется конденсатором 62,8 мкФ. Конденсатор защищен блоком MOV. При открытии диалогового окна блока MOV обратите внимание на то, что он состоит из 60 столбцов и что его уровень защиты (заданный при опорном токе 500 А/столбец или 30 кА) установлен на уровне 298,7 кВ. Это напряжение соответствует 2,5-кратному номинальному напряжению конденсатора, полученному при номинальном токе 2 кА RMS.
Параллельно блоку MOV также соединен зазор. Зазор воспламеняется, когда энергия, поглощаемая разрядником, превышает критическое значение 30 МДж. Для ограничения скорости нарастания тока конденсатора при обжиге зазора последовательно подключают демпфирующую RL-цепь. Откройте подсистему зажигания Energy & Gap. Он показывает, как вычисляется энергия, рассеиваемая в MOV, интегрируя мощность (произведение напряжения MOV и тока).
Когда энергия превышает пороговое значение 30 МДж, порядок закрытия посылается в блок прерывателя, имитирующий зазор.
Модуль компенсации серии
Подсистема последовательного Compensation1/PhaseA
Подсистема Series Compensation1/PhaseA/Подача энергии и разрывов
Откройте диалоговое окно 300 MVA 735/230 kV Transformer и обратите внимание, что характеристика насыщения токовым потоком установлена в
[0 0 ; 0.0012 1.2; 1 1.45] in pu
Эти данные представляют собой значения тока и потока в точках 1, 2 и 3 кусочно-линейной аппроксимации кривой связи потока, показанной здесь.
Модель насыщаемого трансформатора
Характеристика «поток-ток» аппроксимируется двумя сегментами, показанными на графике. Точка насыщения колена составляет 1,2 pu. Первый сегмент соответствует намагничивающей характеристике в линейной области (для потоков ниже 1,2 pu). При напряжении 1 pu индуктивный намагничивающий ток составляет 0,0010/1,0 = 0,001 pu, что соответствует 0,1% потерь реактивной мощности.
Потери железного сердечника (потери активной мощности) определяются сопротивлением намагниченности Rm = 1000 pu, что соответствует потерям 0,1% при номинальном напряжении.
Наклон характеристики насыщения в насыщенной области составляет 0,25 pu. Поэтому, принимая во внимание реактивное сопротивление первичной утечки (L1 = 0,15 pu), реактивное сопротивление воздушной сердцевины трансформатора от первичной обмотки составляет 0,4 pu/300 MVA.
Перед выполнением переходных тестов необходимо инициализировать модель для требуемого потока нагрузки. Используйте утилиту нагрузки Powergui для получения активного потока мощности 1500 МВт из машины с напряжением на клеммах 1 pu (13,8 кВ).
Откройте блок Powergui и выберите «Инициализация компьютера». Появится новое окно. В правом верхнем окне отображается имя единственного компьютера, имеющегося в системе. Тип шины должен быть PV Generator и требуемое напряжение на клемме уже должно быть установлено в номинальное напряжение 13800 V. В поле Активная мощность введите 1500e6 в качестве требуемой выходной мощности. Нажмите кнопку Вычислить и применить. Как только поток нагрузки решен, в левом окне обновляются фазоры напряжений машины АВ и ВС, а также токи, протекающие в фазах А и В. Требуемая механическая мощность для привода машины отображается в ваттах и в pu, а требуемое напряжение возбуждения E отображается в pu.
Pmec |
|
E/Vf |
|
Обратите внимание, что блоки констант, содержащие эти два значения, уже подключены к Pm и E входы машинного блока. При открытии диалогового окна Блок станка (Machine block) видно, что исходные условия станка (начальное отклонение скорости dw = 0; внутренний угол тета, текущие значения и фазовые углы) автоматически передаются в последней строке.
После выполнения потока нагрузки можно получить соответствующие измерения напряжения и тока на различных шинах. В блоке Powergui выберите «Установившиеся напряжения и токи». Можно наблюдать, например, фазоры для фазных напряжений А на шинах B1, B2, и B3 и ток, входящий в линию 1 на шине B1.
B1/Va |
|
B2/Va |
|
B3/Va |
|
B1/Ia | 1560 А; 30.50 градусов |
Таким образом, поток активной мощности для фазы А, поступающей в линию 1, составляет
= 464 МВт
соответствует в общей сложности 464 * 3 = 1392 МВт для трех фаз.
Чтобы ускорить моделирование, необходимо дискретизировать систему питания. Время выборки указывается в блоке Powergui как переменная Ts. Время выборки Ts=50e-6 уже был определен в функции инициализации модели в обратных вызовах свойств модели. Время выборки Ts также используется в блоке дискретного интегратора калькулятора энергии MOV, управляющего зазором.
Убедитесь, что параметры моделирования установлены следующим образом.
Время остановки |
|
Тип параметров решателя |
|
Фиксированный размер шага |
|
Убедитесь, что прерыватель отказа запрограммирован на отказ линии «линия-земля» на фазе A. Запустите моделирование и проверьте формы сигналов на трех областях. Эти сигналы показаны здесь.
Результаты моделирования для четырехцикльного замыкания линии на землю в конце линии 1
Моделирование начинается в установившемся состоянии. При цикле t = 1 применяется замыкание линии на землю, и ток замыкания достигает 10 кА (a: trace 3). Во время неисправности MOV проводит на каждой половине цикла (b: след 2), и энергия, рассеиваемая в MOV (b: след 3), накапливает до 13 МДж. При t = 5 циклов линейные защитные реле размыкают выключатели CB1 и CB2 (см. три линейных тока на трассе 2), и энергия остается постоянной при 13 МДж. Поскольку максимальная энергия не превышает пороговый уровень 30 МДж, разрыв не возбуждается. При размыкании прерывателя ток размыкания падает до небольшого значения, и линия и последовательная емкость начинают разряжаться через разлом и шунтирующее реактивное сопротивление. Ток неисправности гаснет при первом пересечении нуля после порядка открытия, заданного выключателю неисправности (t = 6 циклов). Затем последовательный конденсатор прекращает разрядку и его напряжение колеблется около 220 кВ (b: след 1).
Дважды щелкните блок «Трехфазный отказ», чтобы открыть диалоговое окно «Параметры блока». Установите флажки Fase B Fault (отказ фазы B) и Phase C Fault (отказ фазы C), чтобы теперь иметь трехфазный отказ на землю.
Перезапустите моделирование. Показаны результирующие формы сигналов.
Результаты моделирования для четырехтактного трехфазного замыкания на землю в конце линии 1
Следует отметить, что во время отказа энергия, рассеиваемая в MOV (b: trace 3), накапливается быстрее, чем в случае отказа линии-земля. Энергия достигает порогового уровня 30 МДж после трех циклов, за один цикл до открытия линейных выключателей. В результате зазор воспламеняется, и напряжение конденсатора (b: trace 1) быстро разряжается до нуля через схему демпфирования.
Одной из характерных особенностей последовательно-скомпенсированных систем является существование подсистемных режимов (полюсов и нулей полного сопротивления системы ниже основной частоты). Опасные резонансы могут возникнуть, если режимы механического кручения валов турбины/генератора находятся вблизи нулей полного сопротивления системы. Кроме того, высокие подсистемные напряжения, обусловленные полюсами импеданса на подсистемных частотах, приводят трансформаторы в насыщение. Насыщение трансформатора из-за несинхронизированных напряжений иллюстрируется в конце этого примера. Усиление крутящего момента на тепловой машине показано в другом примере (см. power_thermal модель).
Теперь измерьте импеданс положительной последовательности в зависимости от частоты, наблюдаемой из шины B2.
В разделе Анализ простой схемы (Analyze a Simple Circuit) объясняется, как блок измерения импеданса (Impedance Measurement) позволяет вычислять импеданс линейной системы на основе ее модели состояния-пространства. Тем не менее, ваш case1 модель содержит несколько нелинейных блоков (станок и насыщение трансформаторов). При подключении блока измерения импеданса к системе все нелинейные блоки игнорируются. Это правильно для трансформатора, но вы получаете импеданс системы с отключенной машиной. Перед измерением импеданса необходимо заменить блок станка эквивалентным линейным блоком с таким же импедансом.
Удаление блока упрощенной синхронной машины из case1 модель и замените ее на трехфазный блок источника из библиотеки Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Electrical Sources. Откройте диалоговое окно блока и установите параметры следующим образом, чтобы получить такое же значение импеданса (L = 0,22 pu/( 6 * 350 MVA) Коэффициент качества = 15).
Среднеквадратичное напряжение фазы к фазе |
|
Фазовый угол фазы A |
|
Частота (Гц) |
|
Внутреннее соединение Yg | Задать импеданс с помощью уровня короткого замыкания |
Уровень трехфазного короткого замыкания |
|
Базовое напряжение |
|
Отношение X/R |
|
Сохранение измененной модели как case1Zf.
Добавьте в модель блок измерения импеданса из библиотеки Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements. Этот блок используется для измерения импеданса. Подключите два входа этого блока между фазой A и фазой B шины B2. Измерение импеданса между двумя фазами дает в два раза больше импеданса положительной последовательности. Поэтому необходимо применить коэффициент 1/2 к импедансу, чтобы получить правильное значение импеданса. Откройте диалоговое окно и установите коэффициент умножения равным 0,5.
В блоке Powergui выберите «Измерение импеданса». Откроется новое окно с именем блока измерения импеданса. Заполните диапазон частот путем ввода 0:500. Выберите линейные масштабы для отображения графика величины Z и частоты. Нажмите кнопку Сохранить данные в рабочей области и введите Zcase1 в качестве имени переменной, содержащей импеданс или частоту. Нажмите кнопку «Показать».
По завершении расчета величина и фаза как функция частоты отображаются на двух графиках в окне. При просмотре в рабочей области необходимо иметь переменную с именем Zcase1. Это матрица из двух столбцов, содержащая частоту в столбце 1 и комплексный импеданс в столбце 2.
Импеданс как функция частоты (величины и фазы) показан здесь.
Импеданс в сравнении с частотой шины B2
Можно наблюдать три основных режима: 9 Гц, 175 Гц и 370 Гц. Режим 9 Гц в основном обусловлен параллельным резонансом последовательного конденсатора с шунтирующими индукторами. Режимы 175 Гц и 370 Гц обусловлены линией распределенных параметров 600 км. Эти три режима, вероятно, будут возбуждены при устранении неисправности.
Если увеличить импеданс в области 60 Гц, можно найти уровень короткого замыкания системы на B2 шины. При 60 Гц необходимо найти значение 58 Ом, соответствующее мощности трехфазного короткого замыкания (735 кВ) 2/58 = 9314 МВА.
Конфигурация автоматических выключателей подстанции обычно позволяет устранить неисправность шины без потери линий или трансформаторов. Теперь вы изменяете case1 модель для выполнения трехцикльного трехфазного замыкания на землю при B2 шины:
Отключите блок трехфазного отказа и снова подключите его таким образом, чтобы этот отказ был применен к шине B2.
Откройте блок «Трехфазный отказ» и внесите в него следующие изменения:
Фаза A, фаза B, фаза C, замыкания на землю | Все выбранные |
Время перехода | [2/60 5/60] |
Состояние перехода [1, 0, 1...] | (0/1) |
Теперь вы запрограммировали трехфазное замыкание на землю, применяемое при t = 2 циклах.
Откройте диалоговые окна автоматических выключателей CB1 и CB2 и внесите следующие изменения:
Переключение фазы A | Не выбрано |
Переключение фазы B | Не выбрано |
Переключение фазы C | Не выбрано |
Автоматические выключатели больше не переключаются. Они остаются в исходном состоянии (закрыты).
В подсистеме сбора данных вставьте блок селектора в Vabc_B2 выход шины B2, подключенной к области. Задайте для параметра Elements значение 1. Это позволяет четко видеть напряжение фазы А.
Теперь вы добавляете блоки для считывания потока и тока намагничивания насыщаемого трансформатора, подключенного к шине B2.
Добавьте блок мультиметра из библиотеки Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements в свою case1 модель. Откройте диалоговое окно Трансформатор (Transformer). В списке «Измерения» выберите Flux and magnetization current. Откройте блок мультиметра. Проверьте наличие шести сигналов. Выберите поток и ток намагничивания на фазе А и нажмите кнопку ОК.
Теперь на выходе блока мультиметра доступны два сигнала. Используйте блок Demux для отправки этих двух сигналов в области с двумя трассировками.
На вкладке Моделирование (Simulation) щелкните Параметры модели (Model Settings). Выберите Решатель, а затем измените Время остановки на 0.5. Это более длительное время моделирования позволяет наблюдать ожидаемые низкочастотные режимы (9 Гц). Запустите моделирование.
Полученные формы сигналов изображены здесь.
Результаты моделирования трехтактного трехфазного замыкания на землю на шине B2
Синфазный режим 9 Гц, возбуждаемый при устранении неисправности, хорошо виден на напряжении фазы А на шине B2 (дорожка 1) и напряжении конденсатора (дорожка 3). Компонент напряжения 9 Гц, появляющийся на шине B2, приводит трансформатор в состояние насыщения, как показано на токе намагничивания трансформатора (дорожка 5). Поток в фазе А трансформатора нанесен на след 4. При подаче неисправности напряжение на клеммах трансформатора падает до нуля, и поток остается постоянным во время неисправности.
При устранении неисправности, когда напряжение восстанавливается, трансформатор приводится в состояние насыщения в результате смещения потока, создаваемого компонентами напряжения 60 Гц и 9 Гц. Импульсы тока намагничивания трансформатора появляются, когда поток превышает свой уровень насыщения. Этот ток содержит реактивный компонент 60 Гц, модулированный при 9 Гц.