Последовательно компенсированная система передачи

Описание системы передачи

Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует моделирование последовательной компенсации и связанных с ней явлений, таких как подсинхронный резонанс в системе передачи.

Показанная здесь однолинейная схема представляет трехфазную, 60 Гц, 735 кВ степени систему, передающую степень от степени объекта, состоящей из шести генераторов 350 МВА к эквивалентной системе через 600 км линии электропередачи. Линия электропередачи разделена на две 300-километровые линии, соединенные между шинами B1, B2 и B3.

Последовательно и шунтируемая компенсированная система передачи

Для увеличения пропускной способности каждая линия последовательно компенсируется конденсаторами, представляющими 40% реактивного напряжения линии. Обе линии также скомпенсированы реактивным сопротивлением 330 Mvar. Оборудование шунта и последовательной компенсации расположено на B2 подстанции, где трансформатор 300 MVA-735/230 кВ питает нагрузку 230 kV-250 МВт.

Каждый последовательный компенсационный банк защищен металлоксидными варисторами (MOV1 и MOV2). Два выключателя линии 1 показаны как CB1 и CB2.

Эта степень доступна в power_3phseriescomp модель. Загрузите эту модель и сохраните ее в рабочей директории как case1 для дальнейшего изменения исходной системы.

Сравните модель схемы Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems (Series-Compensated System (power_3phseriescomp)) с приведенной выше принципиальной схемой (Series and Shunt Compensated Transmission System). Генераторы моделируются блоком Simplified Synchronous Machine. Блок Three-Phase Transformer (Two Windings) и блок Three-Phase Transformer (Three Windings) используются для моделирования двух трансформаторов. Насыщение реализовано на трансформаторе, подключенном к шине B2.

B1, B2 и блоки B3 - Three-Phase V-I Measurement блоки, взятые от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Measurements библиотека. Эти блоки переформатированы и имеют черный цвет фона, чтобы придать им внешний вид шин. Они выводят три напряжения от линии до земли и три тока линии. Откройте диалоговые окна B1 и B2. Обратите внимание, как блоки запрограммированы на вывод напряжений в pu и токах в pu/100 MVA. Заметьте также, что сигналы напряжения и тока передаются во внутренние блоки Гото путем определения меток сигнала. Сигналы захватываются блоками From в Подсистеме Сбора Данных.

Отказ применяется к линии 1, со стороны линии блока конденсаторов. Откройте диалоговые окна блока Three-Phase Fault и блоков Three-Phase Breaker CB1 и CB2. Посмотрите, как заданы начальное состояние выключателя и время переключения. Отказ от линии до земли применяется к фазе A при цикле t = 1. Два выключателя, которые первоначально закрыты, затем открываются при t = 5 циклах, симулируя обнаружение отказа и время открытия 4 циклов. Отказ устраняется при t = 6 циклах, один цикл после открытия линии.

Система с последовательной компенсацией (power_3phseriescomp)

Последовательная Compensation1 подсистема

Теперь откройте подсистему Compensation1 Series power_3phseriescomp модель. Трехфазный модуль состоит из трех одинаковых подсистем, по одной для каждой фазы. Примечание указывает, как вычисляются значение емкости и уровень защиты MOV. Откройте подсистему Series Compensation1/Phase A. Вы можете увидеть детали соединений последовательного конденсатора и блока Surge Arrester (переименованного в MOV). Серия линии электропередачи 40% компенсируется конденсатором на 62,8 мкФ. Конденсатор защищен блоком MOV. Если вы открываете диалоговое окно блока MOV, заметьте, что он состоит из 60 столбцов и что его уровень защиты (заданный при ссылке токе 500 А/столбец или всего 30 кА) установлен на 298,7 кВ. Это напряжение соответствует 2,5-кратному номинальному напряжению конденсатора, полученному при номинальном токе 2 кА RMS.

Зазор также соединяется параллельно с блоком MOV. Зазор запускается, когда энергия, поглощенная разрядником, превышает критическое значение 30 МДж. Чтобы ограничить скорость нарастания тока конденсатора при срабатывании зазора, последовательно соединяется демпфирующая RL-цепь. Откройте подсистему включения Energy & Gap. Это показывает, как вы вычисляете энергию, рассеянную в MOV, путем интегрирования степени (продукт напряжения MOV и тока).

Когда энергия превышает порог 30 МДж, в блок Breaker посылается порядок закрытия, симулирующий зазор.

Модуль последовательной компенсации

Последовательная Compensation1/PhaseA подсистема

Последовательность Compensation1/PhaseA подсистема/энергия и срабатывание разрыва

Модель трехфазного насыщаемого трансформатора

Откройте диалоговое окно трансформатора 300 MVA 735/230 кВ и заметьте, что характеристика насыщения током установлена на

[0 0 ; 0.0012 1.2; 1 1.45] in pu

Эти данные являются значениями тока и потока в точках 1, 2 и 3 кусочно-линейного приближения к кривой редактирования, показанной здесь.

Модель насыщаемого трансформатора

Характеристика тока потока аппроксимируется двумя сегментами, показанными на графике здесь. Насыщение коленной точки составляет 1,2 пу. Первый сегмент соответствует намагниченной характеристике в линейной области (для потоков ниже 1,2 pu). При напряжении 1 пу индуктивный ток намагничивания составляет 0,0010/1,0 = 0,001 пу, что соответствует 0,1% потерь реактивной степени.

Потери железного сердечника (потери активной степени) определяются сопротивлением намагниченности Rm = 1000 pu, соответствующим потерям 0,1% при номинальном напряжении.

Наклон характеристики насыщения в насыщенной области составляет 0,25 пу. Поэтому, принимая во внимание реактивное сопротивление первичных утечек (L1 = 0,15 pu), реактивное сопротивление воздушного ядра трансформатора, наблюдаемое от первичной обмотки, составляет 0,4 pu/300 MVA.

Установка начального потока нагрузки и получение устойчивого состояния

Перед выполнением переходных тестов вы должны инициализировать модель для желаемого потока нагрузки. Используйте утилиту потока нагрузки Powergui, чтобы получить активный поток степени 1500 МВт из машины с контактным напряжением 1 пу (13,8 кВ).

Откройте блок Powergui и выберите Machine Initialization. Появится новое окно. В верхнем правом окне у вас есть имя единственной машины, присутствующей в вашей системе. Тип шины должен быть PV Generator и требуемое Напряжение Контакта уже должно быть установлено на номинальное напряжение 13800 V. В поле Active Power введите 1500e6 как желаемая выходная степень. Нажмите кнопку «Вычислить и применить». Когда поток нагрузки решен, фазоры напряжений AB и BC машины, а также токи, протекающие в фазах A и B, обновляются в левом окне. Необходимая механическая степень для управления машиной отображается в ваттах и в pu, а необходимое напряжение возбуждения E отображается в pu.

Pmec	`1.5159e9 W [0.72184 pu]`
E/Vf	`1.0075 pu`

Заметьте, что блоки Constant, содержащие эти два значения, уже связаны с Pm и E входы блока машины. Если вы открываете диалоговое окно блока Machine, вы видите, что начальные условия машины (начальное отклонение скорости dw = 0; внутренний угол theta, текущие величины и фаза углы) автоматически передаются в последней линии.

После выполнения потока нагрузки можно получить соответствующие измерения напряжения и тока на различных шинах. В блоке Powergui выберите «Статические напряжения и токи». Можно наблюдать, например, фазоры для напряжений фазы А в шинах B1, B2, и B3 и ток, входящий в линию 1 на шине B1.

B1/Va	`6.088e5 V` ; `18.22 degrees`
B2/Va	`6.223e5 V` ; `9.26 degrees`
B3/Va	`6.064e5 V` ; `2.04 degrees`
B1/Ia	1560 А; 30.50 степеней

Поэтому активный поток степени для фазы A, входящей в линию 1,

$P_{a} = V_{a} \cdot I_{a} \cdot \cos (φ_{a}) = \frac{608.8 k V}{\sqrt{2}} \cdot \frac{1.56 k A}{\sqrt{2}} \cdot \cos (30.50. - 18.22) = 464 M W$

соответствует в общей сложности 464 * 3 = 1392 МВт для трех фаз.

Эффективность переходного процесса при отказе линии

Чтобы ускорить симуляцию, необходимо дискретизировать степень. Значение шага расчета задается в блоке Powergui как переменная Ts. Шага расчета Ts=50e-6 уже был определен в функции инициализации модели в коллбэках свойств модели. Шага расчета Ts также используется в блоке Discrete Integrator вычислителя энергии MOV, управляющего зазором.

Убедитесь, что параметры симуляции установлены следующим образом.

Время остановки	`0.2`
Тип опций решателя	`Fixed-step; discrete (no continuous state)`
Фиксированный размер шага	`Ts`

Отказ линии на землю, примененный к линии 1

Убедитесь, что выключатель запрограммирован на отказ линии до земли на фазе А. Запустите симуляцию и наблюдайте формы волны на трёх возможностях. Эти формы волны показаны здесь.

Результаты симуляции для отказа линии на землю в конце линии 1

Симуляция начинается в установившемся состоянии. В цикле t = 1 прикладывается отказ «линия-земля», и ток отказа достигает 10 кА (a: trace 3). Во время отказа MOV проводит в каждой половине цикла (b: trace 2), и энергия, рассеянная в MOV (b: trace 3), накапливается до 13 МДж. При t = 5 циклах линии реле защиты открывают выключатели CB1 и CB2 (см. три линии тока на дорожке 2), и энергия остается постоянной на уровне 13 МДж. Поскольку максимальная энергия не превышает пороговый уровень 30 МДж, зазор не запускается. При открытии выключателя ток отказа падает до небольшого значения, и линия и последовательная емкость начинают разряжаться через отказ и шунтируемое реактивное сопротивление. Ток отказа гаснет при первом пересечении нуля после порядка открытия, заданного выключателю (t = 6 циклов). Затем последовательный конденсатор останавливает разряд и его напряжение колеблется около 220 кВ (b: trace 1).

Три Фазы - отказ на землю, примененный к линии

Дважды кликните Three-Phase Fault блок, чтобы открыть диалоговое окно Параметров блоков. Установите флажки Fase B Fault и Phase C Fault, чтобы теперь иметь отказ от трех фаз до земли.

Перезапустите симуляцию. Показаны получившиеся формы волны.

Результаты симуляции для четырехтактного отказа от трех фаз до земли в конце линии 1

Обратите внимание, что во время отказа энергия, рассеянная в MOV (b: trace 3), накапливается быстрее, чем в случае отказа линии к земле. Энергия достигает 30 МДж порогового уровня после трех циклов, за один цикл до открытия линейных выключателей. В результате зазор срабатывает, и напряжение конденсатора (b: trace 1) быстро разряжается до нуля через схему демпфирования.

Частотный анализ

Одной из особых характеристик последовательно компенсируемых систем является существование подсинхронных режимов (полюсов и нулей импеданса системы ниже основной частоты). Опасные резонансы могут возникнуть, если механические режимы кручения валов турбины/генератора находятся рядом с нулями импеданса системы. Кроме того, высокие подсинхронные напряжения от полюсов импеданса на подсинхронных частотах приводят трансформаторы в насыщение. Насыщение трансформатора от подсинхронных напряжений проиллюстрировано в конце этого примера. Усиление крутящего момента на тепловой машине проиллюстрировано в другом примере (см. power_thermal модель).

Теперь измерьте импеданс положительной последовательности по сравнению с частотой, наблюдаемой из B2 шины.

Раздел Анализ простой схемы объясняет, как блок Impedance Measurement позволяет вам вычислить импеданс линейной системы из ее модели пространства состояний. Однако ваша case1 модель содержит несколько нелинейных блоков (машина и насыщение трансформаторов). Если вы соединяете блок Измерение с вашей системой, все нелинейные блоки игнорируются. Это правильно для трансформатора, но вы получаете импеданс системы с отключенной машиной. Перед измерением импеданса необходимо заменить блок машины эквивалентным линейным блоком с таким же импедансом.

Удалите блок Упрощенной Синхронной Машины из case1 модель и заменяет его Three-Phase Source блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Electrical Sources библиотека. Откройте диалоговое окно блока и установите параметры следующим образом, чтобы получить то же значение импеданса (L = 0,22 pu/( 6 * 350 MVA) Коэффициент качества = 15).

Преобразование напряжения rms в фазу	`13.8e3`
Phase angle фазы A	`0`
Частота (Гц)	`60`
Внутреннее соединение Yg	Задайте импеданс с помощью уровня короткой схемы
3-фазный уровень короткой схемы	`6*350e6`
Базовое напряжение	`13.8e3`
Отношение X/R	`15`

Сохраните измененную модель как case1Zf.

Добавьте Impedance Measurement блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Measurements библиотека в Вашу модель. Этот блок используется для выполнения измерения импеданса. Соедините два входа этого блока между фазой A и фазой B B2 шины. 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 Impedance Measurement. Откроется новое окно, в котором будет показано имя блока Измерение. Заполните частотную область значений путем ввода 0:500. Выберите линейные шкалы для отображения величины Z по сравнению с частотными графиками. Нажмите кнопку Сохранить данные в рабочей области и введите Zcase1 как имя переменной, содержащей импеданс по сравнению с частотой. Нажмите кнопку «Отобразить».

Когда вычисление закончено, величина и фаза как функция от частоты отображаются в двух графиках окна. Если вы смотрите в своей рабочей области, у вас должна быть переменная с именем Zcase1. Это двухколоночная матрица, содержащая частоту в столбце 1 и комплексное сопротивление в столбце 2.

Импеданс как функция от частоты (величина и фаза) показан здесь.

Импеданс по сравнению с частотой, наблюдаемой от B2 шины

Можно наблюдать три основных режима: 9 Гц, 175 Гц и 370 Гц. Режим 9 Гц в основном обусловлен параллельным резонансом последовательного конденсатора с поперечными индуктивностями. Режимы 175 Гц и 370 Гц обусловлены распределенной линией параметров 600 км. Эти три режима, вероятно, будут возбуждены при устранении отказа.

Если вы увеличиваете импеданс в области 60 Гц, можно найти уровень короткой схемы системы на шине B2. Вы должны найти значение 58 Ом при 60 Гц, соответствующее трехфазной степени короткой схемы (735 кВ)² / 58 = 9314 МВА.

Эффективность переходного процесса при отказе при B2 шины

Строение выключателей подстанции обычно позволяет устранить отказ шины, не теряя ни линий, ни трансформаторов. Теперь вы изменяете свои case1 модель для выполнения трехтактного отказа от трех фаз до заземления при B2 шины:

Отсоедините блок Three-Phase Fault и снова соедините его так, чтобы отказ теперь применялся к B2 шины.
Откройте блок «Трехфазный отказ» и внесите в его диалоговое окно следующие изменения:

Фаза A, фаза B, фаза C, отказы заземления
Все выбранные
Время перехода
[2/60 5/60]
Статус перехода [1, 0, 1...]
(0/1)

Теперь вы запрограммировали отказ от трех фаз до земли, примененный в циклах t = 2.
Откройте диалоговые окна CB1 и CB2 выключателей и внесите следующие изменения:

Переключение фазы A
Не выбран
Переключение фазы B
Не выбран
Переключение фазы C
Не выбран

Выключатели больше не коммутируются. Они остаются в своем начальном состоянии (закрыты).
В Подсистему Сбора данных вставьте блок Selector в Vabc_B2 выход шины B2, соединенной с возможностями. Установите параметр Elements равным 1. Это позволяет вам четко видеть напряжение фазы A на возможностях.
Теперь вы добавляете блоки, чтобы считать поток и ток намагничивания насыщающегося трансформатора, подключенного к шине B2.
Добавьте Multimeter блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Measurements библиотека в Ваш case1 модель. Откройте диалоговое окно « Трансформатор». В списке « Измерениях» выберите Flux and magnetization current. Откройте блок Multimeter. Проверьте, что у вас есть шесть доступных сигналов. Выберите поток и ток намагниченности на фазе A и нажмите OK.
Теперь у вас есть два сигнала, доступных на выходе блока Multimeter. Используйте блок Demux, чтобы послать эти два сигнала на двухтракционных возможностях.
На вкладке Simulation нажмите Model Settings. Выберите Solver, а затем измените Stop time на 0.5. Это более длительное время симуляции позволяет наблюдать ожидаемые низкочастотные режимы (9 Гц). Запустите симуляцию.

Получившиеся формы волны строятся здесь.

Результаты симуляции для трехфазного отказа от трех фаз до земли на шине B2

Подсинхронный режим 9 Гц, возбуждаемый при устранении отказа, четко виден на напряжении фазы А на шине B2 (трассировка 1) и напряжении конденсатора (трассировка 3). Компонент напряжения 9 Гц, появляющийся в шине B2, приводит трансформатор в насыщение, как показано на токе намагничивания трансформатора (трассировка 5). Поток в фазе A трансформатора построен на графике 4. При отказе напряжение на клеммах трансформатора падает до нуля, и поток остается постоянным во время отказа.

При устранении отказа, когда напряжение восстанавливается, трансформатор приводится в насыщение в результате смещения потока, созданного компонентами напряжения 60 Гц и 9 Гц. Импульсы тока намагничивания трансформатора появляются, когда поток превышает уровень насыщения. Этот ток содержит реактивный компонент с частотой 60 Гц, модулируемый с частотой 9 Гц.

Документация