Компенсированная ряду система передачи

Описание системы передачи

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

Однострочная схема, показанная здесь, представляет трехфазное, 60 Гц, степень передачи энергосистемы на 735 кВ из электростанции, состоящей из шесть 350 генераторов MVA к эквивалентной системе через 600-километровую линию электропередачи. Линия электропередачи разделена в две 300-километровых линии, соединенные между шинами B1, B2 и B3.

Ряд и шунт компенсированная система передачи

Чтобы увеличить способность передачи, каждая линия является рядом, компенсированным конденсаторами, представляющими 40% реактивного сопротивления линии. Обе линии являются также шунтом, компенсированным 330 реактивными сопротивлениями шунта Mvar. Оборудование компенсации шунта и ряда расположено в подстанции B2, где 300 MVA-735/230 kV трансформатор питают 230 загрузок kV-250 MW.

Каждый серийный банк компенсации защищен металлически-окисными варисторами (MOV1 и MOV2). Два выключателя линии 1 показывают как CB1 и CB2.

Эта энергосистема доступна в power_3phseriescomp модель. Загрузите эту модель и сохраните ее в вашей рабочей директории как case1 позволить дальнейшие модификации исходной системе.

Сравните Simscape™ Electrical™ Специализированная модель схемы Энергосистем (Компенсированная Ряду Система (power_3phseriescomp)) с принципиальной схемой выше (Ряд и Шунт Компенсированная Система Передачи). Генераторы симулированы с блоком Simplified Synchronous Machine. Блок Three-Phase Transformer (Two Windings) и блок Three-Phase Transformer (Three Windings) используются, чтобы смоделировать эти два трансформатора. Насыщение реализовано на трансформаторе, соединенном в шине B2.

B1, B2 и блоки B3 являются блоками Three-Phase V-I Measurement, взятыми из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Measurements. Эти блоки переформатированы и даны черный цвет фона, чтобы дать им внешний вид собирательных шин. Они выводят три напряжения линии к земле и три тока линии. Откройте диалоговые окна B1 и B2. Отметьте, как блоки запрограммированы, чтобы вывести напряжения в pu и токи в pu/100 MVA. Заметьте также, что напряжение и текущие сигналы отправляются во внутренние блоки Goto путем определения меток сигнала. Сигналы приняты блоками From в подсистеме Сбора данных.

Отказ применяется на линию 1 на сторону линии батареи конденсаторов. Откройте диалоговые окна блока Three-Phase Fault и блоков CB1 и CB2 Three-Phase Breaker. Смотрите, как начальное состояние прерывателя и время переключения задано. Линия к замыканию на землю применяется на фазу A в t = 1 цикл. Два выключателя, которые первоначально закрываются, затем открыты в t = 5 циклов, симулируя обнаружение отказа и время открытия 4 циклов. Отказ устраняется в t = 6 циклов, один цикл после открытия линии.

Компенсированная ряду система (power_3phseriescomp)

Серия Compensation1 Подсистема

Теперь откройте подсистему Серии Compensation1 power_3phseriescomp модель. Трехфазный модуль состоит из трех идентичных подсистем, один для каждой фазы. Примечание указывает, как значение емкости и уровень защиты MOV вычисляются. Откройте Серию Compensation1/Phase подсистема. Вы видите детали связей последовательного конденсатора, и блок Surge Arrester (переименовал MOV). Линия электропередачи является 40%-м рядом, компенсированным конденсатором на 62,8 мкФ. Конденсатор защищен блоком MOV. Если вы открываете диалоговое окно блока MOV, заметьте, что это состоит из 60 столбцов и что его уровень защиты (заданный в ссылочном токе общего количества на 30 кА или на 500 А/столбцы) установлен на уровне 298,7 кВ. Это напряжение соответствует 2.5 раза номинальному конденсаторному напряжению, полученному в номинальном токе RMS на 2 кА.

Разрыв также соединяется параллельно с блоком MOV. Разрыв запущен, когда энергия, поглощенная разрядником скачка, превышает критическое значение 30 МДж. Чтобы ограничить уровень повышения конденсаторного тока, когда разрыв запущен, затухание, схема RL соединяется последовательно. Откройте энергию & подсистему увольнения Разрыва. Это показывает, как вы вычисляете энергию, рассеянную в MOV путем интеграции степени (продукт напряжения MOV и текущий).

Когда энергия превышает порог на 30 МДж, заключительный заказ отправлен с блоком Breaker, симулирующим разрыв.

Серийный модуль компенсации

Серия Compensation1/PhaseA Подсистема

Серия Compensation1/PhaseA Подсистема/Энергия и Увольнение Разрыва

Трехфазная насыщаемая модель трансформатора

Откройте 300 MVA 735/230 kV диалоговое окно Transformer и заметьте, что характеристика насыщения текущего потока установлена в

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

Эти данные являются текущими значениями и значениями потока в точках 1, 2 и 3 из кусочной линейной аппроксимации к кривой потокосцепления, показанной здесь.

Насыщаемая модель трансформатора

Текущая потоком характеристика аппроксимирована этими двумя сегментами, показанными в графике здесь. Точка колена насыщения является 1.2 pu. Первый сегмент соответствует характеристике намагничивания в линейной области (для потоков ниже 1.2 pu). При 1 pu напряжении индуктивное текущее намагничивание является 0.0010/1.0 = 0.001 pu, соответствуя потерям реактивной мощности на 0,1%.

Железные базовые потери (потери активной мощности) заданы Комнатой сопротивления намагничивания = 1000 pu, соответствуя потерям на 0,1% при номинальном напряжении.

Наклон характеристики насыщения во влажной области является 0.25 pu. Поэтому учитывая первичное реактивное сопротивление утечки (L1 = 0.15 pu), воздушное реактивное сопротивление ядра трансформатора, замеченного по первичной обмотке, является 0.4 pu/300 MVA.

Установка начального потока загрузки и получение устойчивого состояния

Прежде, чем выполнить переходные тесты, необходимо инициализировать модель для желаемого потока загрузки. Используйте утилиту потока загрузки Powergui, чтобы получить поток активной мощности 1 500 МВт из машины с терминальным напряжением 1 pu (13,8 кВ).

Откройте блок Powergui и выберите Machine Initialization. Появляется новое окно. В верхнем правом окне у вас есть имя единственной машины, существующей в вашей системе. Его Типом шины должен быть PV Generator и желаемое Терминальное Напряжение должно уже быть установлено в номинальное напряжение 13800 V. В поле Active Power введите 1500e6 как желаемая выходная мощность. Нажмите кнопку Compute и Apply. Если поток загрузки решен, фазовращатели AB и напряжений машины BC, а также токов, текущих в фазах A, и B обновляются в левом окне. Необходимая механическая энергия управлять машиной отображена в ваттах и в pu, и необходимое напряжение возбуждения E отображено в pu.

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

Заметьте, что блоки Constant, содержащие эти два значения, уже соединяются с Pm и E входные параметры блока машины. Если вы открываете диалоговое окно блока Machine, вы видите что начальные условия машины (начальный собственный вес отклонения скорости = 0; внутренняя угловая theta, текущие величины и углы фазы), автоматически передаются в последней линии.

Если поток загрузки выполняется, можно получить соответствующее напряжение и текущие измерения в различных шинах. В блоке Powergui выберите Steady State Voltages и Currents. Можно наблюдать, например, фазовращатели для фазы напряжения в шинах B1, B2, и B3 и текущая линия ввода 1 в 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	1 560 А; 30,50 градуса

Поток активной мощности для фазы линия ввода 1 поэтому

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

соответствие в общей сложности 464 * 3 = 1 392 МВт для этих трех фаз.

Эффективность переходного процесса для повреждения линии

Чтобы ускорить симуляцию, необходимо дискретизировать энергосистему. Шаг расчета задан в блоке Powergui как переменная Ts. Шаг расчета Ts=50e-6 был уже задан в функции Инициализации Model в Коллбэках Model Properties. Шаг расчета Ts также используется в блоке Discrete Integrator энергетического калькулятора MOV, управляющего разрывом.

Убедитесь, что параметры симуляции устанавливаются можно следующим образом.

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

Линия к замыканию на землю, прикладная на линии 1

Убедитесь, что прерыватель отказа запрограммирован для линии к замыканию на землю на фазе A. Запустите симуляцию и наблюдайте формы волны относительно трех осциллографов. Эти формы волны показывают здесь.

Результаты симуляции для линии к замыканию на землю с четырьмя циклами в конце линии 1

Симуляция запускается в устойчивом состоянии. В t = 1 цикл, линия к замыканию на землю применяется и отказ текущие пределы 10 кА (a: проследите 3). Во время отказа MOV проводит в каждой половине цикла (b: проследите 2) и энергия, рассеянная в MOV (b: трассировка 3) создает до 13 МДж. В t = 5 циклов реле защиты линии открывают прерыватели CB1 и CB2 (см. три тока линии на трассировке 2), и энергия остается постоянной в 13 МДж. Когда максимальная энергия не превышает пороговый уровень на 30 МДж, разрыв не запущен. При размыкании контактов разъединителя отказ текущие спады до маленького значения и линии и серийной емкости начинает разряжаться через отказ и реактивное сопротивление шунта. Текущий отказ гасит в первом нуле, пересекающемся после вводного распоряжения, данного прерывателю отказа (t = 6 циклов). Затем последовательный конденсатор прекращает разряжаться, и его напряжение колеблется приблизительно 220 кВ (b: проследите 1).

Три фазы к замыканию на землю, прикладному на линии 1

Дважды кликните блок Three-Phase Fault, чтобы открыть диалоговое окно Block Parameters. Установите флажки Phase B Fault и Phase C Fault, так, чтобы у вас теперь было три фазы к замыканию на землю.

Перезапустите симуляцию. Получившиеся формы волны показывают.

Результаты симуляции для трех фаз с четырьмя циклами к замыканию на землю в конце линии 1

Обратите внимание на то, что во время отказа энергия, рассеянная в MOV (b: трассировка 3) растет быстрее, чем в случае линии к замыканию на землю. Энергия достигает порогового уровня на 30 МДж после трех циклов, один цикл перед открытием прерывателей линии. В результате разрыв запущен и конденсаторное напряжение (b: проследите 1) быстро выбросы, чтобы обнулить через схему затухания.

Анализ частоты

Одна конкретная характеристика компенсированных ряду систем является существованием подсинхронных режимов (полюса и нули системного импеданса ниже основной частоты). Опасные резонансы могут произойти, если механические режимы скрученности валов турбины/генератора около нулей системного импеданса. Кроме того, высокие подсинхронные напряжения из-за полюсов импеданса на подсинхронных частотах управляют трансформаторами в насыщение. Насыщение трансформатора из-за подсинхронных напряжений проиллюстрировано в конце этого тематического исследования. Усиление крутящего момента на тепловой машине проиллюстрировано в другом примере (см. power_thermal модель).

Теперь измерьте импеданс положительной последовательности по сравнению с частотой, замеченной по шине B2.

Раздел Analyze a Simple Circuit объясняет, как блок Impedance Measurement позволяет вам вычислять импеданс линейной системы от ее модели в пространстве состояний. Однако ваш case1 модель содержит несколько нелинейных блоков (машина и насыщение трансформаторов). Если вы соединяете блок Impedance Measurement со своей системой, все нелинейные блоки проигнорированы. Это правильно для трансформатора, но вы получаете импеданс системы с отключенной машиной. Прежде, чем измерить импеданс, необходимо поэтому заменить блок машины на эквивалентный линейный блок, имеющий тот же импеданс.

Удалите блок Simplified Synchronous Machine из своего case1 модель и замена это с блоком Three-Phase Source из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Sources. Откройте диалоговое окно блока и установите параметры можно следующим образом, чтобы получить то же значение импеданса (L = 0.22 pu/(6 * 350 MVA) Добротность = 15).

Напряжение RMS от фазы к фазе	`13.8e3`
Phase angle фазы A	0
Частота (Гц)	60
Внутренняя связь Yg	Задайте импеданс с помощью уровня короткой схемы
3-фазовый уровень короткой схемы	`6*350e6`
Базовое напряжение	`13.8e3`
Отношение X/R	15

Сохраните свою модифицированную модель как case1Zf.

Добавьте блок Impedance Measurement из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Sensors and Measurements в вашу модель. Этот блок используется, чтобы выполнить измерение импеданса. Соедините два входных параметров этого блока между фазой A и фазой B шины B2. Измерение импеданса между двумя фазами дает два раза импеданс положительной последовательности. Поэтому необходимо применить фактор 1/2 к импедансу, чтобы получить правильное значение импеданса. Откройте диалоговое окно и установите коэффициент умножения на 0,5.

В блоке Powergui выберите Impedance Measurement. Новое окно открывается, показывая ваше имя блока Impedance Measurement. Заполните частотный диапазон путем ввода 0:500. Выберите линейные шкалы, чтобы отобразить величину Z по сравнению с частотным графиком. Нажмите данные о Save к кнопке рабочей области и введите Zcase1 как имя переменной, чтобы содержать импеданс по сравнению с частотой. Кликните по Кнопке отображения.

Когда вычисление закончено, величина и фаза в зависимости от частоты отображены в этих двух графиках на окне. Если вы смотрите в своей рабочей области, у вас должна быть переменная под названием Zcase1. Это - матрица 2D столбца, содержащая частоту в столбце 1 и комплексный импеданс в столбце 2.

Импеданс в зависимости от частоты (величина и фаза) показывают здесь.

Импеданс по сравнению с частотой, замеченной по шине B2

Можно наблюдать три основных режима: 9 Гц, 175 Гц и 370 Гц. Режим на 9 Гц происходит в основном из-за параллельного резонанса последовательного конденсатора с индукторами шунта. Режимы на 370 Гц и на 175 Гц происходят из-за 600-километровой линии распределенного параметра. Эти три режима, вероятно, будут взволнованы очисткой отказа.

Если вы увеличиваете масштаб импеданса в области на 60 Гц, можно найти уровень короткой схемы системы в шине B2. Необходимо найти значение 58 Ω на уровне 60 Гц, соответствуя трехфазной степени короткой схемы (735 кВ)² / 58 = 9314 MVA.

Эффективность переходного процесса для отказа в шине B2

Настройка выключателей подстанции обычно позволяет очищать отказ в шине, не теряя линии или трансформаторы. Вы теперь изменяете свой case1 модель, чтобы выполнить с тремя циклами, три фазы к замыканию на землю в шине B2:

Отключите блок Three-Phase Fault и повторно подключите его так, чтобы отказ был теперь применен на шину B2.
Откройте блок Three-Phase Fault и сделайте следующие модификации в его диалоговом окне:

Фаза A, фаза B, фаза C, замыкания на землю
Все выбранные
Время перехода
[2/60 5/60]
Состояние Transition [1, 0, 1...]
(0/1)

Вы теперь запрограммировали три фазы к замыканию на землю, примененному в t = 2 цикла.
Откройте диалоговые окна выключателей CB1 и CB2 и сделайте следующие модификации:

Переключение фазы A
Не выбранный
Переключение фазы B
Не выбранный
Переключение фазы C
Не выбранный

Выключатели больше не переключаются. Они остаются в своем (закрытом) начальном состоянии.
В подсистеме Сбора данных вставьте блок Selector в Vabc_B2 выход шины B2, соединенный с осциллографом. Установите параметр Элементов на 1. Это позволяет вам видеть фазу напряжение ясно на осциллографе.
Вы теперь добавляете блоки, чтобы считать поток и намагничивание, текущее из насыщаемого трансформатора, соединенного в шине B2.
Добавьте блок Multimeter из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Sensors and Measurements в ваш case1 модель. Откройте диалоговое окно Transformer. В списке Измерений выберите Flux and magnetization current. Откройте блок Multimeter. Проверьте, что вы имеете шесть сигналов в наличии. Выберите поток и намагничивание, текущее на фазе A, и нажмите ОК.
Вы теперь имеете два сигнала в наличии при выходе блока Multimeter. Используйте блок Demux, чтобы отправить эти два сигнала на осциллографе 2D трассировки.
Во вкладке Simulation нажмите Model Settings. Выберите Solver и затем измените Stop time в 0.5. Это более длинное время симуляции позволяет вам наблюдать ожидаемые низкочастотные режимы (9 Гц). Запустите симуляцию.

Подсинхронный режим на 9 Гц, взволнованный очисткой отказа, ясно замечен на фазе напряжение в шине B2 (проследите 1), и конденсаторное напряжение (прослеживают 3). Компонент напряжения на 9 Гц, появляющийся в шине, B2 управляет трансформатором в насыщение, как показано на трансформаторе, намагничивающем текущий (прослеживают 5). Поток в фазе A трансформатора построен на трассировке 4. В приложении отказа опускается до нуля напряжение на терминалах трансформатора, и поток останавливается постоянным во время отказа.

При очистке отказа, когда напряжение восстанавливается, трансформатор управляется в насыщение в результате смещения потока, созданного компонентами напряжения на 9 Гц и на 60 Гц. Импульсы трансформатора, намагничивающего текущий, появляются, когда поток превышает свой уровень насыщенности. Этот ток содержит реактивный компонент на 60 Гц, модулируемый на уровне 9 Гц.

Документация