Эффективное управление продольной компенсацией – путь к повышению устойчивости электроэнергетической системы

1. X X I конференция «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России –2012»

Эффективное управление продольной
компенсацией – путь к повышению
устойчивости электроэнергетической
системы.
Е.Н. Колобродов (ОАО «ВНИИР»)
Москва 29-31 мая 2012 г.

2. План доклада

Обзор и анализ существующих решений.
Усовершенствованный метод регулирования
устройством продольной компенсации.
Исследования на модели сети.
Заключение.

3.

Обзор существующих решений.
Открывающиеся возможности и проблемы
Стандартный состав УУПК:
• батарея конденсаторов;
• ограничитель перенапряжений;
• тиристорный блок;
• шунтирующие выключатели;
• реактор;
• разъединители.
Возможности УУПК:
регулирование пропускной
способности активно-адаптивной
сети;
демпфирование колебаний
мощности в ЭЭС;
снижение вероятности
возникновения подсинхронного
резонанса и др.
4
6
6
3
Возникающие проблемы:
• динамическое изменение
параметров линии с УУПК;
• инверсии напряжения или тока;
• низкочастотные колебания в
начальный момент КЗ и др.

4.

Обзор существующих решений.
Установка УУПК на линиях
Внедрения УУПК в мире
№
Страна
Место установки
Напряжени
е, кВ
Решаемые задачи
1
США
ПС Kayenta, Аризона
230
Повышение пропускной способности
2
США
ПС C.J.Slatt,
500
Управление мощностью, передаваемой по линии
3
Швеция
Stode
400
Гашение SSR
4
Бразилия
ПС Imperatriz и Sarra de
Mesa
500
Гашение межсистемных колебаний
5
Китай
ПС Pinguo
500
Гашение низкочастотных колебаний и
повышение устойчивости системы
6
Индия
ПС Raipur
400
Гашение межсистемных колебаний, повышение
пропускной способности
7
Китай
Северо-Западная ЭЭС
Китая
220
Гашение низкочастотных колебаний и
повышение устойчивости системы
Планируемые места установок УУПК в РФ
№
Место установки
Напряжение
Решаемые задачи
1
ВЛ Саяно-Шушенская ГЭС
- Новокузнецк
500 кВ
Повышение устойчивости системы в послеаварийных
режимах, гашение колебаний
2
Транзит Кола-Корелия
330 кВ
Создание совместно с другими устройствами FACTS
активно-адаптивной сети

5.

Обзор существующих решений.
Традиционные алгоритмы управления
• Контроль установившегося режима:
– прямое задание сопротивления;
– ПИ – регулятор (контроль Р или
угла δ ).
P'Σ(δ) при изменении степени
компенсации УУПК
P,
о.е.
Y2изм
P'Σ(δ) при изменении степени
компенсации УУПК
ХΣ-ΔХΣ
XPOD
Управление тиристорами
УУПК
Xmax
+
Определение степени
компенсации
Y1изм
Yзад
P,
о.е.
Гашение
колебаний
Контроль
установившегося
режима
Xm
Σ
1
1+sTm
XУУПК
+
Xm
Xmin
ХΣ+ΔХΣ
PΣ(δ)
PΣ(δ)
P'ВЛ1(δ) ри изменении степени
компенсации УУПК
Уизм
ХВЛ1-ΔХуупк
PΣ(δтек)
PΣ(δтек)
PВЛ1(δ'тек)
PΣ(δнач)
PВЛ1(δ'тек)
PВЛ1(δ)
PΣ(δнач)
PВЛ1(δтек)
PВЛ1(δтек)
PВЛ1(δнач)
PВЛ1(δнач)
PВЛ2(δ)
PВЛ2(δ'тек)
Σ
Узад
ХВЛ2+ΔХуупк
PВЛ2(δтек)
PВЛ2(δнач)
-
PВЛ1(δ)
P'ВЛ2(δ) ри изменении степени
компенсации УУПК
+
PВЛ2(δ)
PВЛ2(δтек)
PВЛ2(δнач)
Kp
ПИ
регулятор
Kl
s
+
Σ
Kg
+
PВЛ2(δ'тек)
δ'тек
0
δнач δтек
δ'тек
δ,
Град
0
δнач δтек
δ,
Град
Гашение колебаний в переходных режимах – дифференциальный
регулятор мощности, тока или угла δ.
Y2изм
sTw
1+sTw
1+sT1
1+sT2
n
Kstab
XPOD
Xm

6.

Обзор существующих решений.
Модель ЭЭС с УУПК
U1
Q1
С1
Р
U2
ВЛ
Q2
УУПК
ШБМ
d 2 с1
d с1
TJ 1
D
Рс1 Рсв ( с1 )
1
2
dt
dt
х УУПК
Pсв ( с1 ) (1
) Pсв.max с1 Pсв без УУУП Р (2)
x х УУПК
Регулятор
Pн
ЭЭС с УУПК
ЭЭС без УУПК
ΔPс1
+
1
Tj1p+D1
1
p
(1)
ΔP1 +
δс1
1
Tj1p+D1
δ1
1
p
-
-
Pсв.max
+
Pсв.max
Pсв. max
W1 ( p)
TJ 1 p 2 D1 p
+
Pсв.max
(3)
max
+j
(-1,j0)
ω=∞
γmax
АФХ
разомкнутой
системы
ω=0
Kуупк
1+рTуупк
min
Hmax
Оценка качества
регулирования по запасу
+1 устойчивости
+
+
+
+
K3
k
Kизм
1+рTизм
k2
p
+
-
k1
1+рT2 n
1+рT3
δзад
рT1
1+рT1
xсв,, Рсв. max
W2 ( p, с1 )
(4)
p (TJ 1 p D1 )( xсв,, Wрег ( р, с1 ) )

7.

Обзор существующих решений.
Запас устойчивости
Оценка запаса устойчивости на базе логарифмических частотных
характеристик разомкнутой системы
,,
А
( j )
1
,
А ( ) [ с1 const ] 20 ln( W 2( j ) ) 20 ln( .,
) (5)
,.
А2 ( j ) А3 ( j )
,
TизмТуупкω+δ1k1/xсв-Im(Aдиф(jωср))
,,
1
Im(A3(jωср))
,,
A3(jωср)
Im(A2(jωср))
,
A2(jωср)
,
φ2
+j
,
+1 Re(A2(jωср))
|φраз(jω)|, град
100
,
Re(A3(jωср))
+j
Re(Aдиф(jωср))
A2(jωср)
Im(A2(jωср))
,
γ
+j
γ
Re(A2(jωср))
+1
100
2
Зона максимальной
эффективности
4( x)
Запас устойчивости по
фазе (рег. с кор.)
140
АФХ диф.
звена
+j
3
Запас устойчивости по фазе
с регю (идеально диф.
звено)
120
5( x)
,,
φ3 ,,
Re(A3(jωср))
A2(jωср)*A3(jωср)
6( x)
φдиф исх
(ωсреза)
1
160
Запас
устойчивости по
фазе (рег. без кор.)
180.0
180
0
0
2
4
6
xЧастоты среза
моделей ЭЭС
Действие
интегрирущих
звеньев
8
10
10
0
ω, 1/с
+1
АФХ диф.
регулятора

8.

Обзор существующих решений.
Энергия ускорения
k1
k2
sin( кон уст )(
кон уст нач
2
n( кон уст )( кон уст
sin( кон уст )(
кон уст нач
) cos( нач ) cos( нач
кон уст нач
2
нач ) cos( нач ) cos( кон уст )
) cos( нач
кон уст нач
) cos( кон уст )
2
2
n( кон уст )( кон уст нач ) cos( нач ) cos( кон уст )
P(δ) с
регулированием
А1+А2=Ауск A2~25-30%
PΣ
P(δ) без
регулирования
Аторм
)
(6)
(7)
Слабое регулирование в
зоне наибольшего запаса
энергии ускорения
Зона
максимального УВ
A1~70-75%
PВЛ1 нач
хуупк
Хуупк max
0
δнач
,
δ кон. уст.
δ кон.
δ кон. уст.
δ
Воздействие на
колебательный процесс в
начальных стадиях каждого
периода колебания

9.

Усовершенствованный метод регулирования.
Предлагаемые решения
Релейный элемент
X рр min X рр max
хрр
хсв,,
Р пред
Р
Хрр max
(8)
1
Релейный элемент с переменными
уровнями УВ
0
X рр min/ max k отс1 X диф. рег. max/ min
Хвх сраб
хвх
Хрр min
(9)
Прямая оценка необходимого уровня степени
компенсации
Ркв уст
U 1U 2
xрег kотс (1
) хВЛ (11)
РВЛ
sin( ВЛ ) (10)
Ркон
X ВЛ
Δхдиф рег,
Ом
ΔхPSD, Ом
Δхдоб рег, Ом
Δхдиф рег max
Δхдоб рег-
Δхдоб регT
Δхдиф рег min
t,c
Δхдоб рег+
T
t,c
Δхдоб рег+
T
t,c

10.

Усовершенствованный метод регулирования.
Мощность квазиустановившегося режима
Оценка на базе предположения о консерватизме ЭЭС в течение
полупериода колебаний Ауск-Аторм=0
P
Ауск-Аторм=0
P кон.
P макс
P кон.
P кв. уст.
Аторм
Pкв. уст.
P нач..
3
Ауск
2
1
δ кв. уст.
δ нач.
δ кон.
А=Ауск+В-Аторм
P
Pнач.
δ
Ауск
δ кв. уст.
А
кон.
δ кон.
А А уск В Аторм
δ мин колеб δ кв. уст.
n n rкон
δ
Ауск
Pнач.
δ
δ макс колеб
δ
n n 1
(12)
нач. )( Р n Рn 1 )
2
n 1
А А уск В Аторм1 Аторм2 (13)
Аторм А уск
( Pкон. Р)d
нач.
δ кон.
Аторм1
Ауск
δнач
δ кр
А=Ауск+В-Аторм1-Аторм2
Аторм2
В
P кон.
P кв. уст.
Аторм
P нач.
2
1
P
В
3
Аторм
δ кв. уст.
P кон.
Pкв. уст.
P
(
Ркв . уст. Pкон
кон
А
нач
(14)

11.

Усовершенствованный метод регулирования.
Структурная схема. Форсировка
ПИ регулятор
+
k2
p
Y1
ΔХдиф.
Диф. регулятор
1
I
ΔХПИ
+
k1
ΔХПИ
Y2
рT1
1+рT1
2
УВ
Р
δ
БЛК
РСЧТ
Р
δ
РЗ_УУПК
ЛРУ
1+рT2 n
K3
1+рT3
Оценка Р
Ркв. уст.
Ркон.
Оценка ΔХУУПК
Хфик
Хфик
Хmax
Хmax
Хmin
Хmin
ХУУПК
ХВЛ
Xуупк
ХУУПК
ХВЛ
ПИ регулятор с
форсировкой
Форсировка
+
ΔХдиф.
ΔХУУПК1
ΔХдиф.
Определение УВ
+
ΔХПИ
ХВЛ
kотс
Ркв. уст.
Ркон.
ХВЛ
kотс
УВ1
УВ2
УВ3
УВ4
Форсировка УУПК:
действие в первой зоне
ускорения на первом и
последующих циклах;
повышение пропускной
способности связи;
уменьшение времени
регулирования пропускной
способности.
БЛК_УВ3
ПСК_УВ3
Хз_нч
Хзад
УВ
БЛК
ПСК
Хз_нч
Хзад
ПИ регулятор
ΔХУУПК3
Возмущающее
воздействие
t

12.

Исследования на модели сети.
Проведенные исследования
Трехфазное КЗ с
успешным/неуспешным АПВ
УУПК
C1
Регулятор
ПС1
500 кВ
Q3 ВЛ2 PВЛ2
Т1
Q1
23 кВ
Q5
U1
PнПС1
500кВ
ПС2
Q4 500 кВ C2
ВЛ1 PВЛ1
Z=RВЛ1+jXВЛ1
Q6
ВЛ3
PВЛ3
Традиционный
алгоритм
Р, кВт
Q2
Q8
Main : Graphs
P2
2.5k
Q9
Р, кВт 2.5k
P2
2.3k
U2 PнПС2
2.3k
2.0k
500кВ
220 кВ Pпром.
Q7
220 кВ
Новый
алгоритм
Main : Graphs
2.0k
220 кВ
1.8k
1.8k
Q10
1.5k
1.5k
1.3k
10кВ
1.3k
RTDS (трехфазное КЗ с усп. АПВ)
y
10кВ
Pн ПС2
y
Pн ПС1
1.0k
1.0k
0.8k
0.8k
0.5k
Новый
алгоритм
0.3k
0.0
0.0
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
27.5
...
t, сек
Main:Graphs
3.8k
P2
...
10.0
...
Р, МВт
3.8k
Р, МВт
3500.03.5k
12.5
3300.03.3k
3300.0
3.3k
3000.03.0k
3.0k
3000.0
2800.02.8k
2.8k
2800.0
2500.02.5k
2.5k
2500.0
y
2300.02.3k
2000.02.0k
2300.0
2.3k
1800.01.8k
1.8k
1800.0
1.5k
15.0
17.5 Main: Gra
20.0
phs
22.5
25.0
27.5
...
t, сек
...
P2
...
3.5k
3500.0
y
Традиционный
алгоритм
0.5k
0.3k
2000.0
2.0k
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
20.0
22.0
24.0
26.0
28.0
10.0 12.0
30.0
32.0
t,... с
...
...
1.5k
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
20.0
22.0
24.0
26.0
28.0
10.0 12.0
30.0
32.0
t,...с
...
...

13.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Осуществлена разработка усовершенствованного регулятора для
управляемого устройства продольной компенсации в аварийных режимах,
обладающего улучшенными инженерно-экономическими характеристиками в
части гашения колебаний на слабых связях. Алгоритм основан на
объединении традиционного и усовершенствованного метода управления.
• Предложен и исследован усовершенствованный метод управления
устройством продольной компенсации в аварийных режимах, реализованный
на базе регулирования в начальной стадии ускорения каждого цикла
колебаний и позволяющий повысить динамическую и статическую
устойчивость энергосистемы.
• Предложен и разработан способ получения данных для оценки величины
мощности нового квазиустановившегося режима на базе допущения о
выполнении условия консерватизма электроэнергетической системы на
каждом полупериоде.
• Проведены исследования разработанного усовершенствованного алгоритма
на модели сети, реализованной в программе PSCAD и на программноаппаратном комплексе RTDS, показавшие:
–
–
–
–
адекватность и достоверность реализованной модели;
повышение динамической устойчивости ЭЭС;
снижение диапазона колебаний параметров режима в переходном процессе;
снижение времени самого переходного процесса в 1,5-2 раза и предотвращение
перегрузки оборудования сетей более низкого класса напряжений.

14. Эффективное управление продольной компенсацией

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Тел. +7 (495) 735 42 44 (1451)
[email protected]