The principles of the hybrid back-to-back hvdc model

Abstract


The hybrid model of back-to-back HVDC is based on the concept of hybrid simulation and includes mathematical models of transformers, harmonic filters, phase reactors, direct current circuit and physical models of a static voltage converter, as well as model of an automatic control and protection system whose operation algorithms implemented at the digital level. The principle of realization of the mathematical models is presented, by example of the harmonic filter model, as well as the physical model of the static voltage converter. The developed hybrid model is integrated into the simulation complex, based on the concept of hybrid simulation, and in which a test scheme of a two-machine electric power system is prepared. In this scheme, the case of a short circuit and power control through the back-to-back HVDC are reproduced. The obtained simulation results coincide with the results obtained in the MatLAB Simulink, which indicates the compliance of the developed model to the digital model. In this case, the properties and capabilities of the concept of hybrid modeling, and as a result the developed model and simulation complex, allow using them in modeling the large scale electric power systems, including in real time and for an unlimited time interval, unlike many digital hard- and software complexes.

Растущая сложность электроэнергетических систем (ЭЭС) ставит новые за- дачи на пути обеспечения их надежности и устойчивости. В то же время достиг- нутый к настоящему моменту прогресс в области силовой полупроводниковой *Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00862 «Совершенствование теории и практики демпфирования низко- частотных колебаний в электроэнергетической системе с помощью вставки постоян- ного тока». Руслан Александрович Уфа, старший преподаватель отделения электроэнергетики и электротехники (ОЭЭ), Инженерная школа энергетики (ИШЭ). Венера Алмазовна Сулайманова, аспирант. Александр Сергеевич Гусев (д.т.н., профессор), профессор ОЭЭ ИШЭ. Сергей Александрович Ставицкий, аспирант. техники заставляет обращать все большее внимание на перспективность приме- нения технологий передачи энергии постоянным током высокого напряжения, в частности вставки постоянного тока (ВПТ). Данное устройство доказало свою эффективность в решении задач несинхронного объединения ЭЭС, повышения пропускной способности элементов сети, интеграции распределенных возобнов- ляемых источников энергии [1]. В то же время появление преобразователя напряжения (ПН) на базе более совершенных силовых полупроводниковых ключей (запираемые GTO тиристоры (Gate Turn-Off), биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) не только открыло новые возможности для по- вышения управляемости энергосистем, но и увеличило объем эксплуатационных и исследовательских задач на пути масштабного внедрения ВПН на базе ПН (ВПТН), обобщенная структура которой приведена на рис. 1 [1, 2]. UС_1 UТ1_2 UТ2_2 UС_2 Т1 Р1 ПН1 ЦПТ ПН2 Р2 Т2 ФВГ1 ФВГ2 Рис. 1. Структурная схема ВПТН: Т1 и Т2 - трансформаторы связи; ФВГ1 и ФВГ2 - фильтры высших гармоник; Р1 и Р2 - фазные реакторы; ПН1 и ПН2 - статические преобразователи напряжения; ЦПТ - цепь постоянного тока Свойства и возможности обозначенных устройств обеспечивают независи- мое регулирование активной и реактивной мощности, возможность работы в несимметричной сети (например, во время неисправности сети переменного тока или при наличии существенно несимметричных нагрузок с возможностью ее симметрирования), применимость в слабых сетях переменного тока и сетях с пассивными нагрузками [3, 4]. Кроме того, топология ПН позволяет реализо- вать многоуровневые схемы, что снижает требования к пассивным фильтрам, и возможность активной фильтрации высших гармоник [5, 6]. Однако внедрение ВПТН существенно изменяет динамические свойства ЭЭС и связанные с этим процессы и ставит новые задачи на пути обеспечения надежного функционирования создаваемых ЭЭС с ВПТН. В число наиболее сложных задач входят: исследование процессов во всех значимых элементах и ВПТН в целом при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах работы ВПТН и ЭЭС; разработка, тестирование и настройка систем управления ВПТН в ЭЭС; исследование функционирования ЭЭС, содержащих ВПТН, с целью обес- печения надежной и эффективной работы ЭЭС. Решение указанных задач требует наличия полной и достоверной информа- ции о процессах во всех значимых элементах ВПТН и ЭЭС в целом во всевоз- можных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы. При этом сложность поставленных задач, требующих комплексного исследования процессов в ЭЭС, а также характеристики самих ВПТН предъявляют достаточно высокие требования к системам моделирования [7, 8]: трехфазное моделирование; моделирование процессов в ЭЭС без декомпозиции и ограничений на их длительность; отсутствие ограничений на размерность модели. Данные свойства систем моделирования необходимы для всестороннего ана- лиза взаимного влияния ВПТН и ЭЭС, а также их устройств управления и защи- ты в составе больших ЭЭС, и особенно при исследовании каскадных аварий [9, 10]. Немаловажным является воспроизведение процессов в масштабе реального времени для решения задач разработки, тестирования в замкнутом цикле и настройки систем управления и защиты ВПТН систем [11]. Кроме того, при моделировании больших ЭЭС реальное время моделирования позволяет значи- тельно повысить продуктивность исследовательской работы [6, 10, 11]. На сегодняшний день в практике исследования ЭЭС преобладают цифровые системы моделирования, предельные возможности которых известны и в основ- ном определяются применяемыми численными методами решения, поэтому при разработке моделей энергетического оборудования исходят из необходимого объема упрощений и допущений [7, 8, 11]. В настоящее время наблюдается тен- денция к поиску новых технологий и инженерных решений, обеспечивающих такие ключевые характеристики систем моделирования, как реальное время, от- сутствие декомпозиции процессов, неограниченная масштабируемость модели и др. Увеличивается количество работ в области создания гибридных моделиру- ющих комплексов, основанных на использовании разных подходов моделирова- ния [9, 11, 12]. Здесь можно выделить несколько направлений развития. Одним из них является применение различных численных методов - синтез нескольких цифровых комплексов, каждый из которых используется для решения опреде- ленного участка ЭЭС с соответствующим шагом расчета [9, 13]. В одной из под- систем моделируемой ЭЭС, где осуществляется воспроизведение электромаг- нитных процессов, шаг расчета обычно составляет 20 мкс, в то время как время переключения IGBT составляет 1-3 мкс. В другой подсистеме, где осуществля- ется воспроизведение электромеханических процессов, шаг расчета и соответ- ственно обмен данными между подсистемами в процессе моделирования состав- ляет 50 мкс. Таким образом, бездекомпозиционное моделирование, то есть пред- полагающее использование одного непрерывного метода решения математиче- ской модели ЭЭС и исключающее разделение единого непрерывного спектра нормальных, аварийных и послеаварийных процессов на различные стадии, в полной мере не достигается. Другим направлением является еще большая гибридизация моделирующих комплексов, которая заключается в использовании нескольких подходов модели- рования - физического, аналогового и цифрового. Примером такого моделиру- ющего комплекса является всережимный моделирующий комплекс реального времени (ВМК РВ) ЭЭС [14, 15]. Принципы построения гибридной модели ВПТН Анализ структуры, специфики функционирования оборудования и ВПТН в целом и указанный комплексный подход позволяют обосновано сформулиро- вать принципы построения гибридной модели ВПТН. Весь спектр значимых процессов в каждом оборудовании ЭЭС, не содержащем коммутационных эле- ментов, полно и достоверно описывается теоретически строго обоснованными и надежно проверенными системами дифференциальных уравнений. Поэтому для трансформаторов связи, фильтров высших гармоник (ФВГ), фазных реакто- ров и цепи постоянного тока ВПТН обосновывается и синтезируется бездекомпозиционная трехфазная математическая модель, достаточно полно и достоверно воспроизводящая единый непрерывный спектр квазиустановившихся и переход- ных процессов при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы (рис. 2). Решение данных уравнений осуществляется с помо- щью способа методически точного непрерывного неявного интегрирования в реальном времени и на неограниченном интервале системы дифференциальных уравнений синтезированной математической модели оборудования. Данный спо- соб заключается в аналоговом решении систем дифференциальных уравнений с помощью интегрирующих звеньев на основании фундаментального закона, определяющего напряжение на конденсаторе

Ruslan A Ufa

Tomsk Polytechnic University

30, Lenina avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation Senior lecturer

Venera A Sulaymanova

Tomsk Polytechnic University

30, Lenina avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation Postgraduate Student

Alexander S Gusev

Tomsk Polytechnic University

30, Lenina avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation (Dr. Sci. (Techn.)), Professor

Sergey A Stavitskiy

Tomsk Polytechnic University

30, Lenina avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation Postgraduate Student

  1. Alharbi M., Alfaris F.E., Bhattacharya S. A novel current control strategy for a back-to-back HVDC applications under unbalanced operation conditions // 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. - Cincinnati, OH, USA: IEEE. - 2017. - C. 1263-1269.
  2. L'Abbate A., Fulli G. Modeling and application of VSC-HVDC in the European transmission system // International Journal of Innovations in Energy Systems and Power. - 2010. - № 5(1). - C. 8- 16.
  3. Setreus J., Bertling L. Introduction to HVDC Technology for Reliable Electrical Power Systems // Proceedings of the 10th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems. - Rincon, USA: IEEE. - 2008. - C. 1-8.
  4. Sellick R.L., Åkerberg M. Comparison of HVDC Light (VSC) and HVDC Classic (LCC) Site Aspects, for a 500MW 400kV HVDC Transmission Scheme // 10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission. - Birmingham, United Kingdom: IET. - 2012. - C. 1-6.
  5. Xu L., Andersen B.R., Cartwright P. VSC transmission operating under unbalanced AC conditions - analysis and control design // IEEE Transactions on Power Delivery. - 2005. - № 20(1). - C. 427- 434.
  6. Guan M., Xu Z. Modeling and Control of a Modular Multilevel Converter-Based HVDC System Under Unbalanced Grid Conditions // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2012. - № 27 (12). - C. 4858-4867.
  7. Zhang Y., Gole A.M., Wu W., Zhang B., Sun H. Development and Analysis of Applicability of a Hybrid Transient Simulation Platform Combining TSA and EMT Elements // IEEE Transaction on power system. - 2013. - № 5(1). - C. 357-366.
  8. Nayak O., Santoso S., Buchanan P. Power electronics spark new simulation challenges // IEEE Computer Applications in Power. - 2002. - № 15(4). - C. 37-44.
  9. Liu Z.H., Wang Y., Chen J.M., Guo Y.R., Wang X.G., Li Z.Q., D. Du X., Li X. Modeling and simula- tion research of large-scale AC/DC hybrid power grid based on ADPSS // IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. - Kowloon, Hong Kong: IEEE. - 2014. - C. 1-6.
  10. Impact of HVDC Stations on Protection of AC Systems / Zhao X., Priebe T., Curis J-B. - Research report. Joint Working Group JWG B5/B4.25, CIGRE, 2009. - 84 c.
  11. Zhang Y., Ding H., Kuffel R. Key Techniques in Real Time Digital Simulation for Closed-loop Test- ing of HVDC Systems // CSEE journal of power and energy systems. - 2017. - № 3(2). - С. 125-130.
  12. Chen L., Zhang K.-J., Xia Y.-J., Hu G. Hybrid Simulation of ±500kV HVDC Power Transmission Project Based on Advanced Digital Power System Simulator // Journal of electronic science and technology. - 2013. - № 11(1). - С. 66-71.
  13. Zhou X.X., Han Z.X., Tian F., Li F.L., Li F., Tian X S. Concept and Mechanism on Full-Process Dynamic Real-Time Simulation of Power System with Parallel-in-Time-Space // International Conference on Power System Technology (POWERCON). - Hangzhou, China: IEEE. - 2010. - C. 1-7.
  14. Andreev M., Borovikov Y., Gusev A., Sulaymanov A., Ruban N., Suvorov A., Ufa R., Bemš J., Krá- lík T. Application of hybrid real-time power system simulator for research and setting a momentary and sustained fast turbine valving control // IET Generation, Transmission & Distribution. - 2018. - № 12(1). - С. 133-141.
  15. Уфа Р.А., Гусев А.С., Васильев А.С., Сулайманов А.О., Суворов А.А. Проблема адекватного моделирования функционирования вставок постоянного тока в электроэнергетических системах и средства ее решения (часть 1) // Известия РАН. Энергетика. - 2017. - № 5. - С. 32-46.
  16. Груздев И.А., Кадомская К.П., Кучумов Л.А. Применение аналоговых вычислительных машин в энергетических системах. Методы исследования переходных процессов / Под ред. Н.И. Соколова. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1970. - 400 с.
  17. Low-Voltage, Quad, SPST CMOS Analog Switches MAX4610/MAX4611/MAX4612 / Maxim Datasheet Doc. No. 19-4793. - pp. 1-11.
  18. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радио- электронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 2010. - 112 с.
  19. Пат. 2606308С 1 Российская Федерация, МПК G06G 7/62. Устройство для моделирования вставки постоянного тока в энергетических системах / Уфа Р.А., Гусев А.С., Боровиков Ю.С., Сулайманов А.О., Андреев М.В., Рубан Н.Ю., Суворов А.А., Сулайманова В.А. - № 2015151402; заявитель и патентообладатель Томский политехнический университет; заявл. 01.12.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.
  20. Petersson A., Edris A. Dynamic performance of the Eagle Pass back-to-back HVDC Light tie // 17 International Conference on AC-DC Power Transmission. - London, UK: IEEE. - 2001. - C. 220-225.
  21. Khatir M., Zidi S.-A., Hadjeri S., Fellah M.-K. Dynamic performance of a back-to-back HVDC station based on voltage source converters // Journal of Electrical Engineering. - 2010. - № 61(1). - С. 29-36.
  22. The MathWorks, Inc, "VSC-Based HVDC Link" [Online]. Available: http://www.amdahl.com/doc/products/bsg/intra/infra/html
  23. Волошин М.В., Демидов А.А., Никишин К.А., Титаевская Н.А. Разработка алгоритмов управления ВПТ от централизованной системы автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности // Известия НТЦ ЕЭС. - 2015. - № 1(72). - С. 95-108.
  24. Drozdov A., Kiselev A., Suslova O. Current status and development VSC-based HVDC technologies in power system of Russian Federation // HVDC and Power Electronics International Colloquium. - Agra, India: Cigre. - 2015. - С. 1-9.

Views

Abstract - 9

PDF (Russian) - 4

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies