sterowanie łączy hvdc i mtdc poprawiające stabilność systemu

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 146
Elektryka
2013
Łukasz Rajmund Nogal
Instytut Elektroenergetyki PW
STEROWANIE ŁĄCZY HVDC I MTDC
POPRAWIAJĄCE STABILNOŚĆ
SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO
Rękopis dostarczono 8.07.2013 r.
Rozprawa traktuje o zastosowaniu drugiej – bezpośredniej metody Lapunowa do opracowania
reguł sterowania łączy HVDC, dzięki którym możliwa jest poprawa stabilności systemu elektroenergetycznego prądu przemiennego. Opracowana metoda stanowi uzupełniającą pętlę sterowania,
której działanie uaktywnia się w stanach nieustalonych. Jest sterowaniem wielowejściowym opartym na zmiennych stanu, którego trafność została potwierdzona przez analizę modalną oraz symulacje komputerowe w domenie czasu dla wielomaszynowego systemu testowego.
We wprowadzeniu do problemu sterowania łączy HVDC w stanach nieustalonych przedstawiono krótką historię łączy HVDC wskazując główne wady i zalety tych łączy. Opisano budowę
podstawowych typów łączy oraz sposób sterowania przekształtnikami, przechodząc dalej do hierarchicznej struktury sterowania łączy HVDC, gdzie odnotowano możliwość realizacji dodatkowych
regulatorów łączy HVDC poprzez dostarczenie zewnętrznego sygnału modulującego odpowiednio
moc zadaną przekształtników, bez konieczności ingerencji w układy sterowania stacji przekształtnikowych. Przeanalizowano następnie aktualne propozycje sterowania łączy HVDC w zakresie poprawy stabilności systemu elektroenergetycznego. Na tej podstawie sformułowano tezę pracy oraz
określono podstawowe wymagania dla reguł sterowania łączy HVDC poprawiających stabilność
systemu elektroenergetycznego. W celu opracowania optymalnego, z punktu widzenia całego systemu elektroenergetycznego, regulatora założono realizację sterowania wielowejściowego, opartego
na zmiennych stanu. Na potrzeby rozwiązania zasadniczego problemu zaprezentowano modele łączy HVDC oraz urządzeń FACTS. Przedstawiono również modele matematyczne generatorów synchronicznych oraz równania opisujące sieć elektroenergetyczną. Zadanie syntezy regulatora łączy
HVDC podzielono na szereg etapów. W pierwszym etapie opracowano reguły sterowania czynną
mocą zadaną pojedynczego łącza HVDC w systemie elektroenergetycznym. Stabilizujące reguły
sterowania opracowane zostały dla modelu liniowego systemu elektroenergetycznego z wykorzystaniem bezpośredniej metody Lapunowa. Jako cel sterowania przyjęto maksymalizację szybkości
rozpraszania energii podczas kołysań jednocześnie maksymalizując ich tłumienie. Przedstawiono
zależność określającą zmiany mocy czynnych poszczególnych generatorów w funkcji zmiennych
sterujących. Opracowaną metodę rozszerzono następnie dla równoczesnego sterowania wielu łączy
HVDC oraz urządzeń FACTS w systemie elektroenergetycznym. W kolejnym etapie opracowano
4
Zastosowane skróty
algorytmy jednoczesnego sterowania zarówno mocą czynną i bierną w węzłach przyłączenia łącza HVDC. Uogólniając następnie przedstawioną propozycję dla wielu łączy HVDC w systemie
elektroenergetycznym. W kolejnym rozdziale podobne rozważania przeprowadzono dla linii prądu
stałego z odczepami, czyli dla wieloterminalowych sieci HVDC.
Przeanalizowano również problem sterowalności poszczególnych generatorów za pomocą
przedstawionych algorytmów, określając wpływ lokalizacji łączy HVDC na konkretne generatory.
Druga część pracy zawiera wyniki testów symulacyjnych opracowanej metody. Na początku tej
części przedstawiono zwarty opis zasadniczych elementów modelu systemu testowego. Na podstawie danych systemu testowego New England opracowano i zbudowano wielomaszynowy model
systemu elektroenergetycznego umożliwiający zamianę wybranych linii prądu przemiennego na
równoważne łącza HVDC. Uwzględniono możliwość sterowania utrzymującego stałą moc wymiany oraz proponowane reguły sterowania. W modelu przewidziano również możliwość zainstalowania i odpowiedniego sterowania urządzeń FACTS. Podczas badań symulacyjnych przeanalizowano
wpływ łącza HVDC utrzymującego stałą moc wymiany na stabilność systemu elektroenergetycznego prądu przemiennego. Następnie, z bardzo dobrym rezultatem, zweryfikowano skuteczność
zaproponowanych reguł sterowania. Określono wpływ struktury pomiarowo telekomunikacyjnej
na uzyskiwane rezultaty sterowania. Określono również wrażliwość zaproponowanej metody na
zmiany konfiguracji sieci, jej obciążeń oraz na opóźnienia w przesyle informacji wejściowych dla
regulatora. W ostatniej części pracy wykonano analizę modalną dla systemu testowego z wykorzystaniem proponowanych metod sterowania, która ostatecznie potwierdziła ich skuteczność.
Słowa kluczowe: system elektroenergetyczny, łącza HVDC, sieci MTDC, stabilność systemu
elektroenergetycznego, metoda Lapunowa, WAMS, sterowanie systemu elektroenergetycznego
ZASTOSOWANE SKRÓTY
AC (ang. Alternating Current) – prąd przemienny,
CC(ang. Constant Current control) – regulacja prądu (do stałej wartości),
CCCM (ang. Combined and Coordinated Control Metod) – skoordynowana metoda sterowania prostownikiem i falownikiem o komutacji sieciowej w systemie HVDC,
CIM (ang. Current Injection Model) – model prądowy węzłowy,
COI (ang. Centre Of Interia) – oś środka bezwładności,
CSC (ang. Current Source Converter) – przekształtnik prądu (przekształtnik zasilany ze źródła prądu),
DC (ang. Direct Current) – prąd stały,
ESCR(ang. Effective Short-Circuit Ratio) – współczynnik mocy zwarciowej,
FACTS (ang. Flexible Alternating Current Transmission Systems) – elastyczne systemy przesyłowe
prądu przemiennego,
GTO (ang. Gate Turn-Off) – tyrystor wyłączalny prądem bramki,
HVDC (ang. High Voltage Direct Current) – wysokonapięciowy prąd stały,
IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor) – tranzystor bipolarny z izolowaną bramką,
LFC (ang. Load and Frequency Control) – regulatory mocy i częstotliwości,
LMI (ang. Linear Matrix Inequality) – liniowe nierówności macierzowe,
LQR (ang. Linear-Quadratic Regulator) – liniowa regulacja optymalna,
MCCM (ang. Marginal Current Control Metod) – metoda sterowania z zachowaniem marginesu prądu,
MTDC (ang. Multi Terminal Direct Current) – wieloterminalowe sieci prądu stałego,
PFC (and. Pulse Frequency Control oscillator) – generator sterowany częstotliwościowo,
Summary
197
POWER SYSTEM STABILITY ENHANCING CONTROL OF HVDC
AND MTDC LINKS
Summary
The dissertation deals with the use of the direct Lyapunov method for the development of control
law of HVDC links, to improve the stability of the AC power system.
This method is supplementary to the main control and it is activated in the transient state. The proposed control is a multi-loop control based on state variable. The validity of the proposed control has been
confirmed by modal analysis and by time domain computer simulation for a multi-machine test system.
The introduction to the problem of controlling HVDC links in transient states includes a brief
history of HVDC lines indicating the main advantages and disadvantages of these links. The construction of the basic types of links and how to control converters has also been described, going on
to the hierarchical control structure of HVDC links. It also presents the possibility of implementing
additional control of HVDC links by providing an external modulating signal of converter reference
power, without the need to interfere in the control systems of converter stations. Then the current
proposals of HVDC link control to improve the stability of the power system have been analyzed.
On this basis, the thesis of the dissertation and basic requirements for the HVDC link control law to
improve the power system stability have been formulated. In order to develop an optimal controller
from the point of view of the whole power system, implementation of multi-input control has been
assumed, based on the state variables. To solve the fundamental problem, a model which combines
HVDC links and FACTS devices has been presented. Also, mathematical models of synchronous
generators and equations for the transmission network have been presented.
The task of the HVDC links controller synthesis is divided into several stages. In the first stage, active
power control rules set for a single HVDC link in the power system have been developed. Stabilizing
control rules have been derived using the direct Lyapunov method for the linear model of the power system. The aim of control is to maximise the rate of energy dissipation during power swings and therefore
maximisation of their damping. Also, the dependence of changes in the active power of generators as a
function of given control variables has been presented. The developed method has then been extended for
simultaneous control of multiple HVDC links and FACTS devices in a power system. In the next stage,
algorithms have been developed for simultaneous control of both active and reactive power in the HVDC
links terminal nodes. The presented method has been generalized for any number of HVDC links in the
power system. In the next chapter, similar considerations have been carried out for multi-terminal DC
links. The problem of controllability of given generators using the presented algorithms and the impact of
location of the HVDC links to specific generators have been analyzed.
The second part of the dissertation presents the results of the simulation test of this method. The
beginning of this section provides a compact description of the essential elements of the test system
model. Based on data from the New England test system, a multi-machine power system model has
been developed and built. That model allows the conversion of selected lines in the equivalent AC
HVDC link and gives the possibility of retaining constant power control and the proposed control
rules. The model also provides the possibility to install FACTS devices with suitable control.
During preliminary simulation studies, the influence of HVDC links with constant power control
on the stability of the AC power system has been examined. Then the effectiveness of the proposed
control law has been verified with a very good result. The proposed control is robust and insensitive to changes in the network configuration, loading conditions and delays in transmission of input
signals. In the last part of the dissertation, a modal analysis has been performed to verify the system
using the proposed control methods, which ultimately proves their effectiveness.
Keywords: power system, HVDC links, MTDC networks, power system stability, Lyapunov
method, WAMS, power system control