Unified power flow controller in alleviation of voltage stability problem = Objedinjeni regulator toka snage u izbjegavanju nestabilnosti napona : doctoral thesis = doktorska disertacija - Dizdarević, Nijaz (N. Dizdarević ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2001)
Problemi prijenosa električne energije i stabilnosti napona elektroenergetskog sustava među glavnim su izazovima pri planiranju i pogonu ees-a. Jedan od osnovnih uzroka povećanog zanimanja za probleme stabilnosti napona nalazi se u opasnom približavanju mnogih sustava granicama stabilnosti napona uslijed povećanog opterećenja sustava koje nije praćeno odgovarajućim povećanjem prijenosne moći. Globalna pojava više slomova napona ees-a uspostavila je problem stabilnosti napona kao jednu od najznačajnijih i najzanimljivijih grana istraživanja u području analize ees-a. Problem stabilnosti napona prijenosnog sustava moguće je ublažiti korištenjem suvremenih FACTS naprava zasnovanih na energetskoj elektronici, koje posljednjih godina pored teorijskih razmatranja doživljavaju i svoje prve praktične primjene. Liberalizacija tržišta električnom energijom vjerojatno će utjecati na pojavu novih uvjeta i tokova snaga u prijenosnom sustavu. To je svakako dodatni razlog potrebe za suočavanjem s FACTS napravama. U svrhu izbjegavanja stanja nestabilnog napona, rješenja koja uključuju korištenje FACTS naprava trebaju pružiti podršku naponu i/ili odgovarajuće koordinirano upravljačko djelovanje. Osim nekoliko većih prototipova statičkog generatora jalove snage kao poboljšane izvedbe statičkog kompenzatora jalove snage, ostale FACTS naprave do sada nisu razmatrane u rješavanju problema stabilnosti napona. Budući da su do sada najčešće razmatrani problemi vezani uz regulaciju toka snage i prigušenje elektromehaničkih oscilacija, izbjegavanje stanja nestabilnog napona svakako predstavlja novi poticaj. Stoga su u okviru rada na ovoj disertaciji postavljeni slijedeći općeniti ciljevi: • objasniti problem stabilnosti napona i mehanizam sloma napona u višestrojnom ees-u, • razviti analitičke metode korisne pri rješavanju problema kako bi se ranije prepoznao nadolazeći slom napona korištenjem kombiniranog dinamičkog i statičkog pristupa, i • razviti preventivne mjere i upravljačka djelovanja korištenjem odgovarajućih FACTS naprava (posebice objedinjenog regulatora toka snage, UPFC) u svrhu izbjegavanja problema i povećanja prijenosne moći. Osnovna teza disertacije mogućnost je izbjegavanja problema stabilnosti napona korištenjem UPFC-a, suvremene FACTS naprave. U razradi postavljene teze koristi se računalna analiza stabilnosti elektroenergetskog sustava. U razmatranju dinamičkih pojava u uvjetima dužih prijelaznih perioda smanjene razine sigurnosti, koristi se vlastiti računalni FORTRAN program za simulaciju višestrojnog sustava u vremenskoj domeni. Kombiniranjem dinamičkog i statičkog aspekta analize, provodi se off-line simulacija stanja snižene sigurnosti napona korištenjem diferencijalno-algebarskog modela ees-a. Program je testiran i verificiran usporedbom s ostalim tržišno dobavljivim programima. U konačnici, program može biti primijenjen u dispečerskom centru u svrhu procjene sigurnosti napona sustava. Razrada postavljene teze podijeljena je u nekoliko faza. U prvoj fazi, različiti modeli generatora s generičkim upravljačkim sustavima uzbude i brzine vrtnje povezani su s proračunima tokova snaga. Uključeni su statički i dinamički tereti, asinkroni motori, LTC transformatori, prijenosni vodovi i čvorišta... Među metodama proračuna, uz proračune tokova snaga prema Gauss-Seidel i Jacobi metodama, nalazi se i brzi neulančeni proračun prijelaznih tokova snaga, metoda rada s rijetko popunjenim matricama i Runge-Kutta metoda 4. reda za rješavanje diferencijalne jednadžbe korištenjem konstantnog koraka integracije. U drugoj fazi razrade, statički aspekti lineariziranog diferencijalno-algebarskog modela ees-a uključeni su u svrhu razmatranja svojstava matrice stanja i proširene Jacobi matrice. Statički aspekti su vrlo korisni u općoj analizi stabilnosti (dekompozicija po singularnim i vlastitim vrijednostima i vektorima, analiza osjetljivosti, faktori participacije…). Dekompozicija matrica od velike je pomoći u prepoznavanju problema stabilnosti napona. Nakon prepoznavanja, napori su usmjereni prema definiranju poželjnih svojstava i modeliranju suvremenih naprava za regulaciju napona i toka snage. Stoga je u trećoj fazi razrade iniciran postupak modeliranja UPFC-a. Postavljen je nadomjesni model s injektiranim snagama i odgovarajući upravljački sustav. UPFC, u svom općem obliku, omogućava istodobno upravljanje sa svim osnovnim varijablama sustava (iznosom napona, impedancijom i faznim kutem) te dinamičku kompenzaciju izmjeničnog sustava. Dok statički aspekti analize pomažu prepoznavanju problema stabilnosti napona putem dekompozicije matrica, UPFC, kao osnova disertacije, podržava napon i regulira tok snage. Definirane su potencijalne mogućnosti UPFC-a u rješavanju problema stabilnosti napona. Kombinirani dinamički i statički pristup koristi se u analizi upravljačkog sustava modela UPFC-a. Upravljački sustav omogućava poprečnu kompenzaciju jalove snage, regulaciju napona, regulaciju toka snage u vodu, serijsku kompenzaciju i PAR/QBT regulaciju kuta prijenosa uz istodobno zadovoljavanje višestrukih ciljeva upravljanja. Time je omogućena istodobna regulacija sa sva tri njegova glavna parametra; s poprečnom jalovom snagom Qconv1, te iznosom r i kutem γ injektiranog serijskog napona. Upravljački sustav UPFC-a neulančenog je oblika i tipa "jedan ulaz-jedan izlaz". Izbor ulaznih/izlaznih signala ovisan je o vrsti upravljanja koju je moguće promijeniti tijekom simulacije. Na vanjskoj se razini upravlja sa slijedećim lokalno dostupnim varijablama UPFC-a: • iznos napona čvorišta poprečne strane, Vi, (promjenom Qconv1), • iznos napona čvorišta serijske strane, Vj, • tok jalove snage prema čvorištu serijske strane, Qj2, • potrebita jalova snaga konvertera na serijskoj strani, Qconv2, ili • iznos napona kompenzacije, Vcomp, (promjenom r), i • tok djelatne snage prema čvorištu serijske strane, Pj2, • potrebita djelatna snaga konvertera na serijskoj strani, Pconv2, • razlika kuteva napona čvorišta poprečne i serijske strane, Θ ij, ili • kut napona kompenzacije, ϕ comp, (promjenom γ ). Na poprečnoj strani modela upravljanje se izvodi samo u obliku regulacije iznosa napona Vi ↔ Qconv1, pri čemu je potrebno naglasiti da je Qconv1 jalova snaga konvertera poprečne strane. Na serijskoj strani, upravljanje putem para varijabli r ⇔γ izvodi se na nekoliko različitih načina; iznos napona i tok djelatne snage Vj ⇔ Pj2, tok djelatne i jalove snage Qj2 ⇔ Pj2, serijska kompenzacija Qconv2 ⇔ Pconv2(=0), fazni PAR zakret Vj (=Vi) ⇔Θ ij, i fazni QBT zakret Vcomp ⇔ϕ comp(=π/2). Varijable su odabrane u skladu s uvjetima opće V ↔ Q i Θ↔ P neulančenosti. Prigušenje elektromehaničkog njihanja u modelu je zasnovano na funkciji prijelazne energije (TEF). Odabran je oblik potpunog preuzimanja regulacijskog sustava korištenjem derivacija po vremenu lokalnih varijabli s obje strane UPFC-a. Na poprečnoj strani koristi se derivacija dVi/dt, a na serijskoj strani d Θ ij/dt. Analiza osjetljivosti, primijenjena u općem obliku, doprinosi pronalaženju odgovarajuće lokacije i djelovanja UPFC-a. UPFC ima jedinstvenu mogućnost istodobne uzdužne regulacije toka snage kroz prijenosni element i poprečne regulacije napona u čvorištu. Statički pristup prema matričnim dekompozicijama rezultira s faktorima participacije uzdužnih i poprečnih prijenosnih elemenata (vodovi i čvorišta). Korištenjem sličnosti prepoznatih osobina UPFC-a i statičkog pristupa, uvelike se doprinosi postupku dimenzioniranja, lociranja i djelovanja UPFC-a u stanjima poremećenog napona. Budući da se regulacija napona s obje strane UPFC-a postiže korištenjem dva parametra, otvorena je mogućnost istodobnog korištenja i njegovog trećeg parametra. Analiza osjetljivosti minimalne singularne vrijednosti, ukupnih gubitaka djelatne snage i ukupne proizvodnje jalove snage generatora u sustavu provodi se u svrhu prepoznavanja kritičnih točaka u tijekom scenarija sloma napona. Razmatraju se radi pronalaženja mogućnosti istodobnog korištenja sva tri regulacijska parametra UPFCa. Osjetljivost često uključuje inverziju matrice stanja ili proširene Jacobijeve matrice te stoga poprima veće iznose u blizini kritične točke uz naglu promjenu predznaka nakon njezinog prolaska. Pojava kritične točke predstavlja pouzdan znak nadolazećeg stanja nestabilnog napona i poticaj je za uključivanje naponske podrške UPFC-a. Analizom osjetljivosti obzirom na skup UPFC-ovih upravljačkih parametara moguće je definirati odgovarajuće regulacijsko djelovanje. U okviru disertacije, osobita je pozornost povećena modeliranju opterećenja obzirom na njihov doprinos scenariju sloma napona. Nakon početnog poremećaja koji za posljedicu ima trajno sniženje iznosa napona, oporavak tereta i ponovno uspostavljanje početne potrošnje mogu približiti generatore području naduzbudnog ograničenja i/ili smanjiti prijenosnu moć sustava. Stoga je analiziran utjecaj nekoliko različitih modela tereta (statičkih i dinamičkih) obzirom na scenarij sloma napona. Osim statičkog ZIP modela, razmotreni su dinamički modeli asinkronog motora i termostatički upravljanog tereta čiji se naponi reguliraju transformatorom s promjenjivim prijenosnim omjerom pod opterećenjem. Analiziran je i nelinearni model prvog reda oporavljajućeg tereta. Osim obzirom na skup UPFC-ovih varijabli, statička analiza te analiza osjetljivosti primijenjene su i obzirom na karakteristične parametre tereta. Osjetljivost obzirom na njihove parametre od velike je pomoći u prepoznavanju onih tereta koji u najvećoj mjeri vode sustav prema slomu napona. Iskoristivost predložene metodologije istražena je analizom na višestrojnom test-sustavu korištenjem vlastitog računalnog programa. Prema postavljenim ciljevima, moguće je istaknuti slijedeća glavna postignuća disertacije: • razvoj diferencijalno-algebarskog modela višestrojnog sustava korisnog za provođenje simulacija u vremenskoj domeni kombiniranjem dinamičkog i statičkog aspekta analize, a u svrhu razmatranja dinamičkih pojava u uvjetima dužih prijelaznih perioda smanjene razine sigurnosti napona, • razvoj nadomjesnog modela i upravljačkog sustava UPFC-a u svrhu definiranja uloge i regulacijskih svojstava, metodologije dimenzioniranja i određivanja lokacije i vremena djelovanja naprave uz istodobnu regulaciju sva tri upravljačka parametra obzirom na analizu problema stabilnosti napona, • razvoj metodologije prepoznavanja kritičnih točaka pogona korištenjem matričnih dekompozicija i funkcija ees-a karakterističnih za nastanak i razvoj problema stabilnosti napona te proračuna njihovih osjetljivosti obzirom na parametre modela tereta i UPFC-a. Mogućnosti nastavka istraživanja uvelike ovise o broju i vrsti praktičnih primjena FACTS naprava. Očekujući povećani broj njihovih instalacija, predložena analiza vrlo je značajna sa stajališta planiranju i pogona sustava. Prijelazom s manjeg test-sustava na neku od većih konfiguracija mreže postigli bi se vrlo praktični odgovori na stvarne probleme pogona. U tu bi svrhu predloženu metodologiju trebalo primijeniti u okviru rada dispečerskog centra na vođenju ees-a. KLJUČNE RIJEČI: stabilnost napona elektroenergetskog sustava, modeliranje opterećenja, FACTS, UPFC, analiza osjetljivosti