Modeliranje nadzemnih prijenosnih linija u analizi kvalitete električne energije Istraživački seminar Pristupnik: Mr. sc. Vedad Bečirović Elektrotehnički fakultet u Sarajevu Mentor: Prof.
Download ReportTranscript Modeliranje nadzemnih prijenosnih linija u analizi kvalitete električne energije Istraživački seminar Pristupnik: Mr. sc. Vedad Bečirović Elektrotehnički fakultet u Sarajevu Mentor: Prof.
Modeliranje nadzemnih prijenosnih linija u analizi kvalitete električne energije Istraživački seminar Pristupnik: Mr. sc. Vedad Bečirović Elektrotehnički fakultet u Sarajevu Mentor: Prof. dr. sc. Ivica Pavić Rujan, 2012. Sadržaj • Uvod • Kratak osvrt na analizu kvalitete električne energije (KEE) – Definicije – Parametri od interesa za analizu KEE • • • • Uvjeti za razvoj modela nadzemne linije Proračun parametara prijenosne nadzemne linije Frekvencijska ovisnost parametara vodova (R, L, C) Primjer proračuna 110kV nadzemne linije u analizi KEE – Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE – Model voda u programskom paketu Matlab za analize KEE – Funkcija za proračun parametara vodova u MATLAB - *.m file • Razvoj modela • Zaključak i buduća istraživanja 2 Uvod (1/1) • Modeliranje i analiza elektroenergetskog sustava (EES) u svrhu ocjene kvalitete električne energije (KEE) • Razvoj matematskih modela (zamjenskih shema) i algoritama za analize EES • Odabir uvjeta za razvoj • Verifikacija (usporedba) sa mjerenjima u realnom EES • EN 50160 se već primjenjuje za 110kV nadzemne vodove • Ova istraživanja su posvećena odabiru modela nadzemnog voda i razvoju istog u svrhu ocjene KEE 3 Kratak osvrt na analizu kvalitete električne energije (1/2) Međunarodna važeća definicija kvalitete električne energije prema IEC 61000-4-30 je: „Obilježje električne energije u određenoj točki elektroenergetskog sustava promatrano u usporedbi s referentnim tehničkim parametrima.“ EES mjerenje • • • • • • Senzori naponski i strujni IEC 6100-4-15 flikeri IEC 6100-4-7 harmonici IEC 6100-4-30 procedure ostali parametri prema IEC IEEE 1159 obrada • • • • Trendovi Događaji Baza podataka Prijenos podataka ocjena • EN50160 • IEEE 519 4 Kratak osvrt na analizu kvalitete električne energije (2/2) Parametri od interesa za analizu KEE i klasifikacija pojava prema frekvencijskom opsegu naziv graf.int. obrazloženja frekvencijske varijacije 50Hz ili 60Hz; osnovni harmonik napona i struje. prekidi napajanja Spore promjene napona (f < 5kHz). propadi Spore promjene napona (f < 5kHz). povišenja Spore promjene napona (f < 5kHz). impulsni i oscilirajući tranzijenti Brze promjene napona (f < 10kHz). distorzija Harmonici 64 IEC61000-4-7 harmonik, 40 harmonik EN50160 (f < 5kHz), DC komponenta flikeri Spore promjene napona ( 0 < f < 50Hz) smetnje Vrlo visoke frekvence. Nisu od interesa za ove analize. 5 Uvjeti za razvoj modela nadzemne linije (1/1) • Nesimetrija => - sustav faznih vrijednosti; - sustav simetričnih komponenti (0, d, i) • Model treba da zadovoljava valni oblik napona koji je od interesa za KEE => frekvencijski opseg DC – 10kHz • Uvjeti prema normama i standardima za mjerenje i analizu KEE (IEC 61000-4-15, IEC 61000-4-7, IEC 61000-4-30, EN50160, IEEE519) • Frekvencijski opseg mjerne opreme za monitoring KEE (DC – 10kHz) • Implementacija modela u daljim analizama – vremenski domen (vrijeme trajanja simulacije je znatno dulje od simulacijskog interesnog vremena) – frekventni domen 6 Proračun parametara prijenosne nadzemne linije (1/1) Ulazni podaci: • geometrija (raspored vodiča na stupu, visina stupa, širina stupa) • provjes • vodiči u snopu (1, 2, 3, 4, 6) • specifični otpor tla (10 – 10000 Ωm) • frekvencija • temperatura • prisustvo gromomobranskih užadi Rezultat proračuna: 220kV nadzemna prijenosna linija sa dva vodiča u snopu • kvadratna matrica reda broja vodiča • matrica serijskih impedansi (Ω/km) • matrica otočnih kapaciteta (nF/km) • specijalan slučaj – predhodno navedene matrice prevedene u sustav simetrični komponenti (Rd, Xd, Cd, R0, X0, C0) 7 Frekvencijska ovisnost parametara vodova (R, L, C) (1/2) Utjecaj zemlje na parametre nadzemnog voda u sustavu simetrični komponenti • dozemni kapacitet C(f)=const. • Rd i Ld konstantno do cca. 10kHz Za simetrična opterećenja VNV utjecaj zemlje može se smatrati frekventno neovisnim do 10kHz 500kV visokonaponski vod sa vodičima u snopu 8 Frekvencijska ovisnost parametara vodova (R, L, C) (2/2) Utjecaj skin efekta na parametre nadzemnog voda • Veoma izražen u frekvencijskom opsegu od interesa • Znatno izražen kod vodiča većeg poprečnog presjeka • Zanemarenja ovog fenomena dovode do značajnih pogrešaka 9 Primjer proračuna 110kV nadzemnog voda u analizi KEE (1/3) • • • • naponski nivo 110kV duljina voda 100km industrijska frekvencija 50Hz i frekvencija od interesa DC – 10kHz specifični otpor tla 100Ωm Vodič X(m) Y(m) r (mm) prov. (m) Rdc (Ω/km) A 2,6 21,0 19,8 0 0,1444 B -3,1 18,5 19,8 0 0,1444 C 3,6 16,0 19,8 0 0,1444 G 0,0 25,0 11,0 0 0,4555 10 Primjer proračuna 110kV nadzemnog voda u analizi KEE (2/3) Frekvencijski ovisni parametri u sustavu simetrični komponenti direktne sheme 11 Primjer proračuna 110kV nadzemnog voda u analizi KEE (3/3) Frekvencijski ovisni parametri u sustavu simetrični komponenti nulte sheme 12 Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE (1/5) Biblioteke lines.clf i RLC branches.clf: • konstantni parametri - CP i PI model • frekvencijski ovisni parametri - FD, FDQ, FD-PI, WB model Opseg od interesa DC do 10kHz 13 Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE (2/5) Rezultat: • G1 - konstantni parametri trofaznog modela CP i PI => ne • G2 i G3 - frekvencijski ovisan trofazni model FD, FD-PI i WB => FD-PI ok G1 G2 G3 14 Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE (3/5) Primjer: • 110kV VNV • VNV u PH i JKS na kraju VNV • Na početku VNV PQ metar • Analiza faze A na „_BUS_01” • Trajanje simulacije 1s => df=1Hz • Prolazni JKS od 220ms do 420ms 15 Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE (4/5) Rezultati u vremenskom domenu 16 Model voda u programskom paketu EMTP-RV za analize KEE (5/5) Rezultati u frekventnom domenu • Rezolucija 1Hz • Uočljiva znatna neslaganja na višim frekvencijama • CP i FD jednaki do 450Hz (deveti harmonik) 17 Model voda u programskom paketu Matlab za analize KEE (1/3) MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems • Distributed Parameters Line (EMTP model VNV) • Three-Phase PI Section Line (Trofazni PI elemenat) • PI element (korisnik bira broj PI elemenata u serijskoj vezi – 30PI) 18 Model voda u programskom paketu Matlab za analize KEE (2/3) MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems • Distributed Parameters Line (EMTP model VNV) • Three-Phase PI Section Line (Trofazni PI elemenat) • PI element (korisnik bira broj PI elemenata u serijskoj vezi – 30PI) 19 Model voda u programskom paketu Matlab za analize KEE (3/3) MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems • Distributed Parameters Line (EMTP model VNV) • Three-Phase PI Section Line (Trofazni PI elemenat) • PI element (korisnik bira broj PI elemenata u serijskoj vezi – 30PI) 20 Funkcija za proračun parametara vodova u MATLAB - *.m file (1/3) • Utjecaj zemlje • Skin efekat • Rezultat proračuna je u sustavu faznih vrijednosti i simetričnih komponenti 21 Funkcija za proračun parametara vodova u MATLAB - *.m file (2/3) Rezultat u sustavu faznih vrijednosti: • matrica serijskih impedansi (Ω/km) • matrica dozemnih kapaciteta (nF/km) 22 Funkcija za proračun parametara vodova u MATLAB - *.m file (3/3) Rezultat u sustavu simetričnih komponenti: • parametri po direktnoj shemi Zd (Ω/km) i Cd (nF/km) • parametri po nultoj shemi Z0 (Ω/km) i C0 (nF/km) 23 Razvoj modela (1/6) Ideja: • Više PI elemenata u kaskadnoj (serijskoj) vezi • Razvoj za frekvencijski i vremenski domen • Model razviti za sustav simetričnih komponenti Pitanja: • Kako odrediti broj PI elemenata? • Kako odrediti broj serijskih elemenata RL? • Kako odrediti parametre PI elemenata? • Verifikacija modela ... 24 Razvoj modela (2/6) RLC proračun u frekvencijskom opsegu DC-10kHz fint=10kHz Formiranje PI elementa - R(f), L(f) i C=cons. Određivanje prirodne frekvencije fpri=fmin Određivanje broja PI elmenata 𝑓𝑖𝑛𝑡 𝑁𝑠 = 2 𝑓𝑝𝑟𝑖 25 Razvoj modela (3/6) • • • • 31 PI direktna shema 35 PI nulta shema parametri R i L su funkcije frekvence, parametar C je konstantan model primjenjiv u frevencijskom domenu 𝑙𝑣 𝑅 𝑓 = 𝑅𝑝 (𝑓) ∙ 𝑁𝑠 𝑙𝑣 L 𝑓 = 𝐿𝑝 (𝑓) ∙ 𝑁𝑠 𝑙𝑣 𝐶 = 𝐶𝑝 ∙ 𝑁𝑠 lv – duljina voda Rp(f), Lp(f), Cp - proračun Np = 6 Np = 7 26 Razvoj modela (4/6) • • • • • broj ekstrema (max) odgovara broju paralelnih grana 31 PI element u seriskoj vezi Np – broj paralelnih grana R’m, L’m – poznate vrijednosti dobivene proračunom parametara vodova za fm Rk, Lk – nepoznate vrijednosti 1 = 𝑅′𝑚 + 𝑗𝜔𝑚 𝐿′𝑚 𝑁𝑝 𝑘=1 1 = 𝑅𝑘 + 𝑗𝜔𝑚 𝐿𝑘 𝑁𝑝 𝑅𝑘 − 𝑗𝜔𝑚 𝐿𝑘 2 𝑘=1 𝑅𝑘 + 𝜔𝑚 𝐿𝑘 2 , 𝑚 = 1, 𝑁𝑝 Uvjet za vremensku domenu: 𝑅𝑘 > 0 𝑖 𝐿𝑘 > 0 Postupci za rješavanje: • Jacobijev postupak, • Gauss-Seidelov postupak, • Newton-Raphsonov postupak. 27 Razvoj modela (5/6) 28 Razvoj modela (6/6) Realizacija direktne zamjenske sheme u Simulink/SimPowerSystems ... 31 PI element 29 Zaključak (1/2) Proračun parametara nadzemnog voda • Utjecaj zemlje • Skin efekat • Geometrija • Parametri okoliša (specifični otpor tla, temperatura, ...) EMTP-RV i analiza KEE • Proračun parametara vodova • FD-PI model Unbalanced (odgovara vremenskom i frekvencijskom domenu) Matlab/Simulink/SimPowerSystems • Distributed Parameters Line samo za određene analize 30 Zaključak (2/2) Model nadzemne linije u sustavu simetričnih komponenti 31 Buduća istraživanja (1/1) • Razvoj zamjenske sheme u sistemu faznih vrijednosti • Istraživanje mogućnosti pojednostavljenja razvijenog modela s ciljem očuvanja frekventnog odziva • Implementacija modela na konkretnom primjeru 32