Συμβολή στην ανάλυση διατάξεων ελεγχόμενης αντιστάθμισης σειράς γραμμών μεταφοράς και στην εύρεση βέλτιστης θέσης εγκατάστασής τους στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας

Abstract

Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται σε θέματα ανάλυσης, που αφορούν στη λειτουργία της ελεγχόμενης αντιστάθμισης (Thyristor Controlled Series Compensation –TCSC) καθώς και σε διάφορα φαινόμενα που εμφανίζονται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, όπου εγκαθίστανται διατάξεις αντιστάθμισης σειράς. Αναλυτικότερα, προσομοιώνεται η επίδραση των διατάξεων αντιστάθμισης σειράς στο σύστημα κατά την εμφάνιση συμμετρικών και ασύμμετρων σφαλμάτων καθώς και η συμπεριφορά των διατάξεων προστασίας και παράκαμψης των διατάξεων αυτών. Στο πρόγραμμα ΕΜΤΡ (Electromagnetic Transients Program) αναπτύσσεται ψηφιακό μοντέλο TCSC για τον έλεγχο της μεταβλητής σύνθετης αντίστασής του καθώς και μοντέλο ελέγχου του με στόχο την ανίχνευση υποσύγχρονων ταλαντώσεων και απόσβεσής τους. Επίσης, αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα TCSC και TCPAR (Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) για τον έλεγχο της ροής ενεργού ισχύος γραμμών μεταφοράς, παρουσιάζεται ο τρόπος ενσωμάτωσής τους σε υπολογιστικό πακέτο ροής φορτίου και εφαρμόζονται σε μεγάλης κλίμακας μοντέλο του Ελληνικού διασυνδεδεμένου συστήματος ισχύος. Επιπρόσθετα, αναπτύσσεται μεθοδολογία προσδιορισμού των βασικών παραμέτρων σχεδίασης μιας διάταξης TCSC, με βάση την οποία, σχεδιάζεται εργαστηριακό μοντέλο TCSC, το οποίο εγκαθίσταται στο εργαστήριο ΣΗΕ του ΕΜΠ. Επίσης, διερευνώνται οι αρμονικές που δημιουργούνται εντός της διάταξης TCSC και στο σύστημα καθώς και η επίδραση παραμέτρων του TCSC στο μέγεθός τους. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζεται στο πρόβλημα της εύρεσης βέλτιστης θέσης εγκατάσταση διατάξεων αντιστάθμισης σειράς με στόχο την ενίσχυση της ευστάθειας τάσης του συστήματος μετά από κρίσιμες (Ν-1) διαταραχές του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται οι ακόλουθες μεθοδολογίες: α) αναπτύσσεται μεθοδολογία εφαρμογής των Δένδρων Απόφασης (ΔΑ) για την εύρεση της βέλτιστης θέσης και ποσοστού αντιστάθμισης σειράς προκειμένου να αυξηθεί το περιθώριο φόρτισης του συστήματος. Πιο λεπτομερώς, παρουσιάζεται ο αλγόριθμος δημιουργίας των συνόλων μάθησης και ελέγχου, τα κριτήρια ταξινόμησης των σημείων λειτουργίας του συστήματος σε ασφαλή/μη ασφαλή και ο τρόπος επιλογής των τελικών ιδιοτήτων των ΔΑ. Επίσης, διερευνάται η επίδραση του αριθμού των ιδιοτήτων και της προσέγγισης στο σημείο μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος στην ποιότητα των ΔΑ. Από τα αναπτυχθέντα ΔΑ προκύπτουν όχι μόνο οι κρίσιμες γραμμές για αντιστάθμιση σειράς, αλλά και το ελάχιστο απαιτούμενο ποσοστό αντιστάθμισης αυτών με στόχο την αύξηση του περιθωρίου φόρτισης του συστήματος. β) εφαρμόζεται η μέθοδος υπολογισμού της ευαισθησίας του περιθωρίου φόρτισης του συστήματος μέχρι την κατάρρευση ως προς τις παραμέτρους του συστήματος, θεωρώντας ως παραμέτρους του συστήματος την επαγωγική αντίδραση των γραμμών μεταφοράς. Ο υπολογισμός των ευαισθησιών βασίζεται στην εύρεση της μικρότερης ιδιοτιμής και του αντίστοιχου αριστερού ιδιοδιανύσματος του Ιακωβιανού πίνακα του εξισώσεων ισορροπίας του συστήματος για φορτίσεις οριακά μικρότερες του σημείου μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η ταξινόμηση όλων των γραμμών μεταφοράς ως προς την κρισιμότητά τους για την ευστάθειας τάσης του συστήματος. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο μεθοδολογιών από την εφαρμογή τους στο Ελληνικό διασυνδεδεμένο σύστημα μεταφοράς, μετά από κρίσιμες (Ν-1) διαταραχές, οδηγεί στην επιλογή των ίδιων κρίσιμων γραμμών μεταφοράς. Επιπρόσθετα, χρήσιμα συμπεράσματα προκύπτουν και από τη σύγκριση των δύο μεθοδολογιών, από την οποία αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της καθεμιάς.

The first part of this thesis is concentrated on analysis topics referred to the operation of Thyristor Controlled Series Compensation –TCSC and also to phenomena appearing in power systems where series compensation devices are installed. More specifically, the impact of series compensation devices and their protection devices during symmetric and asymmetric faults are simulated. A digital TCSC model is developed in ΕΜΤΡ (Electromagnetic Transients Program) for TCSC impedance control and also a control model for subsynchronous resonance detection and mitigation is incorporated. In addition, TCSC and TCPAR (Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) models for the control of transmission lines active power flows are developed, incorporated in a load flow simulation package and applied to a large scale model of the Hellenic interconnected power system. In addition, a methodology for the estimation of TCSC parameters is developed, which is applied for the design of a laboratory TCSC model, installed at the Power Systems Laboratory of NTUA. Moreover, the harmonics produced inside the TCSC and in the power system and the impact of TCSC parameters on their magnitude are investigated. The second part of this thesis focuses on the problem of finding the best location for series compensation installation and its proper compensation rate for power system voltage stability enhancement after critical disturbances (N-1). More specifically, the following methodologies are developed: a) a methodology for application of Decision Trees (DTs) to the determination of best location and rate of series compensation for power system loading margin increase is developed. In more detail, the algorithm for the creation of learning and control sets, the classification criteria of operating points to safe/unsafe and the procedure for the selection of the final attributes are presented. Moreover, the impact of the attributes number and the approach to the available transfer capability point to DTs quality are investigated. The developed DTs give not only the critical transmission lines for series compensation but also their minimum compensation rate for loading margin increase. b) The sensitivity of power system loading margin to voltage collapse with respect to arbitrary parameters is applied for the determination of critical transmission lines, by using transmission lines reactance as system parameters. The sensitivities calculation is based on the smallest eigenvalue of the system Jacobian left eigenvector of a power system operating point very close to the available transfer capability point. In this way, all transmission lines are classified according to how critical they are for power system voltage stability. Comparison of the results from the two methodologies application to the Hellenic interconnected power system after critical (N-1) disturbances shows that the same critical transmission lines are selected. In addition, the comparison between the two methodologies provides interesting conclusions about the advantages and disadvantages of each one.