Dynamic model of two synchronous generators connected via long transmission line

Abstract

Due to the large desire to utilize transmission networks for more flexible power interchange transactions, the high requirement for power system dynamic analysis has grown significantly in recent years. While dynamics and stability have been studied for years in a long term planning and design environment, there is a recognized need to perform this analysis in a weekly or even daily operation environment. The dynamic performance of power systems is important to both the system organizations, from an economic viewpoint, and society in general, from a reliability viewpoint. The analysis of power system dynamics and stability is increasing daily in terms of number and frequency of studies, as well as in complexity and size. Dynamic phenomena have been discussed according to basic function, time-scale properties, and problem size. In a realistic system, electric power system consist of the interconnection of large numbers of synchronous generators operating in parallel. These generators are connected together by transmission lines. In the operation process, the rotor angles of generators swing relatively to another one during transients. Under disturbances the synchronism of machines in system is achieved when maintaining equilibrium between electromagnetic and mechanical torques. In other words, a system is unstable if the angle difference between two interconnected generators is not sufficiently damped in the evaluation time. The instability typically occurs as increasingly swings angle generators leading to some loss of synchronism with other generators. One of the constraints for long distance AC transmission is the large phase angular difference which is required to transmit a given amount of power. Therefore, in order to gain dynamic behavior characteristics of system when subject to disturbances, this work will focus on modeling two synchronous generators linked by long AC transmission line. Within the content of this work, for the analysis of system modes, the system is computed based on a detailed model of synchronous machines, transformers, loads and the long transmission line including voltage dynamics and frequency response. The system power equilibrium equations are derived and linearized for the small disturbance stability analysis and some transient disturbances. These results can serve to define stability margin of a power system. This stability limit would play important role in improving designs of the different system connection conditions.

V posledních dynamických letech významně vzrostly nároky na pružnost výměny elektrické energie, což klade zvýšené nároky na dynamickou analýzu energetických systémů. Zatím co dynamika a stabilita sítí je dlouhodobě studována při dlouhodobém plánování, je nyní zapotřebí k zamezení nežádoucích výpadků přenosu energie tuto analýze provádět daleko rychleji on-line s okamžitými on-line naměřenými daty. Dynamicky stabilní výkon přenášený v energetických systémech je důležitý jak z organizačních důvodů, tak z ekonomického hlediska spolu s hlediskem spolehlivosti. Analýzou dynamiky a stability energetických systémů se v současnosti zabývá velké množství aktuální odborné literatury. Literární studie se liší podle detailnosti popisu systému a jeho velikosti. Dynamické jevy byly diskutovány podle základní funkce, podle vlastností, podle časového měřítka atd. V reálném systému se elektrická energetická soustava skládá z propojení velkého počtu synchronních generátorů pracujících paralelně. Tyto generátory jsou propojeny přenosovými linkami. Při provozním procesu se úhly rotorů generátorů v průběhu přechodových otáček relativně otáčejí jiným. Při poruchách dochází k synchronizaci strojů v systému při zachování rovnováhy mezi elektromagnetickými a mechanickými momenty. Jinými slovy, systém je nestabilní, pokud úhlový rozdíl mezi dvěma propojenými generátory není dostatečně tlumen. Nestabilita se zpravidla vede ke ztrátě synchronizace s ostatními generátory a k rozpadu okrsku sítě vypnutím proudových, napěťových a výkonových ochran. Jedním z omezení stability přináší pro dálkový přenos dlouhým vedením. Dlouhé metalické vedení zvyšuje fázový úhlový rozdíl, který je nutný k přenosu daného výkonu střídavým proudem. Proto se za účelem získání popisu dynamického chování systému při poruchách soustředí tato práce na modelování dvou synchronních generátorů propojených dlouhým AC přenosovým vedením. V rámci této práce je pro analýzu systémových režimů systém vypočítán na základě podrobného modelu synchronních strojů, transformátorů, zátěží a dlouhé přenosové linky včetně dynamiky napětí a frekvenční odezvy.