Przesuwniki fazowe są użytkowane w systemach elektroenergetycznych od wielu lat. Urządzenia te służą do kontroli rozpływów mocy w systemie elektroenergetycznym poprzez zmianę kąta zawartego pomiędzy wektorami napięć na początku i na końcu linii, wprowadzając napięcie dodawcze wskutek szeregowego włączenia uzwojeń transformatora w linię przesyłową. W rozprawie zaproponowano asymetryczny przesuwnik fazowy z możliwością regulacji napięcia wzdłużnego oraz poprzecznego (dodawczego). Dzięki takiemu podejściu do regulacji obu napięć, możliwe jest osiągnięcie większej elastyczności pracy w porównaniu z klasycznymi jednostkami asymetrycznymi. Co więcej, mimo asymetrycznej konstrukcji, proponowane rozwiązanie przesuwnika fazowego umożliwia pracę jako jednostka quasi-symetryczna. Dodatkowo, oprócz kontroli rozpływów mocy możliwe jest regulowanie napięć węzłowych.
Praca doktorska opisuje możliwe strategie sterowania proponowanym przesuwnikiem, a także przedstawia wyniki badań laboratoryjnych. Zbudowany układ przesuwnika fazowego zweryfikowano pod kątem możliwości sterowania w laboratoryjnym modelu systemu elektroenergetycznego. Badane urządzenie składa się z dwóch transformatorów: pierwszy transformator (wejściowy) odpowiada za regulację napięcia wzdłużnego, natomiast drugi odpowiada za regulację napięcia dodawczego (poprzecznego). Bazując na laboratoryjnym układzie, przygotowano model w pakiecie Simulink oraz analityczny w Matlabie w celu weryfikacji otrzymanych wielkości w trakcie pomiarów laboratoryjnych. Następnie, wykorzystując metodę Newtona-Raphsona, przeprowadzono obliczenia rozpływów mocy w zmodyfikowanym 5-węzłowym systemie testowym. Do obliczeń rozpływów mocy przyjęto trzy przypadki: klasyczny układ asymetryczny, proponowane rozwiązanie w stanie quasi-symetrycznym oraz pracujące przy obniżonym napięciu wzdłużnym. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że możliwość regulacji napięcia wzdłużnego może stanowić efektywne narzędzie zarówno do kontroli przepływów mocy w linii, jak i do regulacji napięć węzłowych. Dla obliczonych równych wartości przesyłanych mocy w linii (dla przesuwnika asymetrycznego i z obniżonym napięciem wzdłużnym), wartości napięć węzłowych dla proponowanego przesuwnika były niższe o 9 kV. W ten sposób możliwe jest zniwelowanie głównej wady asymetrycznego przesuwnika fazowego, jakim jest wzrost napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego. Badania laboratoryjne, symulacyjne oraz obliczenia rozpływowe wykonywano wyłącznie dla stanów ustalonych.
Zaprezentowana teoria dla przesuwnika fazowego z regulacją wzdłużno-poprzeczną wskazuje, że tego typu rozwiązania mogą odznaczać się funkcjonalnościami podobnymi do urządzeń UPFC przy prostszej i tańszej konstrukcji.
Phase-shifting transformers (PSTs) have been widely used for many years. These devices influence on the power flows in the power systems by voltage phase angle regulation.
Phase angle regulation is realized by introducing into the line additional voltage by series windings of the transformer. In this thesis asymmetrical PST with possibility of longitudinal voltage adjustment is investigated. Longitudinal voltage regulation allows to achieve higher flexibility comparing to classical PST solutions. In spite of the fact, that proposed PST construction is asymmetrical, there are possible to obtain different ways to control its work, even as symmetrical. Additionally, apart from power flow control, proposed PST can influence on the voltage regulation.
The doctoral thesis describes possible ways of PST control strategies and shows effects of the laboratory research. The PST was tested in the laboratorial power system prepared as the model of the real power system. Testing PST unit was designed as two transformer solution: longitudinal regulation was realized in first transformer, and the additional voltage introduced into the transmission line was realized in second, series one. Then, the Simulink model was built to compare laboratory tests with simulations and numerical calculations.
Using Newton-Raphson power flow calculation method, in the IEEE 5-bus system were conducted calculations to compare influence of classical asymmetric PST with proposed unit working in two modes: quasi-symmetric and with lowered longitudinal voltage. The results show, that PST with longitudinal voltage regulation can be effective tool to control power flows, and additionally allow to control nodal voltage. During tests the same power flows for asymmetric and proposed PST were obtained, and the nodal voltage in proposed solution was lower about 9 kV. In this way the main disadvantage of asymmetric PST resulting in the output voltage growth is removed. All tests and simulations were conducted for steady-states.
The theory of PST with longitudinal voltage regulations shows, that this unit can operate in power systems with similar functions to unified power flow controller (UPFC) while being simple and cheaper solution.
