Processus de modélisation et étude des orages géomagnétiques dans les réseaux électriques : impact sur le réseau de transport d'Hydro-Québec

Ce projet de recherche présente un processus de modélisation complet des effets des courants géomagnétiques induits (GIC) sur le réseau d'Hydro-Québec (HQ) à des fins de planification et d'exploitation. L'avantage de cette méthode est de permettre aux ingénieurs en planification de simuler les effets des orages géomagnétiques sur le réseau d'Hydro-Québec sous différentes conditions et avec différentes contingences et ce, avec des temps de calcul très raisonnables. Cette démarche de modélisation des courants GIC dans les réseaux électriques a été appliquée sur un modèle du réseau d'Hydro-Québec. Un modèle DC équivalent du réseau Hydro-Québec a été réalisé. Une méthode de calcul numérique des tensions DC, à partir d'un champ géoélectrique non uniforme a été développée puis implémentée dans le modèle DC. Les harmoniques et les pertes en puissance réactive des transformateurs saturés ont été déterminés en fonction du courant GIC par un algorithme utilisant une courbe de magnétisation choisie pour représenter les transformateurs d'Hydro-Québec. L'évolution dans le temps de la saturation de chaque transformateur en fonction de son courant GIC efficace a été déterminée par des formules analytiques. Les pertes en puissance réactive des transformateurs saturés sont modélisées dans le réseau PSS/E [1] d'Hydro-Québec comme étant une charge réactive à courant constant localisée à la barre du transformateur correspondant. Finalement, des simulations dans le domaine du temps sont effectuées avec PSS/E en considérant les temps d'établissement de la saturation des transformateurs. Ceci est réalisé en intégrant les résultats du modèle DC et les résultats des calculs analytiques des temps d'établissement de la saturation des transformateurs dans un modèle de charge EMTP qui sera lié au réseau PSS/E via une interface. Grâce à cette méthodologie, différents aspects des effets des courants GIC sur le réseau modèle d'Hydro-Québec ont été étudiés notamment, l'influence des champs géoélectriques uniforme et non uniforme, les pertes en puissance réactive du réseau 735kV comparées à celles du sous réseau de Montréal, les effets sur la tenue en tension ainsi que l'importance des réserves dynamiques de puissance réactive. Ce mémoire présente une nouvelle approche de modélisation des courants GIC dans les réseaux électrique dans une perspective de planification et d'exploitation.

Abstract

This research project presents a complete modelling process of the effects of GIC on Hydro-Quebec power system network for system planning studies. The advantage of the presented method is that it enables planning engineers to simulate the effects of geomagnetic disturbances on the Hydro-Quebec System under different conditions and contingencies within reasonable calculation time frame. This modelling method of GIC in electric power systems has been applied to the Hydro-Quebec System. An equivalent HQ DC model has been achieved. A numerical calculation method of DC sources from a non-uniform geoelectric field has been developed and implemented on HQ DC model. Harmonics and increased reactive power losses of saturated transformers have been defined as a function of GIC through a binary search algorithm using a chosen HQ magnetization curve. The evolution in time of each transformer saturation according to its effective GIC has been evaluated using analytical formulas. The reactive power losses of saturated transformers have been modeled in PSS/E[1] HQ network as constant reactive current loads assigned to the corresponding transformer buses. Finally, time domain simulations have been performed with PSS/E taking into account transformer saturation times. This has been achieved by integrating HQ DC model results and analytical calculations results of transformer saturation times into an EMTP load model. An interface has been used to link EMTP load model to HQ PSS/E network. Different aspects of GIC effects on the Hydro-Quebec system have been studied, including the influence of uniform and non-uniform geoelectric fields, the comparison of reactive power losses of the 735kV HQ system with those of Montreal network, the risks to voltage levels and the importance of reactive power dynamic reserve. This dissertation presents a new GIC modelling approach for power systems for planning and operations purposes.