Comparative analysis and optimization of HVAC and Multi-Terminal HVDC integration 400kV super grid (Case Study of Iraq)

Abstract

The Iraqi 400-kV super grid faces significant operational challenges, including high transmission losses, overloaded transmission lines, voltage instability, and limited long-distance power transfer capability. The main objectives of this study are to minimize transmission losses, reduce transmission line overloading, maintain acceptable voltage profiles, and improve the overall performance of the Iraqi transmission network through the integration of Multi-Terminal High-Voltage Direct Current (MT-HVDC) technology. These objectives were achieved by modeling the Iraqi transmission network using real operational data for 2024 and analyzing it in PSS®E Version 33 under normal, 10%, and 20% loading conditions. A Genetic Algorithm (GA) was employed to identify the optimal MT-HVDC converter station locations and transmission corridors. The most important results indicate that the optimization process identified RU-MILPP, BGS4, and KESK4 as the optimal MT-HVDC terminal locations within the Iraqi 400-kV network. The proposed hybrid AC/DC configuration reduced total transmission losses by 22.5 MW and 13.75 MVar under normal operating conditions. Under a 20% load increase, the number of overloaded transmission lines decreased from 16 to 3 while maintaining all bus voltage magnitudes within the acceptable range of 0.95–1.05 p.u. Furthermore, the bipolar MT-HVDC configuration demonstrated superior loadability and long-distance power transfer capability compared with conventional HVAC transmission systems. The significance of the obtained results lies in improving transmission efficiency, enhancing voltage stability, alleviating network congestion, increasing operational flexibility, and providing a practical foundation for future renewable energy integration and regional power system interconnections.

Rețeaua națională irakiană de 400 kV se confruntă cu provocări operaționale semnificative, inclusiv pierderi ridicate de energie în transmisie, supraîncărcarea liniilor de transport, instabilitatea tensiunii și o capacitate limitată de transfer al energiei pe distanțe lungi. Obiectivele principale ale acestui studiu sunt minimizarea pierderilor de transmisie, reducerea supraîncărcării liniilor de transport, menținerea profilurilor de tensiune în limite acceptabile și îmbunătățirea performanței generale a rețelei de transport din Irak prin integrarea tehnologiei Multi-Terminal High-Voltage Direct Current (MT-HVDC). Aceste obiective au fost atinse prin modelarea rețelei de transport irakiene utilizând date operaționale reale aferente anului 2024 și prin analiza acesteia în PSS®E Versiunea 33, atât în condiții normale de funcționare, cât și pentru creșteri ale nivelului de încărcare de 10% și 20%. Un Algoritm Genetic (GA) a fost utilizat pentru identificarea locațiilor optime ale stațiilor convertizoare MT-HVDC și ale coridoarelor de transmisie. Cele mai importante rezultate indică faptul că procesul de optimizare a identificat RU-MILPP, BGS4 și KESK4 drept locații optime pentru terminalele MT-HVDC din rețeaua irakiană de 400 kV. Configurația hibridă AC/DC propusă a redus pierderile totale de transmisie cu 22.5 MW și 13.75 MVar în condiții normale de funcționare. În condițiile unei creșteri a nivelului de încărcare cu 20%, numărul liniilor upraîncărcate a scăzut de la 16 la 3, menținând, în același timp, toate valorile tensiunii în intervalul acceptabil de 0.95–1.05 p.u. În plus, configurația bipolară MT-HVDC a demonstrat o capacitate superioară de încărcare și de transfer al energiei pe distanțe lungi comparativ cu sistemele convenționale HVAC. Semnificația rezultatelor obținute constă în îmbunătățirea eficienței transmisiei energiei, creșterea stabilității tensiunii, reducerea congestiei rețelei, sporirea flexibilității operaționale și furnizarea unei baze practice pentru integrarea viitoare a surselor regenerabile de energie și pentru interconectarea regională a sistemelor electrice.

Энергосистема Ирака напряжением 400 кВ сталкивается с рядом существенных эксплуатационных проблем, включая высокие потери при передаче электроэнергии, перегруженные линии электропередачи, нестабильность напряжения и ограниченные возможности передачи мощности на большие расстояния. Основными целями данного исследования являются минимизация потерь при передаче электроэнергии, снижение перегрузки линий электропередачи, поддержание допустимых уровней напряжения и повышение общей эффективности иракской сети электропередачи за счёт интеграции технологии многотерминальной высоковольтной передачи постоянного тока (MT-HVDC). Эти цели были достигнуты путём моделирования иракской энергосистемы с использованием реальных эксплуатационных данных за 2024 год и её анализа в программном комплексе PSS®E Version 33 при нормальном режиме работы, а также при увеличении нагрузки на 10% и 20%. Для определения оптимальных мест размещения преобразовательных станций MT-HVDC и маршрутов передачи энергии был использован генетический алгоритм (GA). Наиболее важные результаты показывают, что процесс оптимизации определил RU-MILPP, BGS4 и KESK4 как оптимальные места размещения терминалов MTHVDC в сети Ирака напряжением 400 кВ. Предложенная гибридная конфигурация AC/DC позволила снизить суммарные потери передачи на 22.5 МВт и 13.75 МВАр при нормальных условиях эксплуатации. При увеличении нагрузки на 20% количество перегруженных линий электропередачи сократилось с 16 до 3 при сохранении всех значений напряжения в допустимом диапазоне 0.95–1.05 о.е. Кроме того, биполярная конфигурация MT-HVDC продемонстрировала более высокую пропускную способность и эффективность передачи электроэнергии на большие расстояния по сравнению с традиционными системами HVAC. Значимость полученных результатов заключается в повышении эффективности передачи электроэнергии, улучшении устойчивости напряжения, снижении перегрузок сети, повышении эксплуатационной гибкости и создании практической основы для будущей интеграции возобновляемых источников энергии и регионального межсистемного объединения энергосистем.