CC BY
53
Библиографический список
1. Электротехнический справочник. В 4 т. / под ред. В.Г.Герасимова и др. Т. 2: Электротехнические изделия и устройства. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 519 с.
2. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.
3. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов по спец. «Электромеханика». 2 -е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1994. 318 с.
4. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г., Электрические машины: Синхронные машины: учеб. пособие для вузов по спец «Электромеханика» / под ред. И.П. Копылова. М.: Высш. шк., 1990. 304 с.
5. Меркурьев Г.В., Шаргин Ю.М. Устойчивость энергосистем. Расчеты: монография. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006. 300 с.
УДК 621. 311. 1
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ В СИСТЕМЕ
1 9
Нгуен Дык Куанг1, Н.И.Воропай2
1,2Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Институт систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Выполнено моделирование динамики работающих в системе электроснабжения газотурбинной установки с системой управления возбуждением, ветроэлектрической установки с асинхронной машиной двойного питания при постоянной и переменной скоростях ветра и сверхпроводящих магнитных накопителей энергии. Рассмотрено управление динамикой системы электроснабжения при разных видах возмущений. Ил. 12. Табл. 1. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: динамики системы электроснабжения; газотурбинная установка; ветроэлектрическая установка; накопители.
DYNAMIC CHARACTERISTICS OF POWER SUPPLY SYSTEMS WITH DISTRIBUTED GENERATION UNDER SYSTEM DISTURBANCES Nguen Dyk Quang, N.I.Voropai
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Melentiev Energy Systems Institute of SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The authors simulate the dynamics of an occupied in power supply system gas turbine with an excitation control system and a wind turbine plant with a double-fed asynchronous machine with constant and variable wind speeds, and a superconducting magnetic energy storage. The control of power supply system dynamics is considered under various types of disturbances.
12 sources. 1 table. 11 sources.
Key words: dynamics of power supply system; gas turbine unit; wind turbine plant; energy storage.
Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ века главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии.
В последнее время активно развиваются установки распределенной генерации различных типов, имеющие малую единичную мощность и устанавливаемые в распределительных электрических сетях вблизи потребителей. Имеется целый ряд факторов, стимулирующих развитие распределенной генерации. Одним из перспективных типов таких установок являются малые газотурбинные агрегаты, имеющие высокий КПД (до 55-60%), высокую заводскую готовность и короткие сроки ввода в эксплуатацию. Основные области применения малых газотурбинных электростанций - это электроснабжение отдельных потребителей со сравнительно небольшой нагрузкой в районах, не имеющих достаточно развитых электрических сетей, а также в виде малых ГТУ-ТЭЦ в
1Нгуен Дык Куанг, аспирант, тел.: 89246349907, е-mail: quangk137a@yahoo.com Nguen Dyk Quang, Postgraduate, tel.: 89246349907, e-mail: quangk137a@yahoo.com
2Воропай Николай Иванович, доктор технических наук, директор, заведующий кафедрой электроснабжения и электротехники, е-mail:voropai@isem.sei.irk.ru
Voropai Nikolai, Doctor of technical sciences, Director, Head of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: voropai@isem.sei.irk.ru
городах и поселках городского типа [1].
В настоящее время ветроэнергетика получает развитие наряду с классическими источниками энергии. Из электромеханических преобразователей, применяемых в современных ветроэлектрических установках (ВЭУ), наибольшее распространение получили четыре системы: асинхронная машина двойного питания (АМДП), частота вращения которой регулируется преобразователем частоты в цепи ротора; синхронный супернизкоскоростной генератор, частота вращения которого регулируется преобразователем частоты в цепи статора; асинхронная машина с переключением пар полюсов; в редких случаях чисто синхронный либо асинхронный генератор. Основной особенностью ВЭУ является необходимость работы в условиях изменения скорости ветра, отдельные порывы которого могут существенно превышать его среднюю скорость, а в другие моменты времени скорость может значительно снижаться. Это обстоятельство вынуждает использовать в ВЭУ сложные механические или гидравлические устройства регулирования скорости, а следовательно - выходного напряжения генератора, что существенно усложняет и удорожает всю конструкцию и малопригодно для автономной ВЭУ небольшой мощности [2, 3].
Современные ЭЭС представляют собой сложные технические системы, характеризующиеся множеством элементов и сложностью происходящих в них процессов. Динамические свойства таких систем отличаются весьма широким спектром периодов колебаний, начиная от долей секунды и заканчивая десятками и сотнями секунд. По мере роста и усложнения ЭЭС ухудшаются их динамические свойства, растут сложности управления, повышается опасность каскадного развития аварий. Применяемая в современных энергосистемах системная автоматика не всегда успешно справляется с последствиями больших возмущений, что приводит к отключению части потребителей, снижению качества электроэнергии во время переходного процесса, а в особо тяжелых случаях к развалу системы на несинхронно работающие части. Среди многообразия средств поддержания динамической устойчивости электроэнергетических систем, как широко используемых, так и существующих в виде прототипов, значительный интерес представляют накопители электрической энергии, позволяющие практически мгновенно реагировать на изменение режима. В качестве накопителя электрической энергии в ЭЭС могут применяться сверхпроводящие магнитные накопители энергии (СПМН).
Рассматриваем систему электроснабжения с газотурбинными электростанциями, ветроэлектрической установкой и накопителем. Упрощенная схема замещения ветроэлектрической установки с асинхронной машиной двойного питания (ВЭУАМДП) показана на рис.1,а и эквивалентная схема - на рис. 1 ,б.
(а)
б)
Рис.1. Упрощенная схема замещения ВЭУАМДП
Переменные на рис.1,б можно рассчитать по следующим формулам [4]:
Ид — Шг
Х иг
]Лт
* и
+ АХт + X )
Л, + ]Х ' = Л, + ]Х3 +
Хт [ ^ + ]Хг
и
' + }{Хт + Хг )
(1)
(2)
(3)
4 =
4'
4
4
Ids + jIqs - ■
Динамические уравнения системы АМДП:
Uds + JUqs - Ee
^eq
Rs + jX '
(4)
U - E - R I - XI,, ■
U qs Eq s1 qs XIds> Uds - Ed - RsIds - X1qs'
I ---* qr
El X
I - —
qs
2H dar dt
Xm
E'
--—I ■
+ y 2 qs' X
q | Xm XX
'ds'
■ - T - T
î m
(5)
В уравнениях (1) - (5) U
ds
U,
qs
U
dr '
Uqr - составляющие напряжений статорной и роторной обмоток;
Ids, Iqs, Idr, Iqr - составляющие токов статорной и роторной обмоток; Rs, Rr, Xs, Xr, Xm - полное активное и индуктивные сопротивления статорной и роторной обмоток и сопротивление взаимоиндукции; H - момент инерции; Te, Tm - электромагнитный момент и момент, развиваемый ветродвигателем, приведенный к валу
АМДП; Рвд -мощность, развиваемая ветродвигателем и приведенная к валу генератора [5]:
Рвд -
О v(t )< ул
k„r2v(t)3Cv vMUH < v(t)< v
норм
Р N
норм ветр
v
норм
< v{t)< v_
(6)
мак
< vit )
где kp - коэффициент пропорциональности; r - радиус ветроколеса в метрах; vit) - скорости ветра в метрах в секунду и Рд - мощности в киловаттах; Cv - коэффициент использования энергии ветра; Рн
гвд — мощпос.и в киловамах, - коэффициент использования эперти ве|ра, РнОрМ - нормальная
мощность, развиваемая ветродвигателем и приведенная к валу генератора при нормальной скорости ветра; Nветр - число ветротурбины; умин , унорм, умак - минимальная, нормальная и максимальная скорости ветра.
Момент, развиваемый ветродвигателем и приведенный к валу генератора:
где Ma -
s6a
W„
T -
P
вд
Мбазаюбаз
(7)
w6a3 w6a3
Скорость ветра рассчитаем по формуле [6]:
1
1 + T
(8)
где ут , ут - реальное и сглаженное значения скорости; Тт - период сглаживания. Реальные изменения скорости ветра сглаживаются на входе ветроустановки за счет механической инерции вращающих масс. Этот эффект моделируется низкочастотным фильтром, принципиальная схема которого показана на рис.2.
Временная последовательность 1
W 1 + sT w W
скоростей ветра
Рис.2. Низкочастотный фильтр для сглаживания изменений скорости ветра
О
v
w -
vw-
w
Ю +
уст
Ш (X+1) Т*+Z
Т* +1
Минимальное значение
1—шми
к
100
э
Тъэ +1
0.8
Тэ +1
1
Ь*+ С гг* + 1
К„
/г
/1
Ш,
Тпг* + 1
Рис.3. Математическая система газовой турбины
Математическая модель газовой турбины представлена на рис.3 и описывается следующей системой уравнений [8]:
Р1 = Мин{Т;/;У };
Р < Р < Р Р 1 мин — Р 1 — Р 1мах
Р2 = ЮР1 (1—о,23Щмин );
Рз =
Р4 =
а|(Р2 + Ж,
мин
мин
)—Р4Кг \
Ь4 + С
Р
=
+1
Р4в~ 'Еси ТСБ,' +1
Рмех = СЗ^Ж/ — 0,23)+ 0,5(1 — ю);
ТХ = Ти — 700(1 — Жг)+ 550(1 — ю);
Т1 = Тх
0,8 +
0,2
Т
Т=
V
Т
Та' + 1 у
ТЬ4 + 1
(Ти — Т2 )Тс4 + 1)
Тт'
(9)
где Рмех - механическая мощность, развиваемая газовой турбиной; Жмин , Ж/ - минимальный и текущий расходы топлива; а, Ь , с - параметры, определяющие положение клапана; К/, тр - коэффициент обратной связи и постоянная времени топливной системы; Р1мин, Р]мак - предельные значения входной мощности; ю -угловая скорость вращения вала двигателя; Ти - номинальная температура на входе турбины; ТТ - регулируемая температура на выходе турбины; Та - постоянная времени теплового излучения; ТЬ - постоянная времени термопары; Тс - постоянная времени регулирования выходной температуры; ЕСи - задержка времени реакции горения; ТСп - постоянная времени объемного разряда компрессора; /1 = Ти —700(1 — Ж/)+550(1—ю); /2 = 1,з(Ж/ — 0,23)+ 0,5(1 — ю) .
Математическая модель синхронного генератора, приводимого в движение газовой турбиной, представляется системой уравнений [10]:
м
Ю
Т
1
е
а
см
е
Ю
Ю
>
ШФ,
Шэ
Шг ШФГ
= — юфп„ —
дэ
Шг д
Шфск = Гйг Шг хШг
и дэ ЮгфШэ
и/ I гШгхаШ ■ , Гйг тт* ■
^Шг +-Ш +-ий/;
хШг хШг
ШФ,
дэ
г„
___дг_ ф гагХаа .
, фдг +
Ш х*г Хдг
йЮг 1 ( \Ш5
-7- = ^Г(тгаз — тЭМ Ь~Г; = Юг;
Шг Ту Шг
тЭМ = —
Р = +
(10)
где , фдэ, ФШг, фдг - составляющие потокосцеплений статорной и роторной обмоток; и^ , идэ - составляющие напряжений статорной обмоток; и*Ш/ - напряжение возбуждения в долях от напряжения возбуждения холостого хода; , д , 1йг, 1дг - составляющие токов статорной и роторной обмоток; гэ, гг, хэ, хг - полные активное и индуктивное сопротивления статорной и роторной обмоток; тЭМ, тгаз - электромагнитный момент и момент, развиваемый газовой турбиной, приведенный к валу газотурбинной установки; 5 - угол между осью ротора и синхронной осью; Р, б - активная и реактивная мощности.
Рис. 4. Система возбуждения
Используемая система возбуждения синхронной машины (рис.4) описывается уравнениями [9]:
эКр (1 + эТРз)
и1 = из — ис + иуст — и2
и, =
Каи1
Та* + 1
(1 + 8Тр1 Х1 + эТр2 )'
иRмин — и2 — иRмак ;
из = и2 - ирП (Ке + их);
ирв =■
из
эТ
Е
(11)
и = и - ис+иуст - и2
(1 + STF3)
и =
(1 + STF1 )(1 + sTF2 )
ки .
Т> +1'
иКмин — и2 — URмак '
из = и2 - иFD (КЕ + их ) '
и
UFD =
где и
УСТ
и, и
ис - установившееся напряжение, напряжение преобразователя, выходное напряжение
возбуждения и напряжение системы стабилизации сигнала; К зи по скорости; Ка, Та - коэффициенты регулятора; и
Ямин
р , ТР1, ТР2, ТР3 - коэффициенты обратной свя-иВмск - предельные значения напряжения; ТЕ,
КЕ - постоянная времени и коэффициенты обратной связи сигнала, поступающего с напряжения возбуждения, как правило, используются для обеспечения стабилизации возбуждения системы.
Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (СПМН) представляются уравнениями [11]:
Е = ¿¡2 I
^ 2 нак^нак >
(12)
Р = — = Т Т ■ Снак _ т и (13)
1 ,, ± нак^нак > и ± нак^ нак > У^)
са са
где Ьнак, 1нак , инак - индуктивность тока и напряжение батареи накопителя.
СПМН подключается к сети через двухнаправленный преобразователь. Тогда СПМН может работать в двух режимах: зарядка или разрядка (рис.5).
Преобразователь источника Двух-направленный
напряжения потоянный преобразователь
Рис.5. Схема СПМН
Установившийся режим в системе электроснабжения на шаге интегрирования рассчитывается методом Ньютона-Рафсона, при этом ветроэлектрическая установка моделируется Р^-узлом. Численное интегрирование дифференциальных уравнений выполняется методом Рунге-Кутта 4-го порядка.
Рассмотрим динамику системы электроснабжения с установками распределенной генерации при возмущениях. Схема замещения системы электроснабжения показана на рис.6, ее параметры представлены в таблице. Базовая мощность при приведении к относительным единицам равна 100 МВт. Ветроэлектрическая установка подключается к сети в узле 3. Генератор в узле 1 представляет основной пункт питания системы электроснабжения. Генераторы в узлах 2, 6, 7 представляют установки распределенной генерации на основе газотурбинных агрегатов. Скорость ветра на некотором промежутке времени показана на рис.7.
Рис.6. Тестовая схема
Номер узла Напряжения (кВ) Генераторы (МВт) Нагрузки
Р(о.е) 0(о.е)
1 69 600 0 0
2 69 60 0.3038 0.1778
3 69 60 1.3188 0.266
4 69 0 0.6692 0.056
5 69 0 0.1064 0.0224
6 13.8 25 0.1568 0.105
7 13.8 25 0 0
8 18 0 0 0
9 13.8 0 0.413 0.2324
10 13.8 0 0.126 0.0812
11 13.8 0 0.049 0.0252
12 13.8 0 0.0854 0.0224
13 13.8 0 0.189 0.0812
14 13.8 0 0.2086 0.07
Рис.7. Скорость ветра
При МО с произошло короткое замыкание на линии вблизи 2-го узла, которое отключается защитой через 0,1 с. Активная и реактивная мощности ВЭУ и 3-го узла показаны на рис. 8, 9 и 10. При этом активная мощность ВЭУ изменяется в переходном процессе с 10 с до 18 с и далее стабилизируется.
Рис.8. Мощность ВЭУАМДП
Рис. 9 и 10 показывают динамику активной и реактивной мощности 3-го узла без СПМН и со СПМН, соответственно при этом с помощью СПМН мощности 3-го узла стабилизируются с высокой эффективностью.
----р3 -03
' ' N ! / X „ 1 1 "-**
1/
,21_1_I_I_I_
О 5 10 15 20 25
Время, с
Рис.9. Активная и реактивная мощности 3-го узла (без СПМН)
При аварийном отключении генератора 2 в Мс, без учета действия регулятора скорости остальных генераторов, частота системы снижается на 2,6% (рис.11). С помощью регуляторов скорости остальных генераторов частота системы восстанавливается к значению 50 Гц (рис.12).
Рис.11. Частота тестовой системы при неучете регуляторов скорости
1, 0 1 1 2 i i 4 i 5 —*— I I 8 —V— —is-
Время, с
Рис.12. Частота тестовой системы при учете регуляторов скорости
Выводы. Разработана динамическая модель системы электроснабжения с агрегатами распределенной генерации в виде газотурбинных установок и ветроэлектрической установки, а также при наличии сверхпроводящего магнитного накопителя энергии. Тестирование модели показало, что динамическая модель адекватно отражает процессы в системе электроснабжения при возмущениях. Наличие сверхпроводящего накопителя энергии позволяет с высокой эффективностью демпфировать аварийные процессы в системе электроснабжения.
Библиографический список
1. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. Новосибирск: Наука, 2006. 205 с.
2. Олейников А.М., Матвеев Ю.В., Канов Л.Н. Моделирование режима ветроэлектрической установки малой мощности // Электротехника и электромеханика. 2010. № 2.
3. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование динамических и статических режимов работы ветроэлектрической установки с асинхронной машиной двойного питания // Электротехника. 2008. № 9.
4. Ce Zheng, М.КеЕипоую. Impact of grid-connected doubly-fed induction wind generators on voltage stability // IEEE Trondheim, PowerTech, Norway, June 19-23, 2011.
5. B. Nelson, M.H Nehrir, C.Wang. Unit sizing and cost analysis of sta.nd-alone hybrid wind/PV/fuel cell power generation systems // Renewable Energy, 2006, Vol.3.
6. F. Milano. Power system modelling and scripting, Berlin, Heidelberg; Springer-Verlag, 2010.
7. K. Maslo, J. Andel. Gas turbine model using in design of heat and power stations // IEEE Porto Power Tech, Porto, Portugal, September 10-13, 2011.
8. W.I. Rowen, Simplified mathematical representations of heavy duty gas turbines // Journal of Engineering for Power, 1983, Vol 105.
9. IEEE Recommended practice for excitation system models for Power system stability studies, IEEE Press, 2005.
10. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование и исследование режимов работы синхронных генераторов ветроэлектрических установок при частотном управлении // Электричество. 2010. №7.
11. A. Demiroren, H. L. Zeynelgil. The transient stability enhancement of synchronous machine with SMES by using adaptive control // Electric Power Components and Systems, 2002, Vol.30.
