Гибридные системы распределенной генерации с возобновляемыми источниками: моделирование и анализ их режимов работы в энергосистеме Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2. Разработанная компьютерная программа может быть использована для тестирования других технических решений и компьютерных программ по исследуемой тематике и является одним из важнейших компонентов построения «интеллектуальных» электрических сетей.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. К о б е ц, Б. Б. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции SMART GRID / Б. Б. Кобец, Н. О. Волкова. - М.: Энегия, 2010. - 207 с.

2. Ф у р с а н о в, М. И. Программно--вычислительный комплекс GORSR для расчета и оптимизации распределительных (городских) электрических сетей 10 (6) кВ / М. И. Фур-санов, А. Н. Муха // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). -2000. - № 3. - С. 34-39.

3. М н о г о у р о в н е в ы й интегрированный комплекс программ РТП для расчетов и нормирования потерь электроэнергии в электрических сетях ОАО «Мосэнерго» / В. В. Кузьмин [и др.] // Электрические станции. - 2004. - № 6. - С. 35-45.

4. М а к о к л ю е в, Б. И. Специализированный программный комплекс для планирования и анализа режимных параметров энергосистем и энергообъединений / Б. И. Макоклюев, А. В. Антонов // Новое в российской электроэнергетике. - 2002. - № 6.

5. Ф у р с а н о в, М. И. Оценка и анализ режимов и потерь электроэнергии в электрических сетях 6-20 кВ на основе программно-вычислительного комплекса «Дельта» / М. И. Фур-санов, О. А. Жерко // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). -2005. - № 1. - С. 31-43.

6. Ф у р с а н о в, М. И. Методология и практика расчетов потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем / М. И. Фурсанов. - Минск: Тэхналог1я, 2000. - 247 с.

7. И д е л ь ч и к, В. И. Электрические системы и сети: учеб. для вузов / В. И. Идельчик. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.

Представлена кафедрой электрических систем Поступила 10.07.2012

УДК 621

ГИБРИДНЫЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

Акад. НАН Азербайджана, докт. техн. наук, проф. ГАШИМОВ А. М.1', докт. техн. наук, проф. РАХМАНОВ Н. Р., канд. техн. наук АХМЕДОВА С. Т.

1Институт физики НАН Азербайджана, 2)Азербайджанский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт энергетики

За последние 10-15 лет совершенствование технологии альтернативной энергетики (и в особенности повышение эффективности солнечных PV-преобразователей (solar PV modules) и ветроэнергоустановок) способствовало развитию распределительных электрических сетей и созданию систем распределенной генерации (РГ) со смешанным составом - традицион-

ные и возобновляемые источники [1, 2]. Важной особенностью гибридных систем РГ является существенное отличие характеристик и режимов ее источников от характеристик традиционных источников энергосистемы. Это отличие состоит в том, что такие возобновляемые источники, как ветроагрегаты и солнечные РК-установки из-за неопределенности и прерывистости характеристик скорости ветра, уровня солнечной радиации, окружающей температуры имеют случайный, неопределенный характер выработки мощности. В связи с этим при росте мощности возобновляемых источников возникает необходимость проведения комплекса исследований, связанных с оценкой их влияния на систему в установившихся и переходных режимах.

Эти исследования дали основание считать системы РГ активными [3]. Вместе с тем для каждой энергосистемы в зависимости от структуры генерирующей мощности, наличия межсистемных связей, возможностей устройств регулирования режима (частоты, мощности, напряжения) требуется проведение более глубоких исследований процессов, возникающих от наличия в системе РГ с возобновляемыми источниками.

Типовая схема и модель гибридной системы ЕС с возобновляемыми источниками. Однолинейная схема гибридной (типичной) системы РГ в составе традиционного источника (дизель-генератора) и возобновляемых источников (ветростанции и солнечной РК-системы) показана на рис. 1.

Энергосистема

-1 Нагрузка т т ▼ „ I Нагрузка 2

CB

H^T-^pr^

Модульная

дизельная

станция

Тр-3

Нагрузка 1 ▼ Тр-4

РГ1

CB

J-Rr

\Xt

- Xf

Ветростанция с машинами двойного питания

С/

1 DC/AC-преобразователь

Гч7|

Солнечная PV-батарея

L

Рис. 1. Схема гибридной системы DG с возобновляемыми источниками

В схеме PV-система подсоединена к общей точке подключения (РСС) через инвертор DC/AC. Агрегаты ветростанции, представляющие собой ветротурбину с асинхронными генераторами двойного питания, также связаны с РСС. Агрегаты PV и WTG могут работать на максимум графика

мощности или в режимах вне максимума. Величины изменения скорости ветра и солнечной радиации используются в модулях WTG и PV с целью моделирования выработки мощности этими источниками в системе РГ.

Для расчета и анализа режима в гибридной системе распределенной генерации с возобновляемыми источниками (РГВИ) и оценки ее влияния на переходные процессы в электрической сети энергосистемы составлены динамические модели синхронного дизель-генератора, а также для вет-роагрегата с асинхронным генератором двойного питания и солнечных PV-комплектов. Имитация режимов в системе РГВИ с моделями указанных источников выполнена в формате программы ЕТАР-6 [4].

Моделирование РК-источников. Эквивалентная схема PV-панели с подключенной нагрузкой показана на рис. 2. Параметры PV-панели приведены в табл. 1.

Нагрузка

Рис. 2. Эквивалентная схема РУ-панели с подключенной нагрузкой

Таблица 1

Параметры РК-панели

Обозначение Описание Значение

Уос Номинальное напряжение открытой цепи 403 В

1ру Ток РУ-панели

¡Баг Модуль обратного тока насыщения

ч Заряд электрона 1,602 • 10-19 Кл

А Коэффициент идеальности 1,50

К Постоянная Больцмана 1,38 • 10-23 Дж/К

Яз Последовательное сопротивление РУ-ячейки

яр Параллельное сопротивление РУ-ячейки

¡ББО Ток короткого замыкания (КЗ) 3,27 А

К Температурный коэффициент при токе КЗ 1,7 е-3

Тг Номинальная температура 301,18 К

1гг Обратный ток насыщения при Тг 2,0793 е-6 А

Ееар Энергия пробоя силикона 1,1 еУ

пр Число параллельных ячеек 40

ПБ Число последовательных ячеек 900

Б Уровень солнечной радиации 0~1000 Вт/м2

Т Температура на поверхности РУ 350 К

Выдаваемый ток с PV-панели определяется из следующих уравнений [5, 6]:

Rз

ф ° V

яр

1РУ

Vpv

+

1ру — Пр1рк Пр15а{

ехр

АкТ

V П8

\\

-1 Я

1рУЯ8

-1

/у

!рн —(^а + к, (Т - Тг))

8

— 1гг

г т\3

V Т

V г /

ехр

"дЯ VI ^

VV

кА

1000 1 1

ТТ

/ V г / /

(1) (2) (3)

Моделирование ветроагрегата. Выходная мощность ветротурбины Р„ определяется как

рт — 0,5рАСр (Х,Р)д

(4)

где р - плотность воздуха; Ар - ометаемая ротором поверхность; Ут - скорость ветра; (X, Р) - коэффициент мощности, который является функцией X (относительной скорости) и Р (угла разворота лопастей (угол тан-дажа)) ротора.

Уравнения динамики напряжений и токов асинхронной машины в синхронно вращающихся координатах О-д описываются в следующем виде:

и&8 ' -Я 0 0 0" Х&8

ид8 0 - Я 0 0 Хд8 +

— + Р

и,г 0 0 яг 0

и 0 0 0 Я X

дг _ _ г _ дг дг

-<В1Хд5

-®2Х дг ®2Х&г

(5)

Х&8 '-ъ 0 Ьт 0 " 1сК

Хд8 0 - Ь 0 Ьт . (6)

X &г -К 0 Ьг 0

К _ _ 0 - К 0 4 _ Кг _

Уравнение движения ротора ветроагрегата с двойным питанием запишется в виде

пр &

— Т - Т

т ет'

Тет — ПрЬт )•

(7)

(8)

Здесь и&8, ид8 и , 1д8 - напряжение и ток статора в осях О и д соответственно; ийг, и и ^, , - напряжение и ток ротора в осях О и д; Ь8, Ьг - индуктивность статора и ротора; Ьт - взаимная индуктивность; , и Х^, X - потокосцепление статора и ротора по О и д; ^, ш2 -

23

3

т

синхронная угловая скорость и скорость скольжения соответственно: ®2 = ®1 _ ; Тт, Тет - механический и электромагнитный моменты.

Номинальные значения параметров ветростанции с двойным питанием приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры ветроагрегата с двойным питанием

Обозначение Описание Значение

Рном Номинальная мощность 2000 кВт

Цном Номинальное напряжение 690 В

Rs Сопротивление статора 0,007 о. е.

Ls Индуктивность статора 0,171 о. е.

Rr Сопротивление ротора 0,005 о. е.

Lr Индуктивность ротора 0,156 о. е.

Lm Взаимная индуктивность 2,9 о. е.

J Инерция ротора 5,04

Up Число полюсов 6

ЦвСиом Номинальное напряжение сети БС АС-БС-АС-преобразователя 800 В

Рт Номинальная механическая мощность 1800 кВт

Если синхронно вращающиеся оси d-q ориентировать на вектор напряжения статора в соответствии с [7], можно получить следующие уравнения:

is =-Tem = \sidr■ (9)

T T - T 2

c = -^; (10)

TT

Udr = Rridr + r ^ - (®1 - ®r ) (TmiqS + ^qr ) ;

Uqr = Rriqr + -(®1 -®r )(TmidS + Tridr )• (11)

Моделирование генератора дизель-агрегата. На практике для исследования динамических режимов дизель-генератора широко используется модель Park [8], которая представлена в виде следующих уравнений: • для цепи статора:

Ud = e'd- rsid + x'qiq; (12)

Ug = e'g- rsiq + x"did; (13)

' для цепи ротора:

Яе'; _е/ +(ха "хЯ) Ь -е'д .

Ж ТО

Же'а _ -еЯ +(х; - х'; ) Я ~ ТО ;

йе"ц _ (е; -е;) + (х'а -х>)^

Ж Т"

(14)

(15)

(16)

(17)

йе"й _(е'й-е'^) + (х\ -х\));

аг ~ т"

Уравнение моментов - это уравнение движения ротора

Т'Ёт --м-- м • (18)

где Mg - электромагнитный момент генератора

М = + 1; -(ха - хЯ ) ■ (19)

Параметры генератора дизель-агрегата приведены в табл. 3.

Параметры генератора дизель-агрегата

Таблица 3

Обозначение Описание Значение

Рном Номинальная мощность 16,62 МВт

ином Номинальное напряжение 10,5 кВ

Сопротивление статора 0,053 Ом

т Инерция ротора 1,4

Пр Число полюсов 8

п Угловая скорость 750 об/мин

Моделирование системы РГВИ в установившихся режимах. Моделирование установившегося режима рассматривается на примере схемы РГВИ действующей в системе «Азерэнержи» (рис. 3). Расчеты режимов выполнены для различных вариантов выработки мощности на ветростанции и модульной дизельной станции. В табл. 4 приводятся результаты расчетов для режимов покрытия мощности нагрузки, присоединенной к шинам ветростанции на 25 и 50 % от выработки ее мощности.

Как видно из табл. 4, отключение связи сети РГВИ с энергосистемой уменьшает суммарную генерацию в сети на 8 % и соответственно снижается напряжение в общей точке подключения на величину, немного большую, чем нормально допустимая (5,5 %). При этом уменьшение покрытия нагрузки в основном достигается за счет роста выработки мощности на модульной дизельной станции при 25 % мощности от ВЭС.

Таблица 4

Параметры режима сети РГВИ при наличии и отсутствии связи с энергосистемой

Параметр режима Значение параметра

При наличии связи сети РГВИ с системой При отсутствии связи сети РГВИ с системой

ВЭС 50 % ВЭС 30 % ВЭС 50 % ВЭС 30 %

Мощность генерации, МВт:

от энергосистемы 37,0 11,6 0 0

от модульной станции 44,0 71,8 74,3 76,6

от ветростанции 5,0 2,5 5,0 2,5

Мощность нагрузки, МВт:

в общей точке подключения 36,2 36,1 33,2 33,1

на шинах модульной станции 40,6 40,7 37,6 37,6

на шинах ветростанции 9,2 9,2 8,4 8,4

Напряжение в общей точке подключения, кВ 108,7 108,6 104,1 104,0

Моделирование системы РГВИ в переходных режимах. Проведены исследования переходных режимов в системе РГВИ, вызванных возмущениями во внешней сети энергосистемы «Азерэнержи». На рис. 4 показана упрощенная однолинейная схема системы, к которой в узле п/ст 220/110 кВ Сангачал подключена система РГВИ, представленная на рис. 1. Параметры источников модульной солнечной РК-станции, ветростанции и дизельной станции приведены в табл. 1-3. В системе РГВИ исследовали переходные процессы при имитации коротких замыканий на ЛЭП, связанных с узлом подключения РГВИ. Полное моделирование режима при указанных возмущениях выполняли с помощью программного комплекса ЕТАР-6 [4]. Анализировали электромеханические качания агрегатов дизельной и ветростанции. Оценивали их влияние на колебание мощности в ЛЭП внешней сети, связанное с узлом общего подключения.

330/220

Грузия 330/110

Дербент

Россия

500/330

Акстафа Самух

500/330 Аз ЭС

220/110 550/330/220 330/220/110 220/110 Габала Апшерон Яшма Промузел

Биличи

330/110 Шамкир ГС

110

Еникенд ГС .

220/110 Масаллы

Рис. 4. Однолинейная схема энергосистемы Азербайджана

Каждая станция гибридной РГ - дизельная, ветровая и солнечная - отдельными линиями электропередачи через общую точку подключена к энергосистеме (п/ст 220/110 кВ Сангачал). Параметры источников солнечной РК-станции, ветростанции и дизельной станции приведены в табл. 1-3 соответственно.

Параметры схемы электрической сети РГ (трансформаторов, линий электропередачи и нагрузок) приведены ниже:

• трансформатор Т-1: номинальная мощность 125/125/31,5 МВ-А; номинальное напряжение 220/110/10,5 кВ; %£ = 11,4/21,9/35,7; Ш = 37/71/46 о. е.;

• трансформатор Т-2: номинальная мощность 63 МВ-А; номинальное напряжение 110/10,5 кВ; = 12,5; Х/Я = 34,1 о. е.;

• трансформатор Т-3: номинальная мощность 50 МВ-А; номинальное напряжение 110/20 кВ; = 12,5; Х/Я = 29,5 о. е.;

• трансформатор Т-4: номинальная мощность 2 МВ-А; номинальное напряжение 20/0,7 кВ; = 6,25; Х/Я = 7,098 о. е.;

• трансформатор Т-5: номинальная мощность 2 МВ-А; номинальное напряжение 20/0,7 кВ; = 6,25; Х/Я = 7,098 о. е.

Линии распределительной сети фЦ): DL-1, DL-2, DL-3, DL-4; длина каждой линии - 5 км соответственно; напряжение 110 кВ; Я = 0,306 Ом-км; X = 0,434 Ом-км; У = 2,6 Ом-км.

Номинальные значения нагрузок: Ь\ = 40 МВт; 15 Mвар; ¿2 = 45 МВт; 15,3 Мвар; Ьз = 40 МВт; 15 Мвар.

В системе РГ исследовали переходные процессы, вызванные возмущениями в электрической сети энергосистемы при имитации коротких замыканий или отключениях линий. Полное моделирование режима при указанных возмущениях выполняли с помощью программного комплекса ЕТАР-6. Анализировали электромеханические качания каждого отдельного источника и оценивали их влияние на протекание процессов в энергосистеме.

Кривые изменения относительных углов генераторов станции Ширван и модульной станции Сангачал, размещенной в системе РГВИ, после отключения трехфазного КЗ на ЛЭП Хырдалан - Сангачал и Ширван - Сангачал соответственно приводятся на рис. 5а, б. Время отключения КЗ - 0,12 с.

Сравнивая колебания углов на рис. 5а, б, нетрудно видеть, что амплитуды для случая КЗ на ЛЭП Хырдалан - Сангачал превышают соответствующие значения при КЗ на ЛЭП Хырдалан - Сангачал. Кроме того, анализ показывает, что колебания углов роторов генераторов модульной станции и станции Ширван совершаются с одинаковой периодичностью, равной примерно 1,6 с. Эти колебания практически затухают через 4-5 периодов. Кроме того, кривая колебания угла модульного генератора содержит также составляющую с периодом 0,35 с, которая характеризует собственные колебания ротора генератора, также затухающие примерно через 1,4-1,6 с, что соответствует инерционной постоянной дизель-агрегата. Из огибающей кривой угла ротора генератора, характеризующей качание системы от КЗ с периодом примерно 5,6-6,0 с, видно, что коэффициент линейного затухания этого качания равен 0,34.

a

Время, с б

Время, с

Рис. 5. Колебания углов роторов генераторов станции Ширван и модульной станции Сангачал после отключения трехфазного КЗ: а - на ЛЭП 220 кВ Хырдалан - Сангачал; б - на ЛЭП 220 кВ Ширван - Сангачал

В Ы В О Д Ы

1. Рост тенденции развития систем распределенной генерации с комбинированным использованием традиционных и возобновляемых источников выявил необходимость разработки новых технических условий функционирования энергосистемы, учитывающих наличие разнохарактерных генерирующих источников в распределительных сетях. В связи с этим при росте мощности возобновляемых источников важным является проведение комплекса исследований, связанных с оценкой их влияния на внешнюю энергосистему в установившихся и переходных режимах.

2. Разработана типовая модель распределенной генерации с базовыми возобновляемыми источниками - ветроустановки, солнечные РК-установ-ки и традиционные источники - дизельные энергоустановки. Выведены уравнения, описывающие системы РГВИ в установившихся и переходных режимах для разных вариантов выработки мощности и нагрузки.

3. Составлены условия баланса мощности при работе сети РГВИ с энергосистемой и ее изолированной работе при разных участиях ветростанции в этом балансе. При автономной работе РГВИ для полного покрытия ее нагрузки необходима значительная доля выработки от дизельной станции.

4. Моделирование переходного процесса в системе РГВИ при возмущениях во внешней системе позволяет выявить степень влияния выработки

мощности на возобновляемых источниках на электромеханические колебания углов генераторов внешней системы, а также определить качание внешней системы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. C o m b i n e d AC-DC micro grids: case study-network development and simulation / N. R. Rahmanov [et al.] // Proceedings Plenary lecture no. 00PLL03 8th International Conference ICTPE-2012, Fredrikstad, Norway, 5-7 September. - Fredrikstad, 2012. - P. 8-12.

2. H y b r i d distributed generation systems with renewable sources: study operation conditions with GRID / N. R. Rahmanov [et al.] // Proceedings OF 8th International Conference ICTPE-2012, Fredrikstad, Norway, 5-7 September. - Fredrikstad, 2012. - P. 286-292.

3. N e w ERA for Electricity in Europe. Distributed Generation: Key issues, challenges and Proposed Solutions European Commission: EUR 20901, 2003, ISBN 92-894-6262-0.

4. E T A P Power Station 6.0. Electrical transient Analyzer Program. Operation Technology, inc. February 2002, southern California.

5. R o p p, M. E. Development of Matlab/Simulink model of single-phase grid-connected photovoltaic system / M. E. Ropp, S. Gonzalez // IEEE Trans. Energy Conv. - 2009. - Vol. 24, No 1. - P. 195-202.

6. C h a o, K. H. Modeling and fault simulation of photovoltaic generation systems using circuit-based model / K. H. Chao, C. J. Li, S. H. Ho // IEEE Int. Conf. Sustainable Energy Technol., Nov., 2008. - P. 290-294.

7. L i n, X. A. Hybrid AC/DC Micro grid and its Coordination Control / X. Lin, P. Wang, P. Chiang // IEEE Transactions on Smart Grid. - 2011. - Vol. 2, No 2. - P. 278-286.

8. A b u r, A. Power System state Estimation: Theory and Implementation / A. Abur, A. G. Exposi. - New York: Marcel Dekkar, 2004.

Представлена Ученым советом Института физики НАН Азербайджана Поступила 25.10.2012

УДК 621.341.572

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДВУНАПРАВЛЕННОГО ТРЕХФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Канд. техн. наук, доц. БУРЛАКА В. В.1', докт. техн. наук, проф. ГУЛАКОВ С. В.1',

инж. МАТЯШОВА Т. Н.2'

'Приазовский государственный технический университет, 2)ПАО «ММК имени Ильича»

Использование рекуперативных преобразователей является одним из наиболее доступных и известных путей экономии энергоресурсов. Преобразователи с возможностью возврата энергии в сеть нашли широкое применение в частотно-регулируемом электроприводе. Рекуперация энергии в сеть существенно экономит энергоресурсы, так как позволяет отказаться от тормозного резистора, на котором энергия рассеивается в виде теплоты.

Подавляющее большинство преобразователей частоты (ПЧ) с напряжением питания 0,4 кВ, используемых в частотно-регулируемом электро-