70XIVМеждународная научно-практическая конференция УДК 621.311.1
Логинов Никита Александрович Loginov Nikita Alexandrovich
Магистрант Master's degree student Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ИСТОЧНИКОВ ГЕНЕРАЦИИ, ПОДКЛЮЧЁННЫХ ЧЕРЕЗ ИНВЕРТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
STUDY OF DYNAMIC STABILITY OF GENERATION SOURCES CONNECTED THROUGH INVERTER CONVERTERS
Аннотация. В данной статье рассматриваются проблемы и схемы подключения источников распределенной генерации через инверторный преобразователь, кроме того, приводится анализ существующей на сегодняшний день нормативно-технической документации, соответствующей данному типу подключения.
Abstract: This article discusses problems and schemes for connecting distributed generation sources through an inverter, and also provides an analysis of the current regulatory and technical documentation that corresponds to this type of connection.
Ключевые слова. динамическая устойчивость, FRT, LVRT, HVRT, инвертор.
Key words: dynamic stability, FRT, LVRT, HVRT, inverter.
На сегодняшний день более чем в 100 странах мира существуют государственные программы освоения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и утвержденные показатели их развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу [1, с. 3]. В некоторых из этих стран на долю ВИЭ уже приходится значительная доля выработки электроэнергии, поэтому в случае критической аварии одним из ключевых факторов будет подержание ВИЭ в рабочем режиме, поскольку их последующая потеря вслед за уже выведенным из строя оборудованием, может привести к цепи отключений и полной потери
«Научные междисциплинарные исследования»
сети. Исходя из этого, необходимо обеспечить максимальную динамическую стабильность этих систем во время аварийных ситуаций, таких как короткое замыкание, выход из стоя генератора и т.п.
ВИЭ подключаются к сети в основном через инверторные преобразователи - это преобразователи электрической энергии, которые преобразуют постоянный ток в однофазный или многофазный переменный ток. Пример подключения источника генерации через инверторный преобразователь к сети показан на рисунке 1. Источником энергии является источник переменного напряжения (AC), который выпрямляется в постоянное напряжение (DC). Сам источник тоже может включать в себя различные электронные преобразователи (AC/DC и DC/DC), чтобы создавать и/или регулировать постоянное напряжение и ток.
Рис 1. Схема подключения а) микро-турбины или генератора ветровой турбины б) машины двойного питания к сети
Ввод в эксплуатацию объектов распределенной генерации (РГ) в ряде случаев приводит к значительному отклонению схемно-режимных ситуаций в сети и требует проведения проверки согласованности действующих алгоритмов работы и уставок устройств автоматики энергосистемы, находящихся в эксплуатации, с алгоритмами работы и уставками новых устройств автоматики, которые вводятся в эксплуатацию при технологическом присоединении объекта РГ.
XIVМеждународная научно-практическая конференция В международной практике стандартизации разработаны технические
требования для подключения объектов распределенной генерации к
электроэнергетической системе (ЭЭС), которые определяют системные
требования и уровень сетевых возмущений, которые электростанции должны
выдерживать для надежной и непрерывной работы без отключений. Как правило,
технические требования усложняются в зависимости от класса напряжения
присоединения к ЭЭС и мощности объекта РГ.
К перечню основных нормативных и нормативно-технических
документов, определяющих порядок присоединения и работы электростанций на
основе ВИЭ в составе ЭЭС за рубежом можно отнести:
подготовленные объединением европейских сетевых операторов ENTSO -
E кодексы, регламентирующие требования к примыканию к сети генераторов
всех типов и требования к регулированию частоты и резервированию
стандарт американского института инженеров электриков и
электронщиков IEEE 1547, в частности, требования к присоединению
распределенной генерации к электрическим системам
материалы Федеральной комиссии США по регулированию энергетики
(FERC) и Североамериканской корпорации по обеспечению
электроэнергетической надежности (NERC)
материалы европейской ассоциации ветроэнергетики «Powering Europe:
wind energy and the electricity grid» и материалы CIGRE (Conseil International des
Grands Réseaux Electriques)
Исходя из вышесказанной нормативно-технической литературы, можно
выделить следующие аспекты динамической устойчивости объектов РГ:
недопустимо отключение генерирующих установок при расчетных типах
возмущениях
для оценки стабильности угла ротора генератора определяются такие показатели как: критическое время устранение неисправности, обмен критическими областями и максимальная передача мощности [2, с. 9]
«Научные междисциплинарные исследования» требование к устойчивости силового оборудования - способность поддерживать непрерывность электроснабжения в случаях сильных возмущений (Fault Ride-Through (FRT)) [3, с. 68]. Рассмотрим реализацию этой функции подробнее.
LVRT (Low Voltage Ride Through) - функция инверторного преобразователя, которая позволяет на протяжении сильного непродолжительного падения напряжения (отключения части генераторов) или сбоя в сети (отключения питания) в точке присоединения объекта РГ в заданном диапазоне не отключать инверторные станции и продолжать выдавать электроэнергию (рис. 2).
HVRT (High Voltage Ride Through) - возможность генератора или их группы оставаться подключенным к сети и передавать мощность в периоды временных увеличений напряжения (рис. 2).
Рис. 2 Характеристики работы функций LVRT/HVRT инверторного
преобразователя [4, с. 63]
Реализация функций LVRT/HVRT особенно актуальна в аварийных и послеаварийных случаях, когда необходимо обеспечить достаточную скорость восстановления напряжения на шинах ответственных электроприемников.
Данное свойство строго к исполнению на всех новых объектах распределенной генерации, строящихся в странах Европы, поскольку во время
XIVМеждународная научно-практическая конференция частичных аварийных отключений генерирующих установок и резкого падения
напряжения существует риск возникновения цепи отключений, что в свою
очередь может вызвать полное отключение сети. На старых же станциях,
подлежащих модернизации, необходимо установить инверторы с этой функцией.
Требования к LVRT:
во время непродолжительной системной ошибки (длящейся до 140 мс) источники генерации должны остаться подключенными к сети. Для сетей высокого и сверхвысокого напряжений во время продолжительного падения напряжения источники генерации должны оставаться подключенным к сети длительностью не менее 3 минут.
во время системной ошибки или частичного ее отключения источники генерации должны выдавать в систему максимум реактивной мощности, не теряя при этом собственной динамической устойчивости
в сетях высокого и сверхвысокого напряжений во время падения напряжения, длящихся более, чем 140 мс, выходная активная мощность источников генерации должна сохраняться, по крайней мере, пропорционально сохраненному сбалансированному напряжению сети
В целом, требования к LVRT могут изменяться в зависимости от спецификации сети и страны. Требования к тестированию LVRT описаны в стандарте IEC 61400-21.
Как можно справедливо заметить из описанного ранее, за рубежом накоплен огромный опыт эксплуатации ветряных и солнечных электростанций, он и лег в основу разработки отечественных требований к установкам такого типа. К сожалению, из-за пока еще недостаточной распространенности источников распределенной генерации в России некоторые аспекты еще не полностью покрыты правовой нормативно-технической документацией, но уже существующие ГОСТы и предписания базируются на международном опыте. Так, например, ГОСТ Р 54418—2012 является модифицированным по отношению к международному стандарту (IEC 61400:2005 «Wind turbines» [5]), при этом, в нем учтены дополнительные положения, учитывающие потребности
«Научные междисциплинарные исследования» национальной экономики Российской Федерации и особенности российской
стандартизации.
Требования к динамической устойчивости объектов РГ в России также разработаны с учетом бесценного опыта иностранных коллег и в общих чертах повторяют международные стандарты с адаптациями под отечественные условия.
В целом, требования к станциям на основе ВИЭ со стороны национальных сетевых операторов значительно отличаются, как для различных технологий генерации, так и для различных энергосистем. Последнее объясняется тем, что национальные сетевые операторы учитывают особенности энергосистем, которыми они управляют, при разработке требований к электростанциям на ВИЭ.
Библиографический список:
1. А.В. Жуков, В.С. Воробьёв, Е.И. Сацук, А.С. Герасимов. Требования к ветряным и солнечным электроэнергетическим установкам, работающим в составе энергосистемы // Международная конференция и выставка «Релейная защита и автоматика энергосистем 2017». [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://docplayer.ru/70999578-Trebovamya-k-vetryanym-i-solnechnym-elektroenergeticheskim-ustanovkam-rabotayushchim-v-sostave-energosistemy.html (дата обращения: 08.05.2021)
2. Evoenergy. Технические требования для подключения инвертерных энергетических систем (IES) до 30 кВА. - 2018. - 23 C
3. Международный Совет по большим электрическим системам высокого напряжения - CIGRE. Моделирование генерации на базе инверторных преобразователей для энергетической системы//Международная конференция по распределению электроэнергии - CIRED. - май 2018. - 293 С. [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://cired.net/uploads/default/files/727-web.pdf (дата обращения: 08.05.2021)
XIVМеждународная научно-практическая конференция
4. П.В. Илюшин. Перспективы развития и принципы построения систем автоматического управления режимами микроэнергосистем // Международная научно-техническая конференция "Электроэнергетика глазами молодежи". -2019. - №10. - С. 59-64.
5. K.Santosh KUMAR Patro, Meera ks. Влияние ветроэнергетики на динамическую устойчивость энергосистем // International Conference on Standards for Smart Grid Ecosystem. - март 2014. - 6 С.
© Н.А. Логинов, 2021
