CC BY
36УДК 621.311, 621.331
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УСТАНОВКАМИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ
Булатов Юрий Николаевич
К.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Братский государственный университет», 665709, Братск, ул. Макаренко, д. 40, e-mail: bulatovyura@yandex.ru Крюков Андрей Васильевич Д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет путей сообщения»,
664074, Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15; ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83, e-mail: and_kryukov@mail.ru Алексеенко Евгения Алексеевна Магистр техники и технологии, Восточно-Сибирская дирекция по энергообеспечению Трансэнерго ОАО РЖД, 664013, г. Иркутск, ул. Образцова, д. 20, e-mail: alev_ia@mail.ru
Аннотация. Применение установок распределённой генерации (РГ), в том числе на основе возобновляемых энергоресурсов, позволяет стабилизировать уровни напряжения, уменьшать потери в сетях и освобождать пропускные способности связей. В системах электроснабжения железных дорог (СЭЖД) на основе РГ можно улучшить качество электроэнергии, повысить эффективность и бесперебойность обеспечения потребителей электроэнергией. Однако при наличии РГ возникает проблема, связанная с ростом токов короткого замыкания за счет появления дополнительных источников энергии. Для её решения необходима разработка методов моделирования аварийных режимов в СЭЖД, оснащённых установками распределённой генерации.
В статье представлены результаты исследований аварийных режимов в системах электроснабжения, вызванных короткими замыканиями. Моделировался отдельный район электроснабжения (РЭС) нетяговых потребителей, присоединенный к тяговой подстанции через вставку постоянного тока (ВПТ) и включающий следующие установки РГ: турбогенератор мини-теплоэлектроцентрали; гидрогенератор микро-ГЭС; ветрогенерирующую установку (ВГУ) на базе синхронной машины; ВГУ на основе машины постоянного тока и солнечную электростанцию.
Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы: при использовании установок РГ увеличиваются токи короткого замыкания, что требует дополнительной проверки коммутационного оборудования и изменения уставок релейной защиты для обеспечения селективности; применение вставки постоянного тока позволяет значительно ограничить токи короткого замыкания, даже при наличии подпитки со стороны установок РГ.
Ключевые слова: системы электроснабжения железных дорог, установки распределенной генерации, аварийные режимы.
Введение. В современных условиях потребители электроэнергии (ЭЭ) могут создавать эффективные установки распределенной генерации (РГ), конкурирующие с централизованной выработкой ЭЭ [4 - 6, 8, 13, 15, 16]. Наряду с установками РГ индивидуального использования могут формироваться их объединения в микроэнергосистемы. Реализация технологий распределенной генерации связана с необходимостью адаптации к рыночным условиям, а также с ужесточением экологических нормативов, стимулирующих использование возобновляемых источников энергии.
На основе элементов силовой электроники возможно подключать установки РГ к электроэнергетической системе (ЭЭС) через вставки постоянного тока. Это позволяет обеспечить высокое качество электроэнергии и надежность электроснабжения, а также ограничить мощность короткого замыкания (КЗ) на шинах источников РГ [4, 6]. Кроме того, при объединении установок РГ в микроэнергосистемы (сетевые кластеры) открываются возможности для оптимизации режимов по критерию энергетической эффективности.
Однако появление дополнительных источников энергии может привести к росту токов короткого замыкания в сетях потребителей электроэнергии. Поэтому задача адекватного моделирования аварийных режимов в системах электроснабжения, вызванных короткими замыканиями, приобретает в условиях ввода установок РГ особую актуальность.
В статье представлены результаты моделирования аварийных режимов в сетевых кластерах, предназначенных для электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог переменного тока.
Методика моделирования. Исследования проводились в системе MATLAB применительно к структурной схеме, представленной на рис. 1.
6 кВ В 6 кВ 0,4 кВ
Рис. 1. Фрагмент системы электроснабжения, оснащенной установками РГ: АРВ - автоматический регулятор возбуждения; АРЧВ - автоматический регулятор частоты
вращения; БСГ - безредукторный синхронный генератор; В - выключатель; ВГУ - ветрогенерирующая установка; ВПТ - вставка постоянного тока; ДЧ - датчик частоты
вращения; КС - контактная сеть; ОВ - обмотка возбуждения; Т - трансформатор; ТН - трансформатор напряжения; ТП - тяговая подстанция; ЭПС - электроподвижной состав
Моделировался отдельный район электроснабжения (РЭС) нетяговых потребителей с суммарной мощностью 2,6 МВ-А, присоединенный к тяговой подстанции через вставку постоянного тока (ВПТ) и включающий следующие установки РГ: турбогенератор мини-ТЭЦ с мощностью 3,125 МВ-А и напряжением 6 кВ; гидрогенератор микро-ГЭС с мощностью 0,25 МВ-А и напряжением 0,4 кВ; ветрогенерирующую установку (ВГУ) на базе синхронной машины с мощностью в 1 МВ-А; ВГУ на основе машины постоянного тока мощностью 200 кВт и солнечную электростанцию (СЭС) мощностью 107,5 кВт; при этом СЭС и ВГУ на основе машины постоянного тока работают через общий инвертор на шины 0,4 кВ, а ВГУ на базе синхронной машины подключена через трансформатор и выпрямитель к ВПТ. Основная нагрузка в РЭС сосредоточена на шинах 6 кВ. Установки РГ, работающие на возобновляемых источниках энергии, связаны через трансформатор с сетью 6 кВ.
Турбогенератор, приводимый во вращение паровой турбиной с промежуточным отбором пара, моделировался стандартным блоком библиотеки SymPowerSystems системы MATLAB - Synchronous Machine pu Fundamental. Структурная схема паровой турбины представлена на рис. 2. При моделировании использовались следующие параметры турбогенератора: Xd =2,34 о.е., Eq =1,25 о.е., U — 1 о.е., Tje =8,669 с, 5 = 46,9 эл. град.
Для тиристорного возбудителя использовалась модель апериодического звена первого порядка с коэффициентом ke, постоянной времени Te и блоком ограничения напряжения [12]. При моделировании принимались следующие значения параметров: ke = 1; Te = 0,025 с.
г
J
Ограничитель
Рис. 2. Структурная схема модели паровой турбины с учётом промежуточного отбора пара
Генератор, приводимый во вращение гидротурбиной, моделировался стандартным блоком Synchronous Machine pu Standart. Структурная схема гидротурбины представлена на рис. 3 а. Модель состоит из главного сервомотора, структурная схема которого показана на рис. 3б. Сервомотору, охваченному изодромной обратной связью, отвечает передаточная 1
функция
Tcs +1
, характерная для регуляторов гидротурбин. Постоянная времени
сервомотора принималась равной 0,25 с. Изодромный регулятор моделировался следующей передаточной функцией: пи-Т s
W(s) =
7> + 1
где пи - коэффициент усиления изодрома (при моделировании принимался равным 10 о.е.); Т - постоянная времени изодрома; при моделировании принималась равной 0,1 с.
Гидравлическая турбина моделировалась передаточной функцией, учитывающей гидроудар [11]:
WT(s) =
!-ДустУ 1 + 0,5 ayJBs
где Гв - постоянная времени гидротурбины (при моделировании принималась равной 0,344 с); а - положение открытия направляющего аппарата (принимает значения в диапазоне 0.. .1).
г
J
Ограничитель
KD
P
m
а) б)
Рис. 3. Структурная схема модели гидротурбины (а) и главного сервомотора (б) в MATLAB
При моделировании использовались следующие параметры гидрогенератора:
Xd =2,84 o.e., Eq =1,1 o.e., Ug =1 o.e., Tje =3,779 c, 5 = 37,5 эл. град.
Блок, обозначенный на рис.1 как ВГУ1, моделировался с использованием стандартных элементов библиотеки SymPowerSystems системы MATLAB: ветротурбины (Winde turbine) и машины постоянного тока (DC Machine) с независимым возбуждением. Схема модели ВГУ в MATLAB представлена на рис. 4.
N
Рис. 4. Схема модели ВГУ
Модель солнечной электростанции реализована с использованием блока PV Array системы MATLAB, построенного на основе 100 параллельных и 10 последовательных солнечных фотоэлектрических модулей, соединённых между собой. Схема модели солнечной электростанции представлена на рис. 5а. Принципиальная электрическая схема отдельного модуля представлена на рис. 5б.
Вставка постоянного тока, обеспечивающая связь установки РГ с системой тягового электроснабжения, моделировалась с помощью стандартных блоков библиотеки силовой электроники пакета SymPowerSystems. ВПТ позволяет повысить качество электроэнергии, придаёт электроснабжению потребителей характер гарантированного питания [4, 6], а также, как показано ниже, обеспечивает ограничение токов короткого замыкания.
Я
Я
и
а) б)
Рис. 5. Схема модели солнечной электростанции (а) и принципиальная электрическая схема
фотоэлектрического модуля (б) Схемы исследуемой модели СЭЖД с установками РГ, реализованными в среде MATLAB, представлены на рис. 6 -10.
Рис. 6. Схема исследуемой модели в MATLAB
Рис. 7. Схема мини-ТЭЦ в MATLAB
Рис. 8. Схема модели ВГУ на основе синхронной машины в MATLAB
<Field current ifd (pu)>
Рис. 9. Схема микро-ГЭС в MATLAB
а) б)
Рис. 10. Схема модели ветрогенератора (а) и солнечной электростанции (б) в MATLAB
Описание используемых при моделировании автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и частоты вращения (АРЧВ) генераторов мини-ТЭЦ и микро-ГЭС, а также нечёткого (fuzzy) регулятора мощности ВГУ на основе синхронной машины приведены в работах [3 - 7]. При моделировании оптимизация настроек регуляторов не выполнялась, а использовалась технология прогностических алгоритмов [2, 9, 10, 14].
Результаты моделирования. При моделировании рассматривались режимы трехфазного КЗ на шинах 6 кВ главного распределительного пункта РЭС в следующих вариантах работы установок РГ (см. рис. 1):
1. Установки РГ и ВПТ отключены, включен байпас.
2. Включены ВПТ и все установки РГ, кроме ВГУ2.
3. Включены ВПТ и все установки РГ.
Генераторы мини-ТЭЦ и микро-ГЭС были оснащены прогностическими АРВ и АРЧВ [2]. Для ВГУ2 использовался нечеткий регулятор [3, 5].
Результаты моделирования аварийного режима (АР) для режима 1 представлены на рис. 11.
а)
б)
Рис. 11. Осциллограммы токов (а) и напряжений (б) на шинах нетягового потребителя
при трёхфазном КЗ
Результаты моделирования АР для режима 2 представлены на рис. 12, 13.
а)
б)
Рис. 12. Осциллограммы токов (а) и напряжений (б) на шинах нетягового потребителя
при трёхфазном КЗ
а)
б)
Рис. 13. Осциллограммы токов при трёхфазном КЗ: а) от мини-ТЭЦ; б) от ТП (ВПТ)
Результаты моделирования АР для режима 3 представлены на рис. 14, 15.
а)
б)
Рис. 14. Осциллограммы токов (а) и напряжений (б) на шинах нетягового потребителя
при трёхфазном КЗ
а) б)
Рис. 15. Осциллограммы токов при трёхфазном КЗ: а) от мини-ТЭЦ; б) от ТП (ВПТ)
Сводные результаты моделирования представлены в табл. 1 и проиллюстрированы на рис. 14.
Таблица 1. Сводная таблица для токов трёхфазного короткого замыкания
Режим работы системы Направления токов Ударный ток, кА Периодический ток в начальный момент времени (действующее значение), кА
ZA h ic IA IB IC
1. Токи в месте КЗ 12,39 7,77 11,81 7,35 5,58 6,98
2. Токи в месте КЗ 11,39 9,30 6,88 7,21 6,61 5,81
Токи от мини-ТЭЦ 2,85 2,10 2,11 1,58 1,18 1,03
Токи от ТП (ВПТ) 8,29 7,14 4,41 5,56 5,22 4,52
Токи от микро-ГЭС, СЭС и ВГУ1 на стороне 6 кВ 0,34 0,32 0,29 0,19 0,16 0,15
3. Токи в месте КЗ 12,13 10,98 7,98 7,95 6,95 5,46
Токи от мини-ТЭЦ 2,81 2,46 1,82 1,51 1,38 0,96
Токи от ТП (ВПТ) 9,19 8,51 7,45 6,05 5,50 4,70
Токи от микро-ГЭС, СЭС и ВГУ1 на стороне 6 кВ 0,26 0,29 0,15 0,15 0,14 0,09
в)
Рис. 14. Соотношения между токами КЗ, посылаемыми разными источниками:
а - фаза А; б - фаза В; с - фаза С
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
1. При использовании установок распределённой генерации увеличиваются токи короткого замыкания, что требует дополнительной проверки коммутационного оборудования и модификации уставок релейной защиты для обеспечения селективности.
2. Применение вставки постоянного тока позволяет заметно (в рассмотренном примере в среднем 35 %) ограничить токи короткого замыкания, посылаемые от ЭЭС. Таким образом, использование группы выпрямитель-инвертор является действенной мерой, позволяющей на треть уменьшить токи КЗ от основного источника.
3. Наибольшая доля токов КЗ (в рассмотренном примере примерно 80 %) поступает к месту КЗ от электроэнергетической системы.
Заключение. На основе средств пакета SimPowerSystem системы MatLab разработана динамическая модель сетевого кластера, предназначенного для электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта. В его состав входит вставка постоянного тока и установки распределенной генерации, часть из которых построены с использованием нетрадиционных источников энергии. Результаты моделирования показали возможность практического использования разработанной модели для решения задач моделирования аварийных режимов в системах электроснабжения железных дорог.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Нгуен Ван Хуан. Определение параметров прогностических регуляторов для установок распределенной генерации систем электроснабжения железных дорог // Системы. Методы. Технологии. № 2(30). 2016. С. 84-91.
2. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Нгуен Ван Хуан. Прогностические регуляторы для установок распределенной генерации // Системы. Методы. Технологии. № 1(29). 2016. С. 63-69.
3. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Нечеткие регуляторы для ветрогенерирующих установок // Известия вузов. Проблемы энергетики. № 7-8. 2014. С. 60-69.
4. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Применение сетевых кластеров (microgrid) в системах электроснабжения железных дорог. Братск: БрГУ, 2016. 178 с.
5. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Интеллектуальные регуляторы для установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2(46). С. 83-95.
6. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Сетевые кластеры в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск: ИрГУПС, 2015. 205 с.
7. Игнатьев И.В., Булатов Ю.Н. Модели и методы настройки систем регулирования возбуждения генераторов на основе экспериментальных данных. Братск: Изд-во БрГУ, 2016. 278 с.
8. Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Влияние установок распределенной генерации на качество электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 4(36). 2012. С. 162-167.
9. Пикина Г.А. Принцип управления по прогнозу и возможность настройки систем регулирования одним параметром // Новое в российской электроэнергетике. 2014. №3. С. 5-13.
10. Пикина Г.А., Кузнецов М.С. Прогностические типовые алгоритмы регулирования // Теплоэнергетика. 2011. №4. С.61-66.
11. Стернинсон Л.Д. Переходные процессы при регулировании частоты и мощности в энергосистемах. М.: «Энергия», 1975. 216 с.
12. Anderson P.M., Fouad A.A. Power System Control and Stability. Second Edition. IEEE Press. 2003. 688 p.
13. Buchholz B.M., Styczynski Z. Smart Grids - Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer Heidelberg New York Dordrecht London. 2014. 396 p.
14. Durgaryan I.S., Pashchenko F.F., Pikina G.A., Pashchenko A.F. Information method of consistent identification of objects // Proceedings of the 2013 IEEE 8th Conference on Industrial Electronics and Applications. ICIEA 2013. Pp. 1325-1330.
15. Magdi S. Mahmoud, Fouad M. AL-Sunni Control and Optimization of Distributed Generation Systems. Cham: Springer International Publishing : Imprint: Springer. 2015. 578 p.
16. Rugthaicharoencheep N., Auchariyamet S. Technical and Economic Impacts of Distributed Generation on Distribution System // International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:6. No:4. 2012. Pp. 385-389.
UDK 621.311, 621.331
MODELING EMERGENCY MODE POWER SUPPLY SYSTEM WITH THE INSTALLATION OF DISTRIBUTED GENERATION Yury N. Bulatov
PhD, Associate professor, Bratsk State University 40, Makarenko St., 665709, Bratsk, e-mail: bulatovyura@yandex.ru
Andrey V. Kryukov
Dr., Professor, Irkutsk State Transport University 15, Chernyshevsky St., 664074, Irkutsk, Russia, Irkutsk national research technical university, 83, Lermontov St. 83, 664074, Irkutsk, Russia,
e-mail: and_kryukov@mail.ru Evgeny A. Alekseenko The master of the equipment and technology, the East Siberian directorate on power supply of Transpower JSC Russian Railway, 664013, Irkutsk, Obraztsov St., 20, e-mail: alev_ia@mail.ru
Abstract. The use of distributed generation (DG) plants, including renewable energy, allows to stabilize voltage levels, reduce losses in networks and to release bandwidth connections. In railroad power supply systems (RPSS) based on DG plants to improve power quality, increase efficiency and continuity of supply to consumers of electricity. However, if the DG is a problem associated with the growth of short-circuit currents due to the appearance of additional energy sources. To solve it requires the development of methods for modeling emergency modes in RPSS and equipped with distributed generation.
The article presents the research results of emergency modes in power systems, caused by short circuits. Modeled by a separate power supply area (PSA) not traction consumers connected to the traction substation by inserting direct current (IDC) and comprising the RG plants: turbogenerator mini combined heat and power; hydrogenerator micro-hydro; wind turbine on the basis of the synchronous machine; wind turbine on the basis of machines DC and solar power.
Simulation results led to the following conclusions: using DG plants increased short-circuit currents, which requires additional verification of switching equipment and change the settings of relay protection for selectivity; DC link can significantly limit the use of short-circuit currents, even in the presence of plants by feeding DG; a two-phase short circuit there is a significant distortion of the sinusoidal curves of currents leaking from the DG sources.
Keywords: railroad power supply systems, distributed generation plants, emergency operation.
References
1. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Nguyen Van Huan. Opredelenie parametrov prognosticheskih regulyatorov dlya ustanovok raspredelennoj generacii sistem ehlektrosnabzheniya zheleznyh dorog [Determination of parameters of forecasting controllers for distributed generation plants of railway power supply systems] // Systems. Methods. Technologies. No. 2(30). 2016. Pp. 84-91. (in Russian).
Eynamoe W.H., KpwKoe A.B., ÄneKceeuKO E.A.
2. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Nguyen Van Huan. Prognosticheskie regulyatory dlya ustanovok raspredelennoj generacii [Prognostic regulators for installations of the distributed generation] //Systems. Methods. Technologies. No. 1(29). 2016. Pp. 63-69. (in Russian).
3. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Tran Duy Hung. Nechetkie regulyatory dlya vetrogeneriruyuschih ustanovok [Fuzzy regulators for wind generators] // News of higher education institutions. Power problems. No. 7-8. 2014. Pp. 60-69. (in Russian).
4. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Tran Duy Hung. Primenenie setevyh klasterov (microgrid) v sistemah 'elektrosnabzheniya zheleznyh dorog [Network clusters (microgrid) in systems of power supply of the railroads]. Bratsk. 2016. 178 p. (in Russian).
5. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Tran Duy Hung. Intellektual'nye regulyatory dlya ustanovok raspredelennoj generacii [Intelligent regulators for installations of the distributed generation] // Modern technologies. Systems analysis. Simulation. 2015. No. 2(46). Pp. 83-95. (in Russian).
6. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Tran Duy Hung. Setevye klastery v sistemah 'elektrosnabzheniya zheleznyh dorog [Network clusters in systems of electrical power supply of the railroads]. Irkutsk. 2015. 205 p. (in Russian).
7. Ignatiev I.V., Bulatov Yu.N. Modeli i metody nastrojki sistem regulirovaniya vozbuzhdeniya generatorov na osnove 'eksperimental'nyh dannyh [Models and methods of setting generator excitation control systems on the basis of experimental data]. Bratsk. 2016. 278 p. (in Russian).
8. Kryukov A.V., Tran Duy Hung. Vliyanie ustanovok raspredelennoj generacii na kachestvo 'elektro'energii v sistemah 'elektrosnabzheniya zheleznyh dorog [Influence of installations of the distributed generation on quality of the electric power in systems of electrical power supply of the railroads] // Modern technologies. Systems analysis. Simulation. No. 4(36). 2012. Pp. 162-167. (in Russian).
9. Pikina G.A. Princip upravleniya po prognozu i vozmozhnost' nastrojki sistem regulirovaniya odnim parametrom [Printsip of control according to the forecast and a possibility of setup of systems of regulation by one parameter] // New in the Russian power industry. 2014. No. 3. Pp. 513. (in Russian).
10. Pikina G.A., Kuznecov M.S. Prognosticheskie tipovye algoritmy regulirovaniya [Application of the linear prognostic algorithms of regulation] // Teploenergetika = Heat power engineering. 2011. №4. Pp. 61-66. (in Russian).
11. Sterninson L.D. Perehodnye processy pri regulirovanii chastoty i moschnosti v 'energosistemah [Transient phenomena in case of regulation of frequency and power in power supply systems]. M.: "Energy". 1975. 216 p. (in Russian).
12. Anderson P.M., Fouad A.A. Power System Control and Stability. Second Edition. IEEE Press. 2003. 688 p.
13. Buchholz B.M., Styczynski Z. Smart Grids - Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer Heidelberg New York Dordrecht London. 2014. 396 p.
14. Buchholz B.M., Styczynski Z. Smart Grids - Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer Heidelberg New York Dordrecht London. 2014. 396 p.
15. Magdi S. Mahmoud, Fouad M. AL-Sunni Control and Optimization of Distributed Generation Systems. Cham: Springer International Publishing. Imprint. Springer. 2015. 578 p.
16. Rugthaicharoencheep N., Auchariyamet S. Technical and Economic Impacts of Distributed Generation on Distribution System // International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol.6. No.4. 2012. Pp. 385-389.
