CC BY
191
УДК 621.311.24+681.5.037.7
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЛОКАЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЕТРОДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ
© 2015
С. А. Анисимов, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
И. А. Липужин, аспирант Е. Н. Соснина, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
А. А. Смирнов, магистрант А. В. Шалухо, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия)
Аннотация. Важным и обязательным условием существования и нормального функционирования любой электроэнергетической системы является решение вопросов обеспечения устойчивой работы. Предложен подход к оценке устойчивости локальной системы электроснабжения (ЛСЭС) с ветро-дизельной электростанцией (ВДЭС) на основе имитационного моделирования. Представлены этапы разработки имитационной модели ЛСЭС с ВДЭС. Приведена блок-схема моделируемой системы, описаны составные части модели и их параметры, обоснованы границы изменения переменных величин, перечислены моделируемые режимы работы. Отмечены достоинства и недостатки использования имитационного моделирования для решения поставленной задачи.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.574.21.0009 о предоставлении субсидии от 17.06.2014). Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0009.
Ключевые слова: ветро-дизельная электростанция, ветроэнергетика, имитационное моделирование, локальная система электроснабжения, устойчивость работы.
Для России одна из ключевых задач на ближайшее будущее связана с развитием восточных регионов [1]. Ее решение во многом зависит от стратегии электрификации удаленных территорий. Надежное электроснабжение потребителей должно обеспечиваться при минимальном расходе органического топлива. Это требование в сочетании с низкой плотностью населения, неравномерным распределением генерирующих мощностей крупных электростанций при достаточно большом потенциале ветровой энергии в энергоудаленных районах [2, 14] определяют актуальность развития локальных систем электроснабжения с ветро-дизельными электростанциями
[3, 4].
Важным и обязательным условием существования и нормального функционирования любой электроэнергетической системы, в том числе и ЛСЭС с ВДЭС, является решение на стадии проектирования вопросов обеспечения надежности и качества электроснабжения, во многом определяющихся устойчивостью системы.
Технические требования, которым должны удовлетворять электроэнергетические системы в отношении устойчивости, приведены в «Методических указаниях по устойчивости энергосистем» [5], утвержденных в 2003 году. Однако требования разработа
ны для крупных энергосистем. Подавляющее большинство исследований ученых и специалистов посвящены вопросам устойчивости систем электроснабжения городов и промышленных предприятий [6, 7].
Применительно к ЛСЭС проводились исследования в направлении контроля и повышения устойчивости работы двигателей различных типов и дизельных генераторов [8, 9], которые можно считать элементами таких систем (подсистемы генерирования и нагрузка). В ряде научных исследований решаются вопросы обеспечения устойчивости при параллельной работе дизельного генератора и ветроэнергетической установки (ВЭУ) [10, 11]. Однако задачи в области обеспечения устойчивости локальных систем с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), в том числе с ветроустановками, полностью решенными считать нельзя. Отсутствует подробное описание и методика определения количественных показателей, которые бы позволили оценить устойчивость. Не рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением статической и динамической устойчивости нагрузки и влияния ветроустановки на устойчивость энергосистемы. Это говорит об актуальности разработки методических указаний по расчету и рекомендаций по повышению устойчивости ЛСЭС с ВИЭ.
Необходимость отдельных исследований для ЛСЭС с ВДЭС связана с отличительными особенностями таких систем:
1) нестабильность графика выдачи мощности ВЭУ вследствие стохастического характера изменения скорости и плотности ветра [12];
2) нестабильность графика нагрузки при соизмеримых мощностях генерирующих энергоустановок и потребителей [13].
Данные особенности не позволяют корректно использовать для оценки устойчивости ЛСЭС с ВДЭС существующие классические методы. В частности, применение практических критериев оценки предполагает введение ряда допущений (напряжение приемной системы постоянно; частота системы по-
стоянна; скорость вращения ротора синхронной машины изменяется в малых пределах от синхронной скорости), которые не правомерны для ЛСЭС с ВДЭС. При математической оценке возникают проблемы, связанные с невозможностью введения количественных показателей для оценки устойчивости и необходимостью разработки большого числа математических моделей для отдельных компонентов схемы.
Поэтому исследование устойчивости ЛСЭС с ВДЭС предложено проводить на основе имитационного моделирования.
В качестве объекта моделирования выбрана ЛСЭС с ВДЭС, в которой источники энергии подключены через шину постоянного тока (рисунок 1).
Рисунок 1 - Структурная схема ЛСЭС с ВДЭС с промежуточной шиной постоянного тока: 1 - ветротурбина; 2 - синхронный генератор на постоянных магнитах; 3, 6 - выпрямители; 4 - дизельный двигатель; 5 - синхронный генератор; 7 - зарядно/разрядное устройство; 8 - аккумуляторная батарея; 9 - балластная нагрузка; 10 - инвертор; 11 - потребители 220/380В
Схема сопряжения источников энергии через шину постоянного тока является наиболее распространенной и перспективной. Электроэнергия от ветротур-бины и дизельной электростанции после преобразования поступает на шину постоянного тока, к которой подключены потребители, аккумуляторная батарея и балластная нагрузка. В схеме основные функции управления потоками энергии реализует система накопления (аккумуляторная батарея и зарядно/разрядное устройство), которая осуществляет отбор мощности в моменты избытка и отдает ее при нехватке в системе.
Согласно принципам имитационного моделирования процессов в электроэнергетических системах построение модели основано на методе итерационных последовательных усложнений. То есть на каждом этапе будет происходить оценка целевых свойств модели, ее верификация и калибровка - коррекция имитаци-
онной модели с целью приведения в соответствии с предъявляемыми требованиями и усложнением.
Процесс разработки модели включает следующие этапы:
1. Определение границ модели.
2. Разработка концептуальной модели и подготовка исходных данных.
3. Трансляция модели.
4. Оценка адекватности модели.
5. Проведение эксперимента.
6. Анализ результатов.
Границы модели определяют область охвата компонентов, от взаимодействия которых зависят важные стороны ее поведения. Для ЛСЭС с ВДЭС основные причины нарушения статической устойчивости -незначительные изменения генерируемой мощности ветроустановки и/или нагрузки, а нарушения динамиче-
ской устойчивости связаны с аналогичными изменениями, но скачкообразного характера. Поэтому для обеспечения исследования статической и динамической устойчивости в имитационной модели предусмотрены возможности изменения скорости ветрового потока от 0 до 10 м/с и мощности нагрузки от 0 до 50 кВт,
что позволит провести анализ всех возможных режимов работы ЛСЭС.
Второй этап моделирования предполагает формализацию исследуемой системы - построение и описание общей схемы процессов, подлежащих исследованию. На рисунке 2 представлена блок-схема моделируемой ЛСЭС с ВДЭС.
Измерительные устройства
---Г
4f
НйГруЗК-1 (двигатель) 0-50 кВт
Рисунок 2 - Блок-схема моделируемой системы
Составными частями имитационной модели являются: ВЭУ, состоящая из ветротурбины и синхронного генератора на постоянных магнитах мощностью 30 кВт; дизельная электростанция, состоящая из дизельного двигателя и синхронного генератора мощностью 10 кВт; блок комплексной нагрузки (регулируемая активно-индуктивная нагрузка и асинхронный генератор с переменной нагрузкой на валу), а также блоки системы пуска и измерительных устройств. Составные части модели обеспечивают сохранение целостности системы, с одной стороны, а с другой - достижение поставленных целей моделирования. В дальнейшем полученная схема будет уточняться и дополняться в соответствии с уровнем детализации, который потребуется для решения поставленной задачи.
На этапе трансляции модели осуществляется преобразование концепции в отдельную компьютерную программу. Имитационная модель ЛСЭС с ВДЭС разрабатывается в пакете МаЙаЬ Simulink.
Оценка адекватности разрабатываемой модели будет осуществляться путем ее экспертизы на тестовых данных. Она будет проверена на корректность, по результатам проверки будут внесены исправления и корректировки до приемлемого уровня.
Для исследования статической и динамической устойчивости модель должна имитировать возможные режимы работы ВДЭС, как нормальные, так и при наличии неисправностей. Основные моделируемые режимы работы ВДЭС:
1) режим работы от основного источника питания - ВЭУ (5"нагр < ^вэу);
2) режим работы с возросшей нагрузкой - параллельная работа ВЭУ и дизельной электростанции (5"НАГр
> <$ВЭУ);
3) режим работы от резервного источника питания - дизельной электростанции (ветер отсутствует).
Остальные моделируемые режимы будут производными от перечисленных.
Исследование электрических параметров локальной системы электроснабжения с помощью модели позволит установить закономерности функционирования и оценить: взаимосвязь между причинами и последствиями нарушения устойчивости; количественные показатели устойчивости; устойчивость системы при переходе от одного режима работы к другому.
Следует отметить, что имитационное моделирование имеет ряд недостатков. Наиболее значительный недостаток в том, что отсутствие строгой математической модели приводит к частному виду результата моделирования (как и при любом численном методе). Поэтому пригодность имитационной модели для решения задачи будет определяться ее целевыми свойствами, основные из которых - адекватность, устойчивость, чувствительность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Схемы и программы перспективного развития ЕЭС // Системный оператор Единой энергетической системы [Электронный ресурс]. URL: http://so-ups.ru (дата обращения: 10.11.2014).
2. Безруких П. П. Ветроэнергетика: справочное и методическое пособие. М. : ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010. 320 с.
3. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года // Утверждена Расп. Прав. РФ от 13 ноября 2009 года № 1715-п.
4. Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года // Одобрена расп. Прав. РФ от 22 февраля 2008 года № 215-п.
5. СО 153-34.20.576-2003. Министерство энергетики Российской Федерации. Методические указания по устойчивости энергосистем. Правила и инструкции. Утв. 2003-06-30. М. : НЦ ЭНАС, 2004. 15 с.
6. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем: М. : Энергия, 1979. 456 с.
7. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учеб. для электроэнергет. спец. вузов. М. : Высшая школа, 1985. 536 с.
8. Беляев А. В. Автоматика и защита на подстанциях с синхронными и частотнорегулируемыми электродвигателями большой мощности. Ч. 1. М. : Энергопрогресс : Энергетик, 2014. 80 с.
9. Слизский Э. П. Шкута А. Ф., Сбруев И. В. Самозапуск электроприводных компрессорных станций магистральных газопроводов. М. : Недра, 1991. 187 с.
10. Сарсикеев Е. Ж. Динамическая устойчивость ветро-дизельных электрических станций: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск : Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2013. 22 с.
11. Обухов С. Г. Повышение эффективности комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2013. 41 с.
12. Соснина Е. Н., Шалухо А. В., Липужин И. А. Исследование методов оценки статической устойчивости электротехнических комплексов с возобновляемыми источниками энергии // Возобновляемые источники энергии: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием и IX научной молодежной школы. М.: Университетская книга, 2014.
С.420-427.
13. Милованова К. А. Интеграция ветровой генерации в работу энергосистемы: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2011. 158 с.
14. Жахов Н. В. Государственное регулирование и поддержка сельского хозяйства : монография. Курск. 2012. 181 с.
DEVELOPMENT OF SIMULATION MODEL FOR INVESTIGATING THE STABILITY OF LOCAL POWER SUPPLY SYSTEMS WITH WIND-DIESEL POWER PLANT
© 2015
S. A. Anisimov, candidate of technical sciences, researcher of the chair «Electric power engineering, power supply and power electronics» I. A. Lipuzhin, postgraduate student A. A. Smirnov, master
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, Nizhny Novgorod (Russia) E. N. Sosnina, doctor of technical sciences, professor of the chair «Electric power engineering, power supply and power electronics»
A. V. Shalukho, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Electric power engineering, power supply and power electronics»
Annotation. One of the important and indispensable conditions of existence and proper functioning of any electric power system is to address the problem of stability operation. Authors proposed approach to evaluating the sustainability of the local power supply system (LPSS) with wind-diesel power plant (WDPP) based on simulation. The article presents the stages of development of a simulation model of LPSS with WDPP. Block diagram of the modeled system is shown, model parts and their parameters are described, the range of variation of values proved and modeled modes are listed. The advantages and disadvantages of using simulation to solve the problem noted in the conclusions.
This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (agreement No. 14.574.21.0009 for a grant from 17.06.2014). The unique identifier of the project RFMEFI57414X0009.
Keywords: wind-diesel power plant, wind energy, simulation, local power supply system, stability.
