CC BY
3
УДК 621.31
Базлов Д.А. студент магистратуры Институт автоматики и электронного приборостроения ФГБОУВО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева-КАИ» научный руководитель: Исаков Р.Г., к.т.н.
доцент Россия, г. Казань РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С УСТАНОВКАМИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ В СЕТЯХ MICROGRID Аннотация: В статье рассматриваются установки распределенной генерации, в частности разрабатывается имитационная модель энергосистемы с использованием ПАК RTDS в режиме имитатора реального времени. Модель включает синхронную машину с системой возбуждения с приводом от дизельного двигателя и регулятором скорости, газотурбинную установку. Полученная имитационная модель будет использоваться в дальнейших исследованиях по повышению динамической устойчивости параллельной работы установок распределенной генерации с электроэнергетической системой.
Ключевые слова: дизельный генератор, устойчивость, газовая турбина, стабилизатор, microgrid.
Bazlov D.A. master's program student Institute of Automation and Electronic Instrument Engineering Kazan National Research Technical University named after A.N.
Tupolev-KAI Kazan,Russian Federation Supervisor: Isakov R.G. Ph.D., associate professor Abstract: The article deals with distributed generation installations, in particular, a simulation model of the power system is developed using the RTDS PAC in the real-time simulator mode. The model includes a synchronous machine with an excitation system driven by a diesel engine and a speed regulator, a gas turbine plant. The resulting simulation model will be used in further studies to increase the dynamic stability of the parallel operation of distributed generation units with the electric power system.
Keywords: diesel generator, stability, gas turbine, stabilizer, microgrid.
Ввиду активного роста числа объектов малой генерации в настоящее время возникает необходимость исследования технических моментов работы
электроэнергетической системы, включающей в себя установки распределенной генерации. С учетом того, что для полного исследования работы необходимо моделирование работы такой энергосистемы, то целью данной работы является создание имитационной модели такой электроэнергетической системы для дальнейших исследований по повышению устойчивости одновременной работы установок распределенной генерации в энергетической системе.
Установки распределенной генерации в сетях тюго§пё обычно представляют собой установки малой генерации, хранения и потребления электрической энергии, которые установлены на низком уровне распределения напряжения и используются для одновременной параллельной работы с электроэнергетической системой или в изолированном режиме.
1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЭС В ОБЩЕМ ВИДЕ Для описания электроэнергетической модели математически составляется система уравнений для каждого из ее отдельных элементов, таких как генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, синхронные компенсаторы и непосредственно потребители электроэнергии.
В общем случае можно представить электроэнергетическую систему как совокупность однотипных блоков соответствующих элементов энергосистемы (Рисунок 1).
Утли СННИРОНКкЧ Ч1Ш111Ц— Л:
Н Н: Н,
Уггц ыппрузвд — Т)п
Рисунок 1 - Принципиальная схема электроэнергетической системы
Для описания математической модели можно считать, что схема электроэнергетической системы состоит из следующих блоков:
- система уравнений синхронных машин и асинхронных двигателей;
- система уравнений для элементов электросети и потребителей, которые могут быть представлены как активные, индуктивные и емкостные элементы.
Для получения уравнений переходного процесса ЭЭС в описание синхронных машин входят уравнения Парка-Горева для переходного процесса обмотки статора и контуров ротора машины, обмотки возбуждения, уравнения для потокосцеплений, электромагнитного процесса и уравнения движения ротора [2]. При этом переходные процессы потока статора по продольной оси обусловлены совместным действием напряжения
поля и тока по продольной оси и рабочих параметров продольной оси.
Таким образом, для синхронной машины уравнения с учетом их демпферных контуров имеют вид [3]:
тт т
— = -и -ю-у-ш-г • I,
а
& f =-Ече (t ) Г
& 46
dt dt dt
х
Г • 1f,
—1 • г
—1 • г
= —1 • г
V ¿1
ю„
ф
(х&1 • + ха&1 • Ц + ха&1 • .01 ),
= — ^ХФ1 • V + Хаф1 • ),
ю
ю
V в. =■
ном 1
ю..
'(xfl • ifl + ха&1 • + Ха& • 1в1 ),
(х01 • 101 + ха& • + ха&1 • Ц ),
ю.....
хр1 • 1р1 + хаф1 • 1ф1
),
= Т •( Мт (t) — М ),
М = 1ф •Ш -
где
Л у -
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
(11) (12)
вектор проекций потоксцепления статора на
продольной/поперечной осях;
и =
V у
напряжения
статора
-вектор проекций продольной/поперечной осях;
ю - вектор проекций тока статора на продольной/поперечной осях; га- активное сопротивление обмоток статора; rf - активное сопротивление обмотки возбуждения; if - ток обмотки возбуждения;
на
1
1
юR - угловая скорость вращения ротора;
xad, xaq - индуктивные сопротивления поперечной и продольной реакции статора;
xd, xq - синхронные индуктивные сопротивления синхронной машины по осям d/q;
iDi, iQi - токи демпферных обмоток по осям d/q;
rQi, xDi, xQi- активные и индуктивные сопротивления демпферных обмоток по осям d/q;
юном - номинальная частота вращения ротора; постоянная инерции;
MT(t)- момент турбины;
M - электромагнитный момент;
i - индекс машины.
Линии электропередачи можно представить с помощью П-образной схемы замещения с постоянными активными, индуктивными и емкостными элементами, сопротивления которых не зависят от частоты (формулы 13-14). Трансформаторы представляют активно-индуктивными элементами, соединяющими два узла сети (Рисунок 2) [3].
а) Линия электропередачи;
б) Трансформатор;
в) Статическая нагрузка. Рисунок 2 - Схема замещения ЭЭС
а "
ю.
•У
ю
ху хч
1 аи
ю„
к = хс • 1к
х
юс
ю„
х
•У ик --• Ч.
(13)
(14)
где
и = Г и* ] . и = Г и ^ а] . И = и. ^
и V я1 У ] и V я] У и , , V як У
I =
ч
\ Л
а]
V Чч У
1к =
Л ^
V V у
х =
ю
С
х = ю • Ь;
i, ) - номера узлов начала и конца ветви;
k - номер узла, учитывающего поперечную проводимость ЛЭП; ю^ частота вращения ротора СМ.
1
Потребители можно представить эквивалентными схемами, содержащими асинхронные и синхронные двигатели и другие элементы. При этом переходный процесс будет представляться:
' * У !н > (14)
ю
и =
где
ЧНЛ
\ и , V ян У
1 а! н ин
ном ^ ^
1
= V V У , X = ю н
X.
ю„
• Ь;
ю^- угловая скорость ротора опорной машины.
Структурно схема дизель-генератора показана на рисунке 3. Она состоит из нескольких частей: дизельного двигателя и управляемого синхронного генератора. Эти части связаны между собой механической трансмиссией, прикрепленной к валу двигателя. Для обеспечения постоянного тока возбуждения синхронного генератора предусмотрены автоматические регуляторы возбуждения и преобразователи напряжения регулируют переменное напряжение на клеммах генератора на необходимое значение постоянного тока, а также стабилизатор напряжения, выдающий дополнительный сигнал для демпфирования колебаний мощности [4].
Контр оллер о братной связи
Рисунок 3 - Структурная схема дизель-генератора Газовая турбина состоит из осевого компрессора, камеры сгорания и турбины (Рисунок 4). Воздух, поддерживающий процесс горения, сжимается через компрессор, затем смешивается с топливом в камере сгорания, где
происходит процесс сжигания. Процесс горения между точками (2) и (3) производится под постоянным давлением. Наконец рабочая жидкость (обычно воздух) охлаждается под постоянным давлением между точками (4) и(1)[5].
Рисунок 4 - Общая схема конструкции газовой турбины Кратко схема управления газовой турбины приведена на рисунке 5, где ^'а - воздушный поток (в о.е.), юс и Дюс - единичная безразмерная скорость и изменение безразмерной скорости (в о.е.) соответственно, Та - текущая температура окружающего воздуха, Ра - текущее давления, 0ЮУ,0О,0МЛХ - текущий, начальный и максимальный угол открытия направляющей лопатки соответственно [6].
Рисунок 5 - Схема управления газовой турбины
Модель газовой турбины, представленная на рисунке 6, предлагает три постоянные времени - одна для представления отклика топливного клапана (Т1), вторая для представления отклика турбины (Т2) и третья - для представления отклика предельного значения нагрузки (Т3) [6, 7].
Рисунок 6 - Структурная схема газовой турбины
Для моделирования газопоршневой установки помимо были приняты стандартные схемы IEEE, использующиеся для генераторов газопоршневых энергоагрегатов (рисунок 7) [8].
Рисунок 7 - Модель газопоршневой установки
Модели описанных отдельных блоков были объединены в модель энергосистемы по типу схемы, приведенной рисунке 8, в которой на каждой секции находится по генератору, обеспечивающие возможность подключения статической нагрузки и моделирования различных режимов ЭЭС [9].
Рисунок 8 - Схема ЭЭС и эквивалентной нагрузки Моделирование электроэнергетической системы с описанными генераторами приведено на рисунке 9. Соединение генераторов осуществлено по выше приведенной схеме по напряжению 0,4 кВ и позволяет моделировать работу релейной защиты выключателей аналогично реальным алгоритмам. Потребители ЭЭС представлены в виде аналогов статической и динамической нагрузок. При этом динамическую нагрузку формируют пара асинхронных двигателей, присоединенных к секциям ЭЭС
[9]-
Рисунок 9 - Моделирование ЭЭС на ПАК RTDS
Использованные источники:
1. «Global Wind Statistics 2011. 07.02.2012. Global wind energy council.Brussels, Belgium 2012. - 4 p.
2. Мелешкин Г.А., Меркурьев Г.В. Устойчивость энергосистем. Теория: Монография. - СПб.:НОУ "ЦПКЭ", 2006. - 350с.
3. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем. -М.:Энергия, 1979. -455с.
4. OnyinyechiNzimako, AthulaRajapakse, "RealTimeSimulation of a Microgrid with Multiple Distributed Energy Resources", IEEE RTDS Technologies, Winnipeg, Canada, - 7с.
5. G. Joos, B.-T. Ooi, D. T. McGillis, F. D. Galiana and R. J. Marceau, "The potential of distributed generation to provide ancillary services," in Power Engineering Society Summer Meeting, 2000. IEEE, Seattle, WA, 2000.
6. Kundur, Power System Stability and Control, New York: McGraw-Hill.
7. H. Saadat, Power System Analysis, Milwaukee: McGraw-Hill, 2002.
8. Klein M., Rogers G.J., Moorty S., Kundur P. "Application of Power System Stabilizers for Enhancement of Overall System Stability","Inter-Area Oscillations In Power Systems", IEEE Power Engineering Society, 95 TP 101, October 1994, pp. 131 143.
9. Нудельман Г.С., Онисова О.А. Современные методы моделирования режимов энергосистем с применением программно-аппаратного комплекса RTDS/ Журнал Энергетик, №8 - 2010г., с. 23-26
