Научная статья на тему 'Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах'

Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
82
21
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ / РЕЗОНАНС / ГАРМОНИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ / ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / КОЭФФИЦИЕНТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ / ИНВЕРТОР / DISTRIBUTED GENERATION / RESONANCE / HARMONIC DISTORTIONS / CONVERTER / NONLINEAR DISTORTION COEFFICIENT / INVERTER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ахмедов Сардор Бахтиярович, Климов Павел Леонидович

Целью является исследование влияния установок распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием инверторов на явление резонанса на гармонических частотах. Функция инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения в переменное. Инвертор использует широтно-импульсную модуляцию для генерации синусоидального выходного тока. Анализ выполнен для установок распределенной генерации с инверторной системой, подключенной к тестовой модели распределения шин IEEE 13 (IEEE 13 Node Test Feeder) в графической среде имитационного моделирования Simulink. Для исследования явления резонанса замеры частоты проводились во время анализа разложения в ряд Фурье с целью измерения искажения напряжения и тока в точке общей связи сети и распределенной генерации. Проведен анализ влияния гармоник на взаимодействие между распределительной системой и установкой распределенной генерации с инвертором, связанным с пассивным LCL-фильтром. Для изучения влияния интеграции распределенной генерации в распределительную сеть было принято рассмотреть два сценария подключения генерирующих установок. В первом сценарии изучался эффект влияния нескольких установок распределенной генерации, подключенных к разным шинам распределительной сети. Во втором сценарии изучался эффект влияния нескольких установок данного типа, подключенных к одной шине распределительной сети расчетной схемы. При этом каждый из сценариев содержит четыре замера, с равномерным наращиванием числа генерирующих блоков в каждом замере. Максимально допустимый уровень интеграции блоков распределенной генерации, подключенных к сети, принимался равным 40% от общей подключенной нагрузки. Он основан на нарушении пределов стандартного гармонического искажения напряжения. В данном исследовании также анализируется влияние нескольких установок распределенной генерации при интеграции и резонансе на частотах гармоник. Анализ влияния установок распределенной генерации, интегрированных в распределительную сеть, выполнен с использованием аналитического сравнения полученных (вычисленных) параметров коэффициентов нелинейных искажений по напряжению при моделировании работы установки распределенной генерации в сети с допустимыми пределами этих коэффициентов нелинейных искажений по напряжению в соответствии с ГОСТ в части сетей низкого напряжения. Приводятся результаты численных экспериментов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ахмедов Сардор Бахтиярович, Климов Павел Леонидович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Effect of renewable energy-based distributed generation with power invertors on resonance at harmonic frequencies

The purpose of the article is to study the influence of distributed generation installations based on renewable energy sources using inverters on the resonance at harmonic frequencies. The function of the inverter is to convert DC voltage into AC. The inverter uses pulse width modulation (PWM) to generate a sinusoidal output current. The analysis is performed for distributed generation installations with an inverter system connected to the IEEE 13 Node Test Feeder in the Simulink graphical simulation environment. To study the phenomenon of resonance, frequency is measured during the analysis of the Fourier series expansion in order to measure voltage and current distortions at the point of general connection of the network and distributed generation. The influence of harmonics on the interaction between the distribution system and the distributed generation unit with an inverter connected to a passive LCL filter is analyzed. In order to study the effect of distributed generation integration into the distribution network, it has been decided to consider two scenarios of generating plant connection. In the first scenario, the effect of several distributed generation installations connected to different buses of the distribution network is researched. In the second scenario, the effect of several installations of the given type connected to one bus of the design circuit distribution network is studied. In addition, each of the scenarios contains four measurements with a uniform increase in the number of generating units in each measurement. The maximum permissible integration level of distributed generation units connected to the grid is assumed to be equal to 40% of the total connected load. It is based on breaking the limits of standard harmonic voltage distortion. This study also analyzes the effect of multiple distributed generators under integration and resonance at harmonic frequencies. The analysis of the influence of distributed generation installations integrated into the distribution network has been carried out with the application of an analytical comparison of the obtained (calculated) parameters of voltage non-linear distortion coefficients when modeling distributed generator operation in the network with permissible limits for these coefficients of voltage non-linear distortions in accordance with low voltage network GOST. The results of numerical experiments are presented.

Текст научной работы на тему «Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах»

Оригинальная статья / Original article УДК 621.316.11

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1 -97-111

Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах

© С.Б. Ахмедов, П.Л. Климов

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Резюме: Целью является исследование влияния установок распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием инверторов на явление резонанса на гармонических частотах. Функция инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения в переменное. Инвертор использует широт-но-импульсную модуляцию для генерации синусоидального выходного тока. Анализ выполнен для установок распределенной генерации с инверторной системой, подключенной к тестовой модели распределения шин IEEE 13 (IEEE 13 Node Test Feeder) в графической среде имитационного моделирования Simulink. Для исследования явления резонанса замеры частоты проводились во время анализа разложения в ряд Фурье с целью измерения искажения напряжения и тока в точке общей связи сети и распределенной генерации. Проведен анализ влияния гармоник на взаимодействие между распределительной системой и установкой распределенной генерации с инвертором, связанным с пассивным LCL-фильтром. Для изучения влияния интеграции распределенной генерации в распределительную сеть было принято рассмотреть два сценария подключения генерирующих установок. В первом сценарии изучался эффект влияния нескольких установок распределенной генерации, подключенных к разным шинам распределительной сети. Во втором сценарии изучался эффект влияния нескольких установок данного типа, подключенных к одной шине распределительной сети расчетной схемы. При этом каждый из сценариев содержит четыре замера, с равномерным наращиванием числа генерирующих блоков в каждом замере. Максимально допустимый уровень интеграции блоков распределенной генерации, подключенных к сети, принимался равным 40% от общей подключенной нагрузки. Он основан на нарушении пределов стандартного гармонического искажения напряжения. В данном исследовании также анализируется влияние нескольких установок распределенной генерации при интеграции и резонансе на частотах гармоник. Анализ влияния установок распределенной генерации, интегрированных в распределительную сеть, выполнен с использованием аналитического сравнения полученных (вычисленных) параметров коэффициентов нелинейных искажений по напряжению при моделировании работы установки распределенной генерации в сети с допустимыми пределами этих коэффициентов нелинейных искажений по напряжению в соответствии с ГОСТ в части сетей низкого напряжения. Приводятся результаты численных экспериментов.

Ключевые слова: распределенная генерация, резонанс, гармонические искажения, преобразователь, коэффициент нелинейных искажений, инвертор

Информация о статье: Дата поступления 21 октября 2019 г.; дата принятия к печати 26 декабря 2019 г.; дата онлайн-размещения 28 февраля 2020 г.

Для цитирования: Ахмедов С.Б., Климов П.Л. Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 1. С. 97-111. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-97-111

Effect of renewable energy-based distributed generation with power invertors on resonance at harmonic frequencies

Sardor B. Akhmedov, Pavel L. Klimov

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: The purpose of the article is to study the influence of distributed generation installations based on renewable energy sources using inverters on the resonance at harmonic frequencies. The function of the inverter is to convert DC voltage into AC. The inverter uses pulse width modulation (PWM) to generate a sinusoidal output current. The analysis is performed for distributed generation installations with an inverter system connected to the IEEE 13 Node Test Feeder in

the Simulink graphical simulation environment. To study the phenomenon of resonance, frequency is measured during the analysis of the Fourier series expansion in order to measure voltage and current distortions at the point of general connection of the network and distributed generation. The influence of harmonics on the interaction between the distribution system and the distributed generation unit with an inverter connected to a passive LCL filter is analyzed. In order to study the effect of distributed generation integration into the distribution network, it has been decided to consider two scenarios of generating plant connection. In the first scenario, the effect of several distributed generation installations connected to different buses of the distribution network is researched. In the second scenario, the effect of several installations of the given type connected to one bus of the design circuit distribution network is studied. In addition, each of the scenarios contains four measurements with a uniform increase in the number of generating units in each measurement. The maximum permissible integration level of distributed generation units connected to the grid is assumed to be equal to 40% of the total connected load. It is based on breaking the limits of standard harmonic voltage distortion. This study also analyzes the effect of multiple distributed generators under integration and resonance at harmonic frequencies. The analysis of the influence of distributed generation installations integrated into the distribution network has been carried out with the application of an analytical comparison of the obtained (calculated) parameters of voltage non-linear distortion coefficients when modeling distributed generator operation in the network with permissible limits for these coefficients of voltage non-linear distortions in accordance with low voltage network GOST. The results of numerical experiments are presented.

Keywords: distributed generation, resonance, harmonic distortions, converter, nonlinear distortion coefficient, inverter

Information about the article: Received October 21, 2019; accepted for publication December 26, 2019; available online February 28, 2020.

For citation: Akhmedov SB, Klimov PL. Effect of renewable energy-based distributed generation with power invertors on resonance at harmonic frequencies. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(1):97-111. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-97-111

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие распределенной генерации (РГ) в России становится более актуальным в связи с обеспечением электроэнергией отдаленных поселков и деревень, а также ростом предложения относительно доступных коммерческих установок РГ на базе возобновляемых источников энергии. Однако крупные установки РГ могут вносить отрицательный вклад в искажение параметров качества электроэнергии, выдаваемой в локальную сеть. Параметры качества электроэнергии могут быть приведены к допустимым параметрам с использованием вставки постоянного тока. Однако пассивные фильтры гармоник оказывают негативный эффект при явлении резонанса.

Гармонические искажения, создаваемые установкой РГ при выдаче энергии в сеть, зависят от типа генерирующей установки и технологий силовой электроники. В целом подключение РГ можно разделить на два типа: РГ с преобразователем (силовой электроникой) и РГ без преобразователя [1]. Например, РГ с преобразователем используется в распределенной генерации на базе солнечных панелей, ветровых турбин, топливных элементов и микротурбин,

98

которые используют силовую электронику для сопряжения (связи) с сетью, в то время как синхронные генераторы используются без промежуточного преобразования, т.е. без преобразователя.

Резонанс на частотах гармоник связан с интеграцией РГ в сеть и становится критическим техническим вопросом для энергосистемы при увеличении числа установок РГ. Данный резонанс может произойти в точке соединения одиночной или нескольких установок РГ к сети из-за несоответствия полного сопротивления между ними (между РГ и сетью). Более того, данное несоответствие распространяет гармоники на генерирующее оборудование, например, приводы с регулируемой скоростью, что может привести к увеличению потерь и сокращению времени эксплуатации оборудования в системе. Кроме того, оборудование может быть повреждено перегрузками по току или перенапряжениями, которые возникают из-за резонанса [2-4].

Динамическое взаимодействие между сетью и инвертором может привести к дополнительному резонансу в токе или напряжении сети (либо в обоих). Явление может происходить на определенных частотах (которые не характерны для полного

ISSN 1814-3520

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 20 20;24(1):97-111 PROCEEDINGS OF IRKUTSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY 2020;24(1):97-111

сопротивления сети), создаваемых одним инвертором или при подключении к идеальной сети. Эффект этого резонанса не только создает серьезную проблему качества электроэнергии, но также может привести к отключению защитных устройств и повреждению чувствительного оборудования [5].

В [6] сообщалось, что более глубокое проникновение фотоэлектрических инверторов, связанных с LCL-фильтрами для систем рекуперации электрической энергии при определенных обстоятельствах влияет на систему с точки зрения нежелательных срабатываний. Это значительно увеличивает генерацию гармоник, даже если фотоэлектрические преобразователи индивидуально удовлетворяют ограничениям по гармоникам. В [6, 7] сообщалось, что параллельные и последовательные резонансные явления между сетью и фотоэлектрическими инверторами были признаны ответственными за неожиданные высокие уровни тока и искажения напряжения в фотоэлектрической сети.

2. МОДЕЛЬ УСТАНОВКИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В зависимости от типа источников энергии для РГ требуются различные конфигурации силовых электронных преобразователей. Однако для анализа гармоник РГ при моделировании предполагается, что напряжение постоянного тока является постоянным. Это предположение может быть оправдано большой емкостью в цепи постоянного тока и контроллером (регулятором) напряжения постоянного тока, который поддерживает напряжение на близком к номинальному уровне. Используя данное предположение, установка РГ может быть представлена инвертором напряжения, питаемым от источника постоянного тока [8]. На рис. 1 показаны основные компоненты данного инвертора. Система состоит из источника постоянного тока, инвертора, контроллера Р^ (регулятора активной и реактивной мощностей) и пассивного фильтра LCL.

Рис. 1. Инвертор напряжения ( Vnос т - напряжение источника постоянного тока, Vп - напряжение на входе в преобразователь, Iп - ток на входе в преобразователь, Vc - напряжение сети, I с - ток сети, Ри с т - активная мощность источника регулятора, Qист - реактивная мощность источника регулятора) Fig. 1. Voltage inverter ( VnocT - voltage of the DC source, Vn - voltage at the converter input, Iп - current at the converter input, Vc - mains voltage, I c - mains current, Рист - active power of the controller source,

Qист - reactive power of the controller source)

Функция инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения в переменное. Данный инвертор использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для генерации синусоидального выходного тока путем переключения элемента биполярного транзистора с изолированным затвором (ЮВТ-транзистор) в инверторе. Чтобы подключить инвертор напряжения к сети, требуется пассивный LCL-фильтр для устранения гармоник тока, создаваемых ШИМ - переключающим инвертором.

Контроллер инвертора используется для управления напряжением линии постоянного тока РГ, реактивной мощности и коэффициента мощности. Контур управления инвертором может быть получен из отношения между инвертором и напряжением сети за полным сопротивлением его сети (рис. 2) [9].

Модель пассивного LCL-фильтра может быть получена в стационарной системе координат с использованием законов Кирхгофа, как изложено ниже (1)-(3) [9, 10]:

Связь между выходным напряжением преобразователя ( ) и напряжением сети с учетом падения напряжения на ЮЬ фильтре:

dln

Vi = Vq+L + L i^. (4)

1 9 9 dt 1 dt w

После преобразования во вращающуюся систему координат в положительном направлении напряжения сети, получаем уравнение:

dl.

gd

У id - Vgd + Lg dt

- ^Lglgd +

(5)

где мнимая составляющая может быть выражена как

dlnn

(6)

h-lc-L = 0;

Vj-Vr = L—; 1 c 1 dt'

Vc-Va=La^.

c 9 9 dt

(1) (2) (3)

Во вращающейся системе координат, ориентированной на напряжение, Уд а = \Уд d\ и Ущ = 0 . Если Ущ = 0 , оно не исключается из уравнений для того чтобы вывести уравнение регулятора.

Рис. 2. Подключение инвертора напряжения к сети через LCL-фильтр ( V dc- напряжение источника постоянного тока, V i - напряжение на входе в LCL-фильтр, 1i - ток на входе в LCL-фильтр, Li - индуктивность LCL-фильтра, 1С - ток емкости LCL-фильтра, Сf - емкость LCL-фильтра, I g - ток сети, V c - ток емкости LCL-фильтра, Lg - индуктивность сети, Vg - напряжение сети) Fig. 2. Voltage inverter connection to the grid through the LCL filter ( V dc -voltage of the DC source, V i - voltage at the LCL filter input, Ii - current at the LCL filter input, Li - LCL filter inductance, I c -current of the LCL filter capacitance, С f - LCL- filter capacity, I g - grid current, V c - current of the LCL filter capacitance, L g - grid inductance, V g - grid voltage)

Для вывода уравнения регулятора падение напряжения на LCL-фильтре рассматривается как выход для пропорционально-интегрального контроллера (ПИ-контроллер):

dl,

gd

dl

9 dt 1 dt - ( 1 + (A d г в/ _ A '

(7)

dlgq dljg

L° dt +Li dt

-Kp(1+â)(

iqref

(8)

Подставляя уравнение (7) в уравнение (5), а (8) в (6), получаем уравнения инвертора напряжения в следующем виде:

V

id_ref

- ^p ( 1 + —) (Ad_ге/ _ Ad) + ^ d _

(^Lglgq (àL(I(a',

i'iq>

(9)

^Î cjf_r е/ - ^p ( 1 + ^ (A q _r е/ _ A £?) + q +

iïLg^d + ihd■

(10)

Внутренний контур тока для контроллера инвертора может быть получен из уравнений (9) и (10), как показано на рис. 3 [10].

В ориентированной по напряжению системе отсчета /ш равно активному току, а /£(? - отрицательной величине реактивного тока. Активный ток рассчитывается из контура управления, который контролирует напряжение звена постоянного тока для d-оси. Реактивный ток генерируется контуром, который контролирует выходное напряжение переменного тока для q-оси.

На рис. 4 показан внешний цикл управления инвертором. Во внешнем контуре управления напряжением постоянного тока активный ток от источника РГ подается с опережением для повышения производительности контроллера. Цикл основан на схеме управления P-Q, которая позволяет независимо управлять выходами активной и реактивной мощностей. Эти два контура управления являются общей структурой контроллера для модели установки РГ.

На рис. 5 показана модель установки РГ с инвертором в блоке для имитационного моделирования электротехнических устройств MATLAB - SimPowerSystems. Он основан на блок-схеме, изображенной на рис. 1 и вышеупомянутых способах управления. Модель распределения шин IEEE 13 (IEEE 13 Node Test Feeder) находится в блоке подсистемы сети.

Рис. 3. Внутренний контур управления инвертора (magnitude limiter - ограничитель величины) Fig. 3. Inverter inner control loop with a magnitude limiter

Рис. 4. Внешний цикл управления инвертором Fig. 4. Inverter outer control loop

Рис. 5. Моделирование установки распределенной генерации с инвертором в системе MATLAB - SimPowerSystems Fig. 5. Modeling of a distributed generator and inverter in MATLAB - SimPowerSystem

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ТЕСТ С МОДЕЛЬЮ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ШИН IEEE 13 (IEEE 13 NODE TEST FEEDER)

Тестовая модель распределения шин IEEE 13 в графической среде имитационного моделирования Simulink изображена на рис. 6. Система несбалансированная и служит эталонной системой для исследований несбалансированного распространения гармоник. Для создания подходящих условий для эксперимента исходная система шин IEEE 13 модифицируется путем добавления нелинейной нагрузки (привод с регулируемой скоростью) на шину 680 и установок РГ с инвертором на шинах 633, 675 и 680.

Конденсатор для коррекции коэффициента мощности и дополнительные узлы нагрузки размещаются таким же образом, как и в оригинальной системе тестирования IEEE 13. Спектр тока для модели привода с регулируемой скоростью приведен в [4]. Конденсатор для коррекции коэффициента и нагрузка моделируются как статический конденсатор и статическая нагрузка, соответственно. В данном исследовании было проанализировано влияние нескольких установок РГ на разных шинах

подключения. Общая подключенная нагрузка системы составляет 3,2 МВт. Общая мощность установок РГ представляет 40% от общей подключенной нагрузки, что составляет 1280 кВт.

4. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Целью исследования является влияние установок РГ в распределительной сети на резонанс на гармонических частотах в ней. Резонанс частоты системы может существенно измениться, когда резонанс сети становиться ближе к гармоническим частотам вводимых установок РГ в систему.

Резонансная частота системы может значительно измениться, когда резонанс сети становится ближе к гармоническим частотам, вводимым РГ в систему. Как было упомянуто выше, установки РГ, подключенные к шинам со специфическими условиями (где используется конденсатор для коррекции коэффициента мощности и привод с регулируемой скоростью), установлены на шине 675 и шине 680, соответственно, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Тестовая модель распределения шин IEEE 13 Fig. 6. IEEE 13 Node Test Feeder

Для изучения влияния было принято провести два сценария, один был создан для изучения эффекта влияния нескольких установок РГ на разных шинах распределительной сети, второй - для изучения влияния нескольких установок РГ на шине 633.

Первый сценарий был разделен на четыре замера параметров со следующими условиями:

1 замер - без подключения установок РГ;

2 замер - одна установка РГ (РГ-1), подключенная к шине 633;

3 замер - две установки РГ (РГ-1 и РГ-2), подключенные к шинам 633 и 680;

4 замер - три установки РГ (РГ-1, РГ-2 и РГ-3), подключенные к шинам 633, 680 и 675.

Второй сценарий также был разделен на четыре замера параметров со следующими условиями:

1 замер - без подключения установок РГ;

2 замер - одна установка РГ, подключенная к шине 633;

3 замер - две установки РГ, подключенные к шине 633;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4 замер - три установки РГ, подключенные к шине 633.

При этом суммарная мощность РГ в распределительной сети остается постоянной в обоих сценариях и равной 40% от общей нагрузки в независимости от увеличения числа установок РГ на шинах.

На рис. 7 показан замер частоты в

системе для каждой фазы, когда установки РГ подключены к различным шинам. Из полученных результатов (рис. 7) можно наблюдать, что одиночный пик резонанса частоты имеет место в замере при отсутствии установки РГ, но с наличием конденсатора для коррекции коэффициента мощности. Однако когда установка РГ подключена к сети, можно наблюдать две резонансные частоты, что указывает на то, что установки РГ с преобразователем, связанные с LCL-фильтром, оказывают значительное влияние на явление резонанса в энергосистеме. При увеличении числа установок РГ в распределительной сети характер явления резонанса также меняется. Однако только небольшое различие было установлено между подключением двух и трех установок РГ. Подробные результаты замера частоты на рис. 7 (пиковые значения последовательного и параллельного явлений резонанса) представлены в табл. 1, 2.

На рис. 8 показаны замеры частоты в системе для каждой фазы, когда установки РГ подключены к шине 633. Из полученных результатов (см. рис. 8) можно наблюдать, что одиночный пик резонанса частоты имеет место в замере при отсутствии установки РГ, но с наличием конденсатора для коррекции коэффициента мощности. Однако когда установка РГ подключается к сети, можно наблюдать две резонансные частоты, что указывает на то, что установки РГ с

Пиковые значения частоты при параллельном резонансе (резонанс тока) на шинах 633, 680 и 675 (первый сценарий)

Peak frequency values under parallel resonance (resonance of current) at buses 633, 680 and 675 (the first scenario)

Таблица 1

Table 1

№ замера Первый пик (n-й гармоники) Второй пик (n-й гармоники)

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 304 (6-я) 263 (5-я) 238 (5-я) - - -

2 262 (5-я) 263 (5-я) 216 (4-я) 740 (15-я) 730 (15-я) 710 (14-я)

3 230 (5-я) 256 (5-я) 212 (4-я) 974 (19-я) 966 (19-я) 944 (19-я)

4 210 (4-я) 226 (5-я) 198 (4-я) 964 (19-я) 956 (19-я) 940 (19-я)

Таблица 2

Пиковые значения частоты при последовательном резонансе (резонансе напряжений) на шинах 633, 680 и 675 (первый сценарий)

Table 2

Peak frequency values under series resonance (resonance of voltage) _at buses 633, 680 u 675 (the first scenario)_

№ замера Первый пик (n-й гармоники) Второй пик (n-й гармоники)

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 489 (10-я) 460 (9-я) 382 (8-я) - - -

2 489 (10-я) 460 (9-я) 382 (8-я) 1220 (24-я) 1214 (24-я) 1203 (24-я)

3 424 (8-я) 436 (8-я) 372 (7-я) 1764 (35-я) 1750 (35-я) 1736 (35-я)

4 394 (8-я) 404 (8-я) 350 (7-я) 1764 (35-я) 1750 (35-я) 1736 (35-я)

a

b

c

Рис. 7. Замеры частоты при явлении резонанса по фазе A (a), фазе B (b), фазе С (с)

в модели распределения шин IEEE 13 Fig. 7. Frequency measurements under resonance by phase A (a), phase B (b), phase C (c)

in IEEE 13 Node Test Feeder

Frequency (Hz) b

T-1-1-i-1-1-r

Frequency (Hz) С

Рис. 8. Замеры частоты при явлении резонанса по фазе A (a), фазе B (b), фазе С (c)

в модели распределения шин IEEE 13 на шине 633 Fig. 8. Frequency measurements under resonance by phase A (a), phase B (b), phase C (c) in IEEE 13 Node Test Feeder at the bus 633

преобразователем, связанные с LCL-фильтром, оказывают значительное влияние на явление резонанса в энергосистеме. Из полученных результатов видно, что форма резонанса такая же, как и в предыдущем сценарии. Подробные результаты замера частоты на рис. 8 представлены в табл. 3, 4 (пиковые значения последовательного и параллельного резонансов).

Коэффициенты нелинейных искажений (КНИ) по току и напряжению для шины 632 по первому сценарию представлены в табл. 5, которые получены через преобразование Фурье (разложения в ряд). Из полученных результатов видно, что при отсутствии РГ в распределительной сети параллельный резонанс все же происходит, а также наблюдается искажение тока и

напряжения из-за присутствия привода с регулируемой скоростью на шине 680. Величина частоты резонанса близка к частоте гармоники на фазе А, также можно отметить, что максимальный коэффициент нелинейных искажений напряжения близок к пределу гармонического искажения равному 5% (в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-20131). Однако фаза B и С не подвергаются резонансу на гармонических частотах.

С другой стороны, когда одна установка РГ подключена к распределительной сети, частота последовательного резонанса в системе близка к гармонической частоте, то происходит скачок искажения тока. При подключении двух установок РГ в распределительную сеть последовательный резонанс также присутствует в сети.

Таблица 3

Пиковые значения частоты при параллельном резонансе (резонанс тока) на шинах 633 (второй сценарий)

Table 3

Peak frequency values under parallel resonance (resonance of current) at the bus 633 (the second scenario)

№ замера Первый пик (n-й гармоники) Второй пик (n-й гармоники)

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 304 (6-я) 264 (5-я) 238 (5-я) - - -

2 262 (5-я) 232 (5-я) 216 (4-я) 740 (15-я) 730 (15-я) 710 (14-я)

3 228 (5-я) 252 (5-я) 212 (4-я) 664 (13-я) 664 (13-я) 626 (13-я)

4 224 (4-я) 246 (5-я) 208 (4-я) 638 (13-я) 640 (13-я) 598 (12-я)

Таблица 4

Пиковые значения частоты при последовательном резонансе (резонансе напряжений) на шинах 633 (второй сценарий)

Table 4

Peak frequency values under series resonance (resonance of voltages) _at the bus 633 (the second scenario)_

№ замера Первый пик (n-й гармоники) Второй пик (n-й гармоники)

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 489 (10-я) 460 (9-я) 382 (8-я) - - -

2 489 (10-я) 460 (9-я) 382 (8-я) 1220 (24-я) 1214 (24-я) 1203 (24-я)

3 466 (9-я) 482 (10-я) 418 (8-я) 1086 (22-я) 1078 (22-я) 1068 (21-я)

4 456 (9-я) 482 (10-я) 418 (8-я) 1018 (20-я) 1024 (20-я) 986 (20-я)

1

ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. М.: Стандар-тинформ, 2014.

КНИ по току незначительно возрастают, а коэффициенты нелинейных искажений по напряжению остаются в допустимых пределах. Когда три установки РГ подключены к распределительной сети, параллельный резонанс присутствует на фазе С, а последовательный резонанс остается как в предыдущем случае (при работе двух РГ). КНИ по напряжению возрастают, но не превышают пределов, в то время как суммарные гармонические искажения по току происходят в системе. КНИ по напряжению и току на шине 632 по второму сценарию представлены в табл. 6, которые получены через преобразование Фурье. Из полученных результатов видно, что первые два замера такие же, как и в предыдущем (первом) сценарии.

Таблица 5

Коэффициенты нелинейных искажений по току и напряжению на шине 632 при подключении распределенной генерации к шинам 633, 680 и 675 (первый сценарий)

Table 5

Harmonic distortion factors for voltage and current measured at the bus 632 for connected distributed generation to buses 633, 680 and 675 (the first scenario)

№ замера Коэффициент нелинейных Коэффициент нелинейных

искажений по напряжению, % искажений по току, %

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 4,76 3,65 2,23 3,17 3,00 0,90

2 2,20 2,98 1,68 3,83 2,44 1,36

3 2,32 2,97 1,51 6,5 6,28 4,78

4 2,18 2,83 3,29 6,71 6,23 4,24

Таблица 6

Коэффициенты нелинейных искажений по току и напряжению на шине 632 при подключении распределенной генерации к шине 633 (второй сценарий)

Table 6

Harmonic distortion factors for voltage and current measured at the bus

632 for connected distributed generation to the bus 633 (the second scenario)

№ замера Коэффициент нелинейных Коэффициент нелинейных

искажений по напряжению, % искажений по току, %

Фаза A Фаза B Фаза C Фаза A Фаза B Фаза C

1 4,76 3,65 2,23 3,17 3,00 0,90

2 2,20 2,98 1,68 3,83 2,44 1,36

3 4,03 4,69 4,16 1,54 2,08 5,31

4 4,74 4,01 2,23 5,65 5,44 1,33

Однако при подключении двух установок РГ в сеть к шине 633 частота параллельного резонанса в системе близка к гармонической частоте, происходит скачок искажения напряжения. При этом КНИ по напряжению не превышают пределов. Параллельный резонанс присутствует на фазе С, что влечет за собой искажение по току. При подключении трех установок РГ в распределительную сеть в системе также присутствуют параллельный и последовательный резонансы. КНИ по напряжению и току возрастают, но не превышают допустимых пределов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты моделирования показывают, что присутствие установок РГ оказы-

вает влияние на возникновение параллельных и последовательных резонансов на гармонических частотах вследствие взаимодействия установок РГ с преобразователем с пассивным LCL-фильтром, конденсатором для коррекции коэффициента мощности и полным сопротивлением сети. При резонансе на гармонических частотах происходит и увеличение искажение тока и напряжения. Результаты моделирования влияния установок РГ на распределительную систему с уровнем интеграции 40% и различной конфигурацией показывают, что интеграция установок РГ в распределительную сеть не нарушает допустимых пределов коэффициентов нелинейных искажений по напряжению в соответствии с установленными требованиями1.

Библиографический список

1. Dugan R.C., McDermott T.E., Ball G.J. Distribution Planning for Distributed Generation // Rural Electric Power Conference (Louisville, 7-9 May 2000). Louisville: IEEE, 2000. Р. 1-7. https://doi.org/10.1109/REPCON.2000.848048

2. Task Force on Harmonics Modeling and Simulation. Modeling and Simulation of the Propagation of Harmonics in Electric Power Networks. Part 1: Concepts, Model, and Simulation Techniques // IEEE Transaction on Power Delivery. 1996. Vol. 11. Issue 1. P. 452-465. https://doi.org/10.1109/61.484130

3. Xin Chen, Jian Sun. A Study of Renewable Energy System Harmonic Resonance based on a DG Test-Bed // Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (Fort Worth, 6-11 March 2011). Fort Worth: IEEE, 2011. Р. 995-1002. https://doi.org/ 10.1109/APEC.2011.5744716

4. Enslin J.H.R., Hulshorst W.T.J., Atmadji A.M.S., Heskes P.J.M., Kotsopoulos A., Cobben J.F.G. Harmonic Interaction between large Numbers of Photovoltaic Inverters and the Distribution Network // Bologna Power Tech Conference Proceedings (Bologna, 23 -26 June 2003). Bologna: IEEE, 2003. Р. 1-6. https://doi.org/10.1109/PTC.2003.1304365

5. Kadir A.F.A., Mohamed A., Shareef H., Wanik M.Z.C. Impact of Multiple Inverter Based Distributed Generation Units on Harmonic Resonance [Электронный ресурс]. URL: https://www.academia.edu/17688247/ Impact_of_Multiple_Inverter_Based_Distributed_ Gen-eration_Units_on_Harmonic_Resonance (12.04.2019).

6. Donghua Pan, Xiongfei Wang, Blaabjerg F., Hong Gong. Active Damping of LCL-Filter Resonance Using a Digital Resonant-Notch (Biquad) Filter // Event 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe) (Riga, 17-21 September 2018). Riga: IEEE, 2018. Р. 8515419.

7. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N., Styczynsky Z.A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energy // Renewable Energy. 2016. Vol. 90. P. 532-541. https://doi.org/ 10.1016/j.renene.2016.01.016

8. Perez-Arriaga I.J., Verghese G.C., Schweppe F.C. Selective Modal Analysis With Applications to Electric Power Systems. PART I: Heuristic Introduction // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1982. Vol. PAS-101. Issue 9. P. 3117-3125. https://doi.org/10.1109/TPAS. 1982.317524

9. Denis Lee Hau Aik, Andersson G. Use of participation factors in modal voltage stability analysis of multi-infeed HVDC systems // IEEE Transactions on Power Delivery. 1998. Vol. 13. No. 1. P. 203-211. https://doi.org/10.1109/61.660879

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10. Солодуша С.В., Герасимов Д.О., Суслов К.В. Построение интегральной модели на примере динамики ветроэнергетической установки // Вестник Южно-Уральского государственного университета.

Серия: Математическое моделирование и программирование. 2015. Т. 8. Вып. 4. С. 40-49. https://doi.org/10.14529/mmp150404

11. Cousins Bu.J.T. Using time of use tariffs in industrial, commercial and residential applications effectively in Sandton // TLC Engineering Solutions [Электронный ресурс]. URL: http://www.tlc.co.za/white_papers/pdf/usi ng_time_of_use_tariffs_in_industrial_commercial_and_r esidential_applications_effectively.pdf (12.04.2019).

12. Gualtieri M., Curran R., Kisker H., Christakis S. The Forrester Wave™ // Big Data Predictive Analytics Solutions [Электронный ресурс]. URL: URL:https://www.forrester.com/The+Forrester+Wave+B ig+Data+Predictive+Analytics+Solutions+Q2+2015/fullt ext/-/E-res115697 (12.04.2019).

13. Halper F. Predictive Analytics for Business Advantage // RESEARCH & RESOURCES [Электронный ресурс]. URL: URL: http://tdwi .org/research/2013/12/best-practi ces-report-predictive-analytics-for-business-advantage.aspx?tc=page0 (12.04.2019).

14. Kotorov R. Enhancing Decision-Making, Cost-Efficiency, and Profitability With Predictive Analytics // The Information Builders [Электронный ресурс]. URL: https://docplayer.net/5775932-Enhancing-decision-making-cost-efficiency-and-profitability-with-predictive-analytics.html (15.04.2019).

15. Siegel E. Seven Reasons You Need Predictive Analytics Today // Prediction Impact Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ibm.com/downloads/ cas/LKMPR8AJ (15.04.2019).

16. White D. Predictive Analytics: The Right Tool for Tough Times. An Aberdeen Group white paper // Aberdeen Group [Электронный ресурс]. URL: https://www.scribd.com/user/344300379/api-344300379 (11.04.2019).

17. ParrRud O. Drive Your Business with Predictive Analytics // SAS Institute [Электронный ресурс]. URL: https://docplayer.net/985480-Drive-your-business-with-predictive-analytics.html (11.04.2019).

18. Taylor J. Analytics Capability Landscape. Identifying the right analytic capabilities for success // Decision Management Solutions [Электронный ресурс]. URL: http://www.decisionmanagementsolutions.com/wp-content/uploads/2015/02/Analytics-Capability-Landscape-Report-Final-3.17.15.pdf (11.04.2019).

19. Stefanovic N. Proactive Supply Chain Performance Management with Predictive Analytics // The Scientific World Journal. 2014. P. 121-138. http://dx.doi.org/10.1155/2014/528917

20. Eckerson W. Making Predictive Analytics Pervasive, Benchmark Report // TechTarget, Search Business Analytics [Электронный ресурс]. URL: http://docs.media.bitpipe.com/io_11x/io_116391/item_9 23163/051514_EB_Making%20Predictive%20Analytics %20Pervasive.pdf (15.04.2019).

References

1. Dugan RC, McDermott TE, Ball GJ. Distribution Planning for Distributed Generation. In: Rural Electric Power Conference. 7-9 May 2000, Louisville. Louisville: IEEE; 2000, p. 1-7. https://doi.org/10.1109/ REP-CON.2000.848048

2. Task Force on Harmonics Modeling and Simulation. Modeling and Simulation of the Propagation of Harmonics in Electric Power Networks. Part 1: Concepts, Model, and Simulation Techniques. IEEE Transaction on Power Delivery. 1996;11(1):452-465. https://doi.org/ 10.1109/61.484130

3. Xin Chen, Jian Sun. A Study of Renewable Energy System Harmonic Resonance based on a DG Test-Bed. In: Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 6-11 March 2011, Fort Worth. Fort Worth: IEEE; 2011, p. 995-1002. https://doi.org/10.1109/APEC.2011.5744716

4. Enslin JHR, Hulshorst WTJ, Atmadji AMS, Heskes PJM, Kotsopoulos A, Cobben JFG. Harmonic Interaction between large Numbers of Photovoltaic Inverters and the Distribution Network. In: Bologna Power Tech Conference Proceedings. 23-26 June 2003, Bologna. Bologna: IEEE; 2003, p. 1-6. https://doi.org/10.1109/PTC.2003.1304365

5. Kadir AFA, Mohamed A, Shareef H, Wanik MZC. Impact of Multiple Inverter Based Distributed Generation Units on Harmonic Resonance. Available from: https://www.academia.edu/17688247/Impact_of_Multipl e_Inverter_Based_Distributed_Generation_Units_on_H armonic_Resonance [Accessed 12th April 2019].

6. Donghua Pan, Xiongfei Wang, Blaabjerg F, Hong Gong. Active Damping of LCL-Filter Resonance Using a Digital Resonant-Notch (Biquad) Filter. In: Event 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe). 17-21 September 2018, Riga. Riga: IEEE; 2018, p. 8515419.

7. Lombardi P, Sokolnikova T, Suslov K, Voropai N, Styczynsky ZA. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energy. Renewable Energy. 2016;90:532-541. https://doi.org/10.1016/j. renene. 2016.01.016

8. Perez-Arriaga IJ, Verghese GC, Schweppe FC. Selective Modal Analysis with Applications to Electric Power Systems. PART I: Heuristic Introduction. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1982; PAS-101 (9):3117-3125.

https://doi.org/10.1109/TPAS. 1982.317524

9. Denis Lee Hau Aik, Andersson G. Use of participation factors in modal voltage stability analysis of multi-infeed HVDC systems. IEEE Transactions on Power Delivery. 1998;13(1): 203-211. https://doi.org/10.1109/61.660879

10. Solodusha S.V., Gerasimov D.O., Suslov K.V. Construction of an Integral Model by the Example of Wind Turbine Dynamics. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Seriya: Matematicheskoe modelirovanie i programmirovanie = Bulletin of the

South Ural State University. Series: Mathematical Modeling, Programming and Computer Software. 2015;8(4):40—49. (In Russ.) https://doi.org/ 10.14529/mmp150404

11. Cousins BuJT. Using time of use tariffs in industrial, commercial and residential applications effectively in Sandton. TLC Engineering Solutions. Available from: http://www.tlc.co.za/whitepapers/pdf/usingtimeofusetarif fsinindustrialcommercialandresidentialapplicationseffec-tively.pdf [Accessed 12th April 2019].

12. Gualtieri M, Curran R, Kisker H, Christakis S. The Forrester Wave™. Big Data Predictive Analytics Solutions. Available from: URL:https://www. forrest-er.com/The+Forrester+Wave+Big+Data+Predictive+An alytics+Solutions+Q2+2015/fulltext/-/E-res115697 [Accessed 12th April 2019].

13. Halper F. Predictive Analytics for Business Advantage. RESEARCH & RE-SOURCES. Available from: http://tdwi.org/research/2013/12/best-practices-report-predictive-analytics-for-business-advantage.aspx?tc=page0 [Accessed 12th April 2019].

14. Kotorov R. Enhancing Decision-Making, Cost-Efficiency, and Profitability with Pre-dictive Analytics. The Information Builders. Available from: https://docplayer.net/5775932-Enhancing-decision-making-cost-efficiency-and-profitability-with-predictive-analytics.html [Accessed 15th April 2019].

15. Siegel E. Seven Reasons You Need Predictive Analytics Today. Prediction Impact Inc. Available from: https://www. ibm. com/downloads/cas/LKMPR8AJ [Accessed 15th April 2019].

16. White D. Predictive Analytics: The Right Tool for Tough Times. An Aberdeen Group white paper. Aberdeen Group. Available from: https://www.scribd. com/user/344300379/api-344300379 [Accessed 11th April 2019].

17. ParrRud O. Drive Your Business with Predictive Analytics. SAS Institute. Available from: https://docplayer.net/985480-Drive-your-business-with-predictive-analytics.html [Accessed 11th April 2019].

18. Taylor J. Analytics Capability Landscape. Identifying the right analytic capabilities for success. Decision Management Solutions. Available from: http://www.decisionmanagementsolutions.com/wp-content/uploads/2015/02/Analytics-Capability-Landscape-Report-Final-3.17.15.pdf [Accessed 11th April 2019].

19. Stefanovic N. Proactive Supply Chain Performance Management with Predictive Analytics. The Scientific World Journal. 2014:121-138. http://dx.doi.org/10.1155/2014/528917

20. Eckerson W. Making Predictive Analytics Pervasive, Benchmark Report. TechTarget, Search Business Analytics [Электронный ресурс]. URL: http://docs.media.bitpipe.com/io_11x/io_116391/item_9 23163/051514_EB_Making%20Predictive%20Analytics %20Pervasive.pdf [Accessed 15th April 2019].

Критерии авторства

Ахмедов С.Б., Климов П.Л. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Ахмедов Сардор Бахтиярович,

магистрант,

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия; e-mail: sarik0696@mail.ru

Климов Павел Леонидович,

аспирант,

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия; Н e-mail: pavel139013@mail.ru

Authorship criteria

Akhmedov S.B., Klimov P.L. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Sardor B. Akhmedov,

Master Degree Student, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia; e-mail: sarik0696@mail.ru

Pavel L. Klimov,

Postgraduate Student,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia; H e-mail: pavel139013@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.