Помощь студентам в учебе
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
|
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Современное состояние исследований проблемы моделирования фотоэлектрических солнечных электростанций в электроэнергетических системах 14
1.1. Анализ влияния внедрения фотоэлектрических солнечных
электростанций на возникновение колебаний режимных параметров в электроэнергетических системах 14
1.2. Математическое моделирование фотоэлектрических солнечных
электростанций в программно-вычислительных и программно-аппаратных комплексах для расчета режимов и процессов в электроэнергетических системах 25
1.3. Выводы по главе 1 40
Глава 2. Концепция всережимного моделирования и средства её реализации в виде специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции 42
2.1. Конфигурация модели фотоэлектрической солнечной электростанции и
основные положения концепции её всережимного моделирования 42
2.2. Принципы построения специализированного гибридного процесса
фотоэлектрической солнечной электростанции 50
2.3. Выводы по главе 2 51
Глава 3. Реализация и испытания специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции 52
3.1. Гибридные сопроцессоры оборудования в специализированном
гибридном процессоре ФСЭС 53
3.2. Цифроуправляемые физические модели специализированного
гибридного процессора ФСЭС 62
3.3. Микропроцессорный узел специализированного гибридного процессора
ФСЭС 65
3.4. Тестовые исследования СГП ФСЭС 80
3.5. Выводы по главе 3 87
Глава 4. Экспериментальные исследования специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции в составе
электроэнергетической системы 89
4.1. Верификация обобщенной модернизированной модели ФСЭС 93
4.1.1. Верификация первичного отклика при изменении нагрузки и мощности
ФСЭС 93
5.1.2. Плавное увеличение мощности ФСЭС 96
4.1.3. Верификация отклика САУ ФСЭС при КЗ 99
4.1.4. Верификация модели ФСЭС при придельной длительности КЗ 105
4.1.5. Верификация модели ФСЭС при изменении сопротивления связи .... 109
4.2. Анализ возникновения колебаний режимных параметров ФСЭС при их
функционировании в слабых электрических сетях 112
4.3. Выводы по главе 4 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 135
Приложение A. Патент на изобретение и свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ 153
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Современное состояние исследований проблемы моделирования фотоэлектрических солнечных электростанций в электроэнергетических системах 14
1.1. Анализ влияния внедрения фотоэлектрических солнечных
электростанций на возникновение колебаний режимных параметров в электроэнергетических системах 14
1.2. Математическое моделирование фотоэлектрических солнечных
электростанций в программно-вычислительных и программно-аппаратных комплексах для расчета режимов и процессов в электроэнергетических системах 25
1.3. Выводы по главе 1 40
Глава 2. Концепция всережимного моделирования и средства её реализации в виде специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции 42
2.1. Конфигурация модели фотоэлектрической солнечной электростанции и
основные положения концепции её всережимного моделирования 42
2.2. Принципы построения специализированного гибридного процесса
фотоэлектрической солнечной электростанции 50
2.3. Выводы по главе 2 51
Глава 3. Реализация и испытания специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции 52
3.1. Гибридные сопроцессоры оборудования в специализированном
гибридном процессоре ФСЭС 53
3.2. Цифроуправляемые физические модели специализированного
гибридного процессора ФСЭС 62
3.3. Микропроцессорный узел специализированного гибридного процессора
ФСЭС 65
3.4. Тестовые исследования СГП ФСЭС 80
3.5. Выводы по главе 3 87
Глава 4. Экспериментальные исследования специализированного гибридного процессора фотоэлектрической солнечной электростанции в составе
электроэнергетической системы 89
4.1. Верификация обобщенной модернизированной модели ФСЭС 93
4.1.1. Верификация первичного отклика при изменении нагрузки и мощности
ФСЭС 93
5.1.2. Плавное увеличение мощности ФСЭС 96
4.1.3. Верификация отклика САУ ФСЭС при КЗ 99
4.1.4. Верификация модели ФСЭС при придельной длительности КЗ 105
4.1.5. Верификация модели ФСЭС при изменении сопротивления связи .... 109
4.2. Анализ возникновения колебаний режимных параметров ФСЭС при их
функционировании в слабых электрических сетях 112
4.3. Выводы по главе 4 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 135
Приложение A. Патент на изобретение и свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ 153
Проблема и её актуальность. В настоящее время многие ведущие страны заинтересованы в декарбонизации, основанной на сокращении традиционной генерации на базе ископаемого топлива. Российской Федерацией, а также рядом других стран, подписано Парижское соглашение по климату, что накладывает определенные обязательства по снижению углеродных выбросов, в частности, за счет перехода на «зеленую» энергетику. Одним из основных направлений развития «зеленой» энергетики является широкомасштабное внедрение в электроэнергетические системы (ЭЭС) новых генерирующих устройств (ГУ), функционирующих на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Доля возобновляемых источников энергии в мировой энергетике в период с 2020 по 2021 г. оставалась стабильной (28,1 %), что выше уровня 2019 г. (26,3 %) почти на 2%. В 2022 г. выработка электроэнергии из возобновляемых источников выросла благодаря активному внедрению фотоэлектрических солнечных электростанций (ФСЭС [1-3] и ветроэлектростанций (ВЭС) [4] (ФСЭС +11 % и ВЭС +21%), а установленная мощность ВЭС и ФСЭС на 2021 г. составила соответственно 828,4 ГВт и 891,3 ГВт; на 2022 г. - 925,6 ГВт и 1100,9 ГВт [5-7]. Одной из основных причин значительного прироста установленной мощности именно ФСЭС является существенное удешевление технологий производства солнечных элементов (СЭ) [7]. По состоянию на 2023 год в Единой энергосистеме (ЕЭС) России работает более 70 ФСЭС установленной мощностью 1,7 ГВт в 11 регионах РФ [7], а до конца 2034 г. на территории РФ планируется ввести в эксплуатацию мощности равные почти 7 ГВт возобновляемой генерации [8, 9].
Особенностью ФСЭС является отсутствие прямого сопряжения с сетью и использование для их подключения к ЭЭС сетевого инвертора (СИ), в основном функционирующего на базе статического преобразователя напряжения [10]. В результате внедрение таких ФСЭС с СИ существенно изменяются динамические свойства энергосистем из-за отличающийся динамики функционирования СИ и их систем управления по сравнению с традиционной генерацией: 1) увеличение скорости переходных процессов из- за снижения общей инерции энергосистемы может становиться причиной неправильной работы противоаварийной автоматики; 2) ток короткого замыкания (КЗ) от ФСЭС ограничен СИ, его величина находится в диапазоне от 0 о.е. до 1.5 о.е. [11, 12], что может приводить к существенным просадкам напряжения и значительным колебаниям режимных параметров после снятия КЗ, также изменение величины тока КЗ может приводить к неправильным срабатываниям релейной защиты (РЗ) [10, 12]; 3) несогласованное действие системы автоматического управления (САУ) СИ с системами управления другого оборудования может приводить к нарастающим колебаниям режимных параметров после возмущений [13]; 4) усугубление аварийной ситуации в ЭЭС ввиду несоответствия поведения ФСЭС требованиям их функционирования в аварийных режимах (неправильная настройка FRT характеристик, (Fault Ride Through)); 5) в блоке фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и внутреннем контуре управления током (КУТ), которые являются основными каналами системы управления СИ, используются большие коэффициенты усиления, что может приводить к колебаниям режимных параметров. В итоге обозначенные особенности приводят к существенному влиянию ФСЭС с СИ на все существующие виды устойчивости и даже к возникновению новых, выделяемых зарубежными специалистами (устойчивость, определяемая функционированием силового преобразователя - «converter-driven stability») [14].
Сопутствующие обозначенным особенностям проблемы особенно остро стоят при внедрении данных объектов в региональные энергосистемы и энергорайоны (110 кВ и ниже) с достаточно крупными узлами местной нагрузки [15-18]. Такие энергорайоны могут быть классифицированы как «слабые» электрические сети, в соответствии с международной терминологией [19, 20]. Именно в таких сетях в последнее время по всему миру возникают незатухающие колебания различной частоты, приводящие к
повреждению силового оборудования, нарушению устойчивости [21],
и распространяющиеся на целые энергообъединения [22, 23].
Для решения возникающих проблем, в том числе связанных с колебаниями режимных параметров, при функционировании ФСЭС, необходима информация о едином непрерывном спектре
квазиустановившихся и переходных процессов в ФСЭС и ЭЭС в целом при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы. Известная специфика и сложность ЭЭС исключают возможность получения обозначенной информации, особенно аварийного характера, как натурным путем, так и посредством физического моделирования, поэтому основным способом её получения является детальное моделирование. Одним из вариантов такого моделирования является методологически альтернативный комплексный подход, представляющий из себя гибридное моделирование, позволяющий для каждого аспекта решаемой сложной задачи детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС разрабатывать и применять наиболее эффективные методы, способы и средства, объединение которых обеспечивает успешное решение проблемы в целом [24].
Степень разработанности темы исследования. В развитие отечественной и мировой солнечной энергетики внесли большой вклад российские ученые: Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.А. Баум, В.К. Баранов, B.C. Вавилов, A.M. Васильев, В.М. Евдокимов, А.П. Ландсман, Э.В. Тверьянович и ряд других выдающихся ученых.
Изучением проблемы слабых сетей и вопросов, связанных с внедрением объектов ВИЭ, в том числе ФСЭС, занимаются следующие учёные: П.В. Илюшин, К.В. Суслов, В.В. Елистратов, Е.Н. Соснина, Ф.Л. Бык, Б. В. Лукутин, С. Г. Обухов, А.А. Суворов, Qi Hu, V. Terzija, Lijun Fu, Fan Ma, Ji. Feng, Y. F. Wang, Li Y. Wei, J. Z. Zhou, H. Ding, S. Fan, Y.Zhang и др.
Вопросам моделирования электроэнергетических систем посвящены фундаментальные труды: В.А. Веникова, Н.И. Воропая, П.И. Бартоломея, Ю.Е. Гуревича, А.С. Гусева, В.А. Строева, Prabha S. Kundur, А.А. Горева, П.С.
Жданова, а также исследования, А.В. Паздерина, А.Н. Беляева, А.Г. Русиной, А.Г Фишова., Rajapandian Ayyanar, John Undrill, Vijay Vittal, Qiuhua Huang, Brian Keel, Jose Silva, Pouyan Pourbeik, Wenzong Wang, Deepak Ramasubramanian, Deepa Kundur.
Однако проблема детального моделирования ФСЭС в составе реальных ЭЭС раскрыта не полностью и безусловно является актуальной для отечественной и мировой электроэнергетической науки и практики, учитывая возрастающее количество колебаний различной частоты и тяжёлые последствия к которым они приводят.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка концепции и средств её реализации для всережимного моделирования ФСЭС в составе ЭЭС.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ влияния внедрения ФСЭС в существующие ЭЭС, в том числе в слабые электрические сети, на протекание переходных процессов в ФСЭС и ЭЭС в целом.
2. Анализ основных используемых в настоящее время средств моделирования ФСЭС в составе ЭЭС.
3. Выявление и обоснование факторов, препятствующих решению проблемы детального моделирования ФСЭС в слабых сетях с помощью существующих программных и программно-аппаратных комплексов моделирования ЭЭС.
4. Разработка теоретически и практически обоснованной концепции всережимного моделирования ФСЭС в ЭЭС, а также структуры и принципов построения средств её реализации.
5. Проведение экспериментальных исследований, подтверждающих свойства и возможности разработанной концепции и средств её реализации, необходимые для надежного и эффективного решения задач проектирования, исследования и эксплуатации ФСЭС в ЭЭС.
Предметом исследования являются переходные процессы в ФСЭС, функционирующей в составе ЭЭС.
Объектом исследования является детальная модель ФСЭС,
подключаемая к электрической сети с помощью СИ.
Научная новизна работы:
1. Разработана концепция детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС и программно-аппаратные средства её реализации в виде специализированного гибридного процессора (СГП), в которых предполагается использование физических моделей для повышающего преобразователя постоянного тока и сетевого инвертора, что позволяет воспроизводить динамику цепи постоянного тока и функционирование быстродействующих систем управления ФСЭС: блока ФАПЧ и КУТ.
2. Определено, что модернизация обобщенной математической модели ФСЭС путём добавления только блока ФАПЧ является недостаточной для воспроизведения колебаний режимных параметров различной частоты, возникающих по различным причинам при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях. Необходимым в данном случае также является учёт в обобщенной математической модели ФСЭС всей структуры КУТ, основу которого, как правило, составляют пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы во вращающихся c частотой сети осях d,q.
Теоретическая значимость работы:
1. Разработанный в рамках концепции всережимного моделирования ФСЭС в составе ЭЭС подход по использованию физического моделирования для воспроизведения повышающего преобразователя постоянного тока и сетевого инвертора может быть использован для детального моделирования устройств с аналогичной топологией силовых преобразователей: систем накопления электроэнергии на основе аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и др., в составе ЭЭС.
2. Определены основные причины существования проблемы моделирования ФСЭС в составе ЭЭС с помощью обобщенных математических моделей, особенно в случае их функционирования в слабых электрических сетях, заключающиеся в исключении динамики работы блока ФАПЧ, цепи постоянного тока, первичного источника энергии и упрощенном представлении контура управления активной мощностью, на основании которых сделаны рекомендации по возможным направлениям модернизации таких моделей в зависимости от решаемых задач, схемно-режимных условий и возмущений.
3. Обоснованы факторы, влияющие на возникновение колебательных процессов в ЭЭС с ФСЭС, среди которых основными являются отношение короткого замыкания в точке подключения ФСЭС к ЭЭС, в случае уменьшения которого вероятность колебаний режимных параметров возрастает, вторым является полоса пропускания блока фазовой автоподстройки частоты.
Практическая значимость работы. Разработанные средства детального моделирования ФСЭС (патент РФ RU 2785362 C1) позволяют получать информацию о режимах и процессах в ФСЭС, функционирующих в составе ЭЭС, при нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы, необходимую для эффективного решения актуальных для электроэнергетической отрасли задач проектирования и исследования, особенно связанных с воспроизведением колебаний режимных параметров различной частоты при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях в зависимости от схемно-режимных условий и разработкой средств по их демпфированию, анализ которых с помощью широко распространённых средств моделирования не всегда возможен. Полученные результаты и выводы диссертационной работы могут быть актуальны для предприятий и компаний, которые занимаются вопросами проектирования и эксплуатации ФСЭС в составе ЭЭС.
Методы исследования. Решение задач, поставленных в диссертационной работе, выполнялось с использованием методов теоретического исследования, имитационного моделирования и экспериментального исследования. При проведении теоретических исследований применялись положения теории автоматического управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов. При разработке программно-аппаратных средств моделирования ФСЭС использовались методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, методы математического моделирования ЭЭС. Экспериментальные исследования выполнялись с помощью Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС).
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная концепция детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС и программно-аппаратные средства её реализации в виде СГП позволяют воспроизводить переходные процессы при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях (ОКЗ<3 о.е.), особенно связанные с возникновением колебаний режимных параметров различной частоты и амплитуды, благодаря учету топологии и спектра коммутационных процессов в повышающем преобразователе постоянного тока, сетевом инверторе и их быстродействующих системах управления: блок ФАПЧ и КУТ.
2. В сильной электрической сети (ОКЗ>3 о.е.) основной причиной погрешности в результатах моделирования, полученных с помощью модернизированной обобщенной математической модели ФСЭС, является исключение динамики функционирования цепи постоянного тока, а в слабой электрической сети (ОКЗ<3 о.е.) исключение динамики взаимодействия быстродействующих контуров управления блока ФАПЧ и КУТ, что в случае ультраслабых электрических сетей (ОКЗ<1,75 о.е.) приводит к принципиально отличающемуся характеру переходного процесса по сравнению с детальной моделью СГП ФСЭС.
3. Трансформация по различным возможным причинам электрической сети из сильной (ОКЗ>3 о.е.) в слабую (ОКЗ<3 о.е.) приводит к возникновению незатухающих субсинхронных колебаний режимных параметров ФСЭС различной частоты (от 14 Гц до 56 Гц) в зависимости от полосы пропускания блока ФАПЧ (от 5 Гц до 50 Гц).
4. Использование регулятора с дополнительным субсинхронным демпфирующим управлением в системе автоматического управления сетевого инвертора ФСЭС при их функционировании в слабых электрических сетях (ОКЗ<3 о.е.) позволяет демпфировать субсинхронные колебания режимных параметров ФСЭС различной частоты и амплитуды.
Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.4.3 - Электроэнергетика:
1. Пункт 14 - «Разработка методов расчета и моделирования
установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем и сетей, включая технико-экономическое обоснование технических решений, разработка методов управления режимами их работы».
2. Пункт 16 - «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием:
1. Классических положений и законов теоретической электротехники, математики, теории дифференциального и интегрального исчисления.
2. Теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений.
3. Метода непрерывного неявного методически точного интегрирования дифференциальных уравнений.
4. Теоретически обоснованных и апробированных независимыми исследованиями применяемых математических моделей .
5. Подтверждается соответствием результатов тестовых и экспериментальных исследований.
Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на 16 международных и всероссийских научнотехнических конференциях, симпозиумах и семинарах: Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» 2019 г. (г. Иркутск), 2022 г. (г. Нижний Новгород); V Международной научнопрактической конференции «GEOENERGY-2022» 2022 г. (г. Грозный); Международном научном семинаре им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» 1925.09.2022 г. (г. Алушта), 09-15.07.2023 г. (о. Ольхон); Конференция Филиала АО «СО ЕЭС» ОДУ Сибири по теме: «Планирование и управление электроэнергетическими системами» 07.12.2022 г. (г. Кемерово); International Conference on Technologies and Materials for Renewable Energy, Environment and Sustainability. «European Academy for Sustainable Development Certificate of Participation». TMREES23Fr Int'l Conf. Metz-Grand Est - France 08-10.03.2023 г. (Франция); I Всероссийская конференция «Цифровые технологии и платформенные решения для управления развитием электроэнергетики» 23.03.2023 г. (г. Севастополь); выступление с докладом на совместном заседании секций «Активные системы распределения электроэнергии и распределенные энергетические ресурсы», «Возобновляемая энергетика и гибридные энергетические комплексы» и секции по проблемам НТП в энергетике Научного совета РАН по системным исследованиям в энергетике в рамках «Научно-технического совета Единой энергетической системы НТС ЕЭС» 11.05.2023 г. (г. Москва) и др.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science/Scopus, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство на ЭВМ.
Личный вклад автора. Основные результаты работы, связанные с анализом, выявлением и обоснованием проблемы полноты и достоверности моделирования ФСЭС в составе ЭЭС, направлением её решения, созданием специализированного гибридного процессора (СГП) ФСЭС, позволяющего выполнять всережимное моделирование в реальном времени и на неограниченном интервале ФСЭС в ЭЭС, и экспериментальных средств в целом, а также проведение с их помощью экспериментальных исследований, подтверждающих определяемые концепцией свойства и возможности, получены лично автором диссертационной работы.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались:
1. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 21-79-00275 от 27.07.21 г. «Разработка методов и средств повышения колебательной устойчивости электроэнергетических систем с помощью объектов возобновляемой генерации», сроки выполнения: 27.07.21 - 30.06.23 гг.
2. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 21-79-00129 от 27.07.2021 «Разработка технологии управления силовыми преобразователями генерирующих установок на базе возобновляемых источников энергии для обеспечения всережимной устойчивости современных энергообъединений», сроки выполнения: 27.07.21 - 30.06.23 гг.
3. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 18-79-10006 от 02.08.2018 «Исследование проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией и разработка методики их всережимной верификации», сроки выполнения: 02.08.18 - 31.12.21 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка сокращений и терминов, введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 148 наименований, содержащих 154 страницы, 11 таблиц, 109 рисунков, а также 1 приложение на 2 страницах.
Особенностью ФСЭС является отсутствие прямого сопряжения с сетью и использование для их подключения к ЭЭС сетевого инвертора (СИ), в основном функционирующего на базе статического преобразователя напряжения [10]. В результате внедрение таких ФСЭС с СИ существенно изменяются динамические свойства энергосистем из-за отличающийся динамики функционирования СИ и их систем управления по сравнению с традиционной генерацией: 1) увеличение скорости переходных процессов из- за снижения общей инерции энергосистемы может становиться причиной неправильной работы противоаварийной автоматики; 2) ток короткого замыкания (КЗ) от ФСЭС ограничен СИ, его величина находится в диапазоне от 0 о.е. до 1.5 о.е. [11, 12], что может приводить к существенным просадкам напряжения и значительным колебаниям режимных параметров после снятия КЗ, также изменение величины тока КЗ может приводить к неправильным срабатываниям релейной защиты (РЗ) [10, 12]; 3) несогласованное действие системы автоматического управления (САУ) СИ с системами управления другого оборудования может приводить к нарастающим колебаниям режимных параметров после возмущений [13]; 4) усугубление аварийной ситуации в ЭЭС ввиду несоответствия поведения ФСЭС требованиям их функционирования в аварийных режимах (неправильная настройка FRT характеристик, (Fault Ride Through)); 5) в блоке фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и внутреннем контуре управления током (КУТ), которые являются основными каналами системы управления СИ, используются большие коэффициенты усиления, что может приводить к колебаниям режимных параметров. В итоге обозначенные особенности приводят к существенному влиянию ФСЭС с СИ на все существующие виды устойчивости и даже к возникновению новых, выделяемых зарубежными специалистами (устойчивость, определяемая функционированием силового преобразователя - «converter-driven stability») [14].
Сопутствующие обозначенным особенностям проблемы особенно остро стоят при внедрении данных объектов в региональные энергосистемы и энергорайоны (110 кВ и ниже) с достаточно крупными узлами местной нагрузки [15-18]. Такие энергорайоны могут быть классифицированы как «слабые» электрические сети, в соответствии с международной терминологией [19, 20]. Именно в таких сетях в последнее время по всему миру возникают незатухающие колебания различной частоты, приводящие к
повреждению силового оборудования, нарушению устойчивости [21],
и распространяющиеся на целые энергообъединения [22, 23].
Для решения возникающих проблем, в том числе связанных с колебаниями режимных параметров, при функционировании ФСЭС, необходима информация о едином непрерывном спектре
квазиустановившихся и переходных процессов в ФСЭС и ЭЭС в целом при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы. Известная специфика и сложность ЭЭС исключают возможность получения обозначенной информации, особенно аварийного характера, как натурным путем, так и посредством физического моделирования, поэтому основным способом её получения является детальное моделирование. Одним из вариантов такого моделирования является методологически альтернативный комплексный подход, представляющий из себя гибридное моделирование, позволяющий для каждого аспекта решаемой сложной задачи детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС разрабатывать и применять наиболее эффективные методы, способы и средства, объединение которых обеспечивает успешное решение проблемы в целом [24].
Степень разработанности темы исследования. В развитие отечественной и мировой солнечной энергетики внесли большой вклад российские ученые: Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.А. Баум, В.К. Баранов, B.C. Вавилов, A.M. Васильев, В.М. Евдокимов, А.П. Ландсман, Э.В. Тверьянович и ряд других выдающихся ученых.
Изучением проблемы слабых сетей и вопросов, связанных с внедрением объектов ВИЭ, в том числе ФСЭС, занимаются следующие учёные: П.В. Илюшин, К.В. Суслов, В.В. Елистратов, Е.Н. Соснина, Ф.Л. Бык, Б. В. Лукутин, С. Г. Обухов, А.А. Суворов, Qi Hu, V. Terzija, Lijun Fu, Fan Ma, Ji. Feng, Y. F. Wang, Li Y. Wei, J. Z. Zhou, H. Ding, S. Fan, Y.Zhang и др.
Вопросам моделирования электроэнергетических систем посвящены фундаментальные труды: В.А. Веникова, Н.И. Воропая, П.И. Бартоломея, Ю.Е. Гуревича, А.С. Гусева, В.А. Строева, Prabha S. Kundur, А.А. Горева, П.С.
Жданова, а также исследования, А.В. Паздерина, А.Н. Беляева, А.Г. Русиной, А.Г Фишова., Rajapandian Ayyanar, John Undrill, Vijay Vittal, Qiuhua Huang, Brian Keel, Jose Silva, Pouyan Pourbeik, Wenzong Wang, Deepak Ramasubramanian, Deepa Kundur.
Однако проблема детального моделирования ФСЭС в составе реальных ЭЭС раскрыта не полностью и безусловно является актуальной для отечественной и мировой электроэнергетической науки и практики, учитывая возрастающее количество колебаний различной частоты и тяжёлые последствия к которым они приводят.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка концепции и средств её реализации для всережимного моделирования ФСЭС в составе ЭЭС.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ влияния внедрения ФСЭС в существующие ЭЭС, в том числе в слабые электрические сети, на протекание переходных процессов в ФСЭС и ЭЭС в целом.
2. Анализ основных используемых в настоящее время средств моделирования ФСЭС в составе ЭЭС.
3. Выявление и обоснование факторов, препятствующих решению проблемы детального моделирования ФСЭС в слабых сетях с помощью существующих программных и программно-аппаратных комплексов моделирования ЭЭС.
4. Разработка теоретически и практически обоснованной концепции всережимного моделирования ФСЭС в ЭЭС, а также структуры и принципов построения средств её реализации.
5. Проведение экспериментальных исследований, подтверждающих свойства и возможности разработанной концепции и средств её реализации, необходимые для надежного и эффективного решения задач проектирования, исследования и эксплуатации ФСЭС в ЭЭС.
Предметом исследования являются переходные процессы в ФСЭС, функционирующей в составе ЭЭС.
Объектом исследования является детальная модель ФСЭС,
подключаемая к электрической сети с помощью СИ.
Научная новизна работы:
1. Разработана концепция детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС и программно-аппаратные средства её реализации в виде специализированного гибридного процессора (СГП), в которых предполагается использование физических моделей для повышающего преобразователя постоянного тока и сетевого инвертора, что позволяет воспроизводить динамику цепи постоянного тока и функционирование быстродействующих систем управления ФСЭС: блока ФАПЧ и КУТ.
2. Определено, что модернизация обобщенной математической модели ФСЭС путём добавления только блока ФАПЧ является недостаточной для воспроизведения колебаний режимных параметров различной частоты, возникающих по различным причинам при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях. Необходимым в данном случае также является учёт в обобщенной математической модели ФСЭС всей структуры КУТ, основу которого, как правило, составляют пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы во вращающихся c частотой сети осях d,q.
Теоретическая значимость работы:
1. Разработанный в рамках концепции всережимного моделирования ФСЭС в составе ЭЭС подход по использованию физического моделирования для воспроизведения повышающего преобразователя постоянного тока и сетевого инвертора может быть использован для детального моделирования устройств с аналогичной топологией силовых преобразователей: систем накопления электроэнергии на основе аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и др., в составе ЭЭС.
2. Определены основные причины существования проблемы моделирования ФСЭС в составе ЭЭС с помощью обобщенных математических моделей, особенно в случае их функционирования в слабых электрических сетях, заключающиеся в исключении динамики работы блока ФАПЧ, цепи постоянного тока, первичного источника энергии и упрощенном представлении контура управления активной мощностью, на основании которых сделаны рекомендации по возможным направлениям модернизации таких моделей в зависимости от решаемых задач, схемно-режимных условий и возмущений.
3. Обоснованы факторы, влияющие на возникновение колебательных процессов в ЭЭС с ФСЭС, среди которых основными являются отношение короткого замыкания в точке подключения ФСЭС к ЭЭС, в случае уменьшения которого вероятность колебаний режимных параметров возрастает, вторым является полоса пропускания блока фазовой автоподстройки частоты.
Практическая значимость работы. Разработанные средства детального моделирования ФСЭС (патент РФ RU 2785362 C1) позволяют получать информацию о режимах и процессах в ФСЭС, функционирующих в составе ЭЭС, при нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их работы, необходимую для эффективного решения актуальных для электроэнергетической отрасли задач проектирования и исследования, особенно связанных с воспроизведением колебаний режимных параметров различной частоты при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях в зависимости от схемно-режимных условий и разработкой средств по их демпфированию, анализ которых с помощью широко распространённых средств моделирования не всегда возможен. Полученные результаты и выводы диссертационной работы могут быть актуальны для предприятий и компаний, которые занимаются вопросами проектирования и эксплуатации ФСЭС в составе ЭЭС.
Методы исследования. Решение задач, поставленных в диссертационной работе, выполнялось с использованием методов теоретического исследования, имитационного моделирования и экспериментального исследования. При проведении теоретических исследований применялись положения теории автоматического управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов. При разработке программно-аппаратных средств моделирования ФСЭС использовались методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, методы математического моделирования ЭЭС. Экспериментальные исследования выполнялись с помощью Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС).
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная концепция детального моделирования ФСЭС в составе ЭЭС и программно-аппаратные средства её реализации в виде СГП позволяют воспроизводить переходные процессы при функционировании ФСЭС в слабых электрических сетях (ОКЗ<3 о.е.), особенно связанные с возникновением колебаний режимных параметров различной частоты и амплитуды, благодаря учету топологии и спектра коммутационных процессов в повышающем преобразователе постоянного тока, сетевом инверторе и их быстродействующих системах управления: блок ФАПЧ и КУТ.
2. В сильной электрической сети (ОКЗ>3 о.е.) основной причиной погрешности в результатах моделирования, полученных с помощью модернизированной обобщенной математической модели ФСЭС, является исключение динамики функционирования цепи постоянного тока, а в слабой электрической сети (ОКЗ<3 о.е.) исключение динамики взаимодействия быстродействующих контуров управления блока ФАПЧ и КУТ, что в случае ультраслабых электрических сетей (ОКЗ<1,75 о.е.) приводит к принципиально отличающемуся характеру переходного процесса по сравнению с детальной моделью СГП ФСЭС.
3. Трансформация по различным возможным причинам электрической сети из сильной (ОКЗ>3 о.е.) в слабую (ОКЗ<3 о.е.) приводит к возникновению незатухающих субсинхронных колебаний режимных параметров ФСЭС различной частоты (от 14 Гц до 56 Гц) в зависимости от полосы пропускания блока ФАПЧ (от 5 Гц до 50 Гц).
4. Использование регулятора с дополнительным субсинхронным демпфирующим управлением в системе автоматического управления сетевого инвертора ФСЭС при их функционировании в слабых электрических сетях (ОКЗ<3 о.е.) позволяет демпфировать субсинхронные колебания режимных параметров ФСЭС различной частоты и амплитуды.
Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.4.3 - Электроэнергетика:
1. Пункт 14 - «Разработка методов расчета и моделирования
установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем и сетей, включая технико-экономическое обоснование технических решений, разработка методов управления режимами их работы».
2. Пункт 16 - «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием:
1. Классических положений и законов теоретической электротехники, математики, теории дифференциального и интегрального исчисления.
2. Теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений.
3. Метода непрерывного неявного методически точного интегрирования дифференциальных уравнений.
4. Теоретически обоснованных и апробированных независимыми исследованиями применяемых математических моделей .
5. Подтверждается соответствием результатов тестовых и экспериментальных исследований.
Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на 16 международных и всероссийских научнотехнических конференциях, симпозиумах и семинарах: Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» 2019 г. (г. Иркутск), 2022 г. (г. Нижний Новгород); V Международной научнопрактической конференции «GEOENERGY-2022» 2022 г. (г. Грозный); Международном научном семинаре им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» 1925.09.2022 г. (г. Алушта), 09-15.07.2023 г. (о. Ольхон); Конференция Филиала АО «СО ЕЭС» ОДУ Сибири по теме: «Планирование и управление электроэнергетическими системами» 07.12.2022 г. (г. Кемерово); International Conference on Technologies and Materials for Renewable Energy, Environment and Sustainability. «European Academy for Sustainable Development Certificate of Participation». TMREES23Fr Int'l Conf. Metz-Grand Est - France 08-10.03.2023 г. (Франция); I Всероссийская конференция «Цифровые технологии и платформенные решения для управления развитием электроэнергетики» 23.03.2023 г. (г. Севастополь); выступление с докладом на совместном заседании секций «Активные системы распределения электроэнергии и распределенные энергетические ресурсы», «Возобновляемая энергетика и гибридные энергетические комплексы» и секции по проблемам НТП в энергетике Научного совета РАН по системным исследованиям в энергетике в рамках «Научно-технического совета Единой энергетической системы НТС ЕЭС» 11.05.2023 г. (г. Москва) и др.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science/Scopus, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство на ЭВМ.
Личный вклад автора. Основные результаты работы, связанные с анализом, выявлением и обоснованием проблемы полноты и достоверности моделирования ФСЭС в составе ЭЭС, направлением её решения, созданием специализированного гибридного процессора (СГП) ФСЭС, позволяющего выполнять всережимное моделирование в реальном времени и на неограниченном интервале ФСЭС в ЭЭС, и экспериментальных средств в целом, а также проведение с их помощью экспериментальных исследований, подтверждающих определяемые концепцией свойства и возможности, получены лично автором диссертационной работы.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались:
1. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 21-79-00275 от 27.07.21 г. «Разработка методов и средств повышения колебательной устойчивости электроэнергетических систем с помощью объектов возобновляемой генерации», сроки выполнения: 27.07.21 - 30.06.23 гг.
2. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 21-79-00129 от 27.07.2021 «Разработка технологии управления силовыми преобразователями генерирующих установок на базе возобновляемых источников энергии для обеспечения всережимной устойчивости современных энергообъединений», сроки выполнения: 27.07.21 - 30.06.23 гг.
3. В рамках гранта Российского научного фонда, Договор № 18-79-10006 от 02.08.2018 «Исследование проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией и разработка методики их всережимной верификации», сроки выполнения: 02.08.18 - 31.12.21 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка сокращений и терминов, введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 148 наименований, содержащих 154 страницы, 11 таблиц, 109 рисунков, а также 1 приложение на 2 страницах.
Основные результаты диссертационной работы заключается в следующем:
1. Представлен анализ особенностей ФСЭС, которые заключаются в отсутствие прямого сопряжения с сетью и использования для подключения к электрической сети СИ. В результате внедрения таких ФСЭС существенно изменяются динамические свойства ЭЭС из-за отличающийся динамики функционирования СИ и его системы управления, что может приводить к проблемам, связанным с возникновением колебаний различной частоты и амплитуды. Отмечено, что особенно часто возникают обозначенные проблемы при внедрении ФСЭС в ЭЭС со слабыми электрическими сетями. Плотность такой сети оценивается с помощью коэффициента ОКЗ. Также отмечено, что основным способом анализа возникающих проблем, связанных с внедрением ФСЭС в ЭЭС, является математическое моделирование.
2. Рассмотрены используемые виды обобщенных моделей ФСЭС и их модификации. Выделены особенности модернизированных моделей: а) ФСЭС представляется в виде источника напряжения вместо источника тока; б) для синхронизации с сетью добавлен контур ФАПЧ; в) КУТ аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени от 10 до 20 мс; г) ЦПТ и её система САУ не воспроизводятся; д) динамика первичного источника энергии не воспроизводится.
3. Рассмотрены подходы к моделированию ЭЭС с ФСЭС с помощью ПВК и ПАК. Отмечается, что при моделировании современных ЭЭС временная шкала работы СИ и их систем управления, определяющих в целом переходный процесс для ФСЭС, находится в диапазоне от нескольких микросекунд и охватывает высокочастотные процессы, которые при традиционном численном подходе к моделированию не воспроизводятся. Поэтому более предпочтительными для моделирования ЭЭС с ФСЭС являются средства расчета электромагнитных переходных процессов. Отдельно представлены особенности, возникающие при использовании цифровых ПВК и ПАК для моделирования ЭЭС с СИ.
4. Предложено использовать гибридный подход к моделированию, который заключается в комплексном применении сразу нескольких методов моделирования: аналогового, цифрового и физического, ввиду присущих особенностей только цифровому математическому моделированию при анализе и исследовании процессов в больших ЭЭС с ФСЭС. Реализацией данного подхода является уникальное, отечественное средство моделирование - ВМК РВ ЭЭС. В рамках гибридного подхода, а также на основе анализа специфики функционирования ФСЭС в ЭЭС сформулированы конкретные положения концепции её всережимного моделирования в реальном времени.
5. Создан СГП ФСЭС, предназначенный для детального моделирования ФСЭС в ЭЭС, который состоит из: а) ПАЦП, обеспечивающего всё информационное управление СГП ФСЭС; б) ФэМ, которая воспроизводится с помощью сопроцессора на цифровом уровне; в) ФМ СИ, ПППТ и ПИК воспроизведение которых на физическом уровне обеспечивается с помощью ЦУАК; г) ПК, который осуществляет управление ЦУАК физических моделей; д) модели реактора, цепи постоянного тока, фильтра высших гармоник, трансформатора, которые реализуются на аналоговом уровне; е) ЦП, который осуществляет информационно-управляющее взаимодействие по локальной компьютерной сети между сервером ВМК РВ ЭЭС и периферийными процессорами МПУ.
6. Выполнено сравнение результатов моделирования, получаемых с помощью СГП ФСЭС на примере двухмашинной схемы, с аналогичными результатами, полученными с помощью ПАК RTDS. Также выполнено сравнение с натурными данными из открытых источников. Во всех экспериментах продемонстрировано совпадение результатов, что доказывает корректность функционирования разработанного СГП ФСЭС.
7. Для подтверждения свойств и возможностей СГП ФСЭС в составе ВМК РВ ЭЭС проведен комплекс испытаний в модели энергосистемы, разработанной на основе топологии реальной ЭЭС. Сформулированы и выполнены два направления исследований: а) верификация модернизированной обобщенной модели ФСЭС; б) оценка возможности воспроизведения колебаний режимных параметров при функционировании ФСЭС в слабых сетях с помощью СГП ФСЭС.
8. В рамках первого направления доказано, что модернизированная обобщенная модель ФСЭС: а) с высокой достоверностью воспроизводит различные малые возмущения для любой конфигурации сети; б) демонстрирует удовлетворительный отклик при любом КЗ в случае сильной сети, в слабой сети формируется существенно большая погрешность; в) при близком КЗ демонстрирует погрешность преимущественно связанную с исключением динамики ЦПТ; г) не позволяет воспроизвести неустойчивость, обусловленную функционированием СИ в слабой сети, из-за упрощенной динамики функционирования САУ СИ. Таким образом доказана возможность использования разработанного СГП ФСЭС для верификации обобщённых математических моделей ФСЭС в составе ЭЭС.
9. В рамках второго направления экспериментально доказано, что с помощью разработанного СГП ФСЭС могут быть воспроизведены субсинхронные колебания режимных параметров различной частоты и амплитуды при изменении основных, влияющих на них факторов: настройка блока ФАПЧ и изменение плотности сети. Также возможна модернизация САУ СИ в СГП ФСЭС путём интеграции различных РДК, что позволяет разрабатывать мероприятия по эффективному демпфированию такого рода колебаний.
1. Представлен анализ особенностей ФСЭС, которые заключаются в отсутствие прямого сопряжения с сетью и использования для подключения к электрической сети СИ. В результате внедрения таких ФСЭС существенно изменяются динамические свойства ЭЭС из-за отличающийся динамики функционирования СИ и его системы управления, что может приводить к проблемам, связанным с возникновением колебаний различной частоты и амплитуды. Отмечено, что особенно часто возникают обозначенные проблемы при внедрении ФСЭС в ЭЭС со слабыми электрическими сетями. Плотность такой сети оценивается с помощью коэффициента ОКЗ. Также отмечено, что основным способом анализа возникающих проблем, связанных с внедрением ФСЭС в ЭЭС, является математическое моделирование.
2. Рассмотрены используемые виды обобщенных моделей ФСЭС и их модификации. Выделены особенности модернизированных моделей: а) ФСЭС представляется в виде источника напряжения вместо источника тока; б) для синхронизации с сетью добавлен контур ФАПЧ; в) КУТ аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени от 10 до 20 мс; г) ЦПТ и её система САУ не воспроизводятся; д) динамика первичного источника энергии не воспроизводится.
3. Рассмотрены подходы к моделированию ЭЭС с ФСЭС с помощью ПВК и ПАК. Отмечается, что при моделировании современных ЭЭС временная шкала работы СИ и их систем управления, определяющих в целом переходный процесс для ФСЭС, находится в диапазоне от нескольких микросекунд и охватывает высокочастотные процессы, которые при традиционном численном подходе к моделированию не воспроизводятся. Поэтому более предпочтительными для моделирования ЭЭС с ФСЭС являются средства расчета электромагнитных переходных процессов. Отдельно представлены особенности, возникающие при использовании цифровых ПВК и ПАК для моделирования ЭЭС с СИ.
4. Предложено использовать гибридный подход к моделированию, который заключается в комплексном применении сразу нескольких методов моделирования: аналогового, цифрового и физического, ввиду присущих особенностей только цифровому математическому моделированию при анализе и исследовании процессов в больших ЭЭС с ФСЭС. Реализацией данного подхода является уникальное, отечественное средство моделирование - ВМК РВ ЭЭС. В рамках гибридного подхода, а также на основе анализа специфики функционирования ФСЭС в ЭЭС сформулированы конкретные положения концепции её всережимного моделирования в реальном времени.
5. Создан СГП ФСЭС, предназначенный для детального моделирования ФСЭС в ЭЭС, который состоит из: а) ПАЦП, обеспечивающего всё информационное управление СГП ФСЭС; б) ФэМ, которая воспроизводится с помощью сопроцессора на цифровом уровне; в) ФМ СИ, ПППТ и ПИК воспроизведение которых на физическом уровне обеспечивается с помощью ЦУАК; г) ПК, который осуществляет управление ЦУАК физических моделей; д) модели реактора, цепи постоянного тока, фильтра высших гармоник, трансформатора, которые реализуются на аналоговом уровне; е) ЦП, который осуществляет информационно-управляющее взаимодействие по локальной компьютерной сети между сервером ВМК РВ ЭЭС и периферийными процессорами МПУ.
6. Выполнено сравнение результатов моделирования, получаемых с помощью СГП ФСЭС на примере двухмашинной схемы, с аналогичными результатами, полученными с помощью ПАК RTDS. Также выполнено сравнение с натурными данными из открытых источников. Во всех экспериментах продемонстрировано совпадение результатов, что доказывает корректность функционирования разработанного СГП ФСЭС.
7. Для подтверждения свойств и возможностей СГП ФСЭС в составе ВМК РВ ЭЭС проведен комплекс испытаний в модели энергосистемы, разработанной на основе топологии реальной ЭЭС. Сформулированы и выполнены два направления исследований: а) верификация модернизированной обобщенной модели ФСЭС; б) оценка возможности воспроизведения колебаний режимных параметров при функционировании ФСЭС в слабых сетях с помощью СГП ФСЭС.
8. В рамках первого направления доказано, что модернизированная обобщенная модель ФСЭС: а) с высокой достоверностью воспроизводит различные малые возмущения для любой конфигурации сети; б) демонстрирует удовлетворительный отклик при любом КЗ в случае сильной сети, в слабой сети формируется существенно большая погрешность; в) при близком КЗ демонстрирует погрешность преимущественно связанную с исключением динамики ЦПТ; г) не позволяет воспроизвести неустойчивость, обусловленную функционированием СИ в слабой сети, из-за упрощенной динамики функционирования САУ СИ. Таким образом доказана возможность использования разработанного СГП ФСЭС для верификации обобщённых математических моделей ФСЭС в составе ЭЭС.
9. В рамках второго направления экспериментально доказано, что с помощью разработанного СГП ФСЭС могут быть воспроизведены субсинхронные колебания режимных параметров различной частоты и амплитуды при изменении основных, влияющих на них факторов: настройка блока ФАПЧ и изменение плотности сети. Также возможна модернизация САУ СИ в СГП ФСЭС путём интеграции различных РДК, что позволяет разрабатывать мероприятия по эффективному демпфированию такого рода колебаний.
