TRANSIENT PROCESSES IN THE MICROGRID BASED ON A GROUP OF AUTONOMOUS OPERATING SYNCHRONOUS GENERATORS

Full Text

Для современного этапа развития электроэнергетики характерным является интенсивный процесс создания и развития микросетей. Этот процесс обусловлен тем, что микросети имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими способами генерирования, передачи и распределения энергии. В микросети выработанная энергия в основном используется местными потребителями, что обеспечивает снижение потерь, связанных с передачей и распределением энергии по электрическим сетям. Надежность снабжения электроэнергией в рамках микросети обеспечить существенно легче, чем в крупных энергетических системах. Потребители энергии в микросети могут участвовать в процессе балансирования мощности путем регулирования своих нагрузок, генерируя, накопляя и отдавая электроэнергию в микросеть [1, 2]. Микросети могут быть построены на базе широко распространенных источников энергии, таких как дизель-генераторы, газотурбинные генераторы и т. п. В настоящее время перспективы создания микросетей рассматривают также в связи с возможностью интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая [3]. Существуют различные варианты микросетей. Они могут работать автономно или быть соединены с электросетью энергосистемы. Объединение И. И. Артюхов, С. Ф. Степанов, А. И. Земцов, Г. Н. Тулепова 125 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 отдельных локальных сетей в микросеть может осуществляться как по шинам переменного, так и постоянного тока. При этом микросети постоянного напряжения имеют ряд преимуществ. На рис. 1 показана схема микросети, которая образована путем объединения по шине постоянного тока N автономно функционирующих модулей [4]. Источником энергии в каждом модуле является синхронный генератор СГ с приводным двигателем ПД. Вал генератора k-го модуля вращается с частотой nk, напряжение и частота имеют значения Uk, fk. С помощью выпрямителя AC/DC, регулятора DC/DC и сглаживающего LC-фильтра осуществляется преобразование электрической энергии переменного тока на выходе СГ в электрическую энергию постоянного тока с требуемыми параметрами. В составе модулей имеются электроприемники как постоянного, так и переменного тока промышленной частоты. Последние получают энергию от шины постоянного тока через инвертор DC/AC, который оснащается синус-фильтром для обеспечения требуемой формы напряжения. К шине постоянного тока могут быть подключены также внешние электроприемники. Микросеть на рис. 1 характеризуется сложной динамикой. При изменении режима работы СГ, параметров нагрузки и структуры микросети возникают переходные процессы, исследование которых может быть проведено с помощью современных программных продуктов, таких как MATLAB с пакетом расширения Simulinlk [5]. Схема имитационной модели для исследования переходных процессов в микросети с двумя модулями показана на рис. 2. Силовая часть микросистемы представлена блоками Subsystem (рис. 3), каждый из которых моделирует СГ с преобразователями AC/ DC и DC/DC в виде двухполюсника, имеющего ЭДС Рис. 1. Схема микросети на основе группы синхронных генераторов +Ud Id1 Id2 E1 E2 Ud Continuous v + - Voltage U 1 T.s+1 Transfer Fcn2 1 T.s+1 Transfer Fcn1 Sum_3 Sum_1 In1 In2 Out1 Out2 Subsystem_2 In1 In2 Out1 Out2 Subsystem_1 Saturation_2 Saturation_1 Ref_Ud1 Ref_Id2 + RH,CH PID(s) PID Controller_2 PID(s) PID Controller_1 node +DC bus Id Ground V2 Constant_2 V1 Constant_1 Рис. 2. Схема имитационной модели Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 126 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Edk и внутреннее сопротивление Rsk. Правомерность такого подхода обоснована в [6-8] и других работах. Кроме того, принято допущение о представлении преобразователя DC/DC апериодическим звеном первого порядка в предположении о том, что управление силовым ключом преобразователя осуществляется с достаточно высокой частотой [9]. Основу блока Subsystem составляет управляемый источник напряжения (блок Controlled Voltage Source), который включен последовательно с резистором RS и диодом (Diode), обеспечивающим однонаправленный характер выходного тока модуля. Резистор RS моделирует внутреннее сопротивление источника энергии, которое при углах коммутации, не превышающих /3, рассчитывается по формуле (1) где L0k, R0k - соответственно индуктивное и активное сопротивление на входе выпрямителя. Величина напряжения блока Controlled Voltage Source задается сигналом, который формируется путем перемножения сигналов на информационных входах блока Subsystem. На один вход через блок Transfer Fcn поступает управляющий сигнал от регулятора (блок PID Controller), на другой - константа, численно равная напряжению на выходе преобразователя AC/ DC в режиме холостого хода. В результате на выходе блока Controlled Voltage Source формируется напряжение, соответствующее ЭДС двухполюсника: (2) где CE - постоянная для каждой электрической машины величина; Фк - основной магнитный поток; nk - частота вращения вала СГ; - коэффициент заполнения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) преобразователя DC/DC. К блоку Controlled Voltage Source через сглаживающий дроссель, имеющий индуктивность LD и активное сопротивление RD, подключена нагрузка модуля в виде параллельно соединенных резистора R и конденсатора C. Силовые выходы блоков Subsystem подключены к контактам +DC bus и Ground, образующим шину постоянного тока. К этим контактам присоединена также внешняя нагрузка микросистемы, которая моделируется параллельно соединенными резистором RH и конденсатором CH. Первый модуль является ведущим и работает в режиме стабилизации напряжения на шине постоянного тока. Для этого сигнал с измерителя напряжения (блок Voltage) подается на инверсный вход элемента сравнения, на прямой вход которого поступает сигнал от задатчика напряжения (блок Ref_UD1). Разница сигналов отрабатывается регулятором (блок PID Controller) до тех пор, пока напряжение на шине постоянного тока не достигнет заданного значения. Второй модуль (ведомый) спустя некоторое время после включения первого модуля должен входить в режим стабилизации выходного тока. Для этого образован контур обратной связи с задатчиком в виде блока Ref_ID2. На рис. 4 показаны результаты моделирования микросети со следующими параметрами: - внутреннее сопротивление источников - 0,1 Ом; - эквивалентное сопротивление нагрузки - 3 Ом; - суммарная емкость конденсаторов - 6600 мкФ; - индуктивности и активные сопротивления сглаживающих дросселей - 1 мГн и 0,01 Ом соответственно. Постоянные времени блоков Transfer Fcn составляли 0,1 с. Настройки регуляторов показаны в таблице. Наименование регуля тора Коэффициенты регуляторов пропорц. KP интегр. KI дифф. KD PID Controller_1 0,002 0,014 0 PID Controller_2 0 0,05 0 Сценарий развития событий предполагался следующий. Приводные двигатели СГ вращают их валы с такой скоростью, что напряжения на выходах выпрямителей равны 500 В. Вначале запускается первый модуль и выходит в режим стабилизации напряжения на шине постоянного тока на уровне 300 В. Через 2 секунды запускается второй модуль и должен выйти в режим стабилизации тока на уровне 40 А. Из графиков на рис. 4 видно, что первая стадия переходного процесса развивается успешно. Коэффициенты регулятора первого модуля подобраны так, что напряжение на шине постоянного тока выходит на заданный уровень без перерегулирования. Однако после того как поступает команда на запуск второго модуля и через некоторое время ЭДС Ed2 этого модуля сравнивается с ЭДС Ed1 первого модуля, возникают автоколебания, сопровождающиеся поочередным включением и отключением модулей. Для устранения этого явления предложено уменьшать коэффициент передачи второго регулятора в тех режимах, когда разность ЭДС модулей становится меньше заданной величины. Схема имитационной модели микросети с корректором коэффициента передачи в контуре стабилизации тока показана на рис. 5. В схему модели введены блоки Summator_3, Divide, Math Fuction, Gain_3, которые реализуют функцию (3) где K3 - коэффициент, задаваемый в настройках блока Gain_3. Параметр A, который управляет коэффициентом передачи в контуре стабилизации тока, с помощью блока Saturation_3 ограничивается диапазоном Amin ... 1. И. И. Артюхов, С. Ф. Степанов, А. И. Земцов, Г. Н. Тулепова 127 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 120 Время, с Выходные токи модулей, А Ток Id1 Ток Id2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 50 100 150 200 250 300 350 Время, с ЭДС и напряжение, В ЭДС Еd1 Напряжение Ud ЭДС Еd2 Ed Id 2 Out2 1 Out1 Terminator + RS + R,C Product node +DC bus + LD,RD Ground m a k Diode i + - Current s - + Controlled Voltage Source 2 In2 1 In1 Рис. 3. Схема субсистемы Рис. 4. Результаты моделирования переходных процессов в микросети (неустойчивый режим) +Ud Id1 Ed1 Ed2 Id1 Ud Continuous v + - Voltage U Transport Delay 1 T.s+1 Transfer Fcn2 1 T.s+1 Transfer Fcn1 Sum_3 Sum_2 Sum_1 In1 In2 Out1 Out2 Subsystem_2 In1 In2 Out1 Out2 Subsystem_1 Saturation_3 Saturation_2 Saturation_1 Ref_Ud1 Ref_Id2 + RH,CH Product PID(s) PID Controller_2 PID(s) PID Controller_1 node +DC bus |u|2 Math Function K Id Ground K3 Gain_3 Divide V2 Constant_2 V1 Constant_1 Рис. 5. Схема модели с корректором коэффициента передачи в контуре стабилизации тока Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 128 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 0 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 120 Время, с Выходные токи модулей, А Ток Id1 Ток Id2 0 1 2 3 4 5 6 7 50 100 150 200 250 300 350 Время, с ЭДС и напряжение, В ЭДС Еd1 Напряжение Ud ЭДС Еd2 0 1 2 3 4 5 6 7 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Время, с Корректирующий параметр, о.е. Рис. 6. Результаты моделирования переходных процессов в микросети с корректором коэффициента передачи Результаты моделирования переходных процессов в микросети при коррекции коэффициента передачи в контуре стабилизации тока представлены на рис. 6. Минимальное значение параметра Amin  0,05; коэффициент K3  20. При таком значении K3 параметр A остается равным 1 до тех пор, пока модуль относительной разницы ЭДС не станет меньше 0,22. Из графиков на рис. 6 видно, что после 3-й секунды переходного процесса за счет уменьшения параметра A скорость изменения ЭДС Ed2 уменьшается, что приводит к устойчивости системы. Происходит заданное перераспределение нагрузки модулей: ток 1-го модуля снижается до 60 А, а ток 2-го модуля возрастает до 40 А. Выводы. 1. В настоящее время происходит интенсивный процесс создания и развития микросетей, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими способами генерирования, передачи и распределения энергии. При этом современный уровень развития силовой электроники позволяет создавать микросети на основе генераторов, приводные валы которых вращаются с различными скоростями. 2. Микросеть на основе группы автономно работающих СГ характеризуется сложной динамикой. При изменении режима работы СГ, параметров нагрузки и структуры микросети возникают переходные процессы, для исследования которых необходимо применять современные программные продукты. 3. Исследование динамических режимов в микросети из двух модулей с автономно работающими СГ, проведенное с помощью программного комплекса MATLAB с пакетом расширения Simulinlk, показало возможность возникновения автоколебаний, которые сопровождаются поочередным включением и отключением модулей. 4. Предложено и подтверждено численными экспериментами на имитационной модели микросети, что для обеспечения устойчивой работы системы необходимо осуществлять оперативную коррекцию параметров автоматического регулятора модуля, работающего в режиме стабилизации тока.

About the authors

Ivan I. ARTYUKHOV

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergey F. STEPANOV

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Artem I. ZEMTSOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Gulsim N. TULEPOVA

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files