УДК 621 ГИБРИДНЫЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Акад. НАН Азербайджана, докт. техн. наук, проф. ГАШИМОВ А. М.1), докт. техн. наук, проф. РАХМАНОВ Н. Р., канд. техн. наук АХМЕДОВА С. Т. 1)Институт физики НАН Азербайджана, 2)Азербайджанский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт энергетики За последние 10–15 лет совершенствование технологии альтернатив- ной энергетики (и в особенности повышение эффективности солнечных PV-преобразователей (solar PV modules) и ветроэнергоустановок) способ- ствовало развитию распределительных электрических сетей и созданию систем распределенной генерации (РГ) со смешанным составом – традицион- ные и возобновляемые источники [1, 2]. Важной особенностью гибридных систем РГ является существенное отличие характеристик и режимов ее источ- ников от характеристик традиционных источников энергосистемы. Это отли- чие состоит в том, что такие возобновляемые источники, как ветроагрегаты и солнечные PV-установки из-за неопределенности и прерывистости харак- теристик скорости ветра, уровня солнечной радиации, окружающей темпе- ратуры имеют случайный, неопределенный характер выработки мощности. В связи с этим при росте мощности возобновляемых источников возникает необходимость проведения комплекса исследований, связанных с оценкой их влияния на систему в установившихся и переходных режимах. Эти исследования дали основание считать системы РГ активными [3]. Вместе с тем для каждой энергосистемы в зависимости от структуры гене- рирующей мощности, наличия межсистемных связей, возможностей уст- ройств регулирования режима (частоты, мощности, напряжения) требуется проведение более глубоких исследований процессов, возникающих от на- личия в системе РГ с возобновляемыми источниками. Типовая схема и модель гибридной системы DG с возобновляемы- ми источниками. Однолинейная схема гибридной (типичной) системы РГ в составе традиционного источника (дизель-генератора) и возобновляемых источников (ветростанции и солнечной PV-системы) показана на рис. 1. RL XL CB CB CB CB XT RT XT RT XL RL РГ2 Нагрузка CB RT XT RT XT Rf РГ1 Cf Xf Солнечная PV-батарея DC/AC- преобра- зователь Ветростанция с машинами двойного питания Нагрузка 1 XL RL Энергосистема Тр-2 Тр-1 Нагрузка 2 Модульная дизельная станция Тр-3 Тр-4 21 Рис. 1. Схема гибридной системы DG с возобновляемыми источниками В схеме PV-система подсоединена к общей точке подключения (РСС) через инвертор DC/AC. Агрегаты ветростанции, представляющие собой ветротурбину с асинхронными генераторами двойного питания, также свя- заны с РСС. Агрегаты PV и WTG могут работать на максимум графика мощности или в режимах вне максимума. Величины изменения скорости ветра и солнечной радиации используются в модулях WTG и PV с целью моделирования выработки мощности этими источниками в системе РГ. Для расчета и анализа режима в гибридной системе распределенной ге- нерации с возобновляемыми источниками (РГВИ) и оценки ее влияния на переходные процессы в электрической сети энергосистемы составлены динамические модели синхронного дизель-генератора, а также для вет- роагрегата с асинхронным генератором двойного питания и солнечных PV-комплектов. Имитация режимов в системе РГВИ с моделями указанных источников выполнена в формате программы ЕТАР-6 [4]. Моделирование PV-источников. Эквивалентная схема PV-панели с подключенной нагрузкой показана на рис. 2. Параметры PV-панели при- ведены в табл. 1. Рис. 2. Эквивалентная схема PV-панели с подключенной нагрузкой Таблица 1 Параметры PV-панели Обозначение Описание Значение VOC Номинальное напряжение открытой цепи 403 В IPV Ток PV-панели ISat Модуль обратного тока насыщения q Заряд электрона 1,602 ⋅ 10–19 Кл A Коэффициент идеальности 1,50 Iph IPV R3 Rp D VPV – Нагрузка + 22 K Постоянная Больцмана 1,38 ⋅ 10–23 Дж/K RS Последовательное сопротивление PV-ячейки RP Параллельное сопротивление PV-ячейки ISSO Ток короткого замыкания (КЗ) 3,27 А Ki Температурный коэффициент при токе КЗ 1,7 е–3 Tr Номинальная температура 301,18 K Irr Обратный ток насыщения при Tr 2,0793 е–6 А Egap Энергия пробоя силикона 1,1 eV пР Число параллельных ячеек 40 nS Число последовательных ячеек 900 S Уровень солнечной радиации 0~1000 Вт/м2 T Температура на поверхности PV 350 K Выдаваемый ток с PV-панели определяется из следующих уравне- ний [5, 6]: exp 1 ;PVPV P Ph P Sat PV S S VqI n I n I I R AkT n     = − + −           (1) ( )( ) ; 1000Ph SSO i r SI I k T T= + − (2) 3 1 1exp .gapSat rr r r qETI I T kA T T       = −            (3) Моделирование ветроагрегата. Выходная мощность ветротурбины Рт определяется как ( ) 30,5 , ,m P mP AC v= ρ λ β (4) где ρ – плотность воздуха; Ар – ометаемая ротором поверхность; vт – ско- рость ветра; ( ),PC λ β – коэффициент мощности, который является функ- цией λ (относительной скорости) и β (угла разворота лопастей (угол тан- дажа)) ротора. Уравнения динамики напряжений и токов асинхронной машины в син- хронно вращающихся координатах d–q описываются в следующем виде: 1 1 2 2 0 0 0 0 0 0 ; 0 0 0 0 0 0 dS dS dS qS qS qS qS dS rdr dr dr qr rqr qr qr dr U iR U iR p RU i RU i λ −ω λ       −           λ ω λ−        = + +         λ −ω λ          λ       ω λ         (5) 23 0 0 0 0 . 0 0 0 0 S mdS dS qS qSS m dr m r dr qr qrm r L L i iL L L L i iL L −λ          λ −    =     λ −      λ     −     (6) Уравнение движения ротора ветроагрегата с двойным питанием запи- шется в виде ,r m em P dJ T T n dt ω = − (7) ( ).em P m qS dr dS qrT n L i i i i= − (8) Здесь ,dS qSU U и ,dS qSi i – напряжение и ток статора в осях d и q соот- ветственно; ,dr qrU U и ,dr qri i – напряжение и ток ротора в осях d и q; ,S rL L – индуктивность статора и ротора; mL – взаимная индуктивность; ,dS qSλ λ и ,dr qrλ λ – потокосцепление статора и ротора по d и q; 1 2,ω ω – синхронная угловая скорость и скорость скольжения соответственно: 2 1 ;rω = ω −ω , emmT T – механический и электромагнитный моменты. Номинальные значения параметров ветростанции с двойным питанием приведены в табл. 2. Таблица 2 Параметры ветроагрегата с двойным питанием Обозначение Описание Значение Рном Номинальная мощность 2000 кВт Uном Номинальное напряжение 690 В RS Сопротивление статора 0,007 о. е. LS Индуктивность статора 0,171 о. е. Rr Сопротивление ротора 0,005 о. е. Lr Индуктивность ротора 0,156 о. е. Lm Взаимная индуктивность 2,9 о. е. J Инерция ротора 5,04 np Число полюсов 6 UDCном Номинальное напряжение сети DC AC-DC-AC-преобразователя 800 В Рт Номинальная механическая мощность 1800 кВт Если синхронно вращающиеся оси d–q ориентировать на вектор напря- жения статора в соответствии с [7], можно получить следующие урав- нения: 24 ; ;m mdS em P S dr S S L Li i T n i L L = − = λ (9) 2 ;s r m S r L L L L L − σ = (10) ( )( )1 ;drdr r dr r r m qS r qrdiU R i L L i L idt= + σ − ω −ω + ( )( )1 .qrqr r qr r r m dS r dr di U R i L L i L i dt = + σ − ω −ω + (11) Моделирование генератора дизель-агрегата. На практике для иссле- дования динамических режимов дизель-генератора широко используется модель Park [8], которая представлена в виде следующих уравнений: • для цепи статора: ;d d S d q qU e r i x i′ ′′= − + (12) ;q q S q d dU e r i x i′′ ′′= − + (13) • для цепи ротора: ( ) ;q f d d d q do de e x x i e dt T ′ ′ ′+ − − = ′ (14) ( ) ;d q q qd do e x x ide dt T ′ ′− + −′ = ′ (15) ( ) ( ) ;q q d d dq do e e x x ide dt T ′ ′′ ′ ′′− + −′′ = ′′ (16) ( ) ( ) .d d q q qd do e e x x ide dt T ′ ′′ ′ ′′− + −′′ = ′′ (17) Уравнение моментов – это уравнение движения ротора ,rj dis g dT M M dt ω = − (18) где Mg – электромагнитный момент генератора ( ) .g d d q q d d d qM e i e i x x i i′′ ′′ ′ ′′= + − − (19) Параметры генератора дизель-агрегата приведены в табл. 3. Таблица 3 Параметры генератора дизель-агрегата 25 Обозначение Описание Значение Рном Номинальная мощность 16,62 МВт Uном Номинальное напряжение 10,5 кВ rS Сопротивление статора 0,053 Oм Tj Инерция ротора 1,4 nр Число полюсов 8 n Угловая скорость 750 об/мин Моделирование системы РГВИ в установившихся режимах. Моде- лирование установившегося режима рассматривается на примере схемы РГВИ действующей в системе «Азерэнержи» (рис. 3). Расчеты режимов выполнены для различных вариантов выработки мощности на ветростан- ции и модульной дизельной станции. В табл. 4 приводятся результаты рас- четов для режимов покрытия мощности нагрузки, присоединенной к ши- нам ветростанции на 25 и 50 % от выработки ее мощности. Как видно из табл. 4, отключение связи сети РГВИ с энергосистемой уменьшает суммарную генерацию в сети на 8 % и соответственно снижает- ся напряжение в общей точке подключения на величину, немного боль- шую, чем нормально допустимая (5,5 %). При этом уменьшение покрытия нагрузки в основном достигается за счет роста выработки мощности на модульной дизельной станции при 25 % мощности от ВЭС. Р ис . 3 . С хе м а РГ В И в с ис те м е «А зе рэ не рж и» 26 27 Таблица 4 Параметры режима сети РГВИ при наличии и отсутствии связи с энергосистемой Параметр режима Значение параметра При наличии связи сети РГВИ с системой При отсутствии связи сети РГВИ с системой ВЭС 50 % ВЭС 30 % ВЭС 50 % ВЭС 30 % Мощность генерации, МВт: от энергосистемы от модульной станции от ветростанции 37,0 44,0 5,0 11,6 71,8 2,5 0 74,3 5,0 0 76,6 2,5 Мощность нагрузки, МВт: в общей точке подключения на шинах модульной станции на шинах ветростанции 36,2 40,6 9,2 36,1 40,7 9,2 33,2 37,6 8,4 33,1 37,6 8,4 Напряжение в общей точке подключения, кВ 108,7 108,6 104,1 104,0 Моделирование системы РГВИ в переходных режимах. Проведены исследования переходных режимов в системе РГВИ, вызванных возмуще- ниями во внешней сети энергосистемы «Азерэнержи». На рис. 4 показана упрощенная однолинейная схема системы, к которой в узле п/ст 220/110 кВ Сангачал подключена система РГВИ, представленная на рис. 1. Параметры источников модульной солнечной РV-станции, ветростанции и дизельной станции приведены в табл. 1–3. В системе РГВИ исследовали переходные процессы при имитации коротких замыканий на ЛЭП, связанных с узлом подключения РГВИ. Полное моделирование режима при указанных воз- мущениях выполняли с помощью программного комплекса ЕТАР-6 [4]. Анализировали электромеханические качания агрегатов дизельной и вет- ростанции. Оценивали их влияние на колебание мощности в ЛЭП внешней сети, связанное с узлом общего подключения. Рис. 4. Однолинейная схема энергосистемы Азербайджана Дербент Россия Биличи Гибридная РГ с возобновляемыми источниками (рис. 1) 330/220 Гру- зия 500/330 Самух 330/110 Акстафа 500/330 Аз ЭС 220/110 Сангачал 550/330/220 Апшерон 330/110 Шамкир ГС 330/110 Ганджа 110 Еникенд ГС 330/110 Агдже- беди 330/220/110 Имишли 220/110 Масаллы 330/220/110 Ширван 220/110 Мушвиг 220/110 Хырдалан 220/110 Низами 220/110 Говсаны 220/110 Забрат 330/220/110 Мингечаур ГС 220/110 Аксу 220/110 Габала 220/110 Промузел 330/110 Хачмаз 330/220/110 Яшма 220/110 Сумгаит 220/110 Шимал 28 Каждая станция гибридной РГ – дизельная, ветровая и солнечная – от- дельными линиями электропередачи через общую точку подключена к энергосистеме (п/ст 220/110 кВ Сангачал). Параметры источников солнеч- ной PV-станции, ветростанции и дизельной станции приведены в табл. 1–3 соответственно. Параметры схемы электрической сети РГ (трансформаторов, линий электропередачи и нагрузок) приведены ниже: • трансформатор Т-1: номинальная мощность 125/125/31,5 MВ⋅А; номи- нальное напряжение 220/110/10,5 кВ; %Z = 11,4/21,9/35,7; X/R = 37/71/46 о. е.; • трансформатор Т-2: номинальная мощность 63 MВ⋅А; номинальное напряжение 110/10,5 кВ; %Z = 12,5; X/R = 34,1 о. е.; • трансформатор Т-3: номинальная мощность 50 MВ⋅А; номинальное напряжение 110/20 кВ; %Z = 12,5; X/R = 29,5 о. е.; • трансформатор Т-4: номинальная мощность 2 MВ⋅A; номинальное на- пряжение 20/0,7 кВ; %Z = 6,25; X/R = 7,098 о. е.; • трансформатор Т-5: номинальная мощность 2 MВ⋅A; номинальное на- пряжение 20/0,7 кВ; %Z = 6,25; X/R = 7,098 о. е. Линии распределительной сети (DL): DL-1, DL-2, DL-3, DL-4; длина каждой линии – 5 км соответственно; напряжение 110 кВ; R = 0,306 Ом⋅км; X = 0,434 Oм⋅км; Y = 2,6 Oм⋅км. Номинальные значения нагрузок: L1 = 40 MBт; 15 Mвар; L2 = 45 MBт; 15,3 Mвар; L3 = 40 MBт; 15 Mвар. В системе РГ исследовали переходные процессы, вызванные возмуще- ниями в электрической сети энергосистемы при имитации коротких замы- каний или отключениях линий. Полное моделирование режима при ука- занных возмущениях выполняли с помощью программного комплекса ЕТАР-6. Анализировали электромеханические качания каждого отдельного источника и оценивали их влияние на протекание процессов в энергосис- теме. Кривые изменения относительных углов генераторов станции Ширван и модульной станции Сангачал, размещенной в системе РГВИ, после от- ключения трехфазного КЗ на ЛЭП Хырдалан – Сангачал и Ширван – Санга- чал соответственно приводятся на рис. 5а, б. Время отключения КЗ – 0,12 с. Сравнивая колебания углов на рис. 5а, б, нетрудно видеть, что ампли- туды для случая КЗ на ЛЭП Хырдалан – Сангачал превышают соответст- вующие значения при КЗ на ЛЭП Хырдалан – Сангачал. Кроме того, ана- лиз показывает, что колебания углов роторов генераторов модульной стан- ции и станции Ширван совершаются с одинаковой периодичностью, равной примерно 1,6 с. Эти колебания практически затухают через 4–5 пе- риодов. Кроме того, кривая колебания угла модульного генератора содер- жит также составляющую с периодом 0,35 с, которая характеризует собст- венные колебания ротора генератора, также затухающие примерно через 1,4–1,6 с, что соответствует инерционной постоянной дизель-агрегата. Из огибающей кривой угла ротора генератора, характеризующей качание системы от КЗ с периодом примерно 5,6–6,0 с, видно, что коэффициент линейного затухания этого качания равен 0,34. 29 a 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Время, с б 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Время, с Рис. 5. Колебания углов роторов генераторов станции Ширван и модульной станции Сангачал после отключения трехфазного КЗ: а – на ЛЭП 220 кВ Хырдалан – Сангачал; б – на ЛЭП 220 кВ Ширван – Сангачал В Ы В О Д Ы 1. Рост тенденции развития систем распределенной генерации с комби- нированным использованием традиционных и возобновляемых источников выявил необходимость разработки новых технических условий функцио- нирования энергосистемы, учитывающих наличие разнохарактерных гене- рирующих источников в распределительных сетях. В связи с этим при рос- те мощности возобновляемых источников важным является проведение комплекса исследований, связанных с оценкой их влияния на внешнюю энергосистему в установившихся и переходных режимах. 2. Разработана типовая модель распределенной генерации с базовыми возобновляемыми источниками – ветроустановки, солнечные PV-установ- ки и традиционные источники – дизельные энергоустановки. Выведены уравнения, описывающие системы РГВИ в установившихся и переходных режимах для разных вариантов выработки мощности и нагрузки. 3. Составлены условия баланса мощности при работе сети РГВИ с энер- госистемой и ее изолированной работе при разных участиях ветростанции в этом балансе. При автономной работе РГВИ для полного покрытия ее нагрузки необходима значительная доля выработки от дизельной станции. 4. Моделирование переходного процесса в системе РГВИ при возмуще- ниях во внешней системе позволяет выявить степень влияния выработки Генератор модульной станции Генератор станции Ширван 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Генератор модульной станции Генератор станции Ширван 100 90 80 70 60 50 40 30 20 30 мощности на возобновляемых источниках на электромеханические коле- бания углов генераторов внешней системы, а также определить качание внешней системы. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. C o m b i n e d AC-DC micro grids: case study-network development and simulation / N. R. Rahmanov [et al.] // Proceedings Plenary lecture no. 00PLL03 8th International Conference ICTPE-2012, Fredrikstad, Norway, 5–7 September. – Fredrikstad, 2012. – P. 8–12. 2. H y b r i d distributed generation systems with renewable sources: study operation condi- tions with GRID / N. R. Rahmanov [et al.] // Proceedings OF 8th International Conference ICTPE- 2012, Fredrikstad, Norway, 5–7 September. – Fredrikstad, 2012. – P. 286–292. 3. N e w ERA for Electricity in Europe. Distributed Generation: Key issues, challenges and Proposed Solutions European Commission: EUR 20901, 2003, ISBN 92-894-6262–0. 4. E T A P Power Station 6.0. Electrical transient Analyzer Program. Operation Technology, inc. February 2002, southern California. 5. R o p p, M. E. Development of Matlab/Simulink model of single-phase grid-connected photovoltaic system / M. E. Ropp, S. Gonzalez // IEEE Trans. Energy Conv. – 2009. – Vol. 24, No 1. – P. 195–202. 6. C h a o, K. H. Modeling and fault simulation of photovoltaic generation systems using cir- cuit-based model / K. H. Chao, C. J. Li, S. H. Ho // IEEE Int. Conf. Sustainable Energy Technol., Nov., 2008. – P. 290–294. 7. L i n, X. A. Hybrid AC/DC Micro grid and its Coordination Control / X. Lin, P. Wang, P. Chiang // IEEE Transactions on Smart Grid. – 2011. – Vol. 2, No 2. – P. 278–286. 8. A b u r, A. Power System state Estimation: Theory and Implementation / A. Abur, A. G. Exposi. – New York: Marcel Dekkar, 2004. Представлена Ученым советом Института физики НАН Азербайджана Поступила 25.10.2012 УДК 621.341.572 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДВУНАПРАВЛЕННОГО ТРЕХФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Канд. техн. наук, доц. БУРЛАКА В. В.1), докт. техн. наук, проф. ГУЛАКОВ С. В.1), инж. МАТЯШОВА Т. Н.2) 1)Приазовский государственный технический университет, 2)ПАО «ММК имени Ильича» Использование рекуперативных преобразователей является одним из наиболее доступных и известных путей экономии энергоресурсов. Пре- образователи с возможностью возврата энергии в сеть нашли широкое применение в частотно-регулируемом электроприводе. Рекуперация энергии в сеть существенно экономит энергоресурсы, так как позволяет отказаться от тормозного резистора, на котором энергия рассеивается в виде теплоты. Подавляющее большинство преобразователей частоты (ПЧ) с напряже- нием питания 0,4 кВ, используемых в частотно-регулируемом электро- 31