Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАШИН ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ, УЧАСТВУЮЩИХ В РЕГУЛИРОВАНИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, НА ПАРАМЕТРЫ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Научная статья
Середкин Д.Ю.
Аверьянов Д.А.
Булатов Р.В.
Бурмейстер М.В.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.98.8.017
Выпуск: № 8 (98), 2020
Опубликована:
2020/08/17
PDF

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАШИН ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ, УЧАСТВУЮЩИХ В РЕГУЛИРОВАНИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, НА ПАРАМЕТРЫ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Научная статья

Середкин Д.Ю.1, *, Аверьянов Д.А.2, Булатов Р.В.3, Бурмейстер М.В.4

1 ORCID: 0000-0003-2442-9189;

2 ORCID: 0000-0002-0836-3135;

4 ORCID: 0000-0002-8787-7299;

1, 2, 3 НИУ «МЭИ», Москва, Россия;

4 ГИМ ИТС ЦИУС АО «НТЦ ФСК ЕЭС», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (daniil.seredkin1[at]gmail.com)

Аннотация

Целью данной работы было решение существующей проблемы недостаточной изученности поведения машин двойного питания (МДП) в переходных и аварийных режимах, а именно, оценка влияния машин двойного питания, участвующих в регулировании реактивной мощности, на параметры коротких замыканий.

При проведении исследования использовалась расчетная модель ветроэнергетической установки с машиной двойного питания, разработанная в среде MATLAB-SIMULINK.

В результате моделирования были получены графики напряжений на шинах, активной и реактивной мощности МДП, значения действующего тока от МДП, значения действующего напряжения на звене постоянного тока, тока и напряжения статора МДП при коротком замыкании на выводах машины при различной вырабатываемой/потребляемой реактивной мощности.

Проанализировано влияние регулирования реактивной мощности машины двойного питания на параметры короткого замыкания.

Полученные данные могут быть использованы при проектировании ветроэнергетических установок на базе машин двойного питания, что позволит более корректно производить выбор оборудования и коммутационной аппаратуры.

Ключевые слова: машина двойного питания, короткое замыкание, реактивная мощность, ветроэнергетическая установка, распределенная генерация.

EVALUATING THE INFLUENCE OF DOUBLY-FED MACHINES USED FOR REACTIVE POWER CONTROL ON THE SHORT-CIRCUIT PARAMETERS

Research article

Seredkin D. Yu.1, *, Averianov D. A.2, Bulatov R. V.3, Burmeister M. V.4

1 ORCID: 0000-0003-2442-9189;

2 ORCID: 0000-0002-0836-3135;

4 ORCID: 0000-0002-8787-7299;

1, 2, 3 National research university MPEI, Moscow, Russia;

4 R&D Center at FGC UES, JSC, Moscow, Russia

* Corresponding author (daniil.seredkin1[at]gmail.com)

Abstract

The purpose of this paper was to solve the existing problem of the lacking knowledge of the behaviour of doubly-fed electric machines in the transient state and abnormal mode, specifically evaluating the influence of doubly-fed electric machines used for reactive power control on the short-circuit parameters.

For the research, the design model of wind-driven power plant with the doubly-fed electric machine developed in the MATLAB-SIMULINK framework was used.

Through modelling we acquired the graph of bus bar voltage, active and reactive power of the doubly-fed electric machine, values of effective current, values of effective voltage across DC link, values of terminal current and voltage of doubly-fed electric machine on the short-circuit under various input/output reactive power.

We analysed the influence of doubly-fed electric machines used for reactive power control on the short-circuit parameters.

The acquired data can be used for the design of a wind-driven power plant based on the doubly-fed electric machines, that will enable a more accurate choice of equipment and switchgear.

Keywords: doubly-fed electric machine, short circuit, reactive power, wind-driven power plant, distributed generation.

Введение

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года [1], утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, одной из целей по направлению «Электроэнергетика» является широкое развитие распределенной генерации, доля выработки которой может достичь 15 процентов от всей вырабатываемой электроэнергии. Также существенная роль отводится развитию возобновляемой энергетики. Планируется, что установленная мощность генерирующих объектов на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе работающих параллельно с единой энергетической системой, достигнет 25 ГВт. Это позволит сбалансировать энергетический спрос и снизить экологическую нагрузку со стороны предприятий энергетики на окружающую среду.

Анализ зарубежного опыта показывает, что развитие распределенной генерации в настоящее время происходит в основном именно за счет введения в эксплуатацию генерирующих объектов на основе ВИЭ, что существенно влияет на работу электроэнергетическим систем. Суммарная установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) в мире с 2007 г. по 2016 г. включительно выросла более чем в 5 раз с 93,5 до 487 ГВт [2], [3]. В России, согласно данным НП «Совет рынка», выработка электроэнергии на ВЭС с 2014 г. по 2018 г. включительно выросла с 6 тыс. кВт×ч до 76413 тыс. кВт×ч [4].

В Российской Федерации крупным игроком на рынке ветроэнергетики является новый дивизион Росатома АО «НоваВинд», который по планам построит и введет в эксплуатацию ветроэлектростанции на базе машин двойного питания (МДП) общей установленной мощностью 1 ГВт до 2023 года.

Согласно докладу о реализации Энергетической стратегии России на период до 2030 года по итогам 2018 года [5] существует необходимость достижения эффективного сочетания систем централизованного электроснабжения с развитием распределенной генерации. Также в ГОСТ [6] указано, что ВЭС должны участвовать в регулировании реактивной мощности в соответствии с требованиями технической документации завода-изготовителя ветроэнергетических установок.

В связи с этим возникает необходимость оценки влияния машин двойного питания, участвующих в регулировании реактивной мощности, на параметры коротких замыканий.

Данная проблема упоминалась в работах [7], [8], но не была решена так как основной целью вышеупомянутых работ являлось совершенствование противоаварийного и режимного управления энергорайонов с распределенной генерацией и разработка нового способа управления машинами двойного питания.

Для выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

  • Изучение современного состояния проблем распределенной генерации и анализ особенностей работы МДП в энергосистемах.
  • Разработка и верификация расчетной модели МДП в среде «MATLAB - SIMULINK».
  • Моделирование коротких замыканий при различной вырабатываемой/потребляемой реактивной мощности МДП.
  • Оценка влияния машин двойного питания, участвующих в регулировании реактивной мощности, на параметры коротких замыканий. 

Методы исследования

Решение поставленных в работе задач базируется на основных положениях силовой электроники, теории управления, теоретических основ электротехники, электромеханики. Для решения задач используется современная среда компьютерного моделирования – «MATLAB - SIMULINK».

Предпосылки развития распределенной генерации.

Преимущества применения машиндвойного питания в ветроэнергетике

Распределенная генерация (РГ) – это совокупность электростанций, расположенных близко к месту потребления энергии и подключенных либо непосредственно к потребителю, либо к распределительной электрической сети (в случае, если потребителей несколько) [9].

Электроэнергетические системы Российской Федерации и зарубежных стран исторически развивались по похожей логике: крупные электрические станции сооружались обычно вблизи мест добычи топлива либо недалеко от транспортных коридоров, по которым топливо перевозилось. Также удельная стоимость строительства электростанции (в расчете на 1 кВт мощности) была тем ниже, чем она мощнее, поэтому средняя единичная мощность электростанций (ЭС) постоянно увеличивалась (с 1920-х до 1980-х гг. выросла в 500 раз и более).

По соображениям экологии ЭС часто располагались на значительном удалении от крупных городов (в РФ исключением стали ТЭЦ), а передача электроэнергии от ЭС потребителям осуществлялась по магистральным и распределительным сетям общей протяженностью в тысячи километров.

Такая структура энергосистем в течение нескольких десятилетий оставалась в целом неизменной. Именно РГ стала катализатором изменений: в 1970-1980-х гг. в США и Европе были разработаны новые технологии производства электроэнергии (газотурбинные, газопоршневые, парогазовые установки), позволяющие создавать недорогие и эффективные электростанции небольшой мощности. Это привело к росту вводов объектов РГ (см. рисунок 1).

05-09-2020 12-46-51

Рис. 1 – Динамика развития распределенной генерации на примере США (ГВт) [10]

 

В начале XXI века началось активное развитие ВИЭ при поддержке правительств стран Европы, США и других государств, что привело к снижению стоимости решений в области солнечной и ветряной энергетики в разы при существенном росте их технологической эффективности. Так, приведенная стоимость электроэнергии от ВЭС в 2009-2017 гг. сократилась на 67% (см. рисунок 2).

 

05-09-2020 12-47-06

Рис. 2 – Динамика приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) от ветряных электростанций в 2009-2017 гг., дол. / МВт-ч [11]

 

Стоит отметить, что именно ВИЭ в концепции РГ отводится немаловажная роль. Так, в некоторых странах (Норвегия, Канада) доля выработки электроэнергии на объектах ВИЭ уже превышает 50% от общей выработки [12].

Navigant Research прогнозирует, что к 2026 году в мире ожидается ввод объектов РГ генерирующей мощностью, превышающей в три раза новую генерирующую мощность централизованной генерации (см. рисунок 3).

05-09-2020 12-47-18

Рис. 3 – Прогноз ввода новых мощностей централизованной и распределенной генерации электроэнергии в мире, МВт [13]

 

Так как в РФ к концу XX века была крупнейшая централизованная энергосистема в мире, то процесс ее децентрализации проходит существенно менее интенсивно чем в других странах из-за возникающих трудностей.

Основные проблемы, с которыми столкнулись в РФ при развитии РГ:

  • дороговизна и сложность подключения новых объектов к сетям;
  • недостаточная надежность существующих схем электроснабжения (необходимы следующие мероприятия: создание новых математических моделей и методов обоснования структуры генерирующих мощностей, изучение эффективности работы систем релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ПА));
  • значительное возрастание уровней токов КЗ в сетях низкого и среднего напряжения [14].

Согласно докладу Российского Энергетического Агентства на форуме ENES 2014 [15] ввод распределенной генерации в РФ ежегодно составляет около 30-40% от вводов централизованной генерации, а за последние 10 лет рост генерации мощностью до 100 МВт в 4 раза превышает рост крупной генерации свыше 100 МВт.

В РГ в настоящее время в основном применяются следующие генерирующие установки:

  • Традиционные: дизельные энергетические установки (на текущий момент являются наиболее распространенными [16]), газопоршневые установки, газотурбинные установки.
  • Нетрадиционные (на основе ВИЭ): гидроэнергетические установки установленной мощностью до 30 МВт [17], солнечные энергетические установки, ветроэнергетические установки.

Анализ рынка электроэнергии показывает, что именно ветроэлектрические установки (ВЭУ) является наиболее перспективным и конкурентоспособным направлением в распределенной генерации [18].

Для дальнейшего исследования ВЭУ следует провести обзор генераторов, применяемых в данных установках. Выбор генератора является основным вопросом комплектации ВЭУ. Для применения на ВЭУ возможны следующие типы генераторов:

  1. асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором;
  2. синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением;
  3. асинхронизированный синхронный генератор;
  4. асинхронный генератор с фазным ротором (машина двойного питания);
  5. синхронные генераторы (СГ) с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением от постоянных магнитов.

В настоящее время, независимо от мощности и вида крыльчатки, практически всегда используются МДП [19]. Это связано со следующими преимуществами использования данной машины для ВЭС:

  • возможность использования в автономных системах в сочетании с другими машинами;
  • простота и надежность в обслуживании;
  • сравнительно малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе, при переменной скорости ветра и его порывах;
  • высокие энергетические характеристики;
  • способность функционирования в широком диапазоне частоты вращения ротора (± 30%);
  • возможность управлять потоками реактивной мощности по цепи возбуждения [20, 21].

Границы диапазонов изменения реактивной мощности ВЭС (суммарно выдаваемой и потребляемой) для ряда Европейских синхронных зон приведены в таблице (см. таблицу 1) [22].

 

Таблица 1 – Расчетные диапазоны изменения реактивной мощности для ряда Европейских синхронных зон

Синхронная зона Максимальный диапазон Q/Pmax
Континентальная Европа 0,75
Скандинавская 0,95
Великобритания 0,66
Ирландия 0,66
Балтийские государства 0,8
 

Несмотря на то что МДП нашли широкое применение в ВЭУ, их влияние на параметры КЗ при регулировании реактивной мощности и параллельной работе МДП с сетью нуждается в более детальном изучении, результаты которого в дальнейшем могут быть использованы при проектировании объектов РГ на базе МДП. 

Описание и верификация расчетной модели ветроэлектрической установки с машиной двойного питания, работающей параллельно с сетью

При проведении исследования использовалась расчетная модель машины двойного питания, работающей параллельно с энергосистемой, выполненная с помощью программного комплекса MATLAB-SIMULINK (см. рисунок 4).

 

05-09-2020 12-59-51

Рис. 4 – Расчетная схема машины двойного питания, работающей параллельно с энергосистемой

 

Данная модель включает в себя следующие элементы: система, трансформатор ТДН-160000/110, воздушная линия с проводами АС 70/11, два трансформатора ТМ-1600/10, активная нагрузка 500 кВт, КЗ, МДП.

Параметры данных элементов сведены в таблицы (см. таблицы 2-8).

 

Таблица 2 – Параметры системы

Uном, кВ fном, Гц Sс, МВА R1, Ом R0, Ом X1, Ом X0, Ом
110 50 150 0,1 0,3 1,0 3,0
 

Таблица 3 – Параметры трансформатора 110/10 кВ

Тип Sном, МВА Uвн, кВ Uнн, кВ Px, кВт Pк, кВт Uк, % Iх, %
ТДН-16000/110 16 115 11 18 85 10,5 0,7
 

Таблица 4 – Параметры воздушной линии

r1, Ом/км r0, Ом/км l1, мГн/км l0, мГн/км c1, нФа/км c0, нФа/км L, км
0,4218 0,52 1,22 4,27 11,74 7,55 10
 

Таблица 5 – Параметры трансформатора 10/0,575 кВ

Тип Sном, МВА Uвн, кВ Uнн, кВ Px, кВт Pк, кВт Uк, % Iх, %
ТМ-1600/10 1,6 10 0,69 3,3 16,5 5,5 1,3
 

Таблица 6 – Параметры нагрузки

Uном, кВ Fном, Гц P, кВт QL, кВАр
0,575 50 300 200
 

Таблица 7 – Параметры машины двойного питания

Sном, МВа Uном, В fном, Гц Rs, о.е Lis, о.е R’r, о.е L’r, о.е Lm, о.е H, с p
1,5/0,9 575 50 0,00706 0,171 0,005 0,156 2,9 5,04 3
Sпреоб/Sном Lф, о.е Rф, о.е Vdc, В Cdc, мФ Tm, о.е  
0,3 0,15 0,0015 1200 10 -0.5  
 

Таблица 8 – Параметры системы управления МДП

Kp_Q Ki_Q Kp_power Ki_power Kp_Igrid Ki_Igrid Kp_Irotor Ki_Irotor Kp_DC Ki_DC
0,05 5 1 100 1 100 0,3 8 0.002 0.05
 

Верификация расчетном модели была произведена по двум режимам: нормальному режиму работы и режиму короткого замыкания.

Для верификации модели по нормальному режиму был составлен баланс мощности МДП (см. рисунок 5) при QS = 0 и номинальном механическом моменте. Без учета потерь в обмотках МДП, фильтрах и преобразователе:

  • Вырабатываемая активная мощность МДП составляет 1,67 МВт.
  • Мощность, выдаваемая в сеть – 1,11 МВт.
  • Мощность, подаваемая в цепь ротора, составляет 0,56 МВт (1/3 от номинального значения мощности МДП).
 

05-09-2020 13-00-44

Рис. 5 – Баланс мощности МДП в нормальном режиме работы

 

Был произведен расчет данных мощностей с помощью модели при номинальном режиме работы МДП (см. рисунок 6).

 

05-09-2020 13-01-12

Рис. 6 – Активная мощность в цепях статора, ротора и выдаваемая в сеть

 

Разница между теоретическими и полученными величинами:

  • по мощности в цепи статора – 0,02 МВт (1,1%);
  • по мощности в цепи ротора – 0,05 МВт (8,9%);
  • по мощности, выдаваемой в сеть – 0,03 МВт (2,7%).

В ходе верификации модели по режиму короткого замыкания собрана расчетная модель с параметрами МДП, взятыми из статьи [23] (см. таблицу 9), и сравнены результаты моделирования трехфазного короткого замыкания на выводах МДП (см. таблицу 10 и рисунки 7-8).

Длительность короткого замыкания 0,2 секунды. Значение сопротивления КЗ – 0,2 Ом.

 

Таблица 9 – Параметры МДП из статьи [23]

Параметр Значение Параметр Значение (о.е.)
Номинальная мощность 2 МВт Индуктивность рассеяния обмотки статора 0,15
Напряжение ротора 1975 В Активное сопротивление статора 0,01
Напряжение статора 690 В Активное сопротивление ротора 0,01
Частота 50 Гц Индуктивность намагничивания 3
Взаимная индуктивность обмоток статора и ротора 4,5 о.е. Индуктивность рассеяния обмотки ротора 0,11
 

Таблица 10 – Результаты моделирования КЗ из статьи [23]

Место КЗ Время затухания, с Пиковое значение тока, о.е. Ток в установившемся режиме, о.е. Остаточное напряжение, о.е.
На выводах МДП 1,21 5,75 0,53 0,11
  Для верификации будем использовать значения близкого КЗ, т.е. на выводах МДП.

05-09-2020 13-01-46

Рис. 7 – Ток от машины двойного питания

05-09-2020 13-01-59

Рис. 8 – Напряжение в месте короткого замыкания

 

В качестве базисных значений величин принимаются значения в предшествующем режиме. Тогда кратность тока КЗ в результате моделирования составляет 6.02 о.е., а остаточное напряжение на шине КЗ – 0,13 о.е.

Разница между полученными значениями и значениями из статьи составляет:

  • по току – 0,26 о.е. (4,5%);
  • по остаточному напряжению – 0,01 о.е. (9,1%).

Таким образом, относительная погрешность верификации модели по двум режимам не превысила 10%.

Описание расчетных условий

Расчетная схема представлена ниже (см. рисунок 9). Время начала КЗ – 10 с, вид КЗ – трехфазное, длительность КЗ – 0,2 с, сопротивление КЗ – 0,02 Ом.

05-09-2020 13-02-14

Рис. 9 – Расчетная схема

 

Было принято, что механический момент, приложенный к ротору МДП, постоянный и равен -0,5Tmnom.

Расчетный диапазон изменения реактивной мощности был принят равным 0,75 как для синхронной зоны «Континентальная Европа» (согласно таблице 1).

NGET Grid Code [24] (Англия, Шотландия, Уэльс) требует, чтобы ВЭУ вырабатывала максимальную реактивную мощность при КЗ в энергосистеме.

Были рассмотрены следующие расчетные случаи:

  1. МДП не участвует в регулировании реактивной мощности и генерируемая реактивная мощность до и при КЗ равна нулю.
  2. МДП до и при КЗ генерирует реактивную мощность, равную 0,75 о.е.
  3. МДП до и при КЗ потребляет реактивную мощность, равную 0,75 о.е.
  4. МДП до КЗ потребляет реактивную мощность, равную 0,75 о.е, а во время КЗ уставка вырабатываемой реактивная мощности возрастает со до 0,75 о.е.

Моделирование КЗ на выводах машины двойного питания, не участвующей в регулировании реактивной мощности

Уставка реактивной мощности равна нулю как до КЗ, так и после. Результаты моделирования представлены ниже (см. рисунки 10-13).

 

05-09-2020 13-06-43

Рис. 10 – Графики действующих значений напряжений на шинах 575 В, 10 кВ и 110 кВ при КЗ на выводах МДП при Q = 0

05-09-2020 13-06-53

Рис. 11 – Графики активной и реактивной мощности от МДП и от сети при Q = 0

 05-09-2020 13-07-08

Рис. 12 – График действующего значения тока от МДП при Q = 0

05-09-2020 13-07-21

Рис. 13 – Графики действующих значений напряжения на звене постоянного тока, тока и напряжения статора МДП и момента, приложенного к валу МДП при Q = 0

 

Как видно из результатов моделирования, при КЗ МДП продолжает вырабатывать активную мощность, остаточное напряжение на выводах МДП – 0,5 о.е., пиковое значение напряжения на звене постоянного тока (конденсаторе) – 1610 В, тока ротора – 1,6 о.е. Максимальное значение тока от МДП – 3000 А, установившееся значение ТКЗ от МДП – 1280 А, что по отношению к предшествующему режиму составляет 4,69 о.е. и 2,0 о.е. соответственно.

Моделирование КЗ на выводах машины двойного питания, генерирующей реактивную мощность

Уставка реактивной мощности равна 0,75 о.е. как до КЗ, так и после. Результаты моделирования представлены ниже (см. рисунки 14-17).

05-09-2020 13-10-03

Рис. 14 – Графики действующих значений напряжений на шинах при КЗ на выводах МДП при Q = 0,75 о.е.

05-09-2020 13-10-14

Рис. 15 - Графики активной и реактивной мощности от МДП и от сети при Q = 0,75 о.е.

05-09-2020 13-10-26

Рис. 16 – График действующего значения тока от МДП при Q = 0,75 о.е.

05-09-2020 13-10-42

Рис. 17 – Графики действующих значений напряжения на звене постоянного тока, тока и напряжения статора МДП и момента, приложенного к валу МДП при Q = 0,75 о.е.

 

Как видно из результатов моделирования, генерируемая активная мощность в установившемся режиме при Q = 0,75 о.е. = 1,25 МВар равна 0,42 МВт, что соответствует 0,28 номинального значения, а во время КЗ генерируемая мощность снижается до нуля.

При КЗ остаточное напряжение на выводах МДП – 0,53 о.е., максимальное значение тока от МДП – 3250 А, установившееся значение ТКЗ от МДП – 1540 А, что по отношению к предшествующему режиму составляет 2,84 о.е. и 1,26 о.е. соответственно. Пиковое напряжение на конденсаторе – 1830 В, максимальный ток в роторе – 1,9 о.е.

Моделирование КЗ на выводах машины двойного питания, потребляющей реактивную мощность

Уставка реактивной мощности равна -0,75 о.е. как до КЗ, так и после. Результаты моделирования представлены ниже (см. рисунки 18-21).

05-09-2020 13-14-00

Рис. 18 – Графики действующих значений напряжений на шинах при КЗ на выводах МДП при Q=-0,75 о.е.

05-09-2020 13-14-14

Рис. 19 – Графики активной и реактивной мощности от МДП и от сети при Q = -0,75 о.е.

05-09-2020 13-14-31

Рис. 20 – График действующего значения тока от МДП при Q = - 0,75 о.е.

05-09-2020 13-14-46

Рис. 21 – Графики действующих значений напряжения на звене постоянного тока, тока и напряжения статора МДП и момента, приложенного к валу МДП при Q = - 0,75 о.е.

 

Как видно из результатов моделирования, генерируемая активная мощность при Q = -0,75 о.е.= -1,25 МВар равна 0,6 МВт, что соответствует 0,4 номинального значения.

При КЗ остаточное напряжение на выводах МДП – 0,46 о.е., максимальное значение тока от МДП – 2800 А, установившееся значение ТКЗ от МДП – 1750 А, что по отношению к предшествующему режиму составляет 1,86 о.е. и 1,17 о.е. соответственно. Пиковое напряжение на конденсаторе при КЗ – 1340 В, максимальный ток в роторе – 1,5 о.е.

Моделирование КЗ на выводах машины двойного питания при изменяющемся

значении реактивной мощности

Уставка реактивной мощности до КЗ и после устранения КЗ равна - 0,75 о.е., во время КЗ уставка 0,75 о.е. То есть до и после КЗ МДП потребляет реактивную мощность, а во время КЗ вырабатывает максимально возможную реактивную мощность с целью повышения напряжения в точке примыкания ВЭУ к энергосистеме.

Результаты моделирования представлены ниже (см. рисунки 22-25).

 

05-09-2020 13-15-08

Рис. 22 – Графики напряжений на шинах при КЗ на выводах МДП при Q = var

05-09-2020 13-15-20

Рис. 23 – Графики активной и реактивной мощности от МДП и от сети при Q = var

05-09-2020 13-15-29

Рис. 24 – График действующего значения тока от МДП при Q = var

05-09-2020 13-15-42

Рис. 25 – Графики действующих значений напряжения на звене постоянного тока, тока и напряжения статора МДП и момента, приложенного к валу МДП при Q = var

 

При КЗ остаточное напряжение на выводах МДП – 0,55 о.е., максимальное значение тока от МДП – 2650 А, установившееся значение ТКЗ от МДП ~ 1200 А, что по отношению к предшествующему режиму составляет 1,76 о.е. и ~ 0,8 о.е. соответственно. Пиковое напряжение на конденсаторе при КЗ – 1340 В, максимальный ток в роторе – 1,5 о.е. 

Обсуждение Результаты моделирование сведены в таблицу (см. таблицу 12).  

Таблица 13 – Результаты моделирования коротких замыканий при различной реактивной мощности МДП

Реактивная мощность от МДП Q = 0 Q = +0,75 Q = -0,75 Q = var [-0,75;+0,75]
Вырабатываемая активная мощность до и после КЗ, о.е. 0,4 0,28 0,4 0,4
Остаточное напряжение в месте КЗ, о.е. 0,5 0,53 0,46 0,55
Действующее значение тока от МДП в предшествующем режиме, А 640 1280 1500 1500
Пиковое значение тока от МДП, о.е./А 4,69/3000 2,54/3250 1,86/2800 1,76/2650
Установ. значение тока КЗ от МДП, о.е./А 2,0/1280 1,20/1540 1,17/1750 ~0,8/1200
Пиковое значение напряжения на ШПТ при КЗ, В 1610 1830 1340 1340
Пиковое значение тока ротора, о.е. 1,6 1,9 1,5 1,5
 

Как видно из результатов моделирования, при генерации реактивной мощности снижается генерируемая активная мощность МДП, так как ее часть подается в цепь ротора.

В случае возникновения КЗ в режиме, когда МДП генерирует в сеть реактивную мощность, ток КЗ максимален, что следует учитывать при выборе коммутационной аппаратуры, а также возникновение КЗ в данном режиме приводит к прерыванию выработки активной мощности во время КЗ.

В рассматриваемом случае с помощью регулирования реактивной мощности удается увеличить остаточное напряжение при КЗ на шине МДП на 10% (с 0,5 до 0,55 о.е.) а также уменьшить пиковое значение тока короткого замыкания на 11,6% (с 3000 А до 2650 А), что положительно отражается на режиме сети.

Также при регулировании реактивной мощности МДП снижается пиковое значение тока в роторе при КЗ и пиковое значение напряжения на звене постоянного тока на 6% и 16,7% соответственно, что снижает износ МДП.

Но при выборе оборудования стоит учитывать, что при потреблении и генерации реактивной мощности увеличивается ток в установившемся режиме работы. 

Заключение

В результате выполнения данного исследования была выполнена оценка влияния машин двойного питания, участвующих в регулировании реактивной мощности, на параметры коротких замыканий и по работе можно сделать следующие выводы:

  • при регулировании реактивной мощности МДП следует учитывать возрастание токов в сети в установившихся режимах;
  • в случае возникновения КЗ в режиме, когда МДП генерирует в сеть реактивную мощность, ток КЗ максимален, что следует учитывать при выборе коммутационной аппаратуры, а также при возникновении КЗ в данном режиме прерывается выработка активной мощности МДП;
  • генерация реактивной мощности МДП при КЗ позволяет значительно снизить токи КЗ (на 11,6%), а также увеличить остаточное напряжение на шинах МДП (на 10%);
  • регулирования реактивной мощности позволяет снизить износ МДП при близких КЗ путем снижения бросков тока в цепях ротора и статора, а также путем снижения перенапряжения на звене постоянного тока.
Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

  1. Министерство энергетики Российской Федерации: «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения: 01.12.19).
  2. Highlights of the REN21 Renewables 2017 Global Status Report in perspective. URL:http://www.rennet/wp‑content/uploads/2017/06/170607_GSR_2017_Higlights.pdf. (дата обращения: 01.12.19).
  3. Сидоренко, Г.И. Анализ изменения значений капитальных вложений на строительство энергетических объектов на основе возобновляемых источников энергии / Г.И. Сидоренко, П.Ю. Михеев // Энергетик. – 2017. - № 10. – С. 34-37.
  4. Ассоциация «НП Совет Рынка»: «Возобновляемые источники энергии» [Электронный ресурс]. URL: https://www.np-sr.ru/ru/market/vie/index.htm (дата обращения 01.12.19)
  5. Министерство энергетики Российской Федерации: «Доклад о реализации Энергетической стратегии России на период до 2030 года по итогам 2018 года» [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/view-pdf/1026/100241 (дата обращения: 01.12.19).
  6. ГОСТ Р 58491 – 2019. Электроэнергетика. Распределенная генерация. Технические требования к объектам генерации на базе ветроэнергетических установок. Москва: Стандартинформ, 2019.
  7. Илюшин, П.В. Совершенствование противоаварийного и режимного управления энергорайонов с распределенной генерацией: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (05.14.02) / Илюшин Павел Владимирович; ФГАОУ ДПО «Петербургский Энергетический Институт Повышения Квалификации». – Санкт-Петербург, 2019. – 499 с.
  8. Муравьев, А.А. Управление машиной двойного питания, генерирующей электроэнергию при переменной частоте вращения: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (05.09.03) / Муравьев Артем Артурович; ФГБОУ ВО «Липецкий Государственный Технический Университет». – Липецк, 2018. – 159 с.
  9. Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО: «Распределенная энергетика в России: потенциал развития» [Электронный ресурс]. URL:https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_DER-3.0_2018.02.01.pdf (Дата обращения 05.12.19).
  10. Rhodium Group. The State of the Art in Valuing Distributed Energy Resources. January 2017.
  11. Lazard’s Levelized Cost of Energy Analysis, version 11.0 – 2017.
  12. Ежегодник Enerdata: «Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии» [Электронный ресурс]. URL: https://yearbook.enerdata.ru/renewables/renewable-in-electricity-production-share.html (Дата обращения 12.12.19).
  13. Navigant Research. Global DER Deployment Forecast Database, 4Q 2017.
  14. Куликов А.Л. Проблемы и особенности распределенной электроэнергетики / Куликов А.Л., Осокин В.Л., Папков Б.В. // Вестник НГИЭИ. 2018. №11 (90). С. 123 – 136.
  15. Кожуховский И.С. О проблемах развития малой распределенной энергетики в России // Форум ENES Москва, 20 ноября 2014 г.
  16. Храмов А. Распределенная энергетика в России. Генераторы для применений с дизельными двигателями, а также с газовыми и паровыми турбинами / Храмов А., Поздняков А. // Control Engineering Россия. 2015. №6 (60). С. 48 – 49.
  17. ГОСТ Р 51238-98. Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая. Термины и определения. Москва: Госстандарт России, 1998.
  18. Шерьязов С.К. Ветроэлектрическая станция в системе распределенной генерации // СОК. 2018. №10. С. 90 – 93.
  19. Микитич Е.Н. Конструкции генераторов ВЭУ / Микитич Е.Н., Олешкевич М.М. // Актуальные проблемы энергетики. СНТК 72. 2016. С. 295 – 298.
  20. Аристов А.В. Современное состояние и перспективы развития машин двойного питания в составе электропривода колебательного движения // Известия Томского политехнического университета. Т. 307. № 6. С. 135 – 139.
  21. Котов А.А. Применение генератора двойного питания для ветроэнергетических установок малой, средней и большой мощности / Котов А.А., Неустроев Н.И. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика. 2017. Т. 17. №4. С. 80 – 89.
  22. Некоммерческое партнерство «Научно-технический совет Единой энергетической системы»: «Протокол совместного заседания секции «Управления режимами энергосистем РЗиА» и секции «Проблемы надежности и эффективности релейной защиты и средства автоматического системного управления в ЕЭС России» НП «НТС ЕЭС» по теме: «Требования к системам регулирования, управления и защиты возобновляемых источников энергии (ВИЭ) при их работе в составе ЕЭС России» [Электронный ресурс]. URL: http://nts-ees.ru/sites/default/files/2018.08.02_vie.pdf (Дата обращения: 02.02.20).
  23. Shahzad Nazir Symmetrical Short-Circuit Parameters Comparison of DFIG–WT / Shahzad Nazir, M.; Wu, Q.; Li, M. J.Electr. Comput. Eng. Syst. 2017, 8, pp 77–83.
  24. National Grid Electricity Transmission // «Grid Code» (2010).

Список литературы на английском / References in English

  1. Ministerstvo jenergetiki Rossijskoj Federacii: «Jenergeticheskaja strategija Rossii na period do 2030 goda» [ Ministry of Energy of the Russian Federation: “Energy Strategy of Russia for the Period until 2030”] [Electronic resource]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (accessed: 01.12.19). [in Russian]
  2. Highlights of the REN21 Renewables 2017 Global Status Report in perspective. URL: http://www.ren21.net/wp‑content/uploads/2017/06/170607_GSR_2017_Higlights.pdf. (accessed: 01.12.19). [in Russian]
  3. Sidorenko, G.I. Analiz izmenenija znachenij kapital'nyh vlozhenij na stroitel'stvo jenergeticheskih obiektov na osnove vozobnovljaemyh istochnikov jenergii [Analysis of changes in the values of capital investments for the construction of energy facilities based on renewable energy sources]/ G.I. Sidorenko, P.Ju. Miheev // Jenergetik [Energetics]. – 2017. - № 10. – P. 34-37. [in Russian]
  4. Associacija «NP Sovet Rynka»: «Vozobnovljaemye istochniki jenergii» [Association NP Market Council: Renewable energy sources] [Electronic resource]. URL: https://www.np-sr.ru/ru/market/vie/index.htm (accesed 01.12.19) [in Russian]
  5. Ministerstvo jenergetiki Rossijskoj Federacii: «Doklad o realizacii Jenergeticheskoj strategii Rossii na period do 2030 goda po itogam 2018 goda» [Ministry of Energy of the Russian Federation: “Report on the implementation of the Energy Strategy of Russia for the period up to 2030 following the results of 2018”] [Electronic resource]. URL: https://minenergo.gov.ru/view-pdf/1026/100241 (accessed: 01.12.19). [in Russian]
  6. GOST R 58491 – 2019. Jelektrojenergetika. Raspredelennaja generacija. Tehnicheskie trebovanija k ob#ektam generacii na baze vetrojenergeticheskih ustanovok. [Power industry. Distributed generation. Technical requirements for generating facilities based on wind power plants] Moskva: Standartinform, 2019. [in Russian]
  7. Iljushin, P.V. Sovershenstvovanie protivoavarijnogo i rezhimnogo upravlenija jenergorajonov s raspredelennoj generaciej [Improving emergency and regime control of distributed generation energy areas]: dis....of PhD in Engineering (05.14.02) / Iljushin Pavel Vladimirovich; FGAOU DPO «Peterburgskij Jenergeticheskij Institut Povyshenija Kvalifikacii». – Sankt-Peterburg, 2019. – 499 p. [in Russian]
  8. Murav'ev, A.A. Upravlenie mashinoj dvojnogo pitanija, generirujushhej jelektrojenergiju pri peremennoj chastote vrashhenija. [Control of a doubly-fed machine, generating electricity at a variable speed] dis....of PhD in Engineering (05.09.03) / Murav'ev Artem Arturovich; FGBOU VO «Lipeckij Gosudarstvennyj Tehnicheskij Universitet». – Lipeck, 2018. – 159 p. [in Russian]
  9. Centr jenergetiki Moskovskoj shkoly upravlenija SKOLKOVO: «Raspredelennaja jenergetika v Rossii: potencial razvitija» [Energy Center of the Moscow School of Management SKOLKOVO: “Distributed Energy in Russia: Development Potential”] [Electronic resource]. URL:https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_DER-3.0_2018.02.01.pdf (accessed: 05.12.19). [in Russian]
  10. Rhodium Group. The State of the Art in Valuing Distributed Energy Resources. January 2017.
  11. Lazard’s Levelized Cost of Energy Analysis, version 11.0 – 2017.
  12. Ezhegodnik Enerdata: «Dolja vozobnovljaemyh istochnikov jenergii v proizvodstve jelektrojenergii» [Enerdata Yearbook: “The share of renewable energy in electricity production”] [Electronic resource]. URL: https://yearbook.enerdata.ru/renewables/renewable-in-electricity-production-share.html (accessed 12.12.19). [in Russian]
  13. Navigant Research. Global DER Deployment Forecast Database, 4Q 2017.
  14. Kulikov A.L. Problemy i osobennosti raspredelennoj jelektrojenergetiki [Problems and features of distributed electricity] / Kulikov A.L., Osokin V.L., Papkov B.V. // Vestnik NGIJeI [Bulletin of NIIEI]. 2018. №11 (90). pp. 123 – 136. [in Russian]
  15. Kozhuhovskij I.S. O problemah razvitija maloj raspredelennoj jenergetiki v Rossii [About the problems of development of small distributed energy in Russia] // Forum ENES 2014 [ENES 2014 Forum]. Moscow, 20 nov. 2014 y. [in Russian]
  16. Hramov A. Raspredelennaja jenergetika v Rossii. Generatory dlja primenenij s dizel'nymi dvigateljami, a takzhe s gazovymi i parovymi turbinami [Distributed energy in Russia. Generators for applications with diesel engines, as well as gas and steam turbines] / Hramov A., Pozdnjakov A. // Control Engineering Rossija [Control Engineering Russia]. 2015. №6 (60). pp. 48 – 49. [in Russian]
  17. GOST R 51238-98. Netradicionnaja jenergetika. Gidrojenergetika malaja. Terminy i opredelenija.[ Alternative energy. Small hydropower. Terms and Definitions] Moskva: Gosstandart Rossii, 1998. [in Russian]
  18. Sher'jazov S.K. Vetrojelektricheskaja stancija v sisteme raspredelennoj generacii [Wind power station in a distributed generation system] // SOK. 2018. №10. pp. 90 – 93. [in Russian]
  19. Mikitich E.N. Konstrukcii generatorov VJeU [Wind turbine generator designs] / Mikitich E.N., Oleshkevich M.M., // Aktual'nye problemy jenergetiki.[Actual problems of energy] SNTK 72. 2016. pp. 295 – 298. [in Russian]
  20. Aristov A.V. Sovremennoe sostojanie i perspektivy razvitija mashin dvojnogo pitanija v sostave jelektroprivoda kolebatel'nogo dvizhenija [The current state and development prospects of double-fed machines as part of an oscillating electric drive] // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta [News of Tomsk Polytechnic University]. 2004. V. 307. № 6. pp. 135 – 139. [in Russian]
  21. Kotov A.A. Primenenie generatora dvojnogo pitanija dlja vetrojenergeticheskih ustanovok maloj, srednej i bol'shoj moshhnosti [Application of a dual-power generator for small, medium and high power wind power plants] / Kotov A.A., Neustroev N.I. // Vestnik JuUrGU. Serija «Jenergetika».[ Bulletin of SUSU. Series "Energy"] 2017. v. 17. №4. pp. 80 – 89. [in Russian]
  22. Nekommercheskoe partnerstvo «Nauchno-tehnicheskij sovet Edinoj jenergeticheskoj sistemy»: «Protokol sovmestnogo zasedanija sekcii «Upravlenija rezhimami jenergosistem RZiA» i sekcii «Problemy nadezhnosti i jeffektivnosti relejnoj zashhity i sredstva avtomaticheskogo sistemnogo upravlenija v EJeS Rossii» NP «NTS EJeS» po teme: «Trebovanija k sistemam regulirovanija, upravlenija i zashhity vozobnovljaemyh istochnikov jenergii (VIJe) pri ih rabote v sostave EJeS Rossii» [Non-profit partnership “Scientific and Technical Council of the Unified Energy System”: “Protocol of a joint meeting of the section“ Control of the modes of energy systems of the relay protection and automation system ”and the section“ Problems of reliability and efficiency of relay protection and automatic system control in the UES of Russia ”NP“ NTS UES ”on the topic:“ Requirements for the systems of regulation, management and protection of renewable energy sources (RES) during their operation as part of the UES of Russia"] [Electronic resource].URL: http://nts-ees.ru/sites/default/files/2018.08.02_vie.pdf (accessed: 02.02.20). [in Russian]
  23. Shahzad Nazir Symmetrical Short-Circuit Parameters Comparison of DFIG–WT / Shahzad Nazir, M.; Wu, Q.; Li, M. J.Electr. Comput. Eng. Syst. 2017, 8, pp. 77–83
  24. National Grid Electricity Transmission // «Grid Code». 2010.