УДК 621.313.322

Система виртуальной инерции на основе модели синхронного генератора по топологии IEPE

Веренцов Леонид Алексеевич – студент Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Стаценко Дмитрий Васильевич – студент Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Хоркина Анна Андреевна – студент Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Научный руководитель Бурмейстер Максим Витальевич – ассистент кафедры Электроэнергетических систем Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Аннотация. Объекты генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), подключаемые к электроэнергетической системе (ЭЭС) с помощью силовых инверторов, не обеспечивают инерционного отклика при внешних возмущениях. При значительном увеличении доли ВИЭ в ЭЭС возникают проблемы, связанные с ухудшением условий устойчивости. Возможным способом решения данной проблемы является применение системы виртуальной инерции (СВИ). Целью данного исследования является разработка имитационной модели САУ СВИ на основе модели синхронного генератора (СГ) по топологии IEPE, а также определение основных преимуществ и недостатков данной топологии.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, конвертор, система автоматического управления, система виртуальной инерции.

Системы виртуальной инерции на основе модели синхронного генератора позволяют эксплуатировать объекты генерации на основе ВИЭ аналогично традиционным электростанциям (ЭС). В данной работе реализуется СВИ по топологии IEPE [1], функциональная схема которой представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Функциональная схема СВИ на основе модели СГ (топология IEPE) [2]

Для управления силовым конвертором аналогично СГ используется система автоматического управления (САУ), регулирующая выходные токи в соответствии с заданной математической моделью. Для расчётов опорных токов используется полная трёхфазная модель СГ.

Электромагнитные переходные процессы в обмотках статора описываются как:

где – ЭДС, наведенная в обмотке фазы A; – напряжение на выводах обмотки фазы A; – ток в фазе A; – результирующая индуктивность статорной обмотки; – сопротивление цепи статора.

Расчёт режима в цепи статора может быть осуществлён в матричной форме:

где

Для связи параметров ротора и статора используется уточнённое уравнение механического движение ротора с демпферной обмоткой [3.]

где – постоянная инерции вращающихся масс виртуального синхронного генератора; – номинальное значение частоты, 50 Гц; – коэффициент демпфирования; – механический момент виртуального СГ; – электромагнитный момент.

ЭДС, наводимая в обмотке статора, определяется с помощью напряжения возбуждения и углом поворота виртуального ротора:

где – значение напряжения возбуждения; – угол поворота виртуального ротора.

Все вышеописанные уравнения (1) - (5) интегрированы в САУ конвертора. Принципиальная схема САУ представлена на рис. 2. Полученные значения токов на каждом шаге расчета сравниваются со значениями токов, выдаваемых инвертором в ЭЭС.

Рисунок 2. Принципиальная схема САУ СВИ на основе модели синхронного генератора по топологии IEPE[1.]

Для регулирования выдаваемой активной мощности необходимо изменять параметр механического момента СВИ [3.]. Аналогично традиционным СГ для регулирования выдаваемой мощности СВИ могут быть применены системы автоматического регулирования, являющиеся аналогом автоматики регулирования скорости СГ. Регулирование напряжения в точке присоединения СВИ к ЭЭС и выдаваемой реактивной мощности может осуществляться за счёт изменения значений напряжения возбуждения [4.].

На основе уравнений, описывающих режим работы СГ, была разработана САУ СВИ, представленная на рис. 3. Разработка модели осуществлена в программно-вычислительно комплексе MATLAB Simulink.

Рисунок 3. Разработанная модель САУ СВИ

В статье была разработана модель САУ СВИ на основе уравнений синхронного генератора по топологии IEPE. Данная система достаточно точно имитирует инерционный отклик синхронной машины, так как в САУ используется подробное математическое описание СГ, что является важным преимуществом. Также данная топология позволяет эксплуатировать СВИ в изолированных энергосистемах. При разработке были определены возможности для дальнейшей модернизации модели – реализация алгоритмов регулирования выдаваемой активной и реактивной мощности, а также напряжения в точке присоединения к ЭЭС. На основании выполненных исследований можно сделать вывод о том, что основным недостатком топологии IEPE является высокая требовательность к вычислительной мощности управляющего устройства, а также к выбору параметров виртуального синхронного генератора.

Список литературы

1. Improving the grid power quality using virtual synchronous machines / Y. Chen, R Hesse, D. Turschner, H-P Beck // 2011 International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives. – Malaga, Spain: IEEE, 2011. – С. 11-13.
2. Бердышев, И. И. Выбор математического описания синхронного генератора для применения в программно-аппаратном комплексе системы виртуальной инерции / И. И. Бердышев, М. В. Бурмейстер, А. А. Ильина, А. Е. Феднов // Фёдоровские чтения – 2022: Сборник трудов LII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (с элементами научной школы для молодёжи) (Москва, 15–18 ноября 2022 г.) / под общ. ред. Ю. В. Матюниной. – Москва: Издательский дом МЭИ, 2022. – С. 375-382.
3. Kerdphol, T. Stability Assessment of Multiple Virtual Synchronous Machines for Microgrid Frequency Stabilization / T. Kerdphol, M. Watanabe, Y. Mitani // 2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM) . – Montreal, QC, Canada: IEEE, 2020. – С. 2-6.
4. Saed, J. A. A Simulation Analysis of VSM Control for RES plants in a Small Mediterranean Island / J. A. Saed, D. Curto, S. Favuzza // 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe . – Madrid, Spain: IEEE, 2020. – pp. 1-6.