Всережимное моделирование ветроэнергетической установки в электроэнергетической системе

Актуальность темы исследования.
Страны, подписавшие Киотский протокол, в их числе Россия, и особенно
страны с весьма ограниченными или отсутствующими углеводородными и
урановыми ресурсами, с различной интенсивностью развивают
возобновляемую электроэнергетику, преимущественно путём использования
ветроэнергоустановок (ВЭУ). При ощутимой для электроэнергетической
системы (ЭЭС) мощности, как минимум несколько мегаватт, ВЭУ могут
присоединяться к ЭЭС. В последнем случае, среди разных видов ВЭУ наиболее
применимой для работы в составе ЭЭС является ВЭУ 4 типа, представляющая
собой ветротурбину (ВТ) с синхронным генератором, возбуждаемым
постоянными магнитами (СГПМ), присоединенным через вставку постоянного
тока (ВПТ) и трансформатор присоединения (ТП) к узлу электрической сети
ЭЭС.
Для решения большинства задач исследования, проектирования и
эксплуатации ЭЭС, в том числе ЭЭС с ВЭУ необходима полная и достоверная
информация о едином непрерывном спектре нормальных и анормальных
квазиустановившихся и переходных процессах в оборудовании и ЭЭС в целом.
Ввиду недопустимости натурных экспериментов в реальных ЭЭС, тем более
аварийных, и невозможности из-за их сложности адекватного физического
моделирования единственным путем получения всей необходимой информации
становится преимущественно математическое моделирование.
При этом для всех видов и типов силового оборудования, систем
автоматического регулирования, средств релейной защиты и противоаварийной
автоматики (РЗ и ПА), могут быть синтезированы бездекомпозиционные
всережимные математические модели, теоретическая и практическая
достоверность которых достаточно строго и всесторонне обоснована,
экспериментально проверена и подтверждена опытом эксплуатации.
Однако получаемая в результате совокупная математическая модель
любой реальной ЭЭС, в том числе с ВЭУ, даже с учетом приемлемого
частичного эквивалентирования, неизбежно содержит жесткую, нелинейную
систему дифференциальных уравнений чрезвычайно большой, по
математическим меркам, размерности, плохо обусловленную на
ограничительных условиях применимости теории методов численного
интегрирования и соответственно не подлежащую удовлетворительному
решению. Единственный путь улучшения обусловленности – снижение
жесткости и размерности совокупной системы дифференциальных уравнений,
которые могут быть осуществлены только за счет радикального ее упрощения и
применения декомпозиции, в соответствии с которой выделяются и раздельно
рассчитываются нормальные и аварийные установившиеся режимы, а также
различные стадии переходных процессов на ограниченном интервале их
воспроизведения. В результате существенно утрачивается полнота и
достоверность получаемой таким образом информации. Кроме этого,
независимо от этих упрощений и ограничений всегда неизвестной остается,
принципиально присущая численному интегрированию дифференциальных
уравнений методическая ошибка.
Поскольку всю данную проблематику неизбежно наследуют
многочисленные программно-вычислительные комплексы (ПВК) расчета
режимов и процессов в реальных ЭЭС, достоверность таких расчетов нередко
оказывается низкой или неудовлетворительной, что подтверждается
результатами их верификаций [1-5].
Радикальным путем решения данной проблемы, может быть только
комплексный подход, представляющий, в широком смысле, гибридное
моделирование, позволяющий для каждого аспекта обозначенной сложной
проблемы разрабатывать и применять наиболее эффективные методы, способы
и средства агрегирование которых обеспечивает успешное решение проблемы в
целом.
В связи с вышеизложенным, в диссертации в соответствии с указанным
комплексным подходом разработана концепция всережимного моделирования
ВЭУ 4 типа в ЭЭС в реальном времени и на неограниченном интервале и
средства ее реализации, а их свойства и возможности подтверждены
комплексом тестовых и экспериментальных исследований.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиям
аэродинамического преобразования посвящено множество трудов известных
ученых: Н.Е. Жуковский, А. Бетц, Ю. Прандтль и др. Вопросы использования
возобновляемых источников энергии рассматриваются в работах: В.Н.
Андриянова, П.П. Безруких, Б.В. Валова, В.В. Елистратова, Н.В. Красовского,
Б.В. Лукутина, В.М. Лятхера, В.З. Манусова, С.Г. Обухова, Г.Х. Сабинина, С.Н.
Удалова, В.Я. Ушакова, Е.М. Фатеева, Ю.Г. Шакаряна, G. Michalke, M. Poller,
P. Anderson V. Akhmatov, T. Ackerman, S. Heier, B. Wu, A. Hansen, E. Muljadi, P.
Sorensen и др. и других.
Проблемам адекватного моделирования ЭЭС посвящены труды В.А.
Веникова, Н.И. Воропая, П.И. Бартоломея, А.С. Гусева, и др.
Однако, несмотря на достаточно глубокое изучение ВЭУ и ЭЭС,
комплекс вопросов, связанных с получением достаточно полной и достоверной
информации о работе ВЭУ 4 типа в ЭЭС по-прежнему актуален, исследованию
и решению которых посвящена данная работа.
Цели и задачи работы. Целью работы является достаточно полное и
достоверное всережимное моделирование ВЭУ 4 типа в ЭЭС на основе
комплексного подхода.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие
задачи:
1) исследование факторов, определяющих механический момент ВТ;
2) разработка концепции всережимного моделирования ВЭУ 4 типа в
ЭЭС в реальном времени и на неограниченном интервале;
3) разработка средств реализации данной концепции;
4) проведение комплекса тестовых и экспериментальных
исследований средств реализации всережимного моделирования ВЭУ 4 типа в
ЭЭС.
Предметом исследования являются нормальные и анормальные,
квазиустановившиеся и переходные процессы ВЭУ 4 типа в ЭЭС.
Объектом исследования являются средства всережимного
моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС в реальном времени и на неограниченном
интервале.
Научная новизна работы:
1) проведен анализ технологий в области ветроэнергетики, на основе
которого синтезирована математическая модель ветра, примененная для
создания специализированного гибридного процессора (СГП) ВЭУ 4 типа;
2) предложена концепция на основе комплексного подхода,
позволяющая для каждого аспекта решаемой сложной проблемы всережимного
моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС, применять наиболее эффективные методы,
способы и средства, агрегирование которых обеспечивают успешное решение
проблемы в целом;
3) в соответствии с предложенной концепцией разработан и
реализован СГП ВЭУ 4 типа.
Теоретическая значимость работы:
1) обоснованы причины существования проблемы всережимного
моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС, а также ее принципиальная неразрешимость
в рамках существующего одностороннего сугубо численного подхода и
направление ее радикального решения;
2) обоснована и синтезирована математическая модель ветра
учитывающая турбулентную и среднюю составляющие.
3) сформулирована в соответствии с комплексным подходом
концепция непрерывного всережимного моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС, а
также структура и принципы ее реализации.
Практическая значимость работы. Разработаны средства непрерывного
всережимного моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС в реальном времени на
неограниченном интервале, позволяющие получить достаточно полную и
достоверную информацию о едином непрерывном спектре
квазиустановившихся и переходных процессах в ВЭУ указанного типа в ЭЭС
при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах работы,
необходимую для решения задач проектирования, исследования и эксплуатации
ВЭУ 4 типа в ЭЭС.
Методы исследования:
Теория дифференциального и интегрального исчислений, теория методов
дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, метод
непрерывного неявного методически точного интегрирования
дифференциальных уравнений, теория автоматического регулирования и
управления, теория линейных и нелинейных электрических цепей, методы
теории точности и чувствительности вычислительных устройств, методы
математического и физического моделирования, схемотехника на интегральных
микросхемах, тестовые и экспериментальные методы исследования процессов в
ПВК Real Time Digital Simulator (RTDS) и на прошедшем всесторонние
лабораторные испытания и опытную эксплуатацию экспериментальном образце
многопроцессорного программно-технического комплекса гибридного типа –
Всережимный моделирующий комплекс реального времени
электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС).
Основные положения, выносимые на защиту:
1) обоснование положений концепции всережимного моделирования
ВЭУ 4 типа в ЭЭС в реальном времени и на неограниченном интервале;
2) всережимная математическая модель ВЭУ 4 типа;
3) структура и принципы реализации экспериментального образца
СГП ВЭУ 4 типа;
4) результаты тестовых и экспериментальных исследований,
подтверждающие свойства и возможности разработанных средств
всережимного моделирования ВЭУ 4 типа в ЭЭС в реальном времени и на
неограниченном интервале.
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 8 международных и
всероссийских научно-технических конференциях и выставках, в частности:
IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), Europe
(Румыния, г. Бухарест, 2019г.), IEEE PES ISGT, Europe (Босния и Герцеговина,
г. Сараево, 2018г.); All-Russian Forum of Young Scientists «Towards the World
Festival of Youth and Students» (Россия, г. Екатеринбург, 2017 г.); IV и V
Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы»,
(Россия, г. Томск, 2016, 2017 гг.); Science Week 2017 (Россия, г. Томск 2017г.),
XXXIX сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» (Россия, г.
Новочеркасск, 2017 г.); Международная специализированная выставка
«Электрические сети России» (Россия, г. Москва, 2016г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 2 статьи в
журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в журналах, индексируемых в базах
данных Web of Science/Scopus, получен патент РФ.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы реализованы и используются:
– в рамках Гранта Российского научного фонда №18-79-10006 от
02.08.2018 г. «Исследование проблемы достоверности расчетов режимов и
процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и
распределенной генерацией и разработка методики их всережимной
верификации»,
– в рамках гранта Министерства науки и высшего образования РФ
Соглашение №075-02-2018-271 от 17.01.2018 г. «Исследование влияния спектра
процессов в электроэнергетических системах со значительной долей
распределённой генерации и возобновляемыми источниками энергии на
функционирование устройств релейной защиты и разработка методики её
адекватной настройки»
– в рамках государственного контракта: Гос. задание «Наука»
№13.5852.2017/БЧ от 01.02.2017 г. «Разработка концепции всережимной
верификации расчётов режимов и процессов в электроэнергетических системах
и средств её реализации».
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа содержит 115 страниц, в том числе 94 рисунка, 2
таблицы, список цитируемой литературы из 88 наименований и состоит из
введения, 4-х глав, заключения и 3 приложений.
ГЛАВА 1 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МЕХАНИЧЕСКИЙ
МОМЕНТ ВЭУ 4 ТИПА
Уравнением, содержащим механический момент (ММЕХ) является
уравнение движения ротора ВЭУ:
d
Tj  M МЕХ  M ЭМ , (1.1)
dt
где – совокупная постоянная инерции ВЭУ 4 типа; ω – угловая частота
вращения ротора; ММЕХ – механический момент ВЭУ 4 типа; МЭЛ –
электромагнитный момент, обусловленный электрической нагрузкой
генератора и отражающий взаимодействие между магнитными системами
статора и ротора [6].