Система автоматического управления силовым преобразователем на основе свободно конфигурируемой структуры виртуального синхронного генератора
Ключевые слова:
возобновляемые источники энергии, распределенная генерация, силовой преобразователь, система автоматического управления, виртуальный синхронный генератор
Аннотация
Одним из направлений развития современных электроэнергетических систем является широкомасштабное использование возобновляемых источников энергии, в составе которых присутствует силовой преобразователь, осуществляющий подключение генерирующих установок к сети. В результате внедрения подобного рода установок возникают проблемы надежного и эффективного регулирования частоты и напряжения в электрической сети, связанные с традиционным подходом к их управлению. Эффективным направлением решения данных проблем является использование альтернативной парадигмы управления возобновляемыми источниками энергии, в рамках которой многими научными группами предложена концепция на основе виртуального синхронного генератора. При этом сам режим работы силового преобразователя изменяется с ведомого на ведущего по аналогии с традиционной синхронной генерацией. Однако существующие подходы подразумевают последовательную структуру системы управления с жесткой направленностью сигналов. В связи с этим возникают фундаментальные проблемы, присущие такой структуре, например взаимозависимость в управлении активной и реактивной мощностью. В статье для реализации системы автоматического управления силовым преобразователем предлагается свободно конфигурируемая структура виртуального синхронного генератора, в которой ее структурные блоки и контуры управления могут переноситься с одного уровня на другой, а сами уровни могут располагаться не только последовательно, но и параллельно. Показано, что для синтезированной структуры обеспечивается наиболее эффективное регулирование напряжения и частоты сети, а также демпфирование возникающих колебаний. Приведены результаты качественного и количественного сравнения предлагаемой системы управления с классической структурой виртуального синхронного генератора. Экспериментальные исследования выполнены с применением средств математического моделирования.
Литература
1. Tielens P., Van Hertem D. The relevance of inertia in power systems. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 55, pp. 999–1009, DOI: 10.1016/j.rser.2015.11.016.
2. Афанасьев А.А., Нудельман Г.С. Математическое моделирование эквивалентной демпферной обмотки явнополюсной синхронной машины. – Электричество, 2019, № 10, с. 34–41.
3. Ашинянц С.А. Некоторые тенденции развития мировой электроэнергетики. – Электрические станции, 2021, № 12(1085), с. 53–57.
4. Разживин И.А. и др. Оценка влияния ветроэлектростанций на изменение суммарной инерции электроэнергетической системы. – Вестник Иркутского государственного технического университета, 2021, т. 25, № 2(157), с. 220–234.
5. Li Y., Fan L., Miao Z. Wind in Weak Grids: Low-Frequency Oscillations, Subsynchronous Oscillations, and Torsional Interactions. – IEEE Transactions on Power Systems, 2020, vol. 35, No. 1, pp.109–118, DOI: 10.1109/TPWRS.2019.2924412.
6. Rathnayake D.B., et al. Grid Forming Inverter Modeling, Control, and Applications. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 114781–114807, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3104617.
7. Mallemaci V., et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation. – Electric Power Systems Research, 2021, vol. 201, 107516, DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107516.
8. D'Arco S., Suul J.A., Fosso O.B. A Virtual Synchronous Machine implementation for distributed control of power converters in SmartGrids. – Electric Power Systems Research, 2015, vol. 122, pp. 180–197, DOI: 10.1016/j.epsr.2015.01.001.
9. Shintai T., Miura Y., Ise T. Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, vol. 29, No. 2, pp. 668–676, DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2281359.
10. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Tied Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator for Grid Services and Grid Support. – 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 4317–4323, DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912266.
11. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Feeding Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator Providing Grid Services and Grid Support. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 1, pp. 559–569, DOI: 10.1109/TIA.2020.3028334.
12. Chen M., Zhou D., Blaabjerg F. Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems. – Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2020, vol. 8, No. 3, pp. 399–411, DOI: 10.35833/MPCE.2019.000592.
13. Yan X., Mohamed S.Y.A. Comparison of virtual synchronous generators dynamic responses. – 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/CPE.2018.8372573.
14. Chen Y., et al. Improving the grid power quality using virtual synchronous machines. – International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, 2011, pp. 1–6, DOI: 10.1109/PowerEng.2011.6036498.
15. Karimi-Ghartemani M. Universal integrated synchronization and control for single-phase DC/AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol. 30, No. 3, pp. 1544–1557, DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304459.
16. Beck H.-P., Hesse R. Virtual synchronous machine. – 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, 2007, pp. 1–6, DOI: 10.1109/EPQU.2007.4424220.
17. Ebrahimi M., Khajehoddin S.A., Karimi-Ghartemani M. An Improved Damping Method for Virtual Synchronous Machines. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 3, pp. 1491–1500, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2902033.
18. Седойкин Д.Н., Юрганов А.А. Способ расчета частоты по мгновенным значениям напряжений в трехфазных сетях. – Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2017, № 2(77), с. 74–77.
19. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Virtual Synchronous Generator with Simplified Single-Axis Damper Winding. – 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2019, pp. 2123–2128, DOI: 10.1109/ISIE.2019.8781233.
20. Танфильев О.В., Филиппова Т.А., Танфильева Д.В. Особенности параметрирования автоматики ликвидации асинхронного хода в неполнофазных режимах. – Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, 2018, № 2(71), с. 175–187
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00129
#
1. Tielens P., Van Hertem D. The Relevance of Inertia in Power Systems. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 55, pp. 999–1009, DOI: 10.1016/j.rser.2015.11.016.
2. Afanas'ev A.A., Nudel'man G.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 10, pp. 34–41.
3. Ashinyants S.А. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Power Plants), 2021, No. 12(1085), pp. 53–57.
4. Razzhivin I.А., et al. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Irkutsk State Technical University), 2021, vol. 25, No. 2(157), pp. 220–234.
5. Li Y., Fan L., Miao Z. Wind in Weak Grids: Low-Frequency Oscillations, Subsynchronous Oscillations, and Torsional Interacti-ons. – IEEE Transactions on Power Systems, 2020, vol. 35, No. 1, pp.109–118, DOI: 10.1109/TPWRS.2019.2924412.
6. Rathnayake D.B., et al. Grid Forming Inverter Modeling, Control, and Applications. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 114781–114807, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3104617.
7. Mallemaci V., et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation. – Electric Power Systems Research, 2021, vol. 201, 107516, DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107516.
8. D'Arco S., Suul J.A., Fosso O.B. A Virtual Synchronous Machine implementation for distributed control of power converters in SmartGrids. – Electric Power Systems Research, 2015, vol. 122, pp. 180–197, DOI: 10.1016/j.epsr.2015.01.001.
9. Shintai T., Miura Y., Ise T. Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, vol. 29, No. 2, pp. 668–676, DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2281359.
10. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Tied Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator for Grid Services and Grid Support. – 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 4317–4323, DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912266.
11. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Feeding Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator Providing Grid Services and Grid Support. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 1, pp. 559–569, DOI: 10.1109/TIA.2020.3028334.
12. Chen M., Zhou D., Blaabjerg F. Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2020, vol. 8, No. 3, pp. 399–411, DOI: 10.35833/MPCE.2019.000592.
13. Yan X., Mohamed S.Y.A. Comparison of virtual synchronous generators dynamic responses. – 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/CPE.2018.8372573.
14. Chen Y., et al. Improving the grid power quality using virtual synchronous machines. – International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, 2011, pp. 1–6, DOI: 10.1109/PowerEng.2011.6036498.
15. Karimi-Ghartemani M. Universal integrated synchronization and control for single-phase DC/AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol. 30, No. 3, pp. 1544–1557, DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304459.
16. Beck H.-P., Hesse R. Virtual synchronous machine. – 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, 2007, pp. 1–6, DOI: 10.1109/EPQU.2007.4424220.
17. Ebrahimi M., Khajehoddin S.A., Karimi-Ghartemani M. An Improved Damping Method for Virtual Synchronous Machines. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 3, pp. 1491–1500, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2902033.
18. Sedoykin D.N., Yurganov А.А. Izvestiya NTTs Edinoy energeticheskoy sistemy – in Russ. (News of the STC of the Unified Energy System), 2017, No. 2(77), pp. 74–77.
19. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Virtual Synchronous Generator with Simplified Single-Axis Damper Winding. – 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2019, pp. 2123–2128, DOI: 10.1109/ISIE.2019.8781233.
20. Tanfil'ev O.V., Filippova T.A., Tanfil'eva D.V. Nauchnyy vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Scientific Bulletin of Novosibirsk State Technical Univer-sity), 2018, No. 2(71), pp. 175–187.
---
The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation No. 21-79-00129
2. Афанасьев А.А., Нудельман Г.С. Математическое моделирование эквивалентной демпферной обмотки явнополюсной синхронной машины. – Электричество, 2019, № 10, с. 34–41.
3. Ашинянц С.А. Некоторые тенденции развития мировой электроэнергетики. – Электрические станции, 2021, № 12(1085), с. 53–57.
4. Разживин И.А. и др. Оценка влияния ветроэлектростанций на изменение суммарной инерции электроэнергетической системы. – Вестник Иркутского государственного технического университета, 2021, т. 25, № 2(157), с. 220–234.
5. Li Y., Fan L., Miao Z. Wind in Weak Grids: Low-Frequency Oscillations, Subsynchronous Oscillations, and Torsional Interactions. – IEEE Transactions on Power Systems, 2020, vol. 35, No. 1, pp.109–118, DOI: 10.1109/TPWRS.2019.2924412.
6. Rathnayake D.B., et al. Grid Forming Inverter Modeling, Control, and Applications. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 114781–114807, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3104617.
7. Mallemaci V., et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation. – Electric Power Systems Research, 2021, vol. 201, 107516, DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107516.
8. D'Arco S., Suul J.A., Fosso O.B. A Virtual Synchronous Machine implementation for distributed control of power converters in SmartGrids. – Electric Power Systems Research, 2015, vol. 122, pp. 180–197, DOI: 10.1016/j.epsr.2015.01.001.
9. Shintai T., Miura Y., Ise T. Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, vol. 29, No. 2, pp. 668–676, DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2281359.
10. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Tied Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator for Grid Services and Grid Support. – 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 4317–4323, DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912266.
11. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Feeding Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator Providing Grid Services and Grid Support. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 1, pp. 559–569, DOI: 10.1109/TIA.2020.3028334.
12. Chen M., Zhou D., Blaabjerg F. Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems. – Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2020, vol. 8, No. 3, pp. 399–411, DOI: 10.35833/MPCE.2019.000592.
13. Yan X., Mohamed S.Y.A. Comparison of virtual synchronous generators dynamic responses. – 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/CPE.2018.8372573.
14. Chen Y., et al. Improving the grid power quality using virtual synchronous machines. – International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, 2011, pp. 1–6, DOI: 10.1109/PowerEng.2011.6036498.
15. Karimi-Ghartemani M. Universal integrated synchronization and control for single-phase DC/AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol. 30, No. 3, pp. 1544–1557, DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304459.
16. Beck H.-P., Hesse R. Virtual synchronous machine. – 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, 2007, pp. 1–6, DOI: 10.1109/EPQU.2007.4424220.
17. Ebrahimi M., Khajehoddin S.A., Karimi-Ghartemani M. An Improved Damping Method for Virtual Synchronous Machines. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 3, pp. 1491–1500, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2902033.
18. Седойкин Д.Н., Юрганов А.А. Способ расчета частоты по мгновенным значениям напряжений в трехфазных сетях. – Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2017, № 2(77), с. 74–77.
19. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Virtual Synchronous Generator with Simplified Single-Axis Damper Winding. – 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2019, pp. 2123–2128, DOI: 10.1109/ISIE.2019.8781233.
20. Танфильев О.В., Филиппова Т.А., Танфильева Д.В. Особенности параметрирования автоматики ликвидации асинхронного хода в неполнофазных режимах. – Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, 2018, № 2(71), с. 175–187
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00129
#
1. Tielens P., Van Hertem D. The Relevance of Inertia in Power Systems. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 55, pp. 999–1009, DOI: 10.1016/j.rser.2015.11.016.
2. Afanas'ev A.A., Nudel'man G.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 10, pp. 34–41.
3. Ashinyants S.А. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Power Plants), 2021, No. 12(1085), pp. 53–57.
4. Razzhivin I.А., et al. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Irkutsk State Technical University), 2021, vol. 25, No. 2(157), pp. 220–234.
5. Li Y., Fan L., Miao Z. Wind in Weak Grids: Low-Frequency Oscillations, Subsynchronous Oscillations, and Torsional Interacti-ons. – IEEE Transactions on Power Systems, 2020, vol. 35, No. 1, pp.109–118, DOI: 10.1109/TPWRS.2019.2924412.
6. Rathnayake D.B., et al. Grid Forming Inverter Modeling, Control, and Applications. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 114781–114807, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3104617.
7. Mallemaci V., et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation. – Electric Power Systems Research, 2021, vol. 201, 107516, DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107516.
8. D'Arco S., Suul J.A., Fosso O.B. A Virtual Synchronous Machine implementation for distributed control of power converters in SmartGrids. – Electric Power Systems Research, 2015, vol. 122, pp. 180–197, DOI: 10.1016/j.epsr.2015.01.001.
9. Shintai T., Miura Y., Ise T. Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, vol. 29, No. 2, pp. 668–676, DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2281359.
10. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Tied Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator for Grid Services and Grid Support. – 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 4317–4323, DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912266.
11. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Grid-Feeding Inverter with Simplified Virtual Synchronous Compensator Providing Grid Services and Grid Support. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 1, pp. 559–569, DOI: 10.1109/TIA.2020.3028334.
12. Chen M., Zhou D., Blaabjerg F. Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2020, vol. 8, No. 3, pp. 399–411, DOI: 10.35833/MPCE.2019.000592.
13. Yan X., Mohamed S.Y.A. Comparison of virtual synchronous generators dynamic responses. – 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/CPE.2018.8372573.
14. Chen Y., et al. Improving the grid power quality using virtual synchronous machines. – International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, 2011, pp. 1–6, DOI: 10.1109/PowerEng.2011.6036498.
15. Karimi-Ghartemani M. Universal integrated synchronization and control for single-phase DC/AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol. 30, No. 3, pp. 1544–1557, DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304459.
16. Beck H.-P., Hesse R. Virtual synchronous machine. – 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, 2007, pp. 1–6, DOI: 10.1109/EPQU.2007.4424220.
17. Ebrahimi M., Khajehoddin S.A., Karimi-Ghartemani M. An Improved Damping Method for Virtual Synchronous Machines. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 3, pp. 1491–1500, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2902033.
18. Sedoykin D.N., Yurganov А.А. Izvestiya NTTs Edinoy energeticheskoy sistemy – in Russ. (News of the STC of the Unified Energy System), 2017, No. 2(77), pp. 74–77.
19. Mandrile F., Carpaneto E., Bojoi R. Virtual Synchronous Generator with Simplified Single-Axis Damper Winding. – 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2019, pp. 2123–2128, DOI: 10.1109/ISIE.2019.8781233.
20. Tanfil'ev O.V., Filippova T.A., Tanfil'eva D.V. Nauchnyy vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Scientific Bulletin of Novosibirsk State Technical Univer-sity), 2018, No. 2(71), pp. 175–187.
---
The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation No. 21-79-00129
