Simulation of a DC-AC Minigrid with Gas Turbine and Solar Power Plants
Keywords:
minigrid, gas turbine, asynchronous generator, semiconductor DC transformer, solar array, MATLAB, Simulink, SimPowerSystems
Abstract
The article shows features of the growth in the number and capacity of “hidden” DC consumers at the background of a decreasing share of AC consumers. The reasons for the spread and prospects for the use of DC-AC systems are considered using minigrids as an example. A block-oriented simulation model of such minigrid is presented, which was developed in the MATLAB environment and its Simulink and SimPowerSystems extensions. The article presents the results of simulating transient and steady-state operating modes of a DC-AC minigrid, which includes a DC gas turbine power plant consisting of a gas turbine engine, a high-speed asynchronous generator with a squirrel-cage rotor and capacitor self-excitation, a medium-frequency (400 Hz) step-up transformer, a rectifier, and a smoothing filter. The minigrid also includes a solar array, a power semiconductor DC transformer based on an inverter with pulse-width modulation (1000 Hz), a medium-frequency step-down transformer with a rectifier and a smoothing filter, and a DC load. A system for stabilizing the generator voltage by adjusting the turbine rotation speed is presented. It is shown that by using a gas turbine power plant it becomes possible to automatically eliminate problems associated with voltage variations due to nonuniform load patterns of DC consumers and generating devices in the form of a solar array and a rectifier substation of a centralized AC electric power system (50 Hz).
References
1. Воропай Н.И. Направления и проблемы трансформации электроэнергетических систем. – Электричество, 2020, № 7, с. 12–21.
2. Бык Ф.Л., Илюшин П.В., Мышкина Л.С. Особенности и перспективы развития распределенной энергетики в России. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2021, т. 64, № 6, с. 78–87.
3. Андронов М. Распределенная генерация: будущее энергетики или тупик? – Деловой журнал «Инвест-Форсайт», 2018 [Электрон. ресурс], URL: https://www.if24.ru/budushhee-energetiki/?ysclid=lx8mup7ux8872814704 (дата обращения 01.03.2024).
4. Косарев Б.А. и др. Оценка качества электроэнергии электротехнической системы с распределенной генерацией без использования корректирующих устройств. – Динамика систем, механизмов и машин, 2019, т. 7, № 2, с. 44–50.
5. Петрущенков В.А., Коршакова И.А. Качественный и количественный анализ тепловой энергетики малых мощностей в России. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2020, т. 22, № 5, с. 51–69.
6. Ачитаев А.А. и др. Исследование управляемой гибкой связи турбины и генератора микроГЭС в автономной электроэнергетической системе. – Электричество, 2020, № 1, c. 25–31.
7. Антонов Б.М. и др. Интеллектуальный фотоэлектрический модуль для распределенной энергетики. –Электричество, 2019, № 7, с. 4–10.
8. Arfeen Z.A et al. Control of Distributed Generation Systems for Microgrid Applications: A Technological Review. – International Transactions on Electrical Energy Systems, 2019, 29(2), DOI:10.1002/2050-7038.12072.
9. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Хынг Ч.З. Автоматические регуляторы для установок распределенной генерации. – Системы. Методы. Технологии, 2014, № 3, с. 108–116.
10. Ревякин Е.Е., Сушков В.В., Хамитов Р.Н. Исследование совместной работы автономной газотурбинной электростанции и генерирующего узла с возобновляемыми источниками электроэнергии. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2023, т. 19, № 1, с. 14–11.
11. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование аварийных режимов в системах электроснабжения с установками распределенной генерации. – Информационные и математические технологии в науке и управлении, 2017, № 1 (5), с. 7–18.
12. Джендубаев А.-З.Р., Кононов Ю.Г., Джендубаев Э.А.-З. Электроэнергетика будущего: инверторные технологии и постоянный ток. – Энергия единой сети, 2020, № 4, с. 50–61.
13. Джендубаев А.-З.Р., Кононов Ю.Г., Джендубаев Э.А.-З. Моделирование автономной электроэнергетической системы постоянного тока с полупроводниковыми трансформаторами. – Электричество, 2022, № 7, с. 24–39.
14. Джендубаев Э.А.-З. Технико-экономические аспекты постр15.оения минигрид постоянно-переменного тока. – Вестник Северо-Кавказского федерального университета, 2023, № 4, с. 14–26.
15. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications-A Glimpse into the Future. – 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE 2019), 2019.
16. Breaking the Power Plant Efficiency Record [Электрон. ресурс], URL: https://www.gevernova.com/gas-power/resources/articles/2016/power-plant-efficiency-record (дата обращения 01.03.2024).
17. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики: состояние и тенденции развития. – Электротехника, 2007, № 6, с. 2–5.
18. Hatua K. et al. Transformer Less Intelligent Power Substation Design with 15kV SiC IGBT for grid interconnection//2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. – IEEE, 2011, pp. 4225–4232, DOI:10.1109/ECCE.2011.6064346.
19. MathWorks. MATLAB [Электрон. ресурс], URL: https://www.mathworks.com (дата обращения 01.03.2024).
20. Миронов А.А. Особенности работы преобразователей с ШИМ-контроллером в режиме малых нагрузок и холостого хода. – Практическая силовая электроника, 2017, № 1 (65), с. 42–45.
21. Миронов А. Особенности работы преобразователей с ШИМ-контроллером. – Силовая электроника, 2022, т. 1 (94), с. 36–39.
22. Голобоков Г.В. и др. Специальные турбогенераторные установки. – Электричество, 2019, № 12, с. 10–13.
---
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-38-90127).
#
1. Voropay N.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 7, pp. 12–21.
2. Byk F.L., Ilyushin P.V., Myshkina L.S. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2021, vol. 64, No. 6, pp. 78–87.
3. Andronov M. [Electron. resource], URL: https://www.if24.ru/budushhee-energetiki/?ysclid=lx8mup7ux8872814704 (Date of appeal 01.03.2024).
4. Kosarev B.А. et al. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin – in Russ. (Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines), 2019, vol. 7, No. 2, pp. 44–50.
5. Petrushchenkov V.A., Korshakova I.A. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Problems), 2020, vol. 22, No. 5, pp. 51–69.
6. Achitaev А.А. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 1, pp. 25–31.
7. Antonov B.М. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 7, pp. 4–10.
8. Arfeen Z.A et al. Control of Distributed Generation Systems for Microgrid Applications: A Technological Review. – International Transactions on Electrical Energy Systems, 2019, 29(2), DOI:10.1002/2050-7038.12072.
9. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Khyng Ch.Z. Sistemy. Metody. Tekhnologii – in Russ. (The Systems Methods. Technologies), 2014, No. 3, pp. 108–116.
10. Revyakin E.E., Sushkov V.V., Hamitov R.N. Elektro-tekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrical Engineering and Information Complexes and Systems), 2023, vol. 19, No. 1, pp. 14–11.
11. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Alekseenko Е.А. Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii – in Russ. (Information and Mathematical Technologies in Science and Management), 2017, No. 1 (5), pp. 7–18.
12. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.А.-Z. Energiya edinoy seti – in Russ. (Energy of Unified Grid), 2020, No. 4, pp. 50–61.
13. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.А.-Z. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 7, pp. 24–39.
14. Dzhendubaev E.A.-Z. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the North Caucasus Federal University), 2023, No. 4, pp. 14–26.
15. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications-A Glimpse into the Future. – 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE 2019), 2019.
16. Breaking the Power Plant Efficiency Record [Electron. resource], URL: https://www.gevernova.com/gas-power/resources/articles/2016/power-plant-efficiency-record (Date of appeal 01.03.2024).
17. Antipov V.N., Danilevich Ya.B. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2007, No. 6, pp. 2–5.
18. Hatua K. et al. Transformer Less Intelligent Power Substation Design with 15kV SiC IGBT for grid interconnection//2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. – IEEE, 2011, pp. 4225–4232, DOI:10.1109/ECCE.2011.6064346.
19. MathWorks. MATLAB [Electron. resource], URL: https://www.mathworks.com (Date of appeal 01.03.2024).
20. Mironov А.А. Prakticheskaya silovaya elektronika – in Russ. (Practical Power Elecronics), 2017, No. 1 (65), pp. 42–45.
21. Mironov А. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2022, vol. 1 (94), pp. 36–39.
22. Golobokov G.V. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 12, pp. 10–13
---
This work was financially supported by the RFBR, grant no. 20-38-90127
2. Бык Ф.Л., Илюшин П.В., Мышкина Л.С. Особенности и перспективы развития распределенной энергетики в России. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2021, т. 64, № 6, с. 78–87.
3. Андронов М. Распределенная генерация: будущее энергетики или тупик? – Деловой журнал «Инвест-Форсайт», 2018 [Электрон. ресурс], URL: https://www.if24.ru/budushhee-energetiki/?ysclid=lx8mup7ux8872814704 (дата обращения 01.03.2024).
4. Косарев Б.А. и др. Оценка качества электроэнергии электротехнической системы с распределенной генерацией без использования корректирующих устройств. – Динамика систем, механизмов и машин, 2019, т. 7, № 2, с. 44–50.
5. Петрущенков В.А., Коршакова И.А. Качественный и количественный анализ тепловой энергетики малых мощностей в России. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2020, т. 22, № 5, с. 51–69.
6. Ачитаев А.А. и др. Исследование управляемой гибкой связи турбины и генератора микроГЭС в автономной электроэнергетической системе. – Электричество, 2020, № 1, c. 25–31.
7. Антонов Б.М. и др. Интеллектуальный фотоэлектрический модуль для распределенной энергетики. –Электричество, 2019, № 7, с. 4–10.
8. Arfeen Z.A et al. Control of Distributed Generation Systems for Microgrid Applications: A Technological Review. – International Transactions on Electrical Energy Systems, 2019, 29(2), DOI:10.1002/2050-7038.12072.
9. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Хынг Ч.З. Автоматические регуляторы для установок распределенной генерации. – Системы. Методы. Технологии, 2014, № 3, с. 108–116.
10. Ревякин Е.Е., Сушков В.В., Хамитов Р.Н. Исследование совместной работы автономной газотурбинной электростанции и генерирующего узла с возобновляемыми источниками электроэнергии. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2023, т. 19, № 1, с. 14–11.
11. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Моделирование аварийных режимов в системах электроснабжения с установками распределенной генерации. – Информационные и математические технологии в науке и управлении, 2017, № 1 (5), с. 7–18.
12. Джендубаев А.-З.Р., Кононов Ю.Г., Джендубаев Э.А.-З. Электроэнергетика будущего: инверторные технологии и постоянный ток. – Энергия единой сети, 2020, № 4, с. 50–61.
13. Джендубаев А.-З.Р., Кононов Ю.Г., Джендубаев Э.А.-З. Моделирование автономной электроэнергетической системы постоянного тока с полупроводниковыми трансформаторами. – Электричество, 2022, № 7, с. 24–39.
14. Джендубаев Э.А.-З. Технико-экономические аспекты постр15.оения минигрид постоянно-переменного тока. – Вестник Северо-Кавказского федерального университета, 2023, № 4, с. 14–26.
15. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications-A Glimpse into the Future. – 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE 2019), 2019.
16. Breaking the Power Plant Efficiency Record [Электрон. ресурс], URL: https://www.gevernova.com/gas-power/resources/articles/2016/power-plant-efficiency-record (дата обращения 01.03.2024).
17. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики: состояние и тенденции развития. – Электротехника, 2007, № 6, с. 2–5.
18. Hatua K. et al. Transformer Less Intelligent Power Substation Design with 15kV SiC IGBT for grid interconnection//2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. – IEEE, 2011, pp. 4225–4232, DOI:10.1109/ECCE.2011.6064346.
19. MathWorks. MATLAB [Электрон. ресурс], URL: https://www.mathworks.com (дата обращения 01.03.2024).
20. Миронов А.А. Особенности работы преобразователей с ШИМ-контроллером в режиме малых нагрузок и холостого хода. – Практическая силовая электроника, 2017, № 1 (65), с. 42–45.
21. Миронов А. Особенности работы преобразователей с ШИМ-контроллером. – Силовая электроника, 2022, т. 1 (94), с. 36–39.
22. Голобоков Г.В. и др. Специальные турбогенераторные установки. – Электричество, 2019, № 12, с. 10–13.
---
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-38-90127).
#
1. Voropay N.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 7, pp. 12–21.
2. Byk F.L., Ilyushin P.V., Myshkina L.S. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2021, vol. 64, No. 6, pp. 78–87.
3. Andronov M. [Electron. resource], URL: https://www.if24.ru/budushhee-energetiki/?ysclid=lx8mup7ux8872814704 (Date of appeal 01.03.2024).
4. Kosarev B.А. et al. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin – in Russ. (Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines), 2019, vol. 7, No. 2, pp. 44–50.
5. Petrushchenkov V.A., Korshakova I.A. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Problems), 2020, vol. 22, No. 5, pp. 51–69.
6. Achitaev А.А. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 1, pp. 25–31.
7. Antonov B.М. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 7, pp. 4–10.
8. Arfeen Z.A et al. Control of Distributed Generation Systems for Microgrid Applications: A Technological Review. – International Transactions on Electrical Energy Systems, 2019, 29(2), DOI:10.1002/2050-7038.12072.
9. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Khyng Ch.Z. Sistemy. Metody. Tekhnologii – in Russ. (The Systems Methods. Technologies), 2014, No. 3, pp. 108–116.
10. Revyakin E.E., Sushkov V.V., Hamitov R.N. Elektro-tekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrical Engineering and Information Complexes and Systems), 2023, vol. 19, No. 1, pp. 14–11.
11. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Alekseenko Е.А. Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii – in Russ. (Information and Mathematical Technologies in Science and Management), 2017, No. 1 (5), pp. 7–18.
12. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.А.-Z. Energiya edinoy seti – in Russ. (Energy of Unified Grid), 2020, No. 4, pp. 50–61.
13. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.А.-Z. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 7, pp. 24–39.
14. Dzhendubaev E.A.-Z. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the North Caucasus Federal University), 2023, No. 4, pp. 14–26.
15. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications-A Glimpse into the Future. – 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE 2019), 2019.
16. Breaking the Power Plant Efficiency Record [Electron. resource], URL: https://www.gevernova.com/gas-power/resources/articles/2016/power-plant-efficiency-record (Date of appeal 01.03.2024).
17. Antipov V.N., Danilevich Ya.B. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2007, No. 6, pp. 2–5.
18. Hatua K. et al. Transformer Less Intelligent Power Substation Design with 15kV SiC IGBT for grid interconnection//2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. – IEEE, 2011, pp. 4225–4232, DOI:10.1109/ECCE.2011.6064346.
19. MathWorks. MATLAB [Electron. resource], URL: https://www.mathworks.com (Date of appeal 01.03.2024).
20. Mironov А.А. Prakticheskaya silovaya elektronika – in Russ. (Practical Power Elecronics), 2017, No. 1 (65), pp. 42–45.
21. Mironov А. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2022, vol. 1 (94), pp. 36–39.
22. Golobokov G.V. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 12, pp. 10–13
---
This work was financially supported by the RFBR, grant no. 20-38-90127
Published
2024-05-30
Issue
Section
Article
