Моделирование минигрид постоянно-переменного тока с газотурбинной и солнечной электростанциями
Ключевые слова:
минигрид, газовая турбина, асинхронный генератор, полупроводниковый трансформатор постоянного тока, солнечная батарея, MATLAB, Simulink, SimPowerSystems
Аннотация
В статье показаны особенности роста количества и мощности «скрытых» потребителей постоянного тока на фоне снижения доли потребителей переменного тока. Рассмотрены причины распространения и перспективы использования систем постоянно-переменного тока на примере минигрид. Представлена ее блочно-ориентированная имитационная модель в среде MATLAB и ее расширениях Simulink и SimPowerSystems. Приведены результаты моделирования переходных и установившихся режимов работы минигрид постоянно-переменного тока с газотурбинной электростанцией постоянного тока, состоящей из газотурбинного двигателя, быстроходного асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и конденсаторным самовозбуждением, среднечастотного (400 Гц) повышающего трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. Также в состав минигрид входят: солнечная батарея; силовой полупроводниковый трансформатор постоянного тока на основе инвертора с широтно-импульсной модуляцией (1000 Гц), среднечастотного понижающего трансформатора с выпрямителем и сглаживающим фильтром; нагрузка постоянного тока. Представлена система стабилизации напряжения генератора за счет изменения частоты вращения турбины. Показано, что газотурбинная электростанция позволяет в автоматическом режиме нивелировать проблемы, связанные с изменением напряжения из-за неравномерности графиков нагрузки потребителей постоянного тока и генерирующих устройств в виде солнечной батареи и выпрямительной подстанции централизованной электроэнергетической системы переменного тока (50 Гц).
Литература
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
