Назад в библиотеку

---

Аннотация.

Цель данной работы – представить новые принципы для контроля работы MicroGrid, особенно в режиме секционирования. Принципы управления в основном включают в себя координацию вторичного регулирования частоты и нагрузки с помощью Центрального Контроллера MicroGrid, управляющего иерархической системой контроля, которая может обеспечить стабильную и безопасную работу в случае секционирования MicroGrid и в случаях изменения нагрузки в режиме секционирования.

Ключевые слова.

Возобновляемая энергия, Распределенная генерация, Вторичное регулирование.

Введение

Подсоединение электроустановки к сетям Низкого Напряжения (НН) вызывает большой интерес у специалистов во всем мире, стимулируя при этом проведение исследований и предварительных опытов. В связи с этим, в рамках проекта MicroGrids, финансированного Европейским Союзом, была разработана концепция MicroGrid (MG). МG [1] можно опсать как распределительную систему НН, к которой подсоединены небольшие модульные генерирующие системы. В общем, MG соответствует соединению электрических нагрузок с небольшими генерирующими системами через распределительную сеть НН. Это означает, что нагрузка и источники близки в физическом смысле.

С учетом существующих технологий, системы электроустановок малой мощности могут включать несколько видов устройств, таких как топливные элементы, ветротурбины или фотоэлектрические (ФЭ) системы, а также микротурбины, работающие как на газу, так и на биотопливе.

Кроме распределительных сетей НН, электроустановок малой мощности и электрических нагрузок, MG должен также включать какие–либо запоминающие устройства (например аккумуляторы или маховики), а так же системы управления сетями. Запоминающие устройства будут играть существенную роль в такой сети, в основном для случаев отслеживания нагрузки.

На текущем этапе исследований предполагается, что MG может в основном работать в двух режимах:

1. Нормальный сопряженный режим – MG будет электрически соединен с главной сетью Среднего Напряжения (СН) или будет питаться от этой сети (полностью или частично, в зависимости от методов распределения генерации, принятых для работы микроисточников), или энергия будет подаваться на основную сеть MG (в случае, когда установленная мощность микроисточников и электрические нагрузки позволяют выполнить такую операцию);
2. Аварийный режим – в случае, если в основной сети MG произошел сбой, MG должна иметь возможность работать изолированно, то есть автономно, подобно энергосистемам физического секционирования.

Для оценки динамических характеристик некоторых микроисточников, работающих совместно в сети НН при заданных условиях, включая совместную и автономную работу MG, была разработана платформа системы моделирования в среде MatLab® Simulink®.

Для испытания эффективности рассматриваемого подхода была разработана платформа системы моделирования в среде MatLab® Simulink®. На данном этапе рассматривается только трехфазный режим эксплуатации сети.

Анализ требует разработки комплекса динамических моделей, которые способны смоделировать характеристику MG в заданных условиях. Для этого были смоделированы несколько микроисточников и запоминающих устройств. Эти модели, а также системы управления, тоже входят в состав платформы системы моделирования MatLab® Simulink®. Использованные модели подробно описаны в [2].

На рис. 1 показана система для модельных испытаний, разработанная фирмой NTUA [2], которая используется в данном исследовании. Эта сеть вместе с микроисточниками и нагрузками была транспортирована на платформу системы моделирования, показанную на рис. 2. Она включает в себя модели и элементы управления микротурбинами (одновальными и с независимыми силовыми турбинами), топливными элементами, небольшими асинхронными ветрогенераторами, фотоэлектрическими панелями и запоминающими устройствами (маховиками и аккумуляторами), а также контролируемыми нагрузками (которые доступны в случае отключения нагрузки).

Основные понятия

Основной рассматриваемый принцип управления включает в себя выход на режим секционирования MG в случае нарушения работы сети СН или в других исключительных случаях. В отличие от классического убеждения, что любыми способами следует избежать работы в режиме секционирования, разрабатывается новая стратегия, которая включает в себя запланированные операции при таких условиях. Затем процедура секционирования контролируется и осуществляется намеренно, в соответствии с тщательно спланированными условиями работы, которые относятся не только к уровням нагрузки и уровням распределенных ресурсов, но также и к различным типам установленных по умолчанию значений, и т.д.

Управление MG – это довольно непростой вопрос. Чтобы обеспечить устойчивую работу MG, нужно разработать сложную структуру. Центральный Контроллер MicroGrid (ЦК MG) отвечает за управление работой [3].

Работа MG основана на управлении схемой, которая использует инверторные методы регулирования [4]. Такая схема требует наличия эталонной частоты и напряжения, которые могут обеспечиваться небольшим дизельным двигателем или Инвертором напряжения (ИН). В данном случае используется один ИН, соединенный с маховиком, а другие инверторы действуют как источники тока, следующие за эталоном со стороны ИН или СН, при наличии таковой.

Управление MG и структура ЦК MG

ЦК MG может выполнять множество функций, одна из которых – вторичный контроль частоты и нагрузки. Эта функция подобна одной из стандартных систем Автоматического управления мощностью (АУМ). ЦК MG координирует схему иерархического контроля, инфраструктура управления которой показана на рис. 3.

Предполагается, что ЦК MG должен устанавливаться на сторону НН подстанции СН/НН. ЦК MG связывает между собой MG и распределительную сеть, а также выполняет несколько важных функций. На втором иерархическом уровне каждым микрогенератором и запоминающим устройством локально управляет Контроллер микроисточника (КМ), а каждой электрической нагрузкой локально управляет Контроллер нагрузки (КН). Чтобы достичь хороших характеристик схемы управления, необходимо использовать эффективную инфраструктуру связи.

Вторичный контроль частоты и нагрузки

Существует два метода осуществления вторичного контроля частоты и нагрузки MG: локальный (на каждом микроисточнике используется локальный ПИ-регулятор, как показано на рис. 4) либо централизованный или автоматический под управлением ЦК MG. Вторичный контроль частоты и нагрузки осуществляется следующим образом: когда MG работает сопряжено с сетью CН, централизованный контроль недоступен; однако, как только MG становится изолированной, ЦК MG должен координировать вторичный контроль частоты и нагрузки.

Основными задачами вторичного контроля на ЦК MG являются: поддерживать частоту системы на уровне 50 Гц; поддерживать генерацию каждого элемента на уровне самого большого экономического значения.

Следует отметить, что, в отличие от стандартного осуществления АУМ, межсистемный контроль здесь не применим, так как рассматривается только одна контролируемая область – MG.

Вторичный контроль частоты и нагрузки включается после осуществления действий локальными КМ в ответ на несогласованность нагрузки и генерации. Эта несогласованность может быть вызвана либо секционированием MG, либо отклонением уровня нагрузки или уровня генерации микроисточника [5] (как результат образования ветра или фотоэлектрического эффекта).

Чтобы осуществить контроль частоты и нагрузки, ЦК MG получает и записывает информацию о УН (уровнях нагрузки), УАММ (уровнях активной мощности микрогенерации) и измерениях частоты.

Используя колебания мощности в качестве информации на входе, а также учитывая коэффициент участия (КУ), рассчитанный с использованием целевых функций каждого микроисточника и заданных экономических значений для микрогенераторов, функция вто-ричного контроля частоты, осуществляемого на ЦК MG, определяет рабочие точки активной мощности, которые посылаются обратно на КМ, чтобы отрегулировать производительность, а вследствие и откорректировать частотный сдвиг.

Оптимальное заданное экономическое значение (Osp) для каждого микроисточника обнов-ляется каждые 60 секунд. Эти значения вводятся из таблицы, которая содержит результаты распределения активной нагрузки для рыночных условий.

Структура централизованного вторичного контроля нагрузки и частоты представлена на рисунке 5.

Эта отдельная структура использует только два микроисточника для вторичного контроля частоты и нагрузки, но ее можно обобщить и включить больше микроисточников.

Связь MG

Вопросы связи в MG заслуживают отдельного внимания, так как во время работы в MG могут возникнуть быстрые электрические броски, которые являются результатом ее низкоинерционности при работе в режиме секционирования. В связи с этим, очень важным является вопрос включения задержек работы в схему централизованного вторичного контроля.

Для того чтобы рассчитать задержки при передаче информации с УН и УАММ на ЦК MG, или с ЦК MG на УН и УАММ, в схему управления ЦК MG включается блок, который соответствует обеим задержкам. С другой стороны, чтобы предотвратить передачу лишней информации, данные о рабочих точках активной мощности для микроисточников не должны передаваться с очень малыми промежутками времени. Поэтому ЦК MG передает информацию о рабочих точках на УАММ каждые 5 секунд.

Изучается несколько вариантов, касающихся инфраструктуры связи. Связь по линиям электропередач (СЛП) в настоящее время является одной из самых перспективных, но не следует исключать и другие решения, как, например, Беспроводной доступ.

Чтобы оценить динамическое поведение MG, содержащее секционирование MG, включая разработанный подход к осуществлению контроля частоты и нагрузки, было проведено несколько моделирований. Для оценки эффективности этих методик использовалась ис-пытательная система NTUA. В этом разделе сравниваются результаты использования локального и централизованного контроля, производимого ЦК MG.

Динамическое поведение MG оценивалось после отсоединения сети СН при t=40 с. Начальная суммарная нагрузка MG равнялась приблизительно 72 кВт, а генерация от микроисточников (до секционирования MG) – приблизительно 32 кВт. Так как были зарегистрированы колебания частоты, некоторую нагрузку отключили, чтобы способствовать восстановлению значения частоты. Позднее нагрузку опять подключили поэтапно, с небольшим шагом нагружения, что позволило оценить поведение MG в условиях изменяющейся нагрузки.

Локальный контроль

Результаты, полученные при использовании подхода контроля ПИ-частоты, показаны на двух следующих рисунках. На них изображены частота MG и выходная характеристика активной мощности SOFC и микротурбины.

Централизованный подход

Среди микроисточников, входящих в состав MG, SOFC и одновальная микротурбина являются наиболее подходящими для осуществления вторичного контроля, так как они имеют источник первичной энергии и не зависят от перемежаемости, в отличие от ветрогенератора и фотоэлектрической панели. Эти два микроисточника гарантируют вторичный контроль частоты и нагрузки, получая приказы от ЦК MG через соответствующий УН.

Представлены два набора результатов. В первом ветер и излучение, которые являются ис-точниками для ветрогенератора и фотоэлектрической панели, считаются постоянными. Во втором считаем, что ветер и излучение изменяются случайным образом.

На следующих двух рисунках представлены результаты, полученные для постоянных значений скорости ветра и излучения.

Сравнивая эту характеристику с характеристикой, полученной при использовании локального контроля частоты, следует отметить, что централизованный контроль осуществляется немного медленнее.

На следующих двух рисунках представлены результаты, полученные для переменных значений скорости ветра и излучения.

Отсюда видно, что частота при работе в режиме секционирования имеет некоторые колебания, возникающие вследствие изменений скорости ветра и излучения.

Выводы

Результаты моделирования говорят о том, что секционирование в MG может осуществляться безопасно при разных условиях работы, а также что ЦК MG обеспечивает не только безопасное, но и стабильное функционирование в режиме секционирования.

Было показано, что централизованный вторичный контроль дает хорошие характеристики при использовании алгоритма вторичного контроля частоты и нагрузки, который представлен на ЦК MG, по сравнению с опорным методом локального вторичного контроля. К тому же, централизованный вторичный контроль частоты и нагрузки позволяет управлять MG как по техническим, так и по экономическим критериям.

Благодарность

Авторы выражают благодарность Европейской Комиссии за финансовую поддержку в рамках проекта «MicroGrids» Европейского Союза, № контракта ENK-CT-2002-00610.

Список источников

1. R. Lasseter et al, “The CERTS Microgrid Concept”, White paper on Integration of Distributed Energy Resources, April 2002.
2. N. Hatziargyriou et al, “Modelling of Micro-Sources for Security Studies”, CIGRE Session, 2004.
3. J. Pecas Lopes, J. Tome Saraiva, N. Hatziargyriou, N. Jenkins, “Management of MicroGrids”, JIEEC2003 Bilbao, 2003.
4. S. Barsali, M. Ceraolo, P. Pelacchi, “Control techniques of Dispersed Generators to improve the continuity of electricity supply”, IEEE, 2002.
5. B. Delfino, F. Fornari, S. Massuco, “Load-Frequency Control: new perspectives in the open access environment”, IEEE, 2000.
6. J. Pecas Lopes, C. Moreira, A. Madureira, “Emergency Strategies and Algorithms”, MicroGrids project deliverable DD1, October 2004.