Мохно А.А.- Динамическое моделирование системы MicroGrids

Аннотация

Соединение небольших генерирующих модулей, технологий хранения и распределения энергии на среднем и низком уровне существенно может повлиять на производительность энергосистемы. В этой статье описаны основные модели Microgrid. В частности, это модели микротурбины, топливные элементы, фотоэлектрические системы и ветряные турбины. Данные устройства были интегрированы в платформу моделирования для изучения их работы в статическом и динамическом режиме. Инструмент моделирования, разработан в рамках проектирования сетей MICROGRIDS, финансируемый ЕС, используется для определения и оценки дальнейшей стратегии развития сетей Microgrid.

Ключевые слова - Microgrids, ветряные турбины, топливные элементы, Фотоэлектрические системы, микро-турбины, динамическая устойчивость.

Резюме

Маломощные, модульные технологии генерации электроэнергии могут быть объединены с распределительными системами низкого напряжения (НН), в этом и заключается формирование нового типа системы питания Microgrid [1, 2]. Элементы MicroGrids могут быть подключены к основной сети питания так и работать автономно, образуя свою энергетическую систему. Микрогенераторы имеют небольшую мощность, порядка 100 кВт каждая единица, питающихся от возобновляемых источников энергии или ископаемых видов топлива. Эта технология имеет решающее значение для сокращения выбросов парниковых газов и зависимости от импорта ископаемого топлива. Концепция Microgrid позволит наиболее эффективно израсходовать ископаемое топливо.

MicroGrids можно использовать в однофазных цепях с однофазной нагрузкой. В таких сетях могут возникать условия небаланса мощности, которые могут быть усилены с взаимодействием динамических нагрузок, таких как асинхронные двигатели. Для моделирования таких ситуаций инструменты анализа должны моделировать трехфазные системы, сети с заземленной и изолированной нейтралью. Такие средства должны включать в себя статическое и динамическое состояние моделей для различных микро-источников.

Эта статья представляет модели микро-источников, а также смоделированную платформу, разработанную в рамках проекта MICROGRIDS [1]. Платформа способна имитировать установившейся и динамический режимы трехфазных сетей, которые включают микро-генераторы. Это связано с разработкой точных моделей микро-источников, машин (индукционных и синхронных машин) и преобразователей [3]. Обычно эти устройства непосредственно связаны с сетью и, следовательно, оказывают влияние на изменение напряжения и частоты в энергосистеме. В этой статье рассматриваются следующие модели:

Генераторы индукционные;
Микро-турбины;
Фотоэлектрические системы;
Топливные элементы;
СЭУ;
ВЭУ;

Аналитический инструмент моделирования способен представлять динамические характеристики при подключении сети MicroGrid в энергосистему и при автономной работе, как в симметричных так и несимметричных условиях. Весь инструмент встроен в Matlab.

Для повышения эффективности моделирования имитационная модель описывается векторным подходом.

В модели используется трехфазная сеть (a,b,c), при различном подключении нейтрального проводника. Микро-источники и динамические нагрузки сопряжены с сетью с помощью блока «stator EMF-behind-reactance». Сети, нагрузки и источники дисбаланса могут быть легко обработаны пользователем. Модель была тщательно протестирована в различных условиях работы сети (нормальных и аварийных).

Тестируемая модель энергосистемы представлена на рис.1. Это модель Microgrid сети, которая была разработана [1] для использования в качестве опорной сети для тестирования.

Рисунок 1 – Пример сети Мicrogrid

Рассмотренные исследования широко описывают следующие условия работы сети:

Управление сетью с несколькими преобразователями батарей как единиц образующих сеть;
Работа с батареей инверторов и солнечными батареями подключенных в различных узлах;
Работа с батареей инверторов, солнечными батареями и ветро-турбинами в той же сети.

Аварийные ситуации:

Изоляция сети MicroGrid от основной сети;
Изменения нагрузки в сети MicroGrid;
Нестабильная работа ветро и солнечных установок;
Отключение в сети батарей инверторов.

Во всех случаях результаты моделирования показывают, что система устойчива в различным аварийным ситуациям. Это подтверждает пригодность сети Мicrogrid для дальнейшего исследования.

Список использованной литературы

1. “MICROGRIDS – Large Scale Integration of Micro-Generation to Low Voltage Grids”, EU Contract ENK5-CT-2002-00610, http://microgrids.power.ece.ntua.gr
2. “The CERTS Microgrid Concept”, White paper on Integration of Distributed Energy Resources, R. Lasseter at al, April 2002
3. Technical Brochure CIGRE Task Force 38.01.10, “Modeling New Forms of Generation and Storage”, Nov. 2000.
4. F. D. Kanellos, N.D. Hatziargyriou, “The Effect of Variable Speed Wind Turbines on the Operation of Weak Distribution Networks”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol: 17, issue: 4, pages: 543 -548, December 2002.
5. J.H. Watts, “Microturbines: a new class of gas turbine engines”, Gas Turbine News in Brief 39 (1), 5-11, 1999.
6. M. Nagpal, A. Moshref, G.K. Morison, et al., “Experience with testing and modeling of gas turbines”, Proc. of the IEEE/PES 2001 Winter Meeting, pp. 652-656, Jan./Feb. 2001,Columbus, Ohio, USA.
7. Y. Zhu, K. Tomsovic, “Development if models for analyzing loadfollowing performance of microturbines and fuel cells”, Electric Power Systems Research 62, 1-11, 2002.
8. J. C. H. Phang, D. S. H. Chan, J. R. Phillips, “Accurate Analytical Method for the Extraction of Solar Cell Model Parameters”, Electronics Letters, 10th May 1984 Vol. 20 No. 10, pp. 406-408.
9. D. L. King, “Photovoltaic Module and Array Performance Characterization Methods for All System Operating Conditions,” NREL/SNL Program Review, AIP Press, 1996, pp.347-368.
10. Schauder, C., Mehta, H., “Vector Analysis and Control of Advanced Static VAR compensators”, IEE PROCEEDINGS-C, Vol. 140, No.4, July 1993.