probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-2-55-67probener-3022Research ArticleЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫELECTROTECHNICAL COMPLEXES AND SYSTEMSПрименение виртуального синхронного генератора в энергосистемах и его моделирование в программном комплексе MatlabApplication of virtual synchronous generator technology in power systems and its modeling in the Matlab software packagehttps://orcid.org/0000-0001-9624-965XСаттаровР. Р.SattarovR. R.

Саттаров Роберт Радилович – д-р техн. наук, профессор кафедры «Электротехники и электрооборудования предприятий»

г. Уфа

Robert R. Sattarov

Ufa

sattar.rb@gmail.comГарафутдиновР. Р.GarafutdinovR. R.

Гарафутдинов Рустам Разифович – аспирант кафедры «Автоматизации технологических процессов»

г. Уфа

Rustam R. Garafutdinov

Ufa

garafutdinov_r_r@mail.ruУфимский государственный нефтяной технический университетРоссияUfa State Petroleum Technological UniversityRussian FederationУфимский университет науки и технологийРоссияUfa University of Science and TechnologyRussian Federation2024030620242625567Copyright © Саттаров Р.Р., Гарафутдинов Р.Р., 20242024Саттаров Р.Р., Гарафутдинов Р.Р.Sattarov R.R., Garafutdinov R.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3022

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время ввод в эксплуатацию электростанций на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с применением инверторов получает широкое распространение. Однако эти электростанции не участвуют в поддержании устойчивости энергосистемы при аварийных возмущениях, так как отключаются технологическими защитами при возникновении возмущения. В будущем, когда электростанции на основе ВИЭ получат широкое распространение обеспечение возможности их участия в поддержании устойчивости позволит существенно повысить надежность энергосистемы. Предварительную оценку эффективности участия в поддержании устойчивости необходимо выполнять путем компьютерного моделирования.ЦЕЛЬ. Реализовать возможность участия электростанций на основе ВИЭ в обеспечении надежной и устойчивой работы энергосистемы, а также реализовать возможность выполнения предварительной оценки эффективности предлагаемого метода.МЕТОДЫ. В данной работе предлагается применение технологии виртуального синхронного генератора для реализации возможности участия электростанций на основе ВИЭ в обеспечении надежности и устойчивости энергосистемы. Также предлагается способ моделирования виртуального синхронного генератора в программном комплексе Matlab.РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена технология виртуального синхронного генератора, которая с использованием инвертора, накопителя электрической энергии и соответствующей системы управления может обеспечить повышение динамической устойчивости энергосистемы. Предложен способ моделирования виртуального синхронного генератора в программном комплексе Matlab. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что построенная модель виртуального синхронного генератора эффективна, сохраняет устойчивость системы и обеспечивает корректное управление инвертором, вследствие чего параметры электрической сети поддерживаются в допустимых пределах. Полученная компьютерная модель может использоваться в дальнейших исследованиях.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Технология виртуального синхронного генератора позволяет воспроизводить в инверторе инерционный и демпфирующий отклик традиционного синхронного генератора, а предложенная компьютерная модель поможет оценить эффективность применения данной технологии при внедрении в энергосистему.

Currently, the commissioning of power plants based on renewable energy sources (RES) using inverters is becoming widespread. However, these power plants do not participate in maintaining the stability of the power system during emergency disturbances, since they are switched off by technological protections when a disturbance occurs. In the future, when power plants based on renewable energy sources become widespread, ensuring the possibility of their participation in maintaining sustainability will significantly increase the reliability of the energy system. A preliminary assessment of the effectiveness of participation in maintaining sustainability should be carried out through computer modeling.THE PURPOSE: To realize the possibility of participation of RES-based power plants in ensuring reliable and sustainable operation of the power system, as well as to realize the possibility of performing a preliminary assessment of the effectiveness of the proposed method.METHODS. In this paper, the application of virtual synchronous generator technology is proposed to realize the possibility of participation of RES-based power plants in ensuring the reliability and sustainability of the power system. Also, a method of modeling the virtual synchronous generator in Matlab software package is proposed.RESULTS. The technology of virtual synchronous generator is proposed, which with the use of inverter, electric energy storage and appropriate control system can provide the increase of dynamic stability of power system. A method of modeling the virtual synchronous generator in Matlab software package is proposed. The results obtained allow us to conclude that the constructed model of a virtual synchronous generator is efficient, maintains the stability of the system and ensures correct control of the inverter, as a result of which the parameters of the electrical network are maintained within acceptable limits. The resulting computer model can be used in further research.CONCLUSION. The technology of virtual synchronous generator allows to imitate in the inverter the inertial and damping characteristics of the traditional synchronous generator, and the proposed computer model will help to evaluate the effectiveness of this technology when implemented in the power system.

виртуальныйсинхронныйгенераторинверторустойчивостьсолнечныеэлектростанцииВИЭкомпьютерное моделированиеMatlabvirtualsynchronousgeneratorinverterstabilitysolarpower plantsREScomputer simulationMatlabReferencesСаттаров Р.Р., Гарафутдинов Р.Р. Технология виртуального синхроннного генератора для повышения устойчивости энергосистем // Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. ст. науч.-техн. конф./Нижегород. гос. техн.ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2021. – 435 с.Sattarov R.R., Garafutdinov R.R. Tekhnologiya virtual'nogo sinhronnnogo generatora dlya povysheniya ustojchivosti energosistem. Aktual'nye problemy elektroenergetiki. 2021. – 435 s (In Russ).Шерьязов С.К., Исенов С.С., Искаков Р.М., и др. Основные типы ветротурбингенераторов в системе электроснабжения // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т.23. № 5. С. 24-33.Sheryazov S.K., Issenov S.S., Iskakov R.M., et al. The main types of wind turbines-generators in the power supply system. Power engineering: research, equipment, technology. 2021;23(5):24-33. (In Russ.) doi:10.30724/1998-9903-2021-23-5-24-33.Cheema K.M. A comprehensive review of virtual synchronous generator // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2020. Vol. 120.Cheema K.M. A comprehensive review of virtual synchronous generator // International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 120, 2020. doi:10.1016/j.ijepes.2020.106006.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. – Т. 8. – №. 3. – С. 399-411.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;8(3):399-411. doi:10.35833/MPCE.2019.000592.Sakimoto K., Miura Y., Ise T. Stabilization of a power system with a distributed generator by a Virtual Synchronous Generator function // 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, 2011, pp. 1498-1505.Sakimoto K., Miura Y., Ise T. Stabilization of a power system with a distributed generator by a Virtual Synchronous Generator function. 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, 2011; 1498-1505, doi: 10.1109/ICPE.2011.5944492.Зацаринная Ю.Н., Реутин Г.В., Курилов С.С., и др. Прогнозирование выработки электроэнергии фотоэлектрической станции методами машинного обучения. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023. Т. 25. № 3. С. 81–92.Zacarinnaya Yu.N., Reutin G.V., Kurilov S.S., et al. Prediction of electricity generation from res by machine learning methods. Power engineering: research, equipment, technology. 2023;25(3):81-92. (In Russ). doi:10.30724/1998-9903-2023-25-3-81-92.Бурмейстер М. В., Булатов Р. В., Блинова К. А. Применение систем виртуальной инерции для улучшения качества переходных процессов в электроэнергетических системах // Фёдоровские чтения — 2021 : LI международная научно-практическая конференция с элементами научной школы, Москва, 17–19 ноября 2021 года. – Москва: Издательский дом МЭИ, 2021. – С. 318-324.Burmeister M. V., Bulatov R. V., Blinova K. A. Primenenie sistem virtual'noi inertsii dlya uluchsheniya kachestva perekhodnykh protsessov v elektroenergeticheskikh sistemakh. Fedorovskie chteniya — 2021 : LI mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya s elementami nauchnoi shkoly, Moskva, 17–19 Nov 2021. – Moscow: MEI Publ., 2021. – pp. 318-324. (In Russ.).Аскаров А.Б., Суворов А.А., Андреев М.В., Гусев А.С. К вопросу о современных принципах управления возобновляемыми источниками энергии на основе виртуального синхронного генератора. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2022. № 41. С. 5-30.Askarov A.B., Suvorov A.A., Andreev A.S, Gusev M.V. To the Question of Modern Principles of Renewable Energy Sources Control Based on a Virtual Synchronous Generator. Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Sys`s. 2022;41:5-30. (In Russ.). doi:10.15593/2224-9397/2022.1.01.Mallemaci V., Mandrile F., Rubino S. et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation //Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 201. pp. 107516.Mallemaci V., Mandrile F., Rubino S. et al. A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation. Electric Power Systems Research. 2021;201:107516. doi:10.1016/j.epsr.2021.107516.Sang W., Guo W., Dai S., et al. Virtual synchronous generator, a comprehensive overview //Energies. 2022. Vol. 15. N17. pp. 6148.Sang W., Guo W., Dai S., et al. Virtual synchronous generator, a comprehensive overview. Energies. 2022;15(17). pp. 6148.Kong, X., Pan, J., Gong, X., et al. Emulating the features of conventional generator with virtual synchronous generator technology: an overview // The Journal of Engineering, 2017. Vol. 13, pp. 2135–2139.Kong, X., Pan, J., Gong, X., et al. Emulating the features of conventional generator with virtual synchronous generator technology: an overview. The Journal of Engineering, 2017;(13):2135–2139. doi:10.1049/joe.2017.0707.Сардалов Р.Б., Ельмурзаев А.А., Дебиев М.B., и др. Перспективы развития традиционной и нетрадиционной энергетики Чеченской Республики. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23 № 4. С. 134-144.Sardalov R.B., Elmurzaev A.A., Debiev M.V., et al. Prospects for the development of traditional and unconventional energy in the Chechen Republic. Power engineering: research, equipment, technology. 2021;23(4):134-144. (In Russ.) doi:10.30724/1998-9903-2021-23-4-134-144.Hirase Y., Ohara Y., Bevrani H. Virtual synchronous generator-based frequency control in interconnected microgrids //Energy Reports. 2020. Vol. 6. pp. 97-103.Hirase Y., Ohara Y., Bevrani H. Virtual synchronous generator-based frequency control in interconnected microgrids. Energy Reports. 2020;(6):97-103. doi:10.1016/j.egyr.2020.10.044.Lin C., Xiao L., Sattarov R. Power System Control of More-electric Aircraft Engine Based on Double Closed Loop Feedback. 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 2019, pp. 1-6.Lin C., Xiao L., Sattarov R. Power System Control of More-electric Aircraft Engine Based on Double Closed Loop Feedback. 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 2019; pp. 1-6, doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950008.Robert F., Roger C. Review of the Impacts of Distributed Generation on Distribution Protection. 2015 IEEE Rural Electric Power Conference (REPC); 2015. pp. 69-74. doi: 10.1109/REPC.2015.12Robert F., Roger C. Review of the Impacts of Distributed Generation on Distribution Protection. 2015 IEEE Rural Electric Power Conference (REPC). 2015. pp. 69-74. doi:10.1109/REPC.2015.12.Лукутин Б.В., Каррар Хамид А. Оптимизация энергетических балансов фотоэлектрической станции с электрохимическим и тепловым аккумулированием солнечной энергии // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. № 2. С. 3-13.Lukutin B.V., Karrar Hameed K. Optimization of energy balances of a photovoltaic power plant with electrochemical and thermal storage of solar energy. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(2):3-13. (In Russ.) doi:10.30724/1998-9903-2022-24-2-3-13.Гарафутдинов Р.Р., Саттаров, Р.Р. Моделирование усовершенствованной автоматики ограничения перегрузки оборудования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2020. Т. 20. № 1. С.30–37.Sattarov R.R., Garafutdinov R.R. Modeling Advanced Automatic Overcurrent Limiting System. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2020; 20(1): 30–37. (in Russ.) doi:10.14529/power200104.Sattarov R., Fedosov E., Garafutdinov R. et al., Application of PSCAD in Practical Studies of Electrical Power Engineering Student // 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 2019, pp. 1-6.Sattarov R., Fedosov E., Garafutdinov R. et al., Application of PSCAD in Practical Studies of Electrical Power Engineering Student // 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 2019; 1-6, doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950001.Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Суслов К.В. Исследование режимов работы изолированной системы электроснабжения с управляемыми установками распределенной генерации, накопителями электроэнергии и двигательной нагрузкой // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. № 5. С. 184-194.Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Suslov K.V. The study of the isolated power supply system operation with controlled distributed generation plants, energy storage units and drive load. Power engineering: research, equipment, technology. 2021;23(5):184-194. (In Russ.) doi:10.30724/1998-9903-2021-23-5-184-194.Бурмейстер М.В., Булатов Р.В., Кочергин А.В., и др. Применение виртуальной синхронной машины для интеграции возобновляемых источников энергии в объединённые энергосистемы // Научное сообщество студентов: междисциплинарные исследования: сб. ст. по мат. LXXIV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 15(74).Burmejster M.V., Bulatov R.V., Kochergin A.V., et al. Primenenie virtual'noj sinhronnoj mashiny dlya integracii vozobnovlyaemyh istochnikov energii v ob"edinyonnye energosistemy. Nauchnoe soobshchestvo studentov: mezhdisciplinarnye issledovaniya: sb. st. po mat. LXXIV mezhdunar. stud. nauch.-prakt. Konf.№ 15(74) (In Russ).Колпаков А.И. Конденсаторы Electronicon для высоковольтных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии, 2004 г. № 6. С. 22-25.Kolpakov A.I. Kondensatory Electronicon dlya vysokovol'tnyh preobrazovatel'nyh ustrojstv. Komponenty i tekhnologii, 2004; 6: 22-25 (In Russ).Abuagreb M., Allehyani M. F., Johnson B. K. Overview of Virtual Synchronous Generators: Existing Projects, Challenges, and Future Trends //Electronics. – 2022. – Vol. 11, N18. pp. 2843.Abuagreb M., Allehyani M. F., Johnson B. K. Overview of Virtual Synchronous Generators: Existing Projects, Challenges, and Future Trends. Electronics. 2022;11(18):2843. doi: 10.3390/electronics11182843.Zhong Q-C, Weiss G. Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators // IEEE Trans Industr Electron. 2010. Vol. 58, N4. pp.1259–1267.Zhong Q-C, Weiss G. Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators // IEEE Trans Industry Electron. 2010. 58(4):1259 - 1267. doi: 10.1109/TIE.2010.2048839.Lou G.,Yang Q., Gu W., et al. An improved control strategy of virtual synchronous generator under symmetrical grid voltage sag //International Journal of Electrical Power & Energy Systems.2020. Vol. 121. pp 106093.Lou G.,Yang Q., Gu W., et al. An improved control strategy of virtual synchronous generator under symmetrical grid voltage sag. International Journal of Electrical Power & Energy Systems.2020. 121(8):106093. doi: 10.1016/j.ijepes.2020.106093.Li L., Li H., Tseng M. et al. Renewable energy system on frequency stability control strategy using virtual synchronous generator // Symmetry.2020. Vol. 12. N10. pp. 1697-1699.Li L., Li H., Tseng M. et al. Renewable energy system on frequency stability control strategy using virtual synchronous generator. Symmetry. 2020;12(10):1697. doi:10.3390/sym12101697.Chen J., Liu M., Milano F. Adaptive virtual synchronous generator considering converter and storage capacity limits // CSEE Journal of Power and Energy Systems. 2022. Vol. 8. N2. pp. 580-590.Chen J., Liu M., Milano F. Adaptive virtual synchronous generator considering converter and storage capacity limits. CSEE Journal of Power and Energy Systems.2022.8(2). pp. 580-590.Николаев Ю.Е., Осипов В.Н., Игнатов В.Ю. Методика расчета энергетических показателей автономного энергокомплекса, включающего ГТУ, ВЭУ и аккумуляторы электрической энергии // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т.22. № 3. С. 36-43.Nikolaev Y.E., Osipov V.N., Ignatov V.Y. Calculation methodology of the energy indicators of an self-contained energy complex including gas turbine plants, wind-driven power plant and electric storage cell. Power engineering: research, equipment, technology. 2020;22(3):36-43. (In Russ.) doi:10.30724/1998-9903-2020-22-3-36-43.Cvetkovic I., Boroyevich D., Burgos R. et al. Modeling of a virtual synchronous machine-based grid-interface converter for renewable energy systems integration // 2014 IEEE 15th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL).2014.Cvetkovic I., Boroyevich D., Burgos R. et al. Modeling of a virtual synchronous machine-based grid-interface converter for renewable energy systems integration. 2014 IEEE 15th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL).2014. doi:10.1109/compel.2014.6877195.Alsiraji H., El-Shatshat R. Comprehensive assessment of virtual synchronous machine based voltage source converter controllers // IET Generation, Transmission and Distribution 2017. Vol. 11 N.7, pp. 1762-1769.Alsiraji H., El-Shatshat R. Comprehensive assessment of virtual synchronous machine-based voltage source converter controllers. IET Generation, Transmission and Distribution. 2017;11(7):1762-1769. doi:10.1049/iet-gtd.2016.1423.Badreldien M. M., Johnson B. K. Virtual Synchronous Generator Controller for Solar Photovoltaic System. 2021 IEEE Electrical Power and Energy Conference. 2021. pp. 480-485.Badreldien M. M., Johnson B. K. Virtual Synchronous Generator Controller for Solar Photovoltaic System. 2021 IEEE Electrical Power and Energy Conference. 2021. pp. 480-485.Fang H., Yu Z. Improved virtual synchronous generator control for frequency regulation with a coordinated self-adaptive method // CSEE Journal of Power and Energy Systems. 2020.Fang H., Yu Z. Improved virtual synchronous generator control for frequency regulation with a coordinated self-adaptive method. CSEE Journal of Power and Energy Systems.2020.Серебрянников, А. В., Богомолова С.А. Принципы построения инверторов в солнечных электростанциях для сброса электрической энергии в сеть // Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения : Сборник материалов I Всероссийской научной конференции, Чебоксары, 19–20 июля 2013 года. – Чебоксары: Типография "Полиграфика", 2013. – С. 100-107.Serebryannikov, A. V., Bogomolova S. A. Principy postroeniya invertorov v solnechnyh elektrostanciyah dlya sbrosa elektricheskoj energii v set'. Nanostrukturirovannye materialy i preobrazovatel'nye ustrojstva dlya solnechnyh elementov 3-go pokoleniya: Sbornik materialov I Vserossijskoj nauchnoj konferencii, Cheboksary, 2013. pp. 100-107. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.