Применение виртуального синхронного генератора в энергосистемах и его моделирование в программном комплексе Matlab

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.

1. Саттаров 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.

2. 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.

3. Cheema K.M. A comprehensive review of virtual synchronous generator // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2020. Vol. 120.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Sang W., Guo W., Dai S., et al. Virtual synchronous generator, a comprehensive overview //Energies. 2022. Vol. 15. N17. pp. 6148.

11. 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.

12. 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.

13. Hirase Y., Ohara Y., Bevrani H. Virtual synchronous generator-based frequency control in interconnected microgrids //Energy Reports. 2020. Vol. 6. pp. 97-103.

14. 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.

15. 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.2015.12

16. 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.

17. Гарафутдинов Р.Р., Саттаров, Р.Р. Моделирование усовершенствованной автоматики ограничения перегрузки оборудования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2020. Т. 20. № 1. С.30–37.

18. 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.

19. 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.

20. 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).

21. Колпаков А.И. Конденсаторы Electronicon для высоковольтных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии, 2004 г. № 6. С. 22-25.

22. 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.

23. Zhong Q-C, Weiss G. Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators // IEEE Trans Industr Electron. 2010. Vol. 58, N4. pp.1259–1267.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.