Регистрация / Вход
Прислать материал

14.615.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.615.21.0001
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего профессионального образования "Сколковский институт науки и технологий"
Название доклада
Эффективные методы оценки устойчивости микросетей
Докладчик
Воробьев Петр Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование посвящено различным аспектам динамики и устойчивости современных распределительных сетей.
В частности, рассматриваются вопросы поведения сетей при возможном возникновении реверсов потоков мощностей, наличие большого числа устройств, регулирующих напряжение, вопросы правильной диагностики возможных неустойчивостей в сети по данным измерений на подстанциях.
Основным предметом исследований в течение последнего года выполнения проекта была задача об устойчивости электрических сетей на основе инверторов с установками регулирования напряжения и частоты. Условия устойчивости такой системы существенно отличаются от таковых для конвенционных электрических сетей (на основе синхронных генераторов).
Актуальность и новизна исследования
Внедрением возобновляемых источников энергии, а также и вообще любых устройств распределенной генерации, приводит к возникновению новых классов задач по устойчивости работы сети на распределительном уровне. Одной из наиболее значимых проблем, связанных с распределенной генерацией, является регулирование напряжения, которое на распределительном уровне достаточно чувствительно к потреблению активной мощности. Одним из основных направления данного проекта является исследования проблем устойчивости таких сетей при одновременном участии в регулировании напряжения большого числа устройств.
Научная новизна заключается в разработке адекватных упрощенных моделей, так как точное моделирование сети с учетом всех степеней свободы представляется невозможным. Также рассматриваются качественно новые задачи о поведении напряжения при возникновении реверсов потоков мощностей.
Описание исследования

На данном этапе выполнения проекта исследуется устойчивость электрических сетей, основанных на инверторах с установками регулирования частоты и напряжения. Такие сети могут существовать как изолированно (чаще всего называются термином "микросеть" (microgrid)), так и в составе более крупных сетей. 

Устойчивость больших электрических сетей, основанных на синхронных генераторах, является предметом, достаточно хорошо изученным - математические модели для описания динамики таких сетей активно формировались в течение нескольких последних десятилетий. В настоящее время доступно некоторое количество программных продуктов (например, PSAT, MatDyn, Powerworld) для моделирования динамики таких сетей использующих допустимые приближения (пренебрежение электромагнитной динамикой, модели генераторов различных порядков, возможные динамические модели нагрузки). Ситуация с сетями на основе инверторов существенно иная - до недавнего времени не было даже четкого понимания в какой мере критерии устойчивости больших электрических сетей могут быть применимы к микросетям, а также каким образом должна проводится редукция числа степеней свободы в исходных моделях инвертеров и линий. Только в течение последних 2-3 лет (см., например, работы [1-3]) была установлена важность электромагнитных степеней свободы при описании устойчивости таких сетей. 

 

Полная модель сети на основе инвертеров является очень сложной и содержит большое число степеней свободы (например, по 13 степеней свободы для каждого инвертора и по 2 степени свободы для каждого участка линий [4]). Использование такой модели для оценки устойчивости, во-первых, слишком сложно, во-вторых - не дает возможности установить основные факторы, влияющие на устойчивость. При этом, все степени свободы можно разбить на три группы в соответствие с их временным масштабом, причем, неустойчивыми могут становиться только самые медленные, соответствующие регуляторам активной и реактивной мощности. Однако, влияние быстрых степеней свободы на динамику медленных отнюдь нетривиально и простое квазистационарное приближение может часто приводить к качественно неправильным результатам. Например, характерное время электромагнитных степеней свободы в таких сетях - порядка 1-2 миллисекунд, что на полтора-да порядка ниже характерного времени регулирования мощности - от 50 миллисекунд. Однако, пренебрежение электромагнитными переходными процессами приводит к качественно неправильным предсказаниям устойчивости сети.

 

 

Мы разрабатываем семейство редуцированных моделей, основанное на применении сингулярной теории возмущений. Это позволяет правильным образом учесть возможное влияние быстрых степеней свободы (в-основном, электромагнитных) на динамику медленных и сформулировать модели, которые по своей сложности не отличаются от квазистационарных, однако дают правильные результаты. Кроме того, мы разрабатываем методы исследования устойчивости с помощью функций Ляпунова, позволяющие формулировать критерии устойчивой работы, являющиеся локальными.

 

 

1. Iyer S. V., Belur M. N., Chandorkar M. C. A generalized computational method to determine stability of a multi-inverter microgrid //IEEE Transactions on Power Electronics. – 2010. – Т. 25. – №. 9. – С. 2420-2432.

2. Guo X. et al. Dynamic phasors-based modeling and stability analysis of droop-controlled inverters for microgrid applications //IEEE Transactions on Smart Grid. – 2014. – Т. 5. – №. 6. – С. 2980-2987.

3. Mariani V. et al. Model order reductions for stability analysis of islanded microgrids with droop control //IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2015. – Т. 62. – №. 7. – С. 4344-4354.

4. Pogaku N., Prodanovic M., Green T. C. Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid //IEEE Transactions on power electronics. – 2007. – Т. 22. – №. 2. – С. 613-625.

Результаты исследования

Основными результатами исследований в текущем году является разработка редуцированных моделей микросетей и исследование на их основе факторов, влияющих на устойчивость таких сетей. Для разработки редуцированных моделей нами применяется сингулярная теория возмущений, позволяющая учитывать вклад динамики быстрых степеней свободы путем ренормировки коэффициентов в уравнениях на медленные степени свободы. Анализ полученных уравнений позволяет установить основные факторы, влияющие на устойчивость сети. При этом, важным вопросом является степень применимости критериев, известных для больших электрических сетей.  

Например, нами установлено, что известные для больших электрических сетей критерии устойчивости, оказываются неприменимыми для микросетей. Например, усиление линий (уменьшение импедансов) в конвенционных сетях приводит к повышению устойчивости, в частности, наиболее "проблемными" являются именно моды, вязанные с длинными линиями. Ситуация в микросетях ровно обратная - усиление сети, то есть уменьшение длины линий, ведет к существенному снижению допустимой устойчивой области. Другим важным отличие микросетей является практическая независимость их устойчивости от режима нагрузки. 

 

Перечень основных результатов проекта за 2016 год:

1. Сформулирована редуцированная модель описания динамики микросетей с использованием сингулярной теории возмущений. 

2. Установлено, что важность электромагнитных степеней свободы обусловлена относительно малой величиной импедансов линий, а не отношением их характерного времени к временному масштабу регуляторов мощности

3. Установлено, что устойчивость микросетей снижается при "усилении" сети, а также при уменьшении номинала подключаемых инверторов.

4. Сформулирован метод нахождения функций Ляпунова для оценки устойчивости микросетей, позволяющий получать локальные критерии устойчивости. 

Практическая значимость исследования
Практическое применение результатов проекта возможно при проектировании распределенной системы регулирования напряжения, а частности при оценке устойчивости различных настроек такой системы. Результаты также найдут применении при создании стандартов нового поколения для сетей с возможными реверсами потоков мощностей и разработке системы автоматической защиты таких сетей.
Критерии устойчивости микросетей могут быть применены к практически важным вопросам переключений и переконфигураций таких сетей, а также при определении ограничений на расширение таких сетей.