47
Conclusions:
The necessity of modeling a single spectrum of processes on a detailed model of the power system, taking into
account all the elements and their control systems, for carrying out a comprehensive and adequate AVR tuning has been proved.
Key words:
automatic voltage regulator, tuning, mathematical modeling, hybrid simulation, renewable energy sources.
I.
В
ВЕДЕНИЕ
В связи с ежегодно растущим энергопотреблением как
в мире, так и в России, становится необходимым введение
новых генерирующих мощностей. При этом, в частности
из-за принятого многими странами Парижского
соглашения по итогам 21-й конференции Рамочной
конвенции ООН об изменении климата (2015 г.), основную
долю новой генерации составляют объекты на базе
возобновляемых
источников
энергии
(ВИЭ).
В
соответствии со статистикой, приведенной аналитическим
центром REN21 [1], суммарная установленная мощность
солнечных электростанций в мире с 2015 г. по 2019 г.
включительно выросла более чем в 2,5 раза с 228 до 627
ГВт, а ветряных электростанций в 1,5 раза – с 433 до 651
ГВт. Внедрение объектов ВИЭ также характерно и для
Единой энергетической системы России, но только в
относительно меньших масштабах [2]. Наиболее
распространенными среди внедряемых объектов ВИЭ
являются установки, подключаемые к сети с помощью
устройств силовой полупроводниковой техники, обычно
статических преобразователей напряжения разных
конфигураций. Такими установками, в частности,
являются ветроэнергетические установки 3-го и 4-го типов,
а также фотоэлектрические модули. Причем последние не
имеют прямого сопряжения самого источника генерации с
сетью по сравнению с традиционными источниками
энергии на базе синхронных генераторов (СГ). Подобное
сильно влияет в целом на динамические свойства
энергосистем, в которые внедряются объекты ВИЭ,
особенно когда их доля в общей генерации становится
значительной, обычно больше 20%. Данный факт приводит
к
возникновению
проблем
режимного
и
противоаварийного управления, а также к появлению
совершенно новых вызовов, не характерных для
традиционных энергосистем [3]. Особенно это становится
ощутимым при установке объектов ВИЭ в сети, которые в
целом на стадии проектирования не предусматривали
вероятность их появления [4]. За рубежом такие сети
классифицируют как «слабые» (
weak grid
) и,
соответственно, выделяют как отдельную категорию при
рассмотрении вопросов, связанных с интеграцией ВИЭ.
Среди основных проблем, вызванных внедрением ВИЭ,
можно выделить следующие: (1) снижение общей инерции
энергосистем, (2) изменение уровня и направления токов
короткого замыкания, (3) обеспечение непрерывности
функционирования объектов ВИЭ при глубоких просадках
напряжения или его значительного увеличения в местах
подключения к основной сети, которые в той или иной
мере оказывают влияние на все существующие виды
устойчивости современных энергосистем. Помимо прочего
внедрение ВИЭ также привело к появлению новой
категории устойчивости, связанной с функционированием
силовых преобразователей в их составе (
converter-driven
stability
) [5]. В совокупности возникновение данных
проблем повлекло за собой закономерное ограничение
уровня внедрения объектов ВИЭ в некоторых странах и их
регионах (обычно на уровне 20–50% от общей генерации).
Исходя из этого, можно сделать вывод, что
полномасштабный переход мировой энергетики на ВИЭ и
полноценный отказ от мощных традиционных источников
энергии, как минимум в среднесрочной перспективе, не
является возможным. В таком случае решение
обозначенных выше проблем возможно двумя способами:
(1) путем адаптации традиционной части энергосистемы к
изменяющимся условиям функционирования или (2) с
помощью самих внедряемых объектов ВИЭ, воздействия
на их системы автоматического управления (САУ) и
разработки новых технологий. В данной статье
предлагается решение в рамках первого направления,
которое
заключается
в
проведении
настройки
автоматических
регуляторов
возбуждения
(АРВ)
традиционных источников генерации на базе СГ,
адекватной реальным условиям функционирования,
поскольку АРВ все также будут являться наиболее
эффективным и предпочтительным средством обеспечения
устойчивости в современных энергосистемах с ВИЭ, как и
в традиционных, отвечающим за функционирование
энергосистемы в целом как в нормальных, так и в
переходных режимах.
II.
П
РЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ
При проведении настройки АРВ СГ основным
способом получения необходимой информации о
квазиустановившихся и переходных процессах в
энергосистемах является математическое моделирование,
которое основывается на численном интегрировании
систем обыкновенных дифференциальных уравнений,
описывающих математическую модель каждого элемента и
энергосистемы в целом, с помощью специализированных
программных
или
программно-аппаратных
моделирующих комплексов. Это связано с тем, что
общеизвестная специфика и сложность энергосистем
исключают возможность получения всей необходимой
информации, особенно аварийного характера, натурным
путем и посредством исключительно физического
моделирования,
что
становится
особенно
труднодостижимым в современных энергосистемах с ВИЭ.
При этом применение программных комплексов
моделирования
электромеханических
переходных
процессов, например,
RUSTab
(Фонд им. Д.А.
Арзамасцева, Россия),
Eurostag
(Tractebel Engineering,
Бельгия),
PSS/E
(Siemens, Германия) и др., которые, как
правило, используются при настройке АРВ СГ на
математической модели энергосистемы достаточно
большой размерности и уровня детализации, связано с
введением существенных ограничений и упрощений при
рассмотрении современных энергосистем с ВИЭ.
Значительные упрощения в первую очередь касаются
воспроизведения объектов ВИЭ, которые подключаются к
