Использование сегментированной статической характеристики по частоте для поддержания уровня заряда системы накопления электроэнергии
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
44
Использование
сегментированной статической
характеристики по частоте
для поддержания уровня
заряда системы накопления
электроэнергии
накопители электроэнергии
УДК 621.311:621.354
В России широкое применение, в том числе в изолированных энергорайонах,
находят объекты распределенной генерации (РГ) на основе топливных гене-
рирующих установок (ГУ), а также возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Резкие изменения нагрузки или выработки электроэнергии объектами ВИЭ мо-
гут вызывать недопустимые кратковременные отклонения частоты/напряжения,
что приводит к отключениям устройствами защиты топливных ГУ. Применение
систем накопления электроэнергии (СНЭЭ), учитывая высокое быстродействие
их инверторов, позволяет компенсировать мгновенные небалансы активной
и реактивной мощности, предотвращая отключения топливных ГУ и нарушения
электроснабжения потребителей. Предложен модифицированный способ под-
держания уровня заряда (SoC) СНЭЭ за счет изменения статической характери-
стики по частоте, который не требует наличия канала передачи данных между
СНЭЭ и выделенной для его поддержания ГУ, а также представлены преимуще-
ства его применения. Данный способ заключается в разделении статической
характеристики СНЭЭ на отдельные участки с разной крутизной (коэффи-
циентом статизма) в зависимости от текущей нагрузки СНЭЭ и SoC, а также
смещении статической характеристики по частоте по определенному закону.
Приведены результаты имитационного моделирования предложенного спосо-
ба поддержания SoC СНЭЭ в различных режимах электроснабжения нагрузки
в изолированном энергорайоне, выполненные в программной среде MATLAB
Simulink, подтвердившие его эффективность.
Р
Илюшин П.В., азвитие РГ в России на протяжении по-
д.т.н., главный научный сотрудник, следнего десятилетия происходит в ос-
руководитель Центра «Интеллектуальные новном за счет ввода объектов РГ на ос-
электроэнергетические системы нове газотурбинных (ГТУ), газопоршневых
и распределенная энергетика» (ГПУ) и дизельных (ДГУ) генерирующих установок.
ФГБУН «Институт энергетических
Объекты РГ сооружаются, как правило, крупными
исследований РАН»
промышленными предприятиями нефтегазодобы-
Шавловский С.В., вающей, горнодобывающей, металлургической,
эксперт по развитию направления возобнов- целлюлозно-бумажной и химической отраслей про-
ляемой энергетики и интеллектуальных сетей мышленности, что позволяет получать более деше-
АО «Электронмаш» вые энергоресурсы для снижения себестоимости
и повышения конкурентоспособности производи-
мой продукции [1].
Ключевые слова:
система накопления электроэнергии, Объекты ВИЭ в России получают свое распро-
дизель-генераторная установка, странение в изолированных энергорайонах, систе-
изолированный энергорайон, статическая мах электроснабжения ответственных потребите-
характеристика по частоте, коэффициент лей (резервирование основных источников), а также
статизма, уровень заряда в домохозяйствах в виде микрогенерации. В ряде
45 № 5 (68) 2021
случаев строительство объектов ВИЭ эффектив- Известны следующие режимы работы СНЭЭ,
нее сооружения протяженных электрических сетей которые определяются типами применяемых ин-
до отдельных населенных пунктов и предприятий верторов: U/f = const, PQ-control, режим работы со
на Крайнем Севере и Дальнем Востоке страны или статической характеристикой по частоте и/или на-
дизельных электростанций из-за высокой стоимости пряжению.
доставки топлива [2]. В режиме U/f = const СНЭЭ поддерживает часто-
От объектов РГ ожидается минимальная реакция ту и напряжение в изолированном энергорайоне
на внешние возмущения (быстрое восстановление независимо от текущих значений выработки актив-
нормального режима работы), а также обеспече- ной и реактивной мощности другими ГУ, выполняя
ние надежного энергоснабжения инфраструктурных функцию ведущего инвертора. Регулятор частоты
объектов в условиях нарастающего старения элек- и напряжения СНЭЭ задает величину выработки
тросетевого оборудования, роста количества и по- активной и реактивной мощности для поддержания
следствий катаклизмов природного и техногенного частоты и напряжения в пределах заданных уставок,
характера. реализуя первичное регулирование.
Топливные ГУ, как правило, имеют малые значе- В режиме PQ-control (источник тока) величина вы-
ния механических постоянных инерции (Tj), что при- работки активной и реактивной мощности СНЭЭ под-
водит в изолированных энергорайонах к недопусти- держивается постоянной, пока частота и напряжение
мым отклонениям частоты и напряжения при резких находятся в допустимом диапазоне. Поэтому, в ре-
изменениях нагрузки или выработки электроэнергии жиме PQ-control СНЭЭ не участвует в общем первич-
объектами ВИЭ [3]. В этом случае топливные ГУ от- ном регулировании. Уставки по P и Q для СНЭЭ при
ключаются устройствами релейной защиты (РЗ) или этом задаются либо контроллером СНЭЭ, либо САР
технологическими защитами с нарушением электро- изолированного энергорайона, что обеспечивает ее
снабжения потребителей. участие во вторичном регулировании [5, 6].
Высокое быстродействие инверторов СНЭЭ, по Если СНЭЭ работает со статической характери-
сравнению с системами регулирования топливных стикой по частоте и/или напряжению, то она облег-
ГУ, позволяет эффективно их использовать в со- чает условия по регулированию частоты/напряжения
ставе изолированных энергорайонов для компенса- в изолированном энергорайоне для других ГУ, в том
ции мгновенных небалансов мощности. Инвертор числе топливных, участвуя во вторичном регулиро-
СНЭЭ, с учетом ограничений на скорость заряда/ вании режимных параметров [7].
разряда аккумуляторной батареи (АБ), может зада- В централизованной САР осуществляется оцен-
вать частоту/напряжение в изолированном энерго- ка режимных параметров и формирование управля-
районе. Наиболее эффективно использовать СНЭЭ ющих воздействий для контроллеров ГУ, объектов
в режиме имитации синхронного генератора, под- ВИЭ, СНЭЭ и нагрузки с целью обеспечения надеж-
держивающего частоту/напряжение в соответствии ного и бесперебойного электроснабжения потреби-
со статической характеристикой. Независимо от телей. Другие цели (например, снижение удельного
выбранного режима работы СНЭЭ наиболее важ- расхода топлива, максимальное использование вы-
ным остается вопрос поддержания оптимального работки объектов ВИЭ и др.) не рассматриваются
уровня заряда (State of Charge — SoC) АБ в задан- в качестве приоритетных.
ном диапазоне, в зависимости от прогноза режима При децентрализованной САР каждый из объек-
работы СНЭЭ [4]. тов регулирования в изолированном энергорайоне
Целью статьи является представление моди- управляется собственным контроллером, который
фицированного способа поддержания SoC СНЭЭ, задает необходимые уставки исходя из текущих ре-
заключающегося в сегментировании статической жимных параметров. Ввиду простоты структуры ана-
характеристики по частоте на отдельные участки лизируемого изолированного энергорайона в статье
с разными коэффициентами статизма, в зависимо- рассмотрено использование децентрализованной
сти от текущей нагрузки СНЭЭ и SoC, а также сме- САР.
щении характеристики по определенному закону. Независимо от выбранного режима работы
Этот способ не требует наличия канала передачи СНЭЭ важным аспектом ее функционирования
данных между СНЭЭ и выделенной для поддержа- является поддержание уровня заряда АБ на опти-
ния SoC ГУ. мальном уровне. Без соответствующего управле-
ния СНЭЭ не может выполнять эту функцию для
ОБЗОР РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНВЕРТОРОВ обеспечения регулирования частоты в заданном
И СПОСОБОВ ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ диапазоне, так как энергоемкость АБ СНЭЭ вы-
ЗАРЯДА СНЭЭ бирается сравнительно небольшой. В результате,
В изолированных энергорайонах для управления при крайних значениях SoC АБ (0% или 100%) воз-
режимами применяются централизованные или де- можности участия СНЭЭ в регулировании частоты
централизованные системы автоматического регу- значительно уменьшаются, а регулировочный диа-
лирования (САР). Инверторы СНЭЭ, учитывая их пазон по мощности снижается не менее чем в два
быстродействие, играют важную роль в предотвра- раза. В работах [8, 9] рассматриваются различные
щении отклонений режимных параметров за преде- способы поддержания SoC СНЭЭ.
лы области допустимых значений при возникновении К первой группе относятся способы для СНЭЭ,
различных возмущений. реализующих функцию ведущего инвертора, при
НАКОПИТЕЛИ 46
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
этом выделенная ГУ ДГУ СНЭЭ ДГУ СНЭЭ
поддерживает SoC
СНЭЭ, получая ин-
формацию о его теку-
щем значении. Эта
информация долж-
на передаваться от
а) б)
СНЭЭ по каналу пе-
редачи данных в кон- Рис. 1. Схемы, поясняющие способы поддер-
жания SoC СНЭЭ: а) передается информация
троллер ГУ, при этом о текущем значении SоC; б) применяется статическая характеристика по частоте
мощность ГУ, будет
пропорциональна от-
клонению SoC от заданной уставки (рисунок 1а). Воз- МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СПОСОБ
можен вариант ее определения по статической харак- ПОДДЕРЖАНИЯ SoC СНЭЭ
теристике P = f (dSoC / dt), тогда ГУ будет участвовать В предлагаемом модифицированном способе на
во вторичном регулировании. СНЭЭ, работающей в режиме PQ-control, поддержи-
Наличие канала связи для передачи значений вается необходимое значение SoC за счет измене-
SoC позволяет обеспечить высокую точность под- ния наклона статической характеристики по частоте
держания частоты и среднего значения SoC при СНЭЭ и ее смещения по оси частоты в зависимости
относительной простоте реализации алгоритма от значения SoC. В общем случае статическая ха-
в контроллере СНЭЭ в случае применения в изо- рактеристика мощности по частоте описывается вы-
лированном энергорайоне с высокой долей ВИЭ. К ражением:
недостаткам следует отнести то, что мощность ве-
f – f0 = –KСНЭЭ (PСНЭЭ – PСНЭЭ 0), (1)
дущего инвертора СНЭЭ должна быть рассчитана
на ≈100% нагрузки энергорайона, необходимы до- где f — текущая частоты в энергорайоне, Гц; f0 —
полнительные затраты на создание канала пере- номинальная частота, Гц; KСНЭЭ — коэффициент
дачи данных, а его повреждение приводит к отказу статизма СНЭЭ, Гц/кВт; PСНЭЭ — текущая активная
САР (выход значения SoC за допустимый диапа- мощность СНЭЭ, кВт; PСНЭЭ 0 — активная мощность
зон), а кроме того, необходима переконфигурация СНЭЭ при f0, кВт.
САУ ГУ (требуется согласование с заводом-изго- Коэффициент KСНЭЭ отражает взаимосвязь между
товителем ГУ). изменением частоты в изолированном энергорайоне
Ко второй группе относятся способы, не ис- с изменением активной мощности СНЭЭ как реакции
пользующие канал передачи данных между кон- на ее изменение.
тролером СНЭЭ и контроллером ГУ (рисунок 1б), Первая из степеней свободы в выражении (1) —
основанные на применении статической характе- это KСНЭЭ, определяющий угол наклона статической
ристики по частоте. характеристики по частоте СНЭЭ. Добавив в выра-
В работах [10–17] предлагается изменять на- жение (1) коэффициент, учитывающий изменение
клон статической характеристики по частоте SoC, возможно изменить KСНЭЭ, а значит, и интен-
СНЭЭ по определенному закону в зависимости от сивность отклика СНЭЭ, на изменение частоты при
значения SoC. При этом в процессах разряда/за- разных значениях SoC. В соответствии с [9, 20], при-
ряда СНЭЭ будет выдавать/ потреблять большую нимая PСНЭЭ 0 = 0, выражение (1) для режимов заряда
или меньшую активную мощность. Этот подход и разряда соответственно принимает вид:
эффективно применять для выравнивания значе- f – f = –K
СНЭЭ · PСНЭЭ = –KСНЭЭ 0 · PСНЭЭ / SoC , PСНЭЭ ≥ 0,
n
0
ний SoC СНЭЭ, работающих параллельно. В ра- (2)
ботах [18–21] предлагается смещать статическую f – f0= –KСНЭЭ · PСНЭЭ = –KСНЭЭ 0 · SoC n · PСНЭЭ, PСНЭЭ ≤ 0,
характеристику по частоте СНЭЭ вдоль оси часто- где K
СНЭЭ 0 — коэффициент статизма СНЭЭ при
ты в зависимости от значения SoC, при этом в про- SoC = 1, Гц/кВт; n — показатель степенной функции
цессах разряда/заряда СНЭЭ будет изменяться (n > 0).
интенсивность отклика на изменения частоты Получим из выражений (2) текущую мощность
в изолированном энергорайоне. СНЭЭ:
Этот подход обладает высокой надежностью
поддержания заданной величины SoC, обеспечива- PСНЭЭ = – (f – f0) · SoCn / KСНЭЭ 0, PСНЭЭ ≥ 0
ет возможность параллельной работы нескольких (разряд, если f < f0; SoC ↓),
(3)
СНЭЭ с одинаковыми значениями SoC и может быть PСНЭЭ= – (f – f0) / (KСНЭЭ 0 · SoCn), PСНЭЭ ≤ 0
реализован на действующих объектах РГ (не требу- (заряд, если f > f0; SoC ↑).
ется переконфигурация САУ ГУ). К его недостаткам
следует отнести то, что СНЭЭ не участвует в первич- При отклонении частоты вниз от f 0 САР СНЭЭ
ном регулировании частоты, а только во вторичном, формирует задание по мощности PСНЭЭ ≥ 0, и СНЭЭ
значение SoC поддерживается в допустимом диапа- начинает разряжаться, выдавая мощность в изо-
зоне, а не около заданного значения, при этом кон- лированный энергорайон. Мощность СНЭЭ при
троллер СНЭЭ преобразуется в САР с более слож- этом уменьшается одновременно с SoC. При от-
ной структурой и алгоритмами. клонении частоты вверх от f 0 САР СНЭЭ форми-
47 № 5 (68) 2021
рует задание по мощности f, Гц
PСНЭЭ ≤ 0, и СНЭЭ начина-
ет заряжаться. Мощность
СНЭЭ при этом растет одно-
временно с SoC, как показа-
но на рисунке 2.
П о к а з а те л ь с те п е н и n
в выражениях (3) оказыва-
ет существенное влияние
на мощность СНЭЭ в зави-
симости от SoC. Такой спо-
соб регулирования СНЭЭ
(минимальное время откли-
ка) может привести к воз- P, о.е.
никновению динамической
неустойчивости при резких
кратковременных измене-
Рис. 2. Статическая характеристика P(f) с коэффициентом статизма, зависи-
ниях частоты [14] в изолиро- мым от SoC
ванном энергорайоне. Этот
аспект должен быть рассмотрен при выполне- В этом случае выражения (3) для мощности СНЭЭ
нии расчетов переходных процессов в процессе примут вид:
проектирования изолированного энергорайона.
PСНЭЭ = –((f – f0) – f) / KСНЭЭ 0, PСНЭЭ ≥ 0
Малые значения показателя n приводят к незна-
(разряд, если f < f0; SoC ↓),
чительному изменению наклона статической ха- (4)
рактеристики по частоте, при этом KСНЭЭ 0 ≈ KСНЭЭ, PСНЭЭ = –((f – f0) + f) / KСНЭЭ 0 , PСНЭЭ ≤ 0
а при больших его значениях наклон статической (заряд, если f > f0; SoC ↑).
характеристики существенно изменяется при из-
Значение f может линейно зависеть от SoC, как
менении значения SoC.
в выражении (5), и задаваться фиксированной вели-
На рисунке 3 приведены графики чувствитель-
чиной в зависимости от текущего значения SoC или
ности PСНЭЭ к вариациям n в диапазоне от 0,1 до 2
же иметь вид кусочно-линейной функции.
при выбранном KСНЭЭ 0 = 10–6 Гц/Вт в зависимости
от значений SoC. На рисунке 3а представлен режим f = mSoC (SoC – SoCуст), (5)
заряда СНЭЭ с изменением частоты f – f0 = 0,5 Гц, где mSoC — коэффициент пропорциональности;
а на рисунке 3б режим разряда СНЭЭ с изменением SoCуст — уставочное значение SoC.
частоты f – f0 = –0,5 Гц. Мощность СНЭЭ ограничена При разряде СНЭЭ статическая характеристи-
САР на уровне 500 кВт. ка по частоте должна постепенно смещаться вниз
Анализ рисунка 3 показывает, что с ростом значе- по оси частоты, в результате чего мощность разря-
ния n отклик СНЭЭ на изменение SoC существенно да СНЭЭ будет уменьшаться по линейному закону,
увеличивается, поэтому целесообразно ограничить а при заряде — подниматься вверх, в результате
диапазон изменения SoC (задать уставки), в преде- чего мощность заряда будет увеличиваться, как по-
лах которого будет действовать предложенный мо- казано на рисунке 4.
дифицированный способ. Анализ чувствительности PСНЭЭ к изменению mSoC
Второй степенью свободы в выражении (1) явля- в статье не представлен, но следует отметить, что
ется частота (f), следовательно, возможно смещать максимальное значение f не должно быть больше
статическую характеристику по оси частоты на неко- фактического отклонения частоты в изолированном
торую величину f в зависимости от значения SoC. энергорайоне. В противном случае может произой-
а) б)
0
–100 60
PСНЭЭ, кВт
PСНЭЭ, кВт
–200
40
–300
–400 20
–500
1 0
1
0,8
0,5 0,6
SoC SoC 0,4 1,5
2,0
1,4 1,6 1,8
2,0 0,2 1,0 n
0 0,8 1,0 1,2 0,5
0 0,2 0,4 0,6 n 0 0
Рис. 3. Графики чувствительности PСНЭЭ к изменению n в зависимости от значений SoC: а) режим заряда СНЭЭ;
б) режим разряда СНЭЭ
НАКОПИТЕЛИ 48
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ти резкое смещение рабочей f, Гц
точки характеристики в об-
ласть противоположного ре-
жима работы СНЭЭ. При этом
САР СНЭЭ сформирует не-
корректную команду (напри-
мер, команду на заряд вместо
разряда) и режим выйдет за
пределы области допустимых
значений.
По результатам рассмотре-
ния особенностей смещения
статической характеристики
в зависимости от значения P, о.е.
SoC в статье принято регу-
лирование мощности СНЭЭ
в соответствии с выражением
Рис. 4. Статическая характеристика P(f), смещаемая по оси частоты в зависи-
(6), направленное на стаби- мости от значения SoC
лизацию частоты и поддержа-
ние SoC в заданном диапазоне. Оценим эффектив- АБ, также как и регулярный заряд до 100%, снижают
ность такого подхода. календарный и циклический срок ее службы, что вы-
ражается в преждевременной потере энергоемкости
PСНЭЭ= –((f – f0 ) – f) · SoCn / KСНЭЭ 0, PСНЭЭ ≥ 0
[23]. Поэтому СНЭЭ должна работать в оптимальном
(разряд, если f < f0; SoC ↓),
(6) диапазоне SoC со смещением статической характе-
PСНЭЭ= –((f – f0 ) + f) / (KСНЭЭ 0 · SoCn), PСНЭЭ ≤ 0 ристики по частоте в зависимости от значения SoC,
(заряд, если f > f0; SoC ↑). как рекомендовано в [19], но дополнительно целе-
Для эффективного регулирования частоты диа- сообразно изменять наклон статической характе-
пазон изменения мощности СНЭЭ в обе стороны ристики в зависимости от SoC в областях верхнего
должен быть максимальным, что, как правило, воз- и нижнего предельных состояний СНЭЭ по SoC, как
можно при SoC = 0,5 (50%). Независимо от того, показано на рисунке 5.
участвует СНЭЭ в первичном или вторичном регу- Величина f в выражении (6) определяется кусоч-
лировании частоты в изолированном энергорайоне, но-линейной функцией:
существует оптимальный диапазон SoC для целей –PСНЭЭ · R, если SoC ≥ SoCмакс2,
регулирования частоты, за пределы которой не ре- fмакс – fпред.макс, если SoCмакс1 ≤ SoC ≤ SoCмакс2,
комендуется выходить [22]. Глубокое циклирование
f = 0, если SoCмин1 ≤ SoC ≤ SoCмакс1, (7)
SoC, % fмин – fпред.мин, если SoCмин2 ≤ SoC ≤ SoCмин1,
100
– PСНЭЭ · R, если SoC ≤ SoCмин2,
Верхнее критическое состояние
• прекращение работы где R — коэффициент статизма по частоте генера-
SoCмакс2 тора ДГУ; fмакс / fмин — критическое максимальное/
Верхнее предельное состояние минимальное значение частоты; fпред.макс / fпред.мин —
• уменьшение мощности заряда максимальный/минимальный предел смещения по
• участие в регулировании частоты частоте.
• изменение наклона статической Изменение угла наклона статической характери-
характеристики по частоте стики в областях верхнего и нижнего предельных со-
SoCмакс1 стояний SoC усиливает отклик СНЭЭ в нужном на-
Режим нормальной работы правлении при приближении SoC к ним.
• распределение нагрузки между СНЭЭ На рисунке 6 представлен общий вид сегменти-
и ГУ рованной статической характеристики СНЭЭ со сме-
• потребление избытка мощности ГУ щением по оси частоты и изменением коэффициен-
• компенсация дефицита мощности ГУ та статизма в зависимости от значения SoC (черная
SoCмин1 линия — статическая характеристика ДГУ; зеленая
Нижнее предельное состояние линия — разделенная на участки статическая харак-
• уменьшение мощности разряда теристика СНЭЭ при SoC = 0,5; вертикальный уча-
• участие в регулировании частоты сток на оси частоты — зона нечувствительности).
• изменение наклона статической На наклонных участках характеристики происхо-
характеристики по частоте дит распределение мощности между ДГУ и СНЭЭ,
SoCмин2 а на горизонтальных мощность СНЭЭ поддержива-
Нижнее критическое состояние ется таким образом, чтобы обеспечить постоянство
0 выдачи мощности ДГУ. При разряде СНЭЭ статиче-
Рис. 5. График разделения диапазона значений SoC на ская характеристика смещается вверх, а при заря-
области работы СНЭЭ де — вниз на f. При достижении нижнего предельно-
49 № 5 (68) 2021
f, Гц
P, о.е.
Рис. 6. Сегментированная статическая характеристика СНЭЭ
го или верхнего предельного состояния SoC наклон ратор представлен синхронной машиной с автомати-
статической характеристики по частоте СНЭЭ из- ческим регулятором возбуждения.
меняется, чтобы увеличить мощность разряда при Модель СНЭЭ. Модель инвертора. Инвертор
высоких значениях SoC или уменьшить при низких. СНЭЭ представлен полной моделью, позволяющей
Перемещение рабочих точек СНЭЭ и ДГУ на рисун- реализовывать широтно-импульсную модуляцию для
ке 6 можно отследить по серым пунктирным линиям. управления транзисторами в зависимости от уставок
Описание регулятора, реализующего данный закон по току инвертора в dq координатах. Для синхрониза-
регулирования, приведено в [19]. ции инвертора СНЭЭ с изолированным энергорайо-
ном использовался контур фазовой автоподстройки
ОПИСАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ частоты. Подробное описание структуры инвертора,
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ аналогичной используемой, приведено в [6].
Для исследования модифицированного способа под- Модель АБ. В качестве модели АБ использо-
держания SoC СНЭЭ, использующего не только сме- валась стандартная для MATLAB Simulink модель
щение, но и изменение угла наклона статической ха- литий-ионной батареи, учитывающая внутреннее
рактеристики по частоте в зависимости от значения сопротивление, форму разрядной кривой и др. пара-
SoC, в программной среде MATLAB Simulink была метры. Расчет SoC является встроенной функцией
подготовлена имитационная математическая мо- модели.
дель изолированного энергорайона. Модель включа- Общая структура системы автоматического
ет в себя ДГУ, СНЭЭ и группу нагрузок, работающих регулирования. На рисунке 7 приведена упрощенная
на общие шины напряжением 0,4 кВ.
Модель ДГУ. Модель ДГУ представлена с авто-
ДГУ Нагрузка
матическим регулятором частоты вращения (АРЧВ),
реализующим зависимость механического момента
Mмех приводного двигателя от текущего значения ча-
стоты. На вход АРЧВ ДГУ подается измеренное зна-
чение частоты и значение уставки по частоте, кото-
рое формируется с учетом коэффициента статизма
по частоте [24]. Величи-
на рассогласования по
частоте приводит к уве- СНЭЭ
личению подачи топлива
в топливный тракт при-
водного двигателя и уве-
личению его частоты
вращения. Постоянная
времени τ учитывает ди-
намические характери-
стики топливного тракта
и системы зажигания
ДГУ. Синхронный гене- Рис. 7. Упрощенная схема изолированного энергорайона со структурой регулятора СНЭЭ
НАКОПИТЕЛИ 50
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
схема изолированного энергорайона со структурой Табл.1. Основные технические
САР СНЭЭ. В САР СНЭЭ на каждом расчетном шаге характеристики оборудования
происходит сравнение текущего значения SoC с уста-
Условное
вочными значениями для формирования величины Значе-
Параметр обозна- ние
смещения f статической характеристики. Изначаль- чение
но САР СНЭЭ реализует заданную форму статиче-
Номинальная мощность ДГУ PДГУ 2000 кВт
ской характеристики, но при достижении SoC уста-
вочных значений статическая характеристика либо Номинальная мощность СНЭЭ PСНЭЭ 500 кВт
смещается, либо изменяется ее наклон, либо выпол- Номинальное напряжение Li-Ion
UАБ 1100 В
няются оба действия одновременно, в соответствии АБ (DC) СНЭЭ
с предложенным модифицированным способом. Номинальная емкость АБ СНЭЭ Cном 10 А·ч
Основные технические характеристики оборудо-
Номинальная энергоемкость
вания изолированного энергорайона, включая САР СНЭЭ
Wном 11 кВт·ч
СНЭЭ, использованные в имитационной математи-
Коэффициент статизма генера-
ческой модели, приведены в таблице 1. R 10-6 Гц/Вт
тора ДГУ
Мощность нагрузки распределяется между ДГУ
и СНЭЭ пропорционально их коэффициентам ста- Коэффициент статизма СНЭЭ
при SoC = 1
KСНЭЭ 0 10-6 Гц/Вт
тизма. Одинаковые величины коэффициентов
статизма ДГУ и СНЭЭ обеспечивают одинаковое Номинальная частота f0 50 Гц
распределение нагрузки между ними, что при моде- Зона нечувствительности по
лировании создает наиболее тяжелые условия рабо- частоте
fнч 0,1 Гц
ты для СНЭЭ. Показатель степенной функции
Энергоемкость СНЭЭ в данном примере наме- при разряде/заряде СНЭЭ
n 4/1,8
ренно выбрана небольшой, хотя теоретически и до-
статочной для участия в регулировании частоты, так SoCмакс2 50,4%
как в реальных условиях величина обменной энер- SoCмакс1 50,3%
гии невелика. Это также обусловлено необходимо-
Уровни заряда АБ СНЭЭ SoC0 50%
стью ускорения расчетного процесса и изменения
SoC, так как выбранная математическая модель под- SoCмин1 49,7%
робно отражает не только электромеханические, но
SoCмин2 49,6%
и электромагнитные переходные процессы и требует
большой вычислительной мощности.
Для оценки эффективности предложенного модифицированного спосо-
ба граничные значения диапазонов SoC (рисунок 5) были выбраны вблизи
SoC = 0,5. Используемое в математической модели СНЭЭ соотношение
номинальной мощности к энергоемкости составляет ≈ 45, следовательно,
выбранная АБ — высокотоковая. Такие АБ используются, как правило,
в системах питания электротранспорта, в то время как для СНЭЭ это соот-
ношение обычно ≤ 5.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
При использовании модифицированного способа поддержания SoC
СНЭЭ с сегментированной статической характеристикой по частоте,
СНЭЭ реагирует практически идентично на изменения частоты в изоли-
рованном энергорайоне выше и ниже f0. Рассмотрим подробнее реакцию
САР СНЭЭ только на наброс нагрузки со снижением частоты [25].
Исходные условия в изолированном энергорайоне: нагрузка
Pнагр.0 = 500 кВт. Через 1 с включается дополнительная нагрузка
Pнагр.1 = 1500 кВт. Графики переходных процессов: f, PДГУ, PСНЭЭ, SoC, UDC,
IDC и Pнагр в четырех различных режимах работы САР СНЭЭ приведены
на рисунках 8–10.
Режим электроснабжения нагрузки от ДГУ. В этом режиме СНЭЭ ра-
ботает на холостом ходу. САР СНЭЭ формирует команды на изменение
PСНЭЭ, но СНЭЭ отключена (рисунок 8).
Как видно из рисунка 8, ДГУ взяла на себя всю нагрузку, минималь-
ное значение частоты в переходном процессе составило 46,7 Гц, а уста-
новившееся — 49 Гц, что соответствует 100% загрузке ДГУ. При этом
SoC = 0,5 (50%).
Режим электроснабжения от ДГУ и СНЭЭ (SoC не поддерживается).
В этом и следующих рассматриваемых режимах СНЭЭ подключена
Рис. 8. Графики переходного процесса при электроснабжении нагрузки от ДГУ
51 № 5 (68) 2021
а) б)
Рис. 9. Графики переходного процес- Рис. 10. Графики переходного процесса: а) электроснабжение от ДГУ
са при электроснабжение нагрузки и СНЭЭ (поддержание SoC за счет смещения статической характери-
от ДГУ и СНЭЭ (SoC не поддержи- стики вдоль оси частоты); б) электроснабжение от ДГУ и СНЭЭ (под-
вается) держание SoC за счет смещения статической характеристики вдоль оси
частоты и изменения коэффициента статизма)
к сети изолированного энергорайона и работает Электроснабжение от ДГУ и СНЭЭ (поддержа-
в соответствии со своей статической характери- ние SoC за счет смещения статической характе-
стикой по частоте. Мощность нагрузки при этом ристики вдоль оси частоты). В этом режиме при
распределяется между ДГУ и СНЭЭ пропорцио- достижении граничных значений SoCмин1 и SoCмин2
нально их коэффициентам статизма, но с учетом производится смещение статической характери-
ограничения по мощности СНЭЭ на уровне 500 стики вниз вдоль оси частоты сначала на 0,3 Гц,
кВт. САР СНЭЭ формирует команды для регулиро- а затем еще на 0,1 Гц, что приводит к снижению
вания активной мощности СНЭЭ, которые испол- мощности, выдаваемой СНЭЭ и выходу СНЭЭ
няются инвертором (рисунок 9). При этом нагрузка и ДГУ на новый установившийся режим (рисунок
распределяется между ДГУ и СНЭЭ пропорцио- 10а). Величина смещения и количество граничных
нально коэффициентам статизма до того момен- значений SoC могут быть выбраны другими, но они
та, пока мощность СНЭЭ не достигла максимально не должны приводить к неустойчивости или сме-
допустимой величины. При описании следующих не режима работы СНЭЭ. Смещение статической
режимов указываются только отличия от этого ре- характеристики по частоте приводит к ограниче-
жима. нию мощности разряда СНЭЭ, что содействует
Минимальное значение частоты в переходном снижению падения напряжения на внутреннем со-
процессе (рисунок 9) составило 48 Гц, а устано- противлении АБ и предотвращает срабатывание
вившееся — 49,3 Гц. Также на рисунке 9 можно на- защиты минимального напряжения. В противном
блюдать демпфирующий эффект СНЭЭ по частоте, случае после отключения АБ через некоторое вре-
а также более быструю реакцию СНЭЭ на наброс мя релаксации напряжение на ее выводах возрас-
нагрузки, что положительно сказывается на работе тет и произойдет включение СНЭЭ.
ДГУ. В рассматриваемом режиме АБ СНЭЭ монотон- Режим электроснабжения от ДГУ и СНЭЭ (под-
но разряжается вплоть до отключения СНЭЭ защи- держание SoC за счет смещения статической харак-
той от переразряда. теристики вдоль оси частоты и изменения коэффи-
НАКОПИТЕЛИ 52
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
циента статизма). В рассматриваемом режиме при временные отклонения частоты/напряжения, что
достижении граничных значений SoCмин1 и SoCмин2 приводит к отключениям топливных ГУ.
происходит смещение статической характеристики Высокое быстродействие инверторов СНЭЭ
вниз вдоль оси частоты сначала на 0,3 Гц, а затем позволяет их эффективно использовать в составе
еще на 0,1 Гц, Так же при их достижении активиру- изолированных энергорайонов для компенсации
ется механизм изменения коэффициента статиз- мгновенных небалансов активной и реактивной
ма в зависимости от значения SoC, это приводит мощности, предотвращая отключения топливных
к еще большему снижению мощности СНЭЭ и вы- ГУ и нарушения электроснабжения потребителей.
ходу СНЭЭ и ДГУ на новый установившийся режим Независимо от выбранного режима работы СНЭЭ
(рисунок 10б). Наклон статической характеристики наиболее важным является вопрос поддержания оп-
в процессе разряда (заряда) изменяется, что посте- тимального SoC АБ СНЭЭ в заданном диапазоне,
пенно уменьшает отклик СНЭЭ, продляя ее ресурс. в зависимости от прогноза режима работы СНЭЭ.
Таким образом смещение и изменение угла на- Предложен модифицированный способ поддер-
клона статической характеристики по частоте еще жания SoC СНЭЭ за счет изменения статической
в большей степени ограничивают скорость разряда характеристики по частоте, который не требует на-
СНЭЭ, что способствует повышению стабильности личия канала передачи данных между СНЭЭ и вы-
работы СНЭЭ с повышенным внутренним сопро- деленной для его поддержания ГУ. Данный способ
тивлением ввиду деградации АБ. заключается в сегментировании статической харак-
Предложенный модифицированный способ теристики по частоте на отдельные участки с раз-
поддержания SoC СНЭЭ, заключающегося в сег- ными коэффициентами статизма, в зависимости от
ментировании статической характеристики по ча- текущей нагрузки СНЭЭ и SoC, а также смещении
стоте на отдельные участки с разным коэффициен- характеристики по определенному закону, что поз-
тами статизма в зависимости от текущей нагрузки воляет при работе в изолированных энергорайонах
СНЭЭ и SoC, а также смещения характеристики обеспечивать работоспособность СНЭЭ, сохраняя
по определенному закону, позволяет при работе календарный и циклический срок службы, а также
в изолированных энергорайонах обеспечивать предотвращая преждевременную потерю энерго-
работоспособность СНЭЭ, сохраняя календарный емкости.
и циклический срок службы, а также предотвра- Учитывая, что изменение коэффициента статиз-
щая преждевременную потерю энергоемкости. ма в рабочих областях, близких к предельным зна-
В статье рассмотрен упрощенный вариант изо- чениям SoC, определяется характером степенной
лированного энергорайона с одной ДГУ и одной функции, была выполнена оценка чувствительности
СНЭЭ, поэтому в ней не рассмотрены особенности активной мощности СНЭЭ к вариациям n от 0,1 до 2.
распределения SoC между несколькими СНЭЭ, Так как с ростом величины n отклик СНЭЭ на изме-
работающими параллельно. Так как это возмож- нение SoC существенно увеличивается, то следует
но в реальных условиях эксплуатации, то данный ограничить диапазон изменения SoC, в пределах ко-
вопрос остается открытым и требует проведения торого действует предложенный способ.
дальнейших исследований. Результаты имитационного моделирования
в программной среде MATLAB Simulink подтвердили
ВЫВОДЫ эффективность предложенного модифицирован-
Резкие изменения нагрузки или выработки элек- ного способа поддержания SoC СНЭЭ в различных
троэнергии объектами ВИЭ в изолированных режимах электроснабжения нагрузки в изолирован-
энергорайонах вызывают недопустимые кратко- ном энергорайоне.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Есяков С.Я., Лунин К.А., Стенни- 2. Филиппов С.П., Дильман М.Д., Renewable and Sustainable Energy
ков В.А., Воропай Н.И., Редько Илюшин П.В. Распределенная Reviews, 2018, vol. 90, pp. 402-411.
И.Я., Баринов В.А. Трансформа- генерация и устойчивое разви-
4. Илюшин П.В., Музалев С.Г. Под-
ция электроэнергетических сис- тие регионов // Теплоэнергетика,
ходы к созданию систем управ-
тем // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Пере- 2019, № 12. С. 4–17.
ления микроэнергосистем // Ре-
дача и распределение, 2019, Filippov S.P., Dil'man V.D., Ilyushin
лейная защита и автоматизация,
№ 4(55). С. 134–141. P.V. Distributed generation and sus-
2016, № 3. С. 39–45.
tainable development of regions //
Yesyakov S.Ya., Lunin K.A., Sten-
Teploenergetika [Heat power engi- Ilyushin P.V., Muzalev S.G. Ap-
nikov V.A., Voropay N.I., Red'ko
neering], 2019, no. 12, pp. 4–17. (In proaches to creation of micro-
I.Ya., Barinov V.A. Transformation
Russian) energy system control systems //
of electric power systems // ELEK-
Releynaya zashchita i avtomati-
TROENERGIYA. Peredacha i ras- 3. Hirsch A., Parag Y., Guerrero J.M.
zatsiya [Relay Protection & Auto-
predeleniye [ELECTRIC POWER. Microgrids: A review of technologies,
mation], 2016, no. 3, pp. 39–45. (In
Transmission & Distribution], 2019, key drivers, and outstanding issues.
Russian)
no. 4(55), pp. 134–141. (In Russian)
53 № 5 (68) 2021
5. Илюшин П.В. Перспективы при- control method for balancing the 20. Urtasun A., Sanchis P., Marroyo L.
менения и проблемные вопросы SoC of distributed batteries in AC State-of-charge-based droop con-
интеграции распределенных ис- microgrids. Proceedings IEEE 17th trol for stand-alone AC supply sys-
точников энергии в электриче- Workshop on Control and Modeling tems with distributed energy storage.
ские сети: монография // Библио- for Power Electronics (COMPEL), Energy Conversion and Manage-
течка электротехника, 2020, № 8 2016, pp. 1-6. ment, 2015, vol. 106, pp.709-720.
(260). C. 1–116. URL: https://www.researchgate.net/
14. Wang R., Sun Q., Hu W., Li Y., Ma
publication/283831285.
Ilyushin P.V. Application opportuni- D., Wang P. SoC-based droop co-
ties and issues of concern of distrib- efficients stability region analysis 21. Shim J.W., Verbiс G., Kim H., Hur K.
uted energy source integration into of the battery for stand-alone sup- On droop control of energy-con-
electrical networks: monograph // ply systems with constant power strained battery energy storage
Bibliotechka elektrotekhnika [Elec- loads. IEEE Transactions on Power systems for grid frequency regu-
trical engineer library], 2020, no. 8 Electronics, 2021, vol. 36, no. 7, lation. IEEE Access, 2019, vol. 7,
(260), pp. 1–116. (In Russian) pp. 7866-7879. pp. 166353-166364. URL: https://
www.researchgate.net/publication/
6. Rocabert J., Luna A., Blaabjerg 15. Илюшин П.В., Шавловский С.В.
337263424.
F., Rodriguez P. Control of power Механизмы окупаемости инве-
converters in AC Microgrids. IEEE стиций в системы накопления 22. Zeh A., Müller M., Naumann M.,
Transactions on Power Electronics, электрической энергии при их Hesse H.C., Jossen A., Witzmann
2012, no. 27(11), pp. 4734-4749. использовании для снижения пи- R. Fundamentals of using battery
ковых нагрузок и затрат на мощ- energy storage systems to provide
7. Unruh P., Nuschke M., Strauss P.,
ность // Релейная защита и авто- primary control reserves in Germa-
Welck F. Overview on grid-forming
матизация, 2021, № 1. С. 12–20. ny. Batteries, 2016, no. 2(3), p. 29.
inverter control methods. Energies,
URL: https://www.mdpi.com/2313-
2020, vol. 13, p. 2589. Ilyushin P.V., Shavlovskiy S.V. Mech-
0105/2/3/29.
anisms of return on investment in
8. Khodadoost A.A., Gharehpetian
energy storage systems when they 23. Swierczynski M., Stroe D.I., Stan A.I.,
G. B., Abedi M. Review on energy
are used for reducing peak loads Teodorescu R., Kær S.K. Lifetime
storage systems control methods in
and capacity costs // Releynaya za- estimation of the nanophosphate
microgrids. International Journal of
shchita i avtomatizatsiya [Relay Pro- LiFePO4/C battery chemistry used in
Electrical Power & Energy Systems,
tection & Automation], 2021, no. 1, fully electric vehicles. IEEE Transac-
2019, vol. 107, pp. 745-757.
pp. 12–20. (In Russian) tions on Industry Applications, 2015,
9. Gao D.W. Energy Storage for Sus- vol. 51, iss. 4, pp. 3453-3461.
16. Duc N.H. An innovative adaptive
tainable Microgrid. Chapter 1. Basic
droop control based on available en- 24. Илюшин П.В. О свойствах энерго-
concepts and control architecture
ergy for DC micro distribution grids. установок с газопоршневыми
of microgrids. 2015. 152 p. URL:
Energies, 2020, vol. 13, p. 2983. двигателями // Электрические
https://www.researchgate.net/publi-
URL: https://www.researchgate.net/ станции, 2009, № 11. С. 42–46.
cation/306158655.
publication/342089886. Ilyushin P.V. On properties of elec-
10. Kim Y.S., Kim E.S., Moon S. Fre- tric installations with gas reciprocat-
17. Lu X., Sun K., Guerrero J.M.,
quency and voltage control strat- ing engines // Elektricheskiye stan-
Vasquez J.C., Huang L., Teodor-
egy of standalone microgrids with tsii [Electric power stations], 2009,
escu R. SoC-based droop method
high penetration of intermittent re- no. 11, pp. 42–46. (In Russian)
for distributed energy storage in DC
newable generation systems. IEEE
microgrid applications. Proceedings 25. Илюшин П.В. Учет особенностей
Transactions on Power Systems,
IEEE International Symposium on объектов распределенной гене-
2015, vol. 31, pp. 1-11.
Industrial Electronics (ISIE), 2012, рации при выборе алгоритмов
11. Kim Y.S., Hwang C.S., Kim, E.S., pp. 1640-1645. противоаварийного управления
Cho C. State of charge-based active в распределительных сетях //
18. Yang H., Qiu Y., Li Q., Chen W.
power sharing method in a stand- Электро. Электротехника, элек-
A self-convergence droop control
alone microgrid with high penetration троэнергетика, электротехниче-
of no communication based on dou-
level of renewable energy sources. ская промышленность, 2011, № 4.
ble-quadrant state of charge in DC
Energies, 2016, vol. 9, 480 p. С. 19–25.
microgrid applications // Journal of
Ilyushin P.V. Consideration of pe-
12. Lu X., Sun K., Guerrero J.M., Huang Renewable and Sustainable Energy,
culiarities of distributed generation
L. SoC-based dynamic power sharing 2017, vol. 9(3), p. 034102.
facilities in the process of selecting
method with AC-bus voltage restora-
19. Sitompul S., Hanawa Y., Bupphaves emergency control algorithms in dis-
tion for microgrid applications. Pro-
V., Fujita G. State of charge control tribution networks // Elektro. Elek-
ceedings 38th Annual Conference on
integrated with load frequency con- trotekhnika, elektroenergetika, elek-
IEEE Industrial Electronics Society
trol for BESS in islanded microgrid. trotekhnicheskaya promyshlennost'
(IECON), 2012, pp. 5677-5682.
Energies, 2020, vol. 13, p. 4657. [Electro. Electric engineering, Elec-
13. Gkavanoudis S.I. Oureilidis K., De- U R L : h t t p s: //d o i . o r g /10 . 3 3 9 0 / tric power, Electric power industry],
moulias C.S. An adaptive droop en13184657. 2011, no. 4, pp. 19–25. (In Russian)Вы также можете почитать
