ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ОБЪЕДИНЁННЫЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

В результате современной энергетической политики происходят далеко идущие изменения в структуре энергоснабжения. Во-первых, происходит замена традиционных электростанций на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Во-вторых – переход от централизованного производства энергии к децентрализованному. С точки зрения электроэнергетики, для потребителей возникнет новая ситуация, касающаяся безопасности поставок и качества электроэнергии, которая требует от операторов системы дальнейших технических мер для обеспечения соответствия все более строгим критериям поставок. В этой статье описывается новый подход, основанный на силовой электронике, который позволяет совместить традиционную энергосистему с возобновляемыми источниками электроэнергии даже в «слабых» энергосистемах. Суть подхода заключается в придании ВИЭ электромеханических свойств синхронных машин. Свойства синхронных машин определяют характеристики систем. Эти характеристики включают в себя, например, взаимодействие между системой и генератором, реакцию на переходные процессы. Кроме того, эта разработка даст возможность использовать ветряные и фотоэлектрические электростанции в качестве первичного резерва.

Изменения в структуре сети можно описать как переход от проверенной вертикальной структуры генерации к потреблению с несколькими, но мощными генераторами, к распределённой, с многочисленными источниками возобновляемой энергии. Следовательно, в зависимости от локального распределения генераторов и мощности локальной сети, может быть снижено сопротивление линии и мощности короткого замыкания.

Интеграция генераторов электроэнергии сегодня осуществляется с использованием преобразователей и инверторов. Часто управляемые инверторы выходного напряжения с субгармоническими модуляторами [1] или модуляторами пространственного вектора [2, 3, 4] используются для локальной стабилизации сети и подачи активной и реактивной мощности, требуемой сетью, в зависимости от местного управления системой. Недостатки этого принципа работы заключаются в больших различиях в поведении сети между инверторами и преобразователями, соединёнными с системой, и обычными синхронными машинами, используемыми для соединения традиционных первичных двигателей с сетью. Поэтому необходимо разработать процесс, с помощью которого инверторы смогут подключать ВИЭ к сети таким образом, чтобы комбинация инвертора и генератора вела себя идентично синхронному генератору.

Принцип метода виртуальной синхронной машины (VISMA) основан на сочетании преимуществ современных инверторов с преимуществами статических и динамических рабочих свойств электромеханических синхронных машин [5]. Как показано на рисунке 1, задать свойства инвертора можно таким образом, чтобы он действовал как синхронная машина между любым генератором постоянного напряжения или системой накопления энергии и сетью.

Рисунок 1. Основная концепция виртуальной синхронной машины (VISMA) [5]

Механический компонент VISMA существует только как логическая концепция. Тем не менее, он электрически полностью эффективен с точки зрения энергосистемы, потому что математически моделируется в реальном времени системой управления, соответственно, компьютером обработки VISMA и физически с помощью цепи постоянного напряжения инвертора VISMA. Таким образом создается эквивалентная виртуальная вращающаяся масса, которая может параметрироваться.

На практике доступ к виртуальной синхронной машине достигается путем воздействия на соответствующие параметры программного обеспечения (ПО). ПО работает на базе компьютера, управление может осуществляться удаленно. Если для сети требуется активная мощность, необходимо обеспечить соответствующий виртуальный крутящий момент на виртуальном валу. Необходимая для этого энергия расходуется из системы постоянного напряжения инвертора VISMA и, соответственно, подаётся в систему постоянного напряжения блоком генерации электроэнергии (рисунок 2). Если реактивная мощность должна передаваться в сеть, то по аналогии компьютер влияет на значение виртуального напряжения возбуждения. Конденсатор VISMA в промежуточной цепи подает реактивный ток [5].

Рисунок 2. Передача активной или реактивной мощности: локально индуцированной (слева), из-за изменений напряжения и частоты в сети (справа) [5]

Полная аналогия с электромеханической синхронной машиной устанавливается на основе виртуальных значений крутящего момента и напряжения возбуждения в сочетании с промежуточной цепью. Подобно обычным машинам, передача активной и реактивной мощности может быть инициирована изменениями напряжения и частоты в сети посредством дистанционной диспетчеризации. Этот испытанный и проверенный механизм не требует дополнительного обмена информацией, и целые энергосистемы могут самостоятельно сбалансировать дефицит или избыток электроэнергии.

Концепция VISMA, представленная здесь, позволяет подключать любые виды децентрализованных электрических, предпочтительно возобновляемых генераторов, таких как ветряные, фотоэлектрические и топливные элементы, к слабым сетям. Благодаря точному моделированию синхронной машины параллельная работа самоорганизующейся сети возможна через три фазы сети с любым количеством генераторов без дополнительных линий связи.

Еще одной целью развития концепции VISMA является установление свойств электростанции путем наложения системы управления виртуальной машиной.

Список литературы:

1. J. Wenske, Elektronische Synchonmaschine mit aktivem Dämpferkreis zur Energieversorgung in elektrischen Versorgungsnetzen, Diss. TU- Clausthal, 1999
2. D. Turschner, R. Hesse, Power electronic substitution of a classical synchronous machine for power conditioning in decentralized energy supply, 3rd French – German conference Renewable and Alternative Energies, University of Le Havre, PFT Fécamp, France, 5.-6. Dezember, 2005
3. H.-P. Beck, M. Clemens, Konditionierung elektrischer Energie in dezentralen Netzen, etz Elektrotechnik Automatisierung, 2004
4. R. Zingel, Limiting Grid Disturbances of Renewable Power Sources by Means of Modern Power Electronics, VDE-Kongreß ETG-2006
5. H.-P. Beck, R. Hesse, Virtual Synchronous Machine, 9^th International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, Barcelona, 2007