PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 4 (236)
2015
Rok LXI
Dominik SZUSTER, Adrian NOCOŃ, Stefan PASZEK
Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach
ELEKTROMECHANICZNE STANY PRZEJŚCIOWE ŹRÓDEŁ
ROZPROSZONYCH PRACUJĄCYCH W SIECI DYSTRYBUCYJNEJ
Streszczenie. W artykule przedstawiono badania dotyczące stanów przejściowych
źródeł rozproszonych przyłączonych do sieci rozdzielczej średniego napięcia.
Rozpatrzono układ, w którym występuje pięć źródeł rozproszonych. Założono, że
w źródłach rozproszonych zainstalowane są generatory synchroniczne i asynchroniczne.
W modelach matematycznych generatorów uwzględniono nieliniowość charakterystyki
magnesowania. Założono, że w celu stabilizacji pracy układu jedno źródło rozproszone
zostało wyposażone w regulatory napięcia, mocy i częstotliwości. W ramach badań
przeprowadzono optymalizację parametrów tych regulatorów przy użyciu algorytmu
genetycznego. Optymalizację przeprowadzono podczas przejścia analizowanej sieci do
pracy autonomicznej. W badaniach uwzględniono niepewność parametrów modeli
matematycznych wybranych elementów systemu elektroenergetycznego.
Słowa kluczowe: system elektroenergetyczny, źródła rozproszone, generatory synchroniczne
i asynchroniczne, niepewność parametrów, stany przejściowe
ELECTROMECHANICAL TRANSIENT STATES OF DISTRIBUTED
SOURCES OPERATING IN A DISTRIBUTION NETWORK
Summary. Investigations of transient states of distributed sources connected to a
MV distribution network are presented in the paper. System with five distributed sources
is discussed. It was assumed that synchronous and asynchronous generators were
installed in the distributed sources. Nonlinearity of the magnetizing characteristic was
taken into account in the mathematical models of the distributed sources. It was assumed
that one distributed source was equipped with voltage, power and frequency regulators to
stabilize the system operation. Parameter optimization of those regulators with use of a
genetic algorithm was also performed. The optimization was made during switching the
analyzed network to the autonomous operation. The parameter uncertainty of the
mathematical models of selected elements of the power system was taken into account in
the investigations.
Keywords: power system, distributed sources, synchronous and asynchronous generators, parameter
uncertainty, transient states
28
D. Szuster, A. Nocoń, S. Paszek
1. WPROWADZENIE
Obecnie można zaobserwować wzrost zainteresowania źródłami rozproszonymi. Jest to
spowodowane chęcią ograniczenia emisji szkodliwych gazów poprzez wykorzystanie energii
ze źródeł odnawialnych (np. mikroelektrowni wodnych lub siłowni wiatrowych), a także
dążeniem do zwiększenia bezpieczeństwa elektroenergetycznego odbiorców dzięki wzrostowi
udziału generacji rozproszonej [2]. Źródła rozproszone, które charakteryzuje niewielka moc
(do 5MW), najczęściej instalowane są w sieci rozdzielczej średniego napięcia [13].
Występujące w sieci zakłócenia mogą niekorzystnie wpływać na pracę poszczególnych
źródeł rozproszonych, np. powodując utratę ich stabilności, a w konsekwencji awaryjne
wyłączenie źródła. W związku z tym konieczne stają się badania stanów dynamicznych
systemu elektroenergetycznego (SEE), z uwzględnieniem generacji rozproszonej. Badania te
mogą być podstawą do projektowania układów regulacji źródeł rozproszonych, np.
specjalnych stabilizatorów systemowych [8], a także możliwości zapewnienia stabilnej pracy
przy optymalnych nastawach regulatorów [10].
W artykule opisano proces optymalizacji parametrów regulatorów przy użyciu algorytmu
genetycznego. Przedstawione badania dotyczą przejścia analizowanej sieci elektroenergetycznej do pracy autonomicznej. Ponadto uwzględniono niepewność parametrów modeli
matematycznych wybranych elementów SEE.
2. STRUKTURA ANALIZOWANEGO SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO
Badania przeprowadzono dla sieci, której strukturę przedstawia rys. 1. Przyjęto, że
w analizowanej sieci zainstalowana była jedna wiatrowo-gazowa elektrownia hybrydowa,
w której skład wchodzą trzy siłownie wiatrowe o mocy jednostkowej 1 MW z generatorami
asynchronicznymi dwustronnie zasilanymi oraz jedna elektrownia z generatorem synchronicznym zasilanym biogazem o mocy 3 MW. Do sieci przyłączone były również cztery małe
elektrownie wodne, oznaczone odpowiednio symbolami od MEW1 do MEW4. Na rysunku 1
zaznaczono miejsca przyłączenia poszczególnych jednostek wytwórczych i ich moce
znamionowe.
Elektromechaniczne stany przejściowe...
1 MW
MEW1
29
6 MW
KSE
L9
L0
LH
G
110 kV
Elektrownia
hybrydowa
TBH
L8
TGPZ
0,5 MW
0,5 MW
MEW3
MEW2
15 kV
MEW4
0,5 MW
Rys. 1. Struktura analizowanej sieci dystrybucyjnej, gdzie LH – linia łącząca elektrownie gazową
i wiatrową w elektrownię hybrydowej, TBH – transformator blokowy elektrowni hybrydowej,
TGPZ – transformator w głównym punkcie zasilania (GPZ), KSE – Krajowy System
Elektroenergetyczny
Fig. 1. Structure of the analyzed distribution network; LH – line connecting the gas and wind power
plants in the hybrid power plant, TBH – block transformer of the hybrid power plant, TGPZ –
transformer in the main supply point (GPZ), KSE - Polish National Power System
Przyjęto, że KSE dostarcza rozpatrywanej sieci 23,5% zapotrzebowanej mocy czynnej.
Pozostałe 76,5% pokrywają źródła rozproszone.
3. MODELE REGULATORÓW Z OPTYMALIZOWANYMI PARAMETRAMI
W badaniach przyjęto, że generator synchroniczny w elektrowni gazowej jest napędzany
silnikiem wysokoprężnym i wyposażony został w regulator mocy mechanicznej typu PI (którego parametrami są współczynnik wzmocnienia części proporcjonalnej KPP i współczynnik
wzmocnienia części całkującej KIP) oraz w regulator prędkości typu I (o współczynniku
wzmocnienia KIω). Ponadto, generator ten ma regulator napięcia typu PID „COSIMAT N+”
firmy AvK. Schemat strukturalny tego regulatora przedstawiono na rys. 2 [1].
D. Szuster, A. Nocoń, S. Paszek
30
-K2
Vref
Efdmax
EC
1
1+sTP1
1
sTI
-K1
1
1+sTP2
Efd
K3
Efdmin
sTD
Rys. 2. Schemat blokowy regulatora napięcia "COSIMAT N+”
Fig. 2. . Block diagram of the voltage regulator "COSIMAT N+"
Na powyższym rysunku oznaczono parametry:
K1, K2, K3 - współczynniki wzmocnienia,
TI, TD - stałe czasowe członów całkującego i różniczkującego,
TP1, TP2 - stałe czasowe filtrów dolnoprzepustowych,
Efdmax, Efdmin - ograniczenia napięcia wzbudzenia generatora
oraz sygnały:
EC - sygnał doprowadzony do regulatora z transformatora kompaundacji równy napięciu
twornika generatora VT,
Vref - napięcie zadane regulatora napięcia generatora,
Efd - napięcie wzbudzenia generatora.
Zgodnie z danymi producenta powyższe parametry regulatora powiązane są z elementami
nastawczymi R1, C1, C2 w fizycznej realizacji regulatora.
Obowiązują następujące zależności [1]:
T1  R1  C1 ,
T2  6,8 103  C2 ,
T3  22 103  C1 ,
TI  T1  T2 ,
TD 
T1  T2
,
T1  T2
K1  2,56 
K2 
T1  T2
,
T3
716,1 103  K1
,
TI
K 3  0, 006,
TP1  3, 62 103 ,
TP2  0, 268  T2 .
(1)
Elektromechaniczne stany przejściowe...
31
4. OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW REGULATORÓW GENERATORÓW
PRACUJĄCYCH W ŹRÓDŁACH ROZPROSZONYCH
Przedstawione w artykule badania przeprowadzono w programie PSLF. W badaniach
symulacyjnych przyjęto następujące modele matematyczne zespołów wytwórczych:
‒ siłownie wiatrowe: generator asynchroniczny – model GENWRI [10], układ sterowania
rezystancją dodatkową – model EXWTG1 [10] (w modelu pominięto oddziaływanie
turbiny wiatrowej),
‒ turbozespół gazowy: generator synchroniczny – model GENROU [12], układ wzbudzenia – model regulatora napięcia „COSIMAT N+”, model silnika gazowego [7] regulator
mocy silnika – model regulatora typu PI, regulator prędkości – model regulatora typu I [5],
‒ elektrownie wodne: generator synchroniczny – model GENROU, układ wzbudzenia –
model krajowego statycznego układu wzbudzenia [12] (przyjęto, że zespoły pracują przy
stałej mocy mechanicznej – pominięto oddziaływanie turbiny wodnej).
Parametry modeli matematycznych przyjęto zgodnie z danymi katalogowymi producentów: [3] dla siłowni wiatrowych i [4] dla generatorów elektrowni gazowej i turbozespołów
wodnych, natomiast parametry modeli matematycznych elementów sieci określono na
podstawie danych operatora sieci.
W ramach pracy przeprowadzono optymalizację następujących parametrów: wzmocnień
regulatora mocy KPP, KIP i prędkości KIω oraz rezystancji R1 i pojemności C1, C2 regulatora
napięcia. Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzono przy założeniu następującej sekwencji
zdarzeń:
1. Współpraca sieci z KSE.
2. W chwili tr = 0,5 s następuje odłączenie sieci od KSE. Przy założonym podziale
wytwarzanej mocy nie ma możliwości zbilansowania sieci dla pracy autonomicznej.
Przyjęto więc, że w momencie odłączania sieci, automatycznie zostają wyłączone
linie L9 i L8 (rys. 1). Wyłączenie obu linii zmniejsza obciążenie sieci wydzielonej do
mocy, którą mogą pokryć źródła rozproszone [10].
3. Praca autonomiczna sieci.
Optymalizacje wartości parametrów regulatorów wykonano z wykorzystaniem algorytmu
genetycznego [7], minimalizując wskaźnik jakości regulacji napięcia, mocy i prędkości
kątowej elektrowni gazowej [12]:
tk
tk
tk
tr
tr
tr
Q  w1  ΔVT dt  w2  ΔP dt  w3  Δ dt ,
(2)
gdzie: ΔVT ΔP, Δω – odchyłki napięcia twornika, mocy czynnej i prędkości kątowej wirnika
generatora pracującego w turbozespole gazowym; w1, w2, w3 – arbitralnie dobrane współczynniki wagowe; tr – czas rozpoczęcia zakłócenia, tk – czas zakończenia symulacji.
D. Szuster, A. Nocoń, S. Paszek
32
Wartości parametrów regulatorów uzyskane w procesie optymalizacji oraz przyjęte ograniczenia przedstawiono w tabeli 1, a przebiegi napięcia twornika, mocy czynnej i prędkości
kątowej generatora pracującego w elektrowni gazowej po optymalizacji parametrów
przedstawiono na rys. 3.
Tabela 1
Optymalne parametry regulatorów
Parametr
R1, Ω
C1 , F
C2 , F
KPP
KIP
KIω
Wartość minimalnego
ograniczenia
0,00
0,2210–6
10,1010–6
1,00
1,00
1,00
Wartość maksymalnego
ograniczenia
500,00103
3,8510–6
32,1010–6
10,00
10,00
100,00
Wartość optymalna
176,52103
0,2210–6
23,0010–6
8,85
3,32
57,99
Elektromechaniczne stany przejściowe...
33
Rys. 3. Przebiegi napięcia twornika, mocy czynnej oraz prędkości kątowej generatora w turbozespole
gazowym uzyskane w procesie optymalizacji
Fig. 3. Waveforms of the armature voltage, active power and angular speed of the generator in the gas
turbine set obtained in the optimization process
Ze względu na brak wiarygodnych danych dotyczących źródeł rozproszonych i sieci
elektroenergetycznej (parametry przyjęto na podstawie danych katalogowych) oraz zmiany
parametrów podczas eksploatacji ww. elementów SEE wykonano w dalszej kolejności
badania symulacyjne z uwzględnieniem niepewności parametrów. Niepewność uwzględniono
dla tych parametrów, które najbardziej wpływają na przebiegi generatora synchronicznego
elektrowni gazowej będące składnikami jakości wskaźnika regulacji (2) [6, 9]:
‒ model GENROU: Xd – reaktancja synchroniczna w osi d, Xd' – reaktancja przejściowa
w osi d, Xd" – reaktancja podprzejściowa w osi d, Xq – reaktancja synchroniczna w osi q,
Xq' – reaktancja przejściowa w osi q, Xs – reaktancja rozproszenia stojana, Ra –
rezystancja twornika, Td0' – przejściowa stała czasowa w osi d, Td0" – podprzejściowa
stała czasowa w osi d, Tq0' – przejściowa stała czasowa w osi q, Tq0" – podprzejściowa stała
czasowa w osi q, H – stała inercji zespołu wytwórczego;
‒ model transformatora blokowego elektrowni hybrydowej THB (rys.1): RzTB – rezystancja
zwarcia, XzTBH – reaktancja zwarcia;
‒ model transformatora GPZ TGPZ (rys.1): RzTGPZ – rezystancja zwarcia, XzTGPZ –
reaktancja zwarcia;
‒ model linii łączącej źródła elektrowni hybrydowej LH (rys.1): RLH – rezystancja
wzdłużna, XLH – reaktancja wzdłużna.
Uwzględnienie niepewności parametrów zrealizowano przez wielokrotne powtarzanie
obliczeń przy losowo wybieranych wartościach parametrów, zgodnie z normalnym rozkładem
prawdopodobieństwa [11].
W ten sposób zastąpiono konkretną wartość parametru xi założonym rozkładem
prawdopodobieństwa wystąpienia danej wartości parametru k(xi) o zakresie ±25 %, dla
którego wartością średnią xi jest wartość xi [6, 9, 13].
D. Szuster, A. Nocoń, S. Paszek
34
Przykładowy rozkład prawdopodobieństwa dla przejściowej stałej czasowej w osi d
generatora elektrowni gazowej przedstawiono na rys. 4.
Tˆd0'  6.63
Rys. 4. Rozkład prawdopodobieństwa dla przejściowej stałej czasowej w osi d generatora elektrowni
gazowej
Fig. 4. Probability distribution for the transient time constant in the d axis of the generator in the gas
power plant
Wszystkie uzyskane pasma określone są poprzez przebiegi graniczne (maksimum
i minimum), a także wartość średnią. Pasma przebiegów (mocy czynnej, prędkości kątowej
i napięcia twornika) dla zespołu wytwórczego elektrowni gazowej przedstawiono na rys. 3.
Elektromechaniczne stany przejściowe...
35
Rys. 5. Pasma przebiegów mocy czynnej P, prędkości kątowej  i napięcia VT generatora
w elektrowni gazowej
Fig. 5. Bands of the waveforms of active power P, angular speed  and voltage VT of the generator in
the gas power plant
Z powyższych pasm przebiegów wynika, że zmiany (±25 %) parametrów wybranych
elementów SEE nie wpływają znacznie na jakość regulacji (przy niezmienionych nastawach
regulatorów). Ze względu na to, że praca autonomiczna analizowanej sieci rozdzielczej
możliwa jest przy wyposażeniu tylko elektrowni gazowej w regulatory mocy czynnej,
prędkości kątowej i napięcia, stabilna praca tego źródła oznacza stabilność pozostałych źródeł
rozproszonych.
5. WNIOSKI
Na podstawie przedstawionych badań można stwierdzić, że istnieje możliwość pracy
autonomicznej sieci z wieloma źródłami rozproszonymi przy wyposażeniu tylko jednego
źródła w regulatory mocy, prędkości i napięcia. Optymalizacji poddane były parametry
regulatorów pracujących w przemyśle. Wyniki takiej analizy mogą być podstawą do oceny
dopuszczalności pracy autonomicznej danej sieci. W celu oceny współpracy generatora
z systemem elektroenergetycznym (w szczególności jego stabilności dynamicznej) oraz
doboru układów regulacji generatorów źródeł rozproszonych, w tym stabilizatorów
systemowych, należy znać wiarygodne parametry SEE. Ze względu na trudności z ich
wyznaczeniem pomocne staje się uwzględnienie niepewności parametrów SEE. Pozwala to na
analizę stanów przejściowych w sieci przy mniejszym nakładzie kosztów.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
Dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora napięcia „COSIMAT N+”.
Kacejko P.: Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo
Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 2004.
Katalogi elektrowni wiatrowych Vestas.
36
D. Szuster, A. Nocoń, S. Paszek
4.
5.
Katalogi generatorów synchronicznych Stamford.
Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.
Nocoń A., Pasko M., Paszek S.: Sensitivity analysis including uncertainty of
synchronous generator model parameters. 9th International Conference Control of Power
Systems’10, Tatranské Matliare, Slovak Republic, June 2010, p. 105-128.
Nocoń A., Paszek S.: Polioptymalizacja regulatorów napięcia zespołów prądotwórczych
z generatorami synchroniczny. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, seria monografie,
Gliwice 2008.
Nocoń A., Paszek S.: Optymalizacja parametrów regulatora elektrowni wirtualnej źródeł
rozproszonych w SEE. „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 8, s. 82-86.
Nocoń A., Paszek S., Bojarska M.: Analiza wrażliwości przebiegów zakłóceniowych
z uwzględnieniem niepewności parametrów modelu systemu elektroenergetycznego. XV
Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Aktualne Problemy w Elektroenergetyce”,
Tom I: Systemy elektroenergetyczne: Stabilność, niezawodność, awarie i restytucje.
APE'2011, Gdansk-Jurata, 8-10.06.2011, s. 229-236.
Nocoń A., Szuster D.: Badania symulacyjne stanów przejściowych generatorów źródeł
rozproszonych. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej, Studia i Materiały, 2012, Nr 32, tom 2, s. 160-165.
Nocoń A., Szuster D.: Distributed source mathematical model including parameter
uncertainty. 33th International Conference on Fundamentals of Electrotechnics and
Circuit Theory, SPETO’2010, Ustroń May 2010, p. 35-37.
Paszek S.: Wybrane metody oceny i poprawy stabilności kątowej systemu
elektroenergetycznego, seria monografie, Gliwice 2012.
Szuster D., Nocoń A.: Wpływ parametrów sieci dystrybucyjnej średniego napięcia na
stany przejściowych generatorów źródeł rozproszonych – analiza wrażliwości, XLVII
Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, SME'2011, Szczecin 1922.06.2011; Zeszyty Problemowe „Maszyny Elektryczne” BOBRME 2011, Nr. 92,
s. 181-186.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Mgr inż. Dominik SZUSTER, Dr inż. Adrian NOCOŃ, Prof. dr hab. inż. Stefan PASZEK
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki i Informatyki
ul. Akademicka 10,
44-100 Gliwice
Tel. 32 2371447; e-mail: [email protected]
Tel. 32 2372522; e-mail: [email protected]
Tel. 32 2371003 ; e-mail: [email protected]