

Регулятор демпфирования колебаний мощности для статического преобразователя напряжения объектов возобновляемой генерации
https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.165-180
Аннотация
В настоящее время возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются неотъемлемой частью программ развития электроэнергетических систем (ЭЭС). Установлено, что в объектах генерации, работающих на базе ВИЭ, для преобразования энергии используются силовые статические преобразователи напряжения (СПН). С одной стороны, использование СПН дает определенные преимущества (возможность работы во всех квадрантах PQ-диаграммы, возможность подключения ВИЭ к слабой сети). С другой стороны, широкое применение ВИЭ с использованием СПН снижает общую инерцию ЭЭС, что увеличивает вероятность появления нежелательных незатухающих колебаний мощности, снижающих устойчивость работы ЭЭС. Для обеспечения надежной работы ЭЭС с ВИЭ с СПН необходимо модернизировать систему автоматического управления СПН с учетом требований, предъявляемых к традиционной генерации в составе ЭЭС. В данной статье представлены результаты применения регулятора демпфирования колебаний мощности, реализованного в СПН, который повышает устойчивость ЭЭС.
Об авторах
Р. А. УфаРоссия
Руслан Александрович Уфа, кандидат технических наук, доцент, доцент отделения
Инженерная школа энергетики; отделение электроэнергетики и электротехники
634050; пр. Ленина, 30; Томск
Образование: Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2012 г.; Область научных интересов: моделирование электроэнергетических систем, режимы работы и автоматика электроэнергетических систем, гибкие системы передачи переменного тока, высоковольтные передачи энергии постоянного тока (HVDC); Публикации: 100
В. Е. Рудник
Россия
Владимир Евгеньевич Рудник, ассистент
Инженерная школа энергетики; отделение электроэнергетики и электротехники
634050; пр. Ленина, 30; Томск
Образование: Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2019 г.; Область научных интересов: моделирование электроэнергетических систем, гибкие системы передачи переменного тока, высоковольтные передачи энергии
постоянного тока (HVDC), возобновляемые источники энергии; Публикации: 80
Я. Ю. Малькова
Россия
Яна Юрьевна Малькова, ассистент, аспирант
Инженерная школа энергетики; отделение электроэнергетики и электротехники
634050; пр. Ленина, 30; Томск
Образование: Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2023 г.; Область научных интересов: моделирование электроэнергетических систем, возобновляемые источники энергии, системы накопления энергии, водородные накопители, программное решение задач оптимизации, системы управления; Публикации: 90
А. А. Томалев
Россия
Андрей Александрович Томалев, аспирант
Инженерная школа энергетики; отделение электроэнергетики и электротехники
634050; пр. Ленина, 30; Томск
Образование: Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2015 г.; Область научных интересов: моделирование электроэнергетических систем, возобновляемые источники энергии; Публикации: 10
Список литературы
1. Huang S.-H., Schmall J., Conto J., Adams J., Zhang Y., Carter C. Voltage control challenges on weak grids with high penetration of wind generation: ERCOT experience // In the 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, USA, 2012, 13170066.
2. Shepovalova O., Arbuzov Y., Evdokimov V., Ilyushin P., Suslov K. Assessment of the gross, technical and economic potential of region’s solar energy for photovoltaic energetics // Energies, 2023, 16(3), 1262.
3. Shepovalova O.V, Ivanov A.V. Conformity confirmation mechanics of photovoltaic equipment in Russia // Energy Reports, 2020, 6(6), pp. 325-342.
4. Liu H., Xie X., He J., Xu T., Yu Z., Wang C., Zhang C. Subsynchronous interaction between directdrive PMSG based wind farms and weak AC networks // IEEE Transactions on Power Systems, 2017, 32(6), 4708-4720.
5. Ramasubramanian D., Wang W., Pourbeik P., Farantatos E., Gaikwad A., Soni S., Chadliev V. Positive sequence voltage source converter mathematical model for use in low short circuit systems // IET Generation, Transmission and Distribution, 2019, 14(1), 87-97.
6. Tan B., Zhao J., Netto M., Krishnan V., Terzija V., Zhang Y. Power system inertia estimation : Review of methods and the impacts of converter-interfaced generations // International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2022, 134, 107362.
7. Wang W., Huang G.M., Kansal P., Anderson L.E., O’keefe R.J., Ramasubramanian D., Mitra P., Farantatos E. Instability of PLL-synchronized converter-based generators in low short-circuit systems and the limitations of positive sequence modelling // In the 2018 North American Power Symposium (NAPS), Fargo, ND, USA, 2019, 18384450.
8. Suvorov A., Askarov A., Kievets A., Rudnik V. A comprehensive assessment of the state-of-the-art virtual synchronous generator models // Electric Power Systems Research, 2022, 209, 108054.
9. Ebrahimzadeh E., Blaabjerg F., Wang X., Bak C.L. Harmonic stability and resonance analysis in large PMSG-based wind power plants // IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2018, (9)1, pp. 12-23.
10. Rudnik V.E., Ufa R.A., Malkova Y.Y. Analysis of low-frequency oscillation in power system with renewable energy sources // Energy Reports, 2022, 8(9), 394-405.
11. Ufa R.A., Rudnik V.E., Malkova Y.Y., Bay Y.D., Kosmynina N.M. Impact of renewable generation unit on stability of power systems // International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(46), 19947-19954.
12. Riley B.P., Daoutidis P., Zhang Q. Multiscenario design of ammonia-based energy storage systems for use as non-wires alternatives // Journal of Energy Storage, 2023, 73, 108795.
13. Kang D., Kang D., Hwangbo S., Niaz H., Lee W.B., Liu J.J., Na J. Optimal planning of hybrid energy storage systems using curtailed renewable energy through deep reinforcement learning // Energy, 2023, 284, 128623.
14. Chu C., Wu K., Luo B., Cao Q., Zhang H. Hydrogen storage by liquid organic hydrogen carriers: Catalyst, renewable carrier, and technology – A review // Carbon Resources Conversion, 2023, 6(4), pp. 334-351.
15. Allwyn R.G., Al-Hinai A., Margaret V. A comprehensive review on energy management strategy of microgrids // Energy Reports, 2023, 9, pp. 5565-5591.
16. Zarina P.P., Mishra S., Sekhar P.C. Exploring frequency control capability of a PV system in a hybrid PV-rotating machine-without storage system // International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2014, 60, pp. 258-267.
17. Nogami S., Yokoyama A., Daibu T., Hono, Y. Virtual synchronous generator model control of PV for improving transient stability and damping in a large-scale power system // IEEJ Transactions on Power and Energy, 2018, 138(8), pp. 716-723.
18. Mei S., Zheng T., Chen L., Li C., Si Y., Guo Y. A comprehensive consensus-based distributed control strategy for grid-connected PV-VSG // In the 2016 35<sup>th</sup> Chinese Control Conference (CCC), Chengdu, China, 2016, 16265578.
19. Batzelis E.I., Kampitsis G. E., Papathanassiou S.A. Power reserves control for PV systems with real-time MPP estimation via curve fitting // IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2017, 8(3), pp. 1269-1280.
20. Liu Z., Marino M., Reinoso J., Paggi M. A continuum large-deformation theory for the coupled modeling of polymer–solvent system with application to PV recycling // International Journal of Engineering Science, 2023, 187, 103842.
21. Sangwongwanich A., Yang Y., Blaabjerg F. A sensorless power reserve control strategy for two-stage grid-connected PV systems // IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(11), pp. 8559-8569.
22. Feldmann D., Oliveira R.V. Operational and control approach for PV power plants to provide inertial response and primary frequency control support to power system black-start // International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2021, 127, 106645.
23. Silva Borges D.T., Santos W.M., Coelho R.F., Martins D. C. Proposal for virtual synchronous machine with control voltage on the DC // In the 2018 9th IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 2018, 18060710.
24. Karami N., Moubayed N., Outbib R. General review and classification of different MPPT techniques // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 68(1), pp. 1-18.
25. Tielens P., Hertem D.V. The relevance of inertia in power systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 55, pp. 999-1009.
26. Wang Y., Meng J., Zhang X., Xu L. Control of PMSG-based wind turbines for system inertial response and power oscillation damping // IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 6(2), pp. 565-574.
27. Kulikov A., Ilyushin P., Loskutov A., Suslov K., Filippov S. WSPRT methods for improving power system automation devices in the conditions of distributed generation sources operation // Energies, 2022, 15(22), 8448.
28. Resende F.O., Vasconcelos M.H., Peças Lopes J.A. Simultaneous tuning of power system stabilizers installed in the VSC-based MTDC networks of large offshore wind farms // In the 2014 Power Systems Computation Conference, Wroclaw, Poland, 2015, 14919812.
29. Netbeheer Nederland. Power-generating modules compliance verification. Technical report, 2020.
30. EirGrid. Eirgrid grid code version 9. Technical report, 2020.
31. 31-Energinet. Technical regulation 3.2.5 for wind power plants above 11 kW. Technical report, 2016.
32. National Grid Electricity System Operator. The grid code. Technical report, 2020.
33. ENTSO-E. High penetration of power electronic interfaced power sources and the potential contribution of grid forming converters. Technical report, 2020.
34. Li C., Du Z. A novel method for computing small-signal stability boundaries of large-scale power systems // IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 28(2), pp. 877-883.
35. Mohammadpour H.A., Santi E. SSR damping controller design and optimal placement in rotor-side and grid-side converters of series-compensated DFIG-based wind farm // IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 6(2), pp. 388-399.
36. Wang X., Blaabjerg F., Liserre M., Chen Z., He J., Li Y. An active damper for stabilizing power-electronics-based AC Systems // IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(7), pp. 3318-3329.
37. Alawasa K.M., Mohamed Y.A.-R.I. A simple approach to damp SSR in series-compensated systems via reshaping the output admittance of a nearby VSC-based system // IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 62(5), pp. 2673-2682.
38. Adamczyk A., Teodorescu R., Rodriguez P. Control of full-scale converter based wind power plants for damping of low frequency system oscillations // In the 2011 IEEE Trondheim PowerTech, Trondheim, Norway, 2011, 12243814.
39. Knüppel T., Nielsen, J.N., Jensen K.H., Dixon A., Østergaard J. Power oscillation damping capabilities of wind power plant with full converter wind turbines considering its distributed and modular characteristics // IET Renewable Power Generation, 2013, 7(5), pp. 431-442.
40. Dreidy M., Mokhlis H., Mekhilef S. Inertia response and frequency control techniques for renewable energy sources: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 69, 144-155.
41. Cheng Y., Azizipanah-Abarghooee R., Azizi S., Ding L., Terzija V. Smart frequency control in low inertia energy systems based on frequency response techniques: A review // Applied Energy, 2020, 279, 115798.
42. Magnus D.M., Scharlau C.C., Pfitscher L.L., Costa G.C., Silva G.M. A novel approach for robust control design of hidden synthetic inertia for variable speed wind turbines // Electric Power Systems Research, 2021, 196, 107267.
43. Gutierrez F., Riquelme E., Barbosa K.A., Chávez H. State estimation for synthetic inertia control system using Kalman filter // In the 2021 IEEE International Conference on Automation/XXIV Congress of the Chilean Association of Automatic Control (ICA-ACCA), Valparaíso, Chile, 2021, 20758259.
44. Nguyen H.T., Chleirigh M.N., Yang G. A technical economic evaluation of inertial response from wind generators and synchronous condensers // IEEE Access, 2021, 9, pp. 7183-7192.
45. Shi Q., Wang G., Ma W., Fu L., Wu Y., Xing P. Coordinated virtual inertia control strategy for D-PMSG considering frequency regulation ability // Journal of Electrical Engineering and Technology, 2016, 11(6), pp. 1556-1570.
46. Zhang Z.-S., Sun Y.-Z., Lin J., Li G.-J. Coordinated frequency regulation by doubly fed induction generator-based wind power plants // IET Renewable Power Generation, 2012, 6(1), pp. 38-47.
47. Vyver J.V., Kooning J.D.M., Meersman B., Vandevelde L., Vandoorn T.L. Droop control as an alternative inertial response strategy for the synthetic inertia on wind turbines // IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 31(2), pp. 1129-1138.
48. Methodological guidelines for testing automatic strong excitation controllers of synchronous generators and algorithms of their operation, approved by Order of SO UES, JSC of 05. 09. 2019 No. 259.
49. Suvorov A., Askarov A., Bay Y., Maliuta B., Achitaev A., Suslov K. Comparative small-signal stability analysis of voltage-controlled and enhanced current-controlled virtual synchronous generators under weak and stiff grid conditions // International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2023, 147, 108891.
Рецензия
Для цитирования:
Уфа Р.А., Рудник В.Е., Малькова Я.Ю., Томалев А.А. Регулятор демпфирования колебаний мощности для статического преобразователя напряжения объектов возобновляемой генерации. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2023;(11):165-180. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.165-180
For citation:
Ufa R.A., Rudnik V.E., Malkova Y.Y., Tomalev A.A. Power oscillation damping regulator for voltage source converter of renewable generation units. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2023;(11):165-180. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.165-180