ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-2-220-234ipolytech-479Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОценка влияния ветроэлектростанций на изменение суммарной инерции электроэнергетической системыEvaluation of the effect of wind-operated power plants on the total inertia of an electric power systemРазживинИ. А.RazzhivinI. A.

Разживин Игорь Андреевич - кандидат технических наук, старший преподаватель Отделения электроэнергетики и электротехники.

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Igor A. Razzhivin - Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Department of Power Industry and Electrical Engineering.

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

lionrash@tpu.ruРубанН. Ю.RubanN. Yu.

Рубан Николай Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, доцент Отделения электроэнергетики и электротехники.

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Nikolay Yu. Ruban - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power Industry and Electrical Engineering.

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

rubanny@tpu.ruРудникВ. Е.RudnikV. E.

Рудник Владимир Евгеньевич – аспирант.

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Vladimir E. Rudnik - Postgraduate Student,

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

fordlp006@mail.ruГусевА. С.GusevA. S.

Гусев Александр Сергеевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроэнергетических систем.

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Alexander S. Gusev - Dr. Sci. (Eng.), Professor - Professor of the Department of Electric Power Systems.

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

gusev_as@tpu.ruНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202102052021252220234Copyright © Разживин И.А., Рубан Н.Ю., Рудник В.Е., Гусев А.С., 20212021Разживин И.А., Рубан Н.Ю., Рудник В.Е., Гусев А.С.Razzhivin I.A., Ruban N.Y., Rudnik V.E., Gusev A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/479

Цель - определить степень воздействия разной доли ветроэнергетических установок 4-го типа в общем объеме генерации на параметры асинхронного режима электроэнергетической системы. Воспроизведение процессов в электроэнергетической системе производится с помощью Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем, представляющего собой многопроцессорную программнотехническую систему. Разработана модель электроэнергетической системы, включающая помимо традиционных источников генерации ветроэлектростанцию, объединяющую в себе варьируемое количество ветроэнергетических установок 4-го типа. В системе автоматического управления ветроэнергетической установки реализован контур управления (по активной мощности и напряжению) с дополнительным регулятором виртуальной инерции. По результатам анализа изменения параметров асинхронного режима при использовании алгоритма виртуальной инерции установлено, что время развития асинхронного режима по защищаемой линии сократилось максимально на 0,1 с. Однако время первого цикла асинхронного хода между двумя генераторами в послеаварийном режиме увеличилось в 2 раза: при мощности ветроэлектростанции 100 МВт время асинхронного хода составило 0,36 с (без алгоритма виртуальной инерции), и 0,74 с - с алгоритмом виртуальной инерции. Экспериментально подтверждено, что с ростом мощности ветроэлектростанции уменьшается время развития асинхронного режима и время, за которое традиционные генераторы выпадают из синхронизма. Последнее подтверждено фактом влияния работы ветроэнергетических установок 4-го типа в энергосистеме на суммарную инерцию: ее значение изменилось в интервале от 8,745 до 5,478 с. Исследование функционирования алгоритма виртуальной инерции подтвердило его воздействие на электромеханические переходные процессы в энергосистеме: наиболее благоприятный эффект замечен при значении виртуальной инерции равном 2 с и мощности ветроэлектростанции 100 МВт.

This paper is aimed at determining the effect of a variable number of Type 4 wind turbines in the total generation of the corresponding electric power system on the parameters of an asynchronous regime of such a system. Processes occurring in an electric power system were simulated using an all-mode real-time simulation complex of electric power systems constituting a multi-processor software and hardware system. A model of an electric power system was developed, which, in addition to conventional power sources, included a wind-operated power plant combining a variable number of Type 4 wind turbines. The automatic control system of the simulated wind-operated power plant comprised a control loop (in terms of active power and voltage) equipped with an additional regulator of virtual inertia. An analysis of changes in the parameters of the asynchronous regime using a virtual inertia algorithm showed that the time of its advancement along the protected line was reduced maximally by 0.1 s. However, the time of the first cycle of asynchronous motion between two generators in the post-emergency regime increased by 2 times. Thus, for a wind-operated plant with a capacity of 100 MW, the time of asynchronous motion was 0.36 sec and 0.74 sec without using and when using a virtual inertia algorithm, respectively. It was experimentally confirmed that an increase in the power of a wind-operated power plant leads to a decrease in both the time of advancement of the asynchronous regime and the time, during which conventional generators transit from the synchronous regime. The latter was evidenced by the effect of Type 4 wind turbines on the value of total inertia, which ranged from 8.746 to 5.478 s. A study of the virtual inertia algorithm confirmed its impact on the electromechanical transient processes in power systems. The most favourable effect was noted at a virtual inertia value of 2 s and a wind-operated power plant capacity of 100 MW.

ветроэнергетическая установкаинерциясиловой преобразовательсистема автоматического управленияасинхронный ходwind turbineinertiapower converterautomatic control systemout-of-step modeРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, грант № МК-1675.2019.8The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project no. MK-1675.2019.8ReferencesГерасимов А.С., Есипович А.Х., Смирнов А.Н. Об опыте верификации цифровых и физических моделей энергосистем // Электрические станции. 2010. № 11. С. 14-19.Gerasimov AS, Esipovich AH, Smirnov AN. Experience of verification of digital and physical models of electric power systems. Elektricheskie stancii = Electrical stations. 2010;11:14-19. (In Russ.)Akhmatov V., Nielsen A.H., Pedersen J.K., Nymann O. Variable-speed wind turbines with multi-pole synchronous permanent magnet generators. Part I: Modelling in Dynamic Simulation Tools // Wind Engineering. 2003. Vol. 27. Iss. 6. P. 531-548. https://doi.org/10.1260/030952403773617490Akhmatov V, Nielsen AH, Pedersen JK, Nymann O. Variable-speed wind turbines with multi-pole synchronous permanent magnet generators. Part I: Modelling in dynamic simulation tools. Wind Engineering. 2003;27(6):531-548. https://doi.org/10.1260/030952403773617490Erlich I., Wilch М. Primary frequency control by wind turbines // 3rd IEEE PES ISGT Europe (Berlin, 14-17 October 2012). Berlin: IEEE, 2012. Р. 2-17.Erlich I, Wilch М. Primary frequency control by wind turbines. In: 3rd IEEE PES ISGT Europe. 14-17 October 2012, Berlin. Berlin: IEEE; 2012, р. 2-17.Gautam D., Goel L., Ayyanar R., Vittal V., Harbour T. Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia due to doubly fed induction generators on large power systems // IEEE Transactions on Power Systems. 2011. Vol. 26. Iss. 1. Р. 214-224. https://doi.Org/10.1109/TPWRS.2010.2051690Gautam D, Goel L, Ayyanar R, Vittal V, Harbour T. Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia due to doubly fed induction generators on large power systems. IEEE Transactions on Power Systems. 2011 ;26(1):214-224. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2010.2051690Fernandez-Guillamon А., Gomez-Lazaro E., Muljadi E., Molina-Garcia A. Power systems with high renewable energy sources: A review of inertia and frequency control strategies over time // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 115. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109369Fernandez-Guillamon А, Gomez-Lazaro E, Muljadi E, Molina-Garcia A. Power systems with high renewable energy sources: A review of inertia and frequency control strategies over time. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019;115. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109369Ellis A., Kazachkov Y., Muljadi E., Pourbeik P., Sanchez-Gasca J.J. Description and technical specifications for generic WTG models - A status report // IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition. 2011. https://doi.org/10.1109/PSCE.2011.5772473Ellis A, Kazachkov Y, Muljadi E, Pourbeik P, Sanchez-Gasca JJ. Description and technical specifications for generic WTG models - A status report. In: IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition. 2011. https://doi.Org/10.1109/PSCE.2011.5772473Agrawal R., Bharradwaj S.K., Kothari D.P. An Educational and professional simulation tools in power systems and FACTS controllers - «An Overview» // International Journal of Electrical, Electronics and Computer Engineering. 2013. Vol. 2. Iss. 2. P. 91-96.Agrawal R, Bharradwaj SK, Kothari DP. An Educational and professional simulation tools in power systems and FACTS controllers - “An Overview”. International Journal of Electrical, Electronics and Computer Engineering. 2013;2(2):91-96.Ackermann T. Wind power in power systems. 2nd ed. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons, 2012. 1049 p. https://doi.org/10.1002/0470012684Ackermann T. Wind power in power systems. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons; 2012, 1049 p. https://doi.org/10.1002/0470012684Стычинский З.А, Воропай Н.И Возобновляемые источники энергии: теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика. Магдебург: MAFO, 2010. 223 с.Stychinsky ZA, Voropay NI. Renewable energy sources: theoretical foundations, technologies, technical characteristics, economy. Magdeburg: Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg; 2010, 223 p.Morren J., De Haan S.W.H., Kling W.L., Ferreira J.A. Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control // IEEE Transactions on Power Systems. 2006. Vol. 21. Iss. 1. P. 433-434. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2005.861956Morren J, De Haan SWH, Kling WL, Ferreira JA. Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control. IEEE Transactions on Power Systems. 2006;21(1 ):433-434. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2005.861956Muljadi E., Yin Cheng Zhang, Gevorgian V., Kosterev D. Understanding dynamic model validation of a wind turbine generator and a wind power plant // Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) (Milwaukee, 18-22 September 2016). Milwaukee: IEEE, 2016. P. 1-5. https://doi.org/10.1109/ECCE.2016.7855542Muljadi E, Yin Cheng Zhang, Gevorgian V, Kosterev D. Understanding dynamic model validation of a wind turbine generator and a wind power plant. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 18-22 September 2016, Milwaukee. Milwaukee: IEEE; 2016, p. 1 -5. https://doi.org/10.1109/ECCE.2016.7855542Clark K., Miller N.W., Sanchez-Gasca J.J. Modeling of GE wind turbine-generators for grid studies. New York, 2010. [Электронный ресурс]. URL: https://www.researchgate.net/publication/267218696_Modeling_of_GE_Wind_Turbine-Generators_for_Grid_Studies_Prepared_by.(25.09.2020).Clark K, Miller NW, Sanchez-Gasca JJ. Modeling of GE wind turbine-generators for grid studies. New York; 2010. Available from: https://www.researchgate.net/publication/267218696_Modeling_of_GE_Wind_Turbine-Generators_for_Grid_Studies_Prepared_by. [Accessed 25th September 2020].Wachtel S., Beekmann A. Contribution of wind energy converters with inertia emulation to frequency control and frequency stability in power systems // 8 International Conference Workshop on large-scale integration of wind Power into Power systems as well as on transmission networks for offshore wind farms (Bremen, 14-15 October 2009). Bremen, 2009. Р. 460-465.Wachtel S, Beekmann A. Contribution of wind energy converters with inertia emulation to frequency control and frequency stability in power systems. In: 8 International Conference Workshop on large-scale integration of wind Power into Power systems as well as on transmission networks for offshore wind farms. 14-15 October 2009, Bremen. Bremen; 2009, p. 460-465.Gonzalez-Longatt F. Impact of emulated inertia from wind power on under-frequency protection schemes of future power systems // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2016. Vol. 4. P. 211-218.Gonzalez-Longatt F. Impact of emulated inertia from wind power on under-frequency protection schemes of future power systems. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2016;4:211-218.Michalke G., Hansen A.D., Hartkopf T. Control strategy of a variable speed wind turbine with multipole permanent magnet synchronous generator [Электронный ресурс]. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.470.6144&rep=rep1&type=pdf(25.09.2020).Michalke G, Hansen AD, Hartkopf T. Control strategy of a variable speed wind turbine with multipole permanent magnet synchronous generator. Available from: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.470.6144&rep=rep1&type=pdf [Accessed 25th September 2020].Negnevitsky M., Voropai N., Kurbatsky V., Tomin N., Panasetsky D. Development of an intelligent system for preventing large-scale emergencies in systems // Power and Energy Society General Meeting (Vancouver, 21-25 July 2013). Vancouver: IEEE, 2013. P. 1-5. https://doi.org/10.1109/PESMG.2013.6672099Negnevitsky M, Voropai N, Kurbatsky V, Tomin N, Panasetsky D. Development of an intelligent system for preventing large-scale emergencies in systems. In: Power and Energy Society General Meeting. 21-25 July 2013, Vancouver. Vancouver: IEEE; 2013, p. 1-5. https://doi.org/10.1109/PESMG.2013.6672099Гусев А.С., Хрущев Ю.В., Гурин С.В., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем // Электричество. 2009. № 12. С. 5-8.Gusev AS, Hrushchev YuV, Gurin SV, Svechkarev SV, Plodistyj IL. Electric power system real time all-mode modeling complex. Elektrichestvo = Electricity. 2009;12:5-8. (In Russ.)Andreev M.V., Gusev A.S., Ruban N., Suvorov A., Ufa R., Askarov A., et al. Hybrid real-time simulator of large-scale power systems // IEEE Transactions on Power Systems. 2019. Vol. 34. Iss. 2. P. 1404-1415. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2018.2876668Andreev MV, Gusev AS, Ruban N, Suvorov A, Ufa R, Askarov A, et al. Hybrid real-time simulator of large-scale power systems. IEEE Transactions on Power Systems. 2019;34(2): 1404-1415. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2018.2876668Разживин И.А., Рубан Н.Ю., Аскаров А.Б., Уфа Р.А. Разработка программно-технических средств моделирования ветроэнергетической установки 4 типа. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 1. С. 183-194. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-183-194Razzhivin IA, Ruban NYu, Askarov AB, Ufa RA. Development of hardware and software simulation tools for 4 type wind turbine modeling. Vestnik Irkutskogo gosudar-stvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(1):183-194. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-183-194Разживин И.А., Рубан Н.Ю., Суворов А.А., Уфа Р.А., Аскаров А.Б., Рудник В.Е. [и др.]. Разработка физической модели статического преобразователя напряжения ВЭУ 4 типа в рамках гибридного подхода // Интеллектуальная электротехника. 2020. № 1. С. 85-97. https://doi.org/10.46960/2658-6754_2020_1_85Razzhivin IA, Ruban NYu, Suvorov AA, Ufa RA, Askarov AB, Rudnik VE, et al. Development of physical model of type 4 wind turbine static voltage converter within hybrid approach. Intellektual'naya elektrotekhnika. 2020;1:85-97. (In Russ.) https://doi.org/10.46960/2658-6754 2020185

The authors declare that there are no conflicts of interest present.