ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-1-102-116ipolytech-580Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGАвтоматическая настройка регуляторов частоты и обменной мощности в энергосистемах малой мощностиAutomatic tuning of frequency and interchange power controllers in low-power energy systemshttps://orcid.org/0000-0002-5712-064XФишовА. Г.FishovA. G.

Фишов Александр Георгиевич - доктор технических наук, профессор,  профессор кафедры автоматизированных  электроэнергетических систем.

630073, Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

Alexander G. Fishov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Automated Electric Power Systems.

fishov@ngs.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8373-3493ОсинцевА. А.OsintsevA. A.

Осинцев Анатолий Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрических станций.

630073, Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

Anatoly A. Osintsev - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electric Power Plants.

20, K. Marx pr., Novosibirsk 630073

osincev@corp.nstu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4408-0316ФроловМ. Ю.FrolovM. Yu.

Фролов Михаил Юрьевич - кандидат технических наук,  доцент кафедры автоматизированных  электроэнергетических систем.

630073, Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

Mikhail Yu. Frolov - Cand. Sci. (Eng.),  Associate Professor of the Department of Automated Electric Power Systems.

20, K. Marx pr., Novosibirsk 630073

myu.frolov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2128-9590АрмеевД. В.ArmeevD. A.

Армеев Денис Владимирович - кандидат технических наук,  доцент кафедры автоматизированных  электроэнергетических систем.

630073, Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

Denis V. Armeev - Cand. Sci. (Eng.),  Associate Professor of the Department of Automated Electric Power Systems.

20, K. Marx pr., Novosibirsk 630073

armeevdv@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0124-1071МурашкинаИ. С.MurashkinaI. S.

Мурашкина Инна Сергеевна – аспирант.

630073, Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

Inna S. Murashkina - Postgraduate Student.

20, K. Marx pr., Novosibirsk 630073

murashkinainna@yandex.ruНовосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State UniversityRussian Federation202205042022261102116Copyright © Фишов А.Г., Осинцев А.А., Фролов М.Ю., Армеев Д.В., Мурашкина И.С., 20222022Фишов А.Г., Осинцев А.А., Фролов М.Ю., Армеев Д.В., Мурашкина И.С.Fishov A.G., Osintsev A.A., Frolov M.Y., Armeev D.A., Murashkina I.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/580

Цель – разработка алгоритмов самонастройки регулятора мощности в режиме нормальной эксплуатации энергоблоков локальных энергосистем с малой синхронной генерацией, способных работать как в автономном режиме, так и в параллельном режиме с внешней электрической сетью. Настройка регулятора мощности энергоблока происходит в ходе нормальной эксплуатации по показателям качества регистрируемых переходных процессов при нескольких коммутациях нагрузок с вариацией коэффициента усиления. Корректировка коэффициентов усиления по каждому из каналов регулирования осуществляется в результате его оптимизации по функции, аппроксимирующей зависимость показателя качества переходного процесса от значения коэффициента усиления с учетом разнохарактерности процессов и разномасштабности возмущений режима при набросе/сбросе мощности. В качестве показателя качества процесса используется сумма взвешенных значений перерегулирования и продолжительности процесса. Благодаря адаптации, с течением времени регулятор автоматически настраивается и качество регулирования повышается. Представлены алгоритмы самонастройки регулятора мощности при регулировании частоты в режиме изолированной работы и для регулирования обменного перетока в режиме параллельной работы MiniGrid. В отличие от самонастройки регулятора частоты, при самонастройке регулятора обменного перетока мощности по переходным функциям, связанным с коммутациями нагрузки, алгоритмом производится фильтрация высокочастотных изменений мощности в результате электромеханических колебаний. Приводятся результаты моделирования процессов самонастройки регулятора мощности для простейшей схемы с одним генератором, подтверждающие работоспособность и эффективность представленных метода и алгоритмов. Предложенный метод самонастройки регуляторов частоты и обменного перетока является перспективным для технологической доработки и использования в системах регулирования мощности MiniGrid.

The present work discusses the development of algorithms for power controller autotuning under normal operation in power units of local energy systems having low synchronous generation, which can operate in stand-alone and parallel mode with the external power grid. The power controller of a power unit is tuned in the course of routine operation following the quality indicators of recorded transients under several load commutations upon a varying amplification factor. The amplification factor for each control channel is optimised by a function that approximates the dependence of the transient characteristics on the value of this factor, including the diversity of processes and mode disturbances during power surge/shedding. The sum of weighted overshoot and process duration values is used as a process quality indicator. Owing to adaptation, the controller automatically tunes itself over time, and the control quality improves. This article presents algorithms for autotuning the power controller when regulating frequency and interchange overcurrent under isolated and parallel operation mode of the MiniGrid, respectively. Unlike frequency controller, when the interchange overcurrent controller is autotuned by transient functions associated with load commutations, the algorithm filters out high-frequency power variations resulting from electromechanical oscillations. The simulation results of autotuning the power controller for an elementary scheme, having one generator, confirm the efficiency of the presented method and algorithms. The proposed method of autotuning frequency and interchange overcurrent controllers appears promising for technological enhancement and use in MiniGrid power control systems.

малая генерацияэнергосистемы малой мощностинастройка регуляторов частоты и мощностиэнергосистемасинхронные генераторыsmall generationMiniGridadjustment of frequency and power controllerspower systemsynchronous generatorsReferencesChen Liuyang, Chen Qing, Zhang Zhiming, Xie Ranran. Cable fault characteristics of energy storage in DC microgrids // 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering. 2020. https://doi.org/10.1109/ACPEE48638. 2020.9136207.Chen Liuyang, Chen Qing, Zhang Zhiming, Xie Ranran. Cable fault characteristics of energy storage in DC microgrids. In: 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering. 2020. https://doi.org/10.1109/ACPEE48638.2020.9136207.Zhou Xuesong, Guo Tie, Ma Youjie. An overview on microgrid technology // International Conference on Mechatronics and Automation (Beijing, 2–5 August 2015). Beijing: IEEE, 2015. P. 76–81. https://doi.org/10.1109/ICMA.2015.7237460.Zhou Xuesong, Guo Tie, Ma Youjie. An overview on microgrid technology. In: International Conference on Mechatronics and Automation. 2–5 August 2015, Beijing. Beijing: IEEE; 2015, р. 76-81. https://doi.org/10.1109/ICMA.2015.7237460.Баринов В. А. Перспективы развития электроэнергетики России на период до 2030 г. // Анализ и прогноз. Журнал ИМЭМО РАН. 2010. № 3. С. 13–20.Barinov V. A. Development prospects of the electric power industry in Russia for the period up to 2030. Nacional'nyj issledovatel'skij institut mirovoj ekonomiki i mezhdunarodnyh otnoshenij im. E. M. Primakova Rossijskoj akademii nauk = Analysis and Forecasting. IMEMO Journal. 2010;3:13-20. (In Russ.).Коломыцев В. Г., Рустамханова Г. И. Модификация временного метода Зиглера–Никольса и оптимизация параметров ПИД-регуляторов средствами Matlab // Фундаментальные исследования. 2016. № 11-3. С. 526–531.Kolomishev V. G. Rustamhanova G. I. Modification of the Ziegler-Nichols time method and optimization of PIDregulator parameters by means of Matlab. Fundamentalnie issledovaniya = Fundamental research. 2016;113:526-531. (In Russ.).Фишов А. Г., Ивкин Е. С., Гилев О. В., Какоша Ю. В. Режимы и автоматика Минигрид, работающих в составе распределительных электрических сетей ЕЭС // Релейная защита и автоматизация. 2021. № 3. С. 22–37.Fishov A. G., Ivkin E. S., Gilev O. V., Kakosha Yu. V. Modes and automation of minigrid operating as part of the UPS distribution electric networks. Relejnaya zashchita i avtomatizaciya. 2021;3:22-37. (In Russ.).Пат. № 2065067, Российская Федерация, F02D 31/00. Устройство для настройки регулятора частоты вращения дизель генератора / Б. А. Усик, В. Ф. Терехов; заявитель и патентообладатель Серпуховское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск. Заявл. 30.07.1991; опубл. 10.08.1996.Usik V. A., Terekhov V. F. Device for tuning dieselgenerator speed controller. Patent RF, no 2065067; 1991. (In Russ.). 7. Tararykin S. V., Anisimov A. A., Terekhov A. I., Sokolov K. E. Method of automatic tuning of controller. Patent RF, no 2714567; 2019. (In Russ.).Пат. № 2714567, Российская Федерация, G05B 13/00. Способ автоматической настройки регулятора / С. В. Тарарыкин, А. А. Анисимов, А. И. Терехов, К. Е. Соколов; заявитель и патентообладатель Ивановский государственный энергетический университет им. В. И Ленина. Заявл. 06.05.2019; опубл. 18.02.2020.Datta A., Konar S., Singa L. J., Singh K. M., Lalfakzuala A. A study on load frequency control for a hybrid power plant. In: Second International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies. 2017. https://doi.org/10.1109/ICECCT.2017.8117975.Datta A., Konar S., Singa L. J., Singh K. M., Lalfakzuala A. A study on load frequency control for a hybrid power plant // Second International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies. 2017. https://doi.org/10.1109/ICECCT.2017.8117975.Shaker H. K., Zoghby H. E., Bahgat M. E., AbdelGhany A. M. Advanced control techniques for an interconnected multi area power system for load frequency control. In: 21st International Middle East Power Systems Conference. 17–19 December 2019, Cairo. Cairo: IEEE; 2019, р. 710-715. https://doi.org/10.1109/MEPCON47431.2019.9008158.Shaker H. K., Zoghby H. E., Bahgat M. E., Abdel Ghany A. M. Advanced control techniques for an interconnected multi area power system for load frequency control // 21st International Middle East Power Systems Conference (Cairo, 17–19 December 2019). Cairo: IEEE, 2019. P. 710–715. https://doi.org/10.1109/MEPCON47431.2019.9008158.Karimi H., Beheshti M. T. H., Ramezani A. Decentralized voltage and frequency control in an autonomous ac microgrid using gain scheduling tuning approach. In: 24th Iranian Conference on Electrical Engineering. 10–12 May 2016, Shiraz. Shiraz: IEEE; 2016, р. 1597-1602. https://doi.org/10.1109/IranianCEE.2016.7585776.Karimi H., Beheshti M. T. H., Ramezani A. Decentralized voltage and frequency control in an autonomous ac microgrid using gain scheduling tuning approach // 24th Iranian Conference on Electrical Engineering (Shiraz, 10– 12 May 2016). Shiraz: IEEE, 2016. P. 1597–1602. https://doi.org/10.1109/IranianCEE.2016.7585776.Satapathy P., Debnath M. K., Singh M. B., Mohanty P. K. Design of FPI controller for load frequency control of a nonlinear power system. In: Technologies for Smart-City Energy Security and Power. 2018. https://doi.org/10.1109/ICSESP.2018.8376681.Satapathy P., Debnath M. K., Singh M. B., Mohanty P. K. Design of FPI controller for load frequency control of a nonlinear power system // Technologies for Smart-City Energy Security and Power. 2018. https://doi.org/10.1109/ICSESP.2018.8376681.Abubakr H., Mohamed T. H., Hussein M. M., Shabib G. ESO-based self tuning frequency control design for isolated microgrid system. In: 21st International Middle East Power Systems Conference. In: 21st International Middle East Power Systems Conference. 17–19 December 2019, Cairo. Cairo: IEEE; 2019, р. 589-593. https://doi.org/10.1109/MEPCON47431.2019.9008042.Abubakr H., Mohamed T. H., Hussein M. M., Shabib G. ESO-based selftuning frequency control design for isolated microgrid system // 21st International Middle East Power Systems Conference (Cairo, 17–19 December 2019). Cairo: IEEE, 2019. P. 589–593. https://doi.org/10.1109/MEPCON47431.2019.9008042.Tripathy S., Debnath M. K., Kar S. K. Jaya algorithm tuned FO-PID controller with first order filter for optimum frequency control. In: 1st Odisha International Conference on Electrical Power Engineering, Communication and Computing Technology. 2021. https://doi.org/10.1109/ODICON50556.2021.9428959.Tripathy S., Debnath M. K., Kar S. K. Jaya algorithm tuned FO-PID controller with first order filter for optimum frequency control // 1st Odisha International Conference on Electrical Power Engineering, Communication and Computing Technology. 2021. https://doi.org/10.1109/ODICON50556.2021.9428959.Patel N. C., Debnath M. K., Bagarty D. P., Das P. Load frequency control of a non-linear power system with optimal PID controller with derivative filter. In: IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering. 21–22 September 2017, Chennai. Chennai: IEEE; 2017, p. 1515-1520. https://doi.org/10.1109/ICPCSI.2017.8391964.Patel N. C., Debnath M. K., Bagarty D. P., Das P. Load frequency control of a non-linear power system with optimal PID controller with derivative filter // IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (Chennai, 21–22 September 2017). Chennai: IEEE, 2017. P. 1515–1520. https://doi.org/10.1109/ICPCSI.2017.8391964.Mishra S., Nayak P. C., Prusty U. C., Prusty R. C. Model predictive controller based load frequency control of isolated microgrid system integrated to plugged-in electric vehicle. In: 1st Odisha InternationalMishra S., Nayak P. C., Prusty U. C., Prusty R. C. Model predictive controller based load frequency control of isolated microgrid system integrated to plugged-in electric vehicle // 1st Odisha International Conference on Electrical Power Engineering, Communication and Computing Technology. 2021. https://doi.org/10.1109/ODICON50556.2021.9428956.Conference on Electrical Power Engineering, Communication and Computing Technology. 2021. https://doi.org/10.1109/ODICON50556.2021.9428956.Zaidi A., Cheng Qi. Online and offline load frequency controller design // IEEE Texas Power and Energy Conference. 2017. https://doi.org/10.1109/TPEC.2017.7868283.Zaidi A., Cheng Qi. Online and offline load frequency controller design. In: IEEE Texas Power and Energy Conference. 2017. https://doi.org/10.1109/TPEC.2017.7868283.Mohamed T. H., Hussein M. M. Online gain tuning of conventional load frequency controller for Microgrid power system // Twentieth International Middle East Power Systems Conference (Cairo, 18–20 December 2018). Cairo: IEEE, 2018. Р. 424–428. https://doi.org/10.1109/MEPCON.2018.8635107.Mohamed T. H., Hussein M. M. Online gain tuning of conventional load frequency controller for Microgrid power system. In: Twentieth International Middle East Power Systems Conference. 18–20 December 2018, Cairo. Cairo: IEEE; 2018, р. 424-428. https://doi.org/10.1109/MEPCON.2018.8635107.Ali M., Djalal M. R., Fakhrurozi M., Kadaryono, Budiman. Optimal design capacitive energy storage (CES) for load frequency control in micro hydro power plant using flower pollination algorithm // Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (Batu, 9–11 October 2018). Batu: IEEE, 2018. P. 21–26. https://doi.org/10.1109/EECCIS.2018.8692997.Ali M., Djalal M. R., Fakhrurozi M., Kadaryono, Budiman. Optimal design capacitive energy storage (CES) for load frequency control in micro hydro power plant using flower pollination algorithm. In: Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar. 9–11 October 2018, Batu. Batu: IEEE; 2018, p. 21-26. https://doi.org/10.1109/EECCIS.2018.8692997.Седойкин Д. Н., Юрганов А. А. Адаптивный автоматический регулятор возбуждения на основе нечеткого аппроксиматора в режиме недовозбуждения синхронной машины // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 2. С. 22–29. https://doi.org/10.18721/JEST.240202.Sedoykin D. N., Yurganov A. A. An adaptive automatic excitation regulator based on fuzzy approximation operating with an under-excited generator. Nauchnotekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo politekhnicheskogo universiteta. Estestvennye i inzhenernye nauki = St. Petersburg Polytechnic University. Series: Journal of engineering sciences and technology. 2018;24(2):22-29. https://doi.org/10.18721/JEST.240202.Булатов Ю. Н., Игнатьев И. В., Попик В. А. Методика выбора оптимальных настроек систем АРЧВ генераторов электростанций // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 192–198.Bulatov U. N., Ignatyev I. V., Popik V. A. Technique of sampling optimal settings of power stations generators ARRF systems. Sovremennye tehnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie = Modern technologies. System analysis. Modeling. 2011;1:192-198. (In Russ.).Булатов Ю. Н., Крюков А. В., Чан Зюй Хынг. Интеллектуальные регуляторы для установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2. С. 83–95.Bulatov U. N., Krukov A. V., Hyng Chan Zyuj. Intelligent controllers for distributed generation plants. Sovremennye tehnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie = Modern technologies. System analysis. Modeling. 2015;2:83-95. (In Russ.).

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