Разработка методов и средств повышения колебательной устойчивости электроэнергетических систем с помощью объектов возобновляемой генерации

Преследуя основную цель обеспечения всеобщего доступа к недорогим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии, в настоящее время наблюдается существенное увеличение доли установленной мощности генерирующих объектов на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ): мощность ветроэлектростанций и солнечных фотоэлектрических электростанций в мире достигает сотен и тысяч МВт. При этом, с развитием силовой полупроводниковой техники наибольшее распространение получили объекты ВИЭ, подключаемые через статические преобразователи напряжения (СПН). Между тем, обладая существенным преимуществом (отсутствие редукторов, дополнительных источников возбуждения, независимое регулирование активной и реактивной мощности СПН и др.), объекты ВИЭ данного типа характеризуются отсутствием инерции, что, ввиду увеличения уровня генерируемой мощности в ЭЭС, способствует уменьшению общей (физической) инерции. Это приводит к изменению ими процессов, протекающих в электроэнергетической системе (ЭЭС), их частотного спектра и возможности появления новых режимов. Так, доминантные моды объектов ВИЭ находятся в диапазоне более высоких частот, чем электромеханические колебания. Следовательно, увеличивается вероятность появления низкочастотных колебаний (НЧК), параметры и траектория изменения которых будут отличаться от НЧК в ЭЭС без ВИЭ и, соответственно, которые не могут быть эффективно демпфированы традиционными средствами ликвидации НЧК. Возникшие в сети НЧК ограничивают величину передаваемой мощности, снижают устойчивость ЭЭС, порождают проблему колебательной устойчивости в целом и могут стать причинами серьезных системных аварий. Так, низкочастотные колебания в ЭЭС амплитудой 25 МВт и частотой 3-4 Гц из-за возникшего на северо-востоке энергосистемы США короткого замыкания в 2003 г. привели к необоснованному отключению генераторов на электростанциях региона и полному отключению целой части страны. В то же время, исследователями отмечается, что с 2016 г. в отдельных районах энергосистемах Китая и США, в которых доля ВИЭ превышает 30%, наблюдается явление «аномальных» НЧК, природа которых пока не установлена и не предложены конкретные средства по их демпфированию. В связи с этим, для анализа проблемы колебательной устойчивости ЭЭС и возникновения незатухающих НЧК создаются рабочие группы по системным колебаниям под эгидой международных сообществ (IEEE Power Engineering Society, Cigre и др.). Результатами их исследований стали используемые для анализа НЧК различные методы и средства идентификации НЧК, в том числе на основе синхронизированных векторных измерений, применения модального анализа НЧК, изучения различных методов анализа нелинейных и нестационарных свойств НЧК и т.д. Однако исследования причин возникновения НЧК в ЭЭС с ВИЭ, их возможных параметров, а также эффективных методов, способов и средств минимизации их влияния пока еще далеки от практически значимых результатов. Среди основных причин исследователями выделяются: 1) отсутствие полной и достоверной информации о процессах в ЭЭС с ВИЭ, вследствие чего затруднительным является анализ параметров НЧК, природы их возникновения и разработка эффективных средств демпфирования НЧК; 2) отсутствие инструмента моделирования для получения такой информации, отвечающего высоким требованиям к воспроизведению модели ЭЭС с ВИЭ, и для разработки и тестирования разрабатываемых эффективных средств демпфирования НЧК в ЭЭС с ВИЭ. Соответственно, именно решение данных задач является первостепенным для разработки методов и средств повышения колебательной устойчивости ЭЭС с ВИЭ. В настоящее время ведутся работы по совершенствованию средств моделирования, математических моделей объектов ВИЭ и ЭЭС в целом. Однако специфика данных исследований определяет как необходимость применения моделей ЭЭС большой размерности (для анализа локальных и межзональных колебаний), так и использования достаточно детальных моделей самого оборудования, в частности, СПН объекта ВИЭ (для корректного воспроизведения частотного спектра единого непрерывного процесса). Для цифровых моделирующих комплексов, без использования существенных упрощений и ограничений (разделения единой расчетной модели ЭЭС на отдельно решаемые части), это является практически невыполнимой задачей. Поэтому в качестве задела для выполнения данного проекта будут использоваться концепция гибридного моделирования и программно-техническое средство моделирования ЭЭС с ВИЭ, которое реализуется в рамках гранта РНФ (Договор № 18-79-10006 от 02.08.2018 г.) и позволяет осуществить воспроизведение единого непрерывного спектра квазиустановившихся и переходных процессов в ЭЭС с ВИЭ при различных нормальных и аварийных режимах работы. Тем не менее, принципиально новыми являются разработка регулятора СПН объекта ВИЭ для формирования превентивного управляющего воздействия и подавления возникающих НЧК, формирование методики настройки этого регулятора и согласования его работы с традиционными средствами ликвидации НЧК в ЭЭС, а также проведение комплекса исследований, в том числе которые ранее не проводились научными группами ввиду ограничений цифровых средств моделирования, для получения фундаментальных знаний о природе возникновения НЧК в ЭЭС с ВИЭ. Отметим, что для России данные исследования являются актуальными по следующим причинам: 1) доля установленной мощности ВИЭ в России и в соседних странах, с которыми имеется электрическая связь, увеличивается и эта тенденция, согласно «дорожным картам» развития, продолжит рост, соответственно, возрастает и степень влияния; 2) специфика работы ЭЭС России и принципы ее управления отличаются от зарубежных ЭЭС, что не позволяет осуществить прямое копирование международного опыта; 3) необходимость работы в тяжелых режимах, которые могут усугубиться возникновением НЧК и привести к системных авариям, может возникнуть из-за возрастания нагрузок на фоне морального и физического износа оборудования. Таким образом, успешное выполнение данного проекта позволит увеличить вклад российских исследователей в решение одной из фундаментальных и актуальных проблем повышения колебательной устойчивости современных ЭЭС.