Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Аринушкин П. А., Анищенко В. С. Влияние выходной мощности генераторов на частотные характеристики энергосети в кольцевой топологии // Известия вузов. ПНД. 2019. Т. 27, вып. 6. С. 25-38. DOI: 10.18500/0869-6632-2019-27-6-25-38

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 74)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
62-133.3

Влияние выходной мощности генераторов на частотные характеристики энергосети в кольцевой топологии

Авторы: 
Аринушкин Павел Алексеевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Анищенко Вадим Семенович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Большой интерес в области динамических систем и нелинейных процессов вызван исследованиями в сфере энергосетей. Энергосеть представляет собой сложную сеть связанных осцилляторов, демонстрирующую коллективное поведение посредством синхронизации элементов сети на базовой частоте работы энергосети.

Цель работы состоит в изучении динамической стабильности синхронного состояния энергосети. Исследовано поведение сети с однородными характеристиками и кольцеобразной топологией. Рассмотрена идеализированная энергосеть, состоящая из десяти генераторов и десяти потребителей. Рассмотрено влияние выходной мощности генератора и коэффициента инерции на синхронизацию сети.

Метод. Исследуется модель эффективной сети (Nishikawa T., Motter A.E. Comparative analysis of existing models for powergrid synchronization), которая исключает из рассмотрения изменения мощности потребителей, принимая условие, что мощность всех потребителей постоянна. Данная модель позволяет рассмотреть генераторы энергосистемы в качестве связанных осцилляторов, безразмерные параметры которых определяются большим набором реальных физических параметров.

Результаты. Результаты показали, что собственная частота осциллятора зависит от величины выходной мощности генератора и не всегда совпадает с частотой синхронизации осцилляторов. При увеличении мощности генератора собственная частота намного превышает частоту синхронизации. При критическом значении выходной мощности происходит потеря устойчивости колебаний осциллятора, частота генератора становится равна его собственной частоте. Величина инерции играет существенную роль в устойчивости генераторов, в работе показано что малых значениях коэффициента инерции генераторы могут производить энергию в больших диапазонах выходной мощности без потери синхронного состояния и независимо от набора начальных условий.

Обсуждение. Из полученных результатов стало известно, что стабильное функционирование генераторов при увеличении выходной мощности возможно при малых величинах коэффициента инерции. На больших величинах коэффициента инерции происходит срыв синхронизма одного или нескольких генераторов, приводя вышедший генератор к работе на собственной частоте, величина которой значимо превышает частоту стандарта сети 50 Гц. Вышедший таким образом генератор производит модуляцию по частоте оставшихся генераторов. Возмущение частоты зависит от расположения того или иного генератора относительно неустойчивого генератора.
 

Список источников: 
  1. Nishikawa T., Motter A.E. Comparative analysis of existing models for powergrid synchronization // New Journal of Physics. 2015. Vol. 17, no. 1. P. 015012.
  2. Heagy J.F., Pecora L.M., and Carroll T.L. Short wavelength bifurcations and size instabilities in coupled oscillator systems // Phys Rev. Lett. 1995. Vol. 74, no. 21. P. 4185–4188.
  3. Barahona M. and Pecora L.M. Synchronization in small-world systems // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 89, no. 5. 054101.
  4. Menck P.J., Heitzig J., Marwan N., and Kurths J. How basin stability complements the linearstability paradigm // Nat. Phys. 2013. Vol. 9. P. 89–92.
  5. Boccaletti S., Hwang D.-U., Chavez M., Amann A., Kurths J., and Pecora L.M. Synchronization in dynamical networks: Evolution along commutative graphs // Phys. Rev. E. 2006. Vol. 74, no. 1. 016102.
  6. Аринушкин П.А., Анищенко В.С. Анализ синхронных режимов работы цепочки связанных осцилляторов энергосетей // Известия вузов. ПНД. 2018. Т. 26, no. 3. C. 62–77. DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-3-62-77.
  7. Anderson P.M. and Fouad A.A. Power System Control and Stability // 2nd ed. (IEEE Press). 2003.
  8. Mallada E. and Tang A. Improving damping of power networks: Power scheduling and impedance adaptation // IEEE Conference on Decision and Control. 2011. P. 7729–7734.
  9. Caliskan S. and Tabuada P. Compositional transient stability analysis of multimachine power networks // IEEE T. Contr. Netw. Syst. 2014. Vol. 1. P. 4–14.
  10. Schmietendorf K., Peinke J., Friedrich R., and Kamps O. Self-organized synchronization and voltage stability in networks of synchronous machines // Eur. Phys. J. 2014. Vol. 223. P. 2577–2592.
  11. Nagat M., Fujiwara N., Tanaka G., Suzuki H., Kohda E., and Aihara K. Node-wise robustness against fluctuations of power consumption in power grids // Eur. Phys. J. 2014. Vol. 223. P. 2549– 2559.
  12. Ortega R., van der Schaft A.J., Mareels Y., and Maschke B.M. Putting energy back in control // Control Syst. Mag. 2001. Vol. 21, no. 2. P. 18–33.
  13. Pearmine R., Song Y.H., Chebbo A. Influence of wind turbine behaviour on the primary frequency control // IET Renewable Power Generation, 2007, Vol. 1, no. 2. P. 142–150.
  14. Ramtharan G., Jenkins N., Anaya-Lara O. Modelling and control of synchronous generators for wide-range variable-speed wind turbines // Wind Energy. 2007. Vol. 10. P. 231–246.
  15. Etxegarai A., Eguia P., Torres E., Iturregi A., Valverde V. Review of grid connection requirements for generation assets in weak power grids // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 41. P. 1501–1514.
  16. Nishikawa T., Motter A.E. Maximum performance at minimum cost in network synchronization // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2006. Vol. 224, no. 1–2. P. 77–89. 
  17. Menck P.J., Heitzig J. How dead ends undermine power grid stability // Nature communications. 2014. Vol. 5. P. 3969.
  18. Rohden M., Sorge A., Witthaut D. Impact of network topology on synchrony of oscillatory power grids // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2014. Vol.24, no. 1. 013123.
  19. Changsong Zhou,Motter A.E., and Kurths J. Universality in the synchronization of weighted random networks // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 96, no. 1. 034101.
  20. Lozano S., Buzna L., and Dıaz-Guilera A. Role of network topology in the synchronization of power systems // Eur. Phys. J. 2012. Vol. 85. Pp. 1–8.
  21. Delille G., Francois B. and Malarange G. Dynamic frequency control support by energy storage to reduce the impact of wind and solar generation on isolated power system’s inertia // in IEEE Transactions on Sustainable Energy. 2012. Vol. 3, no. 4. Pp. 931–939.
  22. Mamis M.S. and Meral M.E. State-space modeling and analysis of fault arcs // Electric Power Systems Research. 2005. Vol. 76. Pp. 46–51.
  23. Dorfler F., Chertkov M., Bullo F. Synchronization in complex oscillator networks and smart grids // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. Vol. 110, no. 6. Pp. 2005–2010.
  24. Dorfler F. and Bullo F. Synchronization and transient stability in power networks and nonuniform Kuramoto oscillators // SIAM Journal on Control and Optimization. 2012. Vol. 50, no. 3. Pp. 1616–1642.
  25. Motter A.E., Myers S.A., Anghel M. and Nishikawa T. Spontaneous synchrony in power-grid networks // Nature Physics. 2013. Vol. 9(3). P. 191.
  26. Schiffer J., Ortega R., Astolfi A., Raisch J. and Sezi T. Conditions for stability of droop-controlled inverter-based microgrids // Automatica. 2014. Vol. 50(10). Pp. 2457–2469.
  27. Schiffer J., Zonetti D., Ortega R., Stankovic A.M., Sezi T. and Raisch J. A survey on modeling of microgrids—From fundamental physics to phasors and voltage sources // Automatica. 2016. Vol. 74. Pp. 135–150.
  28. Rohden M., Sorge A., Timme M. and Witthaut D. Self-organized synchronization in decentralized power grids // Physical Review Letters. 2012. Vol. 109(6). 064101.
  29. Dorfler F., Bullo F. Kron reduction of graphs with applications to electrical networks // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2013. Vol. 60, no. 1. Pp. 150–163.
Поступила в редакцию: 
29.03.2019
Принята к публикации: 
16.10.2019
Опубликована: 
02.12.2019
Краткое содержание:
(загрузок: 77)