Анализ ветровой и солнечной энергии с помощью симметричных технологий

Введение в симметричные компоненты в анализе возобновляемых источников энергии

Быстрое расширение ветровой и солнечной энергии внесло новые сложности в анализ электрических энергетических систем. В отличие от традиционной синхронной генерации, возобновляемые ресурсы полагаются на силовую электронику и работают в сильно изменчивых, часто несбалансированных условиях. Для обеспечения стабильности сетки, координации защиты и долговечности оборудования инженерам требуются надежные аналитические рамки. Метод симметричных компонентов - метод, разработанный Чарльзом Фортескью в 1918 году - остается одним из самых мощных инструментов для понимания несбалансированных трехфазных систем. Разлагая асимметричные сигналы напряжения и тока на три сбалансированных набора (положительная, отрицательная и нулевая последовательность), симметричные компоненты позволяют точно диагностировать неисправности, гармонический анализ и оптимизацию системы в ветровых и солнечных установках.

В этой статье рассматривается, как методы симметричных компонентов применяются для анализа как ветровой энергии, так и солнечных энергетических систем. Мы рассмотрим фундаментальную теорию, конкретные варианты использования для каждой технологии, практические преимущества и новые тенденции. Инженеры, системные операторы и специалисты по возобновляемым источникам энергии получат практические знания об использовании этого классического метода для современных ресурсов на основе инвертора.

Основы симметричных компонентов

Трансформация последовательности

Любой несбалансированный трехфазный набор фазоров (напряжений или токов) может быть преобразован в три сбалансированных множества: положительную последовательность (фазовая последовательность a-b-c), отрицательную последовательность (фазовая последовательность a-c-b) и нулевую последовательность (все три фазы равны по величине и фазе). Математически преобразование использует матрицу Фортескью:

V₀₁₂ = A^-1; V_abc, где A является матрицей преобразования, и V₀₁₂₀, положительной последовательности (V₁, и отрицательной последовательности (V₂)) компонентов.

На практике компоненты последовательности извлекаются из измеренных фазовых напряжений или токов с помощью цифровой обработки сигнала. Компонент положительной последовательности представляет собой сбалансированный фундаментально-частотный перенос энергии. Компонент отрицательной последовательности указывает на асимметричные условия, такие как разовые разломы линии к земле или несбалансированные нагрузки. Компонент нулевой последовательности появляется во время разломов грунта или когда система не заземлена дельта-связанной.

Почему симметричные компоненты важны для возобновляемых источников энергии

Ветровые и солнечные установки часто подключаются к сети на уровнях распределения или субтрансмиссии, где несбалансированные условия более распространены, чем при высоковольтной передаче. Ресурсы на основе инвертора реагируют иначе, чем синхронные машины в несбалансированных условиях - они имеют ограниченный вклад тока разлома и могут вводить токи отрицательной последовательности, если не контролируются должным образом. Симметричные компоненты обеспечивают четкую основу для разработки схем защиты, стратегий управления и соответствия кодам сетки, таким как IEEE 1547 или IEC 61400-21. Без анализа последовательности инженеры рискуют неправильной координацией реле, перенапряжение силовой электроники и снижение качества мощности.

Симметричные компоненты в системах ветровой энергии

Топология генератора ветряных турбин

Ветровые турбины обычно используют либо , питаемые вдвойне индукционные генераторы (DFIG) , либо постоянные магнитные синхронные генераторы (PMSG) с полноприводными преобразователями.Обе топологии чувствительны к дисбалансам напряжения сетки, которые производят токи отрицательной последовательности, которые поступают в машину или через преобразователь. Анализ симметричных компонентов помогает количественно оценить эти эффекты.

DFIG системы: Статор подключается непосредственно к сетке, поэтому любое напряжение отрицательной последовательности в точке общей связи вызывает токи отрицательной последовательности в статоре. Эти токи производят крутящие пульсации с удвоенной фундаментальной частотой, вызывая механическое напряжение на коробке передач и трансмиссии. Анализ последовательностей позволяет инженерам размер фильтров или реализовать алгоритмы управления, которые подавляют токи отрицательной последовательности в цепи ротора.
PMSG с полным преобразователем:] Генератор отсоединяется от сетки через преобразователь, поэтому компонент отрицательной последовательности появляется только на стороне сетки. Однако напряжение постоянного тока преобразователя испытывает колебания с удвоенной фундаментальной частотой при наличии несбалансированных напряжений. Симметричные компоненты позволяют точно настраивать контроллеры тока преобразователя, чтобы ограничить пульсацию постоянного тока и избежать перемодуляции.

Анализ ошибок на ветровых фермах

Когда происходит неисправность в системе коллектора или сети передачи, симметричные компоненты необходимы для расчета токов неисправности и установки релейной защиты. Например, неисправность линии к земле в кабеле коллектора ветряной электростанции производит компоненты как отрицательной, так и нулевой последовательности. Поскольку ветровые турбины вносят ограниченный ток неисправности (обычно от 1,1 до 1,5 на единицу для блоков с конвертером), расчеты на основе последовательности должны учитывать реакцию управления инвертором. Инженеры используют симметричные компоненты для определения минимального тока неисправности, доступного для обнаружения посредством реле сверхтока или направленными элементами.

Кроме того, коды сетки все чаще требуют возможности пропускания по умолчанию (FRT) - ветропарк должен оставаться подключенным во время провисания напряжения и впрыска реактивного тока. Симметричные компоненты помогают определить напряжение положительной последовательности в точке соединения, которое используется для расчета требуемого впрыска реактивного тока при несбалансированных неисправностях. Компонент отрицательной последовательности также контролируется, чтобы инвертор не вводил чрезмерный ток в неисправные фазы, которые могут напрягать компоненты.

Стабильность и качество электроэнергии

Несбалансированные условия ветра (такие как сдвиг ветра, тень башни или несоответствие рыскания) могут производить механические асимметрии, которые приводят к электрическому дисбалансу. Симметричный анализ компонентов генераторных токов показывает вклад отрицательной последовательности из-за механических пульсаций крутящего момента. Эта информация используется для улучшения алгоритмов управления шагом или добавления кручения в цикл управления генератором. Кроме того, мониторинг компонента нулевой последовательности помогает обнаружить деградацию изоляции или неисправности грунта, прежде чем они превратятся в катастрофические сбои.

Для более глубокого понимания поведения DFIG в несбалансированных сетях обратитесь к исследовательской статье «Системы индукционных генераторов для ветряных турбин вдвойне ФРС» (IEEE Industry Applications Magazine, 2008), в которой подробно описаны методы управления на основе последовательностей.

Симметричные компоненты в системах солнечной энергии

Фотоэлектрические (PV) инверторные характеристики

Крупномасштабные солнечные фотоэлектрические установки состоят из тысяч панелей, питающих мощность постоянного тока в инверторы, которые синхронизируются с сеткой переменного тока. В отличие от синхронных машин, инверторы не имеют инерции и ограниченной способности тока разлома . Их реакция на несбалансированные условия полностью определяется программным обеспечением управления. Симметричные компоненты имеют решающее значение для проектирования внутренних контуров тока инвертора, которые независимо регулируют токи положительной и отрицательной последовательности.

Усовершенствованные инверторы развертывают контроллеры тока двойной последовательности — один для кадра положительной последовательности (dq) и один для кадра отрицательной последовательности (вращающийся в противоположном направлении).Это позволяет инвертору подавлять токи отрицательной последовательности при несбалансированных неисправностях, что помогает поддерживать сбалансированные напряжения сетки и уменьшать напряжение на обмотках трансформатора. Нарастания контроллера отрицательной последовательности часто настраиваются с использованием симметричных компонентных моделей всей установки.

Частичное затенение и струнные несоответствия

Частичное затенение фотоэлектрического массива вызывает неравные токи из разных струн, создавая несбалансированные условия на стороне постоянного тока. С точки зрения переменного тока это проявляется в виде небольших токов отрицательной последовательности даже при балансировке сетки. Симметричный компонентный анализ выходных токов инвертора может обнаружить эти дисбалансы, что позволяет на ранней стадии идентифицировать проблемы затенения или загрязнения . Операторы установки могут использовать последовательность на основе диагностики для определения приоритетов очистки или выполнения устранения неполадок на уровне струн, улучшая выход энергии до 5-10% в некоторых установках.

Обнаружение и защита островов

Островка - когда солнечная установка продолжает заряжать энергией участок сетки после отключения коммунальных служб - является серьезной проблемой безопасности. Многие схемы антиостровного контроля увеличивают напряжение отрицательной последовательности. Когда сетка отключена, импеданс, наблюдаемый на инверторных терминалах, изменяется, вызывая повышение напряжения отрицательной последовательности, если есть какой-либо первоначальный дисбаланс нагрузки. Методы на основе симметричных компонентов обеспечивают более быстрое и надежное обнаружение, чем простые измерения частоты или величины напряжения. Стандарт IEEE 1547-2018 определяет процедуры испытаний с использованием сбалансированных и несбалансированных условий для проверки эффективности антиостровного воздействия.

Fault Ride-Through для солнечных электростанций

Подобно ветряным электростанциям, солнечные установки должны соответствовать сетчатым кодам, которые требуют пропускания неисправностей. При несбалансированных неисправностях инверторы должны вводить реактивный ток положительной последовательности пропорционально понижению напряжения при ограничении тока отрицательной последовательности для предотвращения избыточного тока. Симметричные компоненты используются для вычисления величины и угла напряжения положительной последовательности, что позволяет контроллеру реактивной мощности инвертора соответствовать требованиям, таким как немецкий VDE-AR-N 4120 или Калифорнийское правило 21. Это обеспечивает устойчивость установки без спотыкания во время переходных событий.

Прекрасным ресурсом по управлению инвертором с использованием симметричных компонентов является «Негативный контроль последовательности для инверторов, подключенных к сетке, при несбалансированных провисаниях напряжения» (Electric Power Systems Research, 2018), который представляет экспериментальную валидацию.

Практические преимущества симметричного анализа компонентов для возобновляемых источников энергии

Улучшенное обнаружение и местоположение ошибок

Традиционные схемы защиты (поверхностная, дифференциальная) полагаются на сравнение величин, которое может быть неоднозначным в слабосетевых ветряных и солнечных установках. Симметричные компоненты позволяют выборочное обнаружение неисправностей путем сравнения компонентов последовательности. Например, неисправность линии к земле производит большой компонент нулевой последовательности, в то время как неисправность фазы к фазе производит только отрицательную последовательность. Направленные реле, которые используют напряжение отрицательной последовательности и ток для определения направления неисправности, работают надежно, даже когда величина тока неисправности низкая (обычно с инверторно-интерфейсной генерацией). Это уменьшает смещение неисправностей и улучшает селективность системы.

Улучшенная продолжительность жизни оборудования

Отрицательно-последовательность токов вызывает дополнительное нагревание в двигателях, трансформаторах и генераторах из-за вращающегося магнитного поля, противоположного направлению ротора.В ветровых турбинах это приводит к термическому напряжению на обмотках статора и подшипниках.Наблюдая за компонентами отрицательной последовательности через защитные реле или системы мониторинга состояния, операторы могут обнаружить ранние признаки асимметрии обмотки или попадания влаги и планировать техническое обслуживание до катастрофического отказа.Так же в фотоэлектрических инверторах токи отрицательной последовательности повышают температуру перехода IGBT, уменьшая продолжительность жизни; управление последовательностями может активно их минимизировать.

Оптимизированные стратегии технического обслуживания

Постоянный мониторинг компонентов с нулевой последовательностью и отрицательной последовательностью помогает различать незначительные асимметрии (например, дисбаланс легкой нагрузки) и развивающиеся неисправности. Путем изменения тренда этих компонентов с течением времени инженеры могут осуществлять прогнозное техническое обслуживание , заменяя компоненты на основе условий, а не фиксированных интервалов. Для солнечных установок тенденции отрицательной последовательности указывают на систематическое затенение или деградацию модуля; для ветряных установок они указывают на электрическую асимметрию ротора или несоответствие трансмиссии.

Проблемы и соображения

Требования к вычислительным и измерительным

Извлечение точных компонентов последовательности требует синхронизированных измерений всех трехфазных токов и напряжений. На крупных возобновляемых установках с десятками фидеров это требует приборов и связи высокого разрешения. Современные Фазорные измерительные блоки (PMU) и цифровые реле обеспечивают компоненты последовательности внутри, но более старые установки могут нуждаться в модернизации. Расчетное бремя разложения последовательности в реальном времени можно управлять с помощью современного оборудования, но инженеры должны обеспечить надлежащие фильтры сглаживания и окно данных, чтобы избежать гармонического загрязнения.

Моделирование инверторного поведения

Модели возобновляемых установок для исследований энергосистем часто предполагают сбалансированные условия. Для точных исследований неисправностей необходимо расширение этих моделей на последовательность, включающую динамику на основе последовательности. Однако во многих случаях параметры управления инвертором являются проприетарными. Инженерам-исполнителям может потребоваться работать с производителями для получения проверенных моделей последовательностей для сетей с положительной и отрицательной последовательностями. Стандарты, такие как IEC 61400-27, обеспечивают общие структуры моделей, но принятие варьируется.

Интеграция с сетевыми кодами

Например, в Великобритании для использования симметричных компонентов требуется, чтобы крупные ветряные электростанции ограничивали впрыск тока отрицательной последовательности менее чем до 0,1 на единицу. Проектирование инверторов и защита для удовлетворения таких ограничений требует тщательного анализа последовательности. Тестирование соответствия часто включает в себя поиск несбалансированных испытательных напряжений и проверку реакции последовательности установки. Этот процесс добавляет сложность и стоимость, но он гарантирует, что возобновляемые электростанции способствуют, а не ухудшают стабильность сети.

Будущие тенденции: симметричные компоненты и интеллектуальные сети

По мере увеличения проникновения возобновляемых источников энергии симметричные компоненты интегрируются в системы мониторинга всей области (WAMS) и управления в режиме реального времени. PMU, расположенные на компонентах последовательности потоков ветра и солнечных установок, позволяют операторам сетей быстро идентифицировать колебательные события или несбалансированные потоки энергии. Алгоритмы машинного обучения обучаются на данных исторической последовательности для прогнозирования сбоев инвертора или возмущений в сети.

Еще одним новым применением является использование симметричных компонентов для микросетей микросхемы и ресинхронизации . Когда микросетка, содержащая возобновляемые источники энергии, отключается от основной сети, могут возникнуть дисбалансы; управление на основе последовательности обеспечивает плавный переход. После повторного подключения угол напряжения положительной последовательности должен соответствовать сетке - компоненты отрицательной последовательности указывают непревзойденные углы, что позволяет автоматически синхронизировать прерыватели.

Для изучения передовых исследований симметричных компонентов для возобновляемых источников энергии мы рекомендуем технический отчет «Симметрические компоненты и моделирование инверторных ресурсов» из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), в котором подробно описаны сети последовательностей для ветровых и солнечных систем.

Заключение

Симметричные компоненты остаются незаменимым инструментом для анализа несбалансированных условий в ветровых и солнечных энергетических системах. От обнаружения неисправностей и координации защиты до инверторного управления и прогнозного обслуживания эта классическая техника хорошо адаптируется к современным ресурсам на основе инвертора. Инженеры, которые осваивают анализ последовательностей, могут проектировать более стабильные, эффективные и устойчивые возобновляемые электростанции, способные удовлетворять строгим требованиям кода сети. По мере того, как возобновляемая энергия продолжает расти, навыки, необходимые для применения симметричных компонентов, станут еще более важными. Мы призываем системных дизайнеров, операторов установок и исследователей углубить свои знания об этом основополагающем методе - от него зависит электрическая сеть будущего.

Для дальнейшего чтения рассмотрите учебник Анализ и проектирование энергосистем (Glover, Sarma, Overbye), который обеспечивает строгую обработку симметричных компонентов, применяемых к распределительным системам с распределенной генерацией.