Моделирование автономной электроэнергетической системы постоянного тока с полупроводниковыми трансформаторами
Ключевые слова:
электроэнергетическая система постоянного тока, газовая турбина, асинхронный генератор, полупроводниковый трансформатор
Аннотация
Рассмотрены тенденции и причины, которые стимулируют переход электроэнергетических систем на постоянный ток. Показаны массогабаритные, энергетические и иные достоинства, связанные с таким переходом. Представлена модель автономной энергетической системы постоянного тока на основе газовой турбины, быстроходного асинхронного генератора и полупроводниковых силовых трансформаторов, которая подтверждает работоспособность и возможность реализации такой системы. Приведены результаты моделирования пуска газотурбинной установки, самовозбуждения быстроходного асинхронного генератора, подключения кабельных линий электропередачи, реостатного ограничения пусковых токов полупроводниковых трансформаторов постоянного тока и наброса нагрузки. Рассмотрена система автоматической стабилизации напряжения в начале линий электропередачи, осуществляемой за счет изменения частоты вращения газовой турбины под действием обратных связей по напряжению и току. Представлена система стабилизации напряжения на нагрузке за счет использования инвертора с широтно-импульсной модуляцией, входящего в состав полупроводникового трансформатора постоянного тока.
Литература
1. Джендубаев А.-З.Р., Кононов Ю.Г., Джендубаев Э.А.-З. Электроэнергетика будущего: инверторные технологии и постоянный ток. – Энергия единой сети, 2020, № 4 (53), с. 58–70.
2. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications. – A Glimpse into the Future, 2019 [Электрон. ресурс], URL: www.pes-publications.ee.ethz.ch (дата обращения 05.05.2022).
3. Solid State (Smart) Transformer Market by Product Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2021–2028 [Электрон. ресурс], URL: https://www.marketresearch.com/Allied-Market-Research-v4029/Solid-State-Smart-Transformer-Product-14778192 (дата обращения 16.03.2022).
4. Huber J.E., Kolar J.W. Applicability of Solid-State Transformers in Today’s and Future Distribution Grids. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, vol. 10, iss. 1, pp. 317–326.
5. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2019, 828 с.
6. АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» [Электрон. ресурс], URL: https://www.uecrus.com/rus/map (дата обращения 16.03.2022).
7. Цанаев С.В. и др. Газотурбинные энергетические установки. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, 428 с.
8. Waumans T., et al. Reynaerts Rotordynamic Behaviour of a Micro-Turbine Rotor on Air Bearings: Modelling Techniques and Experimental Verification. – International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2006.
9. Комаров О.В., Блинов В.Л., Шемякинский А.С. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун та, 2018, 164 с.
10. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики; состояние и тенденции развития. – Электротехника, 2007, № 6, с. 2–5.
11. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высшая школа, 1982, 272 с.
12. Thomas R., et al. Modeling and design analysis of the Tesla Model S induction motor. – International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2020, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270646.
13. Наука и техника. Что особенного в двигателях Tesla Model S Plaid [Электрон. ресурс], URL: https://naukatehnika.com/chto-osobennogo-v-dvigatelyah-tesla-model-s-plaid.html (дата обращения 16.03.2022).
14. Сайт MathWorks. [Электрон. ресурс], URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (дата обращения 16.03.2022).
15. Меркурьев Г.В., Шаргин Ю.М. Устойчивость энергосистем. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2008, т. 2, 376 с.
16. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Нгуен Ван Хуан. Моделирование газотурбинной установки с прогностическими регуляторами напряжения и скорости. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2020, т. 22, № 3, с. 60–67.
17. Джендубаев А.-З.Р., Черных И.В. Самовозбуждение автономных генераторов. Ч. 1. Теоретические аспекты. – Электротехника, 2017, № 11, с. 88–93.
18. Джендубаев А.-З.Р., Черных И.В. Самовозбуждение автономных генераторов. Ч. 2. Исследование самовозбуждения асинхронного генератора с учетом стартера в виде остаточного напряжения на конденсаторах возбуждения. – Электротехника, 2018, № 2, c. 64–69.
19. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999, 463 с.
---
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-38-90127)
#
1. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.A.-Z. Energiya edinoy seti – in Russ. (Unified Grid Energy), 2020, No. 4 (53), pp. 58–70.
2. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications. – A Glimpse into the Future, 2019 [Electron. resource], URL: www.pes-publications.ee.ethz.ch (Date of appeal 05.05.2022).
3. Solid State (Smart) Transformer Market by Product Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2021–2028 [Electron. resource], URL: https://www.marketresearch.com/Allied-Market-Research-v4029/Solid-State-Smart-Transformer-Product-14778192 (Date of appeal 16.03.2022).
4. Huber J.E., Kolar J.W. Applicability of Solid-State Transfor-mers in Today’s and Future Distribution Grids. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, vol. 10, iss. 1, pp. 317–326.
5. Kopylov I.P. Proektirovanie elektricheskih mashin (Design of Electric Machines). М.: Yurayt, 2019, 828 p.
6. AO «Ob"edinennaya dvigatelestroitel'naya korporatsiya» (JSC "United Engine Corporation") [Electron. resource], URL: https://www.uecrus.com/rus/map (Date of appeal 16.03.2022).
7. Tsanaev S.V., et al. Gazoturbinnye energeticheskie ustanovki (Gas Turbine Power Plants). М.: Izdatel'skiy dom MEI, 2011, 428 p.
8. Waumans T., et al. Reynaerts Rotordynamic Behaviour of a Micro-Turbine Rotor on Air Bearings: Modelling Techniques and Experimental Verification. – International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2006.
9. Komarov O.V., Blinov V.L., Shemyakinskiy A.S. Teplovye i gazodinamicheskie raschety gazoturbinnyh ustanovok (Thermal and Gas Dynamic Calculations of Gas Turbine Installations). Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un ta, 2018, 164 p.
10. Antipov V.N., Danilevich Ya.B. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2007, No. 6. pp. 2–5.
11. Balagurov V.А. Proektirovanie spetsial'nyh elektricheskih mashin peremennogo toka (Design of Special AC Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 1982, 272 p.
12. Thomas R., et al. Modeling and design analysis of the Tesla Model S induction motor. – International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2020, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270646.
13. Nauka i tekhnika. Chto osobennogo v dvigatelyah Tesla Model S Plaid (Science and Technology. What's Special about Tesla Model S Plaid Engines) [Electron. resource], URL: https://naukatehnika.com/chto-osobennogo-v-dvigatelyah-tesla-model-s-plaid.html (Date of appeal 16.03.2022).
14. Website of MathWorks. [Electron. resource], URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (Date of appeal 16.03.2022).
15. Merkur'ev G.V., Shargin Yu.М. Ustoychivost' energosistem (Stability of Power Systems). SPb.: NOU «TSentr podgotovki kadrov energetiki», 2008, vol. 2, 376 p.
16. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Nguen Van Huan. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Problems), 2020, т. 22, No. 3. pp. 60–67.
17. Dzhendubaev A.-Z.R., Chernyh I.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2017, No. 11, pp. 88–93.
18. Dzhendubaev A.-Z.R., Chernyh I.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2018, No. 2, pp. 64–69.
19. Kozachenko A.N. Ekspluatatsiya kompressornyh stantsiy magistral'nyh gazoprovodov (Operation of Compressor Stations of Main Gas Pipelines). М.: Neft' i gaz, 1999, 463 p.
---
This work was financially supported by the RFBR, grant no. 20-38-90127
2. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications. – A Glimpse into the Future, 2019 [Электрон. ресурс], URL: www.pes-publications.ee.ethz.ch (дата обращения 05.05.2022).
3. Solid State (Smart) Transformer Market by Product Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2021–2028 [Электрон. ресурс], URL: https://www.marketresearch.com/Allied-Market-Research-v4029/Solid-State-Smart-Transformer-Product-14778192 (дата обращения 16.03.2022).
4. Huber J.E., Kolar J.W. Applicability of Solid-State Transformers in Today’s and Future Distribution Grids. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, vol. 10, iss. 1, pp. 317–326.
5. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2019, 828 с.
6. АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» [Электрон. ресурс], URL: https://www.uecrus.com/rus/map (дата обращения 16.03.2022).
7. Цанаев С.В. и др. Газотурбинные энергетические установки. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, 428 с.
8. Waumans T., et al. Reynaerts Rotordynamic Behaviour of a Micro-Turbine Rotor on Air Bearings: Modelling Techniques and Experimental Verification. – International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2006.
9. Комаров О.В., Блинов В.Л., Шемякинский А.С. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун та, 2018, 164 с.
10. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Быстроходные электрические машины для энергетики; состояние и тенденции развития. – Электротехника, 2007, № 6, с. 2–5.
11. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высшая школа, 1982, 272 с.
12. Thomas R., et al. Modeling and design analysis of the Tesla Model S induction motor. – International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2020, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270646.
13. Наука и техника. Что особенного в двигателях Tesla Model S Plaid [Электрон. ресурс], URL: https://naukatehnika.com/chto-osobennogo-v-dvigatelyah-tesla-model-s-plaid.html (дата обращения 16.03.2022).
14. Сайт MathWorks. [Электрон. ресурс], URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (дата обращения 16.03.2022).
15. Меркурьев Г.В., Шаргин Ю.М. Устойчивость энергосистем. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2008, т. 2, 376 с.
16. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Нгуен Ван Хуан. Моделирование газотурбинной установки с прогностическими регуляторами напряжения и скорости. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2020, т. 22, № 3, с. 60–67.
17. Джендубаев А.-З.Р., Черных И.В. Самовозбуждение автономных генераторов. Ч. 1. Теоретические аспекты. – Электротехника, 2017, № 11, с. 88–93.
18. Джендубаев А.-З.Р., Черных И.В. Самовозбуждение автономных генераторов. Ч. 2. Исследование самовозбуждения асинхронного генератора с учетом стартера в виде остаточного напряжения на конденсаторах возбуждения. – Электротехника, 2018, № 2, c. 64–69.
19. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999, 463 с.
---
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-38-90127)
#
1. Dzhendubaev A.-Z.R., Kononov Yu.G., Dzhendubaev E.A.-Z. Energiya edinoy seti – in Russ. (Unified Grid Energy), 2020, No. 4 (53), pp. 58–70.
2. Kolar J.W. Solid State Transformer (SST) Applications. – A Glimpse into the Future, 2019 [Electron. resource], URL: www.pes-publications.ee.ethz.ch (Date of appeal 05.05.2022).
3. Solid State (Smart) Transformer Market by Product Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2021–2028 [Electron. resource], URL: https://www.marketresearch.com/Allied-Market-Research-v4029/Solid-State-Smart-Transformer-Product-14778192 (Date of appeal 16.03.2022).
4. Huber J.E., Kolar J.W. Applicability of Solid-State Transfor-mers in Today’s and Future Distribution Grids. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, vol. 10, iss. 1, pp. 317–326.
5. Kopylov I.P. Proektirovanie elektricheskih mashin (Design of Electric Machines). М.: Yurayt, 2019, 828 p.
6. AO «Ob"edinennaya dvigatelestroitel'naya korporatsiya» (JSC "United Engine Corporation") [Electron. resource], URL: https://www.uecrus.com/rus/map (Date of appeal 16.03.2022).
7. Tsanaev S.V., et al. Gazoturbinnye energeticheskie ustanovki (Gas Turbine Power Plants). М.: Izdatel'skiy dom MEI, 2011, 428 p.
8. Waumans T., et al. Reynaerts Rotordynamic Behaviour of a Micro-Turbine Rotor on Air Bearings: Modelling Techniques and Experimental Verification. – International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2006.
9. Komarov O.V., Blinov V.L., Shemyakinskiy A.S. Teplovye i gazodinamicheskie raschety gazoturbinnyh ustanovok (Thermal and Gas Dynamic Calculations of Gas Turbine Installations). Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un ta, 2018, 164 p.
10. Antipov V.N., Danilevich Ya.B. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2007, No. 6. pp. 2–5.
11. Balagurov V.А. Proektirovanie spetsial'nyh elektricheskih mashin peremennogo toka (Design of Special AC Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 1982, 272 p.
12. Thomas R., et al. Modeling and design analysis of the Tesla Model S induction motor. – International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2020, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270646.
13. Nauka i tekhnika. Chto osobennogo v dvigatelyah Tesla Model S Plaid (Science and Technology. What's Special about Tesla Model S Plaid Engines) [Electron. resource], URL: https://naukatehnika.com/chto-osobennogo-v-dvigatelyah-tesla-model-s-plaid.html (Date of appeal 16.03.2022).
14. Website of MathWorks. [Electron. resource], URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (Date of appeal 16.03.2022).
15. Merkur'ev G.V., Shargin Yu.М. Ustoychivost' energosistem (Stability of Power Systems). SPb.: NOU «TSentr podgotovki kadrov energetiki», 2008, vol. 2, 376 p.
16. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Nguen Van Huan. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Energy Problems), 2020, т. 22, No. 3. pp. 60–67.
17. Dzhendubaev A.-Z.R., Chernyh I.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2017, No. 11, pp. 88–93.
18. Dzhendubaev A.-Z.R., Chernyh I.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2018, No. 2, pp. 64–69.
19. Kozachenko A.N. Ekspluatatsiya kompressornyh stantsiy magistral'nyh gazoprovodov (Operation of Compressor Stations of Main Gas Pipelines). М.: Neft' i gaz, 1999, 463 p.
---
This work was financially supported by the RFBR, grant no. 20-38-90127
