Способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей систему накопления электрической энергии Российский патент 2022 года по МПК H02J15/00 H02J3/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к, способам управления системой накопления электрической энергии для ограничения отклонений частоты в автономной энергосистеме.

Из уровня техники известен способ обеспечения динамической устойчивости энергосистемы, включающей дизель-генераторную установку или газопоршневую установку конечной мощности, нагрузку и систему накопления электрической энергии, включающую двунаправленный инвертор, накопитель энергии и систему управления, подключенные к выходу электрогенератора параллельно с нагрузкой. Система дополнительно содержит датчик тока, измеряющий ток генератора, и датчик напряжения, измеряющий напряжение сети. Система управления контролирует скорость нарастания или убывания мощности генератора, в том случае, если скорость нарастания или убывания мощности генератора превосходит заданную величину, а система накопления энергии выдает или потребляет мощность таким образом, что скорость нарастания или убывания мощности генератора остается в установленных пределах. Патент РФ № 2722215, МПК H02J 3/12; H02J 3/46, опубл. 28.05.2020.

Известен способ управления инвертором напряжения в системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке, заключающийся в том, что вычисляют действительную и мнимую мгновенную мощность в цепи нагрузки, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи и фильтрованными сигналами, производят деление сигналов ошибки на величину амплитуды обобщённого вектора напряжения нагрузки, формируют сигналы задания на ток в цепи нагрузки в двух ортогональных проекциях, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи и сигналами задания по току в цепи нагрузки в двух ортогональных проекциях, преобразуют сигналы управления ортогональных проекций в три моделирующих сигнала во временной области, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении моделирующих напряжений над опорным напряжением. Согласно способу, также определяют полярность и величину изменения мощности нагрузки в двух ортогональных проекциях, фиксируют полярность изменения мощности нагрузки в двух ортогональных проекциях, умножают сигнал полярности мощности нагрузки в двух ортогональных проекциях на сигнал с выхода компаратора сравнения сигнала обратной связи по соответствующей ортогональной проекции мощности инвертора напряжения и сигнала задания на минимальный уровень данной составляющей мощности инвертора, умножают на задание на величину скорости изменения мощности источника питания в двух ортогональных проекциях, формируют линейно изменяющееся задание на мощность источника питания в двух ортогональных проекциях. Патент РФ № 2733999, МПК G05F 1/66, опубл.: 09.10.2020.

Известна система управления накопителем электрической энергии для расширения области допустимых режимов генерирующих установок источников распределенной генерации при кратковременных отклонениях частоты. Представленный подход позволяет предотвращать излишние отключения ГУ при кратковременных отклонениях частоты и обеспечивать надежное электроснабжение потребителей. Управляющее воздействие со стороны накопителя формируется при выходе частоты за допустимый уровень, при этом, используется только один канал управления - канал частоты, и не учитывается текущий уровень заряда накопителя. Патент РФ № 2718113, МПК H02J 3/32, опубл.: 30.03.2020.

Задачей заявленного технического решения является создание комплексного подхода к регулированию частоты в автономной энергосистеме с задействованием сразу принципов управления: по отклонению частоты и по возмущению (изменению нагрузки), а также с автоматическим поддержанием уровня заряда накопителя энергии.

Технический результат заявляемого технического решения проявляется в уменьшении отклонений частоты в автономной энергосистеме.

Технический результат также проявляется в сохранении ресурса СНЭЭ при её участии в регулировании частоты.

Технический результат также проявляется в появлении у СНЭЭ дополнительной функции поддержания частоты, что ведёт к более эффективному и интенсивному использованию СНЭЭ.

Технический результат достигается тем, что способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей СНЭЭ, характеризуется тем, что подают сигнал мощности нагрузки Pнагр, питаемой от электростанции, на вход сумматора и на вход блока расчета сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора со знаком «-», на выходе сумматора получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, измеряют частоту f электрического тока в энергосистеме, подают сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» и сигнал f со знаком «-» на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал отклонения частоты, который подвергают обработке в блоке расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд, на выходе блока расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, на выходе блока расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты, сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии и автономной энергосистемой.

Технический результат также достигается тем, что способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей СНЭЭ, характеризуется тем, что подают сигнал мощности нагрузки Pнагр, питаемой от электростанции, на вход сумматора и на вход блока расчёта сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора со знаком «-», на выходе сумматора получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, измеряют частоту f электрического тока в энергосистеме, подают сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» и сигнал f со знаком «-» на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал отклонения частоты, который подвергают обработке в блоке расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд, на выходе блока расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, на выходе блока расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты, сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии № 1 и автономной энергосистемой, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии № 2 и автономной энергосистемой.

Комбинация процессов сглаживания набросов/сбросов нагрузки с использованием апериодического звена и стабилизации частоты на основе ПД-регулятора в СНЭЭ дает наилучшую эффективность в уменьшении отклонений частоты. Эффект достигается за счет того, что малое время отклика СНЭЭ позволяет с минимальной задержкой (у современных СНЭЭ она составляет порядка 5 мс) компенсировать бросок мощности нагрузки – СНЭЭ увеличивает или уменьшает мощность энергообмена на величину броска нагрузки, поддерживая тем самым баланс активной мощности на зажимах генератора и уменьшая, вследствие этого, отклонение частоты.

Выполнение блока расчета сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, позволяет формировать управляющее воздействие в зависимости от изменения нагрузки и задействовать в регулировании значительную мощность СНЭЭ уже в первый момент сброса или наброса нагрузки, пока частота в энергосистеме ещё не успела отклониться от номинального значения.

Выполнение блока расчета пропорциональной составляющей, представляющего собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, позволяет формировать управляющее воздействие в зависимости от значения отклонения частоты в энергосистеме в рассматриваемый момент времени, увеличивая сигнал на выходе тем больше, чем большее значение имеет отклонение регулируемой величины.

Выполнение блока расчета дифференциальной составляющей, представляющего собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, позволяет формировать управляющее воздействие в зависимости от значения скорости изменения частоты в энергосистеме в рассматриваемый момент времени и противодействовать отклонениям от целевого значения, которые прогнозируются в будущем.

Выполнение блока искусственной зоны нечувствительности по мощности позволяет обнулить сигнал мощности, определяемый регулятором, чтобы избежать излишнего использования ресурса СНЭЭ в случаях, когда возмущение в энергосистеме незначительно и мощность СНЭЭ для его компенсации привлекать нецелесообразно, а также когда имеется шум, неточность или исчезновение сигнала измерений.

Выполнение блока искусственной зоны нечувствительности по частоте позволяет обнулить сигнал отклонения частоты, чтобы избежать излишнего использования ресурса СНЭЭ в случаях, когда отклонение частоты в энергосистеме незначительно и мощность СНЭЭ для его ликвидации привлекать нецелесообразно, а также когда имеется шум, неточность или исчезновение сигнала измерений.

Выполнение блока поддержания уровня заряда накопителя позволяет корректировать мощность, потребляемую или выдаваемую СНЭЭ в процессе регулирования частоты, в зависимости от уровня заряда накопителя и обеспечить автоматическое поддержание уровня заряда накопителя с целью предотвращения глубокого разряда накопителя, негативно сказывающегося на его ресурсе, и недопущения ситуации, при которой СНЭЭ не может участвовать в регулировании из-за чрезмерно низкого или высокого уровня заряда накопителя в конкретный момент времени.

Обработка сигнала мощности, определяемого регулятором по возмущению, в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, обеспечивающим энергообмен между накопителем энергии № 1 и энергосистемой, позволяет в первый момент наброса или сброса нагрузки максимально задействовать накопитель с бόльшим ресурсом по доступному количеству циклов заряд-разряд и меньшей энергоёмкостью (например, накопитель на основе суперконденсаторов).

Обработка сигнала мощности, определяемого регулятором по отклонению частоты, в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, обеспечивающим энергообмен между накопителем энергии № 2 и энергосистемой, позволяет в первый момент наброса или сброса нагрузки минимально задействовать накопитель с меньшим ресурсом по доступному количеству циклов заряд-разряд и большей энергоёмкостью (например, накопитель на основе литий-ионных аккумуляторов) и вводить его в работу постепенно – вместе с нарастанием частоты, если его не удалось ликвидировать накопителем с бόльшим ресурсом.

Заявляемые способы далее поясняется с помощью фиг. 1-7.

На Фиг. 1 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с одним накопителем энергии.

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с одним накопителем энергии с учетом задействования блоков «искусственная зона нечувствительности по мощности» и поддержания заряда.

На Фиг. 3 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с одним накопителем энергии с учетом задействования блоков «искусственная зона нечувствительности по мощности», «искусственная зона нечувствительности по частоте» и поддержания заряда.

На Фиг. 4 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с несколькими накопителями энергии разных типов.

На Фиг. 5 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с несколькими накопителями энергии разных типов с учетом использования блоков «искусственная зона нечувствительности по мощности» и поддержания заряда.

На Фиг. 6 представлена принципиальная схема реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме с несколькими накопителями энергии разных типов с учетом использования блоков «искусственная зона нечувствительности по мощности», «искусственная зона нечувствительности по частоте» и поддержания заряда.

На Фиг. 7 представлен пример уставки и границ по уровню заряда.

На фиг. 8-11 представлены графики с результатами численного моделирования реализации заявленных способов, отражающих их эффективность.

На фиг. 1-6 условно обозначены следующие элементы схем реализации способов:

- измеритель (1) мощности нагрузки, питаемой от электростанции;

- сумматор (2), (5), (8);

- блок (3) расчета сглаженной мощности;

- измеритель (4) частоты в энергосистеме;

- блок (6) расчета пропорциональной составляющей;

- блок (7) расчета дифференциальной составляющей;

- блок (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем (для энергосистемы с одним накопителем энергии);

- блок (10) «Искусственная зона нечувствительности по мощности № 1»;

- блок (11) «Искусственная зона нечувствительности по мощности № 2»;

- блок (12) поддержания уровня заряда накопителя энергии (для энергосистемы с одним накопителем энергии);

- блок (13) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1;

- блок (14) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2;

- блок (15) поддержания уровня заряда накопителя энергии № 1 (для энергосистемы с несколькими накопителями энергии разных типов);

- блок (16) поддержания уровня заряда накопителя энергии № 2 (для энергосистемы с несколькими накопителями энергии разных типов);

- блок (17) «Искусственная зона нечувствительности по частоте»;

- накопитель энергии (18) (для энергосистемы с одним типом накопителя);

- накопитель энергии № 1 (19) (для энергосистемы с несколькими накопителями энергии разных типов);

- накопитель энергии № 2 (20) (для энергосистемы с несколькими накопителями энергии разных типов).

Пример осуществления заявленного способа регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей СНЭЭ, по первому варианту, представлен далее.

Изначально подают сигнал мощности нагрузки Pнагр с измерителя (1) мощности нагрузки, питаемой от электростанции, на вход (2) сумматора и на вход блока (3) расчета сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора (2) со знаком «-».

Апериодическое звено первого порядка может представлять собой последовательно включённый резистор и параллельно включённый конденсатор или программу для ЭВМ. Примеры реализации звена не ограничены приведенными примерами, существуют и другие, очевидные для специалиста в уровне техники

На выходе сумматора (2) получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению.

С измерителя (4) частоты в энергосистеме, сигнал частоты f со знаком «-» и сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» подают на вход сумматора (5), на выходе которого получают сигнал отклонения частоты. Сигнал отклонения частоты подвергают обработке в блоке (6) расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке (7) расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд.

На выходе блока (6) расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, а на выходе блока (7) расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты.

Сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора (8), на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих.

Сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем (18) энергии и автономной энергосистемой.

В предпочтительном варианте, перед обработкой в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подают на вход блока (10) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 1, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

В одном из возможных вариантов осуществления, перед обработкой в блоке (6) расчёта пропорциональной составляющей и в блоке (7) расчёта дифференциальной составляющей сигнал отклонения частоты подают на вход блока (17) «искусственная зона нечувствительности по частоте», на выходе которого получают сигнал отклонения частоты с учетом нечувствительности по частоте, равный значению сигнала на входе блока (17) «искусственная зона нечувствительности по частоте», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по частоте, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

В другом варианте осуществления, перед обработкой в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подают на вход блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 2, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

Для реализации заявленного способа могут также измерять уровень заряда накопителя (18) энергии и перед обработкой в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, и значение уровня заряда накопителя (18) энергии подавать на вход блока (12) поддержания уровня заряда накопителя энергии. При этом предпочтительно, в блоке (12) поддержания уровня заряда заданы уставка по уровню заряда накопителя (18) и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки. В зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, значение мощности увеличивают или уменьшают на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения.

Другими словами, если текущий уровень заряда накопителя (18) энергии вышел за допустимый диапазон, требуемая от накопителя мощность будет скорректирована.

На Фиг. 7 показан конкретный пример уставки в 70% с граничными значениями k1, k2, k3, заданными +-10, +-15 и +-18% соответственно.

Например: если задана уставка 70%, а текущий заряд равен 76%, то управляющие сигналы не изменятся, т. к. |76-70| = 6 %, что меньше k1=10%.

Если текущий заряд 82%, значит превышение границы k1, требуется повысить выдачу мощности на a процентов.

Если текущий заряд 86%, значит превышение границы k2, требуется повысить выдачу мощности на b процентов.

Если текущий заряд 95%, значит превышение границы k3, требуется повысить выдачу мощности на c процентов.

Если текущий заряд 58%, значит превышение границы k1, требуется снизить выдачу мощности на a процентов.

Если текущий заряд 54%, значит превышение границы k2, требуется снизить выдачу мощности на b процентов.

Если текущий заряд 45%, значит превышение границы k3, требуется снизить выдачу мощности на c процентов.

За то, насколько нужно снизить/повысить выдачу/потребление мощности накопителя отвечают поправочные коэффициенты a, b, c, которые заранее определены для граничных значений уровня заряда. Их значения, как и остальные, выбираются в ходе ручной настройки, либо другими известными способами, например, с помощью оптимизационных методов.

Также возможен вариант осуществления, при котором перед обработкой в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, сначала подают на вход блока (12) поддержания уровня заряда накопителя энергии, а затем его выходной сигнал подают на вход блока (10) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», выходной сигнал которого, в свою очередь, подвергают обработке в блоке (9).

Также возможен вариант осуществления, при котором перед обработкой в блоке (9) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, сначала подают на вход блока (12) поддержания уровня заряда накопителя энергии, а затем его выходной сигнал подают на вход блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», выходной сигнал которого, в свою очередь, подвергают обработке в блоке (9).

Описанный вариант реализации способа применим для случаев, когда в составе СНЭЭ имеется один накопитель (18) энергии (например, накопитель энергии на основе литий-ионных аккумуляторов).

Также заявлен способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей гибридную СНЭЭ. Под гибридной СНЭЭ следует понимать систему, имеющую в своём составе несколько накопителей (19), (20) энергии разных типов (например, накопитель энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и накопитель энергии на основе суперконденсаторов).

Изначально подают сигнал мощности нагрузки Pнагр с измерителя (1) мощности нагрузки, питаемой от электростанции, на вход (2) сумматора и на вход блока (3) расчета сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора (2) со знаком «-».

С измерителя (4) частоты в энергосистеме, сигнал частоты f со знаком «-» и сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» подают на вход сумматора (5), на выходе которого получают сигнал отклонения частоты. Сигнал отклонения частоты подвергают обработке в блоке (6) расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке (7) расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд.

На выходе блока (6) расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, а на выходе блока (7) расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты.

Сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора (8), на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих.

Сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подвергают обработке в блоке (13) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем (19) энергии № 1 и автономной энергосистемой.

Сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке (14) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем (20) энергии № 2 и автономной энергосистемой.

Отличие второго варианта способа регулирования частоты от первого варианта, с одним типом аккумулирующего элемента, в котором сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергаются обработке в блоке (9) формирования сигналов, управляющих одним преобразователем, обеспечивающим управляемый энергообмен между одним накопителем (18) энергии и энергосистемой, заключается в том, что сигналы подвергаются обработке в блоках (13), (14) формирования сигналов, управляющих разными преобразователями, с целью рационального использования ресурса разных накопителей (19), (20) энергии в составе гибридной СНЭЭ.

Это достигается за счет того, что один сигнал определяет режим работы накопителя энергии № 1 (19) с большим ресурсом по числу циклов заряда-разряда для сглаживания набросов/сбросов нагрузки с использованием апериодического звена, а второй сигнал – режим работы накопителя энергии № 2 (20) с большей энергоемкостью, но с меньшим ресурсом по числу циклов, который используется для стабилизации частоты по алгоритму на основе ПД-регулятора.

В предпочтительном варианте, перед обработкой в блоке (13) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подают на вход блока (10) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока (10) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

В одном из возможных вариантов осуществления, перед обработкой в блоке (6) расчёта пропорциональной составляющей и в блоке (7) расчёта дифференциальной составляющей сигнал отклонения частоты подают на вход блока (17) «искусственная зона нечувствительности по частоте», на выходе которого получают сигнал отклонения частоты с учетом нечувствительности по частоте, равный значению сигнала на входе блока (17) «искусственная зона нечувствительности по частоте», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по частоте, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

В другом варианте осуществления, перед обработкой в блоке (14) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подают на вход блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

В предпочтительном варианте реализации способа регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей гибридную СНЭЭ, также измеряют уровень заряда накопителя (19) энергии № 1, и, перед обработкой в блоке (13) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и уровень заряда накопителя (19) энергии № 1 подают на вход блока (15) поддержания уровня заряда накопителя энергии № 1, где заданы уставка по уровню заряда накопителя 1 и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки, и, в зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, увеличивают или уменьшают значение мощности на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения. Предпочтительно, также измеряют уровень заряда накопителя (20) энергии № 2, перед обработкой в блоке (14) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, и уровень заряда накопителя (20) энергии № 2 подают на вход блока (16) поддержания уровня заряда накопителя (20) энергии № 2, где заданы уставка по уровню заряда накопителя (20) № 2 и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки, и, в зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, увеличивают или уменьшают значение мощности на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения.

Также возможен вариант осуществления, при котором перед обработкой в блоке (13) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, сначала подают на вход блока (15) поддержания уровня заряда накопителя энергии № 1, а затем его выходной сигнал подают на вход блока (10) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», выходной сигнал которого, в свою очередь, подвергают обработке в блоке (13).

Также возможен вариант осуществления, при котором перед обработкой в блоке (14) формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, сначала подают на вход блока (16) поддержания уровня заряда накопителя энергии № 2, а затем его выходной сигнал подают на вход блока (11) «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», выходной сигнал которого, в свою очередь, подвергают обработке в блоке (14).

Эффективность заявленного способа регулирования частоты подтверждаются результатами исследования на модели автономной энергосистемы в MATLAB Simulink. Ниже представлены расчёты по четырём способам регулирования частоты:

1. Традиционный вариант: СНЭЭ не участвует в регулировании частоты, оно выполняется только дизель-генераторной установкой (ДГУ), которая имеет автоматический регулятор скорости, а именно ПИД-регулятор со следующими параметрами: коэффициент усиления пропорциональной составляющей Кп = 30, коэффициент усиления интегрирующей составляющей Ки = 25, коэффициент усиления дифференцирующей составляющей Кд = 2.5. (Фиг. 8)

Примечание: в расчётах 2–4 ДГУ также участвует в регулировании, но к ней присоединяется СНЭЭ.

2. СНЭЭ участвует в регулировании с регулятором по возмущению. Постоянная времени апериодического звена Тапер = 5 с.

В первый момент СНЭЭ компенсирует бросок мощности нагрузки и плавно передаёт нагрузку на генераторный агрегат. При этом обеспечивается: во-первых, значительное уменьшение отклонения частоты, во-вторых, плавное изменение частоты, исключающее ударные процессы в механизмах потребителей электроэнергии. Однако отклонение частоты значительное: 0,2 Гц. (Фиг. 9)

3. СНЭЭ участвует в регулировании с ПД-регулятором по отклонению частоты. Параметры регулятора: Кп = 200; Кд = 3,01.

СНЭЭ значительно уменьшает отклонения частоты, но допускает её ударное изменение. (Фиг. 10)

4. СНЭЭ участвует в регулировании согласно предложенному способу (совмещается управление по возмущению и по отклонению частоты). Принятые параметры: Кп=200; Кд=3,01; Тапер=5 с.

Предложенный способ с комбинацией двух принципов управления, во-первых, ещё больше уменьшает отклонения частоты, а во-вторых, исключает ударные (с большой производной по времени) изменения частоты. Таким образом, данный вариант является наиболее эффективным среди исследованных. Принципы управления по возмущению и по отклонению частоты дополняют друг друга. (Фиг. 11)

Описание осуществления способа не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам регулирования частоты в энергосистемах. Технический результат заключается в уменьшении отклонений частоты в автономной энергосистеме. Достигается тем, что способ регулирования частоты включает систему накопления электрической энергии (СНЭЭ), при котором подают сигнал мощности нагрузки на вход сумматора и на вход блока расчета сглаженной мощности, на выходе сумматора получают сигнал отклонения частоты, который подвергают обработке в блоке расчёта пропорциональной составляющей и в блоке расчёта дифференциальной составляющей, на выходе блока расчёта получают сигнал пропорциональной составляющей, определяющийся отклонением частоты, на выходе блока расчёта, получают сигнал дифференциальной составляющей, определяющийся скоростью изменения частоты, сигналы подают на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей систему накопления электрической энергии (СНЭЭ), при котором подают сигнал мощности нагрузки Pнагр, питаемой от электростанции, на вход сумматора и на вход блока расчета сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора со знаком «-», на выходе сумматора получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, измеряют частоту f электрического тока в энергосистеме, подают сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» и сигнал f со знаком «-» на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал отклонения частоты, который подвергают обработке в блоке расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд, на выходе блока расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, на выходе блока расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты, сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии и автономной энергосистемой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 1, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке расчёта пропорциональной составляющей и в блоке расчёта дифференциальной составляющей сигнал отклонения частоты подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по частоте», на выходе которого получают сигнал отклонения частоты с учетом нечувствительности по частоте, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по частоте», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по частоте, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 2, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют уровень заряда накопителя энергии, перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, и уровень заряда накопителя энергии подают на вход блока поддержания уровня заряда накопителя энергии, где заданы уставка по уровню заряда накопителя и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки, и, в зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, увеличивают или уменьшают значение мощности на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения.

6. Способ регулирования частоты в автономной энергосистеме, включающей СНЭЭ, при котором подают сигнал мощности нагрузки Pнагр, питаемой от электростанции, на вход сумматора и на вход блока расчёта сглаженной мощности, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, на выходе которого получают сигнал сглаженной мощности, который подают на вход сумматора со знаком «-», на выходе сумматора получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, измеряют частоту f электрического тока в энергосистеме, подают сигнал требуемого значения частоты fтреб, равный заданной уставке, со знаком «+» и сигнал f со знаком «-» на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал отклонения частоты, который подвергают обработке в блоке расчёта пропорциональной составляющей, представляющем собой пропорциональное звено с задаваемым коэффициентом усиления Кп, и в блоке расчёта дифференциальной составляющей, представляющем собой дифференцирующее звено с задаваемым коэффициентом усиления Кд, на выходе блока расчёта, представляющего собой пропорциональное звено, получают сигнал пропорциональной составляющей, который определяется отклонением частоты, на выходе блока расчёта, представляющего собой дифференцирующее звено, получают сигнал дифференциальной составляющей, который определяется скоростью изменения частоты, сигнал пропорциональной составляющей и сигнал дифференциальной составляющей подают на вход сумматора, на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, являющийся суммой пропорциональной и дифференциальной составляющих, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии № 1 и автономной энергосистемой, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подвергают обработке в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, обеспечивающим управляемый энергообмен между накопителем энергии № 2 и автономной энергосистемой.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 1», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 1, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке расчёта пропорциональной составляющей и в блоке расчёта дифференциальной составляющей сигнал отклонения частоты подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по частоте», на выходе которого получают сигнал отклонения частоты с учетом нечувствительности по частоте, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по частоте», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по частоте, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, подают на вход блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», на выходе которого получают сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, с учетом нечувствительности по мощности, равный значению сигнала на входе блока «искусственная зона нечувствительности по мощности № 2», если оно находится за пределами заданной зоны нечувствительности по мощности № 2, или равный 0, если оно находится в зоне нечувствительности.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что измеряют уровень заряда накопителя энергии № 1, перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 1 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по возмущению, и уровень заряда накопителя энергии № 1 подают на вход блока поддержания уровня заряда накопителя энергии № 1, где заданы уставка по уровню заряда накопителя № 1 и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки, и, в зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, увеличивают или уменьшают значение мощности на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения.

11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что измеряют уровень заряда накопителя энергии № 2, перед обработкой в блоке формирования сигналов, управляющих силовым преобразователем № 2 в составе СНЭЭ, сигнал мощности, определяемый регулятором по отклонению частоты, и уровень заряда накопителя энергии № 2 подают на вход блока поддержания уровня заряда накопителя энергии № 2, где заданы уставка по уровню заряда накопителя № 2 и граничные значения по уровням заряда выше и ниже уставки, и, в зависимости от выхода значения уровня заряда за граничные значения, увеличивают или уменьшают значение мощности на величину, соответствующую заданным граничным значениям, или оставляют неизменной, в случае если значение уровня заряда не выходит за граничные значения.