Optimizing the Operation Mode of an Autonomous Wind Power Plant with a Distributed Generation System
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-3-63-70Keywords:
induction generator, wind power plant, voltage and frequency stabilization, ballast and capacitive conductivitiesAbstract
The article considers physical interactions and a mathematical model of a wind power plant consisting of separate wind turbines distributed over a large area, which generate electric energy to common buses and from them to a transformer and load. Induction generators are used as electromechanical converters, which differ from synchronous ones in having a simple design and featuring better operational reliability. In view of distributed location of wind turbines, each of them generally operates under different wind conditions; in addition, their interaction depends both on the length of cable routes to the busbars and on the parameters of transformers. Owing to these circumstances, it is of interest to study parallel operation of distributed induction generators and the possibility to optimize the wind power plant operation mode to ensure the required quality of the generated electricity in terms of power supply frequency and voltage.
The operation mode of such wind power plant – taking as an example two induction generators operating in parallel on a common resistive-inductive load – is represented by a complex T-shaped equivalent circuit, the mathematical description of which is given by nonlinear complex homogeneous equations for nodal potentials. The magnetization inductances are nonlinear functions of the EMFs, which are analytically approximated by an inverse trigonometric function.
The mechanical equilibrium equations include the wind turbine torques, the electromagnetic moments of generators, the rotating parts inertia moments, and resistance and friction moments. It should be noted that with a given wind turbine size, its torque depends on the angular rotation speed, wind velocity and blade angle, and is approximated by spline functions of the load impedance and wind turbine rotation speeds.
The operating mode analysis is based on the numerical calculation of non-trivial solutions of nonlinear complex equations for the potentials of the equivalent circuit nodes, load voltage and frequency, and their subsequent approximation as a function of rotation speeds and load impedance at fixed values of load inductance, capacitances, ballast conductivity, and other parameters.
On the example of a calculation performed for typical parameters of a small-capacity wind power plant with a real difference of wind velocities for individual wind turbines and variable load impedance, it is shown that by changing the blade angle alone, it is not possible to stabilize the voltage parameters on the load, while by simultaneously changing the capacitive and ballast conductivities, the frequency and voltage can be stabilized at the specified levels. In particular, with increasing the wind turbine rotation speeds, the capacitive and ballast conductivity should be increased, and with an increase in load resistance, the ballast conductivity should also increase, and capacitive conductivity should decrease. As a subsequent development of this method, ways to stabilize the operation of such wind power plant with an arbitrary number of generators can be analyzed.
References
2. Нетушил А.В. К расчету режима самовозбуждения автономного асинхронного генератора // Электричество. 1988. № 4. С. 52—54.
3. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика. Харьков: Изд-во Харьковского авиационного института, 2004.
4. Буяльский В.И. Повышение эффективности управления ветротурбиной // Вестник СевНТУ. Серия «Механика, энергетика, экология». 2008. Вып. 88. С. 152—156.
5. Олейников А.М., Канов Л.Н., Мирошниченко М.С. Математическое моделирование ветроэлектрической установки с автономным асинхронным генератором малой мощности под резистивной нагрузкой // Труды Института электродинамики НАН Украины. 2013. Вып. 36. С. 18—24.
6. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высшая школа, 2002.
7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Электрические цепи. М.: Юрайт, 2012.
8. Ещин Е.К. Управление состоянием группы асинхронных электродвигателей в сети электроснабжения // Известия ВУЗов. Серия «Электромеханика». 2020. Т. 63. № 1. С. 62—68.
9. Ибрагим А. и др. Стратегия управления на основе отслеживания точки максимальной мощности асинхронного генератора двойного питания ветроэнергетической установки // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 4. С. 56—62.
10. Варганова А.В., Ирихов А.С. Оценка надежности внешнего электроснабжения сетей 6 — 10 кВ с источниками распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 3(52). С. 22—28.
11. Варганова А.В., Байрамгулова Ю.М., Гончарова И.Н., Кроткова О.А. Технико-экономическое обоснование места установки источников распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 3(44). С. 68—72.
12. Валеев И.М., Нгуен Х.Д. Разработка методики расчета потерь мощности и уровня напряжения в сложных распределительных сетях // Известия ВУЗов. Серия «Проблемы энергетики». 2017. Т. 19. № 1—2. С. 75—85.
13. Сидорова В.Т., Карчин В.В. Перераспределение потоков мощностей в сложнозамкнутых воздушных сетях 10 кВ для уменьшения потерь и улучшения качества электроэнергии // Известия ВУЗов. Серия «Проблемы энергетики». 2016. № 11—12. С. 51—55.
14. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование и исследование квазистационарных режимов работы ВЭУ с асинхронными генераторами при частотном управлении // Электричество. 2009. № 6. С. 36—42.
15. Удалов С.Н., Ачитаев А.А., Юманов М.С. Исследование режимов работы ветроэнергетической установки на базе электромагнитной трансмиссии в составе автономной системы электроснабжения // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. № 5. С. 32—35.
16. Олейников А.М., Канов Л.Н. Исследование режимов работы многомашинной ветроустановки с механической редукцией // Альтернативная энергетика и экология. 2019. № 10—12. С. 12—22.
17. Баранов Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии. М.: Издат. дом МЭИ, 2012.
18. Сафонов В.А. и др. Специальные вопросы возобновляемой энергетики. Севастополь: Колорит, 2017.
19. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем. М.: Знак, 2017.
20. Зубова Н.В., Удалов С.Н., Манусов В.В. Анализ приоритетности контуров управления ветроэнергетической установкой // Электро. 2015. № 6. С. 27—31.
---
Для цитирования: Олейников А.М., Канов Л.Н. Оптимизация режима автономной ветроэлектростанции с распределенной системой генерации // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 63—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-63-70.
#
1. Danilenko A.I. Analiz Peretokov Reaktivnoy Energii na Promyshlennoy Vetrovoy Elektrostantsii s Asinkhronnymi Generatorami. Optimizatsiya Proizvodstvennykh Protsessov. 2005;8:58—64. (in Russian).
2. Netushil A.V. K Raschetu Rezhima Samovozbuzhdeniya Avtonomnogo Asinkhronnogo Generatora. Elektrichestvo. 1988;4:52—54. (in Russian).
3. Krivtsov V.S., Oleynikov A.M., Yakovlev A.I. Neischerpaemaya Energiya. Kn. 2. Vetroenergetika. Khar'kov: Izd-vo Khar'kovskogo Aviatsionnogo Instituta, 2004. (in Russian).
4. Buyal'skiy V.I. Povyshenie Effektivnosti Upravleniya Vetroturbinoy. Vestnik SevNTU. Seriya «Mekhanika, Energetika, Ekologiya». 2008;88:152—156. (in Russian).
5. Oleynikov A.M., Kanov L.N., Miroshnichenko M.S. Matematicheskoe Modelirovanie Vetroelektricheskoy Ustanovki s Avtonomnym Asinkhronnym Generatorom Maloy Moshchnosti pod Rezistivnoy Nagruzkoy. Trudy Instituta Elektrodinamiki NAN Ukrainy. 2013;36:18—24. (in Russian).
6. Kasatkin A.S., Nemtsov M.V. Elektrotekhnika. M.: Vysshaya Shkola, 2002. (in Russian).
7. Bessonov L.A. Teoreticheskie Osnovy Elektrotekhniki. T. 1. Elektricheskie Tsepi. M.: Yurayt, 2012. (in Russian).
8. Eshchin E.K. Upravlenie Sostoyaniem Gruppy Asinkhronnykh Elektrodvigateley v Seti Elektrosnabzheniya. Izvestiya VUZov. Seriya «Elektromekhanika». 2020;63;1:62—68. (in Russian).
9. Ibragim A. i dr. Strategiya Upravleniya na Osnove Otslezhivaniya Tochki Maksimal'noy Moshchnosti Asinkhronnogo Generatora Dvoynogo Pitaniya Vetroenergeticheskoy Ustanovki. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2018;4:56—62. (in Russian).
10. Varganova A.V., Irikhov A.S. Otsenka Nadezhnosti Vneshnego Elektrosnabzheniya Setey 6 — 10 kV s Istochnikami Raspredelennoy Generatsii. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2021;3(52):22—28. (in Russian).
11. Varganova A.V., Bayramgulova Yu.M., Goncharova I.N., Krotkova O.A. Tekhniko-ekonomicheskoe Obosnovanie Mesta Ustanovki Istochnikov Raspredelennoy Generatsii. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2019;3(44):68—72. (in Russian).
12. Valeev I.M., Nguen Kh.D. Razrabotka Metodiki Rascheta Poter' Moshchnosti i Urovnya Napryazheniya v Slozhnykh Raspredelitel'nykh Setyakh. Izvestiya VUZov. Seriya «Problemy Energetiki». 2017. T. 19;1—2:75—85. (in Russian).
13. Sidorova V.T., Karchin V.V. Pereraspredelenie Potokov Moshchnostey v Slozhnozamknutykh Vozdushnykh Setyakh 10 kV dlya Umen'sheniya Poter' i Uluchsheniya Kachestva Elektroenergii. Izvestiya VUZov. Seriya «Problemy energetiki». 2016;11—12:51—55. (in Russian).
14. Mustafaev R.I., Gasanova L.G. Modelirovanie i Issledovanie Kvazistatsionarnykh Rezhimov Raboty VEU s Asinkhronnymi Generatorami pri Chastotnom Upravlenii. Elektrichestvo. 2009;6:36—42. (in Russian).
15. Udalov S.N., Achitaev A.A., Yumanov M.S. Issledovanie Rezhimov Raboty Vetroenergeticheskoy Ustanovki na Baze Elektromagnitnoy Transmissii v Sostave Avtonomnoy Sistemy Elektrosnabzheniya. Elektro. Elektrotekhnika, Elektroenergetika, Elektrotekhnicheskaya Promyshlennost'. 2015;5:32—35. (in Russian).
16. Oleynikov A.M., Kanov L.N. Issledovanie Rezhimov Raboty Mnogomashinnoy Vetroustanovki s Mekhanicheskoy Reduktsiey. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya. 2019;10—12:12—22. (in Russian).
17. Baranov N.N. Netraditsionnye Istochniki i Metody Preobrazovaniya Energii. M.: Izdat. Dom MEI, 2012. (in Russian). (in Russian).
18. Safonov V.A. i dr. Spetsial'nye Voprosy Vozobnovlyaemoy Energetiki. Sevastopol': Kolorit, 2017. (in Russian).
19. Toroptsev N.D. Asinkhronnye Generatory Avtonomnykh Sistem. M.: Znak, 2017. (in Russian).
20. Zubova N.V., Udalov S.N., Manusov V.V. Analiz Prioritetnosti Konturov Upravleniya Vetroenergeticheskoy Ustanovkoy. Elektro. 2015;6:27—31. (in Russian).
---
For citation: Oleynikov A.M., Kanov L.N. Optimizing the Operation Mode of an Autonomous Wind Power Plant with a Distributed Generation System. Bulletin of MPEI. 2021;3:63—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-63-70.
