Система и способ построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы и модель системы накопления электрической энергии, предназначенная для включения в систему
SYSTEM AND METHOD OF CONSTRUCTING MODEL OF POWER SYSTEM AND PERFORMING CALCULATIONS OF MODES OF POWER SYSTEM AND MODEL OF SYSTEM FOR ACCUMULATING ELECTRIC ENERGY, INTENDED FOR INCLUSION INTO SYSTEM

Техническое решение относится к области электроэнергетики, а именно к моделированию энергосистем и расчету режимов энергосистем.
Из уровня техники известно устройство для моделирования режимов схем энергосистем (ЭС) и энергообъединений, содержащее блок Задание исходных данных сети МЭС магистральных электрических сетей (МЭС), связанный с блоком Формирование топологии сети, соединенный с блоком Задание возмущений, блоком Задание управлений и блоками формирования Матрица проводимости и блоком Факторизация матрицы, которые совместно с блоком Задание управлений подключены к блоку Расчет вектора токов, а выход последнего подключен к блоку Расчет режима сети МЭС, который присоединен к блоку Оценка точности расчета режима, который подключен к блоку Расчёт вектора токов для дополнительных итераций расчета (при его недостаточной точности), причем выход блока Расчет динамики подключен к блоку Расчет регуляторов. Блоки подключены к блоку записи результатов в БД сети МЭС, который соединен с блоком оценки Окончание расчета на шаге δТ, причем этот блок соединен с блоком Задание управлений для продолжения расчета переходного процесса, а при его окончании соединен с блоком Задание исходных данных для продолжения расчета в непрерывном режиме и весь цикл расчета повторяется. Также система включает блок Формирование исходных данных распределительных электрических сетей (РЭС), соединенный с блоком Формирование топологии сети РЭС, который соединен с блоком Расчет режима сети РЭС, выход которого через блок Записи в БД РЭС соединен с блоком Общая область памяти, с которой связан и блок Записи данных в БД МЭС, причем блок Общая область памяти формирует в счетчике шагов признак повторения расчета, выход которого поступает на блоки Формирования значений исходных данных сетей МЭС и РЭС для расчета режима полной энергосистемы на новом временном шаге. Заявка на патент № RU 2017123367, МПК: G06F 17/50, опубликована 10.01.2019.
Из уровня техники также известна система для построения модели энергосистемы, реализуемая с помощью вычислительной среды Matlab разработанной MathWorks. Один из вариантов такой системы представляет собой  комплекс, включающий: логику обработки, связанную с памятью, запрограммированную на прием графической модели, имеющей исполняемую семантику, и приспособленной для использования основных компонентов, которые представляют операции базового уровня, и графические блоки высокого уровня, образованные из комбинаций основных компонентов, графической модели, включая первый набор основных компонентов и выполненные с возможностью оценки мощности доступа, вычисления общего показателя мощности для графической модели. Патент на изобретение № US 9355000, МПК G06F 11/30; G06F 17/50, опубликован 2016.05.31.
Существенными отличительными признаками заявляемого решения являются: база данных включает модель системы накопления электрической энергии (СНЭЭ), блок добавления элементов энергосистемы выполнен с возможностью добавления модели СНЭЭ в модель энергосистемы, а блок задания параметров оборудования выполнен с возможностью задания параметров СНЭЭ.
В известных технических решениях отсутствуют модели СНЭЭ в базах данных системы. Существует практика разработки отдельных высокодетализированных моделей в таких программных комплексах, как Matlab. Однако избыточно детальное моделирование устройств силовой электроники и накопителей электрической энергии (литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и др.) делает модели СНЭЭ требовательными к вычислительным ресурсам и непригодными для расчёта переходных режимов в энергосистемах с большим количеством узлов, а также для расчёта электромеханических переходных процессов, особенно при их длительном характере. Кроме того, вышеперечисленные аналоги не приспособлены в полной мере для осуществления типовых электроэнергетических расчётов.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении показателей идентичности модели энергосистемы, сформированной посредством заявленного программно-аппаратного комплекса, реальной энергосистеме с высокими показателями достоверности расчетов режимов энергосистемы.
Технический результат достигается тем, что для построения модели энергосистемы, включающей систему накопления электрической энергии (СНЭЭ), и проведения расчетов её режимов используют систему, содержащую расчетное ядро, связанные между собой интерфейс оператора, базу данных системы, включающую набор моделей типового оборудования, каждая из которых содержит математическое описание, подсистему формирования модели энергосистемы, включающую блок добавления элементов энергосистемы, обеспечивающий возможность выбора моделей типового оборудования и интеграцию математических описаний выбранного оборудования из базы данных системы в модель энергосистемы, и блок задания параметров выбранного оборудования, при этом база данных включает модель СНЭЭ, блок добавления элементов энергосистемы выполнен с возможностью добавления модели СНЭЭ в модель энергосистемы, а блок задания параметров оборудования выполнен с возможностью задания параметров СНЭЭ.
Модель системы накопления электрической энергии (СНЭЭ) в одном из вариантов реализации представляет собой набор блоков, для включения в систему для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, и включает блок параметров СНЭЭ, блок системы управления, блок расчёта уровня заряда, блок контроля уровня заряда, блок статического генератора, выполненный с возможностью соединения с моделью источника мощности.
В другом варианте реализации модель СНЭЭ представляет собой набор блоков для включения в систему для построения модели энергосистемы и проведения расчетов её режимов, и включает блок параметров СНЭЭ, блок системы управления, блок расчёта уровня заряда, блок контроля уровня заряда, блок преобразователя, выполненный с возможностью соединения с моделью силового преобразователя, блок формирования сигналов управления преобразователем, выполненный с возможностью формирования сигналов для управления моделью силового преобразователя.
Способ построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы характеризуется следующими этапами: осуществляют выбор элементов энергосистемы из базы данных, устанавливают связи между ними и задают их параметры, выбирают тип расчета и устанавливают его параметры, осуществляют расчет, формируют результаты расчета и выводят результаты на интерфейс оператора, отличающийся тем, что для расчетов режимов энергосистемы, включающей в свой состав СНЭЭ, дополнительно создают модель СНЭЭ, вносят ее в базу данных, при выборе элементов энергосистемы из базы данных добавляют СНЭЭ в модель энергосистемы, при установлении связей между элементами энергосистемы и задании их параметров устанавливают связи СНЭЭ с другими элементами энергосистемы и задают параметры СНЭЭ.
Если в описании схемы систем и моделей или взаимосвязей элементов указано, что элемент «соединён» с другим элементом, «имеет вход» для соединения с другим элементом или «подключен» к другому элементу, это означает, что элемент может быть «напрямую соединён/подключен» с другим элементом, «функционально соединён/подключен» или «электрически соединён/подключен» с другим элементом напрямую или через третий элемент. Кроме того, если указано, элемент имеет вход для получения сигнала, это означает, что элемент соединён с другим элементом таким образом, что данное соединение допускает передачу сигналов к данному элементу.
Более того, аппаратные части одних элементов, упомянутых в описании, могут отличаться, частично совпадать или полностью совпадать с аппаратными частями других элементов, а также располагаться в различных частях других элементов, если иное не указано в явном виде.
Система для построения модели энергосистемы, включающей систему накопления электрической энергии, и проведения расчетов режимов энергосистемы представляет собой программно-аппаратный комплекс, который может быть реализован на базе стандартных технических средств, используемых для моделирования и расчетов режимов энергосистем и дополнительно снабженных элементами для включения СНЭЭ в создаваемую модель энергосистемы, которые позволяют упростить процесс её моделирования и повысить показатели достоверности расчётов. Система представляет собой набор функциональных элементов, с заданными параметрами и критериями работы, и установленными взаимосвязями между ними.
Модель СНЭЭ, включенная в базу данных, блок добавления элементов энергосистемы, выполненный с возможностью добавления модели СНЭЭ в модель энергосистемы, и блок задания параметров оборудования, выполненный с возможностью задания параметров СНЭЭ, позволяют создать модель энергосистемы, обеспечивающую возможность проведения расчетов и получение точных и достоверных результатов расчета режимов энергосистемы, включающей СНЭЭ. Модель СНЭЭ обеспечивает возможность учесть при расчете режимов энергосистемы управляемый энергообмен между энергосистемой и СНЭЭ, изменение уровня заряда СНЭЭ во времени, остановку потребления или выдачи мощности СНЭЭ при достижении уровнем заряда, соответственно, верхнего или нижнего допустимых значений уровня заряда. Кроме того, могут быть учтены саморазряд, коэффициент полезного действия, зависимость располагаемой мощности от уровня заряда и другие особенности СНЭЭ.
Подсистема формирования модели энергосистемы, включающая блок добавления элементов энергосистемы, обеспечивающий возможность выбора моделей типового оборудования и интеграцию математических описаний выбранного оборудования из базы данных системы в модель энергосистемы, и блок задания параметров выбранного оборудования, необходимы для создания модели энергосистемы, отвечающей требованиям к расчетам и условиям различных задач.
Выполнение модели СНЭЭ в виде набора блоков позволяет, в зависимости от поставленных задач, изменять ее структуру и взаимосвязи, обеспечивая гибкость и универсальность для построения точной модели энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчета.
Модель СНЭЭ, включающая блок (10) параметров СНЭЭ, выполненный с возможностью задания параметров СНЭЭ, блок (11) системы управления, выполненный с возможностью формирования мощностей, определяемых алгоритмом управления, блок (12) расчёта уровня заряда, выполненный с возможностью автоматического расчёта текущего уровня заряда СНЭЭ, блок (13) контроля уровня заряда, выполненный с возможностью задания условий остановки потребления мощности и остановки выдачи мощности, блок (17) статического генератора, выполненный с возможностью обеспечения выдачи или потребления мощности из энергосистемы источником мощности, позволяет включать ее в систему для построения модели энергосистемы. Данные блоки являются необходимыми для последующих проведений расчетов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов с получением достоверных результатов расчета. Блок (12) расчёта уровня заряда может быть выполнен с обеспечением возможности ввода информации о снижения заряда из-за саморазряда накопителей электрической энергии и с обеспечением возможности ввода информации о коэффициенте полезного действия СНЭЭ, что позволяет получить результаты расчетов режимов на модели с минимальной погрешностью в сравнении с режимными параметрами реальной энергосистемы, а также способствует повышению универсальности системы за счет расширения ряда решаемых задач и осуществления более точных расчетов.
В преимущественном варианте, блок (12) расчета уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов начального, на момент начала расчета, уровня заряда СНЭЭ, номинальной энергоемкости СНЭЭ и мощности, выдаваемой или поглощаемой СНЭЭ в конкретный момент времени. Блок (13) контроля уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов мощностей, определяемых алгоритмом управления, максимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, минимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, текущего уровня заряда. Блок (17) статического генератора выполнен со входами для получения сигналов активной и реактивной мощностей СНЭЭ, требуемых к выдаче или потреблению с учётом ограничений. Такое исполнение наиболее оптимально для достижения технического результата при расчете установившихся и переходных режимов на модели энергосистемы.
Модель СНЭЭ может включать блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда, выполненный с возможностью задания условий ограничения выдаваемой и потребляемой активной мощности в зависимости от значения располагаемой мощности СНЭЭ, определяемого текущим уровнем заряда, связанный с блоком (13) контроля уровня заряда и блоком (12) расчёта уровня заряда, обеспечивающий возможность выдачи активной мощности с учётом ограничения по располагаемой мощности, что также позволяет реализовать наиболее точную модель энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчета режимов энергосистемы.
Модель СНЭЭ может включать блок (15) ограничения полной мощности, включающий условия ограничения выдаваемой и потребляемой мощности значением номинальной мощности СНЭЭ, связанный с блоком (13) контроля уровня заряда, обеспечивающий возможность выдачи активной и реактивной мощностей с учётом ограничения по уровню заряда и ограничения полной мощности.
Включение блока (14) ограничения активной мощности по уровню заряда и блока (15) ограничения полной мощности в набор блоков модели СНЭЭ расширяет арсенал ее пользовательских функций, способствует реализации точной модели энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчетов установившихся и переходных режимов.
Модель СНЭЭ может включать блок (16) задержки, выполненный с возможностью задания значений постоянных времени управления активной и реактивной мощностью, связанный с блоком (17) статического генератора, способствующий формированию сигналов, задающих выдаваемые или потребляемые активную и реактивную мощности СНЭЭ с учётом ограничений.
Модель СНЭЭ, включающая блок (10) параметров СНЭЭ, выполненный с возможностью задания параметров СНЭЭ, блок (11) системы управления, выполненный с возможностью формирования сигналов мощностей, определяемых алгоритмом управления, блок (12) расчёта уровня заряда, выполненный с возможностью автоматического расчёта текущего уровня заряда СНЭЭ, блок (13) контроля уровня заряда, включающий условия остановки потребления мощности и остановки выдачи мощности, блок (20) преобразователя, выполненный с возможностью обеспечения выдачи или потребления мощности из энергосистемы силовым преобразователем, блок (18) формирования сигналов управления преобразователем, выполненный с возможностью формирования сигналов для управления силовым преобразователем, позволяет включать ее в систему для построения модели энергосистемы. Данные блоки являются необходимыми для последующих проведений расчетов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов с получением достоверных результатов расчета.
В преимущественном варианте, блок (12) расчета уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов начального, на момент начала расчета, уровня заряда СНЭЭ, номинальной энергоемкости СНЭЭ и мощности, выдаваемой или поглощаемой СНЭЭ в конкретный момент времени. Блок (13) контроля уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов мощностей, определяемых алгоритмом управления, максимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, минимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, текущего уровня заряда. Блок (18) формирования сигналов управления преобразователем выполнен со входами для получения сигналов активных и реактивных мощностей с учётом ограничения по уровню заряда и ограничения полной мощности. Блок (20) преобразователя выполнен со входами для получения сигналов управления, соответствующих активной и реактивной мощностям СНЭЭ, требуемых к выдаче или потреблению с учётом ограничений. Такое исполнение наиболее оптимально для достижения технического результата при расчете установившихся и переходных режимов на модели энергосистемы.
Все элементы системы для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, блоки модели СНЭЭ, а также этапы способа построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы способствуют построению точной модели энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчетов установившихся и переходных режимов на моделях энергосистем с различным количеством узлов в энергосистеме.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых условно представлены возможные варианты исполнения системы для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, моделей СНЭЭ.
На фиг. 1 представлена функциональная блок–схема одного из возможных вариантов системы для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы.
На фиг. 2 представлена блок-схема модели СНЭЭ для расчёта установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в общем виде.
На фиг. 3 представлена блок-схема модели СНЭЭ для расчёта установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов в общем виде.
На фиг. 4 представлена блок-схема одного из вариантов модели СНЭЭ для расчёта установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.
На фиг. 5 представлена блок-схема одного из вариантов модели СНЭЭ для расчёта установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов.
Функциональная блок-схема системы (1) для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, представленная на фиг. 1, включает следующие элементы:
- расчетное ядро (2);
- интерфейс (3) оператора;
- база (4) данных системы;
- модели (5) типового оборудования;
- подсистема (6) формирования модели энергосистемы;
- блок (7) добавления элементов энергосистемы;
- блок (8) задания параметров выбранного оборудования;
- модель СНЭЭ (9) и (21).
На фиг. 2-5 представлены следующие элементы моделей (9) и (21) СНЭЭ:
- блок (10) параметров СНЭЭ;
- блок (11) системы управления;
- блок (12) расчёта уровня заряда;
- блок (13) контроля уровня заряда;
- блок (14) ограничения активной мощности;
- блок (15) ограничения полной мощности;
- блок (16) задержки;
- блок (17) статического генератора;
- блок (18) формирования сигналов управления преобразователем;
- блок (19) формирования синхронизирующего напряжения;
- блок (20) преобразователя.
Далее со ссылками на фигуры описана структура системы (1) для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы.
Система (1) для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, содержит расчетное ядро (2), интерфейс (3) оператора, базу (4) данных системы и подсистему (6) формирования модели энергосистемы.
База (4) данных системы включает набор моделей (5) типового оборудования, каждая из которых содержит математическое описание, и модель (9) и/или (21) СНЭЭ.
Подсистема (6) формирования модели энергосистемы включает блок (7) добавления элементов энергосистемы, обеспечивающий возможность выбора моделей (5) типового оборудования и интеграцию математических описаний выбранного оборудования из базы (4) данных системы в модель энергосистемы, и блок (8) задания параметров выбранного оборудования. При этом блок (7) добавления элементов энергосистемы выполнен с возможностью добавления модели (9) и/или (21) СНЭЭ в модель энергосистемы, а блок (8) задания параметров оборудования выполнен с возможностью задания параметров СНЭЭ.
Модели (9) и (21) СНЭЭ имеют модульный характер, то есть, представляет собой набор блоков, для включения в систему (1) для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы.
Модели (9) и (21) позволяет оператору реализовать произвольную систему управления, помещаемую в блок (11) системы управления, например, с использованием языка программирования DIgSILENT Simulation Language.
Модели (9) и (21) СНЭЭ имеет два вида основных структур, выбор между которыми осуществляется оператором в зависимости от задач исследования и типа анализируемых процессов:
- структура модели (9) для расчёта установившихся режимов и электромеханических переходных процессов (по действующим значениям);
- структура модели (21) для расчёта установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов (по мгновенным значениям).
Модель (9) СНЭЭ для расчета установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в преимущественном варианте исполнения (фиг. 2) включает блок (10) параметров СНЭЭ, выполненный с возможностью задания параметров СНЭЭ, блок (11) системы управления, выполненный с возможностью формирования сигналов требуемых мощностей P_ref (МВт) и Q_ref (Мвар), определяемых алгоритмом управления, блок (12) расчёта уровня заряда, выполненный с возможностью автоматического расчёта текущего уровня заряда СНЭЭ, блок (13) контроля уровня заряда, выполненный с возможностью задания условий остановки потребления мощности и остановки выдачи мощности и блок (17) статического генератора.
В блоке (10) параметров СНЭЭ пользователю предоставляется возможность задать следующие параметры:
- SOC_ini - начальный уровень заряда СНЭЭ, о.е.,
- W_full - номинальную энергоёмкость, МВт∙ч,
- SOC_max - максимально допустимый уровень заряда СНЭЭ, о.е. (рекомендуемое значение: 0,9 или ниже),
- SOC_min - минимально допустимый уровень заряда СНЭЭ, о.е. (рекомендуемое значение: 0,1 или выше).
Блок (11) системы управления может быть выполнен с возможностью формирования сигналов требуемых мощностей P_ref (МВт) и Q_ref (Мвар) и их подачи на блок (13) контроля уровня заряда.
Блок (12) расчёта уровня заряда, учитывая начальный запас энергии и интегрируя выдаваемую и потребляемую СНЭЭ активную мощность, рассчитывает текущий уровень заряда СНЭЭ. Расчёт уровня заряда может быть выполнен с учетом коэффициента полезного действия СНЭЭ, а также саморазряда накопителей электрической энергии в подсистеме накопления СНЭЭ.
В преимущественном варианте, в блок (12) заводятся сигналы SOC_ini - начальный, на момент начала расчета, уровень заряда СНЭЭ, о.е., W_nom - номинальная энергоемкость СНЭЭ, МВт∙ч, P_bus1 - мощность, выдаваемая или потребляемая СНЭЭ в конкретный момент времени, МВт.
Предпочтительно, в блоке (12) расчета уровня заряда пользователю предоставляется возможность задать параметры коэффициента полезного действия СНЭЭ при преобразовании энергии в одном направлении, о.е., и величины саморазряда подсистемы накопления СНЭЭ в месяц, %.
Блок (13) контроля уровня заряда останавливает потребление мощности, преимущественно, при достижении уровнем заряда верхнего допустимого значения и останавливает выдачу мощности, преимущественно, при достижении уровнем заряда нижнего допустимого значения. Выходные сигналы блока - мощности, требуемые к выдаче или потреблению с учетом ограничения по уровню заряда, P_lim1 (МВт) и Q_lim1 (Мвар).
Блок (17) статического генератора обеспечивает выдачу или потребление мощности из энергосистемы статическим генератором, выполняющим роль управляемого источника мощности. В данный блок подаются мощности, требуемые к выдаче или потреблению после наложения всех ограничений (Pext, Qext). В то же время, с него могут сниматься значения: заданной пользователем номинальной мощности СНЭЭ и текущей активной мощности СНЭЭ P_bus1.
В преимущественном варианте блоки (10-13, 17) функционально соединены следующим образом.
Блок (10) параметров СНЭЭ, блок (12) расчета уровня заряда и блок (13) контроля уровня заряда функционально соединены друг с другом. Блок (13) контроля уровня заряда также функционально соединен с блоком (11) системы управления и блоком (17) статического генератора, функционально соединенным с блоком (12) расчета уровня заряда.
В преимущественном варианте: блок (12) расчета уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов начального, на момент начала расчета, уровня заряда СНЭЭ, номинальной энергоемкости СНЭЭ и мощности, выдаваемой или поглощаемой СНЭЭ в конкретный момент времени; блок (13) контроля уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов мощностей, определяемых алгоритмом управления, максимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, минимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, текущего уровня заряда; блок (17) статического генератора выполнен со входами для получения сигналов, требуемых к выдаче активной и реактивной мощностей СНЭЭ с учётом ограничений.
Модель (9) СНЭЭ, выполненная с представленным набором блоков, характеризуется идентичностью реальной СНЭЭ и способствует выполнению расчетов режимов энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчета.
Функциональная связь блока (13) контроля уровня заряда и блока (17) статического генератора может включать дополнительные связующие блоки, в предпочтительном варианте, такие как блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда, блок (15) ограничения полной мощности и блок (16) задержки (фиг. 4).
Блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда выполнен с возможностью задания условий ограничения выдаваемой и потребляемой активной мощности в зависимости от значения располагаемой мощности СНЭЭ.
Располагаемая мощность СНЭЭ - максимально возможная мощность, которую может выдать или поглотить СНЭЭ при текущем уровне заряда. Располагаемая мощность задаётся зависимостью мощности от уровня заряда в табличной форме. Зависимость располагаемой мощности учитывает зарядные и разрядные характеристики используемого типа накопителей электрической энергии СНЭЭ (литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов, электромеханических накопителей или др.). Предпочтительно, в данный блок (14) подаётся сигнал: P_lim1_1 - желаемая активная мощность (до ограничения по располагаемой мощности), МВт. При этом, выходным значением блока (14) является P_lim1 - активная желаемая мощность с учётом ограничения по располагаемой мощности, МВт.
Предпочтительно, в блоке (14) ограничения активной мощности по уровню заряда пользователю предоставляется возможность задать зависимость располагаемой мощности от уровня заряда в табличной форме.
Блок (15) ограничения полной мощности выполнен с возможностью задания условий ограничения выдаваемой и потребляемой мощности значением номинальной мощности СНЭЭ. Предпочтительно, в данный блок подаются сигналы мощностей с учётом ограничения по уровню заряда P_lim1 (МВт) и Q_lim1 (Мвар), а также сигнал номинальной мощности СНЭЭ sgnn (МВА). При этом, выходными значениями блока (15) являются P_lim2 - желаемая активная мощность с учётом ограничения по уровню заряда и ограничения полной мощности, МВт, и Q_lim2 - желаемая реактивная мощность с учётом ограничения по уровню заряда и ограничения полной мощности, Мвар.
Блок (16) задержки выполнен с возможностью задания значений постоянных времени управления активной и реактивной мощностью. Предпочтительно, выходными сигналами блока (16) являются: P_ext - сигнал, задающий выдаваемую активную мощность СНЭЭ с учётом ограничений, МВт, и Q_ext - сигнал, задающий выдаваемую реактивную мощность СНЭЭ с учётом ограничений, Мвар.
В предпочтительном варианте, блоки (14), (15), (16), связаны следующим образом: блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда функционально соединен с блоком (12) расчета уровня заряда, блоком (13) контроля уровня заряда и блоком (15) ограничения полной мощности, функционально соединенным с блоком (13) контроля уровня заряда, при этом блок (15) ограничения полной мощности, блок (16) задержки и блок (17) статического генератора функционально соединены друг с другом.
Иными словами, ко входам блока (13) контроля уровня заряда функционально подключены выходы блока (10) параметров СНЭЭ, блока (11) системы управления и блока (12) расчета уровня заряда; к входам блока (12) расчета уровня заряда функционально подключены выходы блока (10) параметров СНЭЭ и блока (17) статического генератора; к входам блока (14) ограничения активной мощности по уровню заряда функционально подключены выходы блока (13) контроля уровня и блока (12) расчета уровня заряда; к входам блока (15) ограничения полной мощности функционально подключены выходы блока (14) ограничения активной мощности по уровню заряда, блока (13) контроля уровня и блока (17) статического генератора; к входу блока (16) задержки функционально подключен выход блока (15) ограничения полной мощности; к входу блока (17) статического генератора подключен выход блока (16) задержки.
Модель (21) СНЭЭ для расчета установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов в преимущественном варианте исполнения (фиг. 3) представляет собой набор блоков для включения в систему (1) и включает блок (10) параметров СНЭЭ, выполненный с возможностью задания параметров СНЭЭ, блок (11) системы управления, выполненный с возможностью формирования сигналов желаемых мощностей, определяемых алгоритмом управления, блок (12) расчёта уровня заряда, выполненный с возможностью автоматического расчёта текущего уровня заряда СНЭЭ, блок (13) контроля уровня заряда, выполненный с возможностью задания условий остановки потребления мощности и остановки выдачи мощности, блок (20) преобразователя, выполненный с возможностью обеспечения выдачи или потребления мощности из энергосистемы силовым преобразователем, блок (18) формирования сигналов управления преобразователем, выполненный с возможностью формирования сигналов для управления силовым преобразователем.
Блоки (10), (11), (12), (13) модели (21) реализованы аналогично с моделью (9) для расчета установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.
В отличие от структуры модели (9) СНЭЭ, в модели (21) СНЭЭ для расчета установившихся режимов и электромеханических переходных процессов после наложения ограничений на сигнал требуемой мощности он преобразуется в сигналы амплитуды тока id_ref и фазы тока относительно фазы напряжения синхронизации iq_ref (в блоке (18) формирования сигналов управления преобразователем) и подаётся на блок (20) преобразователя, который обеспечивает выдачу или потребление мощности из энергосистемы, согласно подаваемую сигналу.
Блок (18) формирования сигналов управления преобразователем может быть выполнен с обеспечением возможности ввода информации о постоянных времени управления силовым преобразователем, способствующих формированию сигналов управления силовым преобразователем с учётом задержки.
В преимущественном варианте блоки (10-13, 18, 20) функционально соединены следующим образом.
Блок (10) параметров СНЭЭ, блок (12) расчета уровня заряда и блок (13) контроля уровня заряда функционально соединены друг с другом. Блок (13) контроля уровня заряда также функционально соединен с блоком (11) системы управления и блоком (18) формирования сигналов управления преобразователем, функционально соединенным с блоком (20) преобразователя, функционально соединенным с блоком (12) расчета уровня заряда.
Блок (12) расчета уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов начального, на момент начала расчета, уровня заряда СНЭЭ, номинальной энергоемкости СНЭЭ и мощности, выдаваемой или поглощаемой СНЭЭ в конкретный момент времени. Блок (13) контроля уровня заряда выполнен со входами для получения сигналов мощностей, определяемых алгоритмом управления, максимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, минимально допустимого уровня заряда СНЭЭ, текущего уровня заряда. Блок (18) формирования сигналов управления преобразователем выполнен со входами для получения сигналов активных и реактивных мощностей с учётом ограничения по уровню заряда и ограничения полной мощности. Блок (20) преобразователя выполнен со входами для получения сигналов управления, соответствующих активной и реактивной мощностям с учётом ограничений.
Модель (21) СНЭЭ, выполненная с представленным набором блоков, характеризуется идентичностью реальной СНЭЭ и способствует выполнению расчетов режимов энергосистемы с последующим получением достоверных результатов расчета.
Функциональная связь блока (13) контроля уровня заряда и блоком (18) формирования сигналов управления преобразователем может включать дополнительные связующие блоки, в предпочтительном варианте, такие как блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда и блок (15) ограничения полной мощности (фиг. 5).
Блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда и блок (15) ограничения полной мощности модели (21) выполнены по аналогии с вариантом модели (9) для расчета установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.
Предпочтительно, блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда функционально соединен с блоком (13) контроля уровня заряда, с блоком (12) расчета уровня заряда и с блоком (15) ограничения полной мощности, функционально соединенным с блоком (13) контроля уровня заряда, с блоком (18) формирования сигналов управления преобразователем и с блоком (20) преобразователя.
Модель (21) может дополнительно включать блок (19) формирования синхронизирующего напряжения, выполненного с возможностью синхронизации с напряжением в энергосистеме, связанный с блоком (20) преобразователя.
Иными словами, к входам блока (13) контроля уровня заряда функционально подключены выходы блока (10) параметров СНЭЭ, блока (11) системы управления и блока (12) расчета уровня заряда; к входам блока (12) расчета уровня заряда функционально подключены выходы блока (10) параметров СНЭЭ и блока (20) преобразователя; к входам блока (14) ограничения активной мощности по уровню заряда функционально подключены выходы блока (13) контроля уровня и блока (12) расчета уровня заряда; к входам блока (15) ограничения полной мощности функционально подключены выходы блока (14) ограничения активной мощности по уровню заряда, блока (13) контроля уровня и (20) преобразователя; к входу блока (18) формирования сигналов управления преобразователем функционально подключен выход блока (15) ограничения полной мощности; к входу блока (20) преобразователя функционально подключен выход блока (18) формирования сигналов управления преобразователем и выход блока (19) формирования синхронизирующего напряжения.
Ниже представлен пример одной из возможных реализаций системы (1).
Система (1) представляет собой программно-аппаратный комплекс, в частности, компьютер с программным обеспечением, функциональная реализация которого соответствует представленной структуре. Интерфейс (3) оператора представляет собой совокупность устройств ввода и вывода информации (монитор, мышь, клавиатура, акустическая система).
Расчетное ядро (2) и база (4) данных системы (включающая набор моделей (5) типового модели (9) и (21) СНЭЭ), подсистема (6) формирования модели энергосистемы (включающая блок (7) добавления элементов энергосистемы и блок (8) задания параметров оборудования) представляют собой составляющие программного обеспечения, которое хранится на накопителе компьютера (жёстком диске или твердотельном накопителе), а в процессе работы также занимает часть оперативной памяти компьютера и памяти графического адаптера компьютера.
Модели СНЭЭ (9) и (21) представляют собой математические модели, реализованные при помощи программно - вычислительных комплексов и имитирующие процессы, происходящие в реальных СНЭЭ - электротехнических устройствах. Следует понимать, что имитация процессов представляет собой осуществление вычисления и формирование соответствующих сигналов, описанных выше, для передачи между блоками модели СНЭЭ (9) и (21), а также к другим элементам системы для построения модели энергосистемы и проведения расчетов её режимов.
Блок (10) параметров СНЭЭ добавляет в модель СНЭЭ параметры реальной СНЭЭ, обусловленные составом оборудования, используемого в СНЭЭ (номинальная энергоёмкость определяется типом и количеством накопителей электрической энергии); обусловленные рекомендуемым режимом эксплуатации реального оборудования (максимально и минимально допустимые уровни заряда определяются типом накопителей электрической энергии); обусловленные состоянием СНЭЭ в рассматриваемый момент времени (начальный уровень заряда определяется уровнем заряда накопителей электрической энергии).
Блок (11) системы управления включает в себя алгоритмы управления, реализованные в контроллере, управляющем реальной СНЭЭ, который определяет активную и реактивную мощности, которые СНЭЭ должна потреблять или выдавать в каждый момент времени.
Блок (12) расчёта уровня заряда имитирует процесс разряда накопителей электрической энергии в реальной СНЭЭ при выдаче энергии в энергосистему и процесс заряда накопителей электрической энергии при потреблении энергии из энергосистемы. Блок (12) может имитировать потери электрической энергии в реальном оборудовании СНЭЭ (преобразователе, трансформаторе, накопителях электрической энергии, фильтре), т.е. учитывать коэффициент полезного действия СНЭЭ, а также имитировать разряд реальных накопителей электрической энергии вследствие присущего им саморазряда.
Блок (13) контроля уровня заряда имитирует невозможность выдачи мощности СНЭЭ при полном разряде накопителей и невозможность потребления мощности СНЭЭ при полном заряде накопителей электрической энергии.
Блок (17) статического генератора имитирует работу силового преобразователя: преобразование тока из постоянного в переменный при выдаче мощности и преобразование тока из переменного в постоянный при потреблении мощности. При этом не учитываются процессы внутри преобразователя (в транзисторах), и преобразователь выступает в роли управляемого источника мощности.
Блок (18) формирования сигналов управления преобразователем имитирует работу системы управления преобразователем, которая преобразует сигналы от системы управления СНЭЭ (требуемые мощности) в соответствующие им сигналы, подаваемые на силовой преобразователь с управлением посредством широтно-импульсной модуляции. Блок 18 формирования сигналов управления преобразователем может имитировать задержку формирования и передачи сигналов в системе управления СНЭЭ, определяемую быстродействием контроллеров и скоростью распространения сигналов по информационным каналам.
Блок (20) преобразователя имитирует работу силового преобразователя: преобразование тока из постоянного в переменный при выдаче мощности и преобразование тока из переменного в постоянный при потреблении мощности. При этом учитываются процессы внутри преобразователя (в транзисторах).
Блок (14) ограничения активной мощности по уровню заряда имитирует изменение располагаемой мощности, которую могут выдать или потребить накопители электрической энергии, вследствие изменения их напряжения и/или тока при изменении уровня их заряда.
Блок (15) ограничения полной мощности имитирует невозможность выдачи мощности, превышающей мощность, максимально допустимую для оборудования СНЭЭ (номинальную мощность или мощность с учётом перегрузочной способности).
Блок (16) задержки имитирует задержку формирования и передачи сигналов в системе управления СНЭЭ, определяемую быстродействием контроллеров и скоростью распространения сигналов по информационным каналам.
Блок (19) формирования синхронизирующего напряжения имитирует процесс фазовой автоподстройки частоты, т.е. подстройки фазы управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени.
Предлагаемые модели (9) и (21) СНЭЭ, реализованные, предпочтительно, в одном из типовых программно - вычислительных комплексов, могут быть использованы для расчёта нормативных возмущений, оценки устойчивости параллельной работы синхронных генераторов и энергосистем; расчета параметров режима энергосистемы (напряжений в узлах энергосистемы, частоты в энергосистеме) в установившихся режимах; расчета изменений параметров режима энергосистемы в переходных режимах (электромеханических переходных процессах, электромагнитных переходных процессах); определения загрузки сетевых элементов и генераторов; определения показателей качества электрической энергии, их изменений, зависимости от режима работы энергосистемы; расчета потерь мощности и энергии в электрической сети в различных режимах работы оборудования; расчета оптимального потокораспределения мощности в электрической сети; расчета оптимального состава и оптимальной загрузки генерирующего оборудования; разработки и апробирования алгоритмов и законов управления СНЭЭ в составе энергосистемы.
Далее представлен заявленный способ построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы.
Способ включает следующие этапы: создание модели (9 или 21) СНЭЭ и внесение ее в базу (4) данных; выбор элементов энергосистемы и модели (9) и/или (21) СНЭЭ из базы (4) данных и добавление их в модель энергосистемы; установление связей между элементами энергосистемы и связей СНЭЭ с элементами энергосистемы, задание параметров элементов энергосистемы и параметров СНЭЭ; выбор типа расчета и установление его параметров (например, исходный режим, возмущения, последовательность коммутаций и т.д.); осуществление расчета, формирование результатов расчета и вывод результатов на интерфейс (3) оператора.
Результаты расчета могут представлять собой выведенные на интерфейс (3) графики, таблицы, единичные значения и так далее.
В преимущественном варианте, способ реализуется в программно-вычислительном комплексе, с помощью любых известных языков программирования.
Представленные фигуры, описание системы для построения модели энергосистемы, включающей СНЭЭ, и проведения расчетов режимов энергосистемы, моделей (9) СНЭЭ и способов построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. Следует отметить, что для реализации заявленной системы могут быть использованы множество аппаратных и программных средств и различных структурных компонентов. Приведенный пример реализации системы и способа не ограничивают объем заявленного решения представленными частными формами исполнения отдельных компонентов или этапов.
Система для построения модели энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы, модели СНЭЭ характеризуются универсальным исполнением и реализацией соответствующего способа с получением точных результатов. Оценка достоверности модели СНЭЭ проводилась путём сравнения результатов расчёта с результатами натурного эксперимента, проведённого в г. Новосибирске на производственной площадке ООО «Системы постоянного тока» специалистами ООО «Системы накопления энергии» и Новосибирского государственного технического университета в изолированной энергосистеме, включающей СНЭЭ мощностью 100 кВА и энергоёмкостью 153 кВт∙ч с литий-железо-фосфатными аккумуляторами LT-LYP300AH, дизель-генераторную установку (ДГУ) ЭДД-100 мощностью 100 кВт (125 кВА) и резкопеременную нагрузку. Энергообмен между аккумуляторами и энергосистемой осуществлялся с помощью согласующего трансформатора и двунаправленного транзисторного преобразователя, управляемого посредством скалярной широтно-импульсной модуляции частотой 5,1 кГц.
Опыт со СНЭЭ, работающей по алгоритму ограничения максимальной и минимальной мощности нагрузки на ДГУ проводился при повторно-кратковременном характере изменения активной нагрузки: длительность цикла 10 с, скважность 0,5. Уставки алгоритма СНЭЭ: минимальная мощность 45 кВА, максимальная - 65 кВА. При попадании мощности нагрузки за пределы указанных значений СНЭЭ ликвидирует небаланс, выдавая или потребляя мощность.
Опыт со СНЭЭ, работающей по алгоритму ограничения скорости изменения мощности нагрузки на генератор, проводился по той же схеме, что и предыдущий, но СНЭЭ обеспечивала плавное изменение мощности ДГУ при резких изменениях мощности нагрузки.
Результаты сравнения расчётов с натурными испытаниями позволяют утверждать, что разработанная модель СНЭЭ имеет высокое качественное и количественное сходство с реальной СНЭЭ (максимальная относительная погрешность составила 1,38%).