Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные на первый год реализации проекта работы выполнены в соответствии с планом и в полном объёме. Основные полученные результаты в кратком изложении: I. Разработанная математическая модель тестовой энергосистемы, реализованная в виде детальной трёхфазной нелинейной модели в программно-вычислительном комплексе PSCAD v.5.0.2 и линеаризованной математической модели в пространстве состояний в MATLAB/Simulink. Тестовая математическая модель содержит следующее оборудование: 1) дизель-генераторная установка, оборудованная синхронным генератором с приводом от дизельного двигателя внутреннего сгорания и соответствующими системами автоматического регулирования; 2) система накопления электрической энергии аккумуляторного типа, включающая в себя аккумуляторные сборки (модули) на базе литий-ионных батарей, устройство сопряжения с сетью (инвертор) и систему управления; 3) солнечная электростанция на базе фотоэлектрических установок, состоящая из солнечных батарей, преобразователя постоянного тока, устройства сопряжения с сетью (инвертора) и необходимых систем управления преобразователями; 4) электрическая нагрузка. II. Выявлены шесть различных механизмов возникновения субсинхронных колебаний (ССК): №1. Первый механизм возникновения ССК связан с использованием P-U управления. Возбудителем колебаний является регулятор напряжения, который приводит к возникновению взаимовлияния в управлении активной мощностью и напряжением. №2. При замене регулятора напряжения на регулятор реактивной мощности (P-Q и DVC-Q управление) вместо колебательного нарушения устойчивости происходит апериодическое, которое связано с достижением предела передаваемой мощности. Данный механизм не связан с ССК, но для удобства выделен в виде отдельного пункта. №3. При замене регулятора активной мощности на регулятор напряжения цепи постоянного тока (DVC-U управление) причина возникновения колебаний связана с недостаточным демпфированием. №4. Другой механизм возникновения колебаний связан с задержками в блоке фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) при взаимодействии с быстрой динамикой электрической сети. №5. При использовании блока ФАПЧ с полосой пропускания, близкой к скорости функционирования внешних контуров управления получено, что причина колебаний связана с недостаточным демпфирующим эффектом блока ФАПЧ в условиях слабой сети. №6. При уменьшении уровня загрузки инвертора по активной мощности проявляется механизм возникновения колебаний, причиной которого является взаимодействие сопоставимых по скорости внешних регуляторов и блока ФАПЧ в условиях слабой сети. III. Для каждого из рассматриваемых подходов к управлению сетевым инвертором (P-U, P-Q, DVC-U и DVC-Q) с помощью анализа модели в пространстве состояний определены количественные и качественные характеристики возникновения колебаний, которые связаны с конкретным механизмом возникновения ССК. Полученные характеристики также были подтверждены путём моделирования во временной области с применением программного комплекса PSCAD. IV. По результатам проведенных исследований сформирована классификация механизмов возникновения ССК. Основным фактором, приводящим к возникновению ССК, является условие слабой сети. Влияние загрузки инвертора по активной мощности имеет разнонаправленное действие. В большинстве случаев, увеличение загрузки также повышает вероятность возникновения колебаний. Однако в условиях, когда быстродействие внешних регуляторов становится сопоставимым с блоком ФАПЧ, их взаимовлияние будет приводить к возникновению ССК уже при уменьшении загрузки инвертора по активной мощности. Другой причиной возникновения колебаний является непосредственно блок ФАПЧ. Причём характер колебаний зависит от его полосы пропускания и проявляется для большинства типов управления: P-U, DVC-U и DVC-Q. Исключением является P-Q управление, в рамках которого ССК не возникают, поскольку гораздо раньше происходит апериодическое нарушение устойчивости из-за достижения предела передаваемой мощности. Отдельно следует выделить регулятор напряжения цепи постоянного тока, несоответствующая настройка которого приводит к колебательному нарушению устойчивости в большинстве ситуаций. Также ССК возникает из-за взаимовлияния регуляторов активной мощности и напряжения, причём даже в случае удовлетворительной настройки каждого из них. Отличительными особенностями возникающих колебаний является их широкий частотный спектр, который по результатам экспериментов составил от нескольких Гц до значений, близких к синхронной частоте системы. Второй особенностью является наличие двух частот колебаний в трёхфазных переменных, имеющих зеркальные значения относительно синхронной частоты. V. Разработанная система управления инвертором на основе алгоритма виртуального синхронного генератора (ВСГ-Т) имеет особенность, связанную с использованием двух уровней, которые условно можно разделить на верхний и нижний. Работают данные уровни параллельно. Основная функция верхнего уровня заключается в формировании уставок по активной и реактивной мощностям для сетевого инвертора. Нижний уровень воспроизводит динамику виртуальной синхронной машины и формируемые им выходные мощности прибавляются к значениям уставки. Проведённые экспериментальные сравнения с помощью PSCAD разработанной структуры ВСГ-Т с восьмью схожими алгоритмами показали, что наиболее эффективной структурой является предлагаемый в данном проекте алгоритм на основе ВСГ-Т, поскольку он позволяет обеспечить все необходимые свойства, выполнять широкий перечень системных функций, а также не обладает проблемой взаимовлияния мощностей при различных условиях работы сетевого инвертора. VI. Разработанная линеаризованная модель в пространстве состояний для алгоритма ВСГ-Т позволила доказать, что изменение параметров позволяет улучшить качество переходного процесса за счет увеличения коэффициента демпфирования и уменьшения величины перерегулирования даже для самого критичного схемно-режимного состояния сети (ультра-слабая сеть). VII. Полученные результаты анализа динамических свойств разработанного алгоритма ВСГ-Т доказали, что во всех схемно-режимных ситуациях коэффициент демпфирования не менее 1, запас устойчивости по амплитуде равен плюс бесконечности, запас устойчивости по фазе не менее 60 градусов на интервале изменения плотности электрической сети от 1 до 100 отн.ед. (от ультра-слабых до ультра-сильных сетей). VIII. В рамках выполнения первого этапа проекта опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в Scopus и Web of Science и имеющих первый квартиль (Q1), а также 1 статья в ведущем отечественном журнале. Результаты проекта апробированы на 5 конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные на второй год реализации проекта работы выполнены в соответствии с планом и в полном объёме. Основные полученные результаты в кратком изложении: I. Синтезирован нелинейный регулятор на базе нечёткой логики, который функционирует в составе алгоритма виртуальной синхронной машины с токовым опорным сигналом (ВСГ-Т) и осуществляет адаптивное изменение параметров настройки: постоянной инерции H и коэффициента демпфирования k. Входными параметрами для нечеткого регулятора (НР) приняты отклонение частоты и скорость отклонения частоты. Для устранения возникающих конфликтов при формировании управляющих воздействий от регулятора разработана система приоритетов. Для дезафикации принято, что на выходе формируется значение величины, которая добавляется к неизменному, заранее выбранному значению параметра. Функции принадлежности заданы в треугольном виде. II. Разработанная математическая модель силового инверторного преобразователя (СП) с алгоритмом управления ВСГ-Т-НР реализована в программном комплексе MATLAB Similink. В математической модели СП учитываются модели силовых ключей, цепи постоянного тока и LC-фильтра. После процессов фазификации и дефазификации происходит формирование значения новой переменной H. Первоначальное значение H принято равным 4, и нечеткий регулятор складывает его с dH, которое в свою очередь варьируется от -3,9 до 3,9. Согласно сформированным правилам, в модели регулятора коэффициент k в любой момент переходного процесса может только увеличиться и нечеткий регулятор определяет только величину этого увеличения и прибавляет к первоначальному постоянному значению k=30. Учитывая правила, dk изменяется от 0 до 25. III. Разработанные программно-аппаратные средства, реализующие разрабатываемую систему управления ВСГ-Т-НР СП, на основе отладочной платы STM32 NUCLEO-H743ZI2, в состав которой входит микроконтроллер STM32H743ZIT6. Для интеграции разработанных программно-аппаратных структур в специализированные гибридные процессоры выполнено согласование входных и выходных сигналов с помощью монтажа необходимой электронной периферии. IV. Методика настройки разработанной системы автоматического управления (САУ) на основе ВСГ-Т-НР определяет общую последовательность и содержание этапов настройки, адекватной реальным условиям работы в современных энергосистемах с интегрированными объектами на базе СП. Методика включает пять основных положений. V. Для оценки эффективности функционирования разработанной системы управления ВСГ-Т-НР предложено использовать комбинацию интегральных показателей качества: ISE – интегральный показатель по квадрату ошибки; ISTES – квадратичный интегральный показатель по квадрату времени и квадрату ошибки; ISTSE – интегральный показатель по квадрату времени и квадрату ошибки. VI. Разработана математическая модель энергосистемы на основе состава и топологии реальной системы электроснабжения 10/0,4 кВ крупного промышленного потребителя. В состав модели входят элементы электрической сети переменного тока с учетом кабельных и воздушных линий электропередачи, силовых трансформаторов, модели нагрузок переменного тока, связи с внешней системой через два ввода, представленные в виде шин бесконечной мощности, модели дизельных генераторных установок, модели фотоэлектрических солнечных электростанций и систем накопления электроэнергии, которые подключаются к шинам переменного тока через соответствующие инверторы, представляемые в виде детальных трехфазных моделей. VII. Результаты тестирования алгоритма ВСГ-Т-НР продемонстрировали эффективное демпфирование колебаний в широком диапазоне частот за счёт изменения значений постоянной инерции H и коэффициента демпфирования k в темпе процесса, что способствует обеспечению корректной реакции САУ на различного рода возмущения в энергосистеме. Получено, что при различных возмущениях и схемно-режимных условиях рассматриваемой энергосистемы предельное отклонение частоты в среднем сокращается на 25% за счёт использования разработанной САУ на основе ВСГ-Т-НР. VIII. Разработан экспериментальный образец трёхфазного инвертора на базе трёхуровневого статического преобразователя напряжения (4 IGBT-транзистора на каждую фазу) номинальной мощностью 6 кВА, напряжением цепи постоянного тока 650 В, выходным переменным напряжением 380 В и номинальной частотой 50 Гц. САУ экспериментального образца реализует разработанный алгоритм ВСГ-Т-НР. Полученные результаты натурных испытаний доказали эффективность разработанных средств. IX. В рамках второго этапа проекта выполнены обязательства по апробации результатов исследований в виде статей в международных журналах: опубликовано 5 статей в журналах, входящих в Scopus и Web of Science, а также 2 статьи в ведущем отечественном журнале, входящем в РИНЦ. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Результаты проекта апробированы на 4 конференциях.