Этот пример показывает ветряную электростанцию мощностью 9 МВт, использующую среднюю модель индукционного генератора с двойным питанием (DFIG), приводимого в действие ветровой турбиной.
Ричард Ганьон (Гидро-Квебек)
В зависимости от диапазона частот, которые будут представлены, в настоящее время в специализированных энергетических системах доступны три метода моделирования для моделирования систем преобразования энергии на основе VSC, подключенных к электросетям.
Подробная модель (дискретная), такая как модель, представленная в power_wind_dfig_det модели в библиотеке примеров возобновляемых источников энергии. Детальная модель включает в себя подробное представление силовых электронных IGBT-преобразователей. Для достижения приемлемой точности с частотами переключения 1620 Гц и 2700 Гц, используемыми в этом примере, модель должна быть дискретизирована на относительно небольшом временном шаге (5 микросекунд). Эта модель хорошо подходит для наблюдения за динамическими характеристиками гармоник и системы управления в течение относительно коротких периодов времени (обычно от сотен миллисекунд до одной секунды).
Средняя модель (дискретная), такая как представленная в этом примере. В модели этого типа IGBT преобразователи с источником напряжения (VSC) представлены эквивалентными источниками напряжения, генерирующими напряжение переменного тока, усредненное за один цикл частоты переключения. Эта модель не представляет гармоники, но динамика, возникающая в результате взаимодействия системы управления и энергосистемы, сохраняется. Эта модель позволяет использовать гораздо большие временные шаги (обычно 50 микросекунд), что позволяет моделировать несколько секунд.
Фазорная модель (непрерывная), такая как модель, представленная в «power_wind_dfig» модели в библиотеке примеров возобновляемых источников энергии. Эта модель лучше приспособлена для моделирования низкочастотных электромеханических колебаний в течение длительных периодов времени (от десятков секунд до минут). В способе фазорного моделирования синусоидальные напряжения и токи заменяются величинами фазора (комплексными числами) на номинальной частоте системы (50 Гц или 60 Гц).
Ветряная электростанция мощностью 9 МВт, состоящая из шести ветровых турбин мощностью 1,5 МВт, подключенных к распределительной системе на 25 кВ, обеспечивает подачу электроэнергии в сеть на 120 кВ через фидер на 30 км и 25 кВ.
Ветровые турбины, использующие индукционный генератор с двойным питанием (DFIG), состоят из индукционного генератора с намотанным ротором и ШИМ-преобразователя на основе переменного/постоянного/переменного тока, смоделированного источниками напряжения. Обмотка статора подключена непосредственно к сетке 60 Гц, а ротор питается с переменной частотой через преобразователь переменного/постоянного/переменного тока. Технология DFIG позволяет извлекать максимальную энергию из ветра для низких скоростей ветра за счет оптимизации скорости турбины, при этом минимизируя механические напряжения на турбине во время порывов ветра.
В этом примере скорость ветра поддерживается постоянной на уровне 15 м/с. Система управления использует регулятор крутящего момента для поддержания скорости на уровне 1,2 pu. Реактивная мощность, производимая ветротурбиной, регулируется при 0 Мвар.
Посмотрите под маской блока «DFIG Wind Turbine», чтобы увидеть, как строится модель. Время выборки, используемое для дискретизации модели (Ts = 50 микросекунд), указывается в функции инициализации свойств модели.
Откройте меню блока «DFIG Wind Turbine» для просмотра данных генератора, преобразователя, турбины, привода и систем управления. В меню Display (Отображение) выберите «Turbine data for 1 wind turbine» (Данные турбины для ветряной турбины), проверьте «Display wind turbine power characteristics» (Отображение характеристик мощности ветряной турбины) и нажмите Кривые Cp турбины показаны на рисунке 1. Мощность турбины, коэффициент скорости наконечника лямбда и значения Cp показаны на фиг.2 как функция скорости ветра. При скорости ветра 15 м/с выходная мощность турбины составляет 1 пу от её номинальной мощности, угол тангажа - 8,7 град, а частота вращения генератора - 1,2 пу.
В этом примере рассматривается работа DFIG в установившемся режиме и его динамическая реакция на провисание напряжения в результате удаленного сбоя в системе 120-kV. Откройте блок «120 кВ», моделирующий источник напряжения, и посмотрите, как запрограммировано падение напряжения на шесть циклов 0,5 пу при t = 0,03 с
Начать моделирование. Наблюдайте за колебаниями напряжения и тока на блоке «Scope». При запуске моделирования автоматически загружается переменная «xInitial», содержащая переменные начального состояния (из файла «power_wind_dfig_avg.mat», указанного в свойствах модели), так что моделирование начинается в установившемся состоянии.
Изначально ветроэлектростанция DFIG производит 9 МВт. Соответствующая частота вращения турбины составляет 1,2 pu синхронной частоты вращения генератора. Напряжение постоянного тока регулируется на уровне 1150 В, а реактивная мощность поддерживается на уровне 0 Мвар. При t = 0.03 с напряжение положительной последовательности внезапно падает до 0.5 p.u. вызывает колебание напряжения шины постоянного тока и выходной мощности DFIG. При провисании напряжения система управления пытается регулировать напряжение постоянного тока и реактивную мощность в их уставках (1150 В, 0 Мвар). Система восстанавливается приблизительно за 4 цикла.
Дважды щелкните синий блок «Показать подробные и средние результаты моделирования». Откроется рисунок, показывающий сравнение напряжения фазы А на клеммах DFIG, напряжения линии постоянного тока, активной и реактивной мощности и скорости для детальной модели и средней модели. Обратите внимание, что две модели находятся в хорошем согласии. Средняя модель правильно представляет низкочастотные колебания управления и энергосистемы, создаваемые провалом напряжения, но колебания напряжения не показывают высокочастотные гармоники, создаваемые переключением ШИМ двух преобразователей.
Этот пример настроен так, что все состояния инициализированы так, что моделирование начинается в установившемся состоянии. В противном случае из-за длительных временных констант электромеханической части модели ветротурбины и ее относительно медленных регуляторов пришлось бы ждать десятки секунд, прежде чем достичь установившегося состояния. Исходные условия были сохранены в файле «power_wind_dfig_avg.mat». При запуске моделирования обратный вызов InitFcn (в окне Свойства модели/обратные вызовы) автоматически загружает в рабочую область содержимое этого файла .mat (переменная «xInitial», указанная в параметре «Initial state» на панели «Configuration Parameters»).
Если изменить эту модель или значения параметров компонентов питания, исходные условия, сохраненные в переменной «xInitial», перестанут быть действительными, и Simulink ® выдаст сообщение об ошибке. Чтобы регенерировать исходные условия для измененной модели, выполните следующие действия.
1. На панели Configuration Parameters снимите флажок «Initial state».
2. В меню 120 kV Three-Phase Voltage Source отключите шаг напряжения источника, установив для параметра «Time variation of» значение «none».
3. Для сокращения времени достижения установившегося состояния временно уменьшите инерцию группы турбогенераторов. Откройте меню «DFIG Wind Turbine» (Ветряная турбина DFIG) и в разделе «Drive train data» (Данные привода) и «Generator data» (Данные генератора) разделите постоянные инерции H на 10.
4. Измените время остановки моделирования на 5 секунд. Следует отметить, что для формирования начальных условий, когерентных с фазовыми углами источника напряжения 60 Гц, время остановки должно быть целым числом циклов 60 Гц.
5. Измените режим моделирования с «Normal» на «Accelerator».
6. Начать моделирование. После завершения моделирования убедитесь, что достигнуто устойчивое состояние, просмотрев формы сигналов, отображаемые в блоке «Scope». Конечные состояния, сохраненные в структуре «xFinal» со временем, могут использоваться в качестве начальных состояний для будущего моделирования. Выполнение следующих двух команд копирует эти окончательные условия в «xInitial» и сохраняет эту переменную в новом файле (myModel_init.mat).
>> xInitial=xFinal;
>> save myModel_init xInitial
7. В окне InitFcn панели Свойства модели (Model Properties) замените первую строку команд инициализации на «load» (загрузить) myModel_init. При следующем запуске моделирования с помощью этой модели переменная xInitial, сохраненная в файле myModel_init.mat, будет загружена в рабочую область.
8. На панели «Параметры конфигурации» установите флажок «Начальное состояние».
9. В данных ветротурбогенератора и привода сбросьте исходные значения констант инерции H.
10. Запустите моделирование и убедитесь, что модель запущена в установившемся состоянии.
11. В меню источника трехфазного напряжения 120 кВ установите для параметра «Изменение во времени» значение «Амплитуда».
12. Измените исходные значения параметров Время остановки моделирования и Режим моделирования (Simulation Stop Time and Simulation Mode) на 0,2 секунды (Normal).
13. Сохраните модель.