В этом примере показано фазорное моделирование 9-MW ветровой электростанции с использованием индукционных генераторов (IG), приводимых в действие ветровыми турбинами переменного шага.
Ричард Ганьон (Гидро-Квебек)
Ветровая электростанция, состоящая из шести ветряных двигателей на 1,5 МВт, связана с экспортной властью системы распределения на 25 кВ к сетке на 120 кВ через 25-километровый 25 кВ едока. 9-MW ветроэлектростанция моделируется тремя парами ветротурбин мощностью 1,5 МВт. Ветряные турбины используют беличьи индукционные генераторы (ИГ). Обмотка статора соединена непосредственно с сеткой 60 Гц, а ротор приводится в действие ветротурбиной переменного шага. Угол тангажа регулируется с целью ограничения выходной мощности генератора при его номинальном значении для ветров, превышающих номинальную скорость (9 м/с). Для выработки энергии скорость IG должна быть немного выше синхронной скорости. Скорость колеблется приблизительно между 1 pu при отсутствии нагрузки и 1,005 pu при полной нагрузке. Каждая ветряная турбина имеет систему защиты, контролирующую напряжение, ток и скорость машины.
Реактивная мощность, поглощаемая ИС, частично компенсируется конденсаторными батареями, подключенными к каждой низковольтной шине ветротурбины (400 кВ для каждой пары 1.5 МВт турбины). Остальная часть реактивной мощности, требуемой поддержать напряжение на 25 кВ в автобусе B25 близко к 1 pu, обеспечена 3-Mvar STATCOM с 3%-й настройкой свисания.
Откройте блок «Ветряная электростанция» и посмотрите на «Ветровую турбину 1». Откройте меню турбины и просмотрите два набора параметров, заданных для турбины и генератора. Каждый ветротурбинный блок представляет собой две турбины мощностью 1,5 МВт. Откройте меню турбины, выберите «Данные турбины» и проверьте «Отображение характеристик мощности ветротурбины». Механическая мощность турбины как функция скорости турбины отображается для скоростей ветра в диапазоне от 4 м/с до 10 м/с. Номинальная скорость ветра, обеспечивающая номинальную механическую мощность (1pu = 3 МВт), составляет 9 м/с. Модель ветровой турбины и модель статкома (из библиотеки «ФАКТОВ») - это фазорные модели, позволяющие проводить исследования типа переходной устойчивости с длительным временем моделирования. В этом примере система наблюдается в течение 20 с.
Скорость ветра, применяемая к каждой турбине, регулируется блоками «Ветер 1» - «Ветер 3». Первоначально скорость ветра устанавливается на уровне 8 м/с, затем, начиная с t = 2с для «Ветротурбины 1», скорость ветра за 3 секунды протаранивается до 11 м/с. Такой же порыв ветра применяется к турбине 2 и турбине 3 соответственно с задержками 2 секунды и 4 секунды. Затем при t = 15 с на низковольтных клеммах (575 В) «Ветротурбины 2» возникает временная неисправность.
Реакция турбины на изменение скорости ветра
Начать имитацию и наблюдать за сигналами в объеме «Ветровые турбины», контролирующими активную и реактивную мощность, скорость генератора, скорость ветра и угол тангажа для каждой турбины. Для каждой пары турбин генерируемая активная мощность начинает плавно увеличиваться (вместе со скоростью ветра) до номинального значения 3 МВт приблизительно за 8 с. За это время частота вращения турбины увеличится с 1,0028 пу до 1,0047 пу. Первоначально угол наклона лопаток турбины равен нулю. Когда выходная мощность превышает 3 МВт, угол тангажа увеличивается с 0 ° до 8 °, чтобы вернуть выходную мощность к ее номинальному значению. Обратите внимание, что поглощаемая реактивная мощность увеличивается по мере увеличения генерируемой активной мощности. При номинальной мощности каждая пара ветровых турбин поглощает 1,47 Мвар. Для скорости ветра 11 м/с суммарная экспортируемая мощность, измеренная на шине B25, составляет 9 МВт, а статком поддерживает напряжение на уровне 0,984 pu, генерируя 1,62 Мвар (см. области «B25 Bus» и «Statcom»).
Работа системы защиты
При t = 15 с на клеммах ветряной турбины 2 происходит отказ от фазы к фазе, что приводит к отключению турбины при t = 15,11 с. Если вы посмотрите на блок «Защита ветровой турбины», вы увидите, что отключение инициировано защитой от пониженного напряжения переменного тока. После отключения турбины 2 турбины 1 и 3 продолжают генерировать по 3 МВт каждая.
Влияние STATCOM
Теперь вы увидите влияние «STATCOM». Сначала откройте меню блока «Трехфазный отказ» и отключите фазовый отказ. Затем выведите «STATCOM» из обслуживания двойным щелчком на блоке «Manual Switch», подключенном к входу «Trip» «STATCOM». Перезапустите моделирование. Обратите внимание в области «B25 Bus», что из-за отсутствия поддержки реактивной мощности напряжение на шине «B25» теперь падает до 0,91 pu. Это состояние низкого напряжения приводит к перегрузке IG «ветровой турбины 1». «Ветровая турбина 1» отключается при t = 13,43 с. Если заглянуть внутрь блока «Защита ветровой турбины», вы увидите, что отключение инициировано защитой от перегрузки по току переменного тока.
Этот пример настроен так, что все состояния инициализированы так, что моделирование начинается в установившемся состоянии. Исходные условия были сохранены в файле «power_wind_ig.mat». При открытии этой модели обратный вызов InitFcn (в окне Свойства модели/обратные вызовы) автоматически загружает в рабочую область содержимое этого файла .mat (переменная xInitial).
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. Откройте подсистему «Ветровой электростанции», и в Таймере блоки маркировали «Wind1» и «Wind2 «, Wind3» временно отключают изменения скорости ветра, умножая вектор «Времени (времен)» на 100.
3. В подсистеме «Ветряная электростанция» дважды щелкните на блоке «Трехфазный отказ» и отключите AB от замыкания на землю (отмените выбор «Отказ фазы A» и «Отказ фазы B»).
4. Начать моделирование. После завершения моделирования убедитесь, что достигнуто устойчивое состояние, посмотрев на формы сигналов, отображаемые в областях. Конечные состояния, сохраненные в массиве «xFinal», 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
5. В окне InitFcn панели Свойства модели (Model Properties) замените первую строку команд инициализации на «load» (загрузить) myModel_init. При следующем открытии этой модели переменная xInitial, сохраненная в файле myModel_init.mat, будет загружена в рабочую область.
6. На панели «Параметры конфигурации» установите флажок «Начальное состояние».
7. Запустите моделирование и убедитесь, что модель запущена в установившемся состоянии.
8. Откройте подсистему «Ветроэлектростанция» и в блоках таймера с метками «Wind1,» «Wind2» и «Wind3» повторно включите изменения скорости ветра соответственно a t = 2 с, t = 4 с и t = 6 с (удалите 100 коэффициентов умножения).
9. В подсистеме «Ветроэлектростанция» повторно включите AB для замыкания на землю в блоке «Трехфазный отказ» (проверьте «Отказ фазы A» и «Отказ фазы B»)
10. Сохраните модель.