В этом примере показана ветряная электростанция мощностью 10 МВт, использующая среднюю модель ветряной турбины типа 4.
Ришар Ганьон и Жак Брошу (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), например, представленная в power_wind_type_4_det модели. Детальная модель включает в себя подробное представление силовых электронных IGBT-преобразователей. Для достижения приемлемой точности с частотами переключения 2000 Гц и 3000 Гц, используемыми в этом примере, модель должна быть дискретизирована на относительно небольшом временном шаге (2 микросекунды). 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. Аналогичный способ используется для преобразователя DC-DC. Средняя 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 10 МВт, состоящая из пяти ветровых турбин мощностью 2 МВт, подключенных к распределительной системе на 25 кВ, обеспечивает подачу электроэнергии в сеть на 120 кВ через фидер на 30 км и 25 кВ.
Ветряная турбина типа 4, представленная в этом примере, состоит из синхронного генератора, подключенного к диодному выпрямителю, ШИМ-повышающего преобразователя на основе постоянного тока и ШИМ-преобразователя на основе постоянного тока, смоделированного источниками напряжения. Технология Тип 4 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 преобразователем постоянного тока используется для поддержания скорости на уровне 1 pu. Реактивная мощность, производимая ветротурбиной, регулируется при 0 Мвар.
Щелкните правой кнопкой мыши по блоку «Wind Turbine Type 4» и выберите «Look Under Mask» для просмотра построения модели. Время выборки, используемое для дискретизации модели (Ts = 50 микросекунд), указывается в функции инициализации свойств модели.
Откройте меню блока «Wind Turbine Type 4» 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 ветровой турбины) и нажмите Apply 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 - 8,9 град, а частота вращения генератора - 1 пу.
В этом примере вы увидите стационарную работу ветряной турбины типа 4 и ее динамическую реакцию на провисание напряжения в результате удаленного сбоя в системе 120-kV. Откройте блок «120 кВ», моделирующий источник напряжения, и посмотрите, как при t = 0,03 с запрограммировано падение напряжения на шесть циклов 0,25 пу
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_type_4_avg.mat», указанного в свойствах модели), так что моделирование начинается в установившемся состоянии.
Первоначально ветряная электростанция типа 4 производит 10 МВт. Соответствующая частота вращения турбины составляет 1 пу синхронной скорости генератора. Напряжение постоянного тока регулируется при 1100 В, а реактивная мощность поддерживается на уровне 0 Мвар. При t = 0,03 с напряжение положительной последовательности внезапно падает до 0,75 p.u. вызывает увеличение напряжения шины постоянного тока и падение выходной мощности ветровой турбины типа 4. При провисании напряжения системы управления пытаются регулировать напряжение постоянного тока и реактивную мощность в их уставках (1100 В, 0 Мвар). Система восстанавливается после устранения неисправности.
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_type_4_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» в меню Simulation/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 «Тип ветровой турбины» (Wind Turbine Type 4) и в разделе «Данные привода и генератора» (Drive train data and Generator data) разделите константы 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.