В этом примере показан асинхронный генератор ветровой турбины в изолированной сети.
Р. Рид, Б. Сонье, Р. Ганьон; Гидро-Квебек (IREQ)
В этом примере представлена типовая модель системы HPNSWD (High-Penetration, No Storage, Wind-Diesel) [1]. Эта технология была разработана компанией Hydro-Quebec для снижения затрат на поставку электроэнергии в отдаленных северных общинах [2]. Оптимальное проникновение ветра (установленная мощность ветра/пиковая потребность в электроэнергии) для этой системы зависит от стоимости доставки топлива на площадку и имеющихся ресурсов ветра. Первое коммерческое применение технологии HPNSWD было начато в 1999 году компанией Northern Power Systems (Вермонт, США) на острове Сент-Пол, Аляска [3]. Система HPNSWD, представленная в этом примере, использует синхронную машину 480 В, 300 кВА, ветряную турбину, приводящую в действие индукционный генератор 480 В, 275 кВА, клиентскую нагрузку 50 кВт и переменную вторичную нагрузку (от 0 до 446,25 кВт).
При низких скоростях ветра для питания нагрузки требуется как индукционный генератор, так и синхронный генератор с дизельным приводом. Когда мощность ветра превышает нагрузку, возможно отключение дизель-генератора. В этом полностью ветровом режиме синхронная машина используется в качестве синхронного конденсатора, и ее система возбуждения управляет напряжением сети при его номинальном значении. Вторичный блок нагрузок используется для регулирования частоты системы путем поглощения энергии ветра, превышающей потребительский спрос.
Блок Ветряного двигателя использует 2-ю Справочную таблицу, чтобы вычислить турбинную продукцию крутящего момента (TM) как функция скорости ветра (w_Wind) и турбинной скорости (w_Turb). При открытии этого примера характеристики Pm (w_Wind, w_Turb) были автоматически загружены в рабочую область (массив psbwindgen_char). Для просмотра характеристик турбины дважды щелкните по блоку, расположенному под блоком ветровой турбины.
Блок вторичной нагрузки состоит из восьми комплектов трехфазных резисторов, соединенных последовательно с тиристорными выключателями ГТО. Номинальная мощность каждого набора соответствует двоичной прогрессии, так что нагрузка может изменяться от 0 до 446,25 кВт с помощью шагов 1.75kW. ГТО моделируются идеальными переключателями.
Частота управляется блоком дискретного регулятора частоты. Этот контроллер использует стандартную систему трехфазной автоподстройки частоты (PLL) для измерения частоты системы. Измеренную частоту сравнивают с опорной частотой (60 Гц) для получения ошибки частоты. Эта ошибка интегрирована для получения фазовой ошибки. Затем фазовая ошибка используется пропорционально-дифференциальным (PD) контроллером для получения выходного сигнала, представляющего требуемую мощность вторичной нагрузки. Этот сигнал преобразуется в 8-разрядный цифровой сигнал, управляющий переключением восьми трехфазных вторичных нагрузок. Для минимизации возмущений напряжения переключение осуществляется при пересечении напряжения с нулем.
Например, скорость ветра (10 м/с) такова, что ветряная турбина вырабатывает достаточно энергии для питания нагрузки. Дизель-генератор (не моделируется) останавливается, и синхронная машина работает как синхронный конденсатор с ее механическим входом питания (Pm), установленным на ноль. Пример иллюстрирует динамические характеристики системы регулирования частоты при включении дополнительной клиентской нагрузки 25 кВт.
Запустите моделирование и наблюдайте за напряжениями, токами, мощностью, асинхронной скоростью машины и частотой системы на двух площадках. Начальные условия (вектор xInitial) были автоматически загружены в рабочую область для запуска моделирования в установившемся состоянии.
Поскольку асинхронная машина работает в режиме генератора, ее скорость немного превышает синхронную скорость (1,011 pu). По характеристикам турбины для скорости ветра 10 м/с выходная мощность турбины составляет 0,75 pu (206 кВт). Из-за асинхронных потерь машины ветряная турбина производит 200 кВт. Поскольку основная нагрузка составляет 50 кВт, вторичная нагрузка поглощает 150 кВт для поддержания постоянной частоты 60 Гц. При t = 0,2 с включается дополнительная нагрузка 25 кВт. Частота на мгновение падает до 59,85 Гц, и регулятор частоты реагирует на уменьшение мощности, поглощаемой вторичной нагрузкой, чтобы вернуть частоту к 60 Гц. Напряжение остается на уровне 1 pu и мерцания не наблюдается.
Этот пример настроен так, что все состояния инициализированы так, что моделирование начинается в установившемся состоянии. Исходные условия были сохранены в файле «power_windgen.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. Дважды щелкните по 3-фазовому блоку Прерывателя и искалечьте нарушителя, переключающегося (отсейте «Переключение фазы X» параметры для фаз A, B и C»).
3. Измените время остановки моделирования на 20 с. Обратите внимание, что для создания начальных условий, согласующихся с частотой 60 Гц, время остановки должно быть целым числом циклов 60 Гц.
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. Дважды щелкните по 3-фазовому блоку Прерывателя и повторно позвольте прерывателю, переключающемуся (проверка «Переключение фазы X» параметры для фаз A, B и C»).
9. Измените время остановки моделирования обратно на 5 с.
10. Сохраните модель.
[1] Р. Ганьон, Б. Сонье, Г. Сибиль, П. Жиру; «Моделирование общей системы ветродизеля без хранения с высоким проникновением с использованием блока MATLAB ®/Power System Blockset» 2002 Глобальная конференция по ветроэнергетике, апрель 2002 года, Париж, Франция
[2] Б. Сонье, А. О. Барри, Б. Дюбе, Р. Рид; «Проектирование и разработка системы регулирования и управления для системы ветроэнергетики и дизельного топлива без высокой проходимости» Конференция Европейского сообщества по ветроэнергетике 88, 6-10 июнь 1988, Хернинг, Дания
[3] Л. Мотт (NPS), Б. Солнье (IREQ) «Коммерческий проект» Ветер-дизель «, остров Сент-Пол, Аляска» 14-я Международная конференция по энергетическому дизелю, май 28-June 2, Виннипег, Манитоба, Канада