Описание

9-MW ветряная электростанция, состоящая из шести ветряных двигателей мощностью 1,5 МВт, подключенных к 25-kV распределительной системе, экспортирует степень в 120-kV сеть через 30-километровый 25-kV фидер. 2300V, 2-MVA объект, состоящий из нагрузки на двигатель (1,68 МВт асинхронный двигатель на 0,93 PF) и 200-kW сопротивления, соединяется с тем же фидером на шине B25. Ветряной двигатель и нагрузка на двигатель имеют систему защиты, контролирующую напряжение, ток и скорость машины. Также контролируется постоянная ссылка напряжение DFIG.

Ветряные турбины используют асинхронный генератор с двойным питанием (DFIG), состоящий из асинхронного генератора фазного ротора и IGBT-преобразователя переменного/постоянного тока/переменного тока. Обмотка статора соединяется непосредственно с сеткой 60 Гц, в то время как ротор питается с переменной частотой через преобразователь переменного/постоянного тока/переменного тока. Технология DFIG позволяет извлекать максимальную энергию от ветра при малых скоростях ветра путем оптимизации скорости турбины, при минимизации механических напряжений на турбине во время порывов ветра. Оптимальная скорость турбины, выдающая максимальную механическую энергию для заданной скорости ветра, пропорциональна скорости ветра. Для скоростей ветра менее 10 м/с ротор вращается с подсинхронной скоростью. При высокой скорости ветра он движется с гиперсинхронной скоростью. Откройте меню турбины, выберите «данные турбины» и проверьте «Отображение характеристики степени ветряного двигателя». Механическая степень турбины как функция скорости турбины отображается для скоростей ветра от 5 м/с до 16,2 м/с. DFIG управляется в порядок, чтобы следовать красной кривой. Оптимизация скорости турбины получается между точкой B и точкой C на этой кривой. Другим преимуществом технологии DFIG является способность силовых электронных преобразователей генерировать или поглощать реактивную степень, таким образом устраняя необходимость установки конденсаторных блоков, как в случае с индукционными генераторами беличьей клетки.

Модель ветряного двигателя является фазорной моделью, которая позволяет проводить переходные исследования типа устойчивости с длинными временами симуляции. В этом примере система наблюдается в течение 50 с.

Откройте меню блоков ветряного двигателя и проверьте четыре набора параметров, заданных для турбины, генератора и преобразователей (со стороны сетки и со стороны ротора). 6-ветряная электростанция моделируется одним ветряным блоком путем умножения следующих трех параметров на шесть, следующим образом:

1. Номинальный механический выход ветряного двигателя: 6 * 1 .5e6 Вт, заданная в меню данные турбины

2. Генератор с рейтингом степени: 6 * 1,5/0,9 MVA (6 * 1,5 МВт на 0,9 PF), заданным в меню Generator данными

3. Номинальный конденсатор шины постоянного тока: 6 * 10000 микрофарады, заданные в меню данных Конвертеров

Кроме того, заметьте в меню параметры, что «Mode of operation» установлен на «Voltage regulation». Терминальное напряжение будет управляться до значения, заданного ссылкой напряжением (Vref = 1 pu) и падением напряжения (Xs = 0,02 pu).

Симуляция

1. Реакция турбины на изменение скорости ветра

Откройте блок «Скорость ветра», задающий скорость ветра. Первоначально скорость ветра устанавливается на уровне 8 м/с, затем на уровне t = 5с, скорость ветра увеличивается внезапно на уровне 14 м/с. Запустите симуляцию и наблюдайте сигналы на возможностях «Ветряной двигатель», контролируя напряжение ветряного двигателя, ток, активные и реактивные степени, напряжение шины постоянного тока и скорость турбины. На t = 5 с сгенерированная активная степень начинает плавно увеличиваться (вместе со скоростью турбины) для достижения номинального значения 9 МВт приблизительно за 15 с. За этот временной интервал скорость турбины увеличится с 0,8 пу до 1,21 пу. Первоначально угол тангажа блейдов турбины равен нулю степени, а рабочая точка турбины соответствует красной кривой степеней турбины до точки D. Затем угол тангажа увеличивается с 0 ° до 0,76 ° порядков ограничения механической степени. Наблюдайте также напряжение и сгенерированную реактивную степень. Реактивная степень управляется, чтобы поддерживать напряжение 1 pu. При номинальной степени ветряной двигатель поглощает 0,68 Mvar (генерируется Q = -0,68 Mvar) для управления напряжением на 1pu. Если вы смените режим работы на «Var regulation» с установленной на нуль «Generated reactive power Qref», то заметите, что напряжение увеличивается до 1,021 pu, когда ветряной двигатель вырабатывает свою номинальную степень при единичном коэффициенте степени.

2. Симуляция провисания напряжения в 120-kV системе

Теперь вы будете наблюдать влияние провисания напряжения, вызванного удаленным отказом на 120-kV систему. Во-первых, в блоке шага скорости ветра отключите шаг скорости ветра, изменив Окончательное значение с 14 до 8 м/с. Затем откройте 120-kV меню источника напряжения. В параметре «Изменение времени» выберите «Амплитуда». Падение напряжения 0,15 пу на 0,5 с запрограммировано на t = 5 с. Убедитесь, что режим управления все еще находится в регулировании Var с Qref = 0. Запустите симуляцию и откройте возможности «Grid». Наблюдайте напряжение и ток объекта, а также скорость двигателя. Отметим, что ветропарк производит 1,87 МВт. При t = 5 с напряжение падает ниже 0,9 пу, а при t = 5,22 с система защиты отключает объект из-за обнаружения пониженного напряжения более 0,2 с (посмотрите на настройки защиты и состояние в подсистеме «Объект»). Ток объекта падает до нуля, и скорость мотора постепенно уменьшается, в то время как ветропарк продолжает генерироваться на степень уровне 1,87 МВт. После срабатывания объекта 1,25 МВт степени (P_B25 измеряется на шине B25) экспортируется в сеть.

Теперь смените режим управления ветряным двигателем на «Регулирование напряжения» и повторите тест. Вы заметите, что объект больше не ездит. Это происходит потому, что поддержка напряжения, обеспечиваемая реактивной мощностью 5 Мвар, генерируемой ветряными двигателями во время провисания напряжения, удерживает напряжение объекта выше порога защиты 0,9 pu. Напряжение на объекте во время провисания напряжения теперь составляет 0,93 pu.

3. Симуляция отказа в 25-kV системе

Наконец, теперь вы будете наблюдать влияние одного отказа «фаза-земля», возникающего на 25-kV линии в B25 шине. Сначала отключите шаг 120-kV напряжения. Теперь откройте блочное меню «Отказ» и выберите «Отказ фазы А». Проверьте, что отказ запрограммирован на применение однофазного отказа с 9 циклами к заземлению на t = 5 с.

Следует заметить, что, когда ветряной двигатель находится в режиме «Регулирование напряжения», напряжение положительной последовательности на клеммах ветряного двигателя (V1_B575) падает до 0,8 pu во время отказа, что выше порога защиты от пониженного напряжения (0,75 pu для t > 0,1 с). Ветропарк поэтому остается в строю. Однако, если используется режим «Var regulation» с Qref = 0, напряжение падает ниже 0,7 pu, и защита от пониженного напряжения останавливает ветропарк. Теперь мы можем наблюдать, что скорость турбины увеличивается. На t = 40 с угол тангажа начинает увеличиваться, чтобы ограничить скорость.

Регенерация начальных условий

Этот пример настройки со всеми состояниями, инициализированными так, что симуляция начинается в установившемся состоянии. Начальные условия были сохранены в файле «power_wind_dfig.mat». Когда вы открываете эту модель, коллбэк InitFcn (в свойствах модели/обратных вызовах) автоматически загружает в вашу рабочую область содержимое этого .mat файла (переменная «xInitial»).

Если вы измените эту модель или измените значения параметров компонентов степени, начальные условия, сохраненные в переменной «xInitial», перестанут быть действительными, и Simulink ® выдаст сообщение об ошибке. Чтобы регенерировать начальные условия для измененной модели, выполните следующие шаги:

1. На панели Параметров конфигурации снимите флажок «Initial состояния» параметра.

2. Дважды кликните блок Step с меткой «Wind Speed (m/s)» и временно отключите изменение скорости ветра, умножив время шага на 100.

3. Дважды кликните блок Выключатель и убедитесь, что не применен отказ (флажки Фаза A, B и C не установлены).

4. Дважды кликните исходный блок напряжения 120 кВ и убедитесь, что для параметра «Time variation of» задано значение «None».

5. Запустите симуляцию. Когда симуляция будет завершено, проверьте, что устойчивое состояние было достигнуто, посмотрев на формы волны, отображенные в возможностях. Конечные состояния, которые были сохранены в массиве «xFinal», могут использоваться в качестве начальных состояний для будущих симуляций. 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

6. В окне InitFcn панели Свойства замените линию «xInitial = init_power_wind_dfig;» на «load» myModel_init.mat. При следующем открытии этой модели переменная xInitial, сохраненная в файле myModel_init.mat, будет загружена в вашу рабочую область.

7. На панели «Параметры конфигурации» установите флажок «Начальное состояние».

8. Запустите симуляцию и проверьте, что ваша модель начинается в установившемся состоянии.

9. Дважды кликните блок Step с меткой «Wind Speed (m/s)» и снова включите изменение скорости ветра на t = 5 с (удалите коэффициент умножения 100).

10. Сохраните модель.