Případy COS_DFIG a COSZDFIG Chování modelu DWIG poháněného větrnou turbínou (model WIND) v režimu regulace účiníku cosϕ ϕ =konst. První případ COS_DFIG ukazuje schopnost DFIG udržet zadanou hodnotu účiníku (danou výchozím chodem sítě) při změnách činného výkonu danou změnou rychlosti větru. Režim regulace účiníku je navolen zápornou hodnotou TIQ v typových parametrech přídavných automatik regulátoru buzení. Modelovaná soustava je obdobná jako v předchozích případech projektu WIND_TUR a je znázorněna na následujícím obrázku. NODE4
NODE3
NODE1
NODE2 3_2A
G
INFBUS
3_2B
T_4
G
T_1
PARK
CONS 5_3 U
NODE5
WGUS t=35s
TRW NODE6 IG cos =const.
WRAM t=50s
vE=var.
AG
f
DFIG
WINS
WRAM t=5s
Obrázek ukazují průběhy svorkového účiníku, činného a jalového výkonu. COSM_IG[p.j.]
QS_IG[p.j.]
PG_IG[p.j.]
QG_IG[p.j.]
0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0
10
20
30
40
50
60
70
80
t[s]
Je vidět, že i při velkých změnách výkonu kolem 40 s je regulátor schopen udržet zadaný účiník.
Změna zadaného účiníku se provádí standardní zásahem EXCT (MODES rozpozná regulačním režimu podle hodnoty parametru TIQ). Ve scénáři je nutno rozlišit jestli se jedná o dodávku jaloviny nebo naopak odběr, to se provede druhým parametrem zásahu (kladná hodnota 1 značí dodávku a záporná -1 odběr Q). Případ COSZDFIG demonstruje změnu účiníku z výchozí hodnoty 0.88 na 0.95 s dodávkou jaloviny. Změna se provede v následujícím zásahem ve scénáři: 1,'EXCT' 1 'IG'
,
0.95
,
1
Modelovaná soustava je stejná, jak v předchozím příadě: NODE4
NODE3
NODE2
NODE1
3_2A
G
INFBUS
3_2B
T_4
T_1
PARK
G CONS
5_3 NODE5
EXCT t=1s
TRW NODE6 IG
cos =const.
vE=var.
AG
f
DFIG
WINS
Časový průběh veličin je zobrazen na následujícím obrázku: COSM_IG[p.j.]
QS_IG[p.j.]
PG_IG[p.j.]
QG_IG[p.j.]
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
10
20
30
40
50
60
70
80
t[s]
Regulátor velmi rychle vyreguluje účiník snížením dodávky jalového výkonu na požadovanou hodnotu.
případ ARN_DFIG Chování dvojitě napájeného asynchronního generátoru (model DFIG) při změně rychlosti větru a zapojení do ARN Modelovaná soustava je obdobná jako případě REG_DFIG, ale místo původního externího regulátoru RSEKU řídí zadaný jalový výkon QS regulátor ARN. V tomto případě musí být DFIG v režimu sekundární regulace jalového výkonu – v typových parametrech přídavných automatik buzení se zvolí kladná hodnota integrační časové konstanty TIQ=1. Odpovídající sada typových parametrů má označení DFIGRQ. UG PG
Regulátor Q
QS +
3
Qmax
+
Σ
+ KORB
Qmin
Korekce z externího regulátoru
QG
Σ
-
kQ
UZmax
UZmax Σ TIQ + + 1 US Σ pTIQ
14
UZmin
v
+
+ + Σ +
UZmin
UG
1
kIA
7
+
1 1+p0.02
kP -
UZ
+
Σ
εE
’
1+X Qmax 1 pTI
kIR
KORB
1+X’Qmin
+
Σ 8 +
1/X’
E’U Q UGIGmax-PG2-UG2/X’ pro IG> IGmax
Regulátor U
Omezení I
Vstupní data pro zadání ARN se zadávají ve speciálním úsek do souboru STABIL.002: Poc. Jmeno Per Nec Uz KU Stav ARN Pil.uzlu [s] [kV] [kV] [MVAr/kV] ______ ______ _________ __________ _________ 0 'ARN_IG' 'NODE5' 10. 0.3 97.45 1.000
Ngen + stavG Blok QXN QMM QXM QMN PN PM [-] [-] [MVAr] [MVAr] [MVAr] [MVAr] [MW] [MW] ______ _______ ______ _______ ______ ____ ______ NARN(1+Ngen)x 1 1 'IG' 25 -56 56 -25 50 0.0
Každý ARN má svůj řádek záznamu následovaný záznamy jednotlivých regulačních bloků. Každý regulační blok je definován počátečním zapojením do regulace (stavG=1 pro zapojení do regualce,stavG=0 pro vypojení z ARN). Tento počáteční stav se dá měnit během simulace zásahem ARNB (jako objekt je uveden blok a jako parametr stavG). Dále má každý regualční blok definovanou lichoběžníkovou charakteristiku P-Q diagramu podle následujícího obrázku: QMN
QXN
PG PN
QMM
PM
QXM QG
Ve scénáři případu se ARN zapne (v počáteční stavu byl vypnut) zásahem ARNS a po skončení poryvu větru je mu zásahem ARNU změněna výchozí zadaná hodnota Uz=97.45 o -5 kV, tedy na 97.5 kV, jak ukazuje výpis variace SCENAR.008: 1.,'ARNS' 1 'ARN_IG' , 25,'WRAM' 1 'IG' , 40,'WGUS' 1 'IG' , 50,'WRAM' 1 'IG' , 75.,'ARNU' 1 'ARN_IG' , 10000,'END '
1
,
0
15
,
20
10
,
50
15
,
-20
,
0
-5
Schéma případu je na následujícím obrázku: NODE4
NODE3
NODE1
NODE2 3_2A
G
INFBUS
3_2B
T_4
CONS
ARNS t=1s ARNU t=75s
G
T_1
PARK 5_3 U
NODE5
WGUS t=35s
TRW ARN
NODE6
QS
WRAM t=50s
vE=var.
IG AG
WRAM t=5s
WINS
DFIG
ARN má pulzní charakter, to znamená, že mění hodnotu QS tak dlouho, až je napětí v pilotním uzlu doregulováno do pásma necitlivost. Podmínkou ovšem je, aby regulační blok/bloky měly dostačený regulační rozsah (ARN nedovolí vybočení ze zadaného P-Q diagramu). Blokové schéma ARN je na dalším obrázku. QS-11 K1
UZ UP
Σ
-
REGU
EPSU
+
NECU
+
+ Σ
Rmax KU
QS1
TPER
Rmin
QS-1n K
n
+ + Σ
QSn
Obr. 1. ukazuje časový průběh regulace s pulzním charakterem změny požadované hodnoty jalového výkonu QS. /U/_NODE5[p.j.]
REGU_ARN_IG[p.j.]
ZADU_ARN_IG[p.j.]
QS_IG[p.j.]
QG_IG[p.j.]
1.0
0.8 0.6
0.4
0.2 0.0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
-0.2 t[s]
Obr. 1 časový průběh veličin modelu ARN a DFIG při změně zadané hodnoty napětí pilotního uzlu REGU
Napětí je doregulováno během 5 cyklů.
Případ GE_WECCZ a GE_WECCN Chování inovovaného modelu DFIG poháněného větrnou turbínou (model WIND) při blízkém zkratu -GE_WECCZ Případ prokazuje odolnost moderních dvojitě napájených asynchronních generátorů při blízkém zkratu („ride through fault capability“). Modelovaná soustava je převzata z [1] .Větrný park o sumárním výkonu 100 MW je modelován jako jeden ekvivalentní zdroj podle následujícího obrázku. WF_LS
WF_HS
INFINITE VOBL11
INFBUS
VOBL11
G CONS
FOUL t=0.1s
WTG_34
CLER t=0.25s WTG_TERM vE=var.
WT1 AG DFIG
WIND
Dynamické chování parku je sledováno pro zkrat na jednom z paralelních vedení. Zkrat trvá 150 ms, pak se vedení vypíná z obou stran. Poslední obrázky ukazují průběhy svorkového napětí, činného a jalového výkonu. UGEN_WT1[p.j.]
QG_WT1[p.j.]
PG_WT1[p.j.]
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
t[s]
Je vidět stabilní průběh s rychlým tlumením přechodných dějů. Simulované průběhy odpovídají referenčnímu výpočtu z [1] . Během zkratu dodává DFIG jalový výkon tak, aby nebyl překročen dovolený proud generátoru IGmax (viz podrobnější popis modelů dále). Činný výkon je omezen podle velikosti napětí mechanismem LVPL („Low Voltage Power Logic“) . Po vypnutí zkratu narůstá činný výkon trendem 5 p.j./s na původní hodnotu danou rychlostí větru vE.
Následující obrázek ukazuje propojení modelů WIND pro větrnou turbínu a DFIG pro dvojitě napájený as. generátor. vE
βmax Kompenzace
NS
0 ω KcP(l , )vE
+
3
natočení
4
1 pTIC
Σ
-
βmax
19
- βmax
KP2
ωZ
Natáčení lopatek
+ +
βmax Σ
Σ
+ 3
+
1 pTI2
ω
+
Σ
-
1 TW
Σ
vE VYP 0
β
1 p
Statická charakteristika
KcP( , β )vE3
l
SPD ω
0
vmin
K=
−D
l
1/kN
ωZ
aN2+bN+c 1 1+pTW
w1
18
15
N1
-
Σ
ω
+
+
Nmax
1
1 pTIN 8
+
+
Σ
-
5
1 p
1 TN
Σ
NZ
LVPL IPmax
PG
Σ
+ KORB
3
Qmax
+
Qmin
Korekce z externího regulátoru
QG
Σ
kQ
-
7
+ UZmax Σ TIQ + + 1 US Σ pTIQ
+
14
UZmin
UZmax
v UZmin
1 1+p0.02
UG0
+ + Σ +
UG kP
-
UZ
+
Σ
εE
1+X’Qmax 1 pTI
kIR
KORB
1+X’Qmin
Regulátor Q
Σ
+ -
PG
IP UG
rychlosti a velikosti podle napětí
UGZ
1
kIA
LVPL
UG Omezeni
Nmin
UG
v=5
1/kN
Nmin ω
-vN
1 p Tm
Nmax
vN
kpN
εP
QS +
+ Gß ß3 + 1
Zadaná hodnota otáček
Model DFIG N
2
p 2N
1 cP ( , ß) = A − Bß − C e λi l λi ω 2 frNR 1 λi = F l = vpE 1 −
Model WIND
kN
ro* R TN
Regulátor otáček
PG
Výkon turbíny
NT
β
2 0
6
0
+
βmax
vmax
+ Σ +
8
1/X’
E ’U Q UGIGmax-PG2-UG2/X’ pro IG> IGmax Omezení I
Regulátor U
Obr. 1 Bloková schémata modelů WIND a DFIG
Regulace spočívá ve dvou oddělených a nezávislých částech při činný a jalový požadovaný výkon NZ a Q. Cílem regulace NZ je přizpůsobovat činný výkon dodávaný do sítě, aby odpovídal výkonové rovnováze soustrojí, tedy především výkonu vyráběnému větrnou turbínou v závislosti na rychlosti větru. V modelu se předpokládá spolupráce s větrnou turbínou s proměnnými otáčkami (model WIND), takže zadaná hodnota otáček se určuje v závislosti na skutečné dodávce výkonu do sítě PG. V případě výkonové nerovnováhy (rozdílu mezi výkonem turbíny NT a výkonem generátoru PG) a vzniku regulační odchylky εP je požadovaný výkon NZ měněn trendem vN, aby se dostal do souladu s výkonem turbíny. Naopak při poklesu dodávky do sítě PG (např. vlivem zkratu) se zmenšují zadané otáčky ωZ (vstupující i do modelu turbíny), čímž se zmenšuje akcelerace soustrojí. Tab. 1 Seznam parametrů DFIGR z katalogu typových parametrů regulátoru turbíny N1(-) 0.707
w1(-) 1.2
TIN(s) 0.5
TW(s) 5
TN(s) 0.05
kpN(-) 5
a(-) -0.6
b(-) 1.4
c(-) 0.51
vN(-/s) 0.45
Zadaná hodnota otáček ωZ vstupuje do regulátoru turbíny, který ovládá natáčení lopatek – úhel β. Požadovaná hodnota natočení je dána součtem výstupu kompenzace natočení a regulátoru rychlosti. Pro zajištění stabilního provozu má kompenzace natočení (optimalizuje úhel β pro dosažení největšího výkonu turbíny pro danou rychlost větru a otáčky) integrační charakter a regulace otáček naopak proporcionální (integrační část je nepoužita). Typové parametry jsou v následující tabulce. Tab. 2 Seznam parametrů WINDS z katalogu typových parametrů přídavných automatik regulátoru turbíny bmax(st) 30
Kp2(-) 200
TIC(s) 1
TI2(s) 0
Žlutě vyznačené parametry v Obr. 1 jsou součástí typových parametrů generátoru – viz Tab. 6: Výkon turbíny NT je v poměrných hodnotách určen účinnosti turbíny cP a třetí mocniny ekvivalentní rychlosti větru v ose rotoru vE, dělené jmenovitou účinností cPn (při jmenovité rychlosti větru vEn). Účinnost turbíny cP závisí na činiteli rychloběžnosti λ a úhlu natočení β. R je poloměr rotoru turbíny, frn je jmenovitá frekvence otáčení rotoru. A,B,C,D,F a G jsou volitelné parametry. Příklad závislostí účinnosti na λ a β pro třílistou vrtuli jsou zobrazeny na Obr. 2 pro parametry dle Tab. 3. 0.5 cP=f(
0.45
=0
)
0.4
=2.5
0.35 =5
0.3 0.25
=10
0.2
=15
0.15 =20 0.1 0.05 =25 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Obr. 2 Závislost cP na λ a β Tab. 3 Seznam použitých parametrů WIND22 pro model větrné turbíny z katalogu typových parametrů turbín kN
1
TW s
A -
B -
C -
D -
Vmin st/s
Vmax st/s
G -
F -
ρ
kg/m3
Nmin -
Nmax -
R m
vEn m/s
frn Hz
3
80
0.0384
0.065
18.4
-3
3
-0.02
-0,003
1,225
0
1
40
12
0,263
Pro zadaný průměr vrtule, jmenovité rychlosti větru a 120% jmenovité rychlosti otáčení vychází jmenovitý výkon turbíny 2.2 MW. Stacionární závislost výkonu turbíny na rychlosti větru je zobrazena na následujícím obrázku: 1
NT
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
vE
0 0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Obr. 3 Závislost výkonu turbíny na rychlosti větru
Regulace Q může obdobně jako u synchronního generátoru pracovat v primární nebo sekundární regulaci v závislosti na hodnotě parametru TIQ. Jestliže je nulový, regulátor reguluje svorkové napětí, případně modifikované statikami jalovým a/nebo činný výkonem (volbou parametrů kIR a kIA). Pro TIQ>0 reguluje regulátor jalový výkon generátoru. V obou případech lze k zadané hodnotě přičítat korekční signál z externího regulátoru a simulovat tak např. regulaci napětí sítě (v definovaném místě). V případě, že proud překročí hodnotu IGmax je hodnota Q regulována tak, aby proud generátoru tuto hodnotu nepřekročil. Pro TIQ<0 reguluje regulátor na konstantní účiník. V tabulkách jsou typové parametry modelů použité pro následující výpočty: Tab. 4 Seznam parametrů DFIGP pro model DFIG z katalogu typových parametrů regulátoru buzení Uzmin
Uzmax
Kp
TI(s)
v(%/s)
KIA(-)
KIR(-)
0.8
1.2
1
0.025
10
0
0
Tab. 5 Seznam parametrů DFIG pro model DFIG z katalogu parametrů přídavných automatik regulátoru buzení kQ(-) 0
TIQ(s) 0
Qmin(-) -0.8
Qmax(-) 0.8
Generátor včetně frekvenčního měniče je v běžném provozu modelován staticky pomocí Nortonova vstřiku I paralelně s náhradní reaktancí motoru X’(viz např. Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. a nejnovější doporučení f. GE Energy [1] ). pro UG>Umez
pro UG
IG
IG R
C
I=(PZ-jQ)/UG*
jX’
IG
jX’
C
E’ C
UG
UG
X’=X1+(X2+Xmi)/X2/Xmi
Obr. 4 Schéma modelu DFIG napájeného do rotoru frekvenčním měničem
Nortonův vstřik je spočítán z požadovaného výkonu PZ jako součinu činného proudu IP (průmětu fázoru proudu generátoru IG do fázoru svorkového napětí UG ) a amplitudy svorkového napětí UG a požadovaného jalového výkonu Q. V běžném provozu s napětím větším než Umez je dodávka činného i jalového výkonu daná výstupy z regulátorů PZ a Q. Při poklesu svorkového napětí pod určitou hodnotu Umez rotorová část frekvenčního měniče zablokuje a rotorový obvod se zkratuje přes přídavný odpor R, takže asynchronní generátor přejde do režimu s kotvou nakrátko. Síťová část měniče zůstává zapojena a kapacita meziobvodu C je trvale připojena na svorky, což ukazuje druhá část Obr. 4. Při poklesu svorkového napětí pod hodnotu Umez je generátor modelován přechodným napětím za přechodnou reaktancí, což odpovídá modelu ELM1. Přechodné děje v obou vinutích jsou v běžném provozu zanedbány, protože jsou dostatečně rychlé v porovnání s vyšetřovanými elektromechanickými ději. Dominantní roli přebírá frekvenční měnič, který v součinnosti s regulačními obvody je schopen přizpůsobovat činný i jalový výkon požadavkům na efektivní využití rychlosti větru a na neovlivňování sítě. Typové parametry modelu DFIG jsou v následující tabulce: Tab. 6 Seznam parametrů DFIGEU pro model DFIG z katalogu typových parametrů asynchronních strojů Idef (1) 1
Sp (1/min) 1500
Umez
R
0
0.03
Tm (s) 7
X1
X20
X21
Xmi
R1
R20
R21
C
UG0
UGZ
IGmax
IPmax
0.08
0.099
0.099
3.29
0.007
0.009
0.009
1
0.5
0.9
1.15
1.1
Parametr Idef určuje způsob výpočtu parametrů rotoru – v našem případě se pro DFIG zadává 1. Náhradní reaktance se spočítá obvyklým způsobem: X’ X'=X1 +X20*Xmi /(X20+Xmi).
Chování inovovaného modelu PMGC poháněného větrnou turbínou (model WIND) při blízkém zkratu - GE_WECCN Případ prokazuje odolnost moderních plnovýkonových frekvenčních měničů při blízkém zkratu („ride through fault capability“). Modelovaná soustava je obdobná jako u předchozího případu, jen místo modelu generátoru DFIG je zadán synchronní stroj s modelem PMGC (z ang. „Permanent Magnet Generator with Converter“). Oproti předchozí verzi je PMGC (v souladu s [1] ) modelován jako Nortonův ekvivalent bez náhradní admitance – viz následující obrázek: I1 UB I2 PMG
C
UG
IG IG=(Ip-jIQ)*UG/UG
UG
Následující obrázek ukazuje průběhy svorkového napětí, činného a jalového výkonu a činné a jalové složky proudu.
UGEN_WT2[p.j.]
PG_WT2[p.j.]
QG_WT2[p.j.]
I_P_WT2[p.j.]
IQ_WT2[p.j.]
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.0 0.0 -0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
t[s]
Je opět vidět stabilní průběh s rychlým tlumením přechodných dějů. Simulované průběhy odpovídají referenčnímu výpočtu z [1] . Během zkratu dodává PGMC jalový výkon tak, aby nebyl překročen dovolený proud generátoru IGmax. Činný výkon je omezen podle velikosti napětí mechanismem LVPL („Low Voltage Power Limiter“) . Po vypnutí zkratu narůstá činný výkon trendem 5 p.j./s a se vrací na původní hodnotu danou rychlostí větru vE. Následující obrázek ukazuje propojení modelů WIND pro větrnou turbínu a PMGC . NS
vE KcP( ,0 )vE3
max
+
4
-
Regulátor otáček
19
1 pTIC
vmax
max
KP2
3
max
+ +
-
Kompenzace natočení
max
+
Statická charakteristika
Natáčení lopatek
+
1 pTI2
+
1 TW
-
VYP 0
1 p
NT KcP( , )vE3
SPD
0
vmin
0
Výkon turbíny
vE
2
6
0
+
max
ρπR2
K
cP ( λ, β)
2 NTN
1 1 F λ Gβ β3 1
Model WIND PG
kN
N
Zadaná hodnota otáček Z + -
aN2+bN+c 1 1+pTW
w1 N1
+
1 pTIN 8
1 p
1 TN
+
+
-
5
NZ
14
0
-vN
1 1+p0.02
1.6
Qmin
Korekce z externího regulátoru
QG
7
+
UZmax
UZmax 1 pTIQ UZmin
TIQ
+
US 14
v
+ +
LVPL
UGZ
PG
IP
IQmax
Omezeni rychlosti a velikosti podle napětí
Regulátor U
kQ
-
-
1
PG
+ KORB
UG0
Qmax
Regulátor Q +
+
UG
IGmax
5
QS +
ω 2π frNR vE
LVPL IPmax
UG
3
v=5
1/kN
Nmin
Qmax
λ
Nmax
vN Nmax
1
i
1 p Tm
kpN P
C e
1/kN
18
15
Bβ
i
i
Model PMGC
D
1
A
UZmin
kIA
UG
+ +
-
+
UZ+
kP E
IQmax
1
1 pTI
kIR
KORB
-IQmax
Obr. 5 Bloková schémata modelů WIND a PMGC
Princi regulace je obdobný jako u předchozího modelu DFIG.
+ +
8
1 1+p0.02
IQ
Případy WECCZVET a WECCZATS Chování inovovaného modelu WIND při změnách frekvence sítě Případy prokazují schopnost inovovaného modelu větrné turbíny WIND reagovat na odchylky frekvence sítě od jmenovité hodnoty. Nově modelované regualční obvody jsou na Obr. 1 vyznačeny v oválu. Regulace frekvence
+ Σ -
fZ
dFR
kCOR
+ Σ + Výběr
NS
f
KcP( , 0 )vE
ω
3
P
l
NTmin 1 dPmax
dF dF
f
dPmin
-
+ +
βmax Σ
Σ
ω
+
+
1 pTI2
WIND
+
βmax
vmax
+
1 TW
Σ
Σ
-
VYP 0
β
1 p
PG
kN
KcP( , β )vE3
l
−D
1 ro* R cP ( , ß) = A − Bß − C e λi 2Np TN i λ l 1 λi = ω 2 frNR 1 F − = p + Gß ß3 + 1 l vE
K=
0
l
1 1+pTW
w1 N1
NT
β
2
vmin
Regulátor otáček
aN2+bN+c
N
Výkon turbíny
vE
SPD/ZAP ω
Frekvenční charakteristika
DFIG/PMGC
Statická charakteristika
βmax
2 0
6
0 dFmaxf 1.08
dFmin 1
Natáčení lopatek
19
KP2
3 ωZ
1 pTIC
- βmax
SPD
vE
natočení
4
NZ + - Σ
minima
Dostupný výkon NTmax
βmax Kompenzace
ZAP
Zadaná hodnota ω Z otáček + Σ -
1/kN
ω
18
15
kpN
εP
1 pTIN 8
Nmin
5
1/kN
LVPL
UG
LVPL IPmax
1 1+p0.02
UG
IP
UG
Regulace el. výkonu
-
PG v=5
14
0
-vN
Σ
PZ
1 p
1 TN
Nmax + + Σ Σ + -
1
Nmax
vN
+
1 p Tm
UG0
5
Omezeni rychlosti a velikosti podle napětí
UGZ
Obr. 6Bloková schémata propojení modelu WIND s modely PMGC a DFIG
Turbína může pracovat ve třech regulačních režimech. Standardní režim je regulace otáček (zadávaná klíčovým slovem SPD v databázi dynamických modelů bloků). Kompenzace natočení vyreguluje výkon turbíny na dosažitelný výkon případně modifikovaný v závislosti na frekvenci sítě f (pro nenulové parametry dPmin a dPmax). Druhým režimem je zapnutá regulace výkonu (zadávaná klíčovým slovem ZAP), kdy turbína může pracovat jak v primární regulace frekvence, tak v sekundární regulaci na požadovanou hodnotu NS. Velikost primární regulační rezervy se zadává hodnotou PRR jako parametr bloku. Neregulovaná turbína se zvolí klíčovým slovem VYP. Typové parametry týkající se regulace frekvence jsou zadávány v úseku regulátoru turbín: N1 w1
1 1.47
TIN (s)
TW (s)
0.6
TN (s)
50 0.05
kpN
KCOR a
6
20 -0.75
b
c
vN (-/s)
dPmin (%)
1.59 0.63 0.45
dFr (%)
dF (%)
95
0
dFmin (%)
0.4
dFmax (%)
4
dPmax (%)
4
Tab. 7 Seznam parametrů PMGCGE z katalogu typových parametrů regulátoru turbíny
Ostatní parametry modelu jsou v následujících tabulkách. bmax(st) 27
Kp2(-) 150
TIC(s) 0.2
TI2(s) 0
Tab. 8 Seznam parametrů WINDGE z katalogu typových parametrů přídavných automatik regulátoru turbíny kN
TW s
A -
B -
C -
D -
Vmin st/s
Vmax st/s
G -
F -
ρ
kg/m3
Nmin -
Nmax -
R m
vEn m/s
frn Hz
1.11
0.3
80
0.0038
0.065
18.4
-10
10
-0.02
-0,003
1.225
0
1.11
50
12.5
0.263
Tab. 9 Seznam použitých parametrů WIND25 pro model větrné turbíny 2.5 MW z katalogu typových parametrů turbín
Odpovídající statické charakteristiky turbíny jsou na následujících obrázcích:
5
0.5
1 cP=f(
0.45
=0
)
NT
0.9 0.8
0.4
=2.5
0.7
0.35 =5
0.3
0.6 0.5
0.25
0.4
=10
0.2
0.3
=15
0.15
0.2
=20
0.1
0.1
0.05
0 =25
0.2
0 0
2
4
vE
6
8
10
12
14
16
18
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
20
Obr. 7 Závislosti cP na λ a β α výkonu turbíny NT na rychlosti větru vE
Nejprve budeme sledovat dynamické chování modelu v jednoduché ostrovní síti skládající se z ekvivalentního zdroje INFBUS o výkonu 2000 MW a větrné farmy WT2 o výkonu 100 MW. Oba zdroje jsou v regulaci otáček. Ve výchozím stavu je malý vítr (farma dodává jen 0.3 MW) a vítr zesiluje podle scénáře – viz schéma případu WCCZVET: WF_LS
WF_HS
INFINITE VOBL11
INFBUS
VOBL11
G
WTG_34
199.7 MW
TSPD t=100 min , -0.004
WTG_TERM
vE=var.
0.3 MW WT2 PMG
WRAM t=2 min, +160% WRAM t=70 min, -87%
WIND
Obr. 8 Schéma případu WCCZVET s rampovou změnou rychlosti větru a změnou výkonu bloku INFBUS
Následující obrázek ukazuje průběhy přechodných dějů (CP je účinnost turbíny a BETA úhel natočení): NZ_WT2[p.j.]
NT_WT2[p.j.]
BETA_WT2[p.j.]
NDOS_WT2[p.j.]
CP_WT2[p.j.]
VE_WT2[p.j.]
N_WT2[p.j.]
1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
20
40
60
80
100
120
140
t[min]
Obr. 9 Průběhy otáček N, rychlosti větru VE, dosažitelného, požadovaného a skutečného výkonu turbíny NDOS, NZ a NT
Rychlost větru začíná narůstat po druhé minutě. V první fázi asi do 28 minuty požadovaný výkon NZ sleduje nárůst dosažitelného výkonu NDOS (daný nárůstem rychlosti větru VE), turbína pracuje s velkou účinností a malým úhlem BETA (daným přiškrcením výkonu pro dosažení 5% regulační rezervy dPmax -viz Obr. 1 a Tab. 1). Po dosažení jmenovité rychlosti větru je výkon regulován natáčením listů vrtule – úhel BETA se zvětšuje, až dosáhne v 60 minutě svého maxima. Výkon turbíny NT pak přesáhne zadanou hodnotu NZ a překročí i jmenovitý výkon (v modelu je dovolena přetížitelnost 11% daná parametrem Nmax - viz Obr. 1 a Tab. 3). Po poklesu rychlosti větru k jmenovité hodnotě je zadaný výkon menší než 95 %. Je to dáno tím, že v ostrově je odchylka frekvence větší jak 0.4 % (což je
hodnota parametru dF z Tab. 1), takže zadaná hodnota výkonu se zmenšuje v souladu s frekvenční charakteristikou (viz Obr. 1 a Tab. 1). Průběh odchylky frekvence (měřený odchylkou otáček SG bloku INFBUS) a výkony obou turbín NT jsou patrné z následujícího obrázku: SG_INFBUS[ %]
NT_WT2[p.j.]
NT_INFBUS[p.j.]
WZAD_INFBUS[p.j.]
0
40
1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20
60
80
100
120
140
t[min]
Obr. 10 Průběhy otáček N, rychlosti větru VE, dosažitelného, požadovaného a skutečného výkonu turbíny NDOS, NZ a NT
Přebytek výkonu v ostrově (daný nárůstem výkonu větrné turbíny WT2) je odregulován blokem INFBUS, který je v regulaci otáček a má regulační rozsah od nuly do jmenovitého výkonu. Výkon ekvivalentního bloku INFBUS je 20 x větší než je výkon větrné farmy WT2, takže odchylky frekvence ostrova jsou vcelku malé a při změně výkonu bloku WT2 prakticky z nuly na 95 % výkonu je odchylka frekvence necelé 0.5 % (daná výkonovým číslem ostrova, které je určeno převážně proporcionálním zesílením regulace otáček bloku INFBUS (parametr kp2). Ustálená odchylka frekvence se odstraní změnou zadané hodnoty regulace otáček WZAD, což se provede v čase t=100 zásahem TSPD. Po poklesu odchylky frekvence pod mez dF se výkon větrné turbíny zvětší na 95% v souladu s frekvenční charakteristikou. Opačný vliv na frekvenci ostrova bude mít skoková změna zátěže simulovaná zásahem LOAD v případu WCCZATS – viz následující schéma (oba bloky jsou opět v regulaci otáček): WF_LS
WTG_34
WTG_TERM
WF_HS
INFINITE VOBL11
INFBUS
VOBL11
G 200 MW
LOAD t=1s ,100%
vE=var. WT2
95 MW
PMG
WIND
Obr. 11 Schéma případu WCCZATS se skokovou změny zatížení v uzlu INFINITE na dvojnásobek
Obr. 12 ukazuje průběhy frekvence sítě (měřené otáčkami N bloku INFBUS) a výkonů větrné farmy WT2. Tentokrát fouká jmenovitý vítr již ve výchozím stavu, takže WT2 má plný dosažitelný výkon NDOS a pracuje s pětiprocentní rezervou NZ=95.
NZ_WT2[p.j.]
NDOS_WT2[p.j.]
NT_WT2[p.j.]
N_INFBUS[p.j.]
1
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
t[s]
Obr. 12 Průběhy otáček N, dosažitelného, požadovaného a skutečného výkonu turbíny NDOS, NZ a NT - případ WCCZATS
Stacionární odchylka frekvence činí -1%, čili je přibližně dvojnásobná jako v předchozím případě, ale v opačném směru. Zadaný výkon NZ kopíruje tvar odchylky frekvence, výkon větrné farmy sleduje zadaný výkon se zpožděním daným dynamikou kompenzace natáčení lopatek. Reference [1] K. Clark, N. W. Miller, J. J. Sanchez-Gasca: Modeling of GE Wind Turbine-Generators for Grid Studies, GE Energy report Version 4.4, 2009
