Model větrné elektrárny

modelování a simulace

Model větrné elektrárny V článku je ukázán způsob tvorby simulačního modelu větrné elektrárny s použitím softwarových nástrojů ze sady Matlab/Simulink a naznačeny možnosti využití tohoto modelu v praxi.

Simulační model větrné elektrárny (Wind Electric Power Station – WEPS) popsaný v článku byl sestaven pro potřeby: – návrhu systému pro řízení větrných turbín s výkonem od 1,2 do 5 MW, – návrhu systému řízení elektrického výkonového systému, – návrhu systému sekundárního řízení skupiny větrných elektráren, – návrhu elektrického výkonového systému pro větrné elektrárny s výkonem od 1,2 do 5 MW, – návrhu diagnostického systému větrné elektrárny, – koncepčního návrhu generátoru s výkonem 5 MW.

Systém větrné elektrárny Na obr. 1 jsou znázorněny mechanická část (větrná turbína) a elektrická část (elektrický výkonový systém), které tvoří objekty řízení a diagnostiky, a vlastní systém řízení, popř. diagnostický systém, a vazby mezi nimi, což vše dohromady tvoří systém větrné elektrárny. Signály měřených veličin ZM z mechanické části a signály měřených veličin ZE z elektrické části větrné elektrárny jsou řídicími algoritmy transformovány na signály UM řídící mechanickou a signály UE řídící elektrickou část zařízení. Řídicí algoritmy budou navrženy jako robustní vzhledem k okolním podmínkám použití větrné elek trárny tak, aby zabezpečovaly minimální regulační odchylku mezi požadovaným a skutečným výkonem generátoru a elektrického výkonového systému. Systém řízení obsahuje nadřízený systém sekundárního řízení, který má zabezpečovat stanovené požadavky na činný výkon NPEW a jalový výkon N Q EW poskytovaný jednotlivým elektrickým výkonovým systémem ve skupině větrných elektráren. Provozní stav větrné turbíny i elektrického výkonového systému je identifikován v diagnostickém systému. Spolu se signály ZM a ZE jsou na vstup diagnostického systému přiváděny výstupní signály ze systému řízení UM a UE. Je-li identifikován havarijní (mimořádný provozní) stav větrné elektrárny, jsou generovány příslušné povely specifikující stav větrné turbíny SM a stav elektrického výkonového systému SE pro daný typ havarijního režimu.

34

předmět simulace

větrná turbína PE PM

elektrický výkonový systém

SM

UE

UM

QE

SE

PE

ZE ZM

síť

PE

N

QEW

systém řízení N

ZE ZM

PEW

QE PW

systém sekundárního řízení

QW

UE UM

diagnostický systém

Obr. 1. Základní schéma větrné elektrárny

větrná turbína vítr

elektrický výkonový systém

generátor

výkonový měnič AC 6~

GB

SG

DC

1

UM

dolní propust

DC

výkonový transformátor

síť

DC DC

UE

2× AC~

2

UE 1

ZE

2

řízení elektrického výkonového systému

ZE

UE ZM N

řízení otáček turbíny

řízení azimutu

PW

N

QW

1

PW

1

QW

systém sekundárního řízení

systém řízení větrné turbíny

Obr. 2. Blokové schéma zapojení větrné elektrárny Tab. 1. Hlavní technické parametry modelované větrné elektrárny Jmenovitý výkon Průměr rotoru Efektivní plocha rotoru Počet listů rotoru Jmenovitý zdánlivý výkon Jmenovitý účiník nastavitelný Jmenovité napětí Počet pólových párů Frekvence Maximální příspěvek ke zkratovému proudu Generátor Způsob připojení k síti Převod transformátoru Výkon transformátoru Ztráty nakrátko Ztráty naprázdno

2 MW 82 m 5 281 m2 3 2,081 MV·A 1 400 V 32 50 Hz 4 000 A prstencový, synchronní, s proměnnou frekvencí stejnosměrná spojka se střídačem 0,4/20 kV 2 300 MV·A 16 kW 2,25 kW

AUTOMA 12/2009

modelování a simulace Předmětem zájmu je dále simulační model větrné turbíny, generátoru, elektrického výkonového systému, transformátoru a systému řízení větrné turbíny, generátoru a výkonového systému. Simulační model má poskytnout podklady pro koncepční návrh uvedených komponent systému větrné elektrárny. Bylo proto přistoupeno k návrhu tzv. fyzikálního modelu (model soustavy sestavený na základě znalosti její fyzické struktury) větrné elektrárny, jenž je popsán v dalším textu.

elektrizační soustava

rychlost úhlová rychlost větru turbíny model větru rychlost větru

S-WTG

C-WTG

A1A2

systém řízení výkonu

B C

A

B C

A

B C

A

B C

C-PWC S-WTC

S-WTG

A

A1

A2

B

B1

B2

C

C1

C2

výkonový měnič

generátor

vedení 1

C 1C 2

A1A2

A

B1B2

S-WTG

B C

připojení zátěže zátěž P = 2,1 MV·A cos φ = 0,714 3

Obr. 3. Fyzikální model větrné elektrárny

natočení TM 1

S-WTG

rychlost větru

1 rychlost větru úhlová rychlost úhel natočení natočení nref

úhlová rychlost T wt TM turbíny

T wt

úhel natočení

T em omega em

větrná turbína

převodovka

regulátor turbíny

omega wt

měření na generátoru

synchronní generátor

Model větru

A

A

Časová řada hodnot rychlosti větru se generuje na základě průměru hodnot rychlosti větru podél osy rotoru větrné turbíny. Základ tvoří generátory bílého šumu, které jsou obarveny Kaimalovými filtry. Algoritmus byl vyvinut v RISØ National Laboratory.

B

B

EQ a

1 A 2 B 3 C

b

Vf_ C

C

c

vref vd vq

C

B

A

2 C-WTG

Uqd MQ

w

AUTOMA 12/2009

A

připojení distribuční sítě

vedení 2

M

Model větrné turbíny a generátoru je vytvořen z bloků obsažených ve stavebnici SimPowerSystems Blockset. Simulační model větrné turbíny a generátoru je ukázán na obr. 4, kde je navíc doplněn modelem převodovky, modelem měřicího zařízení veličin generátoru a vlastní spotřebou větrné elektrárny. Obvod řízení budicího napětí je součástí blokové stavebnice. Otáčky (úhlovou rychlost) větrné turbíny řídí PID regulátor, zabezpečující požadovanou hodnotu otáček rotoru větrné tur-

C 1C 2

C-L

S-WTE C-WTE

m

Model větrné turbíny a generátoru

B C

B1B2

S-L

Fyzikální model větrné elektrárny Vytvořený fyzikální model vychází z instalace větrné elektrárny v rámci skupiny větrných elektráren (farmy) v Kryštofových Hamrech v Krušných horách (dále „větrná elektrárna“). Hlavní technické, popř. provozní parametry větrné elektrárny jsou uvedeny v tab. 1 a tab. 2. Blokové schéma zapojení větrné elektrárny je ukázáno na obr. 2. Jde o zapojení využívající elektrický výkonový měnič, který obsahuje usměrňovač, stejnosměrný meziobvod a řízený střídač, doplněný statickým kompenzátorem. Větrná turbína pohání přes převodovku synchronní generátor. Výstup výkonového měniče je připojen přes distribuční transformátor k elektrizačnímu systému. Blokovému schématu na obr. 2 odpovídá zapojení fyzikálního modelu. Celkový fyzikální model větrné elektrárny je ukázán na obr. 3. Model je sestaven s použitím blokových stavebnic (blockset) SimPowerSystems a Power System Toolbox, které jsou součástí výpočetního, modelovacího a simulačního prostředí Matlab-Simulink. Simulační fyzikální model obsahuje model větru, model větrné turbíny a generátoru, model výkonového měniče a model distribučního systému (vedení, spotřeba, vnější zdroje).

A

S-EDN C-EDN

Vf

vs lab budicí systém

vlastní spotřeba

Obr. 4. Model větrné turbíny a generátoru Tab. 2. Provozní parametry modelované větrné elektrárny Odstavení při rychlosti větru Provozní otáčky rotoru turbíny Jmenovitá rychlost větru Náběhová rychlost větru

22 až 28 m·s–1 6 až 19,5 min–1 12 m·s–1 2,5 m·s–1

35

modelování a simulace

C-RCT 2 A1 4 B1 6 C1

připojení větrné elektrárny

S-RCT

A

C-INV

A INV

dc +

DC +

B INV

dc –

DC –

C INV

B C

usměrňovač

A1-1 A2 A1-2 B2 B1-1 B1-2 C2 C1-1 GND C1-2 distribuční transformátor

měnič S-SC

36

B2

1

C2 GN

1 A2 3 B2 5 C2

C-SC ASC BSC

S-SC 1 S-WTC

CSC

S-RCT

GND SC statický kompenzátor S-WTE

Obr. 5. Model elektrického výkonového měniče

rychlost větru

spojitý

úhlová rychlost

vítr

režim simulace

model větru S-WTG rychlost větru A B S-WTG C-WTG S-L

C-WTG

C-L

C

generátor

systém řízení

připojení zátěže

Simulace větrné elektrárny Z uvedeného popisu je patrné, že model větrné elektrárny obsahuje velký počet spínacích prvků. Stavy spínacích prvků patří do množiny stavů větrné elektrárny jako dynamického systému. Spínací prvky ovlivňují jiné prvky stavového vektoru, kterými jsou např. proudy kotvy synchronního generátoru nebo napětí na kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu, kompenzačního kondenzátoru apod. Je proto zřejmé, že uvedený model větrné elektrárny je nelineární dynamický systém. Simulovat chod větrné elektrárny znamená řešit příslušné nelineární diferenciální rovnice. Důsledkem je velmi krátký integrační krok řešení diferenciálních rovnic, a tudíž velmi dlouhá doba simulace. Ukázalo se, že proces simulace elektrického výkonového měniče je rychlejší v diskrétním režimu než ve spojitém režimu. Větrná turbína a generátor

A2

zátěž P = 2,1 MV·A cos φ = 0,7143

C

Model elektrického výkonového měniče obsahuje model usměrňovače, model řízeného střídače a model statického kompenzátoru (obr. 5). Model usměrňovače se skládá z modelu tří jednofázových můstků a modelu stejnosměrného meziobvodu. Model řízeného střídače vychází ze zapojení třífázového řízeného střídače tvořeného bipolárními tranzistory s izolovaným hradlem typu IGBT. Model těchto spínacích prvků je součástí stavebnice SimPowerSystems Blockset. Součástí modelu řízeného střídače je regulátor frekvence měniče. Jde v podstatě o PID regulátor, na jehož výstupu je diskrétní zdroj signálu s modulací šířkou pulzu (PWM) přiváděného na hradla prvků IGBT. Za modelem řízeného střídače je zapojen model pásmové propusti tvořené induktancí a kapacitancí. Na výstup modelu měniče je připojen model distribučního transformátoru. Základem modelu statického kompenzátoru je kompenzační kondenzátor zapojený mezi dva řízené třífázové usměrňovače sestavené z prvků IGBT. Řízené usměrňovače tvoří akční člen, na jehož vstup je přiváděn signál z PID regulátoru, zabezpečujícího určené napětí na kompenzačním kondenzátoru. Napětí na kompenzačním kondenzátoru určuje hodnotu indukčního jalového výkonu dodávaného do elektrizační sítě.

1 C-PWC

B

Model výkonového měniče

<SW-WTE> <SW-SC> <SW-RCT>

A

bíny vhodným nastavením úhlu náběhu (natočení) listů větrné turbíny. Rotující setrvačné hmoty (moment setrvačnosti rotoru větrné elektrárny a synchronního generátoru) určující mechanické dynamické vlastnosti větrné turbíny jsou soustředěny v modelu převodovky. Konstantní převodový poměr převodovky je zvolen tak, aby při provozních otáčkách turbíny byla frekvence proudu z generátoru na jmenovité hodnotě.

Obr. 6. Spojitě simulovaná část větrné elektrárny

byly naopak simulovány rychleji ve spojitém režimu. Tento rozpor byl vyřešen rozdělením simulačního modelu větrné elek trárny na dvě části, každé simulované v odlišném režimu. Chování první části větrné elektrárny, reprezentované modelem větru a modelem větrné turbíny a generátoru, bylo simulováno ve spojitém režimu. Model výkonového měniče a statického kompenzátoru byl přitom nahrazen ekvivalentní třífázovou zátěží. Schéma

modelu části elektrárny simulované ve spojitém režimu je ukázáno na obr. 6. Při simulaci elektrického výkonového měniče probíhající v diskrétním režimu byly modely větru, větrné turbíny a generátoru nahrazeny ideálním řízeným zdrojem zapojeným v sérii se sériovým obvodem RL aproximujícím statorovou impedanci generátoru (obr. 7, obr. 8). Takto lze simulovat dynamické vlastnosti generátoru při relativně rychlých dějích při modelování elektrické výkonové části

AUTOMA 12/2009

modelování a simulace elektrárny. Předpokládá se, že pomalé mechanické děje na straně větrné turbíny nebudou mít podstatný vliv na děje v modelu výkonového měniče. B

A S-EDN

C

elektrizační soustava

režim simulace

C-EDN

S-L

B1B2

A1A2

připojení distribuční sítě

C-WTE

C 1C 2

C-L

S-WTE

A

B

C

B

C

vedení 2

C-PWC

S-WTC

A

A1

B

B1

B2

C

C1

C2

A2

A

aproximace generátoru

C

výkonový měnič

GND

B

C-WTG

A

systém řízení výkonu

vedení 1

Vybrané výsledky simulace Jako ukázka možností využití již popsaných modelů jsou v dalším textu ukázány průběhy nejdůležitějších fyzikálních veličin, které jsou výsledkem dvou různých simulací. První skupina ukázek je ze simulace chování části větrné elektrárny simulované ve spojitém režimu. Na obr. 9 jsou uvedeny časové průběhy elektromagnetického momentu synchronního stroje a mechanického momentu na hřídeli úhel náběhu (°)

diskrétní, TS = 5·10–5 s

90 80

odpojení generátoru

70 60

C

B

A

50 40

C 1C 2

B1B2

A1A2

30 připojení zátěže

připojení generátoru

20

B

A

C

10 zátěž P = 2,1 MV·A cosφ = 0,7143

0

0

105

210

315

420 čas (s)

Obr. 11. Průběh úhlu natočení listů rotoru větrné turbíny

U(prn)

1 C-WTG

frekvence 0

řízení

řízení

A

A

A

B

B

B

C

C

C

GND

fáze

efektivní napětí (V)

Obr. 7. Diskrétně simulovaná část větrné elektrárny

1 A 2 B 3 C

třífázový RL sériový obvod

2

1

360

300 0

14 13


12 11 10 9


7

5 0

105

210

315

420 čas (s)

Obr. 9. Průběhy momentů generátoru a větrné turbíny

AUTOMA 12/2009


320

6 0

420

105

210

315

420 čas (s)

15

8



Obr. 12. Průběh efektivních hodnot napětí na kotvě generátoru úhlová rychlost rotoru (rad·s–1)

moment (MN·m)


3

440

380

Obr. 8. Detail aproximace generátoru z obr. 7

4

460

400

4 GND

zdroj napětí

elektromagnetický moment mechanický moment

napětí A napětí B napětí C

480

340

řízení

5

500

0

105

210

315

420 čas (s)

Obr. 10. Průběh úhlové rychlosti rotoru větrné turbíny

větrné turbíny. V čase 180 s byla větrná elektrárna připojena k distribuční síti a v čase 300 s odpojena. Je zde patrný vliv převodovky mezi větrnou turbínou a generátorem (otáčky generátoru jsou násobkem převodového poměru a otáček větrné turbíny). Činnost regulátoru otáček (úhlové rychlosti) rotoru větrné turbíny je ukázána na obr. 10 a obr. 11. Požadavkem jsou konstantní otáčky rotoru, jichž se dosahuje vhodným nastavením úhlu náběhu (natočení) jeho listů. Na obr. 12 jsou ukázány průběhy efektivních hodnot napětí na kotvě generátoru počítané pro jmenovitou frekvenci 50 Hz. V oka-

37

napětí (kV)

modelování a simulace mžiku rozběhu větrné turbíny a v okamžicích připojení generátoru k síti, popř. jeho odpojení od sítě, se hodnota frekvence lišila od nominální. To je příčinou rozkmitu efektivní hodnoty napětí. Druhá skupina ukázek se týká simulace chování „diskrétní“ části větrné elektrárny (tj. simulované v diskrétním režimu). Předpokladem byl ustálený stav mechanické („spojité“) části elektrárny. Bylo posuzováno chování modelu po dobu 4 s jeho chodu. Na obr. 13 a obr. 14 jsou ukázány průběhy napětí, popř. proudu. V čase 1 s byla připojena zátěž při odpojeném statickém kompenzátoru. Po připojení zátěže kleslo napětí na kotvě generátoru v důsledku proudového zatížení. V čase 1,5 s byl připojen statický kompenzátor. Důsledkem je vzrůst proudového zatížení. Generátor je zatížen činným výkonem dodávaným do statického kompenzátoru (spotřebič činného výkonu), který je spotřebičem kapacitního jalového výkonu, tj. zdrojem indukčního jalového výkonu. Vlivem připojení zdroje indukčního jalového výkonu vzrůstá napětí na kotvě generátoru. V čase 2,5 s byl statický kompenzátor odpojen, což mělo za následek pokles napětí i proudu. V čase 3,5 s byl generátor větrné elektrárny odpojen od zátěže. Simulační výpočet probíhal v podmínkách, kdy v distribuční síti byly odpojeny všechny zdroje napětí a připojeno nominální zatížení. Na obr. 15 je ukázán průběh napětí na kompenzačním kondenzátoru. Zřetelně je patrná činnost regulátoru napětí na kompenzačním kondenzátoru, a tím regulace kompenzačního výkonu. Na obr. 16 jsou ukázány průběhy činného a jalového výkonu na výstupu z větrné elektrárny. Je zde zřejmá funkce statického kompenzátoru, po jehož připojení klesá jalový výkon Q ve prospěch nárůstu činného výkonu P. Vnější zdroje napětí (proudu) jsou odpojeny. Na obr. 17 je odpovídající diagram P-Q.

50 připojení zátěže

40

odpojení statického kompenzátoru

30

připojení statického kompenzátoru

20


10 napětí A napětí B napětí C

0 –10 –20 –30 –40

odpojení zátěže připojení generátoru

–50

360

361

362

363

364 čas (s)

Obr. 13. Průběhy napětí na výstupu z elektrárny

proud (A)

100

proud A proud B proud C

80



60 40 připojení zátěže

20


0 připojení generátoru

–20 –40

odpojení zátěže –60 –80 –100

360

361

362

363

364 čas (s)

5 000

P (MW), Q (Mvar)

napětí (V)

Obr. 14. Průběhy proudů na výstupu z elektrárny

4 500 4 000 odpojení statického kompenzátoru

3 500

2

1


2 500

0

2 000

–0,5 připojení statického kompenzátoru


–1

361

362

363

Obr. 15. Průběh napětí na kompenzačním kondenzátoru

364 čas (s)

–2 360

odpojení zátěže odpojení generátoru

–1,5

500

38


připojení zátěže

1 000

0 360

odpojení zátěže

0,5

3 000

1 500

činný výkon P jalový výkon Q

připojení zátěže 1,5

361

362

363

364 čas (s)

Obr. 16. Průběh činného a jalového výkonu elektrárny

AUTOMA 12/2009

Q (Mvar)

veletrhy a konference Závěr

1

Model větrné elektrárny popsaný v článku bude využíván jako základ pro analýzu vlivu dynamických vlastností větrné elektrárny na provoz elektrizační distribuční soustavy. Jde zejména o návrh řídicích algoritmů pro řešení úloh predikce činného výkonu a řízení (kompenzace) jalového výkonu.

0,8

0,6 připojení zátěže 0,4

0,2

odpojení zátěže



Poděkování V publikaci byly použity výsledky získané při práci prováděné v rámci Národního programu výzkumu II (2C), realizovaného za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR.

0

–0,25 připojení zátěže –0,4


Literatura: [1] IOV, F. – HANSEN, A. D. – SØRENSEN, P. – BLAABJERG, F.: Wind Turbine Blockset in Matlab/Simulink. [2] – : SimPowerSystems 5 – User’s Guide. The MathWorks Inc.

–0,6 odpojení zátěže připojení generátoru

–0,8

–1 –0,5

0

0,5

Obr. 17. Diagram P-Q

1

1,5

2 P (MW)

Ing. Jiří Marek, CSc., Unis, a. s. ([email protected])

NI Energy Forum – hledání nových cest v energetice Společnost National Instruments (NI) uspořádala 8. října 2009 bezplatnou jednodenní konferenci s názvem NI Energy Forum, na které představila svá řešení rea gující na výzvy současné energetiky.

Systémy NI se uplatní jak při výrobě energie z obnovitelných zdrojů, tak při zdokonalování technologií využívajících tradiční zdroje energie. Za velmi účinný nástroj přispívající k efektivní výrobě energie pokládají odborníci NI sledování výkonu a provozního stavu točivých strojů, např. sledování generátoru ve vodní elektrárně nebo turbíny větrné elektrárny (vibrace, tlaky, rychlost otáčení, teploty, napětí a proud). Monitorování stavu materiálů (structural health) eliminuje neplánované výpadky, optimalizuje běh strojů, zkracuje odstávky a snižuje náklady na údržbu. V oblasti přenosu energie nacházejí produkty NI uplatnění při řízení heterogenních zdrojů energie a zajišťování kvality energie, zatímco při spotřebě energie napomáhají ke zlepšení energetické efektivnosti a snížení emisí. Pro náročná měření v energetice lze použít moduly pro sběr dat (DAQ), které firma NI dodává již dvacet let a nyní přichází i s jejich bezdrátovým řešením. Další cestu vedoucí ke snížení spotřeby elektrické energie strojních zařízení nabíze-

AUTOMA 12/2009

jí vestavné (embedded) počítače společnosti k simulaci hybridního vozidla s palivovým NI, které jsou využívány např. pro inteligentní článkem a na ostravské technické univerzisystém řízení průmyslových motorů. tě vyvinuli přenosný systém pro měření paZ konkrétních řešení bylo na konferenci rametrů vozidel s různým typem pohonu. NI Energy Forum předstaFirma Dewetron představeno např. využití softwaru vila svůj systém kontroNI LabVIEW a hardwaru ly přepětí pláště jadernéCompactRIO k optimaliho reaktoru. zaci a řízení spotřeby enerNa konferenci NI Energie v reálném čase v progy Forum byla demonstrovozu na recyklování ocevána činnost zařízení k nali ve firmě Nucor. Firma táčení fotovoltaických paElcom zde prezentovala nelů podle polohy slunce. své systémy pro monitoSledování slunce může rování a analýzu elektriczlepšit výkon fotovoltaké energie. ických elektráren o 25 až Na uvedené konferenci 40 % v závislosti na geodostaly slovo také partnergrafické poloze. Pro natáské firmy NI a univerzity, čení dvouosého sledovače které v ČR ve svých proslunce byl vyvinut algoritjektech využívají techniku mus v LabVIEW ke sledoNI. Firma Valcon předsta- Obr. 1. Na konferenci NI Energy vání slunce, který využívila použití modulů DAQ Forum byla demonstrována činnost vá PID řízení v uzavřené a softwaru LabVIEW při zařízení k natáčení fotovoltaických smyčce. Poloha panelů je řešení automatického čiš- panelů podle polohy slunce snímána senzory polohy, tění elektrárenského kots nimiž komunikuje mole. Posluchači se také dověděli o diagnosdul I/O Compact RIO, zpracovává digitální tických měřeních vibrací a dynamických signály a vysílá signály akčním členům, kteveličin otáčivých strojů ve firmě Technická ré panel natáčejí. diagnostika. Na ČVUT využívají LabVIEW (ed)

39

Model větrné elektrárny

Recommend Documents