projekt WIND_TUR

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<Umez
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