Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

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 elektrárny 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 NQEW 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.
 
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.
 

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).
 

Model větru

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.
 

Model větrné turbíny a generátoru

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 turbíny 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.
 

Model výkonového měniče

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.
 

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 byly naopak simulovány rychleji ve spojitém režimu. Tento rozpor byl vyřešen rozdělením simulačního modelu větrné elektrárny 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 elektrárny. Předpokládá se, že pomalé mechanické děje na straně větrné turbíny nebudou mít podstatný vliv na děje v modelu výkonového měniče.
 

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 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 okamžiku 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.
 

Závěr

 
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.
 
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.
 
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.
 
Ing. Jiří Marek, CSc., Unis, a. s.
 
Obr. 1. Základní schéma větrné elektrárny
Obr. 2. Blokové schéma zapojení větrné elektrárny
Obr. 3. Fyzikální model větrné elektrárny
Obr. 4. Model větrné turbíny a generátoru
Obr. 5. Model elektrického výkonového měniče
Obr. 6. Spojitě simulovaná část větrné elektrárny
Obr. 7. Diskrétně simulovaná část větrné elektrárny
Obr. 8. Detail aproximace generátoru z obr. 7
Obr. 9. Průběhy momentů generátoru a větrné turbíny
Obr. 10. Průběh úhlové rychlosti rotoru větrné turbíny
Obr. 11. Průběh úhlu natočení listů rotoru větrné turbíny
Obr. 12. Průběh efektivních hodnot napětí na kotvě generátoru
Obr. 13. Průběhy napětí na výstupu z elektrárny
Obr. 14. Průběhy proudů na výstupu z elektrárny
Obr. 15. Průběh napětí na kompenzačním kondenzátoru
Obr. 16. Průběh činného a jalového výkonu elektrárny
Obr. 17. Diagram P-Q
 
Tab. 1. Hlavní technické parametry modelované větrné elektrárny
Tab. 2. Provozní parametry modelované větrné elektrárny