Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Modelování větrné elektrárny v prostředí Matlab & Simulink

Větrné elektrárny jsou v současnosti často diskutovaným tématem na poli energetiky. Nedílnou součástí procesu jejich projektování je i modelování a simulace umožňující projektantům posoudit nejen chování jednotlivých větrných generátorů, ale i reakce větrné elektrárny (farmy) na možné poruchy a důsledky jejího zapojení do distribuční sítě. Jedním z nástrojů, které umožňují modelovat energetická zařízení a simulovat jejich chování, je nadstavba SimPowerSystems výpočetního systému Matlab & Simulink.
 
Podle plánu Evropské unie by měl celkový instalovaný výkon větrných elektráren v roce 2030 dosáhnout 100 000 MW. V současné době je co do instalovaného výkonu na prvním místě Německo (téměř 24 000 MW), za nímž následují Španělsko, Itálie a Francie. V České republice je nyní postaveno více než 40 větších větrných elektráren (obr. 1) a souhrnný instalovaný výkon dosáhl 170 MW. V průběhu následujících dvaceti let by měl instalovaný výkon větrných elektráren v ČR vzrůst na více než pětinásobek současné hodnoty.
 
V budoucnu se tedy počítá s masivní výstavbou nových větrných zdrojů elektrické energie. Připojení takového zdroje do energetické soustavy je určováno příslušným kodexem. Vzhledem k relativně malému počtu a výkonu větrných elektráren byla dosud většina z nich připojena do lokálních distribučních sítí. V současné době se zvažuje jejich připojování i k přenosové soustavě (páteřní vedení 400 kV, 220 kV a vybraná vedení 110 kV).
 

Matematické modelování a simulace

 
V současné době stále roste potřeba matematického modelování a simulace chování větrných elektráren (farem větrných generátorů elektrické energie) včetně jejich vlivu na okolní energetickou soustavu. Modely a na nich založené simulace jsou využívány k analýze řiditelnosti a připojitelnosti elektráren. Umožňují prověřit velké počty variant a analýzou získaných výsledků následně vybrat nejlepší z nich.
 
Jedním z nástrojů použitelných v této oblasti je výpočetní prostředí Matlab & Simulink od americké firmy MathWorks. V prostředí Simulink lze pohodlně modelovat a simulovat dynamické systémy. Modely se v prostředí Simulink vytvářejí při použití grafického rozhraní v podobě blokových schémat. Jde o nástroj často používaný při analýze dynamického chování soustav, navrhování regulačních obvodů a při analýze signálů.
 
Pro obor energetiky je určena nadstavba SimPowerSystems, která rozšiřuje prostředí Simulink o nástroje pro modelování elektrických soustav od základních výkonových obvodů až po komplexní energetické systémy. Při modelování v nadstavbě SimPowerSystems se využívá metoda tzv. fyzikálního modelování, kde je model soustavy sestavován z bloků reprezentujících základní prvky reálného systému. Při modelování se tak vychází z fyzické struktury zařízení a jeho dekompozice na dílčí části. V nadstavbě SimPowerSystems lze modelovat výrobu, přenos, distribuci i spotřebu elektrické energie. Knihovny v nadstavbě SimPowerSystems obsahují více než 150 funkčních bloků, reprezentujících např. třífázové vedení, transformátory, motory a generátory atd., a také fázorové modely větrných generátorů.
 

Model větrné elektrárny

 
S použitím nadstavby SimPowerSystems byl vytvořen a analyzován model 9MW větrné elektrárny se třemi větrnými generátory, z nichž každý má jmenovitý výkon 3 MW. Větrná elektrárna zásobuje distribuční síť 110 kV, k níž je připojena vedením 22 kV délky 25 km (obr. 2).
 
Jednotlivé větrné generátory se skládají z vrtule pohánějící indukční generátor s kotvou nakrátko. Statorové vinutí generátoru je napojeno přímo na elektrickou síť s frekvencí 50 Hz. V případě, že rychlost větru překročí nominální hodnotu 9 m/s, je nutné omezit výstupní výkon generátoru na hodnotu 3 MW (jmenovitá hodnota výkonu větrného soustrojí). K tomu se používá řízené natáčení (změna úhlu náběhu) listů vrtule. Pro výrobu elektrické energie musí být otáčky rotoru indukčního generátoru nadsynchronní a kolísají přibližně mezi 1 pu při nulovém zatížení a 1,005 pu při plném zatížení soustrojí (pozn.: pu je obecná poměrná jednotka s významem aktuální/nominální hodnota dané veličiny). Každý větrný generátor má ochranný systém monitorující napětí, proud a otáčky soustrojí.
 
Jalový výkon absorbovaný indukčním generátorem je vyrovnáván statickým synchronním kompenzátorem s výkonem 3 MVAr, připojeným k vedení 22 kV (Static Synchronous Compensator; blok STATCOM na obr. 2).
 

Analýza chování

 
Ve zvolené variantě modelu větrné elektrárny bylo např. simulováno jeho chování po dobu 20 s. Průběhy rychlosti větru, regulovaného úhlu natočení listů a činného výkonu pro jednotlivé větrné generátory jsou ukázány na obr. 3.
 
Rychlost větru působícího na vrtule je na počátku 8 m·s–1. Od času 2 s je pro turbínu A rychlost větru postupně zvětšována na hodnotu 11 m·s–1 (na obr. 3 žlutě). Stejným způsobem se mění rychlost větru působícího na zbývající turbíny B (fialová) a C (azurová), a to se zpožděním 2 s, popř. 4 s. Konečná hodnota rychlosti větru je větší než nominální, proto jsou otáčky soustrojí regulovány pomocí natáčení listů vrtule tak, aby se výstupní výkon ustálil na jmenovité hodnotě 3 MW pro každé soustrojí.
 
Dále je v čase t = 15 s simulována porucha na nízkonapěťových vývodech soustrojí B. Ta uvede v činnost podnapěťovou ochranu v řídicím systému, který zajistí její odpojení. Výkon ostatních soustrojí se opět ustálí na jmenovité hodnotě.
 

Závěr

 
Při použití simulačních nástrojů je možné prověřit mnoho variant chování větrné elektrárny včetně jejích reakcí na různé poruchy. Také lze navrhnout vhodnou jisticí a regulační techniku a sledovat vliv poruch a výkyvů síly větru na energetickou síť, ke které je větrná elektrárna připojena.
Ing. Jaroslav Jirkovský,
 
Obr. 1. Větrná elektrárna Pchery
Obr. 2. Model větrné elektrárny v nadstavbovém prostředí SimPowerSystems
Obr. 3. Simulace větrné elektrárny v prostředí SimPowerSystems: odezva modelu na změnu rychlosti větru a poruchu