ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ ВЕТРОДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСИСТЕМЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

ELECTRIC POWER GENERATORS FOR WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 14.10.14. Ред. per. № 2118

The article has entered in publishing office 14.10.14. Ed. reg. No. 2118

УДК 621.548

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ ВЕТРОДИЗЕЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРОСИСТЕМЫ

A.M. Донец

Институт возобновляемой энергетики HAH Украины Украина 02094, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20A тел./факс: +38044 206-28-09, e-mail: [email protected]

doi: 10.15518/isjaee.2014.19.002

Заключение совета рецензентов: 17.10.14 Заключение совета экспертов: 22.10.14 Принято к публикации: 28.10.14

В статье рассматривается имитационная модель совместной работы асинхронного генератора с коротко-замкнутой обмоткой ротора и синхронного генератора с постоянными магнитами, соизмеримой мощности в составе автономной ветродизельной электросистемы. Данная модель разработана с помощью пакета Matlab Simulink. Приведено детальное описание схемы имитационной модели, а также всех основных блоков, входящих в нее. Представлены результаты моделирования автономной ветродизельной электросистемы, которые дают возможность изучать переходные процессы, происходящие в системе. Данная модель позволяет анализировать работу ветродизельной системы при переменных параметрах: величине и характере нагрузки, мощности синхронного и асинхронного генераторов, постоянной и переменной скорости ветра, подаваемого на ветровую турбину - всё это экономит время при исследовании работы такой системы.

Ключевые слова: имитационное моделирование, асинхронный генератор, синхронный генератор, автономная ветродизель-ная электросистема.

SIMULATION MODEL OF AUTONOMOUS WIND-DIESEL ELECTRICAL SYSTEM

A.M. Donets

Institute for Renewable Energy NAS of Ukraine 20A Krasnogvardeyskaya Str., Kyiv, 02094 Ukraine ph./fax: +38044 206-28-09, e-mail: [email protected]

Referred 17 October 2014 Received in revised from 22 October 2014 Accepted 28 October 2014

The article deals with simulation model of collaborative asynchronous generator with short-closed wound rotor and synchronous generator with permanent magnets of comparable capacity as part of an autonomous wind-diesel electric system. This model was developed using a package Matlab Simulink. It is shown the detailed description of the circuit simulation model, as well as all major units included in it. There are results of the simulation of autonomous wind-diesel electric system, which enables the study of transients occurring in the system. This model allows

International Scientific Journal for ! 19 (159) Международный научный журнал

Alternative Energy and Ecology -tSÍ- Г~0'г 1-1 ^ ' 2014 «Альтернативная энергетика и экология»

©ScientificTechnical Centre «TATA», 2014 Tfr J-JlJ^/O—>—1 © Научно-технический центр «TATA», 2014

28

analysis of wind-diesel systems with variable parameters: the magnitude and nature of the load, power of the synchronous and asynchronous generators, fixed and variable speed wind supplied to the wind turbine, which makes it possible to save time in the study of such a system.

Keywords: simulation modeling, asynchronous generator, synchronous generator, autonomous wind-diesel electrical system.

Донец Артем Маркович Donets Artem Markovich

Сведения об авторе: инженер 1-й категории Института возобновляемой энергетики HAH Украины.

Образование: магистр энергетики НТУУ Киевского политехнического института, факультет электроэнерготехники и автоматики, специальность: «возобновляемые источники энергии».

Область научных интересов: энергетические системы, преобразование видов энергии, автоматизация и моделирование процессов.

Публикации: 4.

Information about the author: Electric Power Engineer of Institute for Renewable Energy, National Academy of Sciences of Ukraine.

Education: Master of Science, National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Faculty of Electric Power Engineering and Automation, Department of Renewable Sources of Energy.

Area of researches: power systems, converting types of energy, automation and modeling processes.

Publications: 4.

Введение

Имитационное моделирование является наиболее удобным и наглядным способом исследования процессов, которые происходят в электромеханических системах. В настоящее время разработано математическое описание большинства типов электрических машин, что позволило разработчикам программного обеспечения создать специальные пакеты программ для имитационного моделирования, которые имеют в своем составе готовые блоки электротехнических устройств: Lab View, Matlab Simulink, System View, PDS, Visual System Simulator и др.

Существует достаточно много работ по имитационному моделированию асинхронных и синхронных машин, работающих в разных режимах. Однако мало внимания уделяется имитационному моделированию работы асинхронного и синхронного генератора

<Field current >fd jpu}>

<Ratot speed wmü?u)>

<Etocttpm»QMHfctpfquc Te(pu)>

«Output active power Peo tpu)>

«Output reactive power Qeo {pu}>

0

соизмеримой мощности в одной системе, на изучении которого сосредоточено внимание автора настоящего исследования.

Описание имитационной модели

Для моделирования работы асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора с синхронным генератором с постоянными магнитами при нагрузке любого характера использовалась система МайаЪ Simulink, которая имеет в своем составе специализированную электротехническую библиотеку блоков. Процесс моделирования в МайаЪ Simulink представляет собой построение схемы системы из стандартных блоков пакета и задания параметров ее отдельных элементов.

Структурная схема модели ветродизельной электросистемы в автономном режиме показана на рис. 1

LC.il. >—i

Torque '

Synchronous Machine

powerful

-cE I ectroma g nçli û T- irq ue Te

Г ándense г Bloc

Asynchronous M i] dl ine __

¡V. Г1-

р (puj>l

Main condenser m-irk

Added Active Load

MFltn .11 VI' I 11.1 I

EwH

Pitch fm

Ш—H

Wind Speed

>r speed (pu) angle (dtlgi) (pu) spwd (m/s)

Tofque

XT Graph

Wind Turbine

Voltage M na su re nient

•в

Scope4

Va be A<j>-

.Frotn labe AG">. From? иа labcSG;-—^

^ h РРГЛ 3

_F[om4 labe Loj[cfr—-

FromG

•B

1 [1 11 1

Р Wind Tuib. (VW) ¡

Р Added. 1 oad IkVW '

Q_5C

0 SM(!voi| -1

Courpulntlou

Рис. 1. Структурная схема модели автономной ветродизельной электросистемы Fig. 1. The block diagram model of autonomous wind-diesel electrical system

№ 19 (159) Международный научный журнал - J /®\ <-> " 201(i ' «Альтернативная энергетика и экология»

2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

Основными элементами модели являются блоки Asynchronous Machine и Synchronous Machine из электротехнической библиотеки Sim Power Systems. Блок Asynchronous Machine включает в себя модель электрической части, представленной системой уравнений четвертого порядка, и модель механической части в виде системы второго порядка. Исходные уравнения электрической части машины записаны известными зависимостями для двухфазной (dq-оси) системы координат [6]:

d

uqs = Rsiqs + dt \qs + ù\A

uäs = Rsiäs + dt \ + ù\qs ,

ufr = KÇ + d К + (ù- ar \ ,

uär = Kä + d К - (ù- ùr )\<r , T = ^ 5(\siqs X

(1)

\ =Li +Li i

qs s qs m qr

где

К = L'qi'qr + Lmiqs , \fr = L<ifr + Lmids .

L' = Lä + L .

r lr m

\ =Li +L iq

T äs s qs m är

L = L, + L

s ls m

Индексы в системе уравнений машины имеют следующие значения: d - проекция переменной на ось d; q - проекция переменной на ось д; г - индекс, обозначающий параметр или переменную ротора; 8 -индекс, обозначающий параметр или переменную статора; I - индуктивность рассеяния; т - индуктивность цепи намагничивания.

Механическая часть машины описывается двумя уравнениями:

da =—^(T - Fa -T ),

dt m 2H e m m) d B

~ZBm = am ■ , dt

Переменные в уравнениях машины имеют следующие значения:

,Ьь - активное сопротивление и индуктивность рассеяния статора; Я'г, Ь1г - активное сопротивление и индуктивность рассеяния ротора; Ьт - индуктивность цепи намагничивания; Ь5, Ь'г - полные индуктивности статора и ротора; Пд1, I - проекции напряжения и тока статора на ось д; п'дг, 1'дг - проекции напряжения и тока ротора на ось д; ыл, /Д - проекции напряжения и тока статора на ось d; ы'^,г'аг - проекции напряжения и тока ротора на ось d; ц/л, ц/д1 - проекции пото-

косцепления статора на оси d и q; ц/'Лг ,y'qr - проекции потокосцепления ротора на оси d и q; шт - угловая частота вращения ротора; вт - угловое положение ротора; p - число пар полюсов; wy - электрическая угловая частота вращения ротора (ат• p); ву - электрическое угловое положение ротора (вт• p); Te -электромагнитный момент; Tm - механический момент на валу; J - суммарный момент инерции машины и нагрузки; H - суммарная инерционная постоянная машины и нагрузки; F - суммарный коэффициент вязкого трения (машины и нагрузки).

Уравнения электрической части Synchronous Machine описываются системой дифференциальных уравнений 5-го порядка [6]:

(3)

(2)

d

uä = Rsiä + dt 4>ä -aR% ,

d ■ d

uq = Rsiq + dt ^q + ùrV" ,

u 'fä = R,fäi,fä + d v'ß, d

uäd = Rkälkd +~7 Vkd,

dt d

ukq1 = Rkq1ikq1 + ^kq ,

где % = Ldid + Lmd (f + ikd ), çd = Lqiq + Lmqi'kq,

ф'р = ffd + Lmd (id + iL X ф'ы = Lkdikd + Lmd (id + f X Ф/iql = Lkqlikql + Lmq^q •

В качестве электрической нагрузки (Main Load и Added Load) используются стандартные блоки Three-Phase Parallel RLC Load библиотеки SimPower Systems. Main Load состоит из трехфазной нагрузки. Added Load состоит из набора блоков трехфазной нагрузки, которые включаются в систему в определенные моменты времени через трехфазный выключатель. В процессе данного моделирования используется активная нагрузка (R), но представленная модель позволяет также моделировать систему со всеми характерами нагрузки (RLC).

В модели также присутствуют блоки Main Condenser Block и Condenser Block. Main Condenser Block служит для пуска асинхронного генератора и представляет собой конденсаторы, соединенные в звезду. Condenser Block тоже представляет собой набор из соединенных в звезду конденсаторов, которые включаются в систему через трехфазный выключатель в моменты присоединения нагрузки. Этот блок служит для обеспечения устойчивости системы и стабилизации напряжения.

о Ü ч.

- G -

с о

-D

N

^ЙШ № 20i(459)

30

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» © Научно-технический центр «TATA», 2014

Кроме того, модель имеет вспомогательные измерительные блоки Three-Phase V-I Measurement и Machines Measurement Demux, блоки визуализации результатов Scope и блок Wind Turbine. Блок Wind Turbine - блок ветровой турбины - основан на стационарных энергетических характеристиках турбины. Выходная мощность её определяется следующим уравнением [8]:

Pm = Ср ft, ß) ^ »l

где Рт - выходная механическая мощность турбины (Вт), ег- КПД турбины, р - плотность воздуха (кг/м3), А - площадь обметаемой поверхности ротора турбины (м2), - скорость ветра (м/с), X - отношение скорости конца лопасти ротора к скорости ветра, р -угол набегания ветра на лопасть.

График энергетических характеристик ветротур-бины [8] изображен на рисунке 2.

На графике изображены зависимости выходной механической мощности турбины от скорости генератора в относительных единицах (о.е.) при различных скоростях ветра. В данной модели используется генератор постоянного сигнала, который задает постоянное значение скорости ветра. Модель позволяет с помощью генератора случайных чисел задавать переменный характер скорости ветра.

Tutbine Power Characteristics (PiLcíi angle bela = С deg)

Рис.2. График энергетических характеристик ветротурбины Fig. 2. The wind turbine power characteristics

В качестве примера применения модели используются генераторы с такими параметрами:

Асинхронный генератор: S=4000 кВА, U=380 В (линейное напряжение), короткозамкнутая обмотка ротора, p=2 (число пар полюсов).

Синхронный генератор: S=4000 кВА, U=380 В (линейное напряжение), явнополюсный, p=2 (число пар полюсов).

Результаты и анализ моделирования

Наглядное информационное изображение всех переходных процессов, которые происходят в системе, можно увидеть с помощью осциллографов Scope (рис.1). Осциллограммы изменения напряжения и тока при ступенчатом присоединении нагрузки изображены на рис. 3.

UabcLoad

Рис. 3. Осциллограммы изменения напряжения и тока при ступенчатом присоединении нагрузки Fig. 3. The waveform of voltage and current changes to a step joining load

№ 19 (159) Международный научный журнал

- r-._\ J /®\ г-? г-1 " 201(л ' «Альтернативная энергетика и экология»

2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

Осциллограф показывает максимальное фазное значение напряжения и тока. Из графиков видно, что в моменты времени 6, 12, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 сек. происходят колебания напряжения. Эти скачки вызваны присоединением активной нагрузки с одновременным включение конденсаторов. Увеличение тока так- же обусловлено увеличением электриче-

ской нагрузки. В момент времени 30 и 32 секунды видно падение напряжения, что свидетельствует о перегрузке системы.

Электромагнитный момент и активная мощность, генерируемая асинхронным генератором, изображены на рис. 4 и 5.

<ei4C1ro<Tugn*<le Т# (ри)>

Рис. 4. Электромагнитный момент асинхронного генератора в о.е. Fig. 4. The electromagnetic torque of the asynchronous generator in pu

P Wind Turb. (kW)

Рис. 5. Активная мощность, генерируемая асинхронным генератором (кВт) Fig. 5. The active power generated by the asynchronous generator (kW)

На рис. 4 видно, что до 18-той секунды электромагнитный момент имеет положительное, а после 18-той секунды приобретает отрицательное значение. Положительное значение электромагнитного момента (Те>0) свидетельствует о том, что асинхронная машина работает в двигательном режиме и, наоборот, при Те<0 имеет место генераторный режим. Это также можно увидеть на рис. 5. До 18-той секунды асинхронная машина потребляет электрическую энергию, а после генерирует её с последовательным увеличени-

ем мощности, что вызвано присоединением нагрузки. Значения электромагнитного момента представлены в относительных единицах (о.е.) относительно номинального значения. На этих зависимостях также наблюдается процесс перегрузки системы.

На рис. 6 показаны ток обмотки возбуждения (а), электромагнитный момент (б), выходная активная (в) и реактивная мощности (г) синхронного генератора в о. е..

:ISJftEE № 201Г

32

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» © Научно-технический центр «TATA», 2014

■¡Field current ifd (ри)>

- -<Fk Id current ifd (pu)>

I I 1

К1" 1- 1

5 10 15 20 25 30

Рис. 6 а). Ток обмотки возбуждения синхронного генератора в о.е. Fig. 6 a). The field current of synchronous generator in pu

< Electromagnetic tofque Te{pu)>

35

Ё -<Elcctromagnc tic torque Те (pu)> |

__ ь-Í—-

.jr..........................

5 10 15 20 25

Рис. 6 б). Электромагнитный момент синхронного генератора в о.е. Fig. 6 b). The electromagnetic torque of the synchronous generator in pu

30

35

<Oulput active power Peo (pu)>

e power Peo [pu)> |

N N- f1 I

/............................ i 1

5 10 15 20 25 30

Рис. 6 в). Выходная активная мощность синхронного генератора в о.е. Fig. 6 c). The output active power of the synchronous generator in pu

35

■cOulput reactive power Qeo (pu)>

1 -<Output reactive power Qeo (pu)> |

......Jw............................

b— L—* ^-

10

15

20

25

30

35

Рис. 6 в). Выходная реактивная мощность синхронного генератора в о.е. Fig. 6 d). The output reactive power of the synchronous generator in pu

Ток обмотки возбуждения не изменяется, так как моделируется синхронный генератор с постоянными магнитами. Электромагнитный момент увеличивается во время присоединения нагрузки. Выходная ак-

тивная мощность во время моделирования остается постоянной. Скачки мощности свидетельствуют о переходных процессах, возникающих при присоединении нагрузки и конденсаторов. Отрицательное

№ 19 (159) Международный научный журнал

- r-._\ J /®\ г-? г-1 " 20i\i ) «Альтернативная энергетика и экология» 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

значение выходной реактивной мощности показывает потребление генератором реактивной энергии, что свидетельствует о насыщении генератора.

На рис. 8 изображена зависимость потребляемой мощности активной нагрузкой за время моделирования.

Р Main Load (kW)

! i \

............."Т........ "1 1 V ............

1 1 L.:. .

—

/ -К-— i i

10 15 за 25

Рис. 7. Потребляемая мощность активной нагрузкой Fig. 7. The power consumption

На графике видно, что после 30-ой секунды происходит процесс перегрузки системы, и это влечет за собой понижение напряжения и тока, а, следовательно, и мощности.

Выводы:

Разработана имитационная модель ветродизель-ной электросистемы, которая позволила проанализировать совместную работу асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора и синхронного генератора с постоянными магнитами, соизмеримой мощности в пакете МаНаЪ Simulink. Приведено детальное описание схемы имитационной модели, а также всех основных блоков, входящих в нее. Представлены результаты моделирования автономной ветродизельной электросистемы, что дает возможность изучения переходных процессов, происходящих в системе. Данная модель позволяет проводить анализ работы ветродизельной системы при переменных параметрах: величины и характера нагрузки, мощности синхронного и асинхронного генераторов, постоянной и переменной скорости ветра, подаваемого на ветровую турбину, что дает возможность экономить время при исследовании работы такой системы. Результаты моделирования будут использованы при проектировании реальной системы, а также при анализе устойчивости работы системы.

Список литературы

1. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. ГУП «Издательство «Высшая школа», 2001. 327 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МаШЬ6.0. СПб: КОРОНА принт, 2001. 320 с.

3. Дьяконов В. Специальный справочник Simu1ink4. СПб: ПИТЕР, 2002. 528 с.

4. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб: КОРОНА принт, 2003. 256 с.

5. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в Matlab. Учебный курс. СПб: Питер, 2005. 512 с.

6. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simu-link. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.: ил.

7. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: Корона-Век, 2008. 368 с.

8. Официальный сайт Matlab: http:// www.mathworks.com/help/

References

1. Kopylov I.P. Matematiceskoe modelirovanie elektriceskih masin. GUP «Izdatel'stvo «Vyssaa skola», 2001. 327 p.

2. German-Galkin S.G. Komp'üternoe modelirovanie poluprovodnikovyh sistem v Matlab6.0. St. Petersburg: KORONA print Publ., 2001. 320 p.

3. D'akonov V. Special'nyj spravocnik Simulink4. St. Petersburg: PITER Publ., 2002. 528 p.

4. German-Galkin S.G., Kardonov G.A. Elektriceskie masiny: Laboratornye raboty na PK. St. Petersburg: KORONA print Publ., 2003. 256 p.

5. Lazarev Yu. Modelirovanie processov i sistem v Matlab. Ucebnyj kurs. St. Petersburg Publ.: Piter, 2005. 512 p.

6. Cernyh I.V. Modelirovanie elektrotehniceskih us-trojstv v Matlab, SimPowerSystems i Simulink. Moscow: DMK Press Publ.; St. Petersburg: Piter Publ., 2008. 288 p.

7. German-Galkin S.G. Matlab&Simulink. Proekti-rovanie mehatronnyh sistem na PK. St. Petersburg: Ko-rona-Vek Publ., 2008. 368 p.

8. Official site Matlab: http:// www.mathworks.com/help/

Транслитерация по ISO 9:1995

— ТАТД —

M, ax/A - G -

с о

i-, to I

s

-О

N

№ 19 (159) Международный научный журнал

- J /®\ г-! г-1 " 201(4 ' «Альтернативная энергетика и экология»

2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014