Simulación Dinámica de energía eólica con NEPLAN

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Simulación Dinámica de Plantas eólicas con NEPLAN
Una breve reseña de cómo modelar turbinas de viento y plantas de energía
eólica en NEPLAN
En este folleto se presenta lo sencillo que es modelar y simular las plantas de energía eólica
con la herramienta de análisis de sistemas de potencia NEPLAN. Vamos a explicar los
diferentes enfoques de modelado del simulador de NEPLAN en un ejemplo típico: Un DFIG
(Double-Fed Induction Generator) conectado a una red externa.
Una vez que se ha modelado el sistema de potencia en NEPLAN, el simulador dinámico le
permite analizar el sistema ya sea en el modo DQ (para sistemas balanceados) o en el
modo ABC (para sistemas desbalanceados). En condiciones de red simétrica la
simulación DQ es mucho más rápida que la simulación ABC. Sin embargo, si usted necesita
modelar cualquier tipo de condición asimétrica la simulación ABC es la primera elección.
Cualquier modelo dinámico (ej. turbinas de viento) en NEPLAN se puede ingresar y definir
de diferentes maneras, cada uno de ellos tiene ventajas y desventajas:
•
•
•
Introducir un modelo dinámico estándar predefinido de NEPLAN (ej. turbinas de
viento).
Introducir un modelo dinámico definido (ej. turbinas de viento) por medio de
diagramas de bloques.
Introducir un modelo dinámico definido como un archivo DLL, escrito con ecuaciones
y modelado con Matlab.
Básicamente NEPLAN ofrece dos posibilidades para conectar un DFIG, las turbinas y los
controladores, al sistema de potencia.
1) Un enfoque muy simple consiste en conectar un DFIG estándar con una turbina y
controladores directamente a la red AC. Esto permite estudiar con gran eficacia la
influencia de los parques eólicos a la red de Transmisión y/o Subtransmisión.
2) El modelo más detallado en NEPLAN utiliza un modelo DFIG que permite conectar
gráficamente elementos externos como un PWM al rotor y el estator de la DFIG a la
Red. Esto permite estudiar todos los efectos dinámicos en detalle. Los Fabricantes
de turbinas e investigadores pueden crear sus propias turbinas y controladores con
el editor de funciones de bloques de NEPLAN o a través de librerías dinámicas (un
archivo binario DLL). Las ecuaciones del modelo se pueden introducir en Matlab. El
archivo DLL se genera automáticamente con nuestras herramientas NEPLAN Matlab.
Ejemplo de cómo ingresar un modelo simplificado de turbina eólica para
realizar estudios sobre la Red.
Las Empresas de servicios públicos pueden estudiar la influencia de una planta eólica en su
sistema de potencia con el modelo simplificado de la turbina eólica de NEPLAN. Los datos
de entrada son muy simples. Se conecta la maquina a la barra y se agrega un símbolo de
turbina eólica en el diagrama unifilar. La ventana de diálogo de la turbina eólica incluye
todos los parámetros para la velocidad del viento, la turbina y los controladores. Esta es la
forma más fácil de entrar un modelo de turbina eólica y sus controladores.
F-28
P=15.584 MW
Q=-2.375 Mvar
Simple DFIG example
with multiple machines
BUS1
30 kV
u=100.00 %
P=-15.584 MW
Q=2.375 Mvar
TR2
Tap=0
P=15.686 MW
Q=0.000 Mvar
BUS2
3.3 kV
u=99.51 %
DFIG
P=-5.686 MW
Q=0.000 Mvar
DFIG2
P=-5.200 MW
Q=0.000 Mvar
DFIG3
P=-4.800 MW
Q=0.000 Mvar
TURB3
TURB2
TURB & ROTOR CTRL
WINDSPEED
VW2
VW3
Ejemplo de cómo ingresar un modelo predefinido de turbina eólica con PWM y
sus controladores predefinidos.
Se inicia insertando el DFIG, la turbina, el rotor y el PWM asociados a la Red. Luego, y con
sólo un clic se asignan los controladores PWM predefinidos. Eso es todo. Desde este
momento se puede dar inicio a la simulación dinámica, ya sea en modo DQ (para sistemas
balanceados) o en modo ABC (para sistemas desbalanceados).
External Grid
P=4.841 MW
Q=0.000 Mva
DFIG Example with:
- Rotor side PWM
- Stator side PWM
- Turbine controller
PCC
30 kV
u=100.00 %
P=-4.841 MW
Q=0.000 Mva
- All controllers are build up
with predefined turbine
and PWM controllers
TR3
Tap=0
P=4.500 MW
Q=0.200 Mva
P=0.341 MW
Q=0.019 Mva
WT
3.3 kV
u=100.10 %
U11
0.69 kV
u=100.07 %
P=-0.341 MW
Q=-0.019 Mva
L1
P=0.341 MW
Q=0.037 Mva
U12
0.69 kV
u=100.69 %
P=-4.500 MW
Q=-0.200 Mva
NODE-R
3.3 kV
u=8.01 %
G1d
P=-0.341 MW
Q=-0.263 Mva
DC
1.15 kV
u=115.00 %
P=0.341 MW
Q=0.263 Mva
P=-0.341 MW
Q=0.000 Mva
P=-0.341 MW
Q=-0.037 Mva
P=0.341 MW
Q=0.000 Mva
Dialog of the predefiend controllers
PWM-R
PWM-G
TURBINE
windspeed
DFIG-ROTOR-CTR
PWM-GRID-CTRL
Crowbar-Protectio
Block-Diagram of the crowbar
controller
->click right mouse button, then
choose "Subsystem" in the
Popup-Menu to show the regulator
Ejemplo de energía eólica con DFIG, Turbina y PWM
Curvas de salida: Ángulo del alabe y Potencia.
->click right mouse button, then
choose "Element Properties" in the
Popup-Menu to show the regulator
Datos de entrada del DFIG - Double-Fed Induction Generator.
Introducción de una turbina predefinida y su curva de viento.
Ejemplo de cómo ingresar modelos de turbinas eólicas y controladores PWM
utilizando el editor de diagramas de bloques de NEPLAN.
NEPLAN ofrece todas las funcionalidades para crear la turbina y los controladores PWM a
través de diagramas de bloques de usuario. El diagrama de bloques se puede crear muy
fácilmente con la función gráfica de editor de bloques. NEPLAN tiene muchos bloques de
funciones predefinidos disponibles. En caso que se necesite un bloque de función que no
esté disponible en NEPLAN, el usuario puede definir su propio bloque de función (Ej. FFT,
funciones matemáticas especiales, etc.).
W
Time
NLF4
Σ
Time
UDBlock( 2 x 1 )
Lambda
UDBlock( 2 x 1 )
Windspeed
CP
Windspeed
Lamda
CP
dWindspeed
Pwind
UDBlock( 3 x 2 )
Output
W
Twind
Pw/Tw
Tm
Wind
Input
Slack
W
SLACK
Windpower
Initial Windspeed
Slack
SLACK-PREF
WMPT
W
UDBlock( 1 x 1 )
Σ
PREF
MPT
Maximum Point Tracking
Constant
TR
W
Source
Constant
Integrator
Σ
Limit1
BetaRef
Σ
WREF
KA/TA
x5
Beta
Integrator
Σ
LimitVR
dBeta
Pitch Control
Controladores de una turbina eólica construidos con la función de editor de Bloques de
NEPLAN.
Coordinate
Transformation
Input
Π
ID2*COSPHIM
ID
Π
MD1*COSPHIM
IDR
Σ
Input
Π
MQ
ID2*SINPHIM
Π
Input
Π
MD1*SINPHIM
MQ
IQ2*COSPHIM
IQR
COSPHIM
Σ
Input
Π
MQ1*COSPHIM
MD
COSPHIM
Σ
IQ2*SINPHIM
Input
Output
Σ
IQ
Output
MD
Π
Input
SINPHIM
MQ1*SINPHIM
Π
SINPHIM
PI-Controller
P & IQ
PI-Controller
LAG
Input
LAG
P-DFIG
TMP
TMI
IQM
Input
LAG
IQ
IQM/TR
Source
VDCREF
Input
Integr ator
Σ
Integrator
Σ
P
Σ
Σ
TP
TIQ
Constant
Constant
MQ1
IQREF
Input
KP
Integrator
Σ
Σ
Output
Σ
TV
PI-Controller
Q & ID
MQ
Integrator
Σ
VDC
KIQ
TQ
Constant
MQ
Constant
KV
KQ
LAG
Input
LAG
Q-DFIG
TMQ
TMI
PI-Controller
Source
Integrator
Σ
Σ
Q REF
TQ
Integrator
Σ
Σ
TI D
MD1
Source
QREF
Constant
KQ
Constant
KID
MD
Input
LAG
Q
QM/TR
Integrator
Σ
Output
Σ
TD
Constant
KD
Rotor y controladores de red PWM
MD
Ejemplo de cómo definir modelos de turbinas eólicas y controladores PWM
haciendo uso de las funcionalidades NEPLAN - Matlab
NEPLAN ofrece la posibilidad de construir un modelo de turbina eólica con una biblioteca de
vínculo dinámico (DLL). Esto permite al fabricante ocultar su turbina y controlador en un
formato binario. El desarrollo de un controlador de este tipo se puede hacer con ecuaciones
en Matlab en un formato binario. El desarrollo de un controlador de este tipo se puede hacer
con ecuaciones en Matlab. NEPLAN proporciona funcionalidades con Matlab para crear
automáticamente el archivo binario DLL que luego serán utilizados por el simulador dinámico
de NEPLAN. Los parámetros de los controladores pueden ser cambiados desde el cuadro
de diálogo de NEPLAN. Todas las variables o señales de entrada/salida de los
controladores están disponibles para uso externo. Esto permite, por ejemplo conectar
cualquier señal/variable del modelo definido por el usuario a cualquier variable del sistema.
External Grid
P=4.821 MW
Q=0.000 Mvar
PCC
30 kV
u=100.00 %
P=-4.821 MW
Q=0.000 Mvar
TR1
Tap=0
P=4.830 MW
Q=0.150 Mvar
DFIG Example with:
- Rotor side PWM converter
- Grid side PWM converter
- P, Q and U-DC will be controlled
DUMMY
10 kV
u=100.14 %
P=-4.493 MW
Q=-0.075 Mvar
P=-0.336 MW
Q=-0.076 Mvar
TR3
Tap=0
TR2
Tap=0
P=4.500 MW
Q=0.200 Mvar
P=0.341 MW
Q=0.082 Mvar
U11
0.69 kV
u=100.50 %
WT
3.3 kV
u=100.32 %
P=-0.341 MW
Q=-0.082 Mvar
L1
P=0.341 MW
Q=0.101 Mvar
U12
0.69 kV
u=102.10 %
P=-4.500 MW
Q=-0.200 Mvar
DC
1.15 kV
u=115.00 %
NODE-R
3.3 kV
u=8.03 %
P=-0.341 MW
Q=-0.264 Mvar
G1d
P=0.341 MW
Q=0.264 Mvar
P=-0.341 MW
Q=0.000 Mvar
PWM-R
N-CTRL1
P1
P
Q1
Q
IDR
IDR
CROWBAR
IQR
VD1
VD
VQ1
VQ
P=0.341 MW
Q=0.000 Mvar
Grid Side PWM - Controller
N-PWM-R
N-SIG2
N-CTRL2
N-PWM-G
MD
MD
MQ
IQR
P=-0.341 MW
Q=-0.101 Mvar
PWM-G
Rotor Side PWM - Controller
N-SIG1
- All controller models are user defined
- The controllers are build up as
"Symdef" file in Matlab.
- From Matlab a binary DLL File will be
automatically generated
- This binary model (DLL file) will be
selected in the dialog of the
user defined element
- The connection between the signals
of the conntrollers and the system
can be made very easily with
the "CCT-Signal-Block" element
MQ
VDC
VDC
IQ1
IQ
Q2
Q
MD
MD
MQ
MQ
CROWBAR
User defined Controller
as *.dll file
Controladores PWM definidos como archivos DLL. Las señales de entrada / salida puede estar
conectadas con otras variables en el sistema (por ejemplo, P, Q del rotor del modelo DFIG)
Lista de parámetros del controlador PWM los cuales se definen en el archivo binario definido
por el usuario "UDM_CTRL_DFIG-rotor".
%----------------------definitions:
%----------------------dynamic_states x1 x2 x3 x4 IDM=0.001 IQM PM=0.001 QM
external_states MD=0.001 MQ P Q
external_states IDR=0.001 IQR VD=1 VQ CROWBAR
internal_states IDREF IQREF
parameters KP TP KQ TQ
parameters KIQ TIQ KID TID
parameters PREF QREF RC XC MMAX IMAX TMI TMP IROTMAX DELAY1 DELAY2
%----------------------initializations:
%----------------------%----------------------f_equations:
%----------------------%----------------------% Vqr - control
%----------------------dt(x1) = (PREF-PM)/TP
dt(x2) = (QREF-QM)/TQ
dt(x3) = (IQREF-IQM)/TIQ
dt(x4) = (IDREF-IDM)/TID
dt(IDM)= 1/TMI*(IDR - IDM)
dt(IQM)= 1/TMI*(IQR - IQM)
dt(PM)= 1/TMP*(P - PM)
dt(QM)= 1/TMP*(Q - QM)
%----------------------% Vdr - control
%----------------------%----------------------g_equations:
%----------------------%----------------------% PQ - control
%----------------------g3 = (MD*VD+MQ*VQ) - (KIQ*(IQREF-IQM) + x3)*sqrt(VD*VD+VQ*VQ)
g4 = (MD*VQ-MQ*VD) - (KID*(IDREF-IDM) + x4)*sqrt(VD*VD+VQ*VQ)
g7 = IQREF - (KP*(PREF-PM) + x1)
g8 = IDREF - (KQ*(QREF-QM) + x2)
g15 = CROWBAR - 0
%----------------------h_equations:
%-----------------------
Definición del controlador de
Ecuaciones en Matlab.
El archivo binario DLL es
automáticamente generado
por las funcionalidades
NEPLAN – Matlab.
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