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.
