Modelado y Simulación de un Soft-Starter for a 2

Generadores de turbinas de viento MW

L. Mihet-Popa * y V. Groza **, alto miembro IEEE

* Universidad Politécnica / Máquinas y accionamientos eléctricos, Timisoara, Rumania

** Universidad de Ottawa / Depto. de Tecnologías de la Información e Ingeniería, Canadá mihetz@yahoo.com, groza@SITE.uOttawa.ca

Se evalúan Resumen-En este artículo se presenta un modelo de soft-starter y su estrategia de control para la conexión de soluciones a la red de los diferentes modos de operación para un generador de turbina de viento de 2/0.5 MW. Se discuten los tiristores de conmutación para diferentes funciones en el ángulo de disparo. También se presenta un modelo de simulación completa de una turbina eólica de velocidad constante con rotor jaula y generador de inducción bobinados del estator doble. El modelo del sistema propuesto en este trabajo se desarrolla en la herramienta de simulación del sistema de alimentación dedicada DIgSILENT, que da acceso a una amplia biblioteca, sino que requiere la aplicación del modelo de aerogenerador correspondiente. El modelo puede ser utilizado para estudiar las estrategias de control alternativas para turbinas eólicas y equipos adicionales, tales como arrancador suave unidades de compensación y sistemas de almacenamiento.

I. INTRODUCCIÓN

La gran mayoría de la potencia instalada de aerogeneradores (aerogeneradores) en el mundo es conectada a la red [1-2, 5-6,

9-12]. Generadores de inducción de rotor de jaula tienen tradicionalmente

ha utilizado en turbinas de viento a causa de sus ventajas en costos y robustez [5, 6]. Como generadores de inducción, las unidades de Soft-Starters y compensación son también componentes esenciales en cada (parques eólicos) Sistemas de turbina eólica moderna y grande [6, 9].

Las turbinas de viento pueden ser diseñados con generadores síncronos o asíncronos, y con diversas formas de conexión a la red directa e indirecta del generador. Las turbinas eólicas con generadores de inducción conectados directamente de más de 800 kW suelen estar equipadas con un arrancador suave [5, 9], logrando la sincronización a la red eléctrica y sin corrientes de irrupción masiva en el suministro, y sin los duros choques que pueden dañar y romper equipos mecánicos, tales como rodamientos, acoplamientos y engranajes [2, 4, 9, 11].

Este trabajo analiza el comportamiento de una gran parada activa de velocidad constante concepto de aerogenerador, utilizando un generador de inducción de jaula de rotor con arrollamientos dobles en el lado del estator. Para más amplia sea la gama de la potencia eléctrica

de salida del generador es con devanados de estator dobles (2/0.5MW). La conmutación entre 4/6 polos operación se hace en función de la potencia de salida [9].

Con el fin de reducir la corriente transitoria durante la conexión del generador de inducción a la red de un arrancador suave se usa [2, 9, 11]. El arrancador suave puede minimizar el impacto de arranque de la máquina de la red eléctrica y también podría ayuda a prolongar la vida útil de los componentes mecánicos. Por lo tanto, este artículo se propone un modelo de soft-starter para un gran sistema de turbina eólica de velocidad constante.

El arrancador suave está diseñado para satisfacer las necesidades de la industria de aplicaciones de generador de viento. El soft-starter modelado de arranque y control de su ejecución se describen en detalle y un conjunto de simulaciones se realizaron utilizando DIgSILENT herramienta de simulación de software.

II. PANORAMA DE LA MODELACIÓN AEROGENERADOR

El propósito del modelo es para simular el comportamiento dinámico y las propiedades eléctricas de una turbina eólica. El modelado de la turbina eólica debe crear un modelo tan simple como sea posible desde un punto de vista mecánico, pero capaz de proporcionar una buena descripción de las características eléctricas de una turbina eólica. El modelo de aerogenerador se compone de diferentes modelos de componentes: modelo del viento, modelo aerodinámico, modelo de transmisión y los componentes eléctricos que incluyen 6.4 polos modelo de inducción del generador, arrancador suave, banco de condensadores y transformadores [2, 9,11].

Como se muestra en la figura. 1, el modelo de viento genera una velocidad de viento equivalente, que, junto con el ángulo de paso de pala y la velocidad del rotor, se introducen en el bloque aerodinámico. La salida del modelo aerodinámico es el par aerodinámico, que es la entrada para el sistema de transmisión, junto con la velocidad del generador. El sistema de transmisión tiene como salida el par mecánico en el eje de alta velocidad, que se utiliza como una entrada para el modelo de generador. Por último, los modelos de bloques de control de ángulo de la hoja del bucle de control activo, en base a la potencia activa y reactiva medida y el punto de ajuste, donde la velocidad de rotación es la variable controlada.

Figura 1. Simplificado esquema del modelo de aerogenerador.

III. MODELADO la Soft-Starter DE VIENTO SOLICITUD DE TURBINA

A-arrancador suave es un controlador de voltaje de CA en la que la tensión se ajusta mediante el ajuste del ángulo de disparo de tiristores.

Con el fin de reducir la corriente transitoria durante la conexión del generador de inducción a la red 0.96kV un arrancador suave se usa [2, 9, 11]. Cuando el generador de viento es impulsado sólo bramar velocidad sincrónica (aproximadamente

93%), bajo la acción de su rotor aerodinámico, el arrancador suave está conectado y usando el control del ángulo de disparo de la máquina está conectada a través de la red, como se muestra en la figura. 2 a).

El esquema de conexión del arrancador suave alimentados con una doble polos bobinados del estator de la máquina de inducción 4/6 se presenta en la figura. 2 a).

Figura 2 b) muestra la topología totalmente controlada con una carga conectada en delta. Si tiristores se conectan en triángulo, su control se simplifica y sus calificaciones reduce considerablemente. Los arreglos delta generan, en la carga, todos los armónicos impares, pero no hay armónicos triples. Los armónicos de orden 5, 7, 11, 13 ... permanecen [7, 9].

Para obtener el controlador comenzó, dos o tres interruptores se debe cocer simultáneamente para proporcionar el camino para la corriente necesaria para mantener el estado-on. Variables de conmutación se pueden introducir para 2 tiristores conectados en anti-paralelo para cada fase y se define como igual a 1 cuando un tiristor dada está llevando a cabo e igual a 0 en caso contrario.

Se puede demostrar fácilmente que las tensiones de salida del controlador (arrancador suave) están dadas por (1):

Figura 2. Diagrama de conexión del arrancador suave con generadores de inducción y el diagrama esquemático del motor de arranque suave con delta carga conectada, b).

Dependiendo de las α ángulo de tiro, tres modos de funcionamiento del arrancador suave se pueden distinguir, con una carga puramente resistiva:

Análisis de funcionamiento del controlador con la carga RL es

(1)

difícil ya que el ángulo de extensión y el llamado ángulo límite debe ser conocido. Modo 2, caracterizado por el rápido

cambios de las corrientes de salida es imposible debido a la inductancia de carga. Los rangos de los dos restantes modos de funcionamiento son φ ≤ α <αlim para el modo 1 y αlim ≤ α <

150 ° para el modo 3. El ángulo límite se puede determinar numéricamente a partir de (2):

Las ecuaciones para el voltaje de salida RMS, del plenamente

-arrancador suave controlado con puramente resistiva e inductiva

cargas se proporcionan abajo [10]:

Carga resistiva:

abierto cerrado

La envolvente de características de control dadas por (3) a través de (7) se muestra en la figura. 3. La relación entre el ángulo de encendido y la amplificación resultante de la arrancador suave es altamente no lineal y depende, además, en el factor de potencia del elemento conectado. En el caso de una carga resistiva puede variar entre 0 (full on) y 90

(full off) grados. Mientras que en el caso de una carga puramente inductiva varía entre 90 (full on) y 180 (full off)

grados. Para cualquier factor de potencia en el medio, que va a estar en algún lugar entre estos límites [4, 7, 13], como también se puede ver en la figura. 3.

IV. CONTROL DE LA APLICACIÓN DEL ARRANCADOR SUAVE

Figura 3. Característica de control, Vout = f (α), para un arranque suave totalmente controlada [7].

Los dispositivos de conmutación son 2 tiristores conectados en anti-paralelo para cada fase. Un control completo de detalles del arrancador suave utilizando el ángulo de disparo como entrada es posible sólo en la EMT (de transitorios electromagnéticos) el modo de simulación, donde cada conmutación de tiristores se modela en detalle, mientras que la simulación RMS utiliza un modelo simplificado (como fuente de tensión controlada ).

El ángulo de disparo se calcula de acuerdo con el factor de amplificación (8), de modo que si Kin varía de 0 a 1, α tomarán los valores máximos a partir de a1 a a2 ángulos ángulo mínimo, [9]

Resultados de la simulación son proporcionados por la herramienta de software DIgSILENT [8], que combina la herramienta de simulación EMT transitoria tradicional para sistemas de potencia RMS con simulaciones de la dinámica a largo plazo.

V. RESULTADOS DE SIMULACIÓN

Las simulaciones de RMS se basan en modelos transitorios electro-mecánica, que son modelos simplificados que las utilizadas en las simulaciones EMT. Ellos son los más adecuados para la mayoría de los estudios sobre los problemas de calidad de potencia y control. Son mucho más rápido que la simulación valor instantáneo en comparación con el período, que se simula. Las simulaciones EMT (valores instantáneos), ya que se basan en modelos transitorios electromagnéticos detalladas, son

Los resultados de simulación se utilizan para la aplicación y para verificar el modelo de soft-starter y su estrategia de control implementadas.

Para obtener una representación completa de comportamiento de la máquina con diferentes valores de ángulo de fase como 110 ° (Fig. 4 a), 90 ° (Fig.

4 b) y 70 ° (Fig. 4 c) la corriente de fase (corriente de salida), la tensión de fase (tensión de salida) y la tensión de fase de entrada son presentado.

adecuada para los estudios del comportamiento de generador de viento

Con un ángulo de disparo más grande que 1.050

(Fig. 4 a) el

durante la conexión a la red o durante eventos de fallas de la red.

Esto hace que los modelos desarrollados útil para los estudios de calidad de energía, así como para los estudios de fallo de red.

En DIgSILENT el arrancador suave es un elemento independiente y las partes de control (controladores eléctricos) de la instalación eólica, ya que la aplicación de control de arranque suave, están escritos en el lenguaje de simulación DSL dinámico.

Implementación DSL incluye una descripción matemática completa de (tiempo) los sistemas no lineales lineal continua y. Un modelo de DSL también se puede convertir en una representación gráfica.

máquina trabaja con un voltaje de fase de salida inferior y

(fase de entrada entonces la tensión nominal de alimentación de corriente

tensión). También se puede ver, en la fig. 4 a), que cuando el

el ángulo de disparo aumenta los impulsos de corriente se hacen más pequeñas y más cortas. En consecuencia, el valor RMS de la corriente disminuye, como lo hace el valor RMS de la tensión de salida.

Tenga en cuenta que la corriente es siempre de forma discontinua y formas de onda tanto de la corriente y la tensión de salida están fuertemente distorsionada en comparación con sinusoides puras como el voltaje de entrada, especialmente con altos ángulos de cocción (1200).

La corriente de arranque de la máquina de 0,5 MW de inducción es 3 veces mayor que la corriente nominal, mientras que la corriente de arranque de la máquina grande de inducción (2

MW) es 8 veces superior a su valor nominal. Es claro que para la máquina 2 MW es imperativo para reducir la corriente de arranque [2, 9].

La estrategia de control implementado (regulación por pérdida aerodinámica activa), de 2 MW de turbinas eólicas contiene tres modos de funcionamiento: control de aceleración (control de

velocidad), el control de potencia (región de limitar el poder) y de control de paso directo (control de ángulo de la hoja) [2, 9]. Los modos de aceleración y de control de paso se utilizan durante el arranque, cerrar y condiciones de emergencia, mientras que el modo de control de potencia se utiliza durante las operaciones normales.

En la figura. 5 de la conexión del generador de inducción de 2 MW a la red se realiza mediante un arrancador suave. La

arrancador suave limita los transitorios de corriente y de par y

reduce implícitamente el valor de pico de potencia reactiva. Cuando la máquina de inducción de 2 MW se conectó a la

a) la red a través de un arrancador suave, la corriente de arranque se ha reducido a 1,1 veces de la corriente nominal, mientras que el pico de potencia reactiva se convirtió en 13,5 veces más pequeño que cuando la máquina se conecta directamente a la red.

El generador de inducción de 2 MW se conecta a la red a través de un arrancador suave en t = 73 segundos y entonces el arrancador suave fue aprobada por-en t = 77 segundos (Fig. 6). En el mismo tiempo, la unidad de compensación de factor de potencia comenzó a trabajar utilizando la conexión de capacitores, en función del valor medio de la potencia reactiva medida (Fig. 6). La velocidad media del viento fue de 12 (m / s). En t = 100 segundos, la velocidad media del viento se modificó al 18 (m / s) y en t = 170 segundos velocidad media del viento se modificó de nuevo en

11 (m / s) para simular los cambios repentinos en la velocidad del viento y para probar el rendimiento del sistema y implementa la estrategia de control.

Figura 4. Tensión de fase y formas de onda de corriente para alfa = 1,100, (a), para alfa = 900, (b), y para alfa = 700 (c).

VI. DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN

En este trabajo se presentó una constante de velocidad concepto de aerogenerador-activa por pérdida aerodinámica usando un rotor de jaula y generador de inducción bobinados del estator doble conectada a la red a través de un arrancador suave.

El arrancador suave para aplicaciones de turbinas eólicas se ha modelado e implementado como una función del ángulo de disparo. La secuencia de arranque de un generador de inducción alimentado arrancador suave también se ha simulado mediante DIgSILENT herramienta de simulación de sistemas de potencia.

Soft-Starters allanar el camino para la energía eólica, que proporciona una solución fiable para la sincronización de la operación de las turbinas de viento para redes distribuidas muy eficaz, de bajo coste.

Un modelo de aerogenerador completo también se ha construido para simular la influencia sobre la estabilidad transitoria de sistemas de potencia. El modelo de la turbina eólica incluye el modelo de la fluctuación del viento, lo que hará que el modelo de utilidad también para simular la calidad de la energía y para estudiar las estrategias de control de una turbina de viento.

El esquema de control se ha desarrollado para el control de la turbina incluyendo arrancador suave puesta en marcha, y la compensación del factor de potencia.

REFERENCIAS

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[12] W. Deleroi, J.B. Woudstra y A.A. Fahim, "Análisis del motor de inducción trifásico tiristor controlado con alternancia de funcionamiento simétrico y asimétrico", Actas de EMPS, vol. 16, 1989, pp 59-76

Figura 5. Simulado velocidad, activa y potencia reactiva y corriente del estator de 2 MW generador de inducción ante cambios bruscos en la velocidad del viento de (12 a 18) m / s en 100 s y después de (18 a 11) m / s en 170 s .

Figura 6 compensación reactiva de potencia con condensadores conectados en los pasos (en la parte superior) y el arrancador suave de paso obligatorio controlador. (SS_controller: KIN).