風力発電プラント - 誘導発電機

この例では、可変ピッチ風力タービンで駆動する誘導発電機 (IG) を使用した、9 MW 風力発電プラントのフェーザシミュレーションを示します。

Richard Gagnon (Hydro-Quebec)

説明

6 つの 1.5 MW 風力タービンで構成される風力発電プラントが 25 kV 配電システムに接続され、25 km 25 kV のフィーダーを通して 120 kV の送電系統に電力を搬送します。9 MW の風力発電プラントは、1.5 MW 風力タービンの 3 つのペアでシミュレーションを実行します。風力タービンでは、かご型誘導発電機 (IG) が使用されます。固定子の巻線は 60 Hz の送電系統に直接接続され、回転子は可変ピッチ風力タービンで駆動します。ピッチ角を制御して、基準風速 (9 m/s) を超える風に対し、発電機の出力電力をノミナル値に制限します。発電するには、IG の速度が同期速度をわずかに上回らなければなりません。速度は概ね、負荷なしの 1 pu と全負荷での 1.005 pu の間で変動します。各風力タービンには、電圧、電流、マシン速度をモニターする保護システムが備わっています。

IG により吸収される無効電力は、各風力タービンの低電圧母線に接続されたコンデンサバンク (1.5 MW タービンの各ペアにつき 400 kvar) によって部分的に補償されます。母線 B25 で 25 kV の電圧を 1 pu 近くに維持するために必要な残りの無効電力は、3% の低下設定をもつ 3 Mvar の STATCOM によって提供されます。

"Wind Farm" ブロックを開き、"Wind Turbine 1" に注目します。タービンメニューを開き、タービンと発電機用に指定されている 2 組のパラメーターを確認します。各 wind turbine ブロックは 2 基の 1.5 MW タービンを表します。タービンメニューを開き、[Turbine data] を選択して [Display wind-turbine power characteristics] をオンにします。タービンの機械動力がタービン速度の関数として、4 m/s から 10 m/s までの風速に対し表示されます。定格機械動力 (1pu=3 MW) を生む基準風速は 9 m/s です。風力タービンモデルと STATCOM モデル (FACTS ライブラリ) は、長時間のシミュレーションによる過渡安定性タイプの調査が可能なフェーザモデルです。この例では、システムは 20 秒間観察されます。

各タービンに適用される風速は、"Wind 1" から "Wind 3" までのブロックにより制御されます。まず、風速は 8 m/s に設定され、次に t=2 秒のとき "Wind turbine 1" で、風速が 3 秒で 11 m/s に急上昇します。同じ突風が Turbine 2 と Turbine 3 に、それぞれ 2 秒遅れと 4 秒遅れで適用されます。続いて t=15 秒で、"Wind Turbine 2" の低電圧端子 (575 V) に一時的故障が加えられます。

シミュレーション

風速の変化に対するタービンの応答

シミュレーションを開始して "Wind Turbines" スコープで信号を観察し、各タービンにつき有効電力と無効電力、発電機の速度、風速およびピッチ角をモニターします。各タービンのペアで、(風速の増加と共に) 生成される有効電力が滑らかに増加し始め、およそ 8 秒で定格値の 3 MW に達します。その時間枠において、タービンの速度は 1.0028 pu から 1.0047 pu まで増加することになります。最初、タービン翼のピッチ角は 0°となっています。出力電力が 3 MW を超えると、出力電力をノミナル値に戻すために、ピッチ角は 0°から 8°に増やされます。生成される有効電力が増えるに従い、吸収される無効電力が増えることを観察してください。定格電力のとき、風力タービンの各ペアは 1.47 Mvar を吸収します。11 m/s の風速では、B25 母線で測定される合計搬送電力は 9 MW であり、STATCOM が 1.62 Mvar を生成することにより電圧を 0.984 pu に維持します ("B25 Bus" スコープおよび "Statcom" スコープを参照)。

保護システムの動作

t=15 秒で、相間の故障が風力タービン 2 の端子に適用され、t=15.11 秒でタービンは回路が切断されます。"Wind Turbine Protections" ブロックの内部を見ると、切断は AC Undervoltage 保護により開始されていることがわかります。タービン 2 の回路が切断された後、タービン 1 および 3 はそれぞれ 3 MW の発電を続けます。

STATCOM の影響

次に、"STATCOM" の影響を観察します。まず、"Three-Phase Fault" ブロックのメニューを開き、相間故障を無効化します。次に、"STATCOM" の "Trip" 入力に接続されている "Manual Switch" ブロックをダブルクリックして、"STATCOM" を非稼動状態にします。再度、シミュレーションを実行してください。"B25 Bus" スコープで、無効電力のサポートがないため、母線 "B25" の電圧が 0.91 pu に下がることを観察します。この低電圧状態は、"Wind Turbine 1" の IG のオーバーロードにつながります。"Wind Turbine 1" は t=13.43 秒で回路が切断されます。"Wind Turbine Protections" ブロックを見ると、切断は AC Overcurrent 保護により開始されていることがわかります。

初期条件の再生成

この例は、シミュレーションが定常状態で開始されるようにすべて初期化された状態でセットアップされています。初期条件は、"WindFarmInductionGenerators.mat" ファイルに保存されています。このモデルを開くと、InitFcn コールバック ([モデルプロパティ]、[コールバック] 内) によってこの .mat ファイルの内容 ("xInitial" 変数) がワークスペースに自動的に読み込まれます。

このモデルを変更するか、電力コンポーネントのパラメーター値を変更すると、"xInitial" 変数に保存された初期条件は無効になり、Simulink® によりエラーメッセージが表示されます。変更したモデルの初期条件を再生成するには、以下に示した手順に従います。

1. [コンフィギュレーションパラメーター] ペインで、[初期状態] パラメーターをオフにして、[最終状態] パラメーターをオンにします。

2. "Wind Farm" サブシステムを開き、"Wind1"、"Wind2" および "Wind3" というラベルの付いた Timer ブロックで "Time(s)" ベクトルを 100 で乗算することによって、風速の変化を一時的に無効化します。

3. "Wind Farm" サブシステムで "Three-Phase Fault" ブロックをダブルクリックし、AB の地絡故障を無効化します ("Phase A Fault" および "Phase B Fault" を選択解除)。

4. シミュレーションを開始します。シミュレーションが完了したら、スコープに表示される波形を観察して、定常状態に達したことを確認します。"xFinal" 配列に保存されている最終状態は、次回のシミュレーションで初期状態として使用できます。次の 2 つのコマンドを実行すると、これらの最終状態が "xInitial" にコピーされ、この変数が新しいファイル (MyModelInit.mat) に保存されます。

>> xInitial=xFinal;

>> save MyModelInit xInitial

5. [モデルプロパティ] ペインの [InitFcn] ウィンドウで、初期化コマンドの最初の行を "load MyModelInit" に置き換えます。次回、このモデルを開くと、MyModelInit.mat ファイルに保存された変数 xInitial がワークスペースに読み込まれます。

6. [コンフィギュレーションパラメーター] ペインで、[初期状態] をオンにします。

7.シミュレーションを開始し、モデルが定常状態で開始したことを確認します。

8. "Wind Farm" サブシステムを開き、"Wind1"、"Wind2" および "Wind3" というラベルの付いた Timer ブロックで、それぞれ t=2 秒、t=4 秒、t=6 秒での風速の変更を再度有効にします (増倍率 100 を削除)。

9. "Wind Farm" サブシステムで、"Three-Phase Fault" ブロックの AB 地絡故障を再度有効にします ("Phase A Fault" および "Phase B Fault" を選択)。

10. モデルを保存します。