WSPÓŁPRACA ELEKTROWNI WIATROWEJ Z MASZYNĄ DWUSTRONNIE ZASILANĄ Z SYSTEMEM ENERGETYCZNYM W WARUNKACH NIESYMETRII NAPIĘĆ

Transkrypt

1 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 oaz erch Aaea GórnczoHutncza, Kraów WSPÓŁPRACA EEKROWNI WIAROWEJ Z MASZYNĄ DWUSRONNIE ZASIANĄ Z SYSEMEM ENERGEYCZNYM W WARUNKACH NIESYMERII NAPIĘĆ WIND URBINE WIH DOUBYFED INDUCION GENERAOR OPERAION IN UNBAANCED EECRIC POWER SYSEM Abtract: h paper how reult of ulaton nvetgaton of wn turbne wth oublyfe nucton generator operaton n unbalance electrc power yte. he a of preente reearch wa analy of pact of networ event on the wn power plant echancal yte. In orer to realze the nvetgaton a ynac atheatcal oel of wn power plant ha been create. he oel allow for echancal yte of power plant, rotore electronc power converter, lprng achne an control yte. he tranon an the turbne have been oele a a x a ocllator reuce to the generator haft. he tuy reult how that voltage unbalance an hortter voltage p caue torque urge on the haft an tranon of the wn power plant. A ofcaton of etho of actve power control ha been propoe n orer to reuce the pact loa of the echancal yte. he reult of ulaton of wn power plant tranent wth ofe control yte are qute prong: a reucton of pact loa of echancal yte up to 7% ha been reache.. Wtęp Wpółpraca eletrown watrowej z ytee energetyczny to proble częto poruzany w lteraturze otyczącej onawalnych źróeł energ. Najczęścej jena analzowany jet wpływ przyłączena eletrown watrowych na yte eletroenergetyczny. Borąc po uwagę wyoe wyagana onośne bezawaryjnośc tawane eletrowno watrowy ważny jet taże proble wpływu zaburzeń w ytee energetyczny na eleenty ułau eletroechancznego eletrown. Proble jet ty barzej totny, że eletrowne watrowe ą zazwyczaj przyłączone o yteu energetycznego w puntach oalonych o użych źróeł energ, gze znaczne częścej wytępują różnego rozaju zaburzena. Cele baań, tórych wyn przeawa nnejzy artyuł, była analza wpółpracy eletrown watrowej z ytee eletroenergetyczny w warunach neyetr napęć. Zaproponowano taże etoę reucj obcążeń ułau echancznego bęących ute pracy przy neyetr napęć.. Moel ateatyczny eletrown watrowej W oelu eletrown watrowej uwzglęnono turbnę watrową, przełanę echanczną oraz uła generatora łaający ę z azyny perścenowej, przeztałtna wrnowego ułau terowana. Pozotałe eleenty eletrown tae ja tranforator opaowujący czy uła terowana łopata wrna zotały ponęte poneważ ne ały znaczena la baanego zjawa.. Moel turbny watrowej Moel turbny watrowej [] zotał uprozczony o ułau tatycznego przetwarzającego oc netyczną truena watru na oent echanczny na wale turbny. Moel turbny załaa tały ąt nachylena łopat wrna, a paraetry turbny zotały ta obrane aby oel oawał załane trójłopatowego lna watrowego o ocy znaonowej,5mw oąganej przy pręośc watru /. Moent na wale turbny oblczany jet zgone ze wzore (). 3 w V = C p( λ ) ρπ R () ω gze: ρ gętość powetrza; R ługość łopaty turbny ; V w pręość watru; ω pręość ątowa turbny; C p (λ) wpółczynn ocy turbny; λ wpółczynn zybobeżnośc turbny. ypową cechą turbn watrowych jet wytępowane au ocy przy oreślonej pręośc obrotowej []. Stratega terowana

2 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 generatora eletrycznego pracującego w eletrown watrowej polega na zaawanu ocy ayalnej rozwjanej przez turbnę przy anej pręośc watru. Moc ayalną wylcza ę z równana () oreślającego zależność poęzy ocą a pręoścą ątową przy ayalnej wartośc wpółczynna Cp la anej turbny watrowej. P ax = C p ax 3 ω R ρ Π R λ () ax. Moel ułau echancznego eletrown watrowej Uła echanczny oelowanej eletrown watrowej zotał zaoelowany jao ocylator 6 aowy [3]. Moel ten uwzglęna oent bezwłanośc wrna generatora eletrycznego, turbny watrowej, wzytch eleentów przełan echancznej oraz wzyte prężytośc tłuena eleentów łączących pozczególne eleenty ułau. Wzyte welośc zotały prowazone na wał generatora eletrycznego. Uwzglęnene wzytch eleentów przełan echancznej wyna z zaerzonego celu baana oelu eletrown ja jet analza obcążeń ułau echancznego. Moel ułau echancznego przeawa ryune. J G G D G J D J 3 D 3 J 3 34 D 34 J 4 4 D 4 Ry.. Moel ułau echancznego Oznaczene J G na ryunu oznacza oent bezwłanośc wrna generatora, zaś J to prowazony na wał wrna oent bezwłanośc turbny. Pozotałe eleenty to oenty bezwłanośc ół zębatych przełan echancznej oraz wpółczynn prężytośc tłuena wałów łączących pozczególne eleenty przełan. Moel ateatyczny ułau echancznego taw uła 6 równań różnczowych (3) opujących jego ynaę. ωg = ( e GDG) J G ω J ω = J ω3 = J 3 ( ) = G DG D ( ) D 3 D3 ( ) 3 D3 34 D34 J (3) ω4 = J 4 ω = ( ) 34 J D34 4 ( ) 4 D4.3 Moel azyny nucyjnej D4 Moel azyny nucyjnej zotał zapany we wpółrzęnych ortogonalnych xy [4], uła oneena zwązany zotał w wetore napęca tojana. ux = Rx Ψ x ωψ y uy = Ry Ψ y ωψ x (4) urx = Rrrx Ψ rx ( ω ωe) Ψ ry u ry = R r ry Ψ ry ( ω ω e ) Ψ rx = p ψ ψ e b ( ) x przy czy łaowe truen tojana wrna ają potać: ψ = ψ x y rx y x = y r rx y rx ry ψ = (5) ry r ry x ψ = y Równane echanczne azyny nucyjnej zotało ujęte w oelu ateatyczny (3) ułau echancznego, a węc ne wytępuje w równanach (4). W oelu azyny nucyjnej oonuje ę prowazena welośc wrna na tronę tojana (oznacza ę znae pr), oznaczena te zotały ponęte la uprozczena zapu..4 Moel przeztałtna energoeletroncznego Przeztałtn energoeletronczny zalający wrn azyny wutronne zalanej łaa ę z falowna ecowego, ułau pośrenczącego z onenatore oraz falowna wrnowego. Uła przeztałtna typu AC/DC/AC uożlwa wuerunowy przepływ energ, a zę zatoowanu terowana wetorowego obu falownów pozwala na realzować nezależne terowane przetwarzaną ocą czynną berną. Falown ecowy z ułae regulacj a za zaane utrzyywać tałą zaaną wartość napęca na onenatorze w obwoze pośrenczący terując w ten poób przepływe ocy czynnej przez przeztałtn [5]. Z tego wzglęu cele uprozczena w oelu przeztałtna założono tałą x

3 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 3 wartość napęca w obwoze pośrenczący pojając eleenty falowna ecowego. Sterowane falowna wrnowego zotało zrealzowane w oparcu o etoę oulacj zeroośc pulów polegającą na oulacj przebegu trójątnego o czętotlwośc 500Hz ygnałe referencyjny napęca wypracowany w ułaze terowana ocą..5 Uła terowana ocą generatora Sterowane ocą czynną berną wyawaną przez azynę wutronne zalaną o ec oparte jet o teorę ocy chwlowych Aagego [6]. Dla tojana azyny nucyjnej oc chwlowa a potać: p = u u (6) q = u x x y x u y y x y Poawając w ejce łaowych prąu tojana wartośc wynające z równań (5) oraz uwzglęnając prąowe zalane wrna la ułau terowana wetorowego zwązanego z wetore napęca tojana otaje ę natępujące równana: p q = = ψ xψ x ψ x rx ψ xψ ψ y x ry R ψ x R ψ R x rx R ψ xψ R ψ x ry y rx R R ψ R x rx ψ rxry ω ψ ω ψ y rx ψ x y y rx ω ψ ω ψ (7) y y ry W tane utalony przy ponęcu rezytancj tojana (R S =0) równana ocy ają potać: p = uxrx (8) x u q = ω u x ry Z powyżzych równań wyna, że oc czynna w ułaze terowana zwązany z wetore napęca tojana zależy o łaowej x wetora prąu wrna zaś oc berna zależy o łaowej y..6 Realzacja ułau terowana ocą generatora Z równań (8) wyna, że uła terowana ocą prowaza ę to regulacj łaowych xy prąu wrna. Do zrealzowana ułau wyagana jet nforacja o ące φ oreślony jao: ϕ = ϕ u ϕ e (9) przy czy φ u jet ąte położena wetora przetrzennego napęca tojana wylczany zgone ze wzore: uβ ϕu = atan (0) uα zaś φ e jet ąte położena wrna lczony w topnach eletrycznych zgone ze wzore: ϕ e = p ωr ϕ0 () gze: p lczba par begunów; ϕ r pręość ątowa wrna azyny; ϕ 0 położene początowe wrna azyny. Uła terowana wetorowego ocą czynną berną azyny wutronne zalanej przeawa ryune. Seć nn q* Rq ry* ry q Rp p* rx* rx p Rx Ry p, q xy xy abc abc u r ϕu Ry.. Scheat ułau terowana ocą generatora Sygnały wartośc zaanej ocy czynnej bernej tojana p * q *, pochozą z naarzęnego ułau terowana ocą eletrown. Moc czynna zaawana jet zgone z zależnoścą (), natoat zaana wartość ocy bernej zależy o atualnego zapotrzebowana yteu eletroenergetycznego. Należy przy ty uwęglęnć, że azyna wutronne zalana przetwarza oc czynną w torze tojana wrna. Zate całowta przetwarzana oc czynna wyno: p= p p () gze to poślzg azyny oatn la pręośc poynchroncznej, a ujeny la naynchroncznej. 3. Baana yulacyjne eletrown watrowej Eletrowne watrowe zazwyczaj ołączone ą o yteu eletroenergetycznego o ln ϕe AC/DC/AC r.op. GA

4 4 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 śrenego wyoego napęca. W lnach tych zgone z norą łaowa yetryczna przecwna napęć oże wynoć o % napęca znaonowego. Oprócz tego zabezpeczena ne pownny wyłączać eletrown watrowych w przypau zapau napęca tórego głęboość ługość trwana oreśla wyre przeawony na ryunu 3. Ryun 4 5 przeawają opoweno oent eletroagnetyczny generowany przez azynę oraz oent na wale łączący generator z przełaną echanczną oraz przełanę z turbną watrową. W chwl wytąpena neyetr napęć w przebegu oentu eletroagnetycznego generowanego przez azynę pojawa ę łaowa zenna o apltuze ooło 5% N czętotlwośc 00Hz Moent na wale generator przelana przełana turbna Moent na wale generator przelana Moent na wale przelana turbna 0.99 Moent na wale /N Ry. 3. Dopuzczalna głęboość ługość trwana zapau napęca Poobne ja w azynach nucyjnych pojawene ę neyetr napęć zalających tojan azyny wutronne zalanej wywołuje łaową zenną oentu eletroagnetycznego o czętotlwośc 00Hz, tóra wywołuje oatowe obcążene ułau echancznego. 3. Praca eletrown przy łaowej przecwnej napęć %U N Zayulowana ytuacja przeawa pojawene ę % łaowej przecwnej napęć w chwl czaowej 0,. Eletrowna watrowa pracuje w tane utalony z ocą znaonową,5mw. Moent eletroagnetyczny e/en Moent eletroagnetyczny azyny Cza [] Ry. 4. Moent eletroagnetyczny generowany przez azynę Cza [] Ry. 5. Moenty w pozczególnych puntach przełan echancznej Słaowa zenna oentu eletroagnetycznego wywołana neyetrą napęć na pozoe %U N w barzo ały topnu przeno ę na uła echanczny co wać na ry. 5. Słaowa zenna oentu na wale łączący generator z przełaną a apltuę ooło 0,% N. Ocylacje w ułaze echanczny bęące ute tego pobuzena, uwacznają ę jao łaowa zenna oentu na wale przełana turbna ają apltuę ne przeraczającą 0,% N. Welośc te ą znaczne nejze nż obcążena ułau echancznego wynające ze zan pręośc watru ne ają węzego wpływu na prace eletrown watrowej. 3. Praca eletrown przy zapaze napęca w jenej faze o 0,5UN Zgone z wyagana operatora yteu eletroenergetycznego eletrowna watrowa ne oże być ołączona o ec w przypau wytąpena zapau napęca o 0,5U N przy czae trwana ne łużzy nż 0,6 (ry. 3). Przebeg pozczególnych welośc echancznych w ta tane pracy zotały przeawone na ryunach 6 7. W chwl wytąpena zapau napęca o 0,5U N w przebegu oentu eletroagnetycznego pojawa ę łaowa zenna o apltuze ooło 0% N czętotlwośc 00Hz.

5 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 5 Moent eletroagnetyczny e/en Moent eletroagnetyczny azyny Cza [] Ry. 6. Moent eletroagnetyczny generowany przez azynę Moent na wale /N Moent na wale generator przelana przełana turbna.6 Moent na wale generator przelana Moent na wale przelana turbna Cza [] Ry. 7. Moenty w pozczególnych puntach przełan echancznej Ja wać na ryunu 7 łaowa zenna oentu eletroagnetycznego wywołuje ocylacje w ułaze echanczny o początowej apltuze ooło 60% N. W przypau, gy eletrowna pracuje z ocą znaonową oznacza to przeroczene wartośc znaonowych oentu przenozonego przez uła echanczny o 60%. Przecążene tego rzęu ne jet z pewnoścą nzczące la ułau echancznego, ale powouje zybze jego zużyce wpływa na zwęzene awaryjnośc eletrown watrowej. 4. Baana yulacyjne eletrown watrowej ze zoyfowany ułae terowana ocą Moyfacja ułau terowana a na celu reucję obcążeń ułau echancznego a węc pownna zapewnać lepzą ontrolę oentu eletroechancznego. Proponowana zana polega na zatąpenu terowana ocą czynną eletryczną na zacach tojana wrna generatora ocą echanczną na wale azyny. Moce eletryczna (na wyjścu) echanczna (na wejścu) różną ę co o welośc ze wzglęu na traty w generatorze, przy czy generatory toowane w eletrownach użej ocy oągają barzo wyoe prawnośc. Z przeprowazonych baań wyna, że proponowana zana poobu terowana ocy czynnej generatora neznaczne wpływa na zanę puntu pracy eletrown watrowej ne a wpływu na efetywność przetwarzana energ watru. Moc echanczna na wale azyny oreślona jet zależnoścą: P = e ω () Zate o terowana ocą echanczną oneczny jet poar pręośc ątowej wału azyny oraz oentu eletroechancznego generowanego przez azynę. W przypau azyny perścenowej wyznaczane oentu eletroechancznego jet tounowo prote ze wzglęu na ożlwość poaru prąów tojana wrna. Przeztałcając równane oentu (równana 4) otaje ę potać: = p (3) e b ( ) 4. Praca eletrown przy zapaze napęca w jenej faze o 0,5UN Ja zotało przeawone w punce 3. łaowa przecwna napęca o %U N opuzczalna w ecach o tórych przyłączone ą eletrowne watrowe ne powouje znaczących obcążeń ułau echancznego. Dlatego też po uwagę wzęto prace eletrown ze zoyfowany ułae terowana przy ayalny zapaze napęca opuzczalny norą (ry. 3). Moent eletroagnetyczny e/en Cza [] rx y ry Moent eletroagnetyczny azyny Ry. 8. Moent eletroagnetyczny generowany przez azynę W tach aych warunach pracy ja przeawona w punce 3. apltua łaowej zennej oentu eletroagnetycznego wy x

6 6 Zezyty Probleowe Mazyny Eletryczne Nr 80/008 no ooło 60% N, zate zotała zreuowana o ooło 45%. Moent na wale /N Moent na wale generator przelana przełana turbna. Moent na wale generator przelana Moent na wale przelana turbna Cza [] Ry. 9. Moenty w pozczególnych puntach przełan echancznej Ja wać na ryunu 9 znacznej reucj uległy ocylacje w ułaze echanczny eletrown. W chwl wytąpena zapau napęca w jenej faze łaowa zenna oentu eletroagnetycznego wywołuje ocylacje w ułaze echanczny o początowej apltuze ooło 7% N, co tanow reucję obcążeń ułau echancznego o ooło 7% w tounu o analogcznego przypau z layczny ułae terowana generatora. Różnce w przebegach oentów na wale generator przełana najlepej wać na zetawenu tych welośc na ryunu 0. Moent na wale /N Moent na wale generator przelana Moent w ułaze ze zoyfowany terowane Moent w ułaze z layczny terowane wynająca z zaburzeń w ytee eletroenergetyczny jet totna, jao że a bezpośren wpływ na cza eploatacj eletrown jej awaryjność. Zaproponowana etoa jet barzo prota o zatoowana ze wzglęu na bezpośreną otępność poarową ygnałów potrzebnych o jej zrealzowana. Rezultaty zatoowana oyfacj terowana ocą eletrown wyają ę być obecujące. W alzy tou baań zotane przeprowazona weryfacja poarowa proponowanej etoy w ułaze laboratoryjny. 6. teratura []. Kuleza K., Wtow S., Guzń J.: Eletrowna watrowa z azyną wutronne zalaną baana yulacyjne. Zezyty Nauowe Wyzału Eletrotechn Autoaty Poltechn Gańej, r. 003, Nr 9, []. Swarczyń J., Dzaec A., Zaruz J., Grzegor J., Sotnczny J., erch. : Kaaa zaworowa (=cont) jao generator eletryczny łown watrowej. Przeglą Eletrotechnczny. 004 R. 80 nr [3]. Kołe W., Mchna J., Noga M.: Dynaa yteów eletroenergetycznych w hutnctwe. Wyawnctwo Ślą, Katowce 98. [4]. Swarczyń J., Zbgnew.: Mazyny eletryczne. Cz., eora. Wyawnctwa AGH, Kraów, r. 99. [5]. ubośny Z. : Eletrowne watrowe w ytee eletroenergetyczny. Wyawnctwa Nauowo echnczne, r [6]. Aag H., Kanazawa Y., Nabae A.: Generalze theory of the ntantaneou reactve power n the threephae crcut. IPEC oyo' 83 Autor gr nż. oaz erch, lerch@agh.eu.pl Katera Mazyn Eletrycznych AGH, Kraów Cza [] Ry. 0. Moenty na wale generator przełana w eletrown z layczny zoyfowany terowane ocą 5. Pouowane Długotrwała bezawaryjna praca eletrown watrowej jet jeny z głównych ryterów oceny jej ontrucj. Najłabzy punte eletrown watrowych z azyną wutronne zalaną jet przełana echanczna. Dlatego też reucja obcążeń ułau echancznego