Microsoft Word - Parte 1.doc

Transcriere

1 ANALIZA FENOMENELOR TRANZITORII ÎN SISTEMUL ENERGETIC EOLIAN NAVAL Dring Florenţiu Deliu Acaemia Navală Mircea cel Bâtrân Constanţa Dring Gheorghe Samoilescu Acaemia Navală Mircea cel Bâtrân Constanţa Dr Laura Cizer Acaemia Navală Mircea cel Bâtrân Constanţa ABSTRACT: În lucrare se analizează conucerea sistemului electroenergetic eolian naval Performanţele inamice ale sistemului sunt analizate avân în veere iverse funcţii e variaţie a vitezei vântului Generatorul sincron trebuie astfel conus încât să se obţină funcţionarea în punctele e putere maximă Se urmăreşte captarea cu ranamente maxime a energiilor eoliene în sistemul energetic naval acesta fiin folosit oar ca sursă complementară e energie funcţionân oar cân acumulatoarele electrice sunt la capacitatea minimă amisă şi nu pot satisface consumatorii electrici 1 Depenenţa curentului statoric la începutul procesului Din moelul ortogonal al generatorului sincron cu magneţi permanenţi reiese: curentul e amortizare in axa I - D curentul statoric in axa se "stinge" în acelaşi interval e timp cu variaţia vitezei unghiulare ar are valori mai mari atingân valoarea e 11[A] în vecinătatea punctului iniţial [1] Viteza unghiulară rotorică la arborele generatorului sincron cu magneţi permanenţi ω creşte lent e la valoarea iniţială = 314[ra / s] la valoarea finală = 888[ra / s] v Figura 1 şi ANALYSIS OF TRANSITORY PHENOMENA WITHIN ONBOARD WIND ENERGY SYSTEMS Eng Florenţiu Deliu PhD Mircea cel Bătrân Naval Acaemy Eng Gheorghe Samoilescu PhD Mircea cel Bătrân Naval Acaemy Laura Cizer PhD Mircea cel Bătrân Naval Acaemy ABSTRACT: The purpose of this paper is to analyse the conuct of a naval win energy system The ynamic performances of this particular system are examine by taking into account the ifferent functions in the variation of the win spee Thus the synchronous generator nees to be exploite in such a manner that peaks of maximum power are obtaine Our main purpose is to capture win energies of maximum output within the onboar energy system that is use solely as a complementary energy source an provie the electric accumulators operate at the minimum permissible capacity an cannot comply with the electric consumers 1 Depenency of stator current at the beginning of process The orthogonal moel of magnet synchronous generator shows that: the current attenuation from the -axis I D - stator current from the -axis ies out within the same time interval as the variation of angular spee; however it reaches greater values of 11 [A] in the proximity of the initial point [1 ] The rotor angular spee at the axle of the permanent magnet synchronous generator ω slowly increases from its initial value: = 314[ra / s] to its final value: = 888[ra / s] as shown in Figures 1 an 7

2 Fig1 Variaţia în timp curentului I D Fig1 Time Variation for I D Current Datorită lui momentului e inerţie (J) viteza unghiulară se moifică lent Cuplul electromagnetic: M elmg = 001I Iq + Iq I + 005IqID se moifică e la valoarea iniţială = 06[Nm] la valoarea finală ) = 18[Nm] într-un interval e timp e orinul secunelor v Figura 3 (0) M elmg ( M elmg Fig Variaţia în timp a vitezei Unghiulare Fig Time Variation for Angular Spee Due to the moment of inertia (J) the angular spee slowly moifies The electromagnetic couple: M elmg = 001I Iq + Iq I + 005IqI changes its initial value from = 06[Nm] to its final value of ) = 18[Nm] within a time interval of only a few secons as shown in figure 3 (0) M elmg ( M elmg Fig3 Variaţia în timp a cuplului electromagnetic Fig 3 Time Variation for Electromagnetic Couple Din cauza momentelor e inerţie ( J = mr ) mari procesele mecanice sunt lente şi eci moificările curente ale vitezei vântului sunt "amortizate " e către turbina e vânt navală Puterea electrică obţinută este fluctuantă şi epine e viteza vântului la Due to the moments of inertia of consierable values ( J = mr ) the mechanical processes are slow an therefore the current changes in the win spee are absorbe by the onboar naval turbine The electric power that has been thus obtaine is fluctuating an epenable on the cubic win 8

3 puterea a treia acă funcţionarea are loc în punctele e putere maximă ar cum sistemul energetic eolian prezintă atorită momentelor e inerţie mari o importantă componentă inerţială mecanică funcţionarea în punctele e putere maximă nu este toteauna posibilă şi chiar mai mult se poate observa că în cele mai multe perioae e timp funcţionarea sistemului nu este optimă oricât e rapi ar fi sistemul e conucere Funcţionarea în punctele e putere maximă nu este toteauna posibilă Consierân o funcţionare iniţială optimală la viteza vântului V 1(laP max ) în punctul P 1 (figura 4) prin moificarea vitezei vântului la valoareav punctul e funcţionare trece în P i iar viteza unghiulară la axul turbinei nu se moifică atorită inerţiei mecanice mari [13456] spee provie the system is operational within peaks of maximum power; on the other han the win energy system has an important inertial an mechanical component - triggere by the momentums of inertia of consierable values - which oes not always allow the system to operate within its peaks of maximum power Furthermore the system operation is not optimal uring most perios of time regarless its turn of spee The system operation is not always possible within its peaks of maximum power Taking into consieration the optimal initial operation at win spee of V 1 (at P max ) in point P 1 (figure 4) following the change in the win spee at value V the function point moves to P i whereas the angular spee at the turbine axis oes not change ue to the high values recore by the mechanical inertia [13456] Fig4 Moificarea punctului e funcţionare Fig4 Change in the function point Se etermină mărimile importante în punctul P e putere maximă 1 : P TVN = 00[W ] - puterea mecanică ată e turbina e vânt navală P GSMP = 199[W ] - puterea electrică ată e generatorul sincron cu magneţi permanenţi ω TVN = 0[ra / s] - viteza unghiulară mecanică la turbina e vânt navală U R = 35[V ] - tensiunea la bornele generatorului sincron cu magneţi permanenţi I R = 08[ A] - curentul ebitat e generatorul sincron cu magneţi permanenţi The important values are measure in the maximum power peak P 1 : P TVN = 00[W ] - mechanical power exerte by the onboar win turbine P GSMP = 199[W ] - electric power exerte by the permanent magnent synchronous generator ω TVN = 0[ra / s] - mechanical angular spee for the onboar win turbine U R = 35[V ] - terminal voltage within the permanent magnent synchronous generator I R = 08[ A] - current exerte by the permanent magnent synchronous generator 9

4 f = 50[Hz] - frecvenţa la generatorul sincron cu magneţi permanenţi Ψ S = 13[Wb] - fluxul statoric la generatorul sincron cu magneţi permanenţi Sistemul funcţionează la viteza iniţială V = 5[m / s] La viteza vântului V = 10[m / s] se moifică caracteristica mecanică a turbinei e vânt navală astfel încât şi cuplul la generatorul sincron cu magneţi permanenţi se moifică Stabilitatea sistemului energetic eolian în funcţie e rezistenţa e sarcină a generatorului sincron cu magneţi permanenţi Nu se moifică R - atorită inerţiei mecanice mari a turbinei e vânt navale turaţia se ω 0[ra / s] consieră constantă ( TVN = ) se obţine sistemul e ecuaţii algebrice e mai jos În cazul în care nu intervine sistemul e reglare şi rezistenţa echivalentă e la bornele generatorului sincron cu magneţi permanenţi are valoarea R = 83097[ Ω ] iar viteza vântului este e V = 5[m / s] [7] f = 50[Hz] - frequency of the permanent magnent synchronous generator Ψ S = 13[Wb] - statoric flux within the permanent magnent synchronous generator The system operates at the initial spee of V = 5[m / s] The win spee of V = 10[m / s] changes the mechanical characteristic of the onboar win turbine along with the couple of the permanent magnent synchronous generator The stability of the win energy the system accoring to the loaing resistance of the permanent magnet synchronous generator R stays the same ue to the high values of the mechanical inertia of the onboar win turbine the spee of rotations is constant ( ω TVN = 0[ra / s] ) the following set of equations can be obtaine provie control system oes not infere the output resultant resistance of the permanent magnet synchronous generator has the value of R = 83097[ Ω ] an the value of the win spee is [7] 30

5 V = 10 ωtvn = 0 R = U = 16I ω 008Iq Uq = 16Iq + ω 007I + ω Ψ MP MG = 001IqI + ΨMPIq U = RI Uq = RIq 15 = + 0 TVN 05 TVN 0 V M ω = V PTVN ω TVN ω 5 TVN P = UI + UqI q Q = UIq + UqI P cos φ = P + Q 314 ω = ω TVN 0 Ψ MP = 13 ω f = 68 I + I q IR = 3 U + U q U R = 3 Ψ = + Ψ + s (008 Iq) ( MP 007 I ) (1) Soluţiile sistemului sunt: The solutions for the system are as follows: Ψs = 1996 Wb f = 50 Hz Q = 0 VAR ΨMP = 13 Wb cos φ = 1 ωtvn = 0 ra / s V = 10 m / s R = Ω MG = Nm U = 183 V P = 1996 W Uq = V UR = 3514 V I = A IR = 0897 A MTVN = 9661 Nm I q = A P TVN = W ω = 314 ra / s În cazul în care sistemul funcţionează la viteza finală 10[m / s] V = R = [ Ω ] şi ω TVN = 0[ra / s] = ct rezultă: P TVN = 931[W ] ; P GSMP = 199[W ] ; U R = 35[V ] ; I R = 08[ A] ; When the system operates at the final spee of V = 10[m / s] R = [ Ω ] an ω TVN = 0[ra / s] = ct the results are as follows: P TVN = 931[W ] ; P GSMP = 199[W ] ; U R = 35[V ] ; I R = 08[ A] ; M GSMP = 06[Nm] ; M TVN = 9[Nm] 31

6 Cân se moifică R la schimbarea valorii vitezei vântului e la 5[m / s] la 10 [m / s] prin sistemul e conucere se moifică valoarea rezistenţei echivalente e la bornele generatorului sincron cu magneţi permanenţi la valoarea corespunzătoare vitezei V = 10[m / s] valoarea acesteia evenin : R = 8697[ Ω ] V = 10 ωtvn = 0 R = 8697 U = 16I ω 008Iq Uq = 16Iq + ω 007 I + ωψ MP MG = 001IqI + Ψ MPIq U = RI Uq = RIq 15 = V + 0 M TVN 05ω TVN = V + PTVN 05ω TVN 0 ω TVN 5 P = UI + UqIq Q = UIq + UqI P cos φ = P + Q 314 ω = ωtvn 0 Ψ MP = 13 ω f = 68 I + I q IR = 3 U + U q UR = 3 Ψ s = (008I q) + ( Ψ MP I ) M GSMP = 06[Nm] ; M TVN = 9[Nm] When the value of R changes along with the win spee from 5[m / s] to 10 [m / s] the system moifies the value of the output resultant resistance of the permanent magnet synchronous which has the same spee value that is V = 10[m / s] an the resistance value becomes: R = 8697[ Ω ] () Ψs = 1996 Wb f = 50 Hz Q = 0 VAR ΨMP = 13 Wb cos φ = 1 ωtvn = 00 ra / s V = 100 m / s R = 8697 Ω MG = Nm U = 134 V P = 0058 W Uq = V UR = 3514 V I = A IR = A MTVN = 9661 Nm Iq = 0496 A PTVN = W ω = 314 ra / s Punctul e funcţionare este caracterizat e valorile mărimilor V = 10[m / s]r = 8697[ Ω ] şi The functionn peak is characterize by the quantum values V = 10[m / s]r = 8697[ Ω ] an 3

7 ω T = 0[ra / s] soluţiile sistemului () pentru aceste valori fiin: P TVN = 931[W ] ; P GSMP = 00[W ] ; M GSMP = 064[Nm] ; M TVN = 96[Nm] Pe caracteristica mecanică a turbina e vânt navală la V = 10[m / s] trecerea in punctul P i în punctul final P se poate observa prin simulare cu moelul matematic următor: ω T = 0[ra / s] the solutions to the system () for these values being: P TVN = 931[W ] ; P GSMP = 00[W ] ; M GSMP = 064[Nm] ; M TVN = 96[Nm] At the mechanical characteristic of the onboar win turbine at V = 10[m / s] the change from P i to the final peak P can be observe following the simulation that uses the mathematical moel own below: I = + I + D I 16I 007 ω008iq 005 ω0053i t t Q Iq I Q 8697 Iq = ω007 I + 16Iq ω13 + ω005id t t I = I I + D t D 007 t Iq 0 = t t 5 ω = 001IIq + Iq I + 005I t qi D ( ω 56569) I ( 0) = Iq ( 0) = 0496 ( 0) = 0 ID ( 0) = 0 ω(0) = 314 Valoarea finală I + Iq = = [A] Curentul e amortizare in axa q I Q se "stinge" în 004 [s] avân valori mici (între 00 şi 00001[A]) figura 5 şi 6 (3) The final value I + Iq = = [A] The current attenuation from the q axis ( I Q ) ies out in 004 [s] recoring low values (between 00 an 00001[A]) SeeFigures 5 an 6 Fig 5 Variaţia curentul statoric în timp Fig 6 Variaţia curentul în timp Fig 5 Variation of statoric current in time Fig 6 Variation of current in time Curentul e amortizare in axa I D se "stinge" în acelaşi interval e timp ar are valori mai mari: atingân 00[A] în The current attenuation from the axis ( D I ) ies out in the same time interval although it reaches higher values: 00[A] in 33

8 vecinătatea punctului iniţial V Figura 7 Viteza unghiulară rotorică la arborele generatorului sincron cu magneţi permanenţi ω creşte lent e la valoarea iniţială = 314[ra / s] la valoarea finală = 888[ra / s] v Figura 8 the proximity of the initial peak See Figure 7 The rotor angular spee at the axle of the permanent magnet synchronous generator ( ω ) slowly increases from the initial value of = 314[ra / s] to the final value of = 888[ra / s] as shown in Figure 8 Fig 7 Variaţia în timp a curentul I D Fig 7 I D Current Variationn in Time Fig 8 Variaţia în timp a vitezei Unghiulare Fig 8 Angular Spee Variation in Time Cuplul electromagnetic: M elmg = 001I Iq + Iq I Iq se moifică e la valoarea iniţială = 06[Nm] la valoarea finală ) = 18[Nm] într-un interval e timp e orinul secunelor v Figura 9 (0) M elmg ( M elmg The electromagnetic couple: M elmg = 001I Iq + Iq I Iq changes its initial value M elmg (0) = 06[Nm] to the final value: M elmg ( ) = 18[Nm] within a time interval of secons as shown in Figure 9 Fig 9 Variaţia în timp a cuplului electromagnetic Fig 9 Electromagnetic Couple Variation in Time 3 Concluzii În sistemele electroenergetice e pe nave analiza fenomenelor tranzitorii care apar în funcţionarea sistemului eolian este esenţială Această stabilitate în funcţionare este eterminată e variaţia vitezei vântului în timp şi e sistemul e conucere şi chiar în regim static punctele e funcţionare pot să fie stabile sau instabile 3 Conclusions Within the on-boar electro-energetical power systems the stuy of transient phenomena evelope uring the operation of the win system is vital While operating this stability is conitione by both the variation of win spee in time an the control system although the function peaks can be either stable or instable even in a non-operating state 34

9 BIBLIOGRAFIE 1 Babescu M Maşina Sincronă -Moelare- Ientificare-Simulare Eitura POLITEHNICA Timişoara 003 Bolea I Unifie treatment of core losses an saturation in the othogonal axis moel of electric machines IEE Proceeings Vol 134 PtB No Celanovic N Boroyevich D A fast space-vector moulation algorithm for multilevel three-phase converters IEE Trans In Appl vol 37 no pp Mar Puttonen P Salo MTuusa H Win power plant harmonics reuction using current source inverter with a controlle PWM rectifier in Proc EPE Graz Austria Sep 001 CD-ROM 5 Qiao W Harley RG an Venayagamoorthy GK "Coorinate Reactive Power Control of a Large Win Farm an a STATCOM Using Heuristic Dynamic Programming" IEEE Trans Energy Convers vol 4 no pp June 009 BIBLIOGRAPHY 1 Babescu M Maşina Sincronă-Moelare- Ientificare-Simulare Eitura POLITEHNICA Timişoara 003 Bolea I Unifie treatment of core losses an saturation in the othogonal axis moel of electric machines IEE Proceeings Vol 134 Pt B No Celanovic N Boroyevich D A fast space-vector moulation algorithm for multilevel three-phase converters IEE Trans In Appl vol 37 no pp Mar Puttonen P Salo MTuusa H Win power plant harmonics reuction using current source inverter with a controlle PWM rectifier in Proc EPE Graz Austria Sep 001 CD-ROM 5 Qiao W RGHarley an GKVenayagamoorthy "Coorinate Reactive Power Control of a Large Win Farm an a STATCOM Using Heuristic Dynamic Programming" IEEE Trans Energy Convers vol 4 no pp June