Sustav upravljanja vjetroagregatom

Zvonimir Meštrovid, mag.ing.el.techn.inf

Program stručnog usavršavanja ovlaštenih inženjera elektrotehnike u graditeljstvu

XVIII. tečaj

TVZ 14. veljače 2015.

Sadržaj

• Uvodno

• Stanje u svijetu i u Hrvatskoj

• Komponente vjetroagregata

• Osnove pretvorbe energije vjetra

• Sustav upravljanja

– Torque control

– Pitch control

Pravilna sintaksa

• Vjetrenjače (engl. Windmill)– mljevenje žita u brašno

• Vjetroagregat je elektromehanički sustav koji ostvarujepretvorbu kinetičke energije vjetra u električnu energiju

– engleski kolokvijalni naziv Wind Turbine

– pravilnije, ali rjeđe korišteno Wind Energy Conversion System (WECS)

• Vjetroturbina u hrvatskom jeziku označava rotirajudi dio vjetroagregata koji se sastoji od lopatica i ostvaruje pretvorbu energije vjetra

• Vjetroelektrana je veda skupina vjetroagregata– engleski: wind power plant

– kolokvijalni nazivi:

vjetrofarma (engl. wind farm)

vjetropark (engl. wind park)

izvo

r: R

EN2

1 G

lob

al S

tatu

s R

epo

rt2

01

4

Stan

je u

svi

jetu

Stanje u Europi

Ukupno kraj 2013:121 GW

izvor: EWEA Annual Report 2013

Izvor: HOPS

Stan

je u

Hrv

atsk

oj

VE Vrataruša42 MW

VE Ravne 15.95 MW

VE ZD49.2 MW

VE ZD2 + ZD336 MW

VE ZD6 I. faza9 MW

VE Trtar-Krtolin11.2 MW

VE Crno Brdo10 MW

VE Orlice9.6 MW

VE Jelinak30 MW

VE Pometeno brdo17.5 MW

VE Kamensko - Voštane40 MW

VE Ponikve34 MW

Ukupno: 340 MW

VE Danilo43 MW

VE Zelengrad-Obrovac 42 MW

Trend veličine

3

2

1AvPvj

Vestas V164-8.0

Komponente vjetroagregata

1. Vjetroturbina

2. Sustav za pretvorbu mehaničke energije u električnu

3. Potporna konstrukcija

4. Sustav upravljanja

Vjetroturbina

1 2 3

Zavirimo u unutrašnjost stupa...

• Viši stup snažniji i manje turbulentan vjetar

– Hstup ~ Drotor

– težina: 50 – 200 tona

• Fleksibilni i u segmentima

rešetkasti konusni

Kabeli

Ljestve

i/ililift

Upravljački

ormari

Frekvencijski

pretvarač

Platforma

Svjetla

Prirubnica

Izvor:

Danis

hW

ind

Indust

y

Zavirimo u unutrašnjost gondole…

• Gondola (engl. Nacelle)

– oplata za mirujudi i rotirajudi dio (engl. Spinner)

Izvor:

Danis

hW

ind

Indust

y

Pitch

motori

Spinner

Multiplikator

(gearbox)

Generator

Zakretanje

(Yawing)

Anemometar

i anemoskop

Elektromehanička kočnica

Glavna osovina

UpravljanjeMala osovina

Sustav za pretvorbu energije

• Izravni spoj sinkronog generatora na turbinu – tzv. Direct drive

• Frekvencijski pretvarač nazivne snage generatora

Sustav za pretvorbu energije (2)

• Multiplikator između generatora i turbine (engl. Gearbox)

• Dvostrano napajani asinkroni generator

• Frekvencijski pretvarač 1/3 Pn

Sustav upravljanja VA• Sustav upravljanja vjetroagregatom

(engl. Wind Control System, WCS)

• Primjenom industrijskih računalaili programirljivih logičkih kontrolera(PLC-ova)

• Glavne zadade sustava upravljanja vjetroagregata su:

1. Regulacija svih procesnih veličina;

2. Sekvencijsko upravljanje;

3. Dijagnostika i zaštita;

4. Kronološke registracije i arhiviranje procesnih veličina i diskretnih događaja;

5. Komunikacija s udaljenim upravljačkim središtima

Sustav upravljanja i zaštite

* redundantno realiziran i sklopovski u obliku sigurnosnog lanca

Sustav upravljanja (engl. Control system)

– Upravljanje VA u normalnom pogonu

snaga

brzina vrtnje

sekvencijsko upravljanje

zamotanost kabela

yawing

itd…

Sustav zaštite (engl. Protection system)

– Dovođenje VA u sigurno stanje u slučaju kvarnih događaja ili ekstremnih vremenskih prilika

overspeed

preopteredenje generatora

prevelike vibracije

prevelika zamotanost kabela

itd…

Sustav zaštite je nadređen sustavu upravljanja i može ga nadvladati (override), ali obratno nije nikada mogude!

Sustav zakretanja gondole

• Sustav za zakretanje gondole u smjer vjetra (engl. Yawing)

– Podmazivanje okretnice

– Odmotavanje kabela

– Obično se koristi više motora sa reduktorom

~ 0.5°/sek

Sustav zakretanja lopatica

• Sustav za zakretanje lopatica oko svoje uzdužne osi (engl. Pitching)

– Regulacija snage

– Aerodinamička kočnica (b=90°)

– Pojedinačni sustavi za svaku lopaticu

– Ormari sa akumulatorskim baterijama

~ 2.5 - 10 °/sek

KONČAR WCS

+WCSB – Gondola+WCSA – Podnožje tornja

Osnove pretvorbe energije vjetra

• Nelinearna ovisnost snage VA i snage vjetra:

• Model pretvorbe energije vjetra:

– Teorija aktuatorskog diska

– Teorija rotirajudeg diska

– Teorija segmenata lopatice

• Rezultat: Blade element and momentum theory – BEM

32

2

1vjzvj vRP

%3,59max, vj

tp

P

PCpvjzt CvRP 32

2

1 * Albert Betz

+

Omjer brzina – l

Optimalni lza moderne

vjetroturbine ~6-8

vjv

R

l

Omjer brzina (engl. Tip Speed Ratio):

Aerodinamika vjetroturbine

• Lopatice vjetroturbine dizajnirane su slično kao krila aviona

– tzv. aerodinamički profil (engl. airfoil )

Zbog karakterističnog profila zrak ne struji jednako s gornje i s donje strane krila zbog čega se javlja razlika tlakova!

Nastala razlika tlakova rezultira:• silom uzgona FL

• silom otpora FD

FL – Sila uzgona (engl. Lift force)

FD – Sila otpora (engl. Drag force)

a – Napadni kut (engl. angle of attack)

Isti mehanizam i na lopaticama VT!Razlika je što avion sam stvara struju zraka potiskom svojih motora, dok je kod vjetroturbine stvara sam vjetar!

* Presjek krila aviona gledano s boka

Aerodinamika vjetroturbine (2)

* pogled odozgo na presječenu lopaticu

Leading edge(zaobljen)

Trailing edge

Teorija segmenata lopatice

• Važno je razumjeti da brzina zraka koji struji preko lopatica nije jednaka brzini vjetra, ved rezultanti brzine vjetra i obodne brzine struje zraka na lopatici (nastale zbog kružnog kretanja lopatice)

Dodatna struja zraka na lopaticu s brzinom jednakom obodnoj brzini lopatice samo suprotnog predznaka

Teorija segmenata lopatice (2)

Teorija segmenata lopatice (3)

Teorija segmenata lopatice (4)

Fp – Sila potiska (engl. Thrust)

Ft – Sila koja uzrokuje zakretni moment

Utjecaj napadnog kuta

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Koeficijent uzgona C_L Koeficijent otpora C_D

0a

Karakteristika aerodinamičkog profila NACA 64618

Kut vitoperenja

• Obodna brzina je različita po čitavoj duljini lopatice

• Dakle, različiti je i “Tip Speed Ratio”; l

• Kako bi se ravnomjerno rasporedio napadni kut po cijeloj lopatici potrebno ju je blago zavrnuti od korijena prema vrhu

– tzv. kut vitoperenja (engl. Twist angle); b0

0°~30°

vjv

R

l

Sustav upravljanja VAKrivulja snage i upravljanje brzinom vrtnje vjetroagregata u dva

specifična radna područja

Dva specifična radna područja• Snaga vjetra proporcionalna je tredoj

potenciji brzine vjetra:– snaga izrazito brzo raste s porastom brzine vjetra!

– tipičan raspon brzina pri kojem rade suvremeni VA:od 3 do 25 m/s uz vn ≈ 11 m/s

• To ima za posljedicu postojanje dvaju vrlo različitih radnih područja VA sa specifičnim zahtjevima za sustav upravljanja

1. Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra– za vrijeme laganih vjetrova

(snaga vjetra < nazivne snage vjetroagregata)

– glavni zadatak: optimiranje iskorištenja energije vjetra

2. Upravljanje iznad nazivne brzine vjetra– za vrijeme jakih vjetrova

(snaga vjetra > nazivne snage vjetroagregata)

– glavni zadatak: ograničenje snage na nazivnu

– zaštita VA od loma

32

2

1vjzvj vRP

održavati CP max

Krivulja snage vjetroagregata

Nazivna brzina vjetra

(12 m/s)

Brzina vjetra za uključenje(2.5 m/s)

Brzina vjetra za isključenje(30 m/s)

Krivulja snage KO-VA 57/1

Nazivna snaga

Reg

ion

1

Region 2 Region 3 Region 4

Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra

• Glavni zadatak u ovom području je maksimiziranje iskorištenja energije vjetra

– mijenjanjem brzine vrtnje rotora vjetroagregataupravljanjem momentom generatora

– U engl. literaturi: Torque Control

• Stariji VA bili su izravno spojeni na mrežu

– pretvorba energije vjetra optimalna samo pri jednoj brzini vjetra

• Suvremeni VA se u pravilu na mrežu spajaju preko frekvencijskog pretvarača

– omoguduje promjenjivu brzinu vrtnje koja je preduvjet za optimiranje pretvorbe

dt

dJMM tgt

Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra (2)

• Karakteristika koeficijenta snage CP ima jasno izražen maksimum

– CP = f(l,b)

Lopatice rotora se u ovom radnom području drže na b=0°koji osigurava max. iskorištenje vjetra

*b – kut zakreta lopatica (pitch)

Zašto promjenjiva brzina?

Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra (3)

ALI!Rotor vjetroturbine stvara turbulentne vrtloge koji remete slobodnu struju zraka iza rotora.Pa se ovaj algoritam ne može iskoristiti u praksi, ali je polazišna točka za definiranje upravljačkog zakona na idudem slajdu.

Osnovna ideja:

R

vvjopt

opt

l

Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra (4)

4 6 8 10 12 14 16 18-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

l [-]

Cp [

-]

b = bopt

optl_p optC

pvjzt CvRP 32

2

1

vjv

Rl

32

3232

2

1

R

RCvRM

pvjz

t

2

3

max,

5

2

1opt

opt

pz

t

CRM

l

2

_ optoptt KM l

U stacionarnom stanju: tg MM

Upravljački zakon:2

_ l optg KMdt

dJMM tgt

Kako to radi u praksi?

1. Vjetar puše.Rotor se vrti!

2. Brzina vrtnje generatora mjeri se u svakom koraku

3. Proračun zahtijevanog momenta generatora Mg! Mg = k 2

4. Ako poraste brzina vjetra –ubrza se rotor. ( raste)Zahtijevani moment se uveda

5. Brzina vrtnje se stabilizira na novoj vrijednosti. Mg/ 2 se vrada na optimalnu vrijednost “k”

4. Ako se smanji brzina vjetra –uspori se rotor. ( pada)Zahtijevani moment se smanjiUpravljanje ispod

nazivne brzine vjetra

Upravljanje iznadnazivne brzine vjetra

• Drugo radno područje je za vrijeme jakih vjetrova kada je snaga vjetra veda od nazivne snage generatora vjetroagregata

• Glavni zadatak u ovom području je ograničenje snage vjetroagregata

– smanjenjem učinkovitosti aerodinamičke pretvorbe na lopaticama rotora;

odnosno mijenjanjem napadnog kuta kojeg “vide” lopatice

Postoje dva osnovna načina:• Stall

– pasivna regulacija

– lopatice fiksne

– iskorištava se prirodna pojava propadanja uzgona pri vedim napadnim kutovima

• Pitch

– aktivna regulacija

– zakretanje lopatica oko svoje uzdužne osi servo motorima

Pitch regulacija

• Ovaj koncept upravljanja danas je gotovo u potpunosti istisnuo pasivnu regulaciju snage i postao standard za VA u megavatnoj klasi

vvj>

Novi smjer prividnog vjetra

Pitch regulacija (2)

β - Kut zakreta lopatica (engl. Pitch angle)

Kako to radi u praksi?

1. Brzina vjetra iznad nazivne brzine. Mg=max!

2. Brzina vrtnje generatora mjeri se u svakom koraku

3. Ako poraste brzina vjetra – ubrza se rotor. ( > n)Lopatice se zakredu b++

5. Brzina vrtnje se vrada na n. Izlazna snaga ostaje konstantna!

3. Ako se brzina vjetra smanji – uspori se rotor. ( < n)Lopatice se zakredu b--

4. Aerodinamički moment pada – rotor usporava

4. Aerodinamički moment raste – rotor ubrzavaUpravljanje iznad

nazivne brzine vjetra

Sustav upravljanja

I to nije sve...

Upravljanje momentom i pitch-om:Ukupno 20 listova koda

Sveukupni sustav upravljanja:Ukupno 480 listova koda

Zaključno