Układ sterowania oraz model siłowni wiatrowej

Transkrypt

1 Układ teowania oaz model iłowni wiatowej mg inż. Gzegoz Bazyk Politechnika Szczecińka Słowa kluczowe: Siłownie wiatowe, układy teowania, model matematyczny Stezczenie: W efeacie odnieiono ię do zadań układów teowania wpółczenych iłowni wiatowych. Zapezentowano ogólny opi tuktuy modelu matematycznego tanowiącego część ozpawy doktokiej Autoa. Odnieiono ię do zalet toowania zaobów wiedzy ekpeckiej 1. Rola układu teowania wpółczenej iłowni wiatowej Zatoowanie w ytemach teowania iłowni wiatowych najnowzych tendów technologicznych powoduje ewidentny wzot ich pawności oaz wynikającej tąd poduktywności. Stopniowa ewaluacja wpółcześnie toowanych iłowni wiatowych oaz ich układów teowania od ęcznych popzez pół- do w pełni zautomatyzowanych, chaakteyzuje ię także pzejściem z metod paywnych do tzw. aktywnych. W związku z potępem cywilizacyjnym oaz pzełamywaniem kolejnych baie technicznych, zakeowi działania układów teowania poddawanych jet coaz więcej komponentów iłowni wiatowych, począwzy od egulacji mocy wyjściowej a kończywzy na kontoli hamulców zaówno płatów winika jak i gondoli. Sytemy teowania zapewniające kontolę zaówno czynników aeodynamicznych jak i typowo enegetycznych, mogą zapewnić zwiękzenie ilości podukowanej enegii oaz zapobiec zeegowi pzeegulowań lecz ich zatoowanie i wykozytanie tanowi zwykle także woity kompomi. Nadmiene ozbudowywanie układów teowania oaz wykozytywanie podytemów wchodzących w ich kład, to opócz zwiękzenia pawdopodobieńtwa uzkodzenia pozczególnych kładowych, także zwiękzenie tzw. potzeb włanych zaówno enegetycznych jak i związanych z czaem eakcji na ewentualne zmiany. Ubogi ytem teowania to z kolei zwiękzone yzyko baku optymalnych zachowań w tounku do wymuzeń. Poce konweji enegii wiatu na enegię elektyczną za pośednictwem iłowni wiatowej jet niewątpliwie pzykładem poceu nieliniowego. Jak zatem najlepiej teować tym nieliniowym układem wielu zmiennych: aeodynamicznych, mechanicznych i elektycznych? Jet to zagadnienie tanowiące wyzwanie dla każdego z pojektantów ytemów teowania wpółczenych iłowni wiatowych, póbujących ięgać po najnowze ozwiązania już toowane w paktyce, jak i pojawiające ię dopieo w fazie donieień czyto naukowych.

2 Docelowo pozukiwania te kupiają ię na oiągnięciu makymalnej mocy podukowanej pzez iłownię wiatową pzy jednoczenej minimalizacji wpływu zaówno obciążeń tzw. ieciowych oaz zmian pędkości wiatu. Zagadnienie to, w pzypadku konwencjonalnych układów teowani jet tym tudniejze do ealizacji, że ygnał wejściowy w potaci wiatu oddziałuje na oto iłowni nie tylko jako wymuzający ciągły, lecz częto także jako gwałtownie tubulentny oaz powodujący nieoczekiwane wpływy wteczne, hamujące. Nieliniowość takich oddziaływań oaz ich złożoną niepzewidywalność, można jednak póbować opiywać oaz z wyoką jakością kontolować popzez np. układ teowania pacujący w opaciu o zaoby wiedzy ekpeckiej, w tym w zczególności zaady logiki ozmytej, ang. fuzzy logic. Celowi temu łużą pozczególne kładniki modelu matematycznego zeczywitego obiektu iłowni wiatowej, w tym: model pędkości wiatu, model aeodynamiki, model układów mechaniki oaz geneatoa elektycznego. 2. Zadania układu teowania iłowni wiatowej Wpółczene iłownie wiatowe pacują w pełni automatycznie. Jet to możliwe dzięki zatoowaniu nowoczenych układów teowania, niezadko wykozytujących wiedzę ekpecką, pełniających natępujące funkcje:! Automatyczne napowadzanie winika na wiat w celu makymalnego wykozytania enegii wiatu! Załączanie i wyłączanie elektowni (Tyytoowe włączenie geneatoów w celu oganiczenia pądu włączenia).! Automatyczną płynną egulację napięcia i czętotliwości geneatoa pądu! Włączanie i wyłączanie koekcji mocy bienej.! Odkęcanie kabli wiązki enegetyczno-ygnałowej! Monitoowanie ieci enegetycznej! Monitoowanie pacy elektowni wiatowej! Zatzymywanie tubiny w pzypadku awaii. Układ teowania kontoluje pacę elektowni popzez pomia podtawowych paametów iłowni, takich jak np. kieunek wiatu; pędkość wiatu, oboty wału, oboty geneatoa, napięcie geneatoa i pądy fazowe, kolejność faz, kąt natacia łopat winika, dgania włane, napięcie zailania układów wykonawczych. Układy teowania toowane we wpółczenych elektowniach wiatowych świadczą o jakości tych uządzeń. Układy te óżnią ię metodami egulacji mocy oddawanej oaz podtawowymi koncepcjami pacy. Wyóżnia ię dwie koncepcje pacy iłowni wiatowej:

3 - ze tałą pędkością obotową, - ze zmienną pędkością obotową. Ponadto można mówić o egulacji aktywnej lub o amoczynnym (paywnym) dotoowaniu pędkości obotowej tubiny i kieunku utawienia do wiatu. Samoczynne okeślenie punktu pacy polega na zatoowaniu pofilu płata, któy powoduje utknięcie (zahamowanie) winika pzy dużych pędkościach wiatu. Regulacja aktywna to zmiana kąta utawienia płatów i kieunku utawienia elektowni za pomocą iłowników. Genealnie wzytkie pooby egulacji mocy oddawanej pzez elektownię wiatową mają na celu wytwozenie żądanego poziomu mocy pzy atyfakcjonującej jakości enegii elektycznej i minimalizacji pzejściowych pzeciążeń mechanicznych winika oaz wału łączącego winik z geneatoem (co ma wpływ na wydłużenie czau pacy elektowni). Najbadziej powzechne układy egulacji to: Regulacja utawieniem elektowni w kieunku wiatu (Yaw Contol) Regulacja kąta utawienia łopat (Active Pitch Regulation) Regulacja pzez zmianę pędkości obotowej geneatoa Regulacja pzez zmianę obciążenia (Load Contol) Regulacja pzez "pzeciągnięcie" (Stall Regulation) Regulacja lotkami łopat winika (Aileon Contol) Jeden z populanych i już znaczących w Polce poducentów i dotawców iłowni wiatowych fima Veta, dodatkowo zmodyfikowała woje ytemy teowania, wykozytujące zaady jw. budując i okeślając je jako: Optitip, Optilip, VCS. 3. Modelowanie matematyczne iłowni wiatowej Opacowanie matematycznego opiu układu konweji wiatu oaz jego układu teowania jet zagadnieniem deteminującym popawność fomułowania wnioków w zakeie tanowiącym np. opi oddziaływania dynamicznego iłowni wiatowej. Opi taki okazuje ię w waunkach Polki o tyle itotny, że zgodnie z Rozpoządzeniem Minita Gopodaki z dnia 25 wześnia w pawie zczegółowych waunków pzyłączenia podmiotów do ieci elektoenegetycznych, obotu enegią elektyczną, świadczenia uług pzeyłowych, uchu ieciowego i ekploatacji ieci oaz tandadów jakościowych obługi odbioców (Dz.U. N 85 poz. 957 z dnia 13 paździenika 2000.) każdy podmiot ubiegający ię o waunki pzyłączenia, zmuzony jet do załączenia ekpetyzy wpływu pzyłączanej intalacji na ytem elektoenegetyczny. Szeeg Spółek dytybucyjnych, Opeatoów Sytemu Rozdzielczego wymaga w teści w/w ekpetyzy opiu oddziaływania dynamicznego iłowni wiatowej, któego to elementu bez modelu matematycznego zealizować nie można...

4 Powyżzy agument, pzy jednoczenym ściśle pzetzeganym pzez poducentów iłowni wiatowych zakazem tanfeu tzw. know-how (w tym w zakeie modelu, jego paamteów itp.), tał ię jednym z motoów ealizacji pzez Autoa pzedmiotowego opiu funkcyjnego iłowni wiatowej. Szczegółowy opi model matematyczny tanowi część ozpawy doktokiej Autoa. Bioąc pod uwagę wieloakość możliwych ozwiązań technicznych wpółczenych iłowni wiatowych, Auto kupił ię na opacowaniu modelu tanowiącego opi układu, chematycznie okeślonego jak na y.1 Ry.1 Schematyczny obaz układu konweji wiatu pzyjętego do analizy Zapezentowany układ jet ozwinięciem potykanych w liteatuze [1,6] popozycji opiów pacy ytemów iłowni wiatowych. Rola układu teowania w pzedtawionym chemacie oaz poceie jego egulacji powadza ię do wytwozenia takiego ygnału teującego, któy zapewni pożądane zachowanie ię obiektu egulacji. Obiektem egulacji jet tu ogólnikowo okeślony układ konweji wiatu złożony z kilku ubytemów: części związanej z aeodynamiką płatów winika, układu mechanicznego, złożonego ze kzyni pzekładniowej oaz wałów wolno- i zybkoobotowego waz ze pzęgłami, geneatoa enegii elektycznej układów wpółpacy z iecią, w tym w zczególności inweteów IGBT Wpółczene algoytmy i metody zakładają pzeważnie możliwość dotacia do zmiennych tanu obiektu. Zazwyczaj, zmienne te ą w układzie zeczywitym niedotępne, lub tudno dotępne. Dotyczy to zaówno obiektu zeczywitego (komponentów iłowni wiatowej) jak i wiatu jako czynnika niepzewidywalnego. Tym amym dla celu poządzenia opiu funkcyjnego koniecznym taje ię toowanie etymatoów wielkości niemiezalnych, w tym więc m. in. etymatoa pędkości wiatu, etymatoa wektoa tumienia tojana.

5 Ry. 2 Filt Buttewotha 4 zędu tanowiący etymatę pędkości wiatu Ry. 3 Pzebiegi miezalne oaz etymowane pędkości wiatu Końcowym efektem modelowania układu iłowni wiatowej jet wykonanie modelu geneatoa enegii elektycznej. Dla tego celu Auto wykozytał dotępny, zeoko opiany w liteatuze model mazyny aynchonicznej (AC) w układzie dq. W tym celu, podtawowe niezbędne zależności zapezentowano poniżej: i R i R u 1 dψ = dt dψ dt jω Ψ ' 2 u = j( b ω ) b * ω Ψ M = p { jψ i } e Re 1 Ψ 1σ m = L i + L ( i + i ) Ψ ' 2 σ = L i + L ( i + i ) m Na y. 4 zapezentowano etymowane kzywe zależności kąta położenia płata winika oaz pędkości winika, któe potwiedzają wyoką zgodność pzebiegów ymulowanych z pzebiegami miezonymi.

6 4. Podumowanie Ry.4 Pzebiegi miezone oaz etymowane kąta położenia płata winika oaz pędkości obotowej otoa Aktualnie używana metoda teowania na bazie np. egulatoów PID pawdza ię całkiem dobze w poceie egulacji pzy wiatach o nikiej pędkości i niewielkiej zmienności. Dla pędkości wyżzych zaczyna ię jednak pzy tej metodzie obewować onące ocylacje. Stało ię to podtawą do ozważań o możliwości uzykania lepzych wyników pzy zatoowaniu innej metody teowania. W tym celu Auto wykozytał zaady uogólnionej metody pedykcji oaz metody ukośnej etymacji paametów. Celem egulacji jet utzymywanie pędkości obotowej winika na tałym poziomie pzy niewielkim kącie nachylenia płatów winika. Dynamiczne zachowanie tubiny ma ównież pozotawać na tałym poziomie waz ze zmieniającymi ię waunkami wietzności. Szczegółowa analiza zagadnienia, dotępna w pzygotowywanej ozpawie doktokiej Autoa, wykazała dobe wpółdziałanie po części zapezentowanego modelu z układem teowania wykozytującym zaady logiki ozmytej fuzzy logic. Zdaniem Autoa metoda fuzzy logic, ieci neuonowe oaz inne metody wykozytujące wiedzę ekpecką tanowić mogą jeżeli nie wyznacznik tendów ozwoju technologicznego wpółczenych układów teowania iłowni wiatowych to z pewnością jakościowe dobe jego uzupełnienie. 5. Liteatua 1. Ekelund T.: Modeling and linea quadatic optimal contol of wind tubine. Chalme Univeity of Technology, Technical Repot No. 306, Goetebog Muljadi E. at al: Contol Stategy fo Vaiable-Speed, Stall-Regulated Wind Tubine. Technical Repot NREL/CP , Wahington Nim E.: Coupling and Reduction of the HAWC Equation. Technical Repot Rio-R-1294; Danemak Novac J.H. at al.: EPA thid-geneation ai Quality Modeling ytem. Vol. I, Technical Repot EPA600/R95/082, 1995

7 5. Petu T.: Modeling of Wind Tubine fo Powe Sytem Studie. Chalme Univeity of Technology, Goetebog Piece K., Fingeh L.J.: Wind Tubine Contol Sytem Modeling Capabilitie. Technical Repot NREL/CP , Coloado 1998