Transcript
Upravljanje obnovljivim izvorima energije, ak.g. 2013/2014 Upravljanje vjetroagregatom Izv. prof. dr. sc. Mario Vašak
Pregled predavanja • Princip aerodinamičke pretvorbe • Statička karakteristika vjetroagregata • Matematički model vjetroagregata u eksplicitnom obliku • Modeliranje vjetra • Klasično upravljanje ispod i iznad nazivne brzine vjetra • Strukturna opterećenja vjetroagregata i upravljanje s ciljem smanjenja tih opterećenja • Napredni algoritmi upravljanja vjetroagregatom
Aerodinamička pretvorba • Snaga vjetra
1 3 P = ρ Av 2
Aerodinamička pretvorba • Model aktuatorskog diska
v d=
(1 − a ) v vj ,0
Pd
2 ρ Ad v
3 vj ,0
a (1 − a
2
)
Pd ,max 16 = = 59,3% 1 27 3 ρ Av vj ,0 2
Aerodinamička pretvorba • Model rotirajućeg diska
v d ,t = a ' ω r ∆v t ,uk = 2a ' ω r δ= M z δ= Mt ρδ Ad v d 2a ' ω r δ Pt
2
1 3 2 ρv vj ,0 2r πδ r 4a ' (1 − a ) λr 2 λr
=
ωr v vj ,0
Aerodinamička pretvorba • Teorija segmenata lopatice - zrakoplov
1 δ FL = CL ρv 2 l t δ r 2 1 δ FD = CD ρv 2 l t δ r 2
Aerodinamička pretvorba • Teorija segmenata lopatice - vjetroagregat
Aerodinamička pretvorba • Kombinacija teorije segmenata lopatice i modela aktuatorskog i rotirajućeg diska • Iterativni proračun koeficijenata a i a’ po kratkim segmentima lopatica • Za moment: • Za silu potiska: Za svaki komad ∆r:
ak , ak' → φ → α → CL ,CD → ak +1, ak' +1 →
Matematičkim model VA u eksplicitnom obliku • Iterativni proračun obavi se unaprijed za razne vrijednosti brzine vjetra vvj,0, brzine vrtnje rotora ω i kuta zakreta lopatica β, te se pozbroje doprinosi po obodu rotora • Dobiju se vrijednosti snage turbine Pt, zakretnog momenta Mt i sile potiska Fp 1 Pt = ρ R 2π v vj3 ,0Cp ( λ, β ) ω R 2 Pt 1 λ = 3 2 M= = ρ R π v C λ , β ) t vj ,0 Q ( v vj ,0 ω 2 1 Fp = ρ R 2π v vj2 ,0Ct ( λ, β ) 2
Matematički model VA u eksplicitnom obliku
λopt
Fizikalni princip rada • Da bi se napadni kut držao na optimalnoj vrijednosti za pretvorbu, treba odgovarajuće podesiti omjer ω i vvj,0 (λ) • VA kod kojih nije moguće zakretati lopatice – napadni kut se povećava iznad optimalnog za velike brzine vjetra – velika konstrukcijska opterećenja
Fizikalni princip rada • VA kod kojeg je moguće zakretati lopatice (β) – Napadni kut se smanjuje ispod optimalnog ako se želi ograničiti snaga koju se preuzima iz vjetra – smanjenje konstrukcijskih opterećenja – Precizna regulacija snage generatora na nazivnu iznad nazivne brzine vjetra (u zatvorenoj petlji) – Sigurnost (β=90°)
Statičke karakteristike VA s promjenjivim β
Osnovni režimi upravljanja
Dinamički matematički model • Nelinearni model:
Dinamički matematički model • Linearizacija u radnoj točki i Laplaceova transformacija:
Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra • Idejno:
Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra • Ali brzinu vjetra ne možemo mjeriti • Stoga
Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra
Upravljanje iznad nazivne brzine vjetra
Strukturna opterećenja • Opterećenja u korijenu lopatice, u rotirajućem koordinatnom sustavu lopatice – sile
Θ1 i =1
i =3
Fos,i = Fos,a,i + Fos,g ,i + Fos,in,i os ∈ {x,y,z} i =2 1 Fos,a,i = ρ R 2π CF ,os ( λi , β i ) v vj2 ,i 2
Strukturna opterećenja • Opterećenja u korijenu lopatice, u rotirajućem koordinatnom sustavu lopatice – momenti
Θ1 i =1
i =3
Mos,i = Mos,a,i + Mos,g ,i + Mos,in,i os ∈ {x,y,z} i =2 1 Mos,a,i = ρ R 3π CM ,os ( λi , β i ) v vj2 ,i 2
Strukturna opterećenja • Redoslijed projekcija dalje: --> rotirajući koordinatni sustav glavčine --> mirujući koordinatni sustav glavčine koordinatni sustav vrha tornja; npr. za mirujući koord. sustav glavčine:
Strukturna opterećenja • Dodatno uvođenje fleksibilnosti tornja u x i y osi dodaje nove inercijske komponente, te ga treba uzeti u obzir kod aerodinamičke pretvorbe • Za sintezu sustava upravljanja koji uzima u obzir neuniformni vjetar treba koristiti detaljnije modele zakretnog momenta i sile potiska, te njihanje tornja u dvije osi
Neuniformni vjetar – utjecaj na opterećenja • Vjetar promjenjiv u x, y, z, t – po v i smjeru • Kvazideterminističke promjene: okomiti profil vjetra, sjena tornja • Zajedno s odstupanjem smjera vjetra od normale na rotor i odstupanjem osi vrtnje od smjera vjetra (otklon osovine) generiraju se periodičke komponente opterećenja na lopatice
Neuniformni vjetar – utjecaj na opterećenja
Prijelaz opterećenja s rotacijskog na mirujući dio konstrukcije • Transformacija momenta aerodinamičkih opterećenja lopatica u y osi u mirujući sustav glavčine
3 Mcos za k=1 2 Msin
sin
Prijelaz opterećenja s rotacijskog na mirujući dio konstrukcije
• Ciklusi opterećenja ciklusi naprezanja zamor materijala
Načini upravljanja za smanjenje strukturnih opterećenja • Smanjenje aerodinamičkih naprezanja • Pojedinačno zakretanje lopatica
– Simultano oko zahtijevanog β (da se ne remeti upravljanje brzinom vrtnje) – Za mali iznos – da nelinearnost βω ne dolazi do izražaja – Dovoljno sporo da to slijedni sustav zakreta lopatica može odraditi
• Potrebna informacija o opterećenju u korijenu lopatica koje je uzrokovano lokalnim vjetrom na lopaticama – mjerenje ili estimacija tog opterećenja
Načini upravljanja za smanjenje strukturnih opterećenja
M y ,i ≡ M i • Fokus na periodička momentna opterećenja u korijenu lopatica frekvencije 1p u y-osi, koja uvijaju lopatice u smjeru vjetra – Za njihovo anuliranje je slijedni sustav dovoljno brz
Načini upravljanja za smanjenje strukturnih opterećenja
Ili estimacije
Md i Mq bit će kosinusna i sinusna komponenta prvog harmonika u Mi, zašumljena zbog prisustva viših harmonika
Načini upravljanja za smanjenje strukturnih opterećenja
Ili estimacije
Model za sintezu:
Smetnja, nemodelirani efekti
∑β
i ,ref
=0
Bitno je ne povećati harmonike iza 1p
Postupci estimacije opterećenja u korijenu lopatice • Korištenje senzora opterećenja na mirujućem dijelu konstrukcije – Estimacija Kalmanovim filtrom na temelju modela kako ta mjerenja koreliraju s opterećenjima u korijenu lopatice + estimacija sile potiska na rotor za koju je potrebna estimacija brzine vjetra vvj,0 – Koriste se jednadžbe transformacija opterećenja iz koordinatnog sustava lopatica u mirujući koordinatni sustav • vrlo slične Parkovim transformacijama pa se estimacijom direktno dobiva Md i Mq
Postupci estimacije opterećenja u korijenu lopatice • Bez senzora opterećenja – korištenjem poznatih okomitog profila vjetra i kuta otklona normale rotora od smjera vjetra (taj signal postoji) – Kalman filtar s modelom u dq osima
Validacija sustava upravljanja u normalnim i ekstremnim uvjetima • Detaljni simulacijski alat GH-Bladed
– Ima certifikat Germanischer Lloyd osiguravajuće kuće – Korisnik može vrlo detaljno modelirati vjetroagregat
• Analiza opsežnih simulacija u raznim slučajevima – Vjetrovi • Konstantni • Prijelazni • Turbulentni vjetrovi (postoje odgovarajući stohastički modeli)
– Vjetroagregat • Normalno stanje – U radu ili zaustavljen
• Kvarno stanje
Validacija sustava upravljanja u normalnim i ekstremnim uvjetima • Off-line analiza rezultata mnogobrojnih i dugotrajnih simulacija s ciljem određivanja – Ekstremnih opterećenja u ključnim točkama konstrukcije – Zamora materijala – Proizvodnje električne energije
Validacija sustava upravljanja u normalnim i ekstremnim uvjetima • Zamor materijala • Minerovo pravilo – Total damage Dt Dt < 1
Validacija sustava upravljanja u normalnim i ekstremnim uvjetima • Procjena proizvodnje električne energije • Statička Weibullova razdioba
• Dinamička Uz turbulentne vjetrove raznih srednjih brzina, pri čemu se inztenzitet turbulencija određuje von Karmanovim modelom
Generiranje pobudnih vremenskih serija vjetra, u nekoliko prostornih točaka ispred rotora
×
Preporučena literatura • Mate Jelavić. Upravljanje vjetroagregatom s ciljem smanjenja dinamičkih opterećenja konstrukcije. Doktorska disertacija. FER, 2009. • Daljnja literatura navedena je u popisu literature ove disertacije
Mogućnosti primjene naprednih metoda upravljanja • U različitim radnim točkama vjetroagregata moguće su vrlo različite dinamike • Osnovno upravljanje ispod i iznad nazivne brzine vrtnje – Sinteza koja uzima u obzir postojanje različitih dinamika, uvažava ograničenja na sustav (npr. konačna brzina servomotora za zakret lopatica) i teži proizvodnji čim veće snage – optimalno upravljanje
• Smanjenje periodičnih opterećenja mirne konstrukcije (frekvencije 3p, zbog sjene tornja zamor!) ostvarivim signalima βi koji sadrže više harmonike i ne remete regulaciju brzine vrtnje – Kriterij upravljanja direktno usmjeren zamoru (gradijentu zamora) materijala, uz ograničenja na amplitudu i brzinu promjene βi, te uz uvjet da je suma promjena βi jednaka 0 ili, drugačije, da se ne remete moment turbine i sila potiska
