Sustav upravljanja vjetroagregatom

Transcript

1 Sustav upravljanja vjetroagregatom Zvonimir Meštrovid, mag.ing.el.techn.inf Program stručnog usavršavanja ovlaštenih inženjera elektrotehnike u graditeljstvu XVIII. tečaj TVZ 14. veljače 2015.

2 Sadržaj Uvodno Stanje u svijetu i u Hrvatskoj Komponente vjetroagregata Osnove pretvorbe energije vjetra Sustav upravljanja Torque control Pitch control

3 Pravilna sintaksa Vjetrenjače (engl. Windmill) mljevenje žita u brašno Vjetroagregat je elektromehanički sustav koji ostvaruje pretvorbu 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)

4 Stanje u svijetu izvor: REN21 Global Status Report 2014

5 Stanje u Europi Ukupno kraj 2013: 121 GW izvor: EWEA Annual Report 2013

6 Stanje u Hrvatskoj Izvor: HOPS

7 Ukupno: 340 MW VE Vrataruša 42 MW VE Ravne MW VE ZD6 I. faza 9 MW VE Zelengrad-Obrovac 42 MW VE ZD4 9.2 MW VE ZD2 + ZD3 36 MW VE Crno Brdo 10 MW VE Orlice 9.6 MW VE Jelinak 30 MW VE Pometeno brdo 17.5 MW VE Trtar-Krtolin 11.2 MW VE Danilo 43 MW VE Kamensko - Voštane 40 MW VE Ponikve 34 MW

8 Trend veličine Pvj 1 Av 2 3 Vestas V

9 Komponente vjetroagregata 1. Vjetroturbina 2. Sustav za pretvorbu mehaničke energije u električnu 3. Potporna konstrukcija 4. Sustav upravljanja

10 Vjetroturbina 1 2 3

11 Izvor: Danish Wind Industy Zavirimo u unutrašnjost stupa... Viši stup snažniji i manje turbulentan vjetar H stup ~ D rotor težina: tona Fleksibilni i u segmentima Kabeli Prirubnica Ljestve i/ili lift Svjetla Platforma Upravljački ormar i Frekvencijski pretvarač rešetkasti konusni

12 Zavirimo u Izvor: Danish Wind Industy unutrašnjost gondole Gondola (engl. Nacelle) oplata za mirujudi i rotirajudi dio (engl. Spinner) Pitch motori Anemometar i anemoskop Mala osovina Upravljanje Glavna osovina Generator Spinner Multiplikator (gearbox) Elektromehanička kočnica Zakretanje (Yawing)

13 Sustav za pretvorbu energije Izravni spoj sinkronog generatora na turbinu tzv. Direct drive Frekvencijski pretvarač nazivne snage generatora

14 Sustav za pretvorbu energije (2) Multiplikator između generatora i turbine (engl. Gearbox) Dvostrano napajani asinkroni generator Frekvencijski pretvarač 1 / 3 P n

15 Sustav upravljanja vjetroagregatom (engl. Wind Control System, WCS) Sustav upravljanja VA Primjenom industrijskih računala ili 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

16 Sustav upravljanja i zaštite Sustav upravljanja (engl. Control system) Sustav zaštite (engl. Protection system) Upravljanje VA u normalnom pogonu snaga brzina vrtnje sekvencijsko upravljanje zamotanost kabela yawing itd Dovođenje VA u sigurno stanje u slučaju kvarnih događaja ili ekstremnih vremenskih prilika overspeed preopteredenje generatora prevelike vibracije prevelika zamotanost kabela itd * redundantno realiziran i sklopovski u obliku sigurnosnog lanca Sustav zaštite je nadređen sustavu upravljanja i može ga nadvladati (override), ali obratno nije nikada mogude!

17 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

18 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 ~ /sek

19 KONČAR WCS +WCSA Podnožje tornja +WCSB Gondola

20 Osnove pretvorbe energije vjetra Nelinearna ovisnost snage VA i snage vjetra: Model pretvorbe energije vjetra: Teorija aktuatorskog diska P vj R v z 3 vj Teorija rotirajudeg diska + Teorija segmenata lopatice P t R v z 3 vj C p C P t p, max Pvj 59,3% * Albert Betz Rezultat: Blade element and momentum theory BEM

21 Omjer brzina l Omjer brzina (engl. Tip Speed Ratio): l R v vj Optimalni l za moderne vjetroturbine ~6-8

22 Aerodinamika vjetroturbine Lopatice vjetroturbine dizajnirane su slično kao krila aviona tzv. aerodinamički profil (engl. airfoil ) * Presjek krila aviona gledano s boka 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 F L silom otpora F D F L Sila uzgona (engl. Lift force) F D 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!

23 Aerodinamika vjetroturbine (2) * pogled odozgo na presječenu lopaticu Trailing edge Leading edge (zaobljen)

24 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

25 Teorija segmenata lopatice (2)

26 Teorija segmenata lopatice (3)

27 Teorija segmenata lopatice (4) F p Sila potiska (engl. Thrust) F t Sila koja uzrokuje zakretni moment

28 Utjecaj napadnog kuta Koeficijent uzgona C_L Koeficijent otpora C_D 1,5 1 0, ,5-1 a 0-1,5 Karakteristika aerodinamičkog profila NACA 64618

29 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 R l v vj tzv. kut vitoperenja (engl. Twist angle); b 0 ~30 0

30 Sustav upravljanja VA Krivulja snage i upravljanje brzinom vrtnje vjetroagregata u dva specifična radna područja

31 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 v n 11 m/s P vj R v z 3 vj 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 održavati C P max 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 Region 1 Krivulja snage vjetroagregata Krivulja snage KO-VA 57/1 Nazivna snaga Region 2 Region 3 Region 4 Brzina vjetra za uključenje (2.5 m/s) Nazivna brzina vjetra (12 m/s) Brzina vjetra za isključenje (30 m/s)

33 Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra Glavni zadatak u ovom području je maksimiziranje iskorištenja energije vjetra mijenjanjem brzine vrtnje rotora vjetroagregata upravljanjem momentom generatora U engl. literaturi: Torque Control M t M g J t d dt 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

34 Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra (2) Karakteristika koeficijenta snage C P ima jasno izražen maksimum C P = f(l,b) Lopatice rotora se u ovom radnom području drže na b=0 koji osigurava max. iskorištenje vjetra *b kut zakreta lopatica (pitch)

35 Zašto promjenjiva brzina?

36 Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra (3) Osnovna ideja: opt l opt R v vj 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.

37 C p [-] Upravljanje ispod b = b opt nazivne brzine vjetra (4) l opt C p _ opt P t l [-] 2 R v z 3 vj C p l R v vj M t R v z 3 vj C p 2 R 2 R 3 3 M t R C z l 3 opt p,max 2 opt M t K l _ opt 2 opt M t M g J t d dt U stacionarnom stanju: Upravljački zakon: M g M g K M t l _ opt 2

38 Kako to radi u praksi? 1. Vjetar puše. Rotor se vrti! 2. Brzina vrtnje generatora mjeri se u svakom koraku 4. Ako poraste brzina vjetra ubrza se rotor. ( raste) Zahtijevani moment se uveda 3. Proračun zahtijevanog momenta generatora M g! M g = k 2 5. Brzina vrtnje se stabilizira na novoj vrijednosti. M g / 2 se vrada na optimalnu vrijednost k Upravljanje ispod nazivne brzine vjetra 4. Ako se smanji brzina vjetra uspori se rotor. ( pada) Zahtijevani moment se smanji

39 Upravljanje iznad nazivne 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 Stall pasivna regulacija lopatice fiksne iskorištava se prirodna pojava propadanja uzgona pri vedim napadnim kutovima Postoje dva osnovna načina: Pitch aktivna regulacija zakretanje lopatica oko svoje uzdužne osi servo motorima

40 Pitch regulacija Ovaj koncept upravljanja danas je gotovo u potpunosti istisnuo pasivnu regulaciju snage i postao standard za VA u megavatnoj klasi v vj > Novi smjer prividnog vjetra

41 β - Kut zakreta lopatica (engl. Pitch angle) Pitch regulacija (2)

42 Kako to radi u praksi? 1. Brzina vjetra iznad nazivne brzine. M g =max! 3. Ako poraste brzina vjetra ubrza se rotor. ( > n ) Lopatice se zakredu b++ 4. Aerodinamički moment pada rotor usporava 2. Brzina vrtnje generatora mjeri se u svakom koraku 5. Brzina vrtnje se vrada na n. Izlazna snaga ostaje konstantna! Upravljanje iznad nazivne brzine vjetra 3. Ako se brzina vjetra smanji uspori se rotor. ( < n ) Lopatice se zakredu b-- 4. Aerodinamički moment raste rotor ubrzava

43 Sustav upravljanja

44 I to nije sve... Upravljanje momentom i pitch-om: Ukupno 20 listova koda Sveukupni sustav upravljanja: Ukupno 480 listova koda

45 Zaključno