Post on 22-Jan-2016
description
UNIVERSITY OF ZAGREBFaculty of Electrical Engineering and Computing
Department for Control and Computer Engineering in AutomationUnska 3, Zagreb, CROATIA
Sustav upravljanja vjetroelektranom
Mate Jelavić
2
Sadržaj• Fizikalne osnove
• Radna područja
• Analiza dinamike sustava
• Struktura sustava upravljanja
• Identifikacija sustava
Vjetroelektrane u MW klasi
3
Fizikalne osnove pretvorbe energije vjetra
1/JT Ma
Mtr
Mg
--+
ω
VJE
TAR PRETVORBA
ENERGIJE VJETRA U ENERGIJU
VRTNJE ROTORA
2 31
2v z vP R v 2 31
2t z v pP R v C
,p vjC f v , ,p vjC f v , ,p vjC f v
Snaga vjetra: Snaga turbine:
Cp - Koeficijent učinkovitosti
(Performance coefficient)
- kut zakreta lopatica oko uzdužne osi – Pitch angle
1/JT Ma
Mtr
Mg
--+
ω
VJET
AR
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
Vvj,
ω
β
4
Fizikalne osnove pretvorbe energije vjetra
Tip speed ratio:
vj
R
v
,pC f
4 6 8 10 12 14 16 18
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
[-]
Cp [
-]
= 0o
= 5o
= 8o
= 20o
5
Radna područja vjetroelektraneDef: Nazivna brzina vjetra – najmanja brzina vjetra pri kojoj
vjetroelektrana ostvaruje nazivnu snagu
Ispod nazivne brzine vjetra
• Snaga vjetra manja od nominalne snage vjetroelektrane
• Optimiranje iskorištenja energije vjetra
Iznad nazivne brzine vjetra
• Snaga vjetra puno veća od nominalne snage vjetroelektrane
• Ograničenje snage na nominalnu
Radna područja
t gP M
• Ograničenje brzine vrtnje na nominalnu
6
Radno područje ispod nazivne brzine vjetra
4 6 8 10 12 14 16 18-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
[-]
Cp [
-]
= opt
2 31
2t z v pP R v C
2 3 2 3
2 3
1
2z v p
t
R v C RM
R
vj
R
v
2 31
2z v pt
t
R v CPM
5 32
3 3
1
2z v p
t
R v CM
R
52
3
1
2z p
t
R CM
2t optM K
U stacionarnom stanju:
2g optM K
• Moguće upravljanje u otvorenoj petlji
g tM M
Upravljački zakon:
7
Područje rada iznad nazivne brzine vjetra
• Maksimalna brzina vjetra 2-3 puta veća od nominalne
• Maksimalna snaga vjetra ( ~v3vj ) 8-27 puta veća od nominalne
• Ograničenje snage zakretanjem lopatica
4 6 8 10 12 14 16 18
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
[-]
Cp [
-]
= 0o
= 5o
= 8o
= 20o
• Velika osjetljivost brzine vrtnje na promjene kuta zakreta
• Uzrokuje opterećenja na konstrukciju
8
Struktura sustava upravljanja
REGULATOR KUTA
ZAKRETA
βref
--REGULATOR
BRZINE VRTNJE – Pitch controller
ωref
βmj
Mjerenje kuta zakreta lopatice
1/JT Mt
Mtr
Mg
--+
ω
VJE
TA
R
vvj,ω,
βSERVO POGON
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
Mjerenje brzine vrtnje rotora
REGULATOR MOMENTA
GENERATORA
GENERATOR + FREKVENCIJSKI
PRETVARAČ
- Mg
Mjerenje brzine vrtnje rotora
Mgref
β
ωref
REGULATOR KUTA
ZAKRETA
βref
--REGULATOR
BRZINE VRTNJE – Pitch controller
ωref
βmj
Mjerenje kuta zakreta lopatice
1/JT Mt
Mtr
Mg
--+
ω
VJE
TA
R
vvj,ω,
βSERVO POGON
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
Mjerenje brzine vrtnje rotora
β
1/JT Mt
Mtr
Mg
--+
ω
VJE
TA
R
vvj,ω,
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
β
9
Dinamika sustava
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t [s]
[ra
d/s
]
/vvj
vvj = 2.5 m/s
vvj = 5 m/s
vvj = 9 m/s
• Simulacijski paket “GH Bladed” korišten umjesto realnog postrojenja
10
Dinamika sustava
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
t [s]
[rad
/s]
/vvj
vv = 15 m/s
vv = 20 m/s
vv = 30 m/s
11
Dinamika sustava
vvj [m/s] T63% [s] |K| [rad/m]
normirano na vrijednosti pri
vvj = 30 m/s
T63%
----------- T63%_30m/s
|K|-----------
|K|30m/s
2.5 36.40 0.7468 40.4 6.3
5.0 17.92 0.8152 19.9 6.8
9.0 10.4 0.8153 11.6 6.8
11.4 8.46 0.8285 9.4 6.9
15.0 4.64 0.4156 5.2 3.5
20.0 2.04 0.2229 2.3 1.9
25.0 1.16 0.1528 1.3 1.3
30.0 0.90 0.1190 1 1
12
Dinamika sustava
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
t [s]
[rad
/s]
/
vv = 11.4 m/s
vv = 15 m/s
vv = 30 m/s
13
Dinamika sustava
Vvj
[m/s]
pozitivni skok kuta zakreta negativni skok kuta zakreta
T63%
[s]|K|
[1/s]
normirano
T63%
[s]|K|
[1/s]
normirano
T63%
----------T63%_30m/s
|K|---------|K|30m/s
T63%
----------T63%_30m/s
|K|---------|K|30m/s
11.4 10.48 0.177 11.2 1.3 6.68 0.099 6.7 0.7
15.0 4.44 0.251 4.7 1.9 5.44 0.288 5.4 2.1
20.0 1.94 0.181 2.1 1.4 2.18 0.202 2.2 1.4
25.0 1.28 0.150 1.4 1.1 1.42 0.163 1.4 1.2
30.0 0.94 0.131 1 1 1.00 0.140 1 1
14
Dinamika sustava
0 200 400 600 800 1000 1200 1400-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
t [s]
[rad
/s]
/Mg
vvj = 3 m/s
vvj = 5 m/s
vvj = 9 m/s
15
Dinamika sustava
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
t [s]
[rad
/s]
/Mg
vvj = 11.4 m/s
vvj = 20 m/s
vvj = 30 m/s
16
Dinamika sustava
vvj [m/s]
pozitivni skok momenta gen. negativni skok momenta gen.
T63%
[s]
|K|X 10-3
[rad/Nms]
normirano
T63%
[s]
|K|X 10-3
[rad/Nms]
normirano
T63%
----------T63%_30m/s
|K|---------|K|30m/s
T63%
----------T63%_30m/s
|K|---------|K|30m/s
3.0 37.84 0.385 70.1 49.7 43.36 0.430 83.4 55.8
5.0 25.24 0.247 46.7 31.9 20.56 0.213 39.5 27.7
9.0 11.84 0.122 21.9 15.7 11.22 0.117 21.6 15.2
11.4 10.00 0.102 18.5 13.2 9.16 0.098 17.6 12.7
15.0 5.40 0.048 10.0 6.2 5.18 0.047 9.9 6.2
20.0 2.48 0.021 4.6 2.7 2.24 0.021 4.3 2.7
25.0 1.30 0.012 2.4 1.5 0.84 0.012 1.6 1.5
30.0 0.54 0.008 1 1 0.52 0.008 1 1
17
Identifikacija sustava
• Velike promjene dinamike sustava s promjenom brzine vjetra
• Nije moguće opisati cijeli sustav jednim linearnim modelom
• Identifikacija linearnih modela procesa po radnim točkama
• Projektiranje regulatora za svaku radnu točku – Gain scheduling
• Radne točke određuje brzina vjetra
• Model procesa s jednim ulazom i više izlaza – MISO
• Izlaz sustava – brzina vrtnje rotora ω
• Ulazi sustava – brzina vjetra, kut zakreta lopatice, moment generatora
18
Identifikacija sustava
REGULATOR KUTA
ZAKRETA
βref
--REGULATOR
BRZINE VRTNJE – Pitch controller
ωref
βmj
Mjerenje kuta zakreta lopatice
1/JT Mt
Mtr
Mg
--+
ω
VJE
TA
R
vvj,ω,
βSERVO POGON
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
Mjerenje brzine vrtnje rotora
REGULATOR MOMENTA
GENERATORA
GENERATOR + FREKVENCIJSKI
PRETVARAČ
- Mg
Mjerenje brzine vrtnje rotora
Mgref
β
ωref
?ref
sG s
s
Mg
gref
sG s
M s
_v vjvj
sG s
v s
19
Momentna metoda
0 50 100 150 200 250 3000.16
0.17
0.18
0.19
0.2
0.21
0.22
ref [
rad
]
0 50 100 150 200 250 3002.6
2.8
3
3.2
3.4
[
rad
/s]
t [s]
4 3 2
4 3 2
0.582 s - 3.228 s - 2.328 s - 0.505 s - 0.042
s + 0.967 s + 0.323 s + 0.049 s + 0.003ref
sG s
s
20
Momentna metoda
-5
0
5
10
15
20
25
Magnitude (
dB
)
(rad/sec)10
-210
-110
010
110
210
30
45
90
135
180
Phase (
deg)
0 50 100 150 200 250 3002.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
t [s]
[r
ad/s
]odziv modelaodziv sustava
21
Vlastite frekvencije sustava
• Komponente vjetroelektrane (lopatice, toranj...) izrađuju se od laganih i fleksibilnih materijala
• Strukturna svojstva konstrukcije određuju vlastite frekvencije sustava
• Mogućnost pobuđivanja pojedinih vlastitih frekvencija sustavom upravljanja - Rezonancija
• Bladed koristi:• 11 vlastitih frekvencija za opis lopatice• 4 vlastite frekvencije za opis tornja
22
Vlastite frekvencije sustava
Vlastite frekvencije sustava [Hz]
Lopatice Toranj
U ravnini vrtnje"In plane"
Okomito na ravninu vrtnje
"Out of plane"
Naprijed nazad"Fore-aft"
Lijevo desno"Side-side"
2.32 1.48 0.45 0.45
2.32 1.48 3.28 3.19
4.29 1.48
6.49 3.46
6.49 3.46
3.46
23
Spektralna analiza
0 50 100 150 200 250 300-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
[ra
d/s
]
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
t [s]
re
f [ra
d]
Chirp signal frekvencije od 10-4 do 10 Hz
24
Spektralna analiza
10-1
100
101
102
10-2
100
Am
plit
ud
e
10-1
100
101
102
-400
-200
0
200
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
10-2
10-1
100
101
102
10-2
100
102
Am
plit
ud
e
10-2
10-1
100
101
102
-400
-200
0
200
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
Spektralna analiza
Momentna metoda
Estimirane karakteristične frekvencije [Hz]
Vlastite frekvencije sustava [Hz]
0.4688 0.45 1. Tower mode
1.3984 1.48 1. Out of plane mode
3.8341 3.46 2. Out of plane mode
4.3182 4.29 2. In plane mode
25
Identifikacija parametarskih modela za vvj = 15m/s
1 0
na nb
i ii i
k a k i k d i
b u
• Pobuda - PRBS signal
• Parametri PRBS signala:
Δt ≈ 2.77/ωg = 0.05 s
A = 1o/s = 0.0175 rad
Td = 0.05
T = 1.5 T95 = 25.55 s
Nprbs = 9
TM = 4·T = 102.15 s
vj ref grefv M u
ARX model procesa:
26
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
[ra
d/s]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
t [s]
re
f [ra
d]
27
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
REGULATOR KUTA
ZAKRETA
βref
--REGULATOR
BRZINE VRTNJE – Pitch controller
ωref
βmj
Mjerenje kuta zakreta lopatice
1/JT Mt
Mtr
Mg
--+
ω
VJET
AR
vvj,ω,
βSERVO POGON
PRETVORBA ENERGIJE VJETRA
U ENERGIJU VRTNJE ROTORA
Mjerenje brzine vrtnje rotora
REGULATOR MOMENTA
GENERATORA
GENERATOR + FREKVENCIJSKI
PRETVARAČ
- Mg
Mjerenje brzine vrtnje rotora
Mgref
β
ωref
2
4 3 2
1217 s + 67540 s + 58560
s + 249.5 s + 14840 s + 67540 s + 58560servoG s
Red modela = ?
28
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
Vlastite frekvencije sustava [Hz]
Lopatice Toranj
U ravnini vrtnje"In plane"
Okomito na ravninu vrtnje
"Out of plane"
Naprijed nazad"Fore-aft"
Lijevo desno"Side-side"
2.32 1.48 0.45 0.45
2.32 1.48 3.28 3.19
4.29 1.48
6.49 3.46
6.49 3.46
3.46
Red modela ≈ 14
29
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
0 500 1000 1500 2000 2500 3000-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
k [-]
[ra
d/s
]
Odziv modelaOdziv sustava
ARX model 15. reda
Odziv na promjenljivu pobudu
30
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
k [-]
[rad
/s]
Odziv modelaOdziv sustava
Odziv na skokovitu pobudu
31
Prijenosna funkcija Δω/Δβref
100
101
10-2
100
Am
plit
ud
e
100
101
-400
-300
-200
-100
0
100
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
ModelSustav
Frekvencijska karakteristika
32
Prijenosna funkcija Δω/ΔMgref
100
101
102
10-10
10-5
Am
plit
ud
e
100
101
102
-100
0
100
200
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
Frekvencijska karakteristika
Red modela = 5
33
Prijenosna funkcija Δω/ΔMgref
0 500 1000 1500 2000 2500 3000-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
k [-]
[rad
/s]
Odziv modelaOdziv sustava
Odziv na promjenljivu pobudu
34
Prijenosna funkcija Δω/ΔMgref
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
k [-]
[rad
/s]
Odziv modelaOdziv sustava
Odziv na skokovitu pobudu
35
Prijenosna funkcija Δω/ΔMgref
100
101
102
10-10
10-5
Am
plit
ud
e
100
101
102
-100
0
100
200
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
ModelSustav
Frekvencijska karakteristika
36
Prijenosna funkcija Δω/Δvvj
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
k [-]
[ra
d/s
]
Odziv modelaOdziv sustava
• Ograničene mogućnosti zadavanja pobudnog vjetra u Bladedu
• Δt = 0.5s
• Red modela = 8 Odziv na promjenljivu pobudu
37
Prijenosna funkcija Δω/Δvvj
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
k [-]
[ra
d/s]
Odziv modelaOdziv sustava
Odziv na skokovitu pobudu
38
Prijenosna funkcija Δω/Δvvj
10-2
10-1
100
101
102
10-4
10-2
100
Am
plit
ud
e
10-2
10-1
100
101
102
-300
-200
-100
0
Ph
ase
(d
eg
ree
s)
Frequency (rad/s)
Frekvencijska karakteristika
39
Analiza rezultata
• Opis nelinearnog sustava familijom linearnih modela
• Linearni regulator za svaki model
• Nedostaci:– Skokovite promjene upravljačkih veličina
– Problem odabira modela ovisno o radnoj točki
• Moguće rješenje:– Nelinearni model procesa
– Neizraziti (fuzzy) model procesa
• Takagi-Sugenov neizraziti model:
nr,,,1,0(k),)()1(
je )( je )( je )( :
nmnm110
nxnx2211
impkmppky
FkxFkxFkxRiiii
iiii
ONDA
IIIAKO
“Lokalni” linearni modeli – omogućuje korištenje linearnih regulatora
40
Opterećenja konstrukcije
Mblade_root
Mhub
Myaw_bearing
Mtower
Uzroci opterećenja:
• Gravitacijska sila
• Inercija
• Aerodinamička opterećenja
• Sjena tornja
• wind shear: v(h) = v(h0)·(h/h0)α
Karakteristične točke
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18v_nom0
10
20
30
40
50
h_nom
70
80
90
100
vvj [m/s]
h [
m]
41
Opterećenja konstrukcije
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-1
0
1
2
3
4
5
6
7x 10
5
t [s]
Mbla
de ro
ot [
kNm
]
85 90 95 100 105 110 115 120 125-1
0
1
2
3
4
5
x 105
t [s]
Mbla
de ro
ot [
kNm
]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
5
t [s]
Mhu
b [
kNm
]
• Periodičnost
• Ovisnost o položaju lopatica
80 90 100 110 120 130 140 1500.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
x 105
t [s]
Mhu
b [
kNm
]
42
Njihanje tornja
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
t [s]
Pom
ak v
rha
torn
ja [
m]
vvj = 11.4 m/s
vvj = 15 m/s
vvj = 30 m/s
95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
t [s]
Pom
ak v
rha
torn
ja [
m]
vvj = 11.4 m/s
vvj = 15 m/s
vvj = 30 m/s
43
Zahtjevi na sustav upravljanja
• Dobra kompenzacija promjena brzine vjetra• Ograničena opterećenja na konstrukciju• Ograničeno njihanje tornja• Opterećenja se teško mjere pa ih je potrebno
estimirati• Umjerena aktivnost sustava za zakret lopatica