1 / 18

Jussi Antikainen

Jatko-opintokurssi Wind Power in Power Systems Kappale: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines. Jussi Antikainen. Johdanto. Tuulivoiman tietokonemallinnuksen avulla voidaan tutkia voimaloiden vaikutuksia sähköverkoissa ennen niiden rakentamista ja suunnittelua

lalo
Télécharger la présentation

Jussi Antikainen

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Jatko-opintokurssiWind Power in Power SystemsKappale: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines Jussi Antikainen

  2. Johdanto • Tuulivoiman tietokonemallinnuksen avulla voidaan tutkia voimaloiden vaikutuksia sähköverkoissa ennen niiden rakentamista ja suunnittelua • voidaanko voimala rakentaa tai mitä muutoksia verkossa on tehtävä • Simulointi vaatii voimaloiden mallintamista • Mallintaminen puolestaan vaikuttaa simulointituloksiin • laatu, luotettavuus/paikkansa pitävyys • Tästä syystä on tärkeää tuntea simuloinnin tarkoitus ja varmistua rakennettujen mallien toimivuudesta • onko pohjana käytetty aineisto riittävää ja asianmukaista • Riskinä simuloinneissa on, että virheitä aiheuttavia tekijöitä ei kyetä huomaamaan

  3. Roottorin peruskuvaus • Roottorin pyyhkäisypinnan läpi kulkevan tuulen liike-energia on: • Roottori ei kykene muuttamaan kaikkea tuulen energiaa mekaaniseksi. Tätä roottorin kykyä kuvaa tehokerroin Cp, jolloin roottorin teho on: • Teoreettinen maksimi kertoimelle Cp on 16/27 eli 0,593 (Betz’s limit) • Nykyisille 3-lapaisille turbiineille luku on 0,52-0,55 mitattuna roottorin keskipisteestä (huom. joskus mittaus voi olla myös generaattorin navoista) • Kiinnostuksen kohteena voi olla myös roottorin mekaaninen vääntömomentti:

  4. Roottorin peruskuvaus • Fysiikan lakien näkökulmasta on miellettävissä mekaanisen tehon riippuvan myös tuulen nopeuden ohella roottorin pyörimisnopeudesta ja lapakulmasta  mekaaninen teho on näiden muuttujien funktio:

  5. Roottorin peruskuvaus • Liikkuvaan roottorin lapaan kohdistuva suhteellisen tuulen aiheuttava voima riippuu kohtauskulmasta φ määritellään lavan tason ja suhteellisen tuulen Vrel välisenä kulmana • φ riippuu tarkastelu paikasta, koska roottorin säde R vaihtelee välillä 0..R • lapakulmasäätöisillä roottoreilla tätä kulmaa φ voidaan säätää, tällöin kohtauskulma on kuvan mukaisesti α • Kuvassa Vtip on lavan kärkien nopeus, tähän liittyvä yleisesti käytössä oleva termi on “tip-speed-ratio” λ:

  6. Roottorin peruskuvaus • Edellisten perusteella on selvää, että tuulen voimavaikutus roottorin lapaan ja täten roottorin kyky ottaa tuulesta energiaa riippuu suhteellisesta tuulesta ja lapakulmasta β • Tästä seuraa se, että Cp on λ ja β funktio:

  7. Roottorin peruskuvaus • Tehokertoimen Cp ja “tip-speed-ration” λ välistä suhdetta kuvaa viereinen ylempi kuva, kun lapakulma on vakio • Alemmassa kuvassa on puolestaan kuvattu kuinka roottorin pyörimisnopeus vaikuttaa tehokertoimeen eri tuulen nopeuksilla • Optimaalinen pyörimisnopeus on:

  8. Roottorin peruskuvaus • Edellä olleet asiat pyritään ottamaan huomioon turbiinien suunnittelussa • kiinteä nopeuksiset turbiinit suunnitellaan todennäköisimmän vallitsevan tuulen nopeuden suhteen  optimaalinen pyörimisnopeus • muuttuva nopeuksisilla turbiineilla voidaan säätää pyörimisnopeutta niin, että saavutetaan λopt • Huomioita: • Muuttuva nopeuksisten turbiinien mekaaninen teho on suurempi kuin kiinteä nopeuksisten • Muuttuva nopeuksisten etua pienentää niiden kalliimmat rakentamiskustannukset sekä suuremmat häviöt (tehoelektroniikka) sekä voimalan rakentamispaikka

  9. Roottorin muut kuvaustavat • Vakio teho • yksinkertaisin tapa kuvata roottori: vakio teho tai vakiomomentti • muut muuttajat lasketaan edellä olleilla kaavoilla • momenttimalli kuvaa epätarkemmin turbiinin fyysistä käyttäytymistä • Funktio ja polynomiapproksimaatio • tuuliturbiineita voidaan kuvata tarkasti erilaisilla matemaattisilla malleilla • useita erilaisia lähestymistapoja (enemmän tai vähemmän kompleksisia)

  10. Roottorin muut kuvaustavat • Muita tapoja • taulukkoesitys • tarvitaan tarkkoja tietoja Cparvoista erilaisilla λ ja β kombinaatiolla • toimintaa kuvaavat matriisit • ongelma on datan suuri määrä • BEM –malli • roottorin lapa jaetaan pituussuunnassa osiin, joille tuuli aiheuttaa erilaiset voimat • voimat riippuvat lavan geometriasta ja aerodynaamisista ominaisuuksista • mallia on mahdollista tarkentaa ottamalla huomioon lavan taipuma tuulessa  tässä tapauksessa lavan mallinnus tehdään ”traditional beam theory”:n avulla ja tällöin yleisesti puhutaan ”aeroelastic code”:sta (AEC) 

  11. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Modernit tuuliturbiinit ovat kompleksisia ja teknisesti kehittyneitä kokonaisuuksia • useat simulointiohjelmat kykenevät kuitenkin vastaamaan tähän kompleksisuuteen • Tuuliturbiinit voidaan kuvata useimmissa tapauksissa kuudella eri lohkokaavioelementillä ja niiden kytkeytymisellä toisiinsa: • aerodynaaminen systeemi • mekaaninen systeemi (turbiinin roottori, akselit, vaihteet, generaattorin roottori) • generaattorikäyttö (generaattori, konvertterit) • lapakulmasäätö • tuuliturbiinin ohjausjärjestelmä • tuuliturbiinin suojausjärjestelmä

  12. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Aerodynaaminen systeemi • turbiinin roottorin toiminta muuttaa tuulen energiaa mekaaniseksi energiaksi

  13. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Mekaaninen systeemi • kuvaa voimansiirtojärjestelmää • koostuu pyörivistä massoista, niitä yhdistävistä akseleista ja mahdollisista vaihteistoista • suurin inertia turbiinin ja generaattorin roottoreissa • mallinnetaan kaksoismassamallina • huomioidaan turbiinin ja generaattorin sekä niitä yhdistävän akselin ominaisuudet

  14. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Generaattorikäyttö • “kaikki generaattoria pyörittävän akselin ja verkon liittymispisteen välillä” • rakenne riippuu turbiinin tyypistä • induktiogeneraattori vrt. • tahtikone, P ja Q säätölaitteet ja konvertterit

  15. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Lapakulman säätö • toteutettu servomoottoreilla, joita ohjataan ohjausjärjestelmällä • servomoottoreilla fyysiset rajoitteet säätää lapakulmaa • säätörajat • 0..+90 astetta (lapakulmasäätö) • -90..0 astetta (aktiivinen sakkaussäätö) • säätönopeus • riippuu säätösuunnasta • alle 5 astetta / sekunti • hätätilassa jopa 10 astetta / sekunti

  16. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Tuuliturbiinin ohjausjärjestelmä • pääasiallinen tehtävä ohjata voimalan tehoa ja turbiinin pyörimisnopeutta • vaihtelee tapauskohtaisesti jopa samantyyppisten laitosten sisällä • kiinteä nopeuksiset: • säädettävä suure lapakulma, jonka optimiarvo lasketaan mittaustietojen (tuulen nopeus, roottorin pyörimisnopeus, pätöteho • muuttuva nopeuksiset: • edellisten lisäksi generaattori on myös ohjattava elementti (P ja Q), Cp optimointi

  17. Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus • Tuuliturbiinin suojausjärjestelmä • suojausjärjestelmä perustuu jännitteiden, virtojen ja roottorin pyörimisnopeuden mittaamiseen sekä relesuojauksen asetteluihin • tuulivoimalan suojauksen toimintoja ovat tuulivoimalan irrottaminen verkosta sekä nopea tehonpudotus

  18. Yleistä simuloinneista • Kiinnitettävä huomiota käytettyjen mallien tarkkuuteen suhteessa siihen, mitä ilmiötä halutaan simuloida ja mikä on simulointien tarkoitus • Tunnettava mitkä mallien osat ovat ko. simuloinnin kannalta oleellisia • näiden osien mallintamisen tarkkuuteen on kiinnitettävä erityistä huomiota • Mallien tarkkuus riippuu itse mallin rakentamisesta ja sen toimivuudesta kuvata kuvauksen kohdetta sekä käytetyn datan tarkkuudesta • toisaalta ei ole mielekästä rakentaa erittäin tarkkaa mallia jos käytössä oleva data ei ole suhteessa riittävän tarkkaa • Markkinoilla on useita EMTPs (electromagnetic transients programs) ohjelmia, jotka soveltuvat tuulivoimaloiden toiminnan ja niiden verkkovaikutusten simulointiin • eri ohjelmilla on erilaisia ominaisuuksia sekä käytäntöjä mallintaa komponentteja, jolloin eri ohjelmat palvelevat hieman eri tarkoituksia • Ohjelmia käytetään tutkimaan • transientti-ilmiöitä, dynaamista ja transienttistabiilisuutta, aerodynaamista ja mekaanista mitoitusta, flikkeri-ilmiötä, tehonjakoa sekä oikosulkuvirtatarkasteluita. • Eri tarkastelut vaativat erilaiset lähtötiedot • joidenkin tietojen on oltava erittäin oikeanmukaisia ja joidenkin voidaan olettaa olevan esimerkiksi vakioita  tietojen tarkkuuksien ja oletusten vaikutus simulointitulosten kannalta voi vaihdella merkittävästi

More Related