Projektiranje sustava upravljanja za skalirani laboratorijski vjetroagregat

1. Projektiranje sustava upravljanja za skalirani laboratorijski vjetroagregat ACROSS kolokvij, 30. studenog 2012. Vlaho Petrović, dipl.ing. Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za automatiku i računalno inženjerstvo

2. Sadržaj • Upravljanje vjetroagregatom • Skalirani vjetroagregat • Upravljanje momentom generatora • Upravljanje brzinom vrtnje • Pojedinačno zakretanje lopaticama

3. Terenski rad u Milanu • Politecnicodi Milano • Grupa prof. CarlaBottassa • Aktivni u istraživanju vjetroagregata • Aerodinamika, konstrukcija, periodični efekti, upravljanje… • Dva odlaska u Milano • sredina ožujka do kraja lipnja • rujan i listopad • Glavni zadatak – razvoj sustava upravljanja za laboratorijski vjetroagregat i ispitivanje u zračnom tunelu

4. Upravljanje vjetroagregatom (1) • Aerodinamičke sile pokreću vjetroagregat • Dva različita upravljačka područja: • Maksimiranje snage za vrijeme slabog vjetra • Ograničavanje snage za vrijeme jakog vjetra • Potrebno autonomno upravljanje u svim vremenskim prilikama • U novije vrijeme znatan napor se ulaže u napredno upravljanje za smanjenje opterećenja

5. Upravljanje vjetroagregatom (2)

6. Upravljanje vjetroagregatom (3)

7. Modeliranje vjetroagregata • Postoje kvalitetni matematički modeli za simuliranje vjetroagregata • Dobra poklapanja s mjerenjima na terenu • Postoje još mnoga neriješena pitanja (aerodinamika!) • Rade se ispitivanja u zračnim tunelima • Uglavnom aerodinamičke karakteristike lopatica i ispitivanja u ustaljenom stanju • Za popunjavanje rupe između testiranja na terenu i simulacijskih modela, razvijen laboratorijski skalirani vjetroagregat na PoliMi-u.

8. Skalirani vjetroagregat (1) • Skalirano: • Kinematika (TSR) • Omjer aerodinamičkih i inercijskih sila • Omjer prirodnih frekvencija strukture i brzine vrtnje • Lopatice projektirane koristeći posebne profile • Upravljanje momentom i pojedinačno zakretanje lopaticama – kao na stvarnim vjetroagregatima

9. Skalirani vjetroagregat (4) • Upravljanje preko Bachmann M1 sustava • Čest sustav u upravljanju stvarnim vjetroagregatima • Vrijeme uzorkovanja do 0,4 ms • Zakretanje lopatica • Upravljačka elektronika smještena u gondoli • Referentne vrijednosti kuta zakreta šalju se CAN-om • Upravljanje momentom • Motor u tornju • Upravljačka elektronika omogućuje upravljanje u četiri kvadranta

10. Upravljanje momentom generatora • Potrebni vrlo brzi odzivi • Mjereni moment ima znatne oscilacije • Trenje u ležajima i zupčanicima • Rad motora na granici preporučenog područja

11. Upravljanje brzinom vrtnje (1) • Ispod nazivne brzine vjetra: • Optimalni moment • PI na rubovima radnog područja • Potrebno uskladiti prebacivanje između različitih upravljačkih zakona

12. Upravljanje brzinom vrtnje (2) • Iznad nazivne brzine vjetra • PI regulator za zakret lopatica • Adaptacija parametara (Gainscheduling) • Vrijeme uzorkovanja 8 ms • Realizirane dodatne funkcije: • Procedura za uključenje vjetroagregata • Procedure za normalno i sigurnosna isključenja vjetroagregata • Zaštitne funkcije (npr. kod prekoračenja najveće dopuštene brzine vrtnje) • Omogućeno testiranje ispada generatora s mreže

13. Pojedinačno zakretanje lopatica (1) • Brzina vjetra nije ista na cijelom rotoru – viši harmonici opterećenja dolaze do izražaja • Pojedinačnim zakretanjem lopatica moguće smanjiti oscilacije opterećenja na lopaticama

14. Pojedinačno zakretanje lopatica (2) • Opterećenja s lopatica transformiraju se u d-q koordinatni sustav • Slična svojstva kao i fizikalni prijenos opterećenja s lopatica na nerotirajuće dijelove vjetroagregata • Srednja vrijednost transformiranih opterećenja odgovara amplitudi prvog harmonika opterećenja • Cilj je svesti srednju vrijednost opterećenja u d-q koordinatnom sustavu na nulu • Slična logika primjenjiva i na više harmonike

15. Pojedinačno zakretanje lopatica (3) • Na laboratorijskom vjetroagregatu koriste se mjerenja s osovine (ne lopatica!) • Potrebno prilagoditi transformacije opterećenja • Prvi harmonik nije problematičan • Dovoljno je prebaciti mjerenja u mirujući koordinatni sustav (proizlazi iz veze između d-q transformacije i prijenosa opterećenja) • Dobro poznato u literaturi • Za više harmonike potrebno proanalizirati frekvencijske komponente opterećenja • Promatran prijenos opterećenja s lopatica na osovinu

16. Pojedinačno zakretanje lopatica (4) • Pojedini harmonik opterećenja na osovini rotira unutar rotirajućeg koordinatnog sustava osovine • Brzina i smjer rotacije određeni frekvencijom harmonika • Mjerena opterećenja potrebno prebaciti u koordinatni sustav koji rotira jednakom brzinom kao i promatrani harmonik

17. Pregled ostvarenih rezultata • Realiziran sustav upravljanja kao na stvarnim vjetroagregatima • Mjerenja se poklapaju s rezultatima numeričkih simulacija: • Normalni rad vjetroagregata • Zaustavljanje i pokretanje vjetroagregata • Sigurnosno zaustavljanje vjetroagregata • Ispitan utjecaj međusobnog položaja dva vjetroagregata • Uspješno testirano pojedinačno zakretanje lopatica

18. Hvala na pažnji!