Jussi Antikainen

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