Jatko-opintokurssi
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 18

Jussi Antikainen PowerPoint PPT Presentation


  • 93 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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

Download Presentation

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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Jussi antikainen

Jatko-opintokurssiWind Power in Power SystemsKappale: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines

Jussi Antikainen


Johdanto

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


Roottorin peruskuvaus

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:


Roottorin peruskuvaus1

Roottorin peruskuvaus

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


Roottorin peruskuvaus2

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:


Roottorin peruskuvaus3

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:


Roottorin peruskuvaus4

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:


Roottorin peruskuvaus5

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


Roottorin muut kuvaustavat

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)


Roottorin muut kuvaustavat1

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) 


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus

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


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus1

Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus

  • Aerodynaaminen systeemi

  • turbiinin roottorin toiminta muuttaa tuulen energiaa mekaaniseksi energiaksi


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus2

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


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus3

Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus

  • Generaattorikäyttö

  • “kaikki generaattoria pyörittävän akselin ja verkon liittymispisteen välillä”

    • rakenne riippuu turbiinin tyypistä

    • induktiogeneraattori

      vrt.

    • tahtikone, P ja Q säätölaitteet ja konvertterit


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus4

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


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus5

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


Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus6

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


Yleist simuloinneista

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


  • Login