slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
Jussi Antikainen

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 18

Jussi Antikainen - PowerPoint PPT Presentation


  • 137 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Jussi Antikainen' - lalo


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
slide1

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