Jatko-opintokurssi Wind Power in Power Systems Kappale: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines Jussi Antikainen 08/04/2017

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 08/04/2017

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: 08/04/2017

Roottorin peruskuvaus Fysiikan lakien näkökulmasta on miellettävissä mekaanisen tehon riippuvan myös tuulen nopeuden ohella roottorin pyörimisnopeudesta ja lapakulmasta  mekaaninen teho on näiden muuttujien funktio: 08/04/2017

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: 08/04/2017

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: 08/04/2017

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: 08/04/2017

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 08/04/2017

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) 08/04/2017

Roottorin muut kuvaustavat Muita tapoja taulukkoesitys tarvitaan tarkkoja tietoja Cp arvoista 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)  08/04/2017

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 08/04/2017

Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus Aerodynaaminen systeemi turbiinin roottorin toiminta muuttaa tuulen energiaa mekaaniseksi energiaksi 08/04/2017

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 08/04/2017

Tuuliturbiinien lohkokaaviokuvaus Generaattorikäyttö “kaikki generaattoria pyörittävän akselin ja verkon liittymispisteen välillä” rakenne riippuu turbiinin tyypistä induktiogeneraattori vrt. tahtikone, P ja Q säätölaitteet ja konvertterit 08/04/2017

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 08/04/2017

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 08/04/2017

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 08/04/2017

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 08/04/2017