Wind Power in Power Systems: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines

Transkriptio

1 Wind Power in Power Systems: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines Johdanto Tässä kappaleessa esitetään näkökohtia liittyen tuulivoimaloiden simulointiin ja niiden mallintamiseen. Tietokonemallinnuksen ja simuloinnin avulla on mahdollista tutkia tuulivoimaloiden vaikutuksia sähköverkoissa kustannustehokkaasti ennen kuin tuulivoimala rakennetaan verkkoon. Toisaalta mallinnuksen laatuun voivat vaikuttaa tehdyt voimaloiden simulointimallit. Tästä syystä on tärkeää tuntea mikä on simuloinnin tarkoituksena ja että simulointimallien pohjana ovat riittävät ja oikeat tiedot. Muutoin simulointien tulokset voivat olla puutteellisia ja epäluotettavia. Simulointeihin liittyy myös luontainen riski siitä, että virheitä aiheuttavia tekijöitä ei kyetä huomaamaan. Tästä syystä tietokonesimuloinnit vaativat erittäin tarkkaa lähestymistä ongelmaan, jota simuloinnilla halutaan tutkia. Katsaus aerodynamiikan mallintamiseen Roottorin peruskuvaus Tuuliiinin roottorin staattinen ominaiskäyrä voidaan kuvata tuulen kokonaistehon ja tuuliiinin mekaanisen tehon välisillä suhteilla. Aluksi roottorin pyyhkäisypinnan läpi kulkevan tuulen liike-energia voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla 1: 1 2 P airr V 2 3 (1) missä P on tuulenteho, ilman tiheys, R roottorin säde ja V tuulen nopeus. Turbiinin roottori ei kuitenkaan kykene muuttamaan kaikkea tuulen kineettistä energiaa mekaaniseksi energiaksi. Tätä roottorin kykyä kuvaa tehokerroin C p (eng. efficiency coefficient). Roottorin mekaanista tehoa suhteessa tuulen tehoon kuvaa kaava 2: P C p P (2) Teoreettinen maksimi kertoimelle C p on 16/27 eli noin 0,593. Tätä kutsutaan Betz:n rajaksi (eng. Betz s limit). Nykyisille kolmilapaisille roottoreille kerroin on noin 0,52-0,55 mitattuna iinin keskipisteestä. Huomattavaa on, että C p luku ilmoitetaan joskus mitattuna generaattorin navoista sähköisen tehon suhteena tuulen tehoon. Tällöin tuuliiinin vaihteiston ja generaattorin häviöt huonontavat kerrointa sen ollessa kolmilapaisten roottoreiden tapauksessa luokkaa 0,46-0,48. Kiinnostuksen kohteena voi olla myös roottorin mekaanisen tehon sijasta mekaaninen vääntömomentti. Vääntömomentti saadaan laskettua mekaanisen tehon ja iinin pyörimisnopeuden avulla kaavalla 3: T P (3)

2 Fysiikan lakien näkökulmasta on helppo ymmärtää tuulesta riippuvan roottorin mekaanisen tehon, P, riippuvan myös roottorin pyörimisnopeudesta, tuulen nopeudesta ja lapakulmasta. Tästä syystä mekaanisen tehon sekä kertoimen C p oletetaan olevan näiden tekijöiden funktio. Kaava 4 kuvastaa tätä: P f P (, V, ) (4) Tuulen aiheuttama voima roottorin lapaan riippuu liikkuvan lavan ja suhteellisen tuulen kohtauskulmasta. Kohtauskulma määritellään lavan tason (eng. plane) ja suhteellisen tuulen V rel välisestä kulmasta. Kohtauskulma riippuu tarkastelupaikasta roottorin lavan suhteen, koska r (roottorin säde tarkastelupaikassa) vaihtelee välillä 0..R. Kuva 24.1 selventää asiaa. Lapakulmasäätöisissä roottoreissa kohtauskulmaa voidaan säätää. Tällöin kohtauskulma on kuvan 24.1 mukaisesti. Edellisessä kuvassa V tip tarkoittaa lavan kärjen nopeutta. Tuuliiinin roottorin aerodynamiikkaan yleisesti liittyvä termi on myös tip-speed ratio, joka määritellään kaavan 5 mukaisesti: V R (5) Edellisten perusteella on selvää, että suhteellisen tuulen voima roottorin lapaan, ja täten roottorin kyky ottaa tuulesta energiaa, riippuu lapakulmasta ja suhteellisesta tuulesta. Tästä seuraa se, että C p voidaan lausua tekijöiden ja funktiona: C p f Cp (, ) (6) Turbiinin lapakulman ollessa vakio ( const ), esimerkiksi sakkaussäätöisissä iineissa, tehokertoimen C p sekä tip-speed ration välistä suhdetta kuvaa kuva 24.2 a. Puolestaan kuvassa 24.2 b kuvataan iinin optimaalista pyörimisnopeutta eri tuulen nopeuksilla. Optimaalinen pyörimisnopeus löydetään kaavan 7 avulla: obt V, opt (7) R

3 Kiinteä nopeuksisten tuuliiinien suunnittelussa pyritään ottamaan edellä mainitut asiat huomioon. Tämä tarkoittaa iinin suunnittelua suhteessa oletettuun todennäköisempään tuulennopeuteen niin, että iinin pyörimisnopeus on optimaalinen. Muuttuva nopeuksisilla iineilla pyörimisnopeutta voidaan muuttaa vallitsevan tuulennopeuden mukaan siten, että saavutetaan obt. Tästä johtuen muuttuva nopeuksisten iineiden mekaaninen teho on

4 suurempi kuin kiinteä nopeuksisten, kun asiaa tarkastellaan laajalla tuulialueella. Toisaalta muuttuva nopeuksisten iineiden etua pienentää niiden kalliimmat rakentamiskustannukset sekä suuremmat häviöt, jotka johtuvat esimerkiksi käytetystä tehoelektroniikasta, sekä voimalan rakentamispaikka. Turbiinin roottorin muut kuvaukset Vakio teho Yksinkertaisin tapa kuvata roottoria on olettaa roottorin mekaaninen teho tai momentti vakioksi. Muut muuttujat voidaan laskea kaavalla 3. Mallinnuksen kannalta on kuitenkin suotavampaa valita malli, jossa mekaaninen teho on vakio. Tämä johtuu siitä, että muutoin roottorin mekaaninen teho vaihtelee pyörimisnopeuden mukaan. Lisäksi momenttimalli kuvaa tubiniinin fyysistä käyttäytymistä epätarkemmin kuin tehomalli. Funktio ja polynomiapproksimointi Matemaattisilla malleilla voidaan kuvata melko tarkasti tuuliiineita. Eri matemaattiset mallit voivat olla enemmän tai vähemmän kompleksisia ja ne voivat perustua hyvin erilaisiin lähestymistapoihin. Muita tapoja Esimerkkejä muista tavoista mallintaa iinia on taulukkoesitys ja Blade element momentun method and aeroelastic code (BEM) -tapa. Taulukko esitys on hankalampi mutta suorempi tapa kuvata iinia. Siinä tarvitaan tarkkoja tietoja iinin C p arvoista erilaisilla ja kombinaatiolla. Näistä tiedoista saadaan luotua ko. iinin toimintaa kuvaavat matriisit. BEM -mallissa ajatuksena on jakaa roottorin lapa pituussuunnassa osiin. Näille osille tuuli aiheuttaa erilaiset voimat, jotka riippuvat lavan geometriasta ja aerodynaamisista ominaisuuksista. Mallinnusta on mahdollista tarkentaa ottamalla huomioon lavan taipuma. Tässä tapauksessa lavanmallinnus tehdään traditional beam theory :n avulla. Tällöin yleisesti puhutaan aeroelastic code :sta (AEC). Tuuliiinien lohkokaaviokuvaus Modernit tuuliiinit ovat kompleksisia ja teknisesti kehittyneitä kokonaisuuksia. Useat simulointiohjelmat kykenevät kuitenkin vastaamaan tähän kompleksisuuteen. Tuuliiinit voidaan kuvata useimmissa tapauksissa kuudella eri lohkokaavioelementillä ja niiden kytkeytymisellä toisiinsa. Kuva 24.4 kuvaa lohkokaavioesitystä. Nämä kuusi lohkoa ovat: - aerodynaaminen systeemi - mekaaninen systeemi (iinin roottori, akselit, vaihteet, generaattorin roottori) - generaattorikäyttö (generaattori, konvertterit) - lapakulmasäätö - tuuliiinin ohjausjärjestelmä - tuuliiinin suojausjärjestelmä

5 Aerodynaaminen systeemi Aerodynaamisella systeemillä tarkoitetaan iinin roottoria. Roottori pienentää tuulen nopeutta ja samaan aikaan muuttaa sen kineettistä energiaa mekaaniseksi tehoksi. Mekaanisen tehon suuruus riippuu tuulennopeudesta, lapakulmasta ja roottorin pyörimisnopeudesta. Mekaaninen systeemi Tuuliiinin mekaaninen systeemi on voimansiirtojärjestelmä, joka koostuu pyörivistä massoista ja niitä yhdistävistä akseleista sekä mahdollisesta vaihteistosta. Tässä systeemissä suurin inertia on iinin ja generaattorin roottoreissa. Näin ollen mekaaninen systeemi mallinnetaan yleisesti kaksoismassamallina (eng. two-mass model), jossa huomioidaan iinin ja generaattorin sekä niitä yhdistävän akselin ominaisuudet. Tätä kuvaa kuva 24.5.

6 Generaattorikäyttö Tässä yhteydessä generaattorikäytöllä tarkoitetaan kaikkea generaattoria pyörittävän akselin ja verkon liittymispisteen välillä. Kiinteä nopeuksisilla tuuliiineilla generaattorikäyttö on pelkkä induktiogeneraattori. C ja D tyypin tuuliiineilla pätö- ja loistehon säätöön käytetyt järjestelmät sekä konvertterit kuuluvat tähän osioon. Lapakulmasäätö Lapakulman säätö on toteutettu servomoottoreilla, joita ohjataan ohjausjärjestelmällä. Servomoottoreilla on rakenteestaan johtuvat fyysiset rajoitukset muuttaa lapakulmaa min ja max välillä. Lapakulma vaihtelee lapakulmasäätöisillä iineilla usein välillä astetta ja aktiivisilla sakkaussäätöillä iineilla välillä astetta. Lapakulman säädöllä on myös tietty nopeus, joka vaihtelee sen mukaan, kumpaan suuntaan lapaa ollaan kääntämässä. Säätönopeus on yleisesti alle 5 asetetta sekunnissa, vaikkakin se hätätilanteessa se voi olla jopa 10 astetta sekunnissa. Ohjausjärjestelmä Tuulivoimalan ohjausjärjestelmän tarkka kuvaus vaihtelee tapauskohtaisesti jopa samantyyppisten voimaloiden välillä. Kaikille yhteistä on ohjausjärjestelmän pääasiallinen tehtävä, joka on ohjata voimalan tehoa ja iinin nopeutta. Kiinteä nopeuksisten iinien osalla ainut ohjattava suure on lapakulma, kun generaattorin ajatellaan olevan passiivinen tehoa tuottava komponentti. Ohjausjärjestelmä laskee mitattavien suureiden (tuulen nopeus, roottorin pyörimisnopeus, pätöteho) perusteella optimaalisimman kulman lapakulmalle. Muuttuva nopeuksisten iineiden kohdalla voimalan generaattori on myös ohjattava elementti lapakulman ohjattavuuden ohella. Generaattorin ohjaus mahdollistaa pätö- ja loistehon ohjauksen. Kuten aikaisemmin on mainittu, muuttuva nopeuksisten iineiden pyörimisnopeus on mahdollista asetella optimimaalisimmalle tasolle, jolloin iinin C p optimoituu. Tämä asettaa yhden lisävaatimuksen ohjausjärjestelmälle, jotta pyörimisnopeutta voidaan ohjata. Pyörimisnopeuden säätö voidaan toteuttaa monin eritavoin. Yhteistä kaikille tavoille on, että roottorin mekaanista tehoa sekä generaattorin tuottamaa sähkötehoa pitää pystyä säätämään. Suojausjärjestelmä Tuuliiineiden suojausjärjestelmä perustuu jännitteiden, virtojen ja roottorin pyörimisnopeuden mittaamiseen sekä relesuojauksen asetteluihin. Tuulivoimalan suojauksen toimintoja ovat lähinnä tuulivoimalan irrottaminen verkosta sekä nopea tehon pudotus, jolla on tarkoitus ehkäistä mahdollisia laitevaurioita tai muita vaaratilanteita. Tuuliiineiden simulointi ja simulointitarkkuus Simuloinneissa on kiinnitettävä huomiota käytettyjen mallien tarkkuuteen suhteessa siihen, mitä ilmiötä halutaan simuloida ja mikä on simulointien tarkoitus. Lisäksi on 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

7 ohjelmilla on erilaisia ominaisuuksia sekä käytäntöjä mallintaa komponentteja, jolloin eri ohjelmat palvelevat hieman eri tarkoituksia. Ohjelmia käytetään tutkimaan mm. 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. Riippuen simuloinnista näiden tietojen tarkkuuksien ja oletusten vaikutus simulointitulosten kannalta voi vaihdella merkittävästi.