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

Samankaltaiset tiedostot
SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

SMG-4500 Tuulivoima. Kuudennen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2)

SMG-4500 Tuulivoima. Kahdeksannen luennon aihepiirit. Tuulivoiman energiantuotanto-odotukset

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit ILMAVIRTAUKSEN ENERGIA JA TEHO. Ilmavirtauksen energia on ilmamolekyylien liike-energiaa.

Wind Power in Power Systems. 16. Practical Experience with Power Quality and Wind Power (Käytännön kokemuksia sähkön laadusta ja tuulivoimasta)

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Roottorin toimintaperiaate TUULIVOIMALAN RAKENNE

DEE Tuulivoima

Wind Power in Power Systems: 15 Wind Farms in Weak Power Networks in India

DEE Tuulivoiman perusteet

Tuulennopeuksien jakauma

DEE Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt. Tasavirtakäyttö

Metropolia AMK BOSCH REXROTH HYDRAULIPENKIN KONSEPTISUUNNITTELU

Latamäen Tuulivoimahanke, Luhanka

Tuulivoimalaitosten generaattori- ja tehoelektroniikkaratkaisut

DEE Tuulivoiman perusteet

TUULIVOIMALOIDEN MELUVAIKUTUKSET

Käyttötoimikunta Sähköjärjestelmän matalan inertian hallinta

Liittymissäännöt tuulivoimaloiden liittämiseksi Suomen voimansiirtoverkkoon

Wind Power in Power Systems: 3 An Introduction

Luku 27: Dynaamisten tuuliturbiinimallien täysimittainen verifiointi (Full-Scale Verification of Dynamic Wind Turbine Models)

WIND POWER IN POWER SYSTEMS

Välkeselvitys. Versio Päivämäärä Tekijät Hyväksytty Tiivistelmä. Rev CGr TBo Hankilannevan tuulivoimapuiston välkeselvitys.

VOIMALASÄÄTIMET Sivu 1/ FinnPropOy Puhelin: Y-tunnus:

TUULIVOIMATUOTANNON FYSIKAALINEN MALLI Physical model of wind power production Eetu Kokkonen

Liisa Haarla Fingrid Oyj. Muuttuva voimajärjestelmä taajuus ja likeenergia

GRÄSBÖLEN TUULIVOIMAHANKE. Meluselvitys. Lounaisvoima Oy

6. Sähkön laadun mittaukset

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Välkeselvitys. Versio Päivämäärä Tekijät Hyväksytty Tiivistelmä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

SÄHKÖMOOTTORI JA PROPULSIOKÄYTTÖ

MARKUS FLINCK TUULIVOIMALAN RAKENNE

Jännitteensäädön ja loistehon hallinnan kokonaiskuva. Sami Repo Sähköenergiatekniikka TTY

Päivitetty Tuule 200 -tuoteperheen tuotteet

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Maatuulihankkeet mahdollistavat teknologiat. Pasi Valasjärvi

MATEK822 Pro Gradu seminaari Johannes Tiusanen

Suprajohtava generaattori tuulivoimalassa

Savolainen. Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka

Wind Power in Power Systems

Tuulen nopeuden mittaaminen

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Luku 6 Uusiutuva energia. ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Wind Power in Power Systems

Agenda. Johdanto Säätäjiä. Mittaaminen. P-, I-,D-, PI-, PD-, ja PID-säätäjä Säätäjän valinta ja virittäminen

Wind Power in Power Systems

SIMULINK 5.0 Harjoitus. Matti Lähteenmäki

TUULIVOIMAPUISTO Ketunperä

Tasavirtakäyttö. 1 Esiselostus. TEL-1400 Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt

Välkeselvitys. Versio Päivämäärä Tekijät Hyväksytty Tiivistelmä

WIND POWER IN POWER SYSTEMS

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

1. Kuinka paljon Maan kiertoaika Auringon ympäri muuttuu vuodessa, jos massa kasvaa meteoroidien vaikutuksesta 10 5 kg vuorokaudessa.

PVO-INNOPOWER OY. Tuulivoima Suomessa ja maailmalla Tuulta Jokaiselle, Lapua Suunnitteluinsinööri Ari Soininen

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

TUULIVOIMAPUISTO PONSIVUORI

Välkeselvitys. Versio Päivämäärä Tekijät Hyväksytty Tiivistelmä. Rev CGr TBo Ketunperän tuulivoimapuiston välkeselvitys.

Siemens Wind Power Arktista tuulivoimaosaamista 25 vuotta

Lämpöä tuulivoimasta ja auringosta. Kodin vihreä energia Oy

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Tuulivoimaloiden ympäristövaikutukset

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Luodin massajakauman optimointi

Tuulivoimalatekniikan kehityksen vaikutus syöttötariffin tasoon

VAATIMUKSIA YKSINKERTAISILLE VIKAILMAISIMILLE HSV:N KJ-VERKOSSA

Suuren tuulivoimatuotannon dynaamisia vaikutuksia sähköverkkoon

A sivu 1(4) AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN VALINTAKOE

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

LTY/SÄTE Säätötekniikan laboratorio Sa Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi. Servokäyttö (0,9 op)

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Tuulimittausten merkitys ja mahdollisuudet tuulipuiston suunnittelussa ja käytössä

Tuulivoiman vaikutus järjestelmän dynamiikkaan

Matemaattisesta mallintamisesta

Liite 2. Maisema- ja kulttuuriympäristön karttatarkastelu, näkemäalueanalyysien tulokset ja kuvasovitteet

1. Hidaskäyntiset moottorit

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

TEKNIS-TALOUDELLISET TEKIJÄT DFIG-TUULIVOIMALAN SUOSION TAUSTALLA

Simulation and modeling for quality and reliability (valmiin työn esittely) Aleksi Seppänen

Mitä on pätö-, näennäis-, lois-, keskimääräinen ja suora teho sekä tehokerroin? Alla hieman perustietoa koskien 3-vaihe tehomittauksia.

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

EC-huippuimuri. EC-huippuimuri

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Oikosulkumoottorikäyttö

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Sähköjärjestelmä antaa raamit voimalaitoksen koolle

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

Transkriptio:

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)

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

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

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

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.

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 0..+90 astetta ja aktiivisilla sakkaussäätöillä iineilla välillä -90..0 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

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.