Upravljanje vjetroagregatom otporno na elektromehaničke kvarove generatora

Vinko Lešić, LACRES

22.02.2013. 1 FER Zagreb

22.02.2013. FER Zagreb 2

3

Izvor: Renewables 2012, Global status report

22.02.2013. FER Zagreb

24 31

39 48

59 74

94

121

159

198

238

0

50

100

150

200

250

GW

22.02.2013.

Država Tvrtka Udio u tržištu

Danska Vestas 12.9%

Kina Goldwind 9.4%

SAD GE Energy 8.8%

Španjolska Gamesa 8.2%

Njemačka Enercon 7.9%

Indija Suzlon Group 7.7%

Kina Sinovel 7.3%

Kina Guodian United Power 7.1%

Njemačka Siemens Wind Power 6.3%

Kina Ming Yang 2.9%

Izvor: Renewables 2012, Global status report

FER Zagreb 4

Vestas

Goldwind

GE Energy

Gamesa

Enercon Suzlon

Group Sinovel Guodian

United

Power

Siemens

Wind Power

Ming

Yang

Ostali

Udio u tržištu

22.02.2013. FER Zagreb 5

lopatice

multiplikator

generator

sustav zakreta lopatica

Doubly-Fed Induction Generator Squirrel-Cage Induction Generator

klizanjeizvorarotorap

• Vestas

• Sinovel

• Gamesa

• GE Energy

• Siemens

Starija i zrelija tehnologija, obično do 3 MW

Prisutnost multiplikatora

22.02.2013. 6 FER Zagreb

22.02.2013. FER Zagreb 7

Synchronous Generator Permanent-Magnet Synchronous Generator

izvorarotorap

• Enercon

• Končar

• Vestas

• Goldwind

• Gamesa

• GE Energy

• Siemens

Novija i skuplja tehnologija, obično od 2,5 MW

Direct-drive

Vjetroelektrana Instalirana

snaga (MW)

Županija Godišnja

proizvodnja (GWh)

Vjetroagregati i modeli Puštena u rad

VE Vrataruša 42 Ličko-senjska županija 125 14 × Vestas V90 - 3 MW 2011.

VE Bruška (ZD2+ZD3) 36 Zadarska županija 122 16 × Siemens SWT-93 - 2,3 MW 2012.

VE Ponikve 34 Dubrovačko-neretvanska županija

100 16 x Enercon E-70 – 2,3 MW 2012.

VE Jelinak 30 Splitsko-dalmatinska županija

81 20 x Acciona AW-1500 – 1,5 MW 2013.

VE Pometeno Brdo 17,5 Splitsko-dalmatinska županija

30 15 × Končar KO-VA 57/1 – 1 MW +1 × Končar VA K80 – 2,5 MW

2012.

VE Trtar-Krtolin 11,2 Šibensko-kninska županija 28 14 × Enercon E-48 - 0,8 MW 2006.

VE Crno Brdo 10 Šibensko-kninska županija 27 7 × Leitwind LTW77 – 1,5 MW 2011.

VE Orlice 9,6 Šibensko-kninska županija 25 11 × Enercon (3 x E-48 – 0,8 MW + 8 × E-44 – 0,9 MW)

2009.

VE Velika Popina (ZD6) 9 Zadarska županija 26 4 × Siemens SWT 93 – 2,3 MW 2011.

VE Ravne 5,95 Zadarska županija 15 7 × Vestas V52 – 0,85 MW 2005.

22.02.2013. FER Zagreb 8

DFIG Sinkroni s namotima SCIG PMSG

Ukupno 205,25 MW

22.02.2013. FER Zagreb 9

22.02.2013. FER Zagreb 10

22.02.2013. FER Zagreb 11

Upravljačka petlja po momentu

◦

Upravljačka petlja po brzini

◦ Proporcionalno-integralni(-derivativni) regulator s gain-scheduling metodom

2

ggref KT

22.02.2013. FER Zagreb 12

engl. Field-oriented control

Izvor: Damir Žarko, Teorija električnih strojeva i transformatora

22.02.2013. FER Zagreb 13

s

r

engl. Field-oriented control

ωe

Izvor: Damir Žarko, Teorija električnih strojeva i transformatora

22.02.2013. FER Zagreb 14

Jednadžbe stroja u dq rotirajućem koordinatnom sustavu

ses

sss jdt

diRu

rger

rr pjdt

diR

)(0

rdr sqmr

r

mg ii

L

LpT

2

2

3

Fiksiranje za magnetski tok rotora

sL rL

22.02.2013. FER Zagreb 15

sqsemr

r

m

r

sdssdasd iLi

L

L

Tdt

diLiku

21

sdsemr

r

me

sq

ssqssq iLiL

L

dt

diLiRu

2

dt

diLikuu sd

ssdasdsd

dt

diLiRuu

sq

ssqssqsq

rs

m

LL

L2

1

Naponsko vektorsko upravljanje

r

r

msa R

L

LRk

2

2

Rasprezanje osi

22.02.2013. FER Zagreb 16

,a

sId

k

LT

s

sIq

R

LT

ssi

si

sT

sT

sq

sq

g

g

1

1

)(

)(

)(

)(**

sK

L

r

s

100

Uz PI regulatore struja:

Prijenosna funkcija zatvorenog kruga upravljanja:

22.02.2013. FER Zagreb 17

Raspoloživost (availability)

θf – srednje vrijeme između kvarova

θr – srednje vrijeme popravka

Raspoloživost vjetroagregata oko 98%, zbog visoke pouzdanosti, ali i čestih intervencija održavanja

Veća raspoloživost znači dominaciju na tržištu

Vrlo skupi popravci, posebno ako nisu planirani

22.02.2013. FER Zagreb 18

rf

f

22.02.2013. FER Zagreb 19

2,7

1,5

6,7

13,3

1,2

9,8

14,1

1,1

12,9

17,5

5,5

13,4

0,3

1,7 1,2

13,3

4,4

1,2

19,4

5,4

2,4

18,3

14,3

8,9 9,4

0,0

Broj kvarova (%) Vrijeme popravka (%)

Izvor: J. Ribrant 2007. (Švedski vjetroagregati 2000.-2004.)

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

Izvor: E. Echavarria 2008. (Njemački vjetroagregati)

22.02.2013.

Godišnja zamjena dijelova kroz razdoblje od 10 godina

FER Zagreb 20

Učestalost kvarova generatora vjetroagregata oko 10

puta je veća nego u industrijskim primjenama

◦ nepovoljna okolina

◦ neprestana promjena uvjeta rada

U industrijskim primjenama:

◦ 35% kvarova povezano sa statorom (izolacija)

◦ 30% kvarova povezano s rotorom (kavezom)

Vjetroagregati se postavljaju na teško pristupačne i

udaljene lokacije

Puno sofisticirane opreme za nadzor i upravljanje već

se nalazi u gondoli VA

22.02.2013. FER Zagreb 21

22.02.2013. FER Zagreb 22

22.02.2013. FER Zagreb 23

Normalan rad Oštećeni generator

G. Stojčić et. al., “Separating Inherent Asymmetries from High Sensitivity Rotor Bar Fault Indicator”, SDEMPED 2011

Oštećenje kaveza (kavezni asinkroni generator)

Oštećenje izolacije statorskog namota

Oba kvara mogu se povezati s trenutnim položajem magnetskog toka

Kvarovi imaju tendenciju širenja

22.02.2013. FER Zagreb 24

22.02.2013. FER Zagreb 25

Brza regulacija: držanje vrijednosti struje kroz oštećeni dio kaveza

ispod definirane sigurne razine, dizanje nazad na visoku vrijednost na preostalom dijelu

22.02.2013. FER Zagreb 26

Spora regulacija: postizanje optimalne proizvodnje energije u

kvarnom stanju izborom optimalne srednje vrijednosti momenta

Srednji moment = optimalni moment

22.02.2013. FER Zagreb 27

22.02.2013. FER Zagreb 28

Radno područje u prisutnosti kvara

22.02.2013. FER Zagreb 29

Usporedba neoštećenog i oštećenog vjetroagregata kroz cijelo radno područje

22.02.2013. FER Zagreb 30

Oštećenje kaveza rotora ustanovljeno je u 40. sekundi.

Smanjena nazivna vrijednost

22.02.2013. FER Zagreb 31

22.02.2013. FER Zagreb 32

kratki spoj dt

td

Rti sx

k

k

)(1)(

ik

kdt

td sx )(

22.02.2013. FER Zagreb 33

xessx tt sin)(

Općenito:

xeessx tdt

td

cos

)(

22.02.2013. FER Zagreb 34

Opcija A – smanjiti tok tako da se drži ispod postavljene granice

es s

22.02.2013. FER Zagreb 35

Opcija B – modulirati amplitudu magnetskog toka tako da se postigne zadani uvjet )(ts

kdt

td sx )(

Modulacijom d i q komponenti struja dobije se amplituda magnetskog toka za trokutasti valni oblik:

22.02.2013. FER Zagreb 36

)sin()(

t

tt

e

ek

sxe

22.02.2013. FER Zagreb 37

22.02.2013. FER Zagreb 38

Amplituda toka ne prelazi zadanu vrijednost

22.02.2013. FER Zagreb 39

Modulacija toka postiže se strujama statora

22.02.2013. FER Zagreb 40

Algoritmom se periodički ojačava i slabi magnetsko polje – povećava se i smanjuje efikasnost pretvorbe energije

22.02.2013. FER Zagreb 41

generator mreža

Generatorski pretvarač Mrežni pretvarač

FOC VOC

FTC

22.02.2013. FER Zagreb 42

Utjecaj na kvalitetu energije: THD se povećao s 2.51% na 2.95%

Određeni kvarovi generatora mogu se

suspregnuti odgovarajućom modulacijom

varijabli koje ih uzrokuju

Što je kvar ranije uočen predložene metode

osiguravaju veću proizvodnju energije

Dodatne mogućnosti planiranja održavanja i

popravaka

Moguća primjena za sve tipove električnih

strojeva

22.02.2013. FER Zagreb 43

Pitajte me o elektromotorima, pretvaračima i upravljanju

Modulacija momenta ovisno o položaju – povećanje preciznosti sustava

Moguća primjena u npr. kompenzaciji mrežnih nesimetrija

22.02.2013. FER Zagreb 44

22.02.2013. FER Zagreb 45