SVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 2542

Implementacija sigurnosnog sustava na laboratorijskom vjetroagregatu

Luka Santrić

Zagreb, lipanj 2012.

SadržajUvod.......................................................................................................................................3

1. Iskorištavanje energije vjetra.........................................................................................4

1.1. Vjetroelektrane.......................................................................................................4

1.1.1. Izvedbe vjetroagregata...................................................................................6

2. Opis vjetroagregata u sklopu laboratorija za obnovljive energije..................................8

2.1. Struktura sustava upravljanja laboratorijskim vjetroagregatom.............................9

2.2. Realizacija upravljačkog programa......................................................................11

3. Sustav sigurnosti vjetroagregata..................................................................................13

3.1. Razrada sigurnosnih algoritama i njihovo testiranje na simulacijskom modelu u

Matlabu............................................................................................................................15

3.1.1. Simulacija upravljanja zakretom lopatica u slučaju prevelike brzine vrtnje16

3.1.2. Simulacija upravljanja forsiranjem momenta i zakretom lopatica pri većim

naletima vjetra..............................................................................................................18

3.1.3. Simulacija zaustavljanja vjetroturbine zbog nedovoljne brzine vrtnje

prilikom slabog vjetra..................................................................................................22

3.2. Izvedba sigurnosnih algoritama na laboratorijskom vjetroagregatu....................24

3.2.1. Pretpetlja za skupljanje i obradu povratnih informacija sa senzora s ciljem

eliminacije utjecaja šuma.............................................................................................24

3.2.2. Algoritam za zaustavljanje vjetroturbine zakretanjem lopatica...................26

3.2.3. Algoritam za pomoć pri zaustavljanju turbine prilikom velikih promjena

brzine vrtnje forsiranjem momenta generatora............................................................28

3.2.4. Detekcija prekida povratne veze ili kvara na sustavu zakretanja lopatice...29

3.2.5. Zaustavljanje vjetroturbine zbog nedovoljne brzine vrtnje prilikom slabog

vjetra 32

Zaključak..............................................................................................................................34

Literatura..............................................................................................................................35

Sažetak.................................................................................................................................36

1

Summary..............................................................................................................................37

2

Uvod

Sav život na našem planetu ovisi u nekoj mjeri o energiji. Većina energije na

Zemlji potiče od sunca koja do nas dolazi u obliku elektromagnetskog zračenja. Ta ista

energija je gotovo u potpunosti zaslužna za održavanje složenog klimatskog sustava,

cirkulaciju vode između kopna i mora, omogućava biljkama da fotosintezom stvaraju sebi

hranu i kisik te time podržavaju cijeli zemaljski eko sustav. Život ne bi mogao postojati

bez takve cirkulacije energije.

Čovjek je od davnina pokušavao savladati prirodu te iskoristiti energiju sunca, bilo

to direktno sunčevo zračenje (toplinu) ili indirektno preko vjetra koji nastaje cirkulacijom

zraka unutar klimatskog sustava, fosilnih goriva koja nastaju raspadom biološkog

materijala u posebnim uvjetima ili bilo kojeg drugog dostupnog oblika te iste energije.

Tom energijom čovjek obavlja koristan rad i ona predstavlja jedan od glavnih preduvjeta

čovjekovog razvoja i omogućila je dosezanje trenutnog stadija modernog industrijskog

društava.

Osiguravanje količine energije potrebne za zadovoljavanje stalno rastućih potreba

industrijske proizvodnje i općenito kućanstava jedan je od glavnih društvenih problema i

izazova.

Na početku čovjekovog industrijskog razvoja koristili su se gotovo isključivo

neobnovljivi izvori energije koje je u tom trenutku bilo jednostavnije i ekonomičnije

iskoristiti. Međutim, s obzirom da je priroda takvih izvora neobnovljiva i da ćemo prije ili

kasnije iskoristiti sve takve izvore energije na zemlji, pojavila se potreba za nekakvim

dugoročnijim rješenjem koje ima i puno blaži utjecaj na okoliš i klimu u smislu manjeg

zagađenja i doprinošenja globalnom zatopljenju.

Iz tog razloga se danas sve više i više ulaže nove i čišće tehnologije koje

iskorištavaju obnovljive izvore energije pomoću solarnih, geotermalnih, hidro i

vjetroelektrana...

.

3

1. Iskorištavanje energije vjetra

Kada govorimo o obnovljivim izvorima energije moramo se dotaknuti vjetra kao

jednog od danas najčešće korištenih obnovljivih izvora energije, a koji će biti i glavni dio

ovoga rada - posebice u smislu načina upravljanja vjetroelektranama na siguran način.

Povijesno gledano čovjek je od davnih dana već dobro upoznat s potencijalom

iskorištavanja vjetra. Vjetrenjače se koriste već 3000 godina za pumpanje vode iz bunara

ili za mljevenje brašna. Što se tiče korištenja energije vjetra za prijevoz pomoću brodova

na jedra, to je prisutno u čovjekovoj uporabi još od ranijih vremena. Od 13. stoljeća

vjetrenjače su sastavni dio ruralne ekonomije, a istiskuje ih tek izum motora na jeftinija

fosilna goriva. S obzirom da ponovno otkrivamo važnost obnovljivosti i dugoročne

dostupnosti naše energije, vjetrenjače se vraćaju na velika vrata kao izvor električne

energije za budućnost.

1.1. Vjetroelektrane

Vjetroelektrane su građevine koje koristimo za prikupljanje energije vjetra i

predstavljaju modernu analogiju vjetrenjači. One pretvaraju kinetičku energiju vjetra u

mehaničku te iz nje, pomoću generatora, dobivaju električnu energiju. Sastoje se od noseće

konstrukcije, vjetroturbine (pokretni dio s lopaticama koji se okreće pod utjecajem vjetra),

generatora električne energije koji je spojen na osovinu vjetroturbine i raznoraznih

mehanizama regulacije brzine vrtnje uz eventualni priključak na lokalni sustav akumulacije

energije ili elektroenergetsku mrežu.

4

Glavne prednosti ovakvog načina iskorištavanja energije su:

nepostojanje potrebe za bilo kakvim gorivom – iskorištava se energija vjetra;

smanjeno biološko i kemijsko zagađivanja okoliša u odnosu na konvencionalne

elektrane

usporavanje brzine vjetra na nekom području (u većim farmama vjetroelektrana)

Uz očite prednosti moramo se pozabaviti i manama ovakvog načina iskorištavanja

energije:

nestalnost vjetra – proizvodnja električne energije ovisi o meteorološki prilikama

na tom području i postavlja se problem pouzdanosti izvora;

potreba za složenim sustavom regulacije brzine vrtnje koji poskupljuje tehnologiju;

skuplje održavanje – za istu snagu u odnosu na elektrane na fosilna goriva potrebno

postaviti više elektrana koje predstavljaju izazov za održavanje;

potreba za velikim dimenzijama izvedbe kako bi se postigla zadovoljavajuća snaga

estetsko zagađenje – može narušiti prirodni izgled i sklad prostora u kojem se

nalazi.

5

Slika 1.1 Farma vjetroelektrana

1.1.1. Izvedbe vjetroagregata

Najčešća podjela u izvedbi vjetroagregata vezana je uz os rotacije vjetroturbine.

Tako razlikujemo raznorazne izvedbe s okretanjem oko vertikalne i horizontalne osi.

Izvedbe s horizontalnom osi rotacije

Većina modernih vjetroagregata je izvedeno s horizontalnom osi rotacije

vjetroturbine. U njihovom slučaju generator se nalazi na vrhu tornja i osovina gleda u

vjetar. Manje verzije vjetroagregata imaju rep koji ih automatski okreće prema smjeru

puhanja vjetra dok veće koriste vlastiti servo pogon koji će okrenuti glavu s vjetroturbinom

i generatorom prema detektiranom smjeru puhanja vjetra. S obzirom da toranj uzrokuje

turbulencije niz smjer puhanja vjetra, vjetroturbina se obično postavlja prema vjetru.

Najčešće izvedbe su s tri lopatice te zasebnim motorom koji ih zakreće prema

vjetru. Lopatice su obojene tako da se uklope s okolnim nebom. Obično dolaze sa

sustavom zakreta lopatica i zasebnih kočnica za vrijeme jako brzog vjetra ako se radi o

aktivnoj regulaciji brzine vrtnje ili je ista regulacija postignuta posebnom konstrukcijom u

pasivnoj izvedbi.

6

Slika 1.2 Izvedba turbine s horizontalnom osi

vrtnje

Izvedbe s vertikalnom osi okretanja

Najveća prednost ovakve izvedbe vjetroelektrane je u tome što turbina ne mora biti

okrenuta prema smjeru puhanja vjetra već je uvijek učvršćena okomito na tlo (slika 1.3).

Takva konfiguracija posebno dolazi do izražaja kada se vjetroagregat nalazi u području

vrlo promjenjivog vjetra ili ako se mora integrirati u već postojeće građevine. Njen

nedostatak je manja brzina vrtnje te povećani momenta koji poskupljuje prijenos i povlači

manji koeficijent snage. Uz to, generator se ovdje može postaviti puno bliže zemlji te je

tako dostupniji i olakšava održavanje.

7

Slika 1.3 Izvedba vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje

2. Opis vjetroagregata u sklopu laboratorija za obnovljive energije

Na 13. katu Fakulteta elektrotehnike i računarstva u Zagrebu nalazi se Laboratorij za

obnovljive izvore energije – LOIE. U sklopu njega je instaliran i laboratorijski

vjetroagregat namijenjen istraživanju i razvijanju tehnologija vezanih uz iskorištavanje

energije vjetra, vodikovim postrojenjem u svrhu akumulacije proizvedene energije, te

mrežom fotonaponskih panela (Perić et al., 2010.). Vjetroagregat je smješten unutar

zračnog tunela čiji je tlocrt prikazan na slici 2.1.

Na lijevom kraju tunela, unutar 9. segmenta (slika 2.1), postavljen je vjetroagregat

dok se ventilator koji se koristi za generiranje vjetra nalazi na drugom kraju, u segmentu 1.

Vjetroagregat zapravo predstavlja skaliranu verziju puno većih, megavatnih zdanja

vjetroagregata. To je postignuto prenošenjem svih bitnih svojstava na ovu umanjenu

verziju što uključuje aerodinamička svojstva te oscilatorna gibanja karakteristična za

agregate megavatne klase. Nazivna snaga vjetroagregata iznosi 180 [W] pri brzini vrtnje

240 [okr/min] uz nazivni moment 7.16 [Nm].

8

Slika 2.4 Tlocrt zračnog tunela

Slika 2.2 daje bolji uvid u izgled samog zračnog tunela te direktno izgled

vjetroturbine s pokretnim lopaticama i dijelom noseće konstrukcije te ventilatora u

pozadini koji služi za simuliranje utjecaja vjetra na sam vjetroagregat.

2.1. Struktura sustava upravljanja laboratorijskim vjetroagregatom

Upravljanje vjetroagregatom obavlja se u programskom paketu LabView koji je

instaliran na računalo u sklopu samog laboratorija. Na isto računalo se dovode mjerni

signali sa postrojenja te se na njemu isti signali obrađuju, provode regulacijski algoritmi,

dok se električni signali generiraju na namjenskom ulazno/izlaznom sklopovlju National

Instrumentsa. Opremu za generiranje ulazno/izlaznih signala načelno možemo podijeliti na

dva dijela.

Prvi dio se odnosi na kućište za komunikaciju između osobnog računala i

ulazno/izlaznih modula NI PXI-1033 koje se na njega spaja PCIe utora te podržava 5

ulazno/izlaznih modula. U sklopu sustava koriste se sljedeći moduli:

modul analognog izlaza PXI-6704: uključuje 16 kanala uz rezoluciju D/A

pretvornika od 16 bita.;

9

Slika 2.5 Pogled na unutrašnjost zračnog tunela

modul za prikupljanje podataka serije M PXI-6284: Sadrži 32 analogna

kanala uz rezoluciju A/D pretvornika od 18 bita te 48 dvosmjerna digitalna

kanala. Modul omogućava mjerenje i generiranje frekvencijski ovisnih signala

poput PWM (engl. Pulse Width Modulation) signala koji smo i koristili;

ulazno/izlazni digitalni modul PXI-6514: Sadrži 32 digitalna ulaza i 32

digitalna izlaza;

relejni modul PXI-2586 čiji rad je moguće u potpunosti softverski

programirati.

Navedena oprema omogućuje komunikaciju između osobnog računala i procesa

isključivši pritom mjerenje zakreta lopatica. S obzirom da se one nalaze u rotirajućem

dijelu vjetroturbine, mjerenje njihovog zakreta odvija se odvojeno koristeći se cRIO 9014

(engl. Compact Reconfigurable Input/Output) instaliranome u rotoru vjetroagregata koji

predstavlja drugi dio opreme. Riječ je o National Instruments uređaju namijenjenom za rad

u stvarnom vremenu opremljenom FPGA (engl. Field-Programmable Gate Array)

sklopovljem, što omogućava brz rad s ulaznim i izlaznim signalima. cRIO uređaj je s

osobnim računalom povezan korištenjem WLAN protokola što olakšava komunikaciju s

računalom s obzirom na njegov položaj na rotirajućem dijelu turbine.

Osim opreme možemo i upravljački program podijeliti na dvije cjeline. Prvu

predstavlja cRIO unutar kojeg se izvršava njegov vlastiti program neovisno o tome što se

odvija na samom računalu. Na njemu se vrti beskonačna petlja u kojoj se konstantno

očitava relativni enkoder čija vrijednost predstavlja kut zakreta pojedinačnih lopatica te

iste vrijednosti pohranjuje u odgovarajuće varijable iz kojih se mogu lako pročitati za

potrebe drugog dijela programa na upravljačkom računalu.

U tom programu prikupljaju se i generiraju signali na modulima unutar PXI-1033

kućišta te se bežično komunicira s cRIOm s ciljem prikupljanja podataka o trenutnom

zakretu lopatica. Svi daljnji upravljački programi realiziraju se u ovom dijelu na osobnom

računalu. Na njemu se nalazi i grafičko sučelje čovjek-stroj koje može prikazivati sve

željene mjerene veličine bitne za sam proces te preko raznih virtualnih sklopki i

upravljačkih ploča omogućava interakciju s vjetroagregatom (uključivanje/isključivanje,

ručno postavljanje određenih vrijednosti). Na slici 2.3 oslikana je načelna struktura

upravljanja.

10

Slika 2.6 Načelna shema upravljanja agregatom

2.2. Realizacija upravljačkog programa

Algoritmi za upravljanje vjetroagregatom temelje se na reguliranju brzine vrtnje

vjetroturbine i to ovisno o tome u kojem se trenutno radnom području vjetroagregat nalazi.

Razlikujemo radno područje za vrijeme slabih vjetrova kada se nastoji maksimalno

iskoristiti raspoloživa energija vjetra i vrijeme jakih vjetrova kada je potrebno ograničiti

snagu vjetroagregata kako ne bi došlo do oštećenja opreme zbog prevelike brzine vrtnje. U

radnom području slabih vjetrova dominantno je upravljanje momentom generatora. Njime

se upravlja na način da postignemo maksimalnu iskoristivu snagu koja je izražena

umnoškom trenutnog momenta i brzine vrtnje. Vrijednosti momenta generator postavljamo

prema predefiniranoj tablici (eng. Look-up table) koja osigurava tu optimalnu iskoristivost

dok su lopatice postavljene na početni položaj koji osigurava najveći prijenos snage vjetra

na okretanje turbine.

Za vrijeme jakih vjetrova je snaga vjetra veća od nazivne snage generatora

vjetroagregata, te je potrebno ograničiti energiju koja se preuzima iz vjetra. To možemo

postići zakretanjem lopatica čime se smanjuje aerodinamička učinkovitost pretvorbe

11

energije vjetra u mehaničku energiju rotacije vjetroturbine. Sustav projektiramo na način

da održava nazivnu brzinu vrtnje bez obzira na brzinu vjetra.

U praksi se najčešće izvodi kaskadna struktura upravljanja koja uključuje vanjsku

petlju za reguliranje brzine vrtnje vjetroagregata koja postavlja referentnu vrijednost kuta

zakreta lopatica koju unutarnja petlja mora odraditi (položaj lopatica). Regulatori koji se

najčešće koriste u praksi za upravljanje vjetroagregatima su PI(D) tipa, a zbog izražene

nelinearnosti se često koristi adaptacija njihovih parametara koji se dobiju linearizacijom

sustava oko raznih radnih točaka brzine vjetra. Zbog jakog utjecaja šuma na koji je

osjetljiv derivacijski član regulatora, najčešće se ipak koriste PI regulatori.

12

Slika 2.7 Realizacija upravljanja lopaticama i momentom

3. Sustav sigurnosti vjetroagregata

Glavni zadatak ovog rada je osmisliti i implementirati algoritam upravljanja

vjetroagregatom tako da se osigura njegov siguran rad. Da bismo uopće krenuli s razradom

takvog algoritma potrebno je najprije odrediti situacije koje su kritične po sigurnost

vjetroagregata.

S obzirom na tehnička ograničenja konstrukcije turbine i generatora sa svojim

sklopovljem to se ponajprije odnosi na ograničavanje brzine vrtnje na odgovarajući radni

raspon, ali i na identificiranje kvara pojedinog dijela vjetroagregata. Tako brzina vrtnje

turbine laboratorijskog agregata na kojem su razvijani sigurnosni algoritmi unutar ovog

rada ne bi smjela prijeći 284 okr/min, ne bi se smjela zadržavati ispod 140 okr/min te

ukoliko dođe do prekida povratne veze s informacijom o kutu zakreta ili nekakav drugi

kvar lopatice potrebno je zaustaviti agregat ne dirajući pritom eventualno oštećenu

lopaticu.

Što se tiče laboratorijskog vjetroagregata na kojem, jedan od glavnih sigurnosnih

problema je prekid navedene povratne veze mjerenja zakreta lopatica. Kao što je već

objašnjeno u opisu postrojenja, mjerenje kuta zakreta lopatica odvija se na rotoru turbine te

se promatrani signal šalje na upravljačko računalo putem bežične veze.

U praksi se pokazalo da često dolazi do gubitka bežične veze sa cRIO uređajem,

koji odašilje izmjerene iznose zakreta lopatica, te bi uz izostanak sigurnosnog sustava koji

predviđa takve situacije došlo do oštećenja komponenti vjetroagregata.

Posebno problematična situacija događa se ukoliko se zatajenje sustava dešava

prilikom mijenjanja kuta zakreta lopatica. U tom slučaju PI regulator kuta zakreta daje

pozitivni signal za okretanje lopatica, međutim, ne dobiva stvarnu informaciju o njihovom

trenutnom stanju. Regulator pretpostavlja da se radi o smetnji te kontinuirano povećava

upravljački signal kako se integral pogreške otklona akumulira. Na samoj turbini su

lopatice najvjerojatnije već prešle referentni zakret te se nastavljaju zakretati slijedeći

upravljački signal s regulatora. Kako je raspon zakretanja ograničen, u jednom trenutku

motori lopatica počnu raditi protiv konstrukcije samog vjetroagregata i dolazi do

mehaničkih oštećenja (oštećivanje graničnika, lopatica, motora, čupanje kablova).

13

Nadalje, prevelika brzina vrtnje povećava naprezanje konstrukcije agregata te može

uzrokovati mehanička oštećenja konstrukcije i generatora, možda čak i katastrofalno

zatajenje. Zakretanje lopatica smanjuje silu torzije nad rotorom.

Imajući to na umu, u sklopu ovog rada implementiran je sigurnosni program koji se

sastoji od sljedećih dijelova:

algoritam za sprječavanje prekomjerne brzine vrtnje zakretom lopatica „na

nož“ koji će zaustaviti turbinu u slučajevima prejakog vjetra;

algoritam za sprječavanje prekomjerne brzine vrtnje dodavanjem dodatnog

momenta generatora kako bi se usporavanje ubrzalo

algoritam za identifikaciju prekida povratne veze i/ili oštećenja pojedine

lopatice te naknadno zaustavljanje turbine (ne mičući eventualno oštećenu

lopaticu);

algoritam za zaustavljanje turbine ukoliko je vjetar preslab da se zadovolji

minimalna brzina vrtnje.

14

Slika 3.8 Posljedica katastrofalnog zatajenja turbine

3.1. Razrada sigurnosnih algoritama i njihovo testiranje na simulacijskom modelu u Matlabu

Svi su algoritmi, prije bilo kakvog pokušaja implementacije na stvarnom sustavu,

prvotno osmišljeni, razrađeni te isprobani na simulacijskom modelu unutar programskog

okruženja Matlab Simulink. U ovom poglavlju je opisan svaki od algoritama pojedinačno

te je objašnjeno i pokazano da se vjetroagregat može održati unutar sigurnog radnog

područja - da obavlja svoju osnovnu funkciju izuzevši pritom algoritam za detekciju kvara

ili prekida povratne veze kojeg ćemo morati izvesti direktno na realnom sustavu jer

pojednostavljeni model razmatran u ovom poglavlju ne opisuje specifičnosti veze između

upravljačkog sustava i pojedinačno svake lopatice.

Sam simulacijski model prikazan je na slici 3.1. Sastoji se od glavnog modula –

matematičkog modela fizikalnog procesa vjetroagregata koji na temelju dovedenih ulaznih

veličina (brzina vjetra, kut zakreta lopatica, moment generatora) simulira izlazne

vrijednosti koje opisuju ponašanje agregata (brzina okretanja turbine, naprezanje

konstrukcije i njeno njihanje), sustava za upravljanje lopaticama i momentom unutar

zatvorene petlje s povratnom vezom.

15

Slika 3.9 Shema simulacijskog modela u Matlab - Simulinku

Sustav za upravljanje lopaticama na ulazu dobiva razliku između trenutne i

referentne vrijednosti brzine vrtnje turbine, ograničenja samog sustava (maksimalni zakret,

brzina zakretanja) te omogućuje forsiranje izlaza na način da se u potpunosti zaobiđu

regulatori. Sam sustav sastoji se od regulatora brzine vrtnje koji zadaje referencu

regulatoru zakreta lopatica u unutarnjoj petlji. Isti zakret ostvaruje model servo motora

zakreta lopatica dajući informaciju o trenutnom zakretu matematičkom modelu

vjetroagregata. Sustav za upravljanje momentom također ima regulator koji upravlja

frekvencijskim pretvaračima i osigurava optimalni moment za maksimalnu snagu u režimu

rada vjetroagregata ispod nazivne brzine vrtnje.

3.1.1. Simulacija upravljanja zakretom lopatica u slučaju prevelike brzine vrtnje

U ovom potpoglavlju se projektira sigurnosni podsustav za zaustavljanja turbine

zakretom lopatica u slučaju da brzine vrtnje poraste iznad 270 [okr/min]. Namjerno se

zaustavljanje aktivira nešto prije maksimalne brzine vrtnje kako bi lopatice imale dovoljno

vremena da se zakrenu na položaj za zaustavljanje znajući da to nije trenutačan proces.

Ukoliko se ne ostavi dovoljno prostora može se dogoditi da pri naletima vjetra sustav ne

stigne na vrijeme reagirati te brzina vrtnje premaši maksimalno dozvoljenu granicu.

16

Slika 3.10 Izvedba algoritma za zakretanje lopatica u

slučaju prebrze vrtnje

Algoritam se sastoji od logičkog sklopa koji se aktivira iznad spomenute granice

brzine vrtnje te postavlja referentnu vrijednost zakreta lopaticama na 40 stupnjeva. To

postižemo dovodeći željenu vrijednost na ulaz za forsiranje izlaza u sklopu sustava za

upravljanje zakretom lopatica. U tom položaju lopatice su okrenute niz vjetar te njihova

aerodinamička iskoristivost vjetra pada na nulu – ne stvara se nikakav zakretni moment što

u konačnici dovodi do zaustavljanja turbine.

Nakon aktivacije sigurnosnog dijela sustava, lopatice se drže na zaustavnoj poziciji

dok se turbina ne zaustavi, pazeći pritom da promjena referentnog signala zakreta bude

unutar propisanih normi. Nakon zaustavljanja se lopatice vraćaju u početni položaj u nadi

da je nalet vjetra prošao ili se u praksi može izvesti i dodatan kriterij za reinicijalizaciju

početnog položaja lopatica u obliku vremenske odgode ili izmjerene sigurne brzine

puhanja vjetra.

Na slici 3.4 možemo vidjet odziv modela prilikom paljenja sigurnosnog sustava:

Odzivi potvrđuju planirano ponašanje vjetroagregata. Nakon granične brzine vrtnje

od 270 [okr/min] (oko 9. sekunde) se aktivira sigurnosni sustav te počinje zakretanje

lopatica definiranom brzinom od 6 [stupanj/s]. Vjetroagregat se zaustavlja unutar desetak

17

Slika 3.11 Odziv sustava na zakretanje lopatica

sekundi od trenutka paljenja sigurnosnog sustava te ne prelazi opasne brzine vrtnje. Brzina

vjetra je u navedenom slučaju definirana kao rampa koja raste od 5 [m/s] do 10 [m/s] s

koeficijentom smjera 0,2 [m/s2].

3.1.2. Simulacija upravljanja forsiranjem momenta i zakretom lopatica pri većim naletima vjetra

U slučajevima naglih naleta vjetra sustav opisan u potpoglavlju 3.1.1. možda neće

biti u stanju dovoljno brzo reagirati na promjenu zakretanjem lopatica te se nameće potreba

za dodatnim sigurnosnim sustavom. Iako je u radnom području iznad nazivne brzine vrtnje

dominantno upravljanje lopaticama, u ekstremnim situacijama se može i omogućiti

povećavanje momenta generatora iznad njegove nazivne vrijednosti.

Povećavanjem momenta generatora se povećava i snaga koja se razvija na

generatoru, te u kojoj mjeri možemo prijeći njegovu nazivnu vrijednost ovisi o toleranciji

generatora i frekvencijskih pretvarača koji njime upravljaju. U ovom slučaju ograničava se

maksimalno povećanje snage od 50% u odnosu na nazivnu (Jelavić, 2009.).

Nazivna snaga generatora P n je definirana izrazom:

P n=Mn ∙ω n . (3.1)

M n predstavlja nazivni moment, a ω n nazivnu brzinu vrtnje. Maksimalna snaga Pmax u

tom slučaju iznosi oko 330 W.

Maksimalni moment M max koji se koristi u pojedinom trenutku za usporavanje

turbine zadan je izrazom preko trenutne brzine vrtnje ω:

M max= P maxω

. (3.2)

Ovaj dio sustava će se paliti postepeno nešto prije zakretanja lopatica (260

[okr/min]) s ciljem da što više uspori vrtnju turbine do trenutka paljenja prvog dijela

sustava za zakretanje lopatica. Zamišljen je tako da povećanje razvijene snage na

vjetroagregatu linearno povećavamo s porastom promjene brzine vrtnje do njezine

18

maksimalne dopuštene vrijednosti od 330 W. Moment generatora koji usporava vrtnju će

se tako povećavati i pratiti povećanje snage u skladu sa trenutnom brzinom vrtnje i njenim

porastom.

Zakon po kojem će se trenutna snaga P povećavati od svoje nazivne do maksimalne

vrijednosti, koju doseže pri brzini promjene od 4 [okr/min/s], određen je izrazom:

P (ω̇ ,ω )=M n ∙ω+2,4 ∙(P max−ω∙ M n)∙ ω̇ (3.3)

Iz izraza (3.3) se određuje iznos trenutnog momenta M koji ovisi o brzini vrtnje i

njezinoj promjeni u prijelaznom rasponu od nazivne do maksimalne razvijene snage:

M (ω̇ , ω)=M n+2,4 ∙( P maxω

−M n) ∙ ω̇ (3.4)

Ovaj dio sustava tako forsira pojačani moment izračunat izrazom (3.4) ukoliko je

brzina vrtnje prešla 260 [okr/min] te tako usporava brzinu vrtnje turbine. Važno je naglasiti

da tako izračunati moment ne smije prijeći maksimalni dopušteni moment opisan izrazom

(3.2) te se uvodi zasićenje oko te vrijednosti.

19

Slika 3.12 Ovisnost snage o brzini vrtnje i njenoj promjeni

Na slici 3.5 je prikazana statička funkcija ovisnosti iznosa dozvoljene snage na

generatoru u odnosu na brzinu vrtnje i njenu promjenu.

Izvedba opisanog podsustava u Matlabu prikazana je na slici 3.6

Na shemi je jasno označen sustav upravljanja zakretom lopatica crvenom te sustav

koji je opisan u ovom potpoglavlju žutom bojom.

Glavni dio sustava je modul Matlab funkcije koja je isprogramirana da izračunava

vrijednost momenta po izrazu (3.4) na temelju ulaza na koje se dovodi trenutna brzina

vrtnje turbine i njena promjena.

Ukoliko je brzina vrtnje prešla spomenutih 260 [okr/min], izračunati moment se

dovodi kao referentna veličina frekvencijskim pretvaračima preko ograničivača promjene

koji osigurava postepeno pojačanje momenta prilikom uklapanja i aktivacije sklopa. Sklop

je također podešen tako da osigura da upravljačka vrijednost nikada ne prijeđe maksimalni

moment dan izrazom (3.2) niti da padne ispod svoje nazivne vrijednosti.

20

Slika 3.13 Dodatak modelu s algoritmom za nametanje momenta

Kako bi se pokazala važnost ovog dodatnog sigurnosnog sustava, na slici 3.7 je

prikazano ponašanje vjetroagregata sa i bez njegove implementacije pri jačem i slabijem

vjetru.

Na slikama se nalaze odzivi brzine vrtnje za oba sustava te ponašanje momenta po

kojemu možemo vidjeti aktivaciju našeg dodatnog sigurnosnog sustava.

Na prvu ruku ne izgleda kao velika prednost ali pri slabijem vjetru koji je opisan

kao rampa s nagibom od 0.2 [m/s2], maksimalna postignuta brzina vrtnje vjetroturbine je za

10 [okr/min] manja nego bez njegove implementacije. Dodatna posljedica je prevencija

aktiviranja podsustava za zakretanje lopatica „na nož“. Povećavanjem brzine promjene i

ona se ublažava te je slična za oba slučaja. Za drugi slučaj, kad je jači vjetar opisan

rampom nagiba 0.4 [m/s2], vidljiva je puno agresivnija upotreba pojačanja momenta

generatora. U ovom slučaju maksimalna brzina vrtnje sustava s dodatnim upravljanjem

momentom je 15-20 [okr/min] manja nego za slučaj bez njega. Također se ne pokazuje

značajnija razlika u nadvišenjima brzine vrtnje u slučaju aktiviranog sigurnosnog

podsustava i različitih snaga vjetra.

21

Slika 3.14 Usporedba s prijašnjim sustavom nakon nametanja momenta

3.1.3. Simulacija zaustavljanja vjetroturbine zbog nedovoljne brzine vrtnje prilikom slabog vjetra

U ovom slučaju turbinu treba zaustaviti iz razloga što se vrti brzinom manje od

minimalne što je štetno po sam generator. Algoritam funkcionira na način da detektira

niska brzinu vrtnje te pokrene zakretanje lopatica „na nož“ na isti način kao što je to

opisano u prvom sustavu gašenja turbine.

Razlika je što se u ovom slučaju turbina zaustavlja pri detekciji niske brzine i ostaje

u tom stanju dok god se ponovno ne detektira dovoljno jak vjetar što je oko 3,5 [m/s],

kasnije eksperimentalno utvrđeno oko 3,7 [m/s]. Ukoliko se detektiraju dobri uvjeti za

nastavak rada, lopatice se vraćaju na početnu vrijednost i turbina se ponovno pokreće.

Algoritam je istaknut ljubičastom bojom na slici 3.8

Odzivi ponašanja sustava su prikazani na slici 3.9.

22

Slika 3.15 Algoritam za zaustavljanje vjetroagregata prilikom slabog vjetra

Slika 3.16 Odziv sustava na gašenje turbine prilikom male brzine vrtnje uslijed opadanja brzine vjetra

Algoritam je testiran na način da se brzina vjetra spuštala s nazivne do 1 [m/s] te je

nakon toga ponovno počela rasti do početne brzine. Na grafu kuta zakreta lopatica jasno je

vidljiv trenutak u kojem se sustav aktivira te uspješno zaustavi turbinu kao i trenutak kad

se sustav resetira te vrati lopatice na početni položaj jer je ponovno detektirana povoljna

brzina vjetra.

3.2. Izvedba sigurnosnih algoritama na laboratorijskom vjetroagregatu

Nakon što su razvijeni algoritmi i testirani na simulacijskom modelu, pristupilo se

eksperimentalnim testiranjima na stvarnom sustavu. Važno je istaknuti nekoliko bitnih

razlika između njihove implementacije na realnom sustavu vjetroagregata i simulacije u

Matlabu (i) vjetroagregat se programira unutar programskog okruženja LabView koji ima

svoje specifičnosti i zakonitosti te se u dobroj mjeri razlikuje od Matlabovog Simulinka,

(ii) u simulacijskom modelu nisu opisane specifičnosti komunikacije između lopatica i

upravljačkog programa na temelju kojih se zaključuje da li došlo do kvara u sustavu

zakreta lopatica, (iii) utjecaj šuma na stvarnom sustavu je nešto što se ne može zanemariti,

a nije pokriveno simulacijskim modelom te je potrebno razviti poseban proces filtracije

očitanih vrijednosti sa senzora.

Kao što je to bio slučaj i u prošlom, tako ćemo se i u ovom poglavlju pojedinačno

pozabaviti svakim dijelom sigurnosnog programa te ga objasniti i pokazati da je primjenjiv

i na realnom sustavu.

23

3.2.1. Pretpetlja za skupljanje i obradu povratnih informacija sa senzora s ciljem eliminacije utjecaja šuma

Kao što napomenuto u uvodu praktičnog dijela rada, realni sustavi su uvijek

zahvaćeni štetnim utjecajem šuma u povratnoj vezi pa je takav slučaj i ovdje. To pogotovo

predstavlja problem kada se za regulaciju nekog procesa koristi derivacija signala neke

mjerene veličine kao što je to slučaj u poglavlju 3.2.3 u kojem se tjera moment generatora

preko svoje nazivne vrijednosti ovisno o promjeni brzine vrtnje.

Bez nekakvog oblika filtracije tog signala s ciljem eliminacije ili barem

ublažavanja štetnih utjecaja šuma, program iz poglavlja 3.2.3 je potencijalno beskoristan, a

vjerojatno i štetan.

Sama pretpetlja se pokreće svakih 10 [ms] što je 10 puta brže od glavnog

sigurnosnog programa te mu priprema i pročišćava podatke. Njenu izvedbu možemo

vidjeti na slici 3.10.

Slika 3.17 Pretpetlja za skupljanje i obradu podataka sa senzora

Petlja priprema vrijednosti brzine vrtnje i njezine promjene za glavni program na

sljedeći način:

24

brzina vrtnje – dok se petlja izvršava čuvaju se zadnjih 200 vrijednosti trenutne

brzine vrtnje te funkcija sprema medijan prikupljenih vrijednosti u lokalnu

varijablu koju lako može iščitat glavni program;

promjena brzine vrtnje – također se čuvaju zadnjih 200 vrijednosti koji se dovode

na modul za traženje pravca koji se uz što manju pogrešku može provući kroz sve

te vrijednosti (eng. Curve Fitting – Linear fit) te sprema nagib tako dobivenog

pravca u lokalnu varijablu koja predstavlja promjenu brzine vrtnje.

Glađenje i ujednačavanje tako dobivenog signala pokazano je slikom 3.11

Na slici 3.11 je naveden primjer šumovitog signala koji oscilira oko procijenjenog

pravca ekstrapoliranog iz zašumljenih mjerenja.

3.2.2. Algoritam za zaustavljanje vjetroturbine zakretanjem lopatica

Ovaj dio programa se pokreće unutar glavne petlje svakih 100 [ms] te provjerava,

na temelju podataka koje mu dostavlja pretpetlja, da li je brzina vrtnje turbine veća od 270

[okr/min].

25

Slika 3.18 Curve fitting (Linear fit)

Ukoliko je taj uvjet zadovoljen pokreće se procedura zakretanja lopatica na položaj

za zaustavljanje na sličan način na koji je to napravljeno na simulacijskom modelu (slika

3.12).

Kut zakreta lopatica se preko ograničivača brzine promjene kuta sprema u lokalnu

varijablu koja se kasnije premošćuje preko vrijednosti koju daje regulator direktno kao

referentnu vrijednost zakreta lopatica – ovaj program ima najviši prioritet što osigurava

robusnost sigurnosnog sustava.

Funkcioniranje sustava se možemo najbolje uočiti na odzivu cijelog procesa u

proceduri gašenja zbog prevelike brzine (slika 3.13).

26

Slika 3.19 Algoritam za gašenje turbine lopaticama u LabVIewu

Kao i na simulacijskom modelu nakon prelaska granične brzine vrtnje pali se

mehanizam za zakret lopatica te se turbina počinje zaustavljati. Na stvarnom modelu to

traje nešto duže nego što se je pokazalo simulacijom ali se sustav aktivirao kao što je i

trebao te je krenuo zaustavljat turbinu. Na grafu se vidi da se sustav resetirao nakon nekog

vremena što je zapravo napravljeno ručno s obzirom da je jasno da sustav funkcionira.

3.2.3. Algoritam za pomoć pri zaustavljanju turbine prilikom velikih promjena brzine vrtnje forsiranjem momenta generatora

27

Slika 3.20 Odziv stvarnog sustava na pokretanje procedure gašenja

Kao i svi ostali sigurnosni algoritmi i ovaj se nalazi u glavnoj petlji. Izvršava se

ukoliko se zadovolje uvjeti brzine vrtnje i njene promjene po zakonu koji je detaljnije

opisan u potpoglavlju 3.1.2. Blokovski kod izvedbe algoritma u LabVIEW-u prikazan je na

slici 3.14.

Sklop u suštini računa potrebni moment po zakonu (3.4) poglavlja 3.1.2. te ga, ako

se stvori potreba za time (brzina je veća od 260 [okr/min]), prioritetno forsira kao

referentnu vrijednost samom generatoru. Kako bi se izbjegao nagli skok forsiranog

momenta prilikom uklapanja sklopa nakon kritične brzine, moment se forsira preko

ograničivača koji je podešen da ne dozvoljava veću promjenu od 2 [Nm/s].

Zbog tehničkih poteškoća i čvrstih rokova predaje ovog rada nije izvedena

eksperimentalna provjera funkcioniranja ovog dijela upravljačkog programa. Za

predviđanje reagiranja stvarnog sustava na ovakav algoritam jedina je potvrda simulacijski

rezultat koji se i u slučajevima drugih dijelova programa pokazao pouzdanim.

28

Slika 3.21 Algoritam za nametanje momenta izveden u LabViewu

3.2.4. Detekcija prekida povratne veze ili kvara na sustavu zakretanja lopatice

Ovo je algoritam koji je direktno realiziran na laboratorijskom vjetroagregatu s

obzirom da ga nije bilo moguće odsimulirati u Matlabu. On mora pokriti situacije u kojima

dođe do prekida povratne veze kada na ulazu regulatora za trenutni položaj lopatice ostane

zadnja vrijednost te regulatori pokušavaju kompenzirati smetnju misleći da se lopatice ne

miču. Naravno, u takvim slučajevima lopatice se nastave kretati te s obzirom da imaju

ograničen hod, oštete sebe ili neki drugi dio opreme. Također, moguće je da dođe i do

nekakvog mehaničkog zapinjanja kada je bolje da se problematična lopatica zaustavi na

zadnjem položaju u kojem je bila nego da se dalje forsira njeno micanje.

Nakon detekcije takvog kvara algoritam mora pokrenuti zaustavljanje turbine uz

uvjet da se, u slučaju sumnje u ispravnost određene lopatice ili prekida povratne veze,

generira takav upravljački signal koji će zahvaćene lopatice ostaviti njihovom trenutnom

položaju.

Praktičan kriterij za procjenu da li je došlo do nekakvog kvara na lopatici ili

prekida povratne veze je ako je zadan signal za pomicanje lopatice a lopatica se ne pomiče

– u tom slučaju se pokreće procedura gašenja. Na slici 3.15 je prikazana izvedba algoritma

u LabVIEW-u.

29

Slika 3.22 Izvedba algoritma za detekciju kvara lopatice

Procedura gašenja se pokreće ukoliko je motorima lopatica dana nekakva

popunjenost signala (eng. Duty cycle) za koju se očekuje da se ona pokrene (izvan

intervala 0,47-0,53) a na mjerenjima zakreta se registrira mirovanje lopatice .

U proceduri gašenja se pokreće isti algoritam kao i u prvom slučaju stavljanja

lopatica „na nož“, ali se svaka lopatica gleda zasebno te ukoliko bilo koja od njih pokrene

proceduru automatski se za nju premošćuje signal iz regulatora na popunjenost signala od

0.5 što osigurava da se ona ne miče. Ostale lopatice uredno prate proceduru gašenja te se

postavljaju na 40 stupnjeva nakon vremenskog odmaka od 3 sekunde koji je uključen kako

bi se dala prilika sustavu da se oporavi od kvara.

Sklop za premošćivanje signala popunjenosti problematične lopatice prikazan je na

slici 3.16.

Unutar sustava nalazi se i sklop koji je namijenjen testiranju, odnosno simulaciji

kvara na jednoj od lopatica. Sklop funkcionira na način da kad se pritisne tipka za

simulaciju kvara ona zadržava zadnju vrijednost položaja lopatice te šalje tu vrijednost

sigurnosnom sustavu kako bi se provjerila njegova reakcija.

30

Slika 3.23 Sklop za premošćivanje signala popunjenosti

Testiranje je provedeno tako da su lopatice postavljene u početni položaj od 0

stupnjeva. Potom je zadana referentna veličinu od 20 stupnjeva te je simuliran kvar jedne

lopatice za vrijeme prijelazne pojave pomaka lopatica od 0 do 18 stupnjeva. Odziv se može

vidjeti na slici 3.17.

Iz grafa je vidljivo da je sporna lopatica ostala u trenutku kvara na svojoj zadnjoj

vrijednosti bez daljnjeg micanja dok su ostale lopatice nastavile prema svojoj zadanoj

vrijednosti. Nakon isteka vremenskog odmaka od 3 sekunde, za kojeg kvar nije resetiran,

započinje procedura gašenja te se zdrave lopatice postavljaju na 40 stupnjeva. Sve se

lopatice vraćaju na prvobitnu referencu nakon ručnog resetiranja kvara iz upravljačkog

sučelja. Algoritam je uspješno testiran i funkcionira.

31

Slika 3.24 Odziv zakreta oštećene lopatice u odnosu na zdrave

3.2.5. Zaustavljanje vjetroturbine zbog nedovoljne brzine vrtnje prilikom slabog vjetra

Posljednji sigurnosni algoritam koji je opisan u ovom radu ima za cilj provesti

proceduru zaustavljanja turbine ukoliko vjetroagregat radi ispod minimalno dozvoljene

brzine vrtnje. Izveden je na način da, ukoliko brzina vrtnje padne ispod minimalne

provjerava brzinu vjetra, te ukoliko je i ona kroz period od 5 [s] ispod brzine za koju se

očekuje da će se turbina moći vrtjeti barem minimalnom brzinom (3,7 [m/s]), započinje

proceduru gašenja identičnu onoj iz poglavlja 3.2.2. Nakon gašenja turbina ostaje u tom

stanju dok se ne detektira povoljan vjetar u trajanju od barem 5 sekundi. Ukoliko se taj

uvjet zadovolji loaptice se vraćaju na početni položaj i dozvoljava se daljnja vrtnja. Na

slici 3.18 je prikazana realizacija algoritma u LabVIEW-u.

Program ima i dodatan uvjet „Pokretach“ koji mu omogućuje da ga se prvo dovede

u radno područje te da tek onda počne provjeravati uvjete za gašenje. Na slici 3.19 su

prikazani odzivi sustava s implementiranim zaštitnim mehanizmom:

32

Slika 3.25 Algoritam za zaustavljanje turbine u slučajevima slabog vjetra

Slika 3.26 Ponašanje sustava sa implementiranim algoritmom za gašenje u slučajevima slabog

vjetra

Po odzivima se može zaključiti da sustav dobro funkcionira. Nije toliko ni osjetljiv

na brze propade brzine vrtnje ili vjetra dok god se oporave unutar 5 sekundi. U prilikama

ozbiljnijeg slabljenja vjetra pokrenuo se sustav gašenja te se kut zakreta postavio na

optimalan iznos nakon povećanja brzine vjetra oko 140. sekunde.

33

Zaključak

U ovom radu su implementirani algoritmi čija je zadaća osiguravanje sigurnog rada

vjetroagregata. Na samom početku govori se o iskorištavanju energije vjetra te njegovim

prednostima i manama. S obzirom da je ta tehnologija jedna od najbrže napredujućih od

svih koji se bave iskorištavanjem obnovljivih izvora – sigurnost je izrazito važna tema.

U drugom opisan je laboratorijski vjetroagregat na kojemu su razvijani sigurnosni

algoritmi, sustav za njegovim upravljanjem te način na koji se oni realiziraju na njemu.

Ostatak rada posvećen je razradi sigurnosnih algoritama i njihovoj direktnoj

realizaciji na procesu. Oni su prvo osmišljeni u sklopu Matlab – Simulink okruženja unutar

kojeg je korišten simulacijski model agregata. Program je podijeljen na dijelove koji se

bave zaustavljanjem turbine u posebnim uvjetima zakretanjem lopatica i po potrebi

pojačavanjem momenta generatora te dijelom za detekciju kvara određene lopatice/prekida

povratne veze što zahtjeva zaustavljanje turbine bez njenog pomicanja.

Svaki od tako razvijenih algoritama provjeren je na stvarnom agregatu te su

rezultati koji pokazuju uspješno implementiran sigurnosni sustav prikazani u trećem

poglavlju ovog rada.

34

Literatura

[1] Danish Wind Industry Association. http://www.windpower.org, 2009.

[2] MATE JELAVIĆ. “Upravljanje vjetroagregatom s ciljem smanjenja dinamičkih opterećenja konstrukcije”, Doktorska disertacija. FER, Zagreb, 2009.

[3] V. PETROVIĆ, N. HURE, M. BAOTIĆ, “Primjena LabVIEW programskog alata za razvoj HIL strukture upravljanja brzinom vrtnje vjetroagregata”, FER, Zagreb

[4] N. PERIĆ, Ž. BAN, M. JELAVIĆ ET AL., “Laboratorij za obnovljive izvore energije na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu”, Hrvatski ogranak međunarodne elektrodistribucijske konferencije, Savjetovanje Umag, 2010.

[5] BURTON, SHARPE, JENKINS, BOSSANYI. “Wind energy handbook”, JOHN WILEY & SONS, LTD, 2001.

[6] NATIONAL INSTRUMENTS CORPORATION, “LabVIEW Tutorial Manual”, NI, 1996.

35

Sažetak

Naziv rada: Implementacija sigurnosnog sustava na laboratorijskom

vjetroagregatu

U radu je opisana implementacija algoritama koji će osiguravati sigurni rad

laboratorijskog vjetroagregata u sklopu laboratorija za obnovljive izvore energije – LOIE.

Algoritmi obuhvaćaju zaustavljanje turbine u posebnim uvjetima zakretanjem lopatica i

pojačavanjem momenta generatora, te detekciju kvara na servo sustavu zakreta lopatica.

Oni su isprva osmišljeni i razrađeni na simulacijskom modelu u sklopu Matlab Simulink

programskog okruženja, a zatim je eksperimentalnim testiranjima pokazana njihova

primjenjivost na samom vjetroagregatu.

Ključne riječi: vjetroagregat, sigurnost, upravljanje zakretom lopatica, upravljanje

momentom generatora

36

Summary

Title: Implementation of the security system on a laboratory wind turbine

This paper deals with the implementation of algorithms that will ensure safe

operation of laboratory wind turbines in the laboratory for renewable energy sources -

LOIE. Algorithms include stopping the turbine in special conditions by rotating the blades

and by manipulating generator torque. It also detects blades servo system failure.

Algorithms were initially designed and developed on simulation model in Matlab -

Simulink software environment and its applicability to the actual wind turbine is

demonstrated in the LabView programming environment.

Keywords: Wind Power, Safety, Blades pitch management, generator torque control

37