3 research outputs found
Reference snage vjetroagregata u koordiniranom upravljanju vjetroelektranama
The new grid regulations require that a grid-connected wind farm acts as a single controllable power producer. To meet this requirement a traditional wind farm control structure, which allowed individual wind turbines to internally deļ¬ne their power production, has to be modiļ¬ed. This paper investigates the opportunity for wind turbine load reduction that arises from dynamic power control of wind turbines. The wind farm controller design is proposed that utilizes coordinated power control of all wind turbines to achieve the wind farm regulation requirements and to minimize the wind turbine loads.Nova mrežna pravila zahtijevaju da vjetroelektrane spojene na elektriÄnu mrežu djeluju kao jedinstveni upravljivi proizvoÄaÄ elektriÄne energije. Da bi se zadovoljio takav zahtjev, tradicionalni naÄin upravljanja vjetroelektranama, koji dozvoljava da vjetroagregati interno deļ¬niraju svoju referencu snage, treba biti modiļ¬ciran. U ovom radu prouÄavaju se moguÄnosti smanjenja optereÄenja vjetroagregata koriÅ”tenjem dinamiÄkog upravljanja snage vjetroagregata. Predložen je koncept regulatora vjetroelektrane koji koristi koordinirano upravljanje snagom vjetroagregata u svrhu zadovoljenja mrežnih pravila i smanjenja optereÄenja vjetroagregata
Koordinirano optimalno upravljanje radnom snagom vjetroelektrane
With large penetration of wind energy in electricity grids, a requirement to control the wind farm active power arises. To fulfill the demands set in the new grid codes wind farms must have an ability to track the power reference demanded by the transmission system operator. The research in this thesis focuses on the design of an optimal wind farm controller that enables tracking of the power reference, while achieving reduction of the wind turbine structural loads. Such control design ensures more cost efficient way to produce electrical power from the wind when wind farm responds to requirements from the transmission system operator. The task of the wind farm controller is to distribute power references among the wind turbines. Due to significantly slower sampling time and restrictions on actuator manipulation the design of the wind farm controller requires different approach for structural loads reduction than that used for design of wind turbine controllers with that objective. The designed controller is based on the model predictive control methodology that relies on a process model, which is derived and experimentally tested. A hierarchical control design approach is used - the time scale separation observed in the system is utilised as a separation principle. The individual controllers with different sampling times are designed for the slow and the fast processes. To ensure scalability of the proposed controller design a novel implementation approach of the wind farm controller is proposed, which is based on the decomposition and parametrisation of the overall problems. The local problems are then solved off-line, while the optimal coordination problem is solved on-line, at every sampling instant. Two procedures are developed that enable efficient implementation of on-line optimisation, both of which largely outperform the classical computation approach. The proposed controller design demonstrates excellent wind farm power tracking ability with significant reduction in wind turbine loads. Using the developed computation approach, the controller is applicable for implementation on very large wind farms with hundreds wind turbines that are being built today.Vjetroelektranama se danas tipiÄno upravlja nekoordirano - svakim vjetroagregatom se upravlja kao nezavisnom jedinicom, na naÄin da se maksimizira proizvodnja radne snage obzirom na trenutnu brzinu vjetra i ograniÄenja vjetroagregata. Snaga koju vjetroelektrana upravljana na takav naÄin isporuÄuje u elektroenergetsku mrežu je, obzirom da jako ovisi o promjenjivoj brzini vjetra, vremenski promjenjiva i teÅ”ko predvidiva, zbog Äega energija iz vjetra predstavlja poremeÄaj u elektroenergetskom sustavu. Upravljanje mrežom sa znaÄajnim udjelom energije iz vjetra iz tog je razloga složen zadatak, koji se tipiÄno rjeÅ”ava alokacijom veÄe koliÄine rezerve radne snage iz klasiÄnih elektrana. S poveÄanjem udjela energije iz vjetra u elektroenergetskom sustavu takav naÄin upravljanja postaje nepraktiÄan, neekonomiÄan i ekoloÅ”ki neprihvatljiv. Kako bi se umanjili negativni utjecaji vjetroelektrana na elektroenergetski sustav nova mrežna pravila uvode, meÄu ostalim, zahtjeve na upravljanje radnom snagom vjetroelektrana, kojima je cilj smanjenje promjenjivosti proizvodnje i koriÅ”tenje vjetroelektrana u regulaciji. Vrlo strogi zahtjevi veÄ postoje, primjerice, u Skandinaviji, dok i ostali elektroenergetski sustavi uvode sve stroža pravila. Trend poveÄanja udjela energije iz vjetra u elektroenergetskim sustavima, kao i planovi za razvoj europskog elektroenergetskog sustava, ukazuju da Äe upravljanje radnom snagom postati standardan naÄin rada vjetroelektrana, za razliku od sadaÅ”njeg dopuÅ”tanja maksimalne proizvodnje. Glavni cilj ove disertacije je projektiranje sustava upravljanja vjetroelektranom koji omoguÄuje zadovoljenje mrežnih pravila za upravljanje radnom snagom vjetroelektrane, na naÄin kojim se smanjuju strukturna optereÄenja vjetroagregata. Sustav upravljanja vjetroelektranom ima zadatak rasporediti traženu proizvodnju vjetroelektrane (vanjsku referencu snage) meÄu pojedinim vjetroagregatima, odnosno proraÄunati i poslati reference snage svim lokalno upravljanim vjetroagregatima. Smanjenjem strukturnih optereÄenja i posljediÄnog zamora materijala produžuje se radni vijek vjetroagregata, smanjuje vrijeme potrebno za održavanje, te potencijalno smanjuje cijena konstrukcije vjetroagregata. Dodatni zahtjev na sustav upravljanja vjetroelektranom je primjenjivost na vrlo velike vjetroelektrane kakve se danas grade. U disertaciji opisan je rad vjetroelektrana s naglaskom na aerodinamiÄke pojave, strukturna optereÄenja i upravljanje vjetroagregatom, na kojima se zasniva razvijeni sustav upravljanja. Posebnost razvijenog sustava upravljanja jest da, za razliku od regulatora vjetroagregata koji se obiÄno projektira u svrhu smanjenja strukturnih optereÄenja, sustav upravljanja vjetroelektrane (i) ima bitno veÄe vrijeme uzorkovanja i (ii) nema izravan pristup lokalnim aktuatorima pojedinih vjetroagregata, kao Å”to su primjerice kut zakreta lopatica i moment generatora. Time je s jedne strane osigurana autonomnost i sigurnost rada pojedinih vjetroagregata, no s druge su strane manipulativne moguÄnosti sustava upravljanja vjetroelektranom bitno smanjene u usporedbi sa sustavom upravljanja pojedinog vjetroagregata. Iz tih razloga se klasiÄni prinicipi projektiranja regulatora vjetroagregata sa ciljem smanjenja strukturnih optereÄenja koji se mogu naÄi u literaturi ne mogu primjeniti za projektiranje sustava upravljanja vjetroelektrane. Razvijeni optimalni sustav upravljanja vjetrolektranom ima hijerarhijsku strukturu zasnovanu na karakteristikama aerodinamiÄkih pojava u vjetroelektrani. UoÄena distinkcija meÄu vremenskim skalama na kojima se manifestiraju odreÄene aerodinamiÄke pojave koristi se kao princip separacije za projektiranje sustava upravljanja. NadreÄeni regulator optimira rad sustava na sporoj vremenskoj skali i proslijeÄuje sporo promjenjive reference radne snage za pojedine vjetroagregate. PodreÄeni regulator optimira rad sustava na brzoj vremenskoj skali tako da unosi oscilacije oko sporo promjenjivih referenci snage, Äime se poboljÅ”ava slijeÄenje reference snage vjetroelektrane i smanjuju se strukturna optereÄenja vjetroagregata. U svrhu projektiranja optimalnog sustava upravljanja vjetroelektranom razvijeni su modeli sustava u obliku primjenjivom za koriÅ”tenje u modelskim postupcima sinteze regulatora. Razvijeni model vjetroagregata za sintezu regulatora testiran je na mjerenjima dobivenim iz eksperimenata provedenih na stvarnoj vjetroelektrani u pogonu. Prvi korak pri projektiranju optimalnog regulatora vjetroelektrane sastoji se u projektiranju takozvanog nadzornog regulatora vjetroagregata -- regulatora koji, uzimajuÄi u obzir sva realna ograniÄenja za projektiranje regulatora vjetroelektrane, odreÄuje referencu radne snage za jedan vjetroagregat na brzoj vremenskoj skali u svrhu smanjenja strukturnih optereÄenja, ne uzimajuÄi u obzir proizvodnju ostalih vjetroagregata. Rezultati upravljanja vjetroagregatom pomoÄu nadzornog regulatora provjereni su na detaljnom aeroelastiÄnom simulacijskom modelu vjetroagregata koji služi za certifikaciju vjetroagregata. Uz umjerenu standardnu devijaciju snage uoÄena su bitna smanjenja ekvivalentnih zamornih optereÄenjima na kljuÄnim dijelovima konstrukcije u smjeru vjetra, dok su poveÄanja optereÄenja u nedominantnom smjeru okomito na vjetar mala i prihvatljiva. Projektiranje nadzornog regulatora zasnovano je na principima modelskog prediktivnog upravljanja. Regulator je izveden kao eksplicitni regulator - problem optimalnog upravljanja u konaÄnom horizontu za sustav s ograniÄenjima formuliran je kao viÅ”eparametarski optimizacijski problem, Äijim se rjeÅ”avanjem dobila eksplicitna funkcija ovisnosti optimalnog upravljaÄkog signala o parametrima problema. Takav regulator jednostavan je za implementaciju i omoguÄuje pravovremeni proraÄun upravljaÄkog signala pri radu u stvarnom vremenu. Preuzimanjem principa projektiranja nadzornog regulatora uz dodavanje zahtjeva za koordinaciju projektiran je optimalni regulator za koordinirano upravljanje vjetroelektranom. Takav regulator omoguÄuje, uz smanjenje strukturnih optereÄenja vjetroagregata, slijeÄenje reference snage vjetroelektrane, Äime se zadovoljavaju zahtjevi mrežnih pravila. Projektirani regulator ispitan je koriÅ”tenjem simulacijskog paketa SimWindFarm. Rezultati pokazuju izvrsne karakteristike slijeÄenja tražene radne snage vjetroelektrane, uz bitna smanjenja strukturnih optereÄenja vjetroagregata. Kako bi se koriÅ”tenjem projektiranog optimalnog regulatora vjetroelektrane proraÄunali optimalni upravljaÄki signali za cijelu vjetroelektranu, potrebno je u svakom trenutku uzorkovanja rijeÅ”iti optimizacijski problem, Äija veliÄina ovisi o broju vjetroagregata u vjetroelektrani. Za vrlo velike vjetroelektrane koje se danas grade, optimizacijski problem postaje prevelik da bi se rijeÅ”io unutar jednog koraka uzrokovanja ili koriÅ”tenjem viÅ”eparametarskog optimiranja. Zbog toga je razvijena efikasna algoritamska implementacija sustava upravljanja prilagoÄena problemu. Razvijeni algoritam zasnovan je na rastavljanju ukupnog optimizacijskog problema na lokalne optimizacijske probleme i problem optimalne koordinacije. Lokalni optimizacijski problemi parametrirani su koristeÄi lokalne i koordinacijske parametre, te su rijeÅ”eni viÅ”eparametarskim pristupom. Za problem optimalne koordinacije razraÄena su dva postupka proraÄuna, koji omoguÄuju efikasno rjeÅ”avanje problema u svakom koraku uzorkovanja. Prvi postupak je iterativnog tipa, dok se drugi postupak zasniva na uvoÄenju pomoÄnih varijabli, Äime optimizacijski problem poprima oblik koji se može vrlo efikasno rijeÅ”iti. Iterativni postupak osigurava primjenjivost razvijenog sustava upravljanja na vjetroelektrane od viÅ”e stotina vjetroagregata, dok postupak s uvoÄenjem pomoÄnih varijabli osigurava primjenjivost na najveÄe vjetroelektrane od viÅ”e tisuÄa vjetroagregata