Zagreb, Lipanj 2014.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVRŠNI RAD br. 3684

UPRAVLJANJE VJETROAGREGATOM S

PREDUPRAVLJANJEM PO ESTIMATU

EFEKTIVNOG VJETRA

Mateja Car

ii

iii "Zadatak rada je zadan u okviru IPA IIIC projekta "Centar izvrsnosti za procjenu stanja konstrukcija" (CEEStructHealth)."

iv

Sadržaj 1. Uvod ................................................................................................................................. 1

2. Fizikalne osnove rada vjetroagregata .............................................................................. 3

3. Sinteza regulatora vjetroagregata uz predkompenzaciju poremećaja ............................ 6

3.1. Regulator prema principu povratne veze ............................................................... 7

3.1.1. Regulacija ispod nazivne brzine vjetra ........................................................... 10

3.1.2. Rubovi radnog područja ................................................................................. 11

3.1.3. Regulacija iznad nazivne brzine...................................................................... 13

3.2. Predupravljanje po estimatu brzine vjetra ............................................................ 17

3.2.1 Predupravljanje ispod nazivne brzine vjetra ........................................................ 17

3.2.2. Predupravljanje iznad nazivne brzine vjetra .................................................. 20

4. Rezultati ......................................................................................................................... 24

4.1. Usporedba odziva........................................................................................................ 24

5. Zaključak ......................................................................................................................... 31

6. Literatura ........................................................................................................................ 32

Sažetak ................................................................................................................................... 38

Summary ................................................................................................................................ 39

1

1. Uvod

Čovjek je od pamtivijeka iskorištavao energiju vjetra: za pogon jedrenjaka,

postrojenja za navodnjavanje, mlinice, vodene pumpe a krajem 19. stoljeća i pokretanje

elekričnog generatora (dinama) za proizvodnju električne energije. Intenzivnije

iskorištavanje energije vjetra za pokretanje vjetroagregata događa se u 20 stoljeću u

Danskoj. Ti su vjetroagregati imali snagu od 5 do 25 kW i promjer lopatica do 25 metara.

Revolucija u razvoju tehnologije vjetroagregata dogodila se 1978. Kada je konstruiran prvi

agregat MW snage (2MW). [7]

U svijetu je 2012. godine ukupna instalirana snaga iznosila oko 4 TW a proizvedeno

je 20.500 TWh eletrične energije [6]. Usporedbe radi prema godišnjem izvješću EWEA u

EU27 bilo je instalirano 2010. godine ukupno oko 84 GW snage u vjetoragregatima.

Prema znastvenim studijama iz 2000. godine ukupna snaga vjetra u svijetu procjenjuje se

na 72 TW. Kada bi bi čovjek uspio ukrotiti i iskoristiti samo 20% navedene snage vjetra

svjetske potrebe za elektičnom energijom bile bi višestruko nadmašene. [4] [5]

Stoga ne čudi da je iskorištavanje snage vjetra sve popularniji način dobivanja

električne energije a razvoj tehnologije toliko je brz da već danas najmanje 3 kompanije

rade na razvoju vjeroagregata od 10 MW. Možemo slobodno reći da razvoj tehnologije

vjetroagregata vuče cijelu industriju proizvodnje el, energije iz obnovljivih izvora ubrzano

prema naprijed, te stoga realistično zvuči izjava g. Cristiana Kjaera (CEO-EWEA) da bi se za

nekoliko desetljeća sve potrebe za eletričnom energijom u Europi mogle namirivati u

potpunosti iz obnovljivih izvora. [5]

2

Slika 1 annual report EWEA [5]

S druge strane razvoj ogromnih, skupih i snažnih vjetroagregata nije moguć bez

povećanja fizičkih dimenzija lopatica, tornja, gondole itd što ima za posljedicu povećana

mehanička naprezanaja navedenih dijelova pri čemu će efikasno i optimizirano

upravljanje takvog vjetroagregata u budućnosti imati još veče značenje. Upravljački sustav

zadužen je za upravljanje i nadzor rada vjetroagregata i radi na principu povratne veze.

Budući da vjetroagregat radi bez posade, a najčešće je na vrlo nepristupačnim mjestima:

pučina, brda (zbog jačih vjetrova), održavanje takvog sustava sa stalnom ljudskom

posadom bilo bi skupo i neefikasno. Stoga se ulaganjem u napredne sustave upravljanja

postiže veća ekonomičnost ovakvih postrojenja. Sustav upravljanja ima razlačite zadaće,

poput regulacije svih procesnih veličina, sekvencijsko upravljanje, dijagnostika, zaštita,

komunikacija s udaljenim upravljačkim središtima. Glavne veličine koje se reguliraju su

snaga i brzina vrtnje vjetroagregata. Kvalitetnim upravljanjem istih postiže se smanjenje

opterećenja dijelova vjetroagregata što im produljuje životni vijek a time i isplativost. [1]

3

2. Fizikalne osnove rada vjetroagregata

Rad vjetroturbine zasniva se na slijedećem principu: Zrak putuje do rotora

određenom brzinom. Rotor i lopatice možemo promatrati kao disk određene površine.

Budući da taj disk predstavlja prepreku struji zraka dolazi do smanjenja brzine vjetra

(jednadžba kontinuiteta). Dio kinetičke energije vjetra uzima rotor. [1]

Slika 2 Jednadžba kontinuiteta [8]

Vjetroturbina ne može preuzeti čitavu snagu sadržanu u vjetru.

(2-1)

(2-2)

Koeficijent snage računa se kao omjer snage preuzete od strane rotora i snage vjetra.

Maksimalna teoretska iskoristivost je 59 % (Betzov limit) dok je praktična oko 35-45%.

Omjer brzina predstavlja omjer obodne brzine rotora vjetrorurbine i brzine vjetra daleko

ispred rotora gdje nema njegovog utjecaja na struju zraka.Vjetroturbina preko lopatica

preuzetu energiju pretvara u okretni moment vratila a vratilo taj okretni moment predaje

generatoru. Generator proizvodi električnu energiju. Snagu vjetroturbine možemo izraziti

4

kao umnožak aerodinamičkog pogonskog momenta na osovini turbine i njene brzine

vrtnje. Preko navedene relacije dobivamo izraz za moment turbine:

=

= 0.5*

, =

- koeficijent momenta (2-3)

Brzina vrtnje vjetroturbine rezultat je suprostavljenog djelovanja aerodinamičkog

momenta na osovini vjetroturbine i elektormotornog momenta generatora:

= (2-4)

Pri čemu je s označen moment inercije turbine,a moment generatora

Također je potrebno uzeti u obzir potisnu silu na rotor koju uzrokuje vjetar

= (2-5)

Budući da toranj nije apsolutno krut u proračun je potrebno uzeti i njegovo njihanje pod

utjecajem brzine vjetra. Ono je opisano kao oscilatorni sustav drugog reda (utjecaj viših

frekvencija je zanemariv u odnosu na titranje na prvoj vlastitoj frekvenciji).

=M +D +C (2-6)

Pri čemu je:

M [kg] – modalna masa tornja

C [kg/s] – modalna krutost tornja

D [kg/s2] – modalno prigušenje tornja

5

Vjetroagregat radi u širokom rasponu brzina, od 2-3 m/s (brzina za uključenje) do 25-30

m/s što je 2-3 puta veća brzina od nazivne. Kako bi se omogućio rad u ovakvom rasponu

potrebno je primijeniti mehanizme za ograničavanje snage vjetroturbine (snaga je

proporcionalna s trećom potencijom brzine vjetra). [1]

6

3. Sinteza regulatora vjetroagregata uz

predkompenzaciju poremećaja

Osnovna struktura sustava upravljanja s povratnom vezom sastoji se od regulatora,

aktuatora i procesa. Zadatak sustava upravljanja je kompenzacija utjecaja smetnji koje

djeluju na proces, te osiguravanje da regulirana veličina čim bolje slijedi referentnu

veličinu. Cilj ovakvog sustava je da se minimizira iznos regulacijskog odstupanja e ( ).

Prednost je ovakvog sustava što regulator koristi povratnu informaciju (informaciju o

izlaznoj veličini) preko negativne povratne veze i na temelju regulacijskog odstupanja

određuje upravljačku veličinu koju proslijeđuje na izvršni član (aktuator) te preko istoga

na sam proces. [3]

Slika 3 SAU sa povratnom vezom [3]

Zbog širokog radnog područja vjetroagregata postavljaju se dva zahtjeva na sustav

upravljanja:

Maksimizacija iskorištenja energije vjetra za vrijeme slabih vjetrova

Ograničenje brzine vrtnje i snage generatora za vrijeme jakih vjetrova

7

Slika 4 Rad vjetroagregata [3]

3.1. Regulator prema principu povratne veze

Struktura i parametri regulatora proizlaze iz strukture i parametara modela procesa

jer proces ne može trenutačno reagirati na promjenu upravljačke veličine. Brzina

promjene stanja određena je vremenskom konstantom. Budući da proces sam po sebi

može biti nestabilan regulator mora osigurati kompenzaciju nestabilnog rada procesa. U

ovome radu korišten je regulator PI tipa čija je shema prikazana slikom 5. [3]

Slika 5 paralelna izvedba PI regulatora [3]

8

PI regulator je jednostavan i pouzdan, a njegovi parametri su podesivi (regulator

prilagođavamo vladanju procesa kako bi se postiglo najpovoljnije vladanje sustava).

(3-1)

pri čemu je s označeno proporcionalno pojačanje regulatora, a s integracijska

konstanta. Prijelazna funkcija PI regulatora prikazana je na slici 6.

Slika 6 Prijelazna funkcija PI regulatora [3]

Za dobivanje parametara regulatora potrebno je krenuti od modela procesa. Model

vjetroagregata je nelinearan. Zbog toga je potrebno provesti linearizaciju oko radne točke

(3-2)

9

(3-3)

(3-4)

(3-5)

(3-6)

(3-7)

(3-8)

(3-9)

Laplaceovom transformacijom lineariziranih jednadžbi i njihovim kombiniranjem dolazi se

do prijenosnih funkcija bitnih za parametriziranje regulatora. Za upravljanje ispod nazivne

brzine vjetra bitne su prijenosne funkcije koje opisuju promjenu brzine vrtnje rotora pri

promjeni brzine vjetra i momenta generatora: [1]

(3-10)

(3-11)

10

Za upravljanje iznad nazivne brzine potrebne su funkcija ovisnosti promjene brzine vrtnje

o promjeni kuta zakreta lopatica i funkcija servo pogona[1]

(3-12)

(3-13)

3.1.1. Regulacija ispod nazivne brzine vjetra

Za vrijeme slabih vjetrova nastoji se optimiziranjem pretvorbe maksimalno iskoristiti

energija preuzeta iz vjetra. Sustav upravljanja temelji se na činjenici da karakteristika

koeficijenta snage vjetroagregata ima izražen maksimum za samo jednu vrijednost omjera

brzina ( ). U području ispod nazivne brzine nastoji se upravljanjem momentom

generatora za svaki iznos brzine vjetra, na temelju optimalnog omjera brzina prilagoditi

brzinu vrtnja rotora. Na ulaz regulatora dovodi se razlika optimalne i mjerene vrijednosti.

Ukoliko je brzina veća od optimalne regulator povećava moment kako bi se brzina vrtnje

smanjila i obratno. Integracijska konstanta regulatora ovog sustava dobivena je

korištenjem vremenske konstante prijenosne funkcije momenta kako bi se ostvarilo

kraćenje dominantne vremenske konsante prijenosne funkcije brzine vrtnje rotora po

momentu [1]

(3-14)

Proporcionalno pojačanje izračunato je uz uvjet maksimalne dozvoljene promjene

nazivnog momenta od 20% na brzinu promjene regulacijskog odstupanja od 0.2 [rad/s]

(3-15)

11

Slika 7 Simulink shema sustava upravljanja lineariziranim modelom vjetroagregata ispod nazivne brzine vjetra

3.1.2. Rubovi radnog područja

Kako bi se poboljšalo vladanje sustava uveden je i sustav upravljanja na rubnim

područjima rada vjetroagregata. Naime pri malim brzinama vjetra na temelju regulacije

optimalnim momentom proizlaze mali iznosi brzine vrtnje rotora a time i generatora (loše

za rad generatora). Također, nazivna brzina vrtnje definirana je konstrukcijskim

zahtjevima (veća brzina dovodi do većeg opterećenja konstrukcije). Slijedi li se kriterij

optimalnog momenta daljnjim povećanjem brzine vjetra (u području ispod njezinog

nazivnog iznosa) brzina vrtnje premašuje nazivnu te se uključuje sustav za zakretanje

lopatica, dakle ne postiže se niti nazivni moment niti nazivna snaga. Zbog navedenih

razloga se na rubnim područjima odustaje od regulacije optimalnim momentom. [1]

12

Slika 8 Statičke karakteristike aerodinamičkog momenta i optimalnog upravljačkog zakona [1]

Raspon područja u kojem se ne slijedi optimalni moment generatora mora biti širi za veće

vjetroagregate jer porastom dimenzija raste i tromost tj. odziv brzine vrtnje

vjetroagregata sporiji je s promjenom brzine vjetra (sporije prati brze promjene u

sustavu). Najčešće djelovanje regulatora dijelimo na dva područja: gornje i donje. Kao

referenca se uzima sredina radnog područja. Na gornjem rubu radnog područja kao

referenca se uzima nazivna a na donjem minimalna brzina vrtnje. Algoritam mora

osigurati da se ukoliko je moguće koristi optimalni moment. U donjem radnom području

održava se optimalni moment dok to ne zahtjeva smanjenje brzine ispod minimalne tada

moment koji zahtjeva regulator postaje manji te se na izlaz šalje njegova vrijednost. Na

gornjem rubu je obrnuta logika. Optimalni moment se koristi sve dok brzina vrtnje ne

dosegne nazivnu. Da bi se spriječilo povećanje iznad nazivnog iznosa koristi se iznos koji

13

daje regulator (veći od optimalnog). Parametri regulatora dobiveni su korištenjem

zahtjeva faznog osiguranja (iznos faznog kašnjenja za koje se dostiže rub stabilnosti) γ=60°

za iznos presječne frekvencije . [1]

(3-16)

(3-17)

Pri implementaciji sustava upravljanja bitno je uzeti u obzir ograničenja izvršnog elementa

kojemu regulator prosljeđuje upravljački signal. Radi se o ograničenju po maksimalnom i

minimalnom iznosu (u ovom slučaju ) te brzini promjene upravljačkog signala

(0.2* ). Ulaskom signala u ograničenje prekida se povratna veza i sustav radi u

otvorenoj petlji jer izvršni element ostaje u graničnom položaju neovisno o izlaznom

signalu regulatora. PI regulator (zbog integracijske komponente) nastavlja integrirati

regulacijsko odstupanje pa izlaz može poprimiti velike vrijednosti. Smanjenjem

regulacijskog odstupanja regulator sporo izlazi iz ograničenja što nazivamo efektom

namatanja („wind-up efekt“). Spriječavanje ovog efekta može se realizirati na više načina.

U ovome radu korišteno je uvjetno integriranje: kada sustav uđe u ograničenje ulazni

signal u integrator je 0, a inače je e. [3]

3.1.3. Regulacija iznad nazivne brzine

U uvjetima iznad nazivne brzine vjetra moment generatora drži se na nazivnoj

vrijednosti a brzinu vrtnje regulira sustav za zakretanje lopatica. Naime smanjivanjem

napadnog kuta vjetra smanjuje se sila potiska na lopatice a posljedično i brzina vrtnje. Uz

regulator koristimo i funkciju servo pogona koja postavlja lopatice na kut koji određuje

regulator. Ulazni signal u regulator je razlika mjerene i referentne brzine vrtnje. Parametri

regulatora određuju se preko faznog osiguranja. Iznos faznog osiguranja i presječne

frekvencije uzima se iz preporučenih intervala: [1]

14

(3-18)

(3-19)

- vlastita frekvencija tornja (3-20)

U ovome radu uzete su gornje granične vrijednosti. Definiramo funkciju otvorenog kruga

koja se sastoji od regulatora, aktuatora (funkcija servo pogona) te linearizirane fukcije

ovisnosti brzine vrtnje o zakretu lopatica.

Slika 9 Simulink shema sustava upravljanja lineariziranim modelom vjetroagregata iznad nazivne brzine vjetra

(3-21)

Fazno osiguranje definirano je jednadžbom:

(3-22)

(3-23)

15

Uvrštavanjem slijedi jednadžba pomoću koje se računa integralno pojačanje:

(3-24)

Za računanje proporcionalnog pojačanja bitna je amplitudna karakteristika:

(3-25)

(3-26)

(3-27)

Proporcionalno pojačanje je negativnog predznaka. Regulator pri brzinama većim od

nazivne povećava kut zakreta kako bi se smanjila brzina vrtnje. Kada brzina padne ispod

nazivne zakreće se prema manjim kutovima. PI regulator se najčešće izvodi digitalno.

Prednost digitalnih sustava je jednostavnija realizacija složenijih algoritama upravljanja,

mogućnost posluživanja više upravljačkih petlji istim sklopovljem, jednostavnija izgradnja

distribuiranih sustava upravljanja,sustav je neosjetljiv na starenje komponenata u

upravljačkom sklopovlju itd. Uzorak signala uzima se u ekvidistantnim vremenskim

trenucima. Dikretizacija ovog regulatora provedena je Tustinovim postupkom (prenose se

frekvencijska svojstva u diskretnu domenu, dobro se aproksimira integrator). Vrijeme

uzorkovanja je 20 ms. [1] [3]

Diskretizacija:

(3-28)

16

(3-29)

(3-30)

(3-31)

(3-32)

(3-33)

Konačno se dobije rekurzivna jednadžba diskretnog PI regulatora:

(3-34)

Slika 10 Diskretizirani PI regulator

17

3.2. Predupravljanje po estimatu brzine vjetra

Budući da sam vjetar predstavlja poremećajnu veličinu u ovome se sustavu njegov

utjecaj nastoji kompenzirati predupravljanjem.

3.2.1 Predupravljanje ispod nazivne brzine vjetra

Funkcija predupravljanja ispod nazivne brzine vjetra dobivena je kao čisto pojačanje

(P-član):

(3-35)

Krateći bliske polove i nule, a budući da obje prijenosne funkcije imaju istu vremensku

konstantu dobiva se:

(3-36)

(3-37)

18

Slika 11 Shema sustava upravljanja lineariziranim modelom vjetroagregata ispod nazivne brzine vjetra s

predupravljanjem

Slika 12 uvećani trenutak reakcije regulatora po momentu pri skoku brzine za 1m/s bez(plavo) i s

predupravljanjem(crno)

19

Slika 13 Brzina vrtnje rotora

Slika 14 Proizvedena energija

U simulink okruženju dobiveni su odzivi na step v=7 m/s s promjenom od 1 m/s. Vidljivo je

da primjenom predupravljanja smanjujemo nadvišenje uzrokovano poremećajem i

skraćujemo vrijeme smirivanja. Korištenjem preupravljanja dobiva se više energije.

20

3.2.2. Predupravljanje iznad nazivne brzine vjetra

Za dobivanje predupravljačke funkcije sustava iznad nazivne brzine korišten je isti

princip:

(3-38)

Međutim zbog dodatne prijenosne funkcije u upravljačkom krugu (aktuatora) konačna

funkcija ima veći stupanj u brojniku nego u nazivniku što ju čini nekauzalnom. Zbog toga

se zanemaruje utjecaj nula i polova te se koristi samo ukupno pojačanje sustava

(3-39)

Slika 15 Shema sustava upravljanja lineariziranim modelom vjetroagregata iznad nazivne brzine vjetra sa

predupravljanjem

21

Slika 16 odziv zakreta lopatica u trenutku promjene brzine za sustav bez i sa predupravljanjem

Slika 17 Brzina vrtnje rotora

22

Slika 18 Proizvedena energija

Odzivi sustava iznad nazivne brzine dobiveni su skokovitom promjenom brzine vjetra s 20 m/s

ponovno na 21 m/s. Kod zakreta lopatica također postoji ograničenje brzine promjene greške,

međutim ono nije uključeno u sintezu. Kao što se pokazalo i u prethodnim odzivima

predupravljački signal djeluje smanjujuči nadvišenje uzrokovano pomakom iz radne točke, a

vrijeme ustaljivanja je također malo kraće, dakle vladanje sustava s obzirom na djelovanje

poremećaja je poboljšano.

Konačni predupravljački signal ovisan je o statičkom iznosu reference zakreta lopatica za radnu

točku te regulacijskom odstupanju brzine vjetra i radne točke.

(3-40)

Kod implementacije sustava predupravljanja na području iznad nazivne brzine uzela se u obzir

činjenica da je dobiveno pojačanje posljedica pojedinačnih pojačanja lineariziranih funkcija

modela vjetroagregata. Budući da se radi o koeficijentima koji su ovisni o radnoj točki u kojoj se

računaju, a kako bi se osiguralo što bolje kompenziranje i pri vjetrovima višim od navedene radne

točke, izračunat je iznos pojačanja za tri različite radne točke iznad nazivne brzine. Konačni signal

dobiva se interpolacijom između izračunatih vrijednosti.

23

Slika 19 shema predupravljanja

Slika 20 Matlab funkcija kojom se određuje izlazni signal predupravljanja interpolacijom

24

4. Rezultati

Rezultati su dobiveni simulacijom u FAST simulacijskom okruženju. FAST je

simulator kojim je moguće predvidjeti ponašanje nelinearnog modela vjetroagregata u

traženim uvjetima. FAST ima razvijeno sučelje za rad u Simulink okruženju čime se znatno

pojednostavljuje implementacija svih sustava upravljanja. U ovome radu korišten je 32

bitni Matlab 2010b zbog činjenice da FAST-ove funkcije traže 32 bitni program a ova se

inačica pokazala kao najbolje rješenje jer zadovoljava uvjete kompatibilnosti s FAST

sučeljem.

4.1. Usporedba odziva

Slika 21 Turbulentni vjetar na glavčini vjetroagregata

25

Slika 22 Izlazna snaga bez i s predupravljanjem

Slika 23 Izlazna brzina vrtnje rotora

Slika 24 Proizvedena energija

26

Slika 25 Odnos ukupne pogreške slijeđenja

Odziv na brzine vjetra ispod nazivne brzine sa predupravljanjem ima manje oscilacije zbog

djelovanja kompenzacijskih funkcija. Izlazna snaga a i izlazna brzina vrtnje imaju manje

skokove izazvane naglim promjenama brzine vjetra. Kašnjenje estimata vjetra izvedeno je

PT1 članom s vremenom kašnjenja 0.5 s. Rezultati pokazuju da se izlazne veličine s i bez

kašnjenja većinom podudaraju, uz povremene manje amplitude oscilacija odziva s

kašnjenjem. Pogreška slijeđenja optimalnog omjera brzina je u većem dijelu promatranog

vremenskog perioda podjednaka, no u trenutcima kada se javljaju naglije i veće

amplitudne promjene brzine vjetra zbog pojačanog djelovanja regulatora predupravljanja

dolazi do većih odstupanja.

Slika 26 Turbulentni vjetar na glavčini vjetroagregata

27

Slika 27 Moment generatora

Slika 28 Izlazna snaga

Slika 29 Izlazna brzina vrtnje rotora

28

Slika 30 Kut zakreta lopatica

Slike 26-30 prikazuju odzive na promjene brzine vjetra u području oko nazivne brzine.

Sustav zakreta lopatica s predupravljanjem je vidljivo aktivniji (slika 30). Također izlazna

snaga ima manje skokova iznad dozvoljene vrijednosti i bolje prati promjene brzine vjetra

(nagle izmjene iznad i ispod nazivne vrijednosti brzine vjetra) što je posljedica rada

regulacije po momentu. Naime uključivanjem predupravljanja ima više skokovitih

promjena momenta (slika 27) što rezultira manjim amplitudama snage. Izlazna brzina

vrtnje također ima manja nadvišenja a njen iznos je konstantno u pojasu oko nazivnog

iznosa sa blažim oscilacijama.

Slika 31 Turbulentni vjetar na glavčini vjetroagregata

29

Slika 32 Izlazna snaga

Slika 33 Izlazna brzina vrtnje

Slika 34 Kut zakreta lopatica

30

Slika 35 Proizvedena energija

Posljednja simulacija prikazuje vjetar većinom iznad nazivne brzine sa naglim i

turbulentnim propadima u područje ispod nazivne brzine. Na slici 34 je vidljivo kako je i u

sustavu bez kompenzacije zakretanje lopatica aktivnije ali sa manje intervencija, brzina

vrtnje rotora je konstantnija i oko nazivne ali ima dosta velike skokove. Snaga je također u

pojasu oko nazivne vrijednosti međutim ne prati vjerno nagle promjene vjetra iz područja

većih u područje manjih brzina. Uključivanjem predupravljanja izlazna snaga ima više

oscilacija jer vjernije prikazuje prilike pri turbulentnim promjenama brzine a skokova

preko nazivne vrijednosti ima manje. Izlazna brzina rotora također bolje prati promjene

brzine vjetra. Uvođenjem kašnjenja estimata vjetra razlike u odzivima su neznatne.

Računanjem srednje kvadratične pogreške vidljivo je da su drednje kvadratične pogreške

slijeđenja referentinih veličina snage (RMSE=236.8954 kW, RMSEp=293.2081 kW,

RMSEpk=311.7467 kW), u području iznad nazivne brzine veće u slučajevima s

predupravljanjem jer iako su amplitude izlaznih veličina manje (nisu veliki skokovi zbog

naglih promjena brzine vjetra) dobivamo više oscilacija oko nazivne vrijednosti. Kašnjenje

vjetra uzrokuje tek neznatno povećanje pogreške. Navedena odstupanja od nazivnih

vrijednosti imaju malen utjecaj na promjenu u proizvodnji energije

31

5. Zaključak

Regulator bez predupravljanja u području ispod nazivne brzine vjetra regulira brzinu

vrtnje kako bi se postigao optimalni omjer brzina λ pomoću regulacije momenta, dok

iznad nazivne brzine zakretanjem lopatica brzinu održavamo u pojasu oko nazivne a

moment je konstantan, na maksimalnom iznosu. Odzivi ovakvog sustava pokazuju velike

oscilacije u iznosima izlaznih veličina u trenutcima naglih i velikih promjena brzina vjetra.

Zbog toga je korišteno predupravljanje u oba sustava (upravljanje po momentu i po

zakretu lopatica). Rezultati simulacija u Matlab simulink okruženju gdje su testirani

regulatori momenta i zakreta lopatica pokazuju poboljšano vladanje sustava u slučaju

kada se koristi predupravljanje. Implementacijom cijelog sustava upravljanja u FAST

okruženju i testiranjem na FAST-ovom nelinearnom modelu vjetroagregata dobiveni su

odzivi na turbulentni vjetar. Korištenjem predupravljanja vidljiva su smanjenja u

nadvišenjima.

32

6. Literatura

[1] Jelavić,M; Upravljanje vjetroagregatom s ciljem smanjenja dinami kih opterećenja

konstrukcije; Doktorska disertacija; 2009; Fakultet elektortehnike i ra unarstva

[2] Jonkman,Jason M., Buhl, Marshall L.; FAST user's guide;2005

[3] s Interneta; Perić,N., Vukić,Z., Baotić,N., Mišković,N.; Automatsko upravljanje:

Predavanja; 2013/2014; http://www.fer.unizg.hr/predmet/autupr_a; 1. Lipanj, 2014.

[4] s Interneta; Archer,C.,Jacobson, M.;

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2004JD005462/abstract, 8. Lipanj, 2014.

[5] s Interneta; EWEA annual report; 2010;

http://www.google.hr/books?hl=hr&lr=&id=NkTWxqDX588C&oi=fnd&pg=PA6&dq=ewea+2012+a

nnual+report&ots=nON_5cmQrc&sig=KUw2q6CR2tX1umrGUuHL4Vav8LQ&redir_esc=y#v=onepag

e&q=ewea%202012%20annual%20report&f=false; 8. Lipanj, 2014.

[6] s Interneta; Mikuli ić, V.,Grgić, D., Šimić, Z.,Delimar,M.; Potrošnja elektri ne energije; 2014;

http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/ET08_Potrosnja.pdf; 8. Lipanj 2014.

[7] s Interneta; http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_wind_power; 8. Lipanj, 2014.

33

Dodatak

U navedene Matlab skripte potrebno je unijeti vrijednosti želejnih radnih točaka

radnih točaka. L0 je optimalni omjer brzina koji se očita kao maksimum u tablici ovisnosti

koeficijenta snage o omjeru brzina. U području ispod nazivne brzine vrijednost brzine

vrtnje dobiva se iz jednadžbe (2-2) uz poznate λ i v a koeficijent snage ima vrijednost

optimalnog koeficijenta (jer se u području ispod nazivne brzine vjetra nastoji održati

optimalni omjer brzina a time i Cp). U području iznad nazivnih brzina poznate su

vrijednosti brzine vrtnje rotora (nazivna), momenta (nazivni), dok je brzina vjetra u kojoj

lineariziramo proizvoljna. Na temelju tih podataka korištenjem jednadžbi (2-2) i (2-3)

dolazi se do λ i Cp, budući da u look-up tablicama koje prikazuju ovisnost Cp o λ i β ne

postoje dobivene vrijednosti. Kako bi se dobile vrijednosti i ostalih potrebnih točaka

koristi se princip najbližih susjednih točaka. U tablici se traži lambda veći i manji od onog

iz radne točke te za te lambde traži se u tablici Cp najbliži . Na temelju toga dolazi se

do pravokutnika sa 4 najbliže vrijednosti . kako bi se pronašla još preciznija radna točka

računaju se koordinate središta pravokutnika kao aritmetička sredina svih poznatih

vrijednosti. Na temelju dobivenog a poznatog traži se podkvadrant u kojem se nalazi

traženi . Vrijednost dobiva se linearnom interpolacijom između rubnih točaka

odabranog kvadranta.

Slika 36 Određivanje radnih točaka

34

Slika 37 Matlab funkcija za parametre regulatora ispod nazivne brzine

Slika 38 Matlab funkcija za parametre regulatora ispod nazivne brzine (nastavak)

35

Slika 39 Matlab funkcija za izračun parametara iznad nazivne brzine

Slika 40 Matlab funkcija za izračun parametara iznad nazivne brzine (nastavak)

36

Slika 41 Shema regulatora na rubnim područjima

37

Slika 42 Shema regulatora

38

Sažetak

Energija vjetra krije u sebi ogromni potencijal, te u smislu iskorištenja obnovljivih

izvora energije trenutno zauzima vodeće mjesto. Razvoj tehnologije za iskorištavanje

takve vrste energije i dalje je u velikom porastu. Postrojenja koja iskorištavaju energiju

vjetra zovu se vjetroagregati. Porastom nazivne snage vjetroagregata povećavaju se i

njegove dimenzije što dovodi do povećanih opterećenja mehaničkih dijelova. Također,

bitno je napomenuti da vjetroagregat može preuzeti samo dio snage vjetra. Stoga je

iznimno važno da se korištenjem kvalitetnih sustava upravljanja optimizira pretvorba

energije. U ovome radu najprije je provedena sinteza sustava upravljanja sa povratnom

vezom, koji koristi povratnu informaciju za generiranje upravljačkog signala. Najbitniji dio

upravljačkog sustava je PI regulator koji generira referentnu vrijednost koja se

proslijeđuje aktuatoru. Budući da se zahtjevi za regulaciju vjetroagregata mijenjaju u

ovisnosti o njegovom području rada,sustav upravljanja objedinjuje regulatore

projektirane za svako područje zasebno: ispod nazivne brzine vjetra, rubna područja,

iznad nazivne brzine vjetra. Kako bi se postiglo bolje vladanje sustava s obzirom na

promjene brzine vjetra, algoritam regulacije s povratnom vezom proširen je

predupravljačkim članom. Sve dobivene funkcije i regulatori testirani su na lineariziranom

modelu vjetroagregata u Matlab simulink okruženju a potom i u FAST simulacijskom

paketu odzivima na turbulentni vjetar. Rezultati pokazuju poboljšano vladanje sustava

upravljanja s uključenim predupravljanjem u kompenzaciji poremećaja, odnosno

smanjenje amplituda oscilacija izlaznih veličina

Ključne riječi:

Vjetroagregat, područja rada, sustav upravljanja, sinteza regulatora, predupravljanje,

snaga, zakret lopatica, brzina vrtnje, Simulink i FAST

39

Summary

Wind energy hides a huge potential, and in terms of the utilization of renewable

energy sources currently occupies a leading position. Development of technologies for

the exploitation of this kind of energy is in a large increase. Plants that utilize wind energy

are called wind turbines. With the increase of the wind turbine power, its dimensions and

structural loads also grow. Also, it is important to mention that wind turbines can extract

only a part of the available wind energy. Therefore, it is extremely important to use

quality control systems to optimize energy conversion. In this paper was first conducted a

synthesis of control systems with feedback, which use feedback to generate a control

signal. The most important part of the control system is a PI controller that generates a

reference value which is forwarded to the actuator. Since the requirements for the

regulation of wind turbines vary depending on the area of its operation, the control

system integrates controllers designed for each area individually: below the rated wind

speed, the borders of the region below the nominal wind speed, above the rated wind

speed. In order to achieve a better response of the system with respect to changes in

wind speed, the closed-loop control algorithm is extended with feedforward branch. All

the resulting functions and controllers were tested on the linearized model of a wind

turbine, subjected to a turbulent wind, in the Matlab Simulink environment and then in

the FAST simulation package. Results show improved behavior of the control system with

the feedforward branch in compensation of disorders, respectively reducing the

ampitudes of oscillations of the output values.

Keywords:

Wind turbine, operating regions, control system, controller synthesis, feedforward,

power, blade pitch, rotor speed, Simulink and FAST