Modelarea si simularea unei turbine eoliene

Modelarea si simularea unei turbine eoliene

Sistemul de control al turbinei eoliene de mica putere se realizeaza printr-un regulator electric de turatie al rotorului (elicei) si prin senzorii de viteza si control. Regulatorul electric de turatie al rotorului impiedica surplusul de putere (peste turatia nominala) sa supratureze palele turbinei, pierzand astfel contactul eficient cu aerul. Regulatorul comanda excitatia generatorului, facand fluxul magnetic mai mare, cuplul electromagnetic creste, necesitand mai multa forta pentru rotirea palelor. Senzorii de viteza si control sunt pusi in evidenta prin controlul yaw (abatere de la drum) care orienteaza rotorul in functie de directia vantului. Consideratii teoretice asupra acestei abateri sunt facute in limita posibilitatilor. Oricum, rotind palele unei turbine cu momente de inertie mari, giroscopul creeaza un moment de torsiune in timpul abaterii, adesea realizandu-se un zgomot puternic, de asemenea aceasta abatere poate sa declanseze un zgomot care depaseste limita admisa locala. Deci controlul acestei abateri este realizat in momentul cand aceasta functioneaza. Centralele eoliene de mica putere instalate in zilele noastre tind sa fie proiectate cu viteza variabila avand incorporate in ele controlul asupra pasului angrenajului si cel al puterii electronice.

Sistemul de control al centralei eoliene de mica putere studiat este prezentat in figura 1.1 si are urmatoarele componente principale: generator sincron cu magneti permanenti, redresor, convertor coborator-ridicator, regulator de tensiune, balast, baterii de acumulatoare, invertor, transformator si sarcini.

Figura 1.1. Schema bloc de reglare si control al GSMP

Scopul principal al schemei este alimentarea consumatorilor casnici monofazati la tensiunea 230V-50Hz. Convertorul ridicator - coborator de tensiune are rolul de a controla cuplul electromagnetic al turbinei in functie de viteza vantului, astfel incat sa se obtina puterea maxima disponibila. Bateria electrica de pe partea de curent continuu a invertorului asigura o alimentare continua a sarcinilor indiferent de variatiile vitezei vantului. Schema este prevazuta cu o sarcina controlabila electronic (balast), avand rolul de control al turbinei in cazul in care bateria este incarcata si puterea absorbita de sarcini este mica. Un dezavantaj al acestei scheme il constitue utilizarea unei punti redresoare care va duce la cresterea armonicilor de curent prin generator.

Pentru a determina structura de control a sistemului considerat am studiat urmatoarele cazuri:

- procesul de functionare a GSMP, cand viteza vantului variaza;

- comportarea sistemului la sarcina variabila;

Sistemul studiat a fost modelat si simulat cu ajutorul programului Matlab/Simulink. Figura 1.2 reprezinta diagrama bloc a sistemului considerat, si are urmatoarele componente: redresor trifazat, convertor ridicator-coborator de tensiune, baterie de acumulatoare de 120V, regulator de tensiune si blocuri pentru modelarea turbinei eoliene. Deasemenea si blocurile de masurare sunt incluse. Libraria utilizata din Matlab a fost SimPowerSystem.

Generatorul sincron cu magneti permanenti are o distributie sinusoidala a fluxului, 4 perechi de poli si urmatorii parametri:

• Rezistenta statorica pe o faza:
• Inductanta statorica pe axa d si axa q:
• Fluxul indus de magnetul permanent in infasurarea statorica:

Convertorul ridicator-coborator de tensiune si regulatorul de tensiune vor lucra pentru ca centrala eoliana sa functioneze la puterea maxima. Tensiunea de intrare variaza datorita vitezei vantului, in timp ce tensiunea de iesire este mentinuta constanta datorita bateriilor de acumulatoare.

Bateria de acumulatoare este obtinuta prin legarea in serie a 5 baterii de cate 24V fiecare.

Figura 1.2. Diagrama bloc a sistemului studiat in Simulink

1. Procesul de functionare a GSMP, cand viteza vantului variaza

In acest caz viteza vantului scade de la 10 m/s la 7 m/s, acest lucru se petrece la t=1s, si care va afecta echilibrul de putere in sistem. Sistemul lucreaza la conditii normale de functionare. Tensiunea bateriei de acumulatoare in acest caz este de aproximativ 135V.

Punctul de functionare al GSMP depinde de viteza vantului precum si de caracteristica turbinei eoliene. In Figura 1.3 este reprezentata variatia vitezei rotorice. Aceasta schimbare a vitezei vantului va afecta echilibrul de putere din sistem.

Figura 1.3. Variatia vitezei rotorice a GSMP

Variatia cuplului electromagnetic, prezentata in Figura 1.4 scade cu aproximativ 60% (care genereaza negativ, deoarece lucreaza in regim de generator), deasemenea puterea generata de sistem scade si ea.

Figura 1.4. Variatia cuplului electromagnetic a GSMP

Variatia tensiunii de pe partea de curent continuu a redresorului, prezentat in Figura 1.5, descreste de la 205V la 145V.

Figura 1.5 Variatia tensiunii pe partea de curent continuu a redresorului

Figura 1.6. Variatia curentului mediu prin baterie

In timpul acestui proces, curentul mediu din baterie scade de la valoarea de 6.5A la aproximativ -1.5A, acest proces poate fi observat in Figura 1.6. In scopul alimentarii permanente cu energie a sarcinilor de curent alternativ, bateria de acumulatoare va trece din modul de incarcare in cel de descarcare.

2. Comportarea sistemului la sarcina variabila

In acest caz, viteza vantului se presupune constanta la 10 m/s. Valorilor initiale ale sarcinilor le corespund puterile activa si reactiva avand urmatoarele valori: P=500W si Q=100var, iar generatorul functioneaza in regim permanent. La perioada t=2s, una dintre sarcini este brusc conectata si deconectata la t=3s. In Figura 1.7 sunt reprezentate formele de unda a tensiunii de curent alternativ.

Figura 1.7. Forma de unda a tensiunii de curent alternativ

Figura 1.8. Variatia curentului mediu prin baterie

In timpul regimului tranzitoriu, forma tensiunii de curent alternativ prezinta o mica deformare fata de functionarea in regim permanent. Din cauza ca puterea mecanica debitata de GSMP este constanta, echilibrul de putere este mentinut prin variatia incarcarii bateriei de curent, prezentata in Figura 1.8. In timp ce sarcina este conectata, curentul mediu al bateriei scade de la valoarea de 12A la o valoare aproximativa de 8.5A.

In cazul in care bateria de acumulatoare este incarcata la maximum, excesul de putere produs de catre GSMP poate fi absorbit de catre o sarcina controlabila electronic numita balast, avand rolul de control al turbinei in cazul in care bateria este incarcata si puterea absorbita de sarcini este mica Balastul mai este utilizat si pentru a mentine tensiunea de curent continuu constanta.

Figura 1.9. Incarcarea balastului

Figura 1.9 prezinta variatia de incarcare a balastului in timpul conectarii unei sarcini, in acest caz curentul din baterie este zero. Drept urmare incarcarea balastului scade de la o valoare de 55% la aproximativ 40%, in timp ce sarcina este conectata se mentine echilibrul de putere. Figura 1.10 prezinta variatia tensiunii si a curentului in timpul regimului permanent de functionare. Forma de unda a curentului este puternic afectata de catre redresorul trifazat, iar diodele de comutatie produc efectul de suprapunere, ceea ce influenteaza forma de unda a tensiunii.

Figura 1.14. Variatia tensiunii si a curentului prin GSMP

Inlocuirea bateriei electrice cu pila de combustie in schema de control a centralei eoliene de mica putere cu GSMP

Modelarea si simularea pilei de combustie din compozitia centralei eoliene cu GSMP studiate

Pe baza caracteristicilor U = f(J) la diferite temperaturi (50⁰C respectiv 70⁰C) si diferite presiuni (1atm respectiv 3atm), prezentate mai jos, s-a creat un model al pilei de combustie care va fi inlocuit cu bateria de acumulatoare din componenta sistemului de control al centralei eoliene de miac putere cu GSMP lucrand in retea autonoma.

Sistemul studiat a fost modelat si simulat cu ajutorul programului Matlab/Simulink.

Figura 2.1 Caracteristicile U-J ale pilei de combustie studiate

Modelul rezultat este prezentat in figura de mai jos:

Figura 2.2 Modelul pilei de combustie considerat

Punctul de functionare al GSMP cu pila de combustie depinde de viteza vantului precum si de caracteristica turbinei eoliene. In Figura 2.3 respectiv 2.4 sunt reprezentate caracteristicile tensiunii la bornele pilei de combustie si a curentului mediu prin pila la temperatura de 50⁰C si P=1atm si respectiv P=3atm. Aceasta schimbare a vitezei vantului va afecta echilibrul de putere din sistem.

Figura 2.3 Variatia tensiunii si a curentului prin pila de combustie la T=50⁰C, P=1atm

Figura 2.4 Variatia tensiunii si a curentului prin pila de combustie la T=50⁰C, P=3atm

In cazul in care viteza vantului scade de la 10 m/s la 4 m/s, forma de unda a tensiunii la bornele pilei de combustie si a curentului mediu prin pila se pot observa in figura de mai jos:

Figura 2.5 Variatia tensiunii si a curentului prin pila de combustie la T=50⁰C, P=1atm

Figura 2.6 Variatia tensiunii si a curentului prin pila de combustie la T=50⁰C, P=3atm

Concluzii

Modelarea si simularea s-a realizat pentru sistemul de control al unei centrale eoliene de mica putere cu viteza variabila. Procesul de pornire a GSMP a inceput atunci cand viteza vantului are valoarea de 4 m/s.

Convertorul ridicator-coborator de tensiune are rolul de a controla cuplul electromagnetic al turbinei in functie de viteza vantului, astfel incat sa se obtina puterea maxima disponibila.

Bateria electrica de pe partea de curent continuu a invertorului asigura o alimentare continua a sarcinilor indiferent de variatiile vitezei vantului.

Schema este prevazuta cu o sarcina controlabila electronic (balast), avand rolul de control al turbinei in cazul in care bateria este incarcata si puterea absorbita de sarcini este mica.

In cazul eolienelor cu viteza variabila, sistemul este reglat astfel incat, pentru fiecare viteza a vantului, eoliana sa functioneze la puterea maxima.

Utilizarea elementelor de control numerice si a dispozitivelor de electronica de putere, face posibila producerea, in astfel de sisteme, a energiei electrice de calitate buna.

S-au considerat doua posibilitati de stocare a energiei, una clasica din punct de vedere economic - bateriile si una de perspectiva - pila de combustie.

Considerand un regim dinamic ideal, din simularile obtinute a rezultat faptul ca comportarea sistemului cu baterie este aproximativ la fel cu cel al pilei de combustie in regim stationar. Diferenta fiind la forma de unda a tensiunii, in cazul pilei de combustie aceasta scade mai lent fata de cea de la baterie.

Utilizarea energiei eoliene este foarte atractiva pentru generarea de electricitate, aceasta tehnologie nu este sofisticata, nu este poluanta iar potentialul de aplicare este foarte inalt in multe locuri de pe suprafata pamatului.

Deasemenea, aceasta tehnologie s-a dovedit a fi viabila si din punct de vedere economic, in cele mai multe cazuri pretul de productie fiind comparabil cu pretul energiei obtinute din surse conventionale sau in anumite cazuri sub acest pret.

3. Simularea sistemului eolian autonom cu stocare VRB

Dispozitive de stocare a energiei sunt necesare pentru bilantul de energie si calitatea acesteia la sistemele eoliene care functioneaza autonom, alimentand sarcini izolate. Un sistem VRB are multe caracteristici care fac ca integrarea lor in sistemele eoliene autonome sa fie foarte atractiva. Aceasta cercetare isi propune integrarea unui sistem cu VRB pentru stocarea energiei electrice la o instalatie eoliana care functioneaza autonom in diferite cazuri: variatia vitezei vantului si comportarea sistemului la sarcina variabila. Obiectivul principal este alimentarea cu energie electrica a consumatorilor casnici monofazati la tensiunea 230V-50Hz. Simularile sunt realizate cu scopul de validare a stabilitatii sarcinilor in alimentare.

Bateriile de acumulatoare cu plumb (LAB) sunt elementele de stocare cel mai des utilizate in aplicatiile eoliene de mica putere. Cu toate acestea, in ultimii ani, VRB-ul a devenit o alternativa viabila in comparatie cu LAB. Bateriile VRB au un numar de avantaje fata de LAB, care pot fi intelese prin compararea diferitelor tehnologii. Astfel, VRB poate fi un mai bun sistem de stocare a energiei pentru instalatiile eoliene autonome.

VRB-rile au un numar de avantaje in comparatie cu LAB-rile), [52], [53]:

VRB-ul are o mai mare eficienta;

VRB-ul poate accepta o mai mare adancime de descarcare;

Costul de intretinere al VRB-lui este scazut;

VRB-ul poate rezista la un numar semnificativ de cicluri de incarcare/descarcare avand astfel o durata mai lunga de viata. Deasemenea VRB-rile sunt mai ecologice, nu numai din cauza duratei de viata, dar si pentru ca nu contin substante toxice precum plumb sau cadmiu, care afecteaza mediul inconjurator;

VRB-ul are o viteza de raspuns ridicata si durata de viata nu este afectata de frecventele incarcari sau descarcari. Randamentul bateriei creste in momentul in care perioada de incarcare / descarcare devine mai scurta, spre deosebire de bateria LAB;

VRB-ul de asemenea, are o capacitate de supraincarcare de scurta durata si o lunga durata de functionare. Astfel, aceasta tehnologie electrochimica relativ noua conduce la cresterea gradului de utilizare a energiilor regenerabile.

Un dezavantaj al VRB-lui fata de LAB il reprezinta densitatea de putere. Pentru ca solubilitatea elementelor de oxido-reducere in lichidul de lucru este limitat, capacitatea volumica si densitatea specifica de energie sunt reduse. Acest lucru face ca VRB-ul sa fie o solutie ineficienta pentru sistemele unde se doreste obtinerea unei mari cantitati deenergie pe unitatea de volum, cum ar fi sistemele de transport. Prin urmare, dezvoltarea acestor sisteme se concentreaza pe aplicatii stationare.

Modelul eolian autonom cu stocare VRB, este prezentat in Fig. 3-1.

Figura 3-1: Diagrama bloc a sistemului eolian autonom cu stocare VRB

In timp ce tensiunea de intrare la bornele convertorului bidirectional (de la redresor) variaza in functie de viteza vantului, tensiunea de iesire este mentinuta constanta de catre VRB. Acest lucru este important, deoarece o tensiune de c.c variabila nu este potrivita pentru incarcarea bateriei, puterea prevazuta ar putea fi prea ridicata si schimbatoare, care cauzeaza daune bateriei. VRB-ul are capacitatea de a suplimenta puterea necesara sarcinilor in momentul in care viteza vantului se afla sub pragul minim de functionare.

Regulatoarele de incaracre bidirectionale sunt dispozitive electronice care pastreaza punctul de functionare al VRB-lui in limitele de siguranta. De obicei, regulatoarele de incarcare protejeaza bateria prin deconectarea acesteia de sursa de energie atunci cand bateria a ajuns la 100% din capacitatea de incarcare si prin deconectarea sarcinilor in momentul in care starea de incarcare atinge limita inferioara.

Regulatoarele bidirectionale ofera conditii adecvate de incarcare si regleaza fluxul de curent pentru evitarea supraincarcarii bateriei [54]. De asemenea, VRB-ul are capacitatea sa asigure necesarul de energie pentru mentinerea tensiunii in sarcina constanta.

Diagrama bloc de control al regulatorului de incarcare bidirectional (modelul simplificat) este prezentata in Fig. 3-2. Acest algoritm utilizeaza un control constant de tensiune de c.c pentru incarcarea/descarcarea VRB-lui.

Figura 3-2: Metoda de control al regulatorului de incarcare bidirectional

Tensiunea de c.c (U_DC) este comparata cu o tensiune de referinta (U_{DC_ref}) obtinandu-se un semnal de corectie. Cu ajutorul unui regulator PI (proportional integrator), se obtine valoarea curentului in c.c (I_DC) la incarcare/descarcare. Cand curentul I_DC>0, VRB-ul se incarca, iar cand I_DC<0, bateria se descarca.

Deoarece regulatorul de incarcare bidirectional poate fi modelat ca un dispozitiv fara pierderi, curentul VRB-lui (I_VRB) se poate calcula astfel:

[3-1]

_unde:

tensiunea de c.c de la iesirea convertorului coborator-ridicator de tensiune;

: curentul de c.c la iesirea din PI;

: tensiunea VRB-lui.

Pentru a valida buna functionare a sistemului, urmatoarele simulari au fost efectuate:

variatia vitezei vantului la sarcina fixa;

schimbare tranzitorie in sarcina cu viteza vantului fixa, si

variatia simultana a sarcinii si a vitezei vantului.

Sistemul propus a fost modelat si simulat cu ajutorul programului Matlab / Simulink. Pentru a valida functionarea modelului in totalitate, capacitatea de stocare a VRB-lui (20kWh) a fost redusa, astfel rezultate obtinute pot fi mai usor de analizat si de afisat. Fig. 3-3 arata diagrama bloc. Blocurile de masurare sunt, de asemenea, incluse. Principala biblioteca utilizata pentru sistemul de modelare a fost SimPowerSystem.

Generatorul eolian (GSMP) 3kW are un flux sinusoidal de distributie si 4 perechi de poli. Este o masina cu 2300 - RPM si 14,2 Nm.

Figura 3-3: Diagrama bloc in Simulink a sistemului eolian analizat

Variatia vitezei vantului la sarcina fixa

Se considera cazul in care viteza vantului descreste de la valoarea de12 m/s (la t=5s) la 7 m/s (la t=10s). Dupa 5 secunde (in aceasta perioada viteza vantului ramane constanta la valoarea de 7 m/s), viteza vantului revine la valaorea initiala. Conditii normale de functionare, au fost luate in considerare. Tensiunea si curentul la iesirea VRB-lui sunt prezentate in Fig. 3-4. Turbina eoliana de 3kW nu poate asigura intreg necesarul de energie pentru sarcini (4kW), prin urmare, diferenta de energie, este asigurata de catre VRB. Fig. 3-5 arata ca echilibrul de putere al sistemului este mentinut de catre VRB, prin procesul de descarcare.

Figura 3-4: Curentul si tensiunea din VRB

Figura 3-5: Balanta puterilor in sistem

Comportarea sistemului la sarcina variabila si viteza fixa

Pentru aceasta simulare, viteza vantului se presupune a avea valoarea constanta de 10 m/s. Tensiunea si curentul VRB-lui impreuna cu balanta de putere din sistem, sunt prevazute in figurile 3-6 si respectiv 3-7. O sarcina de 1kW este conectata initial la sistem. La t=10s, o sarcina suplimentara de 3kW este conectata pana la t = 15s. In Fig. 3-6, se observa procesul de trecere al VRB-lui din modul de incarcare in cel de descarcare in timpul procesului tranzitoriu, stabilindu-se astfel echilibrul de putere in sistem.

Figura 3-6: Curentul si tensiunea din VRB

Figura 3-7: Balanta puterilor in sistem

Pentru ca sarcina initiala este de 1kW, diferenta de putere furnizata de turbina eoliena este stocata in baterie. Energia stocata in VRB este utilizata atunci cand este conectata sarcina de 3kW, in acest fel alimentarea sarcinilor este asigurata. In consecinta, Fig. 3-7 arata ca echilibrul de putere din sistem se mentine.

Variatia simultana a sarcinii si a vitezei vantului

In acest caz, viteza vantului scade de la 12 m/s (la t=10s) la 7 m/s (la t=15s). O sarcina de 1kW este conectata initial. La t=10s, o sarcina aditionala de 3kW este conectata pentru o durata de 5s. In Fig. 3-8, tensiunea si curentul prin VRB sunt prezentate. In timpul regimului tranzitoriu, tensiunea VRB-lui scade, iar curentul devenit negativ semnifica faptul ca VRB-ul a trecut de la starea de incarcare in cea de descarcare. La t=15s, sarcina de 3kW este deconectata si viteza vantului revine la - valoarea initiala (12m/s). Cresterea valorii tensiunii VRB-lui, precum si valoarea pozitiva a curentului indica faptul ca VRB-ul a revenit la modul de incarcare.

In Fig. 3-9, echilibrul de putere din sistem este mentinut in timpul procesului tranzitoriu al sarcinilor si a conditiilor variabile ale vitezei vantului.

Figura 3-8: Curentul si tensiunea din VRB

Figura 3-9: Balanta puterilor in sistem

Concluzii

S-a analizat un sistem de conversie a energiei eoliene, folosind un dispozitiv de stocare - VRB pentru stabilizarea tensiunii si a sarcinilor in alimentare. Regulatorul bidirectional de incarcare/descarcare este utilizat pentru controlul bateriei si mentinerea tensiunii constante precum si reglarea fluxului de curent pentru evitarea supraincarcarii bateriei. Simularile in cazul studiilor de caz analizate arata ca se mentine echilibrul de putere in sistem atat in cazul variatiei vitezei vantului cat si in cazul regimurilor tranzitorii ale sarcinilor variabile.

VRB-ul este destinat sa inlocuiasca bateria de acumulatoare cu plumb. LAB-ul este considerat cel mai dominant dispozitiv de stocare a energiei pentru aplicatiile stationare, insa o comparatie a datelor tehnice arata ca VRB-ul poate fi mai eficient pentru aplicatiile cu surse regenerabile de energie.