Cap2 Energia Eoliana

8/19/2019 Cap2 Energia Eoliana

1/80

Cap 2. Energia eoliana

2.1 IstoricVântul este rezultatul activităţii energetice a Soarelui şi se formează datorită încălzirii

neuniforme a suprafeţei Pământului. Mişcarea maselor de aer se formează datoritătemperaturilor diferite a două puncte de pe glob, având direcţia de la punctul cald spre cel rece.

Fiecare oră Pământul primeşte 11! "#$ de energie solară. %irca 1&'( din energiasolară se transformă )n energie eoliană. *cest indiciu )ntrece de +&1 ori cantitatea energieitransformată )n biomasă de către toate plantele Pământului.

menirea utilizează energia eoliană pe parcursul a câtorva milenii. -ântul acţionamorile de vânt, mişca corăbiile cu pânze. nergia cinetică a vântului a fost şi este accesibilă

practic )n toate părţile pământului. /ncă la orizontul civilizaţiei energia vântului se utiliza )nnavigaţia maritimă. Se presupune că egiptenii străvec$i mergeau sub pânze )ncă +. ani )n

urmă. /n 0urul anului pe teritoriul *fganistanului maşini eoliene cu axă verticală derotaţie se utilizau pentru măcinarea grăuntelor. %unoscutele instalaţii eoliene 2mori cu eliceleconectate la turn3 asigurau funcţionarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din MareaMediterană. Morile pentru măcinarea boabelor, care funcţionau pe baza vântului, sunt una dincele mai mari performanţe a secolelor medii. /n sec. XIV olandezii au )mbunătăţit modelulmorilor de vânt, răspândite )n rientul Mi0lociu, şi au )nceput utilizarea largă a instalaţiilor eoliene la măcinarea oaelor .

/n 14+! )n S5* apare o pompă de apă! care funcţiona pe baza energiei vântului. %aconstrucţie, această pompă semăna cu modelul morilor de vânt, dar avea mai multe pale2braţe3 şi un fluger pentru determinarea direcţiei vântului.

%ătre anul 16! )n S5* peste 7 milioane de instalaţii de acest tip se utilizau pentru pomparea apei şi producerea energiei electrice. ste socotită o premiză a cuceririi -estuluisălbatic, datorită posibilităţii de asigurare cu apă a fermelor zoote$nice. /nsă la mi0loculsecolului 88 vine sfârşitul utilizării largi a energiei vântului, venind )n sc$imbul ei o sursăenergetică modernă & petrolul.

9nteresul către energetica vântului reapare după câteva crize petroliere trăite deomenire timp de câteva decenii. *cest lucru se petrece la )nceputul anilor :, datorităcreşterii rapide a preţurilor la petrol când S5* a adoptat mai multe programe destinate s;)ncura0eze valorificarea ei. /n %alifornia, la sfârsitul anului 164!, functionau de0a 4!76 de

1

Fig. '.1. Moara de vant 2


2/80

turbine eoliene. %apacitatea total; a acestor unit;ti este de apro>imativ ++ M#. le erauconstruite )n locuri cu vânt puternic, grupate )n asa&numitele ?ind farms@

Aurbinele de vânt pot fi folosite pentru producerea electricit;tii individual sau )ngrupuri, denumite ferme de vânt. Fermele de vânt, care )n prezent sunt complet automatizate,asigur;, spre e>emplu, 1( din necesarul de energie electric; al %aliforniei, adic; '4 de mii

locuinte.Aurbinele eoliene aveau )ns; si câteva problemeB modific;rile mari al vitezei vântului

provocau variatii ale intensit;tii curentului electric, defect;nd uneori sisteme de transmisieC palele rotorului colectau )n timp substante str;ine, particule de praf etc. care reduceaurandamentul.

2.2. Stadiul actual in domeniul energiei eolienea. Evolutia sectorului eolian la nivel mondial, european si national#ind po?er $as e>perienced dramatic gro?t$D1!E over t$e last ears, and in '

t$ere are five 5 countries G Henmar", Spain, Portugal, 9reland and


3/80

"igure #. Installed po*er&'/)

9n ultimii 1 ani evolutia puterii nou instalate la nivel mondial a crescut e>ponentialde la '14M# in 1664 la aproape J4M# in finele anului '

Figura '.!%apacitatea globala cumulata de energie eoliana la nivel european este redata in

imaginea de mai 0os.

Figura '.+

J


4/80

Spre sfârşitul anului 'J, 5&1+ a instalat o capacitate de mai mult de '4. demega?aţi 2M#3 )n turbine eoliene. Spre sfârşitul lui ', uropa e>tinsa la ' a avut ocapacitate de peste +7. M#. *ceşti +7. M# acoperă J. ( din cererea totalaK deenergie electricaK din 5,

Histributia pe tari a capacitatilor instalate in '4 este redata in figura de mai 0os

Aendinta crescatoare de noi capacitati instalate a continuat si&n anul '4. Ponderea noilor capacitati instalate fata de celelate tipuri de energii in anul '4 este redata in figura de mai

0os.

#ind po?er installations in t$e urope indicateB

!


5/80

L *nnual installations of ?ind po?er $ave increased steadil over t$e last 1 ears2 figure 3from 41! M# in 166+ to 6,717 M# in '11, an annual average mar"et gro?t$ of 1+.7(C

"igure 0nnual *ind po*er installations in t1e 23 in 4$&')

L * total of 6J,6+ M# is no? installed in t$e uropean 5nion, an increase in installedcumulative capacit of 11( compared to t$e previous earCL


6/80

"igure $ind po*er installed in 2urope % end of #,'' 5cumulative6

Huring '11, 1,'41 M# of ?ind po?er ?as installed across urope, of ?$ic$ 6,717

M# ?as in t$e uropean 5nion, similar to t$e previous ear. f t$e 6,717 M# installed int$e 5, 4,+ M# ?as ons$ore and 477 M# offs$ore. 9n '11, t$e annual ons$ore mar"etremained stable compared to t$e previous ear, ?$ilst t$e offs$ore mar"et decreased slig$tl2&1.6(3.

9n terms of annual installations,


7/80

"igure $ind s1are of total electricit% consumption

*ccording to t$e =ational Iene?able nerg *ction Plans ?ind energ ?ill suppl

1!( of uropeNs total electricit demand in '', up from '.J( in '+, !.'( in '6 and7,+( in '1'.

2.3 Perspective pana in 2020 a Energiei Eoliane(Statistici EWE!"Hin ponderea diferitelor surse regenerabile de energie la nivelul anului '' energia

eoliana va avea J!(

/n conformitate cu Planul de acţiune privind energia din surse regenerabile, productia deenergie eoliana va reprezenta 1!( din consumul 5 fata de ',J( )n '+C


8/80

*dding up t$e ' =I*Ps, total *ind po*er capacit% increases from 0ust under 4!.+


9/80

A$e net increase in ons$ore ?ind po?er capacit ?ill pea" in '11 and t$en declineon average b 0ust over 1.+( per ear. A$e increase in offs$ore ?ind capacit, on t$e ot$er$and, is forecast to gro? steadil up to '' ?it$ net annual increases starting at 1.1


10/80

& %apacităţii eoliene ons$ore va avea o o scădere medie de 1,+( pe an de la 1


11/80

)P'" Cooperarea Energie

& Aopic =I


12/80

/ntre ' & '1J, alocaţiile 5 vor fi de apro>imativ 1, miliarde Q au fost făcute pentru proiecte )n domeniul energieiB

• Q !,4 miliarde pentru energiile regenerabile 2eoliană, solară, biomasă, $idro şigeotermală3,

• Q !, ' miliarde pentru eficienţa energetică, co&generării şi gestionării de energie• 1, miliarde Q pentru investiţii )n sursele tradiţionale de energie, din care Q 7! m,

este alocată pentru investiţiile )n reţelele transeuropene de energie 2electricitate şigaz3.

5rmătorul tabel furnizează o defalcare a distribuţiei fondurilor structurale ale 5 pentru perioada ' & '1J şi subliniază alocarea a fiecărui stat membru pentru proiecte de energie

Iomania din 16 miliarde euro are 7J milioane euro pentru energie adica J,1( dincare IS 1( , eficienta energetica 1,J( si ,+( surse traditionale 2traditional energsources GA=3 modernizariU

1'


13/80

1J


14/80

2.- Potenialul eolian2.-.1 Evaluarea resurselor eolienevaluarea resurselor eoliene pentru zone vaste, se face pentru stabilirea atât a

resurselor regionale disponibile cât şi )n depistarea celor mai bune teritorii din regiunearespectiva. valuarea include totodata şi estimarea producţiei de energie pentru

amplasamentele specifice.Energia eolian/, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energie solară,

deoarece vântul este produs )n principal de )ncălzirea neuniformă a atmosferei terestre, decătre Soare. *lţi factori care contribuie la producerea vântului sunt neregularităţile scoarţeiterestre şi mişcarea de rotaţie a Pământului )n 0urul a>ei proprii

Figura =atural energ currents on art$, s$o?ing a rene?able energ sstem.5nits tera?atts211'3

-antul este descris prin viteza lui care este un vector . %a orice vector are un modul si

o directie. %auza principală a formării vântului este diferen a presiunii atmosferice )ntre douățregiuni. *erul cald fiind mai u or se )nal ă producându&se un minim de presiune, locul lui vaș țfi preluat de masele de aer din zona rece 2ma>im de presiune atmosferică3, până când se vaegala diferenta de presiune dintre cele două regiuni. *ceastă circulatie a maselor de aer stă la

baza aerodinamicii. 9ntensitatea vântului depinde direct propor ional de diferen a de presiuneț țdintre cele două zone geografice. Hirectia vântului este influen ată deț for a %oriolisț care iana tere prin rota ia pământului, deviind, de e>emplu, vânturile spre vest )n emisfera nordică.ș ț5n alt factor care sc$imbă direc ia i eventual temperatura vântului sunt obstacoleleț ștopografice caB mun i, văi etcț @ Ioza vanturilor @este termenul dat de modul )n care vitezavântului se distribuie ca intensitate , directie si durata

1!

1' Solar radiation


15/80

Ioza vântul poate fi gândita ca o roată cu spiţe, distanţate, , la J de grade. Pentru fiecaresector, vântul este considerată separat. Hurata pentru care vântul vine de la acest sector esteindicat de lungimea spitei si viteza este demonstrata de grosimea spitei.

Hescrierea de mai sus s&a concentrat pe viteza vântului şi rozei vantului. *lt parametruimportant care determină producţia unui parc eolian este distributia vitezei vântului caintensitate. *ceastă distribuţie descrie durata de timp cand viteza vântului este )ntre diferiteniveluri.

a. Ouna b. Slaba

1+


16/80

*ceastă distribuţie este importanta, deoarece aceasta este o combinaţie de distribuţieviteza vântului şi de curba de putere a turbinei propuse, care determina impreuna de producţiede energie.

Pentru masurarea vitezei vantului si a temperaturii se poate utiliza 7ata 8ogger care

este un instrument electronic ce inregistreaza datele, in timp si in coreletie cu locatiasensorilor si a traductorilor dintr&o locatie data , prelucreaza cu microprocesor pe baza logicii

programabile si afiseaza pe displa sau transmite intr&un P% aceste date. Hata ogger esteutilizata in ac$izitia datelor in cazul marimilor lent variabile, avand fecventa ma>ima deac$izitie de 1Tz motiv pentru care nu&i considerata o ac$izitie de date in timp real. Hatele

prelucrate de Hata ogger sunt stocate pe o memorie flas$ sau PIM Principaleleaplicatii ale acestui sistem sunt pentru inregistrarea vitezei vantului, a temperaturii siumiditatii. Olocurile principale si logica sistemului Hata ogger, pentru masurarea si

prelucrarea datelor privind viteza vantului cu utilizarea soft&ului de programare Tper#aresunt indicate in figura

Figura Masurarea vitezei

9mplementarea $ard?are a sistemului de masura a vitezei vantului si temperaturiiinclude conectarea intrarilor de la senzorii in microprocesorul P9%14F!+' ce poate prelucra1M9PS , are 4 canale de intrare pentru conversia analog&numerica. 9nformatia prelucrata de

procesor este vizualizata la un displa unde pot fi selectate marimile ce se vizualizeaza.Hatele prelucrate de procesor pot fi stocate pe un card de memorie sau printr&o cone>iune cuIS 'J' transferate intr&un calculator

-ariabilitatea anuală a rozei vânturilor şi distributia vitezei vântului este, de asemenea,importanta )n evaluarea incertitudinii )n producţia de energie anuală a unei ferme eoliene.

17


17/80

Spre e>emplu inregistrarile pe ' de ani in Malin Tead& 9reland

Hin grafic rezulta o valoarea minima medie si ma>ima a vitezei vantului .Ferma se

proiecteaza la valoarea medie a vitezei vantului 2in cazul prezentat 4,J mVs3 .Iezulta ca pentru o ferma de 1M# proiectata la viteza medie a vantului productia acesteia a fostscazuta in 164 la 46( si ridicata la 11J( in 1647

9n general masuratorile se fac pe o perioada de 1 an sau ma>im J ani a masuratorile pe un an abaterile vitezei vantului in estimarea productiei sunt de 1&1!( pe cand daca semonitorizeaza pe J ani aceste abateri sunt de numai J&!(..

2.-.2 esurselor regionale disponi&ile Potenţialul eolian ma0or este observat pe litoralurile marine, pe ridicături şi )n munţi.

Har e>istă multe alte teritorii cu un potenţial eolian necesar pentru utilizare. %a sursăenergetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar )n anumite

perioade prezenţa vântului se observă pe parcursul )ntregii zile. *supra resurselor eolieneinfluenţează relieful pământului şi prezenţa barierelor 2obstacolelor3 plasate la )nălţimi de

până la 1 metri. He aceea vântul, )ntr&o mai mare măsură, depinde de condiţiile locale2relief3 decât de soare. /n localităţile montane, spre e>emplu, două suprafeţe pot avea

potenţial solar egal, )nsă potenţialul vântului poate fi diferit datorită diferenţei )n relief şidirecţiile curenţilor maselor de aer.

a nivelul uropei vestice o $arta a potentialului eolian este redata in figura de mai 0os

1


18/80

nergia vântului de asemenea este supusă sc$imbărilor sezoniere a timpului. ucrulunei asemenea instalaţii este mai efectiv iarna şi mai putin efectiv )n lunile de vară 2)n cazulsistemelor solare situaţia este inversă3. /n condiţiile climaterice din Hanemarca sistemelefotoelectrice sunt efective la 14( )n ianuarie şi la 1( )n iulie. ficacitatea lucrului staţieieoliene este de ++( )n iulie şi 1( )n ianuarie. *stfel, varianta optimă este combinarea )ntr&un sistem a instalaţiilor eoliene şi solare. *semenea sisteme simbiotice asigură o

productivitate a energiei electrice mai )naltă )n comparaţie cu instalaţiile eoliene saufotoelectrice, luate )n parte.

$arta a potentialului eolian a fost publicata de 9%M=I< in anul 166J, din carese pot trage unele concluzii privind eventualele amplasamente ale turbinelor eolieneB

& 9n zonele muntoase inalte viteza medie a vantului este de peste 4,+ mVsC& 9n zona Marii =egre cat si a litoralului viteza medie a vantului este de peste &

4 mVs.

14


19/80

Potentialul eolian in Iomania

$arta a intensitatii si directiei vantului la nivelul Iomaniei este redata mai 0os

Fig. Potentialul eolian in Iomania

Foarte importanta este estimarea resurselor eoliene site&ul in care se instaleaza fermaeoliana

Pentru dezvoltatorul parcului eolian, $arti regionale eoliene sunt instrumente valoroase pentru a găsi site&ul, dar nu sunt suficient de precise pentru a 0ustifica finanţarea dezvoltării.*ici va fi indicat faptul că cea mai importantă caracteristică unică a unui site este viteza

16


20/80

vântului, şi că performanţa a unei ferme eoliene este foarte sensibila la incertitudini şi erori)n estimarea de bază viteza vântului.

Pentru ma0oritatea fermelor eoliene prospectiv, dezvoltatorul trebuie să efectueze omăsurare a resurselor eoliene şi un program de analiză. *ceasta trebuie să ofere o predicţierobustă a producţiei de energie preconizate a lungul vieţii fermei eoliene.

a )nceputul procesului de dezvoltare a proiectului, pe termen lung, viteza vântului mediela site&ul este necunoscuta. Pentru a ilustra importanţa vitezei vântului pe termen lung medie,tabelul 9.'.' prezinta producţia de energie a unui proiect de 1 M# pentru o serie de variatiicu durată anuală a viteze medii a vântului

Se poate observa că, atunci când pe termen lung viteza medie a vântului a crescut de la 7la 1 m V s, adica cu apro>imativ 7 ( iar productia de energiei creşte cu 1J! ( .

-iteza vântului la locul ales, )nalţimea stâlpului turbinei şi eficacitatea producţieidetermina producţia de energie. *stfel, simpla creştere a )nalţimii turbinelor a permis o

producţie de energie electrica mai ridicata . He asemenea, metodele de masura şi de evaluarea vitezei vântului )ntr&un loc dat s&au ameliorat )n mod semnificativ )n ultimii ani, şi astfel s&aameliorat amplasarea şi factorii economici ai noilor turbine.

9n figura se reprezinta procesul sc$ematic de analiza pentru amplasarea unei fermeeoliene

Pas 1 Prognoza vitezei vantului pe termen lung

9n stanga se prezinta actiunile dezvoltatorului&se alege locatia de amplasare a punctelor de masura&se instaleaza piloni de masura şi instrumentele&se fac masuratori ale vitezei vantului

Hatele culese se compara pentru prognoza cu cele oferite de statiile meteo din zona princumpararea masuratorilor acestora

Hatele astfel obtinute se compara si se ia prima decizie referitoare la prognoza pe termenlung a vitezei vantului

Pas 2 Modelul topografic al fermei&amplasarea turbinelor distante dintre ele, impactmediu ca& Se estimeaza in final Producţia rută a parcului eolian

Pas 3 se stabileste Producţia netă a fermei eoliene

'


21/80

2.-.2 Costuri%$eltuielile financiare ale proiectelor eoliene terestre, sunt dominate de costul turbinei

eoliene. Costul specific total al investiţiei pentru o turbina medie instalata )n uropa este )n 0ur de 1,'J milioane de QVM#, cuprinzând toate costurile suplimentare pentru fundaţii,instalaţie electrica şi consiliere 2preţurile )n '73. %osturile principale se )mpart dupa cumurmeaza2niveluri apro>imative3 B

• turbina & 7 la suta,• conectarea la reţea & 6 la suta si• fundaţiile & la suta.

*lte componente de preţ, cum ar fi sistemele de control si terenul, reprezinta o mica parte dincosturile totale. %ostul total pe "# la o capacitate generatoare din energie eoliana difera )nmodsemnificativ de la o ţara la alta, )ntre 1 QV"# pâna la 1J+ QV"#.

'1


22/80

/n ultimii ani, trei tendinţe importante au dominat dezvoltarea turbinelor eoliene racordate lareţea B

1. Aurbinele au devenit mai mari şi mai )nalte C'. ficacitatea producţiei turbinelor a crescut serios CJ. /n general, costurile investiţiei pe "# au scazut, cu toate ca a e>istat o inversare a

acestei tendinţe )n ultimii trei sau patru ani.

/n ', turbinele de clasa M# 2de peste 1 M#3 au reprezentat o parte de piaţa demai mult de 6+ la suta,lasând mai puţin de + la suta pentru instalaţiile mai mici /n gama M#,turbinele de capacitate de ',+ M# sau superioare, devin din ce )n ce mai importante, c$iar şi)n cazul aplicaţiilor terestre.

*ctualmente, costul de producţie al energiei pentru o turbina eoliana din gama de 'M# este de +,J pâna la 7,1 urocenţiV"#$ )n funcţie de resursele eoliene şi de amplasareaaleasa . si se aşteapta ca gama costurilor sa se diminueze )ntre !,J si +,+ eurocentiV"#VoraK

pânaK )n '1+.

Eolienele din larg 2offs$ore3 reprezintă doar )n 0ur de unu la sută din capacitateaeoliană totală instalată )n lume, iar implantarea s&a facut )n principal )n 0urul Mării =ordului

şi a Mării Oaltice. a sfârşitul lui ', e>ista o capacitate de mai mult de 1 M# situată)n largul a cinci ţări B Hanemarca, 9rlanda, landa, Suedia şi Marea Oritanie. Ma0oritateainstalaţiilor au fost efectuate )n ape nu prea adânci 2)n 0ur de ' m3 şi nu mai departe de ' de"m de ţarm, pentru a reduce la minimum costurile fundaţiilor şi ale cablurilor submarine.%osturile unei unităţi eoliene maritime, ca şi cel al turbinelor terestre, a crescut )n ultimii ani.Costul investiţiei pentru o nouă centrală eoliană )n larg este estimat )n medie la ', până la ','milioane de QVM# pentru o unitate nu prea )ndepartata de ţarm şi )n apă nu prea adâncă. /ncomparaţie cu turbinele terestre, principalele diferenţe )n structura costurilor sunt legate defundaţiile mai scumpe, transformatoarele şi cablurile submarine. %ostul energiei electricegenerate )n larg se situează )ntre apro>imativ şase şi opt cenţiV"#$ şi se datorează )n principaldiferenţelor de adâncime a mării, distanţei de la ţarm şicostului investiţiei.

''


23/80

volutia costurilor de productie a diferitelor surse de energie pentru perioada '1+&'J esteredata in figura urmatoare

Principalii producatori de turbine eoliene sunt redati mai 0os

'J


24/80

2. Conversia energiei vântuluiAurbinele eoliene par a fi maşini simple, dar )n realitate trebuie sa satisfaca nişte cerinţe

fundamentale, ceea ce confera acestei ramuri de inginerie un caracter cu totul special,deosebind&o de toate celelalte.

• Maşina trebuie sa funcţioneze ca o centrala electrica nesupraveg1eata şi sa furnizezereţelelor electrice mai mult decât simpla energie.

• -ântul variaza pe scara timpului de la secunde la ani, ceeea ce introduce un factor deincertitudine )n orice aspect, de la sarcina mecanica la producţia de energie C

• *ceasta te$nologie trebuie sa fie competititva in privinţa costurilor, )n comparaţie cucelelelate energii regenerabile şi cu modului de producţie convenţional.

Principalele elemente care determina )n prezent designul suntB• %ompatibilitatea cu reţelele electrice,• costul energiei 2care include şi fiabilitatea3,• emisiile acustice,• impactul vizual şi compatibilitatea cu condiţiile amplasamentului.%u toate acestea, multe probleme te$nice ramân )nca nerezolvate. He e>emplu, turbinele

mari, aflate actualmente )n producţie, includ B• %oncepte cu diametru rotoric mare, generatoare cu turaţie 0oasă• %oncepte referitoare la generatoare de turaţie mare şi multiplicatoare de turaţie şi• Soluţii intermediare cu generatoare de turaţie medie şi o treapta redusa de

multiplicare.Hesignul centralei eoliene este o problema critica atât )n ceea ce priveşte reducerile decosturi, cât şi gradul de acceptare de catre public, indiferent ca este vorba de mare sau deuscat, mai cu seama )n cazul celor care depaşesc prin dimensiunile lor marile centraleelectrice convenţionale.

2..1 ilanul trans%orm/rilor energetice n sistemele eoliene*ero&generatorul utilizeaza energia cinetica a vântului pentru a antrena arborele

rotorului sau, aceasta este transformata )n energie mecanica, care la rândul ei este

transformata )n energie electrica de catre generatorul cuplat mecanic la turbina eoliana .

'!


25/80

5n sistem eolian din punct de vedere energetic transformă energia cinetică a vântului )nenergie electrică.

Figura + %omponentele sistemului eolianPentru a realiza această conversie sistemul eolian conţine următoarele componente2figura

+3• 2licea turinei alcătuită din B

o Pale ce sunt realizate dintr&un amestec de fibră de sticlă si materiale compozite.le au rolul de a capta energia vântului si de a o transfera rotorului turbinei..

o 9utuc ce este prevăzut cu un sistem pasiv 2aerodinamic3, activ 2$idraulic3 saumi>t 2active stall3 care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei derotaţie a turbinei eoliene C

• 0rorele primar este arborele rotorului turbinei eoliene. Se mai numeşte arborele lent,

deoarece el se roteşte cu viteze de ordinul a ' & ! rotVmin. Prin intermediulmultiplicatorului, el transmite mişcarea, arborelui secundarC

• -ultiplicatorul mecanic de vitez ă permite transformarea puterii mecanice, caracterizatăde cuplu mare si viteze mici specifice turbinei eoliene, )n putere de viteză mai ridicată,dar cuplu mai mic. -iteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fiaplicate direct generatorului electric. Multiplicatorul asigură cone>iunea )ntre arborele

primar 2al turbinei eoliene3 şi arborele secundar 2al generatorului3C• 0rorele generatorului sau arorele secundar antrenează generatorul electric .l este

ec$ipat cu o frână mecanică cu disc 2dispozitiv de securitate3, care limitează viteza derotaţie )n cazul unui vânt violentC

'+


26/80

• 4eneratorul electric asigură producerea energiei electrice. ă sau variabilă.

Sistemul energetic de transformare al puterilor pentru un sistem eolian este indicat infigura 7 )n care puterea vântului P? este aplicată turbinei iar la a>ul acesteia se obţine puterea

mecanică Pm la viteză ung$iulară a turbinei Wm. Puterea de ieşire la a>ul turbinei nu este )nmod normal utilizată direct, ci este cuplată ca sarcină printr&un mecanism de transmisie saucutie de viteze. Sarcina este generatorul electric.

Figura 7 Sc$ema bloc de transformare a puterilor

Puterea de ieşire din blocul de transmisie Pt este dată de produsul dintre puterea deieşire a turbinei Pm şi randamentul transmisiei Xm B

mmt P P ⋅=η

Similar, puterea de ieşire a generatorului Pe este dată de produsul dintre puterea deieşire a transmisiei şi randamentul generatorului XgB t g e P P ⋅=η

cuaţiile puterilor pot fi concentrate )ntr&o singură ecuaţie făcând legătura )ntre putereaelectrică de la ieşire şi puterea vântului de la intrareB

* g m pe P C P ⋅⋅⋅= η η

Iezulta, astfel ca sistemul energetic de transformare al energiilor pentru un sistem

eolian contine urmatoarele blocuri functionaleB• 5n bloc al tur&inei )n care puterea vântului P? este aplicată turbinei iar la a>ul acesteia

se obţine puterea mecanică Pm la viteză ung$iulară a turbinei Wm.• 5n bloc al mecanismului de transmisie 2cupla0 turbina&generator3in care puterea de

ieşire la a>ul turbinei este transmisa generatorului electric.• 5n generator electric• 4n sistem de comanda ,monitori5are protectie,masura si control

Modelul general al unei configuratii eolieneD'E este redat in figura si poate fi descrisca o serie de subsisteme ce trebuie controlate , monitorizate si prote0ate in procesul deconversie.

'7


27/80

Figura Modelul general al eolienei cu posibilitatile de control

2..2 . Energia si puterea tur&ineilicea turbinei eoliene cuprinde energia curentului vântului, care se află lângă el. nergia

eoliană provine din energia cinetică a vântului. Se consideră că energia cinetică a unei masede aer m ce se deplasează cu o viteză v , esteB

Ec = 1

2mv

2

Hacă, )ntr&o perioadă de timp, această energie ar fi complet recuperată cu a0utorul unei elice

care face o suprafata 0 perpendiculară pe direcţia vântului, puterea eoliană instantanee esteB' ' J1 2 3 1 12 3

' ' '

d2 d 0l P v 0v v 0v

dt dt ρ ρ ρ = = = =

unde ρ este densitatea aerului 2ρ ≅ 1,'+ "gVmJ3

'


28/80

ste evident că cu cât suprafaţa este mai mare cu atât cantitatea energiei electrice poate fi mai mare. *stfel, suprafaţa de contact a elicei se măreşte proporţional diametruluielicei la puterea a doua & la instalaţia eoliană mai mare de două ori se poate produce de patruori mai multă energie.

/nsă procesul de mărire a suprafeţei nu poate fi redus la simpla lungire a aripelor. a

prima vedere se pare, că aceasta este o cale mai simplă de mărire a cantităţii energiei. Har,mărind suprafaţa cuprinsă la rotire, noi mărim greutatea asupra sistemului la aceeaşi viteză av)ntului. Pentru ca sistemul să reziste la greutate este necesar de a )ntări toate componentelemecanice ale lui, ceea ce duce la c$eltuieli suplimentare.

-iteza vântului este cel mai important factor de influenţă asupra cantităţii de energie.-iteza mai mare a vântului măreşte volumul maselor de aer & cu mărirea vitezei vântuluicreşte cantitatea energiei electrice produse. nergia vântului se sc$imbă proporţional cuviteza vântului la puterea a treia. *stfel, dacă viteza vântului se dublează, energia cinematică

produsă creşte de 4 ori.bs Cantitatea energiei produse pe aza vântului depinde de densitatea aerului! de suprafaţade elicei şi viteza vântului la puterea a treia.

Progresele te$nice rapide sunt mai vizibile la te$nologia turbinelor eoliene precumdimensiunile turbinei, puterea şi comple>itatea acesteia s&au dezvoltat vertiginos, dezvoltareilustrata prin creşterea mărimii turbinei comercializate cu un factor de 1 )n ultimii' de ani 2Figura S.!3.

'4


29/80

2..2.1 elatii matematice privind aerodinamicaPentru a studia aerodinamica turbinei eoliene sunt necesare cunoştinţe de dinamica

fluidelor si anume• Ecuatia de conservare a energiei pentru un tub de curent

-ariatia energiei potentiale plus lucrul mecanic al fortei de presiune este egal cu variatiaenergiei cinetice plus pierderile2caldura generata prin frecare3 pe tubul de curent

Haca se negli0eaza frecarea se obtine ecuatia 9ernoulli

Sau cu masura in metri sub forma

• Ecuatia de conservare a de&itului

Hebitul masic

'6


30/80

2..2.2 andamentul ma6im al tur&inei (coe%icientul de putere!Hin figura de mai sus rezulta ca prezenta unui corp in calea de curent modifica forma liniilorde curent

Iezultat al acestei modificari o parte din energia curentului de aer se transmite corpului.

Haca se considera ca la distanta mare de disc viteza 5∞ a vantului si presiunea p∞ , infata discului rezultat al scaderii vitezei la valoarea 5d are loc in baza relatiei Oernoulli ocrestere a presiunii pe disc p7d. *ceasta presiune in spatele discului tinde catre p∞ iar vitezase modifica la valoarea 5?.

Putem defini astfel trei 5one 8de la in%init ,disc si9n spatele discului.*plicand relatia Oernoulli

intre&zona de la infinit si disc

&zona de disc si imediata vecinatate a discului

e5ulta di%erenta de presiune

J


31/80

Forta de presiune este d p0 " ∆= dar in e>presie apare '*3 . *ceasta viteza trebuie

e>primata in functie de viteza vantului ∞3

Hin analiza pierderii de viteza 2figura3 notand a factor axial de inducere al curgerii adica trece ∞a3 in spatele discului rezulta

%onform ecuatiei de conservare a deitului masicB

323232 ''

*d d ***** 3 3 3 03 3 03 3 03 03 0 " −=−=−= ∞∞∞∞∞∞ ρ ρ ρ

9ntrucat forta de presiune este d p0 " ∆= %u 312 a3 3 d −= ∞ rezulta

3223322'132

'1 '' *d d **d *d d 3 3 3 03 3 3 3 03 3 0 p0 " −=+−=−=∆= ∞∞∞∞ ρ ρ ρ

Hin relatia

323322'

1*d d **d 3 3 3 03 3 3 3 0 −=+− ∞∞∞ ρ ρ

Iezulta

31232'

1a3 3 3 3 d * −==+ ∞∞

btinand3'12 a3 3 * −= ∞

%eea ce indica ca 0umatate din viteza curentului de aer se pierde in fata discului si

0umatate in spatele discului "orta asupra discului d evine

aa3 0a3 3 a3 0 " d d '31233'123212 ' −=−−−= ∞∞∞∞ ρ ρ

si ne permite determinarea puterii e>trase din energia vantului

⋅−=−⋅−==∞∞∞

aa3 0a3 aa3 0 "3 P d d d 'J'312'312'312 ρ ρ

%oeficientului de putere este

⋅+−=+−=−=−

==

∞

∞

∞

J'''

J

'J

J!4!3'12!312!

'

1

312'

'

1 aaaaaaaa

3 0

aa3 0

3 0

P C

d

d

d

p

ρ

ρ

ρ

-aloarea ma>ima a coeficientului de putere se numeste limita Oetz

3J!12!1'17! '' =+−=+−= aaaa

da

dC p

Hin care rezulta7

1'17!',1

−±=a sau

17

1'17!1 =

−+=a respectiv

J

1

7

1'17!' =

−−=a

-aloarea ma>ima a coeficientului de performanta devine

J1


32/80

,+6'+'

17

6

!

J

!3

J

112

J

1! 'ma> ==⋅=−= pC

Se poate defini si un coeficient de cuplu

2..2.3 Efectul numărului de pale al rotorului

imita lui Oetz constată că o turbină eoliană ideală poate e>trage din vânt o putere nu mai mare de +6,J (, dar analiza făcută mai sus nu indică regimul defuncţionare a turbinei sau ce construcţie trebuie să aibă rotorul ca ma>imumulfactorului de putere să fie atins.

/n continuare vom face o analiză calitativă a regimului de funcţionare a turbineişi a efectului numărului de pale sau factorului de soliditate asupra valorii factorului de

putere.ficienţa conversiei energiei flu>ului de aer )n energie mecanică va fi mai mică

decât valoarea optimală dacăB1. :otorul turinei are un număr de pale mare 2factorul de soliditate este mare3

sau rotorul roteşte cu o viteză foarte mare şi fiecare pală se mişcă într;un flux de aer distorsionat 5turulent6 de către pala din faţă.

'. :otorul turinei are un număr de pale mic 2factorul de soliditate este mic3sau rotorul roteşte cu o viteză foarte mică şi fluxul de aer traversează suprafaţa

rotorului fără a interacţioneazâ cu acesta.prima raportul dintre aria palelor si aria cercului de rotatie al

acestora . %oeficientul de performanta al elicei este dependent de aceasta soliditate

J'


33/80

Iezultă, că pentru a obţine o eficienţă ma>imală de conversie a energiei trebuieca viteza de rotaţie a rotorului să fie corelată cu viteza vântului. Pentru a caracterizaturbinele eoliene cu diferite caracteristici aerodinamice se utilizează parametruladimensional, numit rapiditatea turbine = 2)n engleză tip speed ratio3.

Prin acest parametru se e>prima %oeficientul de performanta de vitezarotorului

Iapiditatea leagă )ntr&o singură formulă trei variabile importante ale turbineiB• viteza de rotaţie >,• raza rotorului 2sau diametrul3 : şi• viteza vântului Vşi se defineşte ca raportul dinte viteza liniară a vârfului palei pe viteza vântului

viteza relativa Ytip speed ratioZadica

V

:

3

: ω ω λ == ∞

turbină de o construcţie oarecare poate funcţiona )ntr&o gamă largă devariaţie a rapidităţii [, dar va avea eficienţa ma>imală C p numai pentru o valoareoptimală a rapidităţii, altfel spus, dacă viteza liniară 3?=V va fi egală cu vitezavântului )nmulţită la valoarea optimală a rapidităţii.

%oeficientul de putere se reprezinta in functie de λ pentru fiecare tip de elice/n figura sunt prezentate caracteristicile C p @ =, pentru turbine cu un număr diferit de

pale.

Figura %oeficientul de performanţă al elicelor *naliza acestor caracteristici ne permit să facem următoarele concluziiB

1. %u cât este mai mic numărul de pale cu atât mai mare este rapiditatea

JJ


34/80

optimală pentru care factorul de putere sau eficienţa conversiei energiei este ma>imal'. Houă turbine cu puteri egale, dar cu un număr diferit de pale se deosebesc

prin aceia, că turbina cu multe pale va dezvolta un moment mai mare şi va avea vitezade rotaţie mai mică şi invers G turbina cu puţine pale va dezvolta un moment mic, darva avea o viteză de rotaţie mai mare.

J. Aurbina cu trei pale are cel mai mare factor de eficienţă. Hiferenţele dintrefactorii de eficienţă ma>imali ai turbinelor cu '&+ pale nu este semnificativă.*vanta0ele turbinelor cu două sau cu o singură pală constă )n posibilitatea funcţionării)ntr&o zonă mai largă de variaţie a rapidităţii, )n care factorul de eficienţă are valoarema>imală sau aproape de cea ma>imală.

!. Factorul ma>imal de eficienţă a turbinei cu 1'&14 pale este mai mic decât aturbine cu J pale şi nu depăşeşte ,J+.

Similar se poate defini coeficientul fortei de ridicare2rotire3 ''+. v :

" C "

ρπ = ce

poate fi reprezentat in functie de λ Hin cele prezentate rezulta ca puterea de la a>ul eolienei este dependenta de viteza

vântului si coeficientul de performanta conform relatiei

32'

1 J' λ ρπ pC v : P =

si a caror reprezentare grafica D Eeste redata in figura a si b

Figura Puterea in funcţie de viteza vântului

2..3 )orta de :i%t si ;rag (ridicare si impingere de curent se e>ercita doua forte Buna de ridicare si

una de impingere caz a. %azul b prezinta liniile de curent in miscarea laminara pentrureducerea fortei de impingere2Hrag3 cazul c indica cresterea fortei de impingere iar dcresterea fortei de ridicare si reducerea fortei de impingere

J!


35/80

*supra elicei actioneza doua forte una de tractiune si una de ridicare, forteasemanatoare cu cele ce actioneaza asupra unei ambacatiuni cu panze

Figura. Forta de ridicare si tractiune

rice obiect in calea unui curent de aer prezinta o rezistenta la inaintare , dependentade forma si aria obiectului. Forta care se opune curentului de aer are e>presia

9ar puterea

5nde %d este coeficientul de drag

J+


36/80

=n ca5ul n care un o&iect se misca cu u viteza de influenţa a vântului )n aceeaşidirecţie ca şi vântul, forţa de tractare este

9ar puterea necesara este

9n figura doua forte principale actioneaza asupra unei elice, forta de ridicare " 8ortogonala fata de viteza vantului v care actioneaza asupra elicei si forta de tragere " 7, ce areaceeasi directie cu viteza vantului

*ceste forte reprezinta functii patratice ale vitezei vantului, iar amplitudineaacestora este puternic influentata de forma barierei de aer, precum si de unghiul de atac α ,ung$iul sub care elicea este afectata de actiunea vantului, v.undeB

vl viteza libera a vantuluiv viteza vantului ce actioneaza asupra elicei

" 8 forta de ridicare " 7 forta de tragereα ung$iul de atacIn ca5ul eolinelor putem defini o forta de impingere si o forta de ridicare cu

urmatoarele relatii de calcul

J7


37/80

Si un raport al fortelor

*erodinamica elicei 0oaca un rol $otarator in conversia energiei vantului in energiemecanica

9n cazul in care %orma &arierei de aer este data, viteza vantului si ung1iul de atacvor determina amplitudinea celor doua %orte mai sus mentionate.

8a ung1iuri mici de atac forta de ridicare este mare iar cea de tragere mica .%resterea ung$iului de atac conduce la cresterea fortei de tragere Haca se introducecoe%icientul de ridicare C: si cel de tragere C;, ca functii ale ung1iului de atac pentru

profilul ales al elicei dependenta acestora de ung1iul de atac este redata in figura

Figura %oeficientii de ridicare si de tragere ca functii ale ung$iului de atac.

%onstatămB1. %oeficientul lift C8 creşte liniar odată cu creşterea ung$iului de atac A până la 14o.Prin reglarea ung$iului de atac A, )n turbinele moderne, se asigură reglarea puterii furnizatede turbină G la viteze mici ale vântului se impune un ung$i de atac mai mare şi invers. *cesttip de reglare se numeşte reglare a pasului elicei 2)n engleză pitc1 control 3.

'. Pentru ung$iuri de atac mai mari de 14 coeficientul lift scade brusc, iar cel derezistenţă creşte, respectiv scade forţa de ridicare şi puterea mecanică dezvoltată derotor. *cest regim de funcţionare a turbinei se foloseşte cu scopul limitării puteriiturbinei )n cazul vânturilor puternice cu viteze mai mari decât viteza de calcul. *cesttip de reglare se numeşte reglare prin %rânare 2)n engleză stall control 3.

J. %oeficientul de rezistenţă C 7 are valori minimale pentru ung$iuri mici de atac, circa

,'. %alitatea profilului unei pale sau aripi de avion se caracterizează cu raportul C 8 BC 7 G cucât este mai mare acest raport cu atât mai eficient este profilul dat. Pentru profilul datvaloarea ma>imală a raportului liftVdrag este egal cu 'J şi corespunde ung$iurilor de atac Acuprinse )ntre şi '.

%resterea fortei de tragere si de ridicare are efecte puternice asupra elicei in sensul

tensionarii ei , tensionare cau5ata de %orta de ridicare si&n sensul presiunii e6ercitateasupra elicei cau5ata de %orta de tragere. 9n acest sens trebuie cunoscute fortele limita lacare rezista elicea , forte dependente de soliditate elicei.

J


38/80

2..# Energia electric/ care poate %i o&inut/ de la vânt%antitatea de energie care poate fi produsă de o turbină eoliană pe o perioadă definită detimp, de e>emplu un an, se calculează uşor dacă viteza vântului )n localitatea dată ar ficonstantă şi egală cu viteza de calcul a turbinei. Pentru acest caz teoretic, energia electric

produsă va fiB

/n realitate viteza vântului este o variabilă aleatorie sau probabilistic Pentru a calculacantitatea deenergie electrică, care poate fi produsă, trebuie să cunoaştem B

• curba de putere P5V6 a agregatului eolian• dependenţa puterii electrice generate de turbine eoliană de viteza vântului la )nălţimea

a>ei turbinei.He obicei, curba de putere este furnizată de producător )n formă grafică sau

tabelară. /n figura este prezentată curba de putere a agregatului eolian -6&' cu putereanominală de ' "#, viteza nominală de calcul a vântului 1' mVs, diametrul rotorului 6 m

Principalele puncte de reper ale caracteristicii P5V6 suntB• viteza de cuplare a vântului 2cut; in *ind speed 3 egală cu ! mVsC• viteza nominală a vântului egală cu 1' mVs 2rated *ind speed 3 şi• viteza de scoatere din funcţiune egală cu '+ mVs 2 s1ut do*n *ind speed 3.

J4


39/80

%antitatea de energie electrică care poate fi produsă cu turbina eoliană -6&' sedetermină cu integrala luată de la produsul dintre funcţia densitate de probabilitate a vitezeivântului f5V6 la funcţia curbei de putere P5V6 obtinand B

5ndefuncţia densitate de probabilitate a vitezei vântului f5V6 este

2.' ;esignul tur&inelorAurbinele eoliene se pot )mpărţi după poziţia a>ului pe care se roteşte turbina )n două

mari claseB& turbine cu a>ul verticalC

& turbine cu a>ul orizontal.>ur&inele cu a6 vertical au rotorul )n poziţie verticală, iar principalele avanta0eal acestora suntB

& generatorul şiVsau cutia de viteze pot fi poziţionate dedesubtul turbinei, lângă sol,astfel )ncât turnul nu trebuie să le susţină şi pe acesteaC

& turbina nu trebuie orientată după direcţia vântului

J6


40/80

>ur&ine cu a6 ori5ontal

Spre deosebire de turbinele cu a> vertical, cele cu a>ul orizontal au generatorul şia>ul principal montate )n vârful unui turn, şi trebuie poziţionate )n direcţia vântului prindiferite mi0loace

Sunt turbinele folosite la ora actuală )n )ntreaga lume pentru generarea curentuluielectric. Hezvoltarea lor este )n continuă creştere atât )n ceea ce priveşte capacităţileturbinelor 2cele mai mari a0ungând la +M#3, cât şi )n ceea ce priveşte ec$ipamentelecomponente.

Aurbinele eoliene moderne se mai pot diferenţia şi după alte criterii cum ar fi după puterea eolienei cât şi după posibilitatea conectării sau nu la reţeaB

a! după puterea turbinelor:Aip Hiametrul rotoric Puterea

Micro \ Jm +# G'#

Mici Jm &1' m '#&!#Medii 1'm G!+ m !#&666#

Mari ] !+m ]1M#

b) după posibilitatea conectării la reţea:1. cu posibilitate de conectare la reţea 2grid connect3 G )n

general turbine de capacitate mareC'. izolate & fără posibilitatea de conectare la reţea 2no grid

connect3 G turbinele mici folosite la )ncărcarea acumulatorilor sau pentruconsumatorii mici.

Houa tipuri de retele pot fi utilizateB• :etele izolate in care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsa intre 1# si'#Ietele izolate se regasesc in zonele in care costul este ridicat pentru transportulcombustibilului diesel. *ceste tipuri de retele sunt $ibride utilizand cupla0ul eoliana&diesel.nergia vantului este utilizata ca sursa primara avand rolul de reducere a consumului decombustilil diesel. 5n astfel de sistem este redat in figura 1+ a si b

:etele nationale in care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsa intre '# si 'M#. %ele mai multe aplicatii ale eolienelor le regasim conectate in reteaua nationala in care

turbinele sunt conectate in ferme de vant. astfel de ferma este alcătuita dintr&un numar deturbine plasate perpendicular pe directia vantului, interconectate in substatii

!

Fig. 1+. a3&Ieatea izolata de 7>7+ #C b3&Ietea izolata de +#


41/80

Capter 10" Electrical control s?stems

10.1 @ecanical Part Control1.1.1 Stall control1.1.' *ctive stall control1.1.J Pitc$ control

10.2 Control engineering in *ind tur&ines1.'.1 Fi>ed&speed ?ind turbine e^uipped ?it$ S%9<1.'.'imited variable speed e^uipped ?it$ dnamic rotor resistance 2Singl

Fed 9nduction


42/80

Capter 10" Electrical control s?stems

* ?ind turbine converts "inetic energ in a moving air stream to electric energ.A$e main components of a ?ind turbine sstem are illustrated in Fig.1. 1, and including aturbine rotor, a gearbo>, a generator, a po?er electronic sstem, and a transformer for gridconnection.

"igure ',.' $ind turine s%stems &')

Since t$e ?ind speed is not constant, a variet of control mec$anisms are emploedto manage t$e conversion process and protect t$e mec$anical and electrical e^uipment fromconditions t$at ?ould result in failure or destruction.

Aotal control of ?ind turbines in all ?eat$er conditions is vital in suppling reliableand $ig$ ^ualit rene?able energ. A$e control sstem is t$e central brain of t$e ?indturbine. 9t $as t?o primar functionsB

• sure safe and reliable automatic operation and optimize output b regulation of a? and pitc$ according to real ?eat$er conditions C

• Tandle all communication interfaces and ma"e collected and stored operationdata available for furt$er analsis and optimization.

* generalized ?ind turbine model is s$o?n in Figure 1.', and illustrates t$e ma0or subsstems and control $ierarc$ t$at ma influence t$e be$aviour of a single ?ind turbine.

"igure ',.# $ind turine control elements and 1ierarc1%)

!'


43/80

10.1 @ecanical Part Control#ind turbines capture t$e po?er from ?ind b means of turbine blades and convert it

to mec$anical po?er. Mec$anical torûe created b aerodnamic lift force from t$e turbine

blades is applied to a rotating s$aft. *n electrical generator on t$e same rotating s$aft produces an opposing electromagnetic torûe 2figure 1.J3.

Figure 1.J Simplified model of ?ind turbine mec$anical sstemDJE

A$e po?er e>tracted from t$e air stream b t$e turbine blades can be c$aracterized bûation 1.1B

p C v : P Ω== J'

'1 ρπ

?$ere_ ` air densit 2nominall 1.'' "gVmJ3I ` radius of area s?ept b t$e turbine blades

` speed of moving air stream%p ` coefficient of performanceZ for t$e composite airfoil 2rotating blades3.

A$e e>tracted aerodnamic torûe 2A b3 is computed as a function of t$e air densit 2_3,t$e blade lengt$, t$e ?ind speed 2v3 and t$e po?er coefficient factor 2%p3 as,

λ

ρπ ρπ ρπ p

p

p

C v : :

v :

C v :

C v :

'J''J'

'

1

'

1

'

1=

Ω=

Ω

=

#$ere t$e tip speed ratio 2[3 is e>pressed as a function of t$e blade lengt$ 2I3 and t$e bladeangular velocit 2W b3 as,

v

:Ω=λ

A$e relations among t$e developed electrical torûe 2Ag3, t$e mec$anical torûe 2Am3 and t$ee>tracted aerodnamic torûe 2A b3 can be described as functions of t$e angular velocities of t$e ?ind turbine rotor 2Wr 3 and t$e generator s$aft 2Wg3 as,

dt

d D r m

Ω=−

∫ Ω−Ω+Ω−Ω= dt E 7 g r mc g r mcm 3232

!J


44/80

dt

d D

g

g g m

Ω=−

#$ere t$e constants 2 b, g, Hmc and mc 3 are assigned for ?ind turbine rotor inertia,generator s$aft inertia, mec$anical coupling damping and mec$anical coupling stiffnessrespectivel.

9n stead operation, t$e magnitude of t$e mec$anical torûe is eûal to t$at of t$eelectromagnetic torûe, so t$e rotational speed remains constant, real po?er 2t$e product of rotational speed and torûe3 is delivered to t$e grid form of active po?er. A$e common ?ato convert t$e lo?&speed, $ig$&torûe mec$anical po?er to electrical po?er is using agearbo> and a generator ?it$ standard speed. A$e gearbo> adapts t$e lo? speed of t$e turbinerotor to t$e $ig$ speed of t$e generator, t$oug$ t$e gearbo> ma not be necessar for multipole generator sstems

From t$e point of vie? of mec$anical sstem , t$e turbine must be protected fromrotational speeds above some value t$at could lead to catastrop$ic failure. Mec$anical bra"esare provided for stopping t$e turbine in emergenc conditions 2$ig$ speed3 , but are not usedin normal operations. %ontrolling t$e po?er 2and $ence, torûe3 e>tracted from t$e movingair stream is t$e primar means for protecting t$e turbine from over&speed under all butemergenc s$utdo?n conditions. A$e force developed on a blade is a function ofB free ?indspeed, turbine rotational speed and t$e blade pitc$ angle. A$ese t$ree ûantities determine t$eangle of attac". Oased on t$is fact, different control strategies can be introduced.

*ll ?ind turbines are designed ?it$ some sort of po?er control. A$ere are different?as to control aerodnamic forces on t$e turbine rotor and t$us to limit t$e po?er in ver$ig$ ?inds in order to avoid damage to t$e ?ind turbine

10.1.1 Stall controlA$e simplest, most robust and c$eapest control met$od is t$e stall control 2passive

control3, ?$ere t$e blades are bolted onto t$e $ub at a fi>ed angle. A$e design of rotor aerodnamics causes t$e rotor to stall 2lose po?er3 ?$en t$e ?ind speed e>ceeds a certainlevel. Since ?ind speed and air densit cannot be controlled, and t$e radius of t$e blades isfi>ed, t$e performance coefficient is t$e onl means for torûe control. A$e performancecoefficient % p itself is not a constant for a given airfoil, but rat$er is dependent on a parameter [, called t$e tip&speed ratio, ?$ic$ is t$e ratio of t$e speed of t$e tip of t$e blade to t$e speedof t$e moving air stream. Figure 1.! an e>ample of a %p2[3 curve and t$e s$aft po?er as afunction of t$e ?ind speed for rated rotor speed can be seen.

"igure ',.(.1e coefcient of performance! Cp! as a function of t1e tip speed ratio

9n some ?ind turbines, blades are designed so t$at %p2[3 falls dramaticall at $ig$ ?ind

speeds. A$is met1od of aerod%namic torFue control is "no?n as stall regulation, and is

!!


45/80

limited to preventing turbine over&speed during e>treme gust conditions and limitingma>imum s$aft po?er to around t$e rating value in ?inds at or above t$e rated value.

Figure 1.+ s$o?s t$e lift and drag coefficients % and %H, respectivel, as functionsof t$e angle of attac" for a c$osen blade profile. A$e air flo? around t$e blade is, for t$e

presented blade profile, fairl laminar up to t$e angle of attac" at about 1 deg. A$e drag

force coeficient is ver lo? in t$is region. #$en t$e angle of attac" reac$es t$e value of about 1+ deg t$e air flo? on t$e trailing edge of t$e blade becomes more turbulent and t$evalue of t$e lift coefficient decreases as a conse^uence of t$is effect, ?$ic$ is called stalling.A$e drag force coefficient no? starts to increase.

"igure ',./ 8ift and drag coefficients as functions of t1e angle of attacG.

A$is met$od is used in fi>ed speed sstem based on t$e design of t$e rotor blades, tolimit t$e upper po?er level 2figure 1.4 a3. A$e disadvantage is t$e pea" average po?er t$atoccur at ?ind speeds around rated ?ind speed and t$e po?er level at t$e $ig$est ?ind speeds.

10.1.2 ctive stall control*not$er tpe of control is t$e active stall control. A$e performance coefficient can

also be c$anged b ad0usting t$e angle of attac"Z of t$e blades , as is done on some modern propeller&driven aircraft..

"igure ',.H Coefficient of performance C p 5=! 6 for a modern *ind turine lade asseml%

as a function of tip;speed ratio 5=6 and lade pitc1 5! in degrees6.

!+


46/80

Figure 1.7 s$o?s C p5=! 6 as a function of [ and for a modern ?ind turbine. Olade pitc$ ad0ustment allo?s t$e energ capture to be optimized over a ?ide range of ?ind speeds2even if t$e rotational speed of t$e s$aft is relativel constant3, ?$ile still providing for over&speed protection t$roug$ large ad0ustments in pitc$ angle.

A$e various #ind nerg %onversion Sstems 2#%S3 t$at are able to obtain

ma>imum po?er output D1E for varing ?ind speeds2figure 1.a3 . * variable speed ?indturbine follo?s t$e % pma> to capture t$e ma>imum po?er up to t$e rated speed b varing t$erotor speed to "eep t$e sstem at =opt . A$e optimal tip&speed&ratio 2ASI3 is defined asB

v

:opt opt

Ω=λ .

A$e ma>imum po?er coefficient for a given ?ind speed is obtained at t$e optimalvalue tip&speed&ratio.

a. -aximum po*er extraction &() . Po*er ?P55v! 6&/)

"igure ',.J Po*er extraction

9n order to al?as produce rated po?er ?$enever it is available in t$e ?ind, active stall control can be emploed. *not$er often used name for t$is aerodnamic control principle is combi&stall control. Aurbine blades are, in suc$ a case, slig$tl pitc$ed during$ig$ ?ind speed periods in order to obtain t$e desired nominal po?er. 9n Figure 1.b a pitc$angle bet?een & ! deg represents t$e corresponding control range D+E.

*ctive stall control enables better e>ploitation of t$e ?ind turbine sstem during $ig$?ind speed periods. Moreover, t$e slope of t$e po?er curve for t$ese $ig$ ?ind speed

periods is suc$ t$at a variation in ?ind speed ?ill introduce a rat$er modest variation inoutput po?er. *not$er advantage of t$e pitc$ing met$od is t$at it ma"es emergenc stoppingand starting of t$e ?ind turbine easier.

10.1.3 Pitc controlA$e t$ird possible control strateg is pitc$ control 2active control3, ?$ere t$e blades

can be turned out or into t$e ?ind as t$e po?er output becomes too $ig$ or too lo?,respectivel. arge ?ind turbines emplo t$is met$od of aerodnamic tor^ue regulation t$at$as benefits in addition to preventing mec$anical over&speed. A$e ob0ective in t$is case is to"eep a fairl laminar air flo? around t$e blades for t$e ?$ole ?ind speed operational rangeand, in t$e pitc$ angle is controlled for limiting t$e generated po?er for larger ?ind speedover t$e predetermined normal one.


47/80

and t$e $ig$er po?er fluctuations at $ig$ ?ind speeds. A$e instantaneous po?er ?ill, becauseof gusts and t$e limited speed of t$e pitc$ mec$anism, fluctuate around t$e rated mean valueof t$e po?er. A$e pitc$ angle no? varies ?it$in a ?ider range, in Figure 1. t$is range isroug$l bet?een & J+ deg.

A$e overall conversion of ?ind energ to electric po?er is normall described b a

turbine po?er curveZ, ?$ic$ s$o?s turbine electrical output as a function of stead ?indspeed 2Figure 1.43. Suc$ a representation is accurate onl for stead&state operation, sincet$e in$erent dnamics of t$e mec$anical and electrical sstems along ?it$ all possiblecontrol functionalit is neglected.

"igure ',.K. Po*er c1aracteristics of fixed;speed *ind turines D1E.5a6 imum po?er, t$e turbine is said to be in Iegion '. 9n t$is belo? rated region t$eob0ective is to ma>imize aerodnamic efficienc to capture as muc$ energ as possible fromt$e ?ind stream. 9n Iegion J, ?ind speeds are $ig$ enoug$ to drive t$e generator at its rated

po?er outputC in t$is case, t$e goal is to regulate speed and po?er safel at rated levels.Iegion ! occurs ?$en t$e turbine s$uts do?n due to $ig$ ?ind speeds to prevent damage tot$e turbine

"igure ',.+ $ind po*er! turine po*er! and operating regions &H)

!


48/80

A$roug$out t$ese regions, t$e speed and po?er of t$e turbine are controlled bvaring t$e generator load torûe and t$e blade pitc$ angles based on measurement of t$egenerator s$aft speed.

#ind turbine configurations can also be classified ?it$ bot$ t$e speed control 2 fi>edor variable speed3 and aerodnamic po?er control criterion 2stall, active stall or pitc$

control3. ac$ combination of t$ese t?o criteria receives a label 2Aable 13 C for e>ample, Ape* denotes t$e fi>ed&speed stall&controlled ?ind turbine. A$e gre zones, in table 1, indicatecombinations t$at are not in use in t$e ?ind turbine industr toda DE.

ale '$ind turine concepts

Speed control Po?er controlStall Pitc$ *ctive stall

Fi>ed speed Ape * Ape * Ape *1 Ape *'-ariable speed Ape O Ape O Ape O1 Ape O'

Ape % Ape % Ape %1 Ape %'Ape H Ape H Ape H1 Ape H'

A$e control sc$eme emploed to operate t$e turbine to produce grid&ûalit electricitvaries among turbine manufacturers. =o one control sc$eme is t$e best.N ac$ $asadvantages and disadvantagesC $o?ever, t$e all successfull deliver energ into utilit grids.

10.2 Control engineering in *ind tur&ines

A$e generator converts t$e mec$anical po?er into electrical po?er, ?$ic$ being fedinto a grid possibl t$roug$ po?er electronic converters, and a transformer ?it$ circuit

brea"ers and electricit meters. A$e t?o most common tpes of electrical mac$ines used in?ind turbines are induction generators and snc$ronous generators.A$e dnamic properties of a ?ind turbine depend on its construction and on t$e

control s%stem structure and parameters. Mostl it depends on t$e tpe of generator emploedand $o? it is connected to t$e gridC ?$et$er directl connected or via po?er electronicsconverter.

From t$is perspective t$ere are four 2!3 main tpes of ?ind turbine ?ill be analzed2Aable '3

ale # 1e main t%pe of *ind turine

>?pe Speed Aenerator t?pe Arid connection

* Fi>ed Sûirrel&cage inductiongenerator 2S%9ed&speed ?ind turbine ?it$ anasnc$ronous sûirrel cage induction generator 2S%9


49/80

configuration uses a capacitor ban" for reactive po?er compensation. * smoot$er gridconnection is ac$ieved b using a soft&starter. A$e $ig$ starting currents of inductiongenerators are usuall limited b a t$ristor soft&starter. A$e current limiter or soft&starter,

based on t$ristor tec$nolog, tpicall limits t$e rms value of t$e inrus$ current to a level belo? t?o times of t$e generator rated current. A$e soft&starter $as a limited t$ermal capacit

and it is s$ort circuited b a contactor , ?$ic$ carries t$e full&load current, ?$en t$econnection to t$e grid $as been completed. 9n addition to reduce t$e impact on t$e grid, t$esoft&starter also effectivel dampens t$e torûe pea"s associated ?it$ t$e pea" currents, and$ence reduces t$e loads on t$e gearbo>..

A$is tpe of ?ind turbine is not eûipped ?it$ generator control sstems, andt$erefore is more reliable t$an ot$er tpes. Iegardless of t$e po?er control principle in afi>ed&speed ?ind turbine, t$e ?ind fluctuations are converted into mec$anical fluctuationsand conseûentl into electrical po?er fluctuations. 9n t$e case of a ?ea" grid, t$ese canield voltage fluctuations at t$e point of connection. Oecause of t$ese voltage fluctuations,t$e fi>ed&speed ?ind turbine dra?s varing amounts of reactive po?er from t$e utilit grid2unless t$ere is a capacitor ban"3, ?$ic$ increases bot$ t$e voltage fluctuations and t$e line

losses.

"igure ',.',"ixed;speed *ind turine *it1 citation for a S%9< is sourced directl from t$e grid it continuall absorbsreactive po?er 2increasingl ?it$ speed3 and is incapable of controlling its terminal voltage.9n suc$ a case, t$e terminal voltage or reactive po?er ma not be directl controlled, and t$einduction generators ma suffer from voltage instabilit problem, ?$ic$ is becoming asignificant concern ?it$ large&scale ?ind farm penetration.

9n stead state, t$e voltage level is influenced b reactive po?er. 9mpossibilit of t$ereactive po?er regulation ma"e cannot be controlled t$e voltage level. %onsidering a ?indsstem ?it$ a S%9< connected to a grid ?it$ nominal voltage 5 =. A$e problem regarding t$e

deviation of t$e voltage D4E comes from t$e fact t$at t$e fi>ed speed sstem does not allo?reactive po?er consume control. Subseûentl, t$e voltage ?ill be affected in t$e common point b t$e 5P%% connection. A$is is s$o?n from t$e Figure 1.11

Figure 1.11. * turbineNs connection to t$e net?or"

!6


50/80

*ppling irc$off la? voltage result t$e e^uationsB I LX I :3 3

g g M PCC ++= Fd LI I I +=

#$ereB

5=&nominal voltage of t$e gridC 5P%% &voltage at t$e point of common connection 2P%%3C P&active po?er producedC &reactive po?er consumedC Ig&grid resistanceC 8g&grid reactance

A$e impact over t$e voltage level can be determined b voltage drop e>pression 253depending on po?er, ?$ic$ indicates a longitudinal tension drop ∆5l and a transversalvoltage drop ∆5t..

t l

M

g

M

g

M

g

M

g 3 L3

3

N :

3

P X L

3

N X

3

P:3 ∆+∆=+++=∆ 3232

>cept for t$e cable and lo? fre^uenc lines, in transport lines t$e line resistance ismuc$ smaller t$an t$e reactance g g X :


51/80

acceleration torûe 2due no? to g ] m in motion eûation3 and t$e rotor ?ill return to itsoriginal slip so 2assuming t$at t$e voltage is t$e same as ?$at it ?as prior to t$e fault3. 9f t$evoltage is lo?, it affects t$e torûe&slip, and if t$e electromagneticall torûe is less t$an t$etorûe mec$anicall decouples t$e generator from t$e grid

"igure ',.'# 1e torFue;slip curve&+)

For an induction generator t$e electrical torûe g of t$e generator is proportional tot$e sûare of t$e generator terminal voltage. n t$e ot$er $and, if t$e fault is cleared at slip s't$en ?$en g recovers from zero it ?ill al?as be less t$an m and t$e generator ?ill continueto accelerate, causing it to trip due to over speed. A$erefore, t$e slip scr is t$e critical clearingslip for t$is operating condition at ?$ic$ t$e S%9< is capable of recover from a fault.*ssuming t$at t$e mec$anical torûe m remains t$e same during a fault, t$e acceleration of

t$e generator is determined b t$e moment of inertia of t$e rotor and t$e s$aft stiffness.*?ind turbine $as $ig$ inertia and lo? stiffness of t$e s$aft bet?een t$e turbine and generator D6E. A$e lo? stiffness means t$at during stead&state operation t$e s$aft stores a substantialamount of potential energ, ?$ic$ is due to t$e rotational displacement caused b t$e t?oopposing torûes g and m. #$en g collapses during a fault, t$e stored potential energ int$e s$aft is transferred as "inetic energ to t$e rotor, ?$ic$ contributes significantl to itsacceleration. A$e contribution of t$e s$aft stiffness of t$e ?ind mill drive train to t$eacceleration of t$e generator cannot be ignored and t$e paper D1E suggests t$at t$e ma>imumspeed c$ange of an induction generator immediatel after a fault is calculated ?it$ relationB

g mc

g m

g D E

−=∆Ω

#$ere g ∆Ω ish t$e speed c$ange of t$e generator at t$e faults inception, E mc is t$e s$aftstiffness and D imum post&fault speed g g fg ∆Ω+Ω=Ω of an induction generator isdetermined b adding t$e stead state speed g Ω ?it$ t$e ma>imum speed c$ange D1E. 9f

fg Ω e>ceeds t$e critical clearing speed cr Ω t$en t$e generator could become unstable ands$ould trip due to over speed D11E.

Industrial application. *ll t$ree versions 2Ape *, Ape *1 and Ape *'3 of t$e fi>ed&speed ?ind turbine Ape * are used in t$e ?ind turbine industr, and t$e can bec$aracterised as follo?sDEB

• Ape *. Stall&controlled ?ind turbines cannot carr out assisted startups,?$ic$implies t$at t$e po?er of t$e turbine cannot be controlled during t$e connectionseûence.

+1


52/80

• Ape *1B A$e main advantages of a pitc$ control turbine are t$at it facilitates po?er controllabilit, controlled start up and emergenc stopping. 9ts ma0or dra?bac" is t$at, at $ig$?ind speeds, even small variations in ?ind speed result in large variations in output po?er.A$e pitc$ mec$anism is not fast enoug$ to avoid suc$ po?er fluctuations. O pitc$ing t$e

blade, slo? variations in t$e ?ind can be compensated, but t$is is not possible in t$e case of

gusts.• Ape *'B active stall control .A$ese $ave recentl become popular. A$is configuration

basicall maintains all t$e po?er ^ualit c$aracteristics of t$e stall&regulated sstem. A$eimprovements lie in a better utilisation of t$e overall sstem, as a result t$e use of active stallcontrol. A$e fle>ible coupling of t$e blades to t$e $ub also facilitates emergenc stopping andstartups. ne dra?bac" is t$e $ig$er price arising from t$e pitc$ing mec$anism and itscontroller.

10.2.2:imited varia&le speed eBuipped *it d?namic rotor resistance (Singl? )edInduction Aenerator!

A$e tpe of ?ind turbine being discussed $ere emplos a ?ound&rotor inductiongenerator 2#I9ternal rotor resistanceC ?$ere :r is t$e rated s$ort&circuitresistance of t$e rotor and :rma> is t$e e^uivalent rotor resistance ?it$ ma>imum e>ternalresistance applied.

+'


53/80

"igure ',.'(7%namic slip;controlled *ound rotor generators

Hnamic slip&controlled ?ound rotor generators use e>tra po?er electronic controlledresistance, ?$ic$ is added in t$e rotor circuit to create a different c$aracteristic of tor^ue&speed. Po?er converter for slip controller is designed for lo? voltage and $ig$&currentcondition D1'E.A$ese generators are normall connected directl to t$e ac sstem and needsreactive po?er compensator and soft starting sstems.

A$e abilit to var t$e rotor resistance allo?s for t$e control of generator slip androtational speed and a blade pitc$ing sstem is used to maintain optimal rotational speed of t$e ?ind ?$eel. A$is tpe of ?ind turbine is referred to as partl&variable&speed D1JE.

Industrial application. -estas D1!E uses t$is concept in a ?ind turbine calledptiSlip. A$e variable resistance is connected to t$e rotor terminals of a slip&ring inductionmac$ine and is controlled b a rotor current controller. 9n -estas t$e sstem is called -estasIotor %urrent %ontrol 2-I%%3 and consists of resistances, a O7 Hiode&bridge, an 9ternal rotor resistance t$e slip of t$e generator can be increased up to appro>. 1'(. For normal control

purposes at rated po?er of t$e ?ind turbine onl an increase up to slip value of 1( is used.To?ever in fault situations ?it$ increased rotor current t$e 9


54/80

"igure ',.'/ 0 sGetc1 of t1e Vestas Opti

≤≤

<

=

=

slip

slip

slip

for

for

for

P

slip

slip

P P

rated

rated ref

Partial load operation 5et*een cut;in and rated speed6. Huring start of t$e ?indturbine t$e ?ind mig$t not be $ig$ enoug$ to produce enoug$ tor^ue on t$e turbine for running on rated po?er and t$e ?ind turbine is in partial load operation mode. A$e po?er iscontrolled to increase ?it$ a generator slip of '( as s$o?n in Figure 1.17. 9f t$e ?ind speedrises to a point ?$ere rated po?er can be produced, t$e ?ind turbine ?ill s?itc$ to ratedoperation mode.

"igure ',.'H. Po*er @ . .+( ?it$ no e>ternal connected resistance andt$e ma>. *llo? able value of slip`1(.*t full load ?$en t$e po?er e>tracted from t$e ?ind

b t$e ?ind ?$eel c$anges t$e rotor converter alters t$e generator slip to compensate. 9n

+!


55/80

effect t$e surplus of energ is transformed into t$e potential energ in t$e rotating s$aft,causing t$e rotor speed to increase. A$e e>ternal rotor resistance is increased b t$e converter 2increasing slip3 to "eep t$e output po?er of t$e generator constant, $ence dampening po?er variations caused b t$e ?ind. A$e e>ternal rotor resistance and t$e slip are eventuallreturned to ?$at t$e ?ere prior to t$e increase in ?ind speed. A$e generator slip must be

"ept as lo? as possible to ma>imise efficienc. Huring disturbances oscillations ma appear in t$e output po?er due to t$e dnamic mec$anical forces ?$ic$ act on t$e ?ind ?$eel, t$atare determined b its mec$anical c$aracteristics. A$ese mec$anical oscillations manifestt$emselves in t$e rotor as torsion oscillations and some travel t$roug$ t$e s$aft and t$egenerator and appear as $armonics on t$e grid

1e


56/80

"igure ',.'+Po*er curve V:CC

A$e -estas -!!&7"#, launc$ed in 1667, is an up?ind turbine ?it$ t$ree blades and

an electricall driven a? sstem. 9ts rotor $as a diameter of !! m, a ?eig$t of 4.! t and arated rotational speed of '4 rpm. * $draulicall actuated pitc$ sstem is used for speedcontrol, optimization of po?er production, for start&up and for aerodnamic bra"ing of t$eturbine. *dditional brea"ing functionalit is provided b a disc bra"e located on t$e $ig$&speed side of t$e gearbo>.

* more efficient met$od of ta"ing advantage of t$is varing slip is to e>tract t$ema>imum amount of po?er from t$e ?ind at t$e partial load operation. Huring partialloading 2bet?een cut&in and rated speed3 t$e rotor resistance varies bet?een I r rated and I rma>and t$e blade pitc$ angle is controlled to ac$ieve an optimal rotation speed of t$e turbine?$ic$ e>tracts ma>imum po?er from t$e ?ind. *t partial load t$e rotational speed of t$e?ind ?$eel of a variable speed ?ind turbine is controlled around at opt Ω to ma>imise t$e

po?er coefficient C p2[,3 and $ence ma>imise t$e po?er e>tracted from t$e ?ind.Fig. 1.' s$o?s t$is "ind of MPPA controller, ?$ic$ needs t$e ?ind speed measured b an anemometer. A$e controller regulates t$e ?ind turbine speed to maintain an optimal tip&speed&ratio 2 ASI3 . To?ever, t$e accurate ?ind speed ma be difficult to obtain. 9n addition,t$e use of an e>ternal anemometer increases t$e comple>it and cost of t$e sstem.

"igure ',.#, 9locG diagram of t1e ds

d m t$en to maintain an optimal tip&speed&ratio t$e generator slip is increased b

increasing t$e rotor resistance.

+7


57/80

• 9f <ds

d m t$en t$e generator speed is reduced b decreasing t$e effective rotor

resistance.

• 9f =ds

d m t$e rotor resistance is $eld constant. A$e addition of a pitc$ controller is used

to optimise t$e rotational speed of t$e ?ind turbine at partial loadA$e micro&interruption is a disconnection of t$e electric grid for a s$ort moment. For

t$e case of t$e generating operation of an asnc$ronous mac$ine t$e electric grid interruptionma"es t$e sstem similar to a standalone induction generator. 9n t$is case t$e amplitude andt$e freûenc of t$e generator ?ill not be assisted an more b t$e electric grid. A$at ma"est$e generators terminal voltage values depending on magnetizing and speed of t$e generator.n t$is fact t$e influence of a micro&interruption on a ?ind turbine depends on t$e usedstructure of generator 2SF9< or asnc$ronous generator directl connected to t$e grid3.5nder micro&interruption bet?een t$e net?or" and t$e ?ind turbine t$e amount of po?er delivered to t$e electric grid ?ill be for?arded to?ards t$e rotor. A$is amplifies e>cessivel

t$e rotor current and conseûentl increases t$e stator tensions. For t$e active and reactive po?ers, during a sudden increase in t$e rotor currentcaused b a micro&interruption, a pea" ?it$ a positive value appears in t$e active po?er curveand a pea" ?it$ negative value appears in t$e reactive po?er curve.

10.2.3 aria&le9speed *ind tur&ine eBuipped *it ;)IA* usual generator ?it$ s$ort&circuit rotor terminals or sûirrel&cage is onl able to

$ave a minimal rotor speed variation 2appro>. 1(3 dependent on t$e freûenc at t$e stator terminals of t$e generator. A$e Singl Fed 9nduction tends t$is small rotor speed variation range to a variabilit of 1(. 5sing adoubl&fed induction generator 2HF9ed freûenc ?$ereas t$e rotor is supplied viaa converter at a different freûenc. *s suc$ t$e generator is said to be doubl&fedZ. A$econverter, ?$ic$ is connected bet?een t$e rotor circuit and t$e grid, effectivel decouples t$egrid freûenc from t$e rotor mec$anical freûenc

A$e configuration use of t$e doubl&fed induction generator 2figure1.'13 correspondsto t$e limited variable speed ?ind turbine ?it$ a ?ound rotor induction generator 2#I9imatel J( of nominal generator po?er3 on t$e rotor circuit. *n advantage of t$is ?ind turbine is t$at since t$e freûencconverter onl $as to deal ?it$ t$e rotor po?er t$an it needs onl to be partiall rated. A$is?ind turbine does not need eit$er a soft starter or reactive po?er compensation.

+


58/80

"igure ',.#' 7"I4 asic configurations &'/)

Ieactive po?er can be supplied b t$e generator to support grid voltages. A$econtrollabilit of reactive po?er $elp t$e HF9< eûipped ?ind turbine pla a similar role tosnc$ronous generators. A$e partial scale freûenc converter performs t$e reactive po?er compensation and t$e smoot$er grid connection. A$e converter ma"es it possible to suppl or obtain po?er from t$e grid t$roug$ t$e rotor terminals. A$is prevents t$e generator froms?itc$ing to motor operation ?$ile driving at sub snc$ronous speed. 9n t$e so called over snc$ronous operation t$e generatorNs speed is $ig$er t$an snc$ronous speed. 9n t$isoperation po?er from t$e stator terminals as ?ell as po?er from t$e rotor terminals issupplied to t$e grid. 9n fact, t$e doubl&fed mac$ine is a special case of a snc$ronousmac$ine ?$ic$ runs at a slip determined b t$e freûenc applied to t$e rotor fr and t$atapplied to t$e stator f s2bot$ in Tz3 suc$ t$atB

s

r

f

f s =

A$e induction mac$ine ?it$ sûirrel cage in t$e rotor circuit t$e freûenc is 1&' Tzaccording slip s`'&!(. 9n t$e doubl&fed mac$ine if t$e converter produces , in t$e rotor circuit, 1+ Tz freûenc and t$e stator $aving + Tz freûenc t$e slip is s ̀ J(

A$e speed in revolutions per minute 2n3 can be determined b t$e freûenc 2f3 of t$e

source in $ertz 2Tz3 and t$e number of pairs of poles 2p3 in t$e mac$ine suc$ t$at

p

f n

7=

A$e magnetic field produced b t$e stator p$ase ?indings in a t$ree&p$ase mac$ine?it$ 'p`7 2p`J3 supplied at + Tz , $ave t$e speed in revolutions per minute ns`1 rpm.

A$e magnetic field produced b t$e rotor p$ase ?indings in a t$ree&p$ase mac$ine?it$ 'p`7 2p`J3 supplied at b convertor ?it$ 1+ Tz, $ave t$e speed in revolutions per minute nr ̀ J rpm.

9n over snc$ronous mode t$e t?o magnetic fields are added toget$er and t$e rotor speed must be 1J rpm. A$is corresponds to over&snc$ronous speedB

32

7

sup r s f f pn +=

+4


59/80

9n sub&snc$ronous mode t$e t?o fields are decrease toget$er and t$e rotor speedmust be rpm. A$is corresponds to sub &snc$ronous speedB

327

r s su f f p

n −=

Hepending on ?$et$er t$e ?ind speed is $ig$ or lo? t$e rotor freûenc and p$ase

?it$ respect to t$e stator freûenc t$e HF9< ?ill rotate eit$er above or belo? snc$ronousspeed. *s a result t$e ?ind turbine can be controlled to rotate at an optimal speed ?$ic$e>tracts t$e ma>imum po?er from t$e ?ind. A$e po?er transfer bet?een t$e HF9< and t$egrid is determined b its speed.

*bout t$e balance of po?er, t$e ideal stationar po?er distribution t$roug$ t$egenerator is dependent on t$e slip of t$e generator as s$o?n in eûationB

:


60/80

interruption, bpassing t$e rotor&side converter. A$e role of t$e cro?bar is to protect t$e po?er electronics and to current limit. A$e result is t$at at controllabilit is lost and t$emac$ine becomes a standard induction generator. I cro? is t$e e^uivalent rotor resistance ?it$cro?barN connection over Ir rated. A$e cro?bar is a device mounted in parallel ?it$ t$erotor converter, as s"etc$ed in Fig. 1.'J ?$ic$ comprises a t$ree p$ase diode bridge t$at

rectifies t$e rotor currents and a single t$ristor in series ?it$ a resistor I cro?

"igure ',.# Cro*ar arrangement

Industrial aplication. =o?adas ?ind turbines e^uipped ?it$ slip&ring induction generatorsand doubl&fed control are ?idel used. -estas introduced t$eir first ?ind turbine ?it$doubl&fed control, t$e so called ptiSpeedAM control D17E in 1666 for t$e ?ind turbine tpe-4 'M#. A$e electrical configuration s$o?n in Figure 1.'! consists of an autotransformer,a rotor converter, a grid convertor and t$e HF9


61/80

t$e grid converter controller. A$e ot$er part is t$e overall *ind turine control , consisting of speed controller, full&, partial load controller, pitc$ controller and logic.

Vestas Converter become H% G values, ?$ic$ are easil to control and secondl it is possiblefor a decoupled control of active and reactive po?er, t$roug$ t$e t?o d, ^ & components.

#it$ t$is t$eor 2field orientating3, t$e stator voltage d&component is ver small andcan be neglected. A$e ^ G component of t$e stator voltage can be appro>imated to be constantunder rated condition. A$e active and reactive po?er can be calculated ?it$ t$e d, ^components. 9n t$ese conditions t$e active po?er can be controlled b t$e ^&component of t$e stator current and t$e reactive po?er can be controlled b t$e d&component of t$e stator current. Similar, t$e tor^ue can be controlled as t$e active po?er t$roug$ t$e ^&component of t$e stator current.

A$e po?er controller is a P9&controller, ?it$ input t$e calculated grid po?er error andas output t$e reference rotor current for t$e rotor current control 2 ir^ is proportionall ?it$is^3. A$e rotor controller is as ?ell a P9&controller ?it$ input t$e rotor currents error andoutput is t$e rotor voltage.

1e 7"I4 4rid Converter Control. A$e main tas" of grid converter control is tocontrol t$e H% voltage of t$e H% lin", ?$ile e>c$anging po?er ?it$ grid. %$anges of t$e H%lin" voltage ?ill occur e.g. ?$en c$anging t$e generator tor^ue. A$e rotor converter controlsupplies po?er into t$e rotor of t$e generator or t$e opposite.

A$e po?er e>c$ange ?it$ grid can be controlled b control of t$e grid current i or t$egrid converter current ic$ange ?it$ t$e grid is notcorrected fast enoug$ t$e H% G lin" voltage ?ill decrease or increase. A$e H% voltagevariation can be determinate from t$e current t$roug$ t$e H%&lin" capacitor ?$ere t$ecurrent t$roug$ t$e H%&lin" capacitor e can be calculated from t$e rotor po?er of t$egenerator and t$e grid po?erB

321

321

7C

4

7C

:

47C :7C

7C

3

P

3

P

C ii

C dt

d3 −=−=

A$e H% lin" voltage control is t$e outer loop of t$e cascaded control structure s$o?nin Figure 1.'7. A$e output of t$e H%&lin" voltage control gives t$e input to t$e grid currentcontroller.

71


62/80

"igure ',.#H7C;linG voltage control

* conse^uence of a decreased H% voltage can lead to a failure of t$e generator control or an increased current, ?$ic$ could lead to a damage of t$e po?er electronicmodules. A$e increase of t$e H% voltage can lead to overloading of t$e H% lin" capacitor,?$ic$ can give $ard?are damages and a loss of control capabilities of t$e grid control

$ind turine control. Ma>imum energ from t$e ?ind is obtained ?$en t$e rotor isoperating at its aerodnamic optimum. A$e aerodnamic optimum is reac$ed, if t$e tip&speedratio opt λ and t$e pitc$ angle opt β are at t$eir optimum. Ao "eep t$e tip&speed ratio at itsoptimum t$e rotor ?it$ t$e radius : $as to be operated ?it$ a rotor speed opt Ω proportionalto t$e ?ind velocit v.

:

vopt opt

λ =Ω

A$e stationar po?er obtained b t$e blades on t$is optimum condition isB

opt p 28 C v : P k

J'

'

1ηρπ =

To?ever, it is not al?as beneficial or possible to operate t$e turbine at a point for ma>imalenerg gain. A$e operational ?ind speed area is limited, due to t$e turbines operation area.A$e operation area can be defined b introducing rotor speed limits. Oet?een t$e minimum

and rated rotor speed D ma>min ,ΩΩ E four different control strategies applD1E.

a generator speed vs. *ind speed po?er curve vs. generator speed "igure ',. Opti


63/80

9n t$e partial operation range bet?een minimum rotor speed and ma>imal rotor speed, t$eturbine is controlled to operate ?it$ t$e optimal tip&speed ratioB

opt

rtd :vλ

Ω='

9f t$e ?ind speed is above defined'

v t$e turbine cannot operate furt$er ?it$ t$e optimal tip&speed ratio, since t$e speed is restricted to t$e rated generator speed#it$ furt$er rising of t$e ?ind speed, t$e turbine s?itc$es from t$e partial load operation intofull load operation 2fourt$ control strateg3. %onsideration about t$e optimal rotor efficiencare in t$e last control areas not necessar, $ence t$e po?er is limited to t$e rated po?er.

A$e s$ift bet?een t$e different control areas is done ?it$ a logic bloc" 2Figure 1.'43.A$is logic decides bet?een t$e partial load controller, ?$ic$ is designed to "eep t$e turbineoperating on an optimal po?er set point, and t$e full load controller, ?$ic$ is controlling t$espeed, ?$ile t$e po?er is limited to t$e rated po?er. Oot$ controllers are ver similar to t$edescribed controllers used in t$e ptiSlip ?ind turbine model

"igure ',.#K $ind turines overall control strateg%

9n Figure 1.'6 a simple s"etc$ of t$e total -estas ptiSpeedAM ?ind turbines overallcontrol strateg is s$o?n.

"igure ',.#+


64/80

#ind turbines ?it$ t$is control $ave t$e advantages of optimizing energ production,minimizing structural loads, limiting noise emission and improvement of t$e po?er ^ualit.

=e? c$allenges gave and give plent possibilities for improvements in t$e control anddesign during t$is long time usage of t$is ?ind turbine concep.

A$e + "# and 1.+ M# turbines 2and t$e J.7 M# prototpe for offs$ore

applications3 from


65/80

Figure 1.J1.A$e electrical sstem for variable&speed ?ind turbine

:ectifiers generator sus%stem. A?o main tpes of generators are usedB eit$er t$esnc$ronous 2S


66/80

situation, or eûivalentl a progressive increase in angular separation of generator rotors, or a progressive decrease in bus voltages.

From t$e point of vie? of defining and classifing po?er sstem stabilit, t$ere aret$ree important ûantities for its operationC angles of nodal voltages, nodal voltagemagnitudes, and sstem freûenc. A$e po?er sstem stabilit can be classified intoB

• rotor 2or po?er3 angle stabilitC• freûenc stabilitC• voltage stabilit.

Iotor angle stabilit is concerned ?it$ t$e sstem abilit to maintain t$e eûilibrium bet?een electromagnetic torûe and mec$anical torûe of eac$ generator in t$e sstem.9nstabilit t$at ma result occurs in t$e form of increasing angular s?ings of some generatorsleading to t$eir loss of snc$ronism ?it$ ot$er generators.

-oltage stabilit is concerned ?it$ t$e abilit of a po?er sstem to maintain its steadvoltage at all buses in t$e sstem under normal operating conditions, and after sub0ecting to adisturbance. 9nstabilit t$at ma result occurs in t$e form of a progressive fall or rise of

voltage of some bus

Documents

Cap2 Energia Eoliana