Automação de parques eólicos ii

Automação de Parques Eólicos

Luís Catalino nº49403

Manuel Coutinho nº49414

Miguel Campos nº49429

Sumário- Motivação

- Objectivos

- Problemas de Automação

- Definição de sistema:- Constituição da Turbina- Aerodinâmica- Distribuição do Vento- Sensores

- Controlo:- Potência- Fuzzy Control

- Filtro de Kalman-Resultados experimentais

- Outros controladores- Não-Linear- Adaptativo- Comparação

Automação de Parques Eólicos 2/21 Seminário de API Junho/04

Este tema encontra-se em franca expansão devido a aspectos:

Ambientais

1) Evita o consumo de combustíveis fósseis

2) Não poluente

3)Recurso natural abundante

Político/Económicos

1)Existem directivas comunitárias que obrigam à implementação deste tipo de produção

2)Atractiva às massas (que influencia os políticos)

3)Investimento rentável a curto/médio prazo

4)Criação de novos postos de trabalho

Devido aos vários níveis de controlo intrínsecos destes sistemas e do seu crescimento em larga escala, trata-se de um tema actual com uma grande componente de automação.

Motivação


Controlo de Direcção:

Pás do rotor alinhadas com a direcção preferencial do vento

1)Sensor de direcção do vento

2)Mecanismo de orientação direccional

Controlo de Velocidade:

Seguimento da velocidade de referência.

1)Anemómetro no cimo da cabine.

2)Sistema de controlo para efectuar o controlo da turbina.

Controlo de Potência:

A Potência fornecida pela turbina tem de ser limitada ao seu valor nominal.

1)“Stall” – Perda aerodinâmica.

2)“Pitch” – Variação do ângulo de passo das pás.

Problemas de Automação


1)Maximizar a energia disponível, controlando a velocidade

2) Limitar a potência disponível à saída da Turbina para valores acima da

velocidade nominal do vento (valores estes que ocorrem um número

limitado de horas por ano).

3) Reduzir os efeitos dos transitórios

4) Minimizar a acção do controlo

5) Estabilizar o sistema sobre quaisquer condições de operação.

6) Eliminar frequências que possam causar ressonância na estruturamecânica.

OBJECTIVOS do Controlo de uma Turbina Eólica


Constituição da Turbina Eólica

Legenda: 1 – pás do rotor; 2 – cubo do rotor; 3 – cabina; 4 – chumaceira do rotor; 5 – veio do rotor;6 – caixa de velocidades; 7 – travão de disco; 8 – veio do gerador; 9 – gerador; 10 – radiador de

arrefecimento; 11 – anemómetro e sensor de direcção; 12 – sistema de controlo; 13 – sistema hidráulico;14 – mecanismo de orientação direccional; 15 – chumaceira do mecanismo de orientação

direccional; 16 – cobertura da cabina; 17 – torre.Automação de Parques Eólicos 6/21 Seminário de API Junho/04

Aerodinâmica

Forças actuantes na pá do Rotor:

W – velocidade relativa do vento Up – velocidade do Vento

Ut – velocidade tangencial da pá

α – ângulo de ataque β – ângulo de passo

Φ – ângulo de escoamentoF – força D – força de arrastamento

L – força de sustentação

N – componente que contribui para o movimento da pá

T – componente da força F que contribui para o binário do motor



Distribuição do Vento

A densidade de probabilidade é modelada por uma distribuição de Weibull.

k

cuk

ecu

ckuf

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

)(

u - Velocidade média do vento

c – parâmetro de escala

k – factor de forma

O modelo de variação do vento é baseado no ruído branco

Potência do Vento3

2uAP turbinavento

ρ=

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 4 8 12 16 20 24 28

Velocidade do Vento (m/s)

Pro

babi

lidad

e -

Pot

ênci

a do

ve

nto

(kW

)

Probabilidade doVentoPotência

Sensor de Velocidade

Anemómetro de copos:

1) mede a velocidade do vento

2) acelera mais rapidamente do que desacelera

3) colocado a uma altura próxima à do cubo do rotor - permitir que os dados do local se possam correlacionar com os registos existentes de estações meteorológicas próximas.


Sensor de Direcção:

1)Fornece uma tensão proporcional à direcção

2)Calibrados para a tensão maxima coincidir com o norte

3)Têm de estar rigorosamente calibrado

Sensor de Direcção


Sensor de Velocidade e Direcção

Anemómetro Sónico:

1) Mede velocidade, direcção e turbulência

2) Velocidade de rotação proporcional à do vento

3) Calibração rigorosa

4) Sensor muito completo mas caro


Controlo de Potência

- Limitar a potência fornecida pelo aerogerador, para valores acima da velocidade nominal do vento - ocorrem um número limitado de horas por ano.

Stall (passivo):Características aerodinâmicas das pás do rotordimensionadas para entrar em perda a partir de uma certa velocidade do vento

Pitch control (activo): Possibilidade de rodar a pá em torno do seu eixo longitudinal, isto é variar o ângulo de passo das pás



Pitch control/stall


Pitch:

1) bom controlo de potência para todas as gamas de velocidade

2) arranque não assistido

3) redução dos esforços de desgaste mecânico

4) travagem com pás em posição de bandeira

Stall:1) simplicidade

2) sistema de travagem complexo

3) baixo custo


Vantagens:

1) Não precisa do modelo do sistema

2) Bom para sistemas não-lineares

3) Cálculo paralelo

Fuzzy Control

Desvantagens:

1) Difícil de atingir solução óptima2) Não existem garantias de estabilidade

Aplicação na Turbina:

- Recebe Ta, wg, ∆wg e o erro do torque Tg

- Regula a velocidade wt e ∆Tg em todas as regiões de operação


(para wg positivo pequeno)

• Sistema é modelizado por

• Discretizando o sistema encontram-se Af,Bf e Cf

• O filtro de Kalman estima o estado através de

• Onde Kf(k) é dada por

• e Px(k) é encontrado pela equação de Ricatti

• O filtro de Kalman calcula a estimação óptima do estado, supondo que a distribuição do ruído é normal e R1 e R2 são conhecidos

[ ]⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

η

ξ

a

t

ga

t

a

t

Tw

y

BTTw

ATw

01

0.

( ) ( ))(ˆ)()()()(ˆ1ˆ kxCkykKkuBkxAkx ffff −++=+

( ) 12 )()()()( −

+= kRCkPCCkPAkK Tfxf

Tfxff

( ) ( ) )()()()()()(1 11

2 kRAkPCkRCkPCCkPAAkPAkP Tfxf

Tfxf

Tfxf

Tfxfx ++−=+

−

wt=velocidade angular da turbinaTa=Torque aerodinâmicoTg=Torque do geradorξ = ruído branco de covariância R1

η = ruído branco de covariância R2

Filtro de Kalman


Implementação do Controlo


Resultados Experimentais


Controlador clássico Controlador Fuzzy

Outros Controladores

Controlador Não Linear

Corrente de Excitação do rotor

Tensão de controlo

é garantido o seguimento assimptótico de w

Controlador Adaptativo

Corrente de Excitação do rotor

Tensão de controlo

também é garantido o seguimento assimptótico de w

( )mmmm

f zkFb

u +=1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫ f

t

nlm Iewdtwwfz ,,,,0

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫ f

t

nlm IwdtwwgF ,,,0

2

fff aIbuI −=&

( )aaam

f Fzkb

u +=1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫ f

t

iadapa Iewdtwwafz ,,,,,ˆ0

2&

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫ eIwdtwwagF f

t

iadapa ,,,,,ˆ0

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫ ewdtwwazha

t

iaadapi ,,,,,0

2

fff aIbuI −=&


Comparação entre controlador Não-linear e AdaptativoNão-Linear Adaptativo

Erro de Seguimento


Conclusões

1. Sistema altamente não-linear e de difícil modelização

2. Actualmente não existe nenhum controlador nem estimador preferencial

3. É complexa a decisão da zona de funcionamento

4. Verifica-se a existência de várias variáveis a controlar

5. Trata-se de uma área em franco desenvolvimento


• Introdução à Energia Eólica, R. Castro

•Control of Variable Speed Wind Turbines, H. Vihriala

•Variable Speed Control of Wind Turbine using nonlinear and adaptive algorithms, Y. Song, B. Dhinakaran, X. Bao

•Adaptive Control Of Variable Speed Wind Turbines, A. Mullane, G. Lightbody, R. Yacamini

•Fuzzy logic control based maximum power tracking of a wind energy system, A. Mohamed, M. Eskander, F. Ghali

•Using Neural Networks to Estimate Wind Turbine Power Generation, S. Li, D. Wunsch, E. O’Hair, M. Giesselmann

•Application of Artificial Neural Network for Wind Speed Prediction and Determination of WindPower Generation Output, M. Hayashi, B. Kermanshahi

Obrigado pela Atenção!!!

Bibliografia


Engineering

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