NO335851B1 - Fremgangsmåte ved vindturbininstallasjon for demping av tårnsvingninger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved vindturbininstallasjon for demping av tårnsvingninger dvs. både bøyemode-svinqninger oq eventuelle ustabile frie stiv-legeme egensvingninqer, spesielt tårnsvingninger for en flytende vindturbininstallasjon innbefattende et flytelegeme, et over flytelegemet anordnet tårn, en oppå tårnet i forhold til vindretningen dreibart anordnet generator med en vindturbin, samt et ankerlinearrangement forbundet med ankere eller forankringer på havbunnen, idet generatoren, på basis av vindhastigheten ved regulering av bladvinkelen for turbinbladene, reguleres ved hjelp av en regulator fortrinnsvis i konstant effekt- eller turtalisområ-det for vindturbinen.

Utvikling av flytende, forankrede vindturbiner som kan benyttes på store vanndybder vil sterkt øke tilgangen på områder for utbygging av vindenergi til havs. Dagens teknologi for vindturbiner plassert i havet er i vesentlig grad begrenset til fast installerte tårn på liten vanndybde, under ca. 30 m.

Faste installasjoner på vanndybder over 30 m medfører generelt tekniske problemer og høye kostnader. Dette gjør at man frem til i dag har betraktet havdyp på mer enn ca. 30 m som teknisk og kommersielt ugunstig for installasjon av vindturbiner. Med flytende løsninger på større havdyp vil en frigjøre seg fra fundamenteringsproblemet og kostnader knyttet til kompliserte og arbeidskrevende installasjoner.

En vindturbin som er montert på et flytende fundament vil bevege seg pga krefter fra vind og bølger. En god design av vindturbinens fundament vi sikre at systemets egenperioder for stivlegemebevegelsene (jag, svai, hiv, rull, stamp og gir), ligger utenfor periodeområdet for havbølger som er ca. 5-20 sekunder.

Likevel vil det være krefter som virker ved egenperiodene for systemet (dønning, ikke-lineære bølgekrefter, vindhastighetsfluktuasjoner, strømkrefter etc). Om ikke slike krefter skal medføre uakseptable bevegelser må de ikke være for store og systemet må ha dempning ved de aktuelle perioder.

Med foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en løsning, nærmere bestemt en fremgangsmåte for effektiv demping av tårnsvingningene for vindturbininstallasjoner. Oppfinnelsen erkarakterisert vedde trekk som fremgår av vedføyde selvstendige krav 1.

De uselvstendige kravene angir fordelaktige løsninger ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det etterfølgende ved hjelp av eksempel og under henvisning til vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 viser et diagram med forskjellige turtallsområder for en turtalls- og propellvrid-ningsregulert vindturbin,

Fig. 2 viser et utsnitt av en konvensjonell bladvinkeiregulator,

Fig. 3 viser en overordnet skjematisk oversikt over et system med bladvinkeiregulator, vindturbin og vindturbinestimator, Fig. 4 viser diagrammer basert på simuleringsforsøk, med estimator og konvensjonell regulering, knyttet til horisontal forskyvning i toppen av tårnet med midlere vindhastighet 17 m/s, og irregulære bølger med signifikant bølgehøyde 3,5 m og periode 9,8 s, Fig. 5 viser diagrammer basert på simuleringsforsøk, med estimator og konvensjonell regulering, knyttet til skyvkraft på rotor med midlere vindhastighet 17 m/s, og irregulære bølger med signifikant bølgehøyde 3,5 m og periode 9,8 s, Fig. 6 viser diagrammer basert på simuleringsforsøk, med estimator og konvensjonell regulering, knyttet til bladvinkel med midlere vindhastighet 17 m/s, og irregulære bølger med signifikant bølgehøyde 3,5 m og periode 9,8s, Fig. 7 viser diagram basert på simuleringsforsøk, med estimator, stabilisator og konvensjonell regulering, knyttet til aktiv effekt levert til nettet med midlere vindhastighet 17 m/s, og irregulære bølger med signifikant bølgehøyde 3,5 m og periode 9,8 s, og Fig. 8 viser diagram over sammenhengen mellom skyvkraftkoeffisienten for rotoren og relativ vindhastighet mellom vind og turbin.

Når vind virker mot en vindturbininstallasjon vil kreftene fra vinden bidra til bevegelser i fundamentet. Kreftene fra vindturbinen er imidlertid avhengig av hvordan turbinen reguleres. Dvs. hvordan turtall og turbinbladenes vriding (pitch) varierer med vindhastigheten. Reguleringsalgoritmene vil variere med vindhastigheten. En typisk reguleringsfilo-sofi for landbaserte vindturbiner er vist i Fig 1, og med referanse til denne figuren vil det kunne erkjennes at

• i oppstarts-området er det små krefter som virker på vindturbinen. Vindkreftene vil i liten grad påvirke bevegelsene. Om bevegelsene blir påvirket av vindkreftene kan en regulere turbinen tilnærmet som i variabelt turtallsområde. • i variabelt turtallsområde har en tilnærmet konstant vridningsvinkel på turbinbia-dene. En søker å regulere turtallet til turbinen slik at maksimal effekt kan produ-seres til en hver tid, gitt den øyeblikkelige relative vindhastighet inn mot turbinen. Den relative vindhastigheten er sammensatt av midlere vindhastighet, variasjon i vindhastighet og tårnets bevegelse (hastighet). Dette medfører at en vil få økt effekt og økt skyvkraft fra turbinen når vinden øker. Dette medfører igjen at om systemet (vindturbin inklusiv fundament) beveger seg mot vinden ved en kombinert stamp og jage bevegelse, så oppleves dette som en økt vindhastighet for turbinen og skyvkraften øker. Dette er ekvivalent til en dempningskraft. (En kraft som virker mot hastigheten). Vindkreftene på turbinen vil derfor i dette vindhastig-hetsområdet bidra med positiv demping til systemet. Dette vil bidra til reduserte bevegelser ved systemets egenperioder. • i konstant moment-området har en kommet opp i turbinens merkeeffekt. Det er da vanlig at en holder tilnærmet konstant turtall og regulerer momentet og dermed effekten ved å regulere turbinbladenes vridningsvinkel. En søker å holde tilnærmet konstant effekt. Om vindhastigheten øker vil en dermed øke vridnings-vinkelen slik at momentet reduseres. Dette gir også en redusert skyvkraft til tross for økt vindhastighet. I motsetning til det som er tilfellet i variabelt turtallsområdet får en altså en negativ dempningseffekt. Et vanlig reguleringssystem vil søke å justere alle effektvariasjoner som skyldes endring i relativ vindhastighet inn mot turbinen Dette gjøres ved å endre bladenes vridningsvinkel slik at momentet på turbinen holdes konstant til tross for variasjon i relativ hastighet. Dette vil medføre at vindturbinen bidrar med negativ systemdempning som dermed øker tårnets bevegelse. Dette kan gi uakseptable store bevegelser.

Med foreliggende oppfinnelse er det funnet at det for å hindre den negative kopling mellom vindturbinenes regulering og systemets bevegelser må reguleringsalgoritmene modifiseres. Det er ønskelig å beholde et tilnærmet konstant turtall og moment i "konstant moment" området, men ved bruk av en vindturbinestimator, som vil bli beskrevet nærmere i det etterfølgende, hindrer en likevel at turbinen tilfører negativ dempning. Med vindturbinestimator menes en matematisk modell som på basis av innkommende vindhastighet for en fastholdt vindturbin beregner korresponderende responser som

rotasjonshastighet oq generatormoment for vindturbinen.

Fig. 2 viser et utsnitt av en bladvinkeiregulator med proporsjonal- og integralregulering (Pl). Pådraget til regulatoren er rotorhastigheten, cot, og utgangen er bladvinkelen, f3.

Dette er den endringen en må ha i turbinbiadvinkelen for å holde konstant effekt på turbinen når relativ vindhastighet endres.

Fig. 8 viser et diagram med sammenhengen mellom relativ vindhastighet og skyvkraftkoeffisienten for en konvensjonell bladvinkeiregulert vindturbin, der skyvkraften FTer gitt som

der p er tettheten til luft, A er sveipet areal av rotoren, CT er skyvkraftkoeffisienten for turbinen, Å er tipphastighetsforholdet, pp er bladvinkelen på turbinen, og ur er den relative vindhastigheten mellom turbinen og vinden. Fra diagrammet fremgår det at en økt relativ hastighet over merkevindhastigheten vil kunne gi en redusert skyvkraft på turbinen. Dette medfører at vindturbinen blir tilført negativ demping når den beveger seg frem og tilbake i vinden.

Dersom turbinens bevegelser kan skjules for bladvinkelregulatoren vil ikke skyvkraftkoeffisienten endres på samme måte som følge av bevegelsene til turbinen, og turbinen vil tilføre positiv dempning til systemet. Med "skjules" menes det at pådraget til bladvinkelregulatoren, som er den estimerte rotorhastigheten ved bruk av vindturbinestimatoren, ikke inneholder den innvirkningen som tårntoppbevegelsene ellers ville ha på dette pådraget. Pådraget er det signal som går inn på bladvinkelregulatoren.

For å skjule turbinbevegelsene for bladvinkelregulatoren er det mulig å benytte en vindturbinestimator (se Fig. 3), i form av en numerisk modell av den aktuelle vindturbinen. Vindturbinestimatoren kjøres i sann tid med målt bladvinkel og estimert innkommende vind som pådrag. Den estimerte rotorhastigheten a>t at vil ikke være påvirket av den virkelige turtinens bevegelser, og benyttes som pådrag i den virkelige turbinens bladvinkeiregulator.

Den numeriske vindturbinmodellen som er utgangspunktet for vindturbinestimatoren vil variere med ulike vindturbiner og med ulik detaljeringsgrad på den numeriske modellen. Et eksempel på en enkel numerisk vindturbinmodell basert på stasjonære sam-menhenger er beskrevet i det følgende.

Effekten Pturbsom overføres fra vinden til turbinen er gitt ved

der

ut - Resulterende vindhastighet på turbinen p - Lufttetthet

C ( å, 0) - Virkningsgradskoeffisient for turbinen Å - Turbinens tipphastighetsforhold

P - Rotorbladenes vinkel

r - Vindturbinens radius (lengden av rotorbladene)

Dette gir følgende turbinmoment på akslingen:

Der

cot- Turbintallet

Videre kan akseldynamikken uttrykkes ved følgende tre ligninger:

der

Q) g - Generatorturtall

J, -Turbinens treghetsmoment

Jg - Generatorens treghetsmoment

Tturb-Turbinmomentet

TEL - Generatorens elektriske motmoment dm- Akselens demping

k - Akselens stivhet

a>N- Nominell elektrisk frekvens

& twist - Akselens vridningsvinkel

Det er antatt at innkommende vindhastighet kan estimeres ved flere metoder, for eksempel ved å kombinere målinger av skyvkraft på rotor, moment på akslingen og akselerasjon av nacellen.

En vindturbinestimator der tårnbevegelsene skjules for bladvinkelregulatoren oppnås ved å benytte den numeriske modellen (1)- (5), med estimert innkommende vindhastighet, ut ft!,, og virkelig (målt) bladvinkel, /?, som pådrag. De resterende størrelsene i modellen (1) - (5) kan uttrykkes med understreket est. Utgangen fra vindturbinestimatoren (som er pådraget til bladvinkelregulatoren) blir da det estimerte turbinturtallet

A benytte estimatoren fører til at turbinen opplever en relativ vindhastighet med sterkt redusert påvirkning fra tårnets svingninger i forhold til tilfellet der estimator ikke benyttes. I tillegg vil tårnet fysisk svinge betydelig mindre, det vil bli mindre skyvkraft på rotoren, mindre variasjon i bladvinkel og mindre variasjon i produsert effekt ved bruk av estimatoren.

Simuleringsforsøk.

Med utgangspunkt i reguleringsløsningen som beskrevet ovenfor er det foretatt simule-ringsforsøk for en vindserier med middelvindhastighet 17 m/sek, og irregulære bølger med signifikant bølgehøyde 3.5 m og periode 9,8 s . Vindhastigheten ble valgt fordi behovet for demping er størst ved slike høye vindhastigheter. Dvs. når turbinene kjøres i konstant effekt modus. To ulike turbinmodeller er benyttet i simuleringene: En detaljert modell som representerer den virkelige turbinen og en forenklet modell som er benyttet i estimatoren (se Fig. 3). Den estimerte innkommende vindhastigheten er den eksakte innkommende vindhastigheten tillagt hvit støy.

Fig. 4-7 viser utsnitt av resultater fra simulering av vindserier ved 17 m/sek middelvindhastighet og med og uten estimator for demping av tårnsvingninger. Fig. 4 viser at det blir betydelige tårnsvingninger når turbinen kjører i konstant effekt modus og estimator ikke er benyttet. Dette gir seg også utslag i store fluktuasjoner i skyvkraften på rotor (se Fig. 5), bladvinkelen (se Fig. 6) og levert effekt til nettet (se Fig. 7). De høye amplitudene i tårnsvingningene ved konvensjonell regulering kan forklares som i det følgende: I konstant turtallsområdet reduseres skyvkraften når vindhastigheten øker. Får tårnet en hastighet bakover vil den relative vindhastigheten tårnet opplever bli redusert. Bladvinkelen (pitch) vil bli justert (øke) for å opprettholde momentet og dermed konstant effekt. Dermed vil også skyvkraften øke til tross for redusert relativ vindhastighet. Tilsvarende, når tårnet beveger seg med en hastighet mot vindretningen vil relativ vindhastighet øke. Bladvinkelen (pitch) vil justeres (bli redusert) for å redusere momentet. Dette vil også redusere skyvkraften. Denne måten å regulere turbinen på vil dermed gi en variasjon i skyvkraften som virker i samme retning som tårnbevegelsen.

Altså en negativ demping. Dette vil medføre en forsterkning av tårnbevegelsen, spesielt nær tårnets resonansperiode der bevegelsen er dempningsstyrt.

Benyttes estimatoren i h.h.t oppfinnelsen, så viser Fig. 4 - Fig. 7 at tårnsvingningene er godt dempet, samtidig som fluktasjonene i skyvkraft, bladvinkel og levert effekt reduseres. Estimatoren gir dermed ønsket virkning.

Den estimatorbaserte regulatoren (se Fig 3) virker kort beskrevet på den måten at tårnbevegelsene ikke blir synlige for bladvinkelregulatoren og at negativ demping dermed aldri blir introdusert i systemet. Dette oppnås ved å benytte en vindturbinestimator med estimert innkommende vindhastighet som pådrag. Pådraget til bladvinkelregulatoren er estimert rotasjonshastighet basert på estimert innkommende vindhastighet, iste-denfor virkelig rotasjonshastighet som er basert på virkelig relativ vindhastighet. Oppfinnelsen slik den er definert i kravene er ikke begrenset til eksemplene som beskrevet ovenfor. Således kan oppfinnelsen også benyttes for vindturbintårn der fleksibiliteten i tårnet som sådan er relativ stor, eller en kombinasjon av en flytende vindturbininstallasjon og fleksibelt tårn.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for regulering av en flytende vindturbininstallasjon, idet vindturbininstallasjonen innbefatter et flytelegeme, et tårn anordnet over flytelegemet, en generator montert på tårnet og som er dreibart med hensyn til vindretningen og utstyrt med en vindturbin, og et ankerlinearrangement forbundet med ankere eller forankringer på en hav-bunn, idet generatoren er regulert i et konstant effekt- eller turtallområde ved regulering av en bladvinkel til turbinbladene ved hjelp av en bladvinkeiregulator,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter følgende trinn: bruk av en numerisk modell med estimert innkommende vindhastighet som dens pådrag for å estimere en rotorhastighet; og pådrag av den estimerte rotorhastigheten i bladvinkelregulatoren, idet bladvinkelregulatoren regulerer bladvinkelen basert på den innmatede estimerte rotorhastigheten; hvorved tårnbevegelser ikke er synlige for bladvinkelregulatoren og negativ demping ikke introduseres i installasjonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedaten faktisk målt bladvinkel likeså innmates i den numeriske modellen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisertv e d at den estimerte innkommende vindhastigheten estimeres ved kombinasjon av målinger av skyvkraft på en rotor, moment på en aksel og akselerasjon av en nacel-le i vindturbininstallasjonen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisertv e d at den numeriske modellen kjøres i sanntid.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som heslt av de foranstående krav,karakterisert vedat den numeriske modellen baseres på følgende ligninger:

Pturber effekten overført fra vinden til turbinen, Ut er den resulterende vindhastigheten på turbinen, p er luftdensiteten, Cp ( Å,/ 3) er virkningskoeffisienten til turbinen, Å er turbinens tipphastighetsforhold,

/3 er vinkelen til rotorbladene, Ter vindturbinens radius som er lengden til rotorbladene, U) t er turbinturtallet, CJg er generatorturtallet, Jter turbinens treghetsmoment, Jg er generatores treghetsmoment, Tturber turbinmomentet, Tel er generatorens elektriske motmoment, dmer akselens demping, k er akselens stivhet, U) n er den nominelle elektriske frekvensen, og Otwist er akselens vridningsvinkel.