Ola Carlson
Svenskt vindkraftstekniskt centrum
Avdelningen för elteknik
Institutionen för energi och miljö
Chalmers tekniska högskola
141029 Ockelbo

1829
Chalmerska Slöjdeskolan startas efter en donation av
William Chalmers
1937
Chalmers blir en statlig högskola med rätt att promovera tekniska doktorer
1994
Chalmers blir en stiftelsehögskola

•
Tekniskt basår
•
Högskoleingenjörsprogram
•
Teknologie kandidatprogram
•
Sjöbefälsutbildningar
•
Civilingenjörs- och arkitektprogram
•
Masterprogram
•
Forskarutbildning
•
Kompetensutveckling för yrkesverksamma

Chalmers har cirka 10 000 studenter
(individer)

2 744 anställda
•
1 962 lärare och forskare
•
782 teknisk och administrativ personal
Vetenskaplig publikation
•
ca 2 350 refereegranskade vetenskapliga artiklar
och konferensbidrag

1.
2.
Elkraft system
Kraft- elektronik
3.

Elektriska maskiner


• 1975-1990 Generators, soft-starters, 1 generation of variable speed systems, test at Chalmers wind turbine, 40 kW’s pitch-controlled
• 1990-2005 Design of permanent magnet generator, power electronic converters, design and control
• 1995-201x Wind turbine/farm modeling for power system, fault-response
• 2003-201x Wind turbine supporting grid voltage, increased stability and frequency control
• 2000-201x Design of collection grid in wind farms, AC or DC and HVDCconnections to the transmission grid
• 2010 – Wind Power Technology Centre
• 17 PhD – thesis

Mätningar från Chalmers testvindkraftverk
Konstant varvtal
1986
Variabelt varvtal
Nm
175
100
25
0 20 40 60 80 tid (s)
•Stort momentrippel
•Höga mekaniska påfrestningar
Nm
175
100
25
0 20 40 60 80 tid (s)
•Lång livslängd på växellåda
•Liten elkvalitetspåverkan

Nät
1 2 0 0
Växel Asynkron generator
1 0 0 0
8 0 0
6 0 0
4 0 0 b o t t n a d m ä t u t r u s t n i n g
Mjukstartdon
2 0 0
0
2 0 0
0
•Robust generator
•Underhållsfri
•Enkelt system
•Höga mekaniska påfrestningar
4 0 0
6 0 0
8 0 0
0 , 5
•Dominerande system på 80- och 90- tal
•Ovanligt på stora maskiner > 1.5 MW
1 1 , 5 2 t ( s )
2 , 5 3
P ( k W )
Q ( k V A r )
3 , 5
Inkoppling med överstegrings reglerad turbin
4
Chalmers 1978, industrin 1982

växel släpringad asynkrongenerator
Mjukstartare+nät
•optislip (varumärke)
•Litet varvtalsområde
•Begränsad momentstyrning
•Varvtalsökning=effekt i motstånd släpringar Styrbara resistanser
Chalmers 1984, industrin 1994

turbin växel släprinad asynkrongenerator
Nät
Transformator
•Mindre varvtalsområde
•Lägre effekt på omriktare
•Bättre verkningsgard
•God styrbarhet P, Q
•Släpringar=underhåll
Släpringar
Omriktare
Kraftpaket i om- riktare med 6
IGBT-transistor
Chalmers 1986,2002, industrin 1995 50 cm

Turbin växel
Generator likriktare växelriktare nät
•Full styrbarhet P & Q
•All effekt genom omriktare
•Högre förluster
•Generator AG, SG, PM
Inkoppling med variabelt varvtal och bladvinkelreglering
Chalmers 1984, industrin 1990

Vindkraftverket
• Begränsa effekten vid höga vindar = pitch control
• Optimera varvtal i mellanvindar = optimal tip-speed ration
• Begränsa varvtalet på turbinen i höga vindar = pitch control
• Dämpa svängningar i drivaxlar = torque control
• Minimera mekaniska laster = pitch control and torque control
• Ställa in kraftverket i vindriktningen = yaw control
Elnätet
• Optimalt användande av befintligt elnät
• Hantera nätfel på bästa sätt, späningsdippar och frekvensstörningar

Effektbegränsning
Begränsa varvtalet
Optimal drift

Vindhastighet
Generatormoment
Turbine
Generatorvaravtal,
ω

Yaw - system
• Hydraulisk eller El
• Styv med bromsar eller mjuk med aktiv dämpning

Last
Vattenkraft
0
-0.05
0
0.1
0.05
5
50.5
50
49.5
49
48.5
48
Case 4 - 50% WPR - Hydro unit response
Case 4 - 50% WPR - WT inertia support
10
Time [s]
15 20
47.5
47
0 5
Case 1
Case 2
Case 3
Case 4
10 15 20 25 30 35 40 45
Time [s]

• Lastreducering med avståndsgivare mellan skiva på axel växellåda
• Lastreducering med reglering och accelerometrar
• Dämpning av axelmoment med styrning av moment/varvtal i generatorn
• Lidar: mäta vindhastighet före kraftverket och vrida på bladen i förtid

Shemsedin Nursebo
Supervisors: Ola Carlson
Peiyuan Chen
Examiner : Lina Bertling Tjernberg

Background
Electrical network has a limited hosting capacity due to

Bus Voltage rise problems

Limited Thermal capacity of network cables

Background
Why distribution system?

Location of Favorable wind sites

Lower connection costs

 Assume the annual average wind speed is the same over the area
 Where and how much to connect?
1
68
69
50
9
49
48
47
38
35
7
8
37
36
34
33
2
3
4
5
6
Problem formulation
10
11
12
13
14
S/S
20
21
22
16
17
23
18
19
24
25
26
27
28
29

Usually in radial distribution systems voltage rise is the limiting factor
32
31
30
39
15
42
41
43
40
67
66
46
44 45
65
60
59
S/S
58
62
61
57
63
64
56
55
54
53
52
51
Legend network cables
Load connection points
(11/0.4kV) substation (135/11kV)

Optimization set up
Load, available wind power and locations of wind turbines, and grid data
THE OPTIMIZATION
ALGORITHM
Capacity of the wind power
Also considered are

Energy curtailment
 Reactive power compensation

Installed capacity with
NA
(no reactive power compensation & no wind power curtailment)
20
15
10
5
0
NA
1 2 3 4

20
15
10
5
0
NA 1
Installed capacity with
CE
(wind power curtailment)
CE
2 3 4
With 0.2% energy curtailment There is a 34 % increase

Installed capacity with
RC
(reactive power compensation
20
15
10
5
0
NA 1 CE 2 RC 3 4
By controlling
PF of the wind turbine between
0.95
and 1 there is a 57% increase

Installed capacity with
RC &CE
(Both reactive power compensation & wind
20 power curtailment)

With curtailment of
0.2% and using PF control of wind
15
10 turbines the penetration is boosted by almost
118%
5
0
NA
1
CE
2
RC
3 4.5

Conclusion
Modern wind turbines can vary reactive power consumption which can be used to increase the hosting capacity of electrical networks
Allowing small level of wind power curtailment can boost the hosting capacity substantially and it should be considered before one considers costly solutions like battery storage.

7
6
4
5
3
1
2
To day: point to point
connections
To morrow: meshed grids

G
Offshore Wind Electric system
Project 1
Project 2
Components, system, modeling
Theory studies, simulations,
Measurements in laboratory and in field operation
Project 3
High voltage generator dc/dc converters
Multi terminal
HVDC
3 PhD & 2 researchers
+ Nordic (5 persons)

Choice of switching frequency
A trade off between low weight and low losses
3
2
1
0
Weight
Losses
Switching frequency [Hz]
- 1 kHz is a suitable switching frequency.
- Weight of 1 kHz transformer is
~10% of the weight of a 50 Hz transformer.
- METGLAS core.

Demonstration set-up of the three part HVDC connection in Göteborg

Etapp 2 startade 1 oktober
VÄRLDENS SKILLNAD

Mål
Bygga upp komponent- och systemkunskap kring hela vindkraftverket för att möjliggöra:
• Ledande utveckling och tillverkning av kompletta vindkraftverk i Sverige
• Ledande svensk utveckling och tillverkning av delsystem:
• mekaniska drivlina
• växellåda
• axlar
• bladvinkelmekanismer
• turbinblad
• Torn
• fundament
• nav
• generatorer
• Transformatorer
• Uppsamlingsnät
• Sprida kunskapen genom undervisning och kurser

Current Partners in SWPTC

Current Project Partners
Bollebygds Plast Teknikgruppen
H Gedda Consulting

Ola Carlson
Research carried out in Theme groups
Chalmers
Lars
Davidsson
Viktor Berbyuk
Thomas
Abrahamsson
Michael
Patriksson
LTU
Jan-Olov
Aidanpää
2 Professors
3 senior researchers
2 PhD students
1 technician
1 Professor
2 PhD students
1 Professor
3 senior researchers
1 PhD student
1 technician
• At industry: 30 persons
1 Professor
1 senior researcher
1 PhD student
1 Professor
1 senior researchers
2 PhD students
1 Professor
3 senior researchers

TG1-1 Reglering av turbiner
Pågående projekt inom SWPTC
TG1-4 Grid code testning
TG2-2 Vindkraft i skog
TG5-1 Underhållstyrning av verk
TG1-6 LIDAR mätsystem för optimering
TG5-2 Lagerströmmar
TG1-5 Mätning på verk
TG1-2 Modellering av elektrisk drivlina
TG2-1
Modellering av rotorblad
TG4-2 Optimering av blad
TG6-2 Avisningsmetoder för blad
TG3-1 Modellering av mekanisk drivlina
TG6-1 Sensorer för detektion av ispåväxt
TG4-1 Modellering av verk

Allocation of funds for different kind of projects within stage 2
SEK milj.
13
2
1
5
4
3
8
7
6
12
11 S R proj. Continued
10
9
PhD projects continued from Phase I
New PhD projects
New senior research projects
Research administration/
Centre management costs
1 2 3 4
YEAR

Utvärdering av LIDAR som vindsensor för vindkraftverk
LIDAR (Light detection and ranging) är en av de mest lovande teknologierna för fjärranalys av vind. Att med hjälp av LIDAR löpande ge vindkraftverk information om vindens hastighet och riktning med 10 – 20 sekunders framförhållning öppnar nya möjligheter till bl a
• ökad effektivitet
• minskat slitage
• mer kostnadseffektiva konstruktioner
Med hjälp av ett rekonfigurerbart LIDAR system undersöker detta projekt vilka möjligheter och begränsningar LIDAR teknologi innebär för optimering av drift och konstruktion av vindkraftverk.
Δφ

Grid Code testning med VSC-HVDC
General Electric konstruerar och installerar
Göteborg energi kör vindkraftverk och installerar HVDC-anläggning
Chalmersprojektet utvecklar metoder, simulerar och provar att vindkraftverket uppfyller Grid Codes.
HVDC = High Voltage Direct Current
4 MW General Electric
8 MW HVDC-light anläggning

•
Overview of simulation setup and system modeling
Wind Turbine
Wind
Turbine
Generator
Coupling
Inductor and
Filters
G
AC
Full Power Converter
DC
DC AC
Coupling
Inductor and
Filters
Output
Transfomer
PCC
Test Equipment: VSC in back-to-back
Coupling
Inductor and
Filters
Grid Code
Testing
AC DC
Coupling
Inductor and
Filters
DC AC
LVRT profile
V/Vn
1.0
V/Vn
1.0
Voltage dip t [s] t [s]
AC Grid
4 MW Full Power Converter WT
8 MW Converter as Test Eq.

1.10
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
Time [s]
0.0 1.0 2.0
(a)
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
-0.80
-1.00
Controled PCC voltage
Time [s]
0.0 1.0 2.0
(c)
3.0
3.0
4.0
4.0
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
-0.10
5.0
Time [s]
0.0
5.0
Time [s]
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
-0.80
-1.00
0.0
1.0
1.0
2.0
2.0
(b)
3.0
(d)
3.0 4.0
4.0
5.0
5.0
LVRT TEST.
(a) Danish grid code, (b) WT output power, (c) Controlled PCC voltage, and (d) test equipment terminal current.

•
Impedance-based testing device

•
Comparison of different European grid codes:
–
Dependencies between voltage, frequency and reactive power.
–
Active power curtailment strategies against frequency deviation
–
LVRT profiles are compared in terms of strictness and reactive power management during the voltage dip.
•
Different approach of grid code testing.
•
Control strategies for WT and Test Equipment.
•
Two representative case studies in paper.
•
More reliable representation of grid.

Chalmers test wind turbine
Future research plans:
• Smart rotor blades made from composite: how much are the aerodynamic forces reduced?
• Develop control system algorithms for minimal load impact, frequency and voltage support to the electrical grid.
• Operation start 1984
• 13.6 m diameter
• 40 kW
• Education
• Research
• Rebuilding 2014-15

Modeling/Experiment blade design
•
Ampair (600W)
•
Used as benchmark structure in substructure synthesis focus group
•
Modeling, material testing, dynamic testing, model calibration and validation
•
Evaluation of spread (12 blades)
•
Collaboration with CCG to IMAC
2013
•
Collaboration with Linneus
University to IMAC 2014
•
Next test object 8 m carbon blades
TG4-2

Bastian Nebenführ & Lars Davidson

Motivation
 Wind turbines are becoming more and more common in forests
 Sweden got vast forest regions
U
Problem:
Strong turbulence
Strong wind shear
Higher aerodyna mic loads
Shorter maint. interval
Shorter fatigue life
Higher cost
Idea:
Increased knowledge leads to optimized siting and design criteria

Vindkraft i skog: utmattning och livslängd
I skog är turbulensen hög och vindgradienten stor jämfört med förhållanden på slättland. Den kraftiga turbulensen och starka vindgradienten ger upphov till stora fluktuerande krafter och moment på vindkraftverket. Detta leder till utmattningsskador, mer underhåll och kortare livslängd.
LES (Large Eddy Simulations) kommer att användas för att beräkna de turbulenta fluktuationerna som kommer in mot ett vindkraftverk. Dessa ska användas för att beräkna fluktuerande laster på rotorblad, lager, växellåda och torn.

Stokastisk modellprediktiv reglering av vindturbiner
En ny stokastisk modellprediktiv reglerstrategi för vindturbiner ska utvecklas i detta projekt. Reglerstrategin bygger på mätning av vindhastighet i lovart samt lastmätningar. Det primära målet är att minska turbinbelastningarna vid höga vindhastigheter; dessutom har en mer exakt reglering nära begränsningarna ytterligare potential att förbättra turbineffektivitet vid höga vindhastigheter.
Andra viktiga frågor i projektet rör sensorplacering, algoritmer för signalbehandling och möjligheterna att skatta turbinbelastningar med dynamiska modeller och befintliga sensorer.

Modeller för elektrisk drivlina för vindkraftverk
Målet med projektet är att utveckla goda och anpassade modeller av den elektriska drivlinan som kan integreras med det mekaniska systemet i vindkraftverket. I de senare stegen av projektet är målet att optimera det elektriska och det mekaniska systemet. Modellerna som tas fram i projektet kommer att användas för att diagnostisera potentiella fel i turbinen, vilket kräver tillförlitliga modeller och därför är validering av modellerna en viktig del av projektet.

Aerodynamiska laster på rotorblad
Projektet kommer att utveckla beräkningsmetoder för beräkning av transienta aerodynamiska laster på vindkraftverkets rotorblad. Idag används vanligen ”the Blade Element Model (BEM)” vilken
är en kombination av bladelementmomentmetoden och bladelementmetoden. BEM är inte lämplig för beräkning av transienta aerodynamiska laster.
Målet med projektet är att implementera och utvärdera andra metoder som kan hantera transienta laster. Ett första steg är att byta ut bladelementmomentmetoden mot vortexmetoden.
Olika versioner av denna metod kommer att implementeras, utvärderas och om det behövs utvecklas. Nästa steg är att ersätta bladelementmetoden med CFD (Computational Fluid
Dynamics).

Vind turbin drivlina dynamik, system simulering och accelererad provning
För att underlätta design och produktion av effektiva och pålitliga drivlinor kommer projektet att utveckla metoder, matematiska modeller samt beräkningsverktyg för avancerad analys av drivlinans dynamik och lasttransmission i multimegawattturbiner. Projektet förväntas ge ny grundläggande kunskap om dynamiken i vindkraftverkets drivlina. Kunskapen kan användas för att få inblick i flera viktiga områden som relaterar till modellering, analys och design av pålitliga drivlinor, till exempel hur olika undersystem interagerar och vilken detaljnivå som krävs för att få tillräcklig noggrannhet i beräkningarna. Mätningar kommer att utföras för att validera modellen samt uppdatera simuleringsresultat.
Beräkningsmodeller kommer att utvecklas för att tillämpas i accelererad provning av vindkraftverkets drivlinor och deras komponenter.
I projektet kommer även ett integrerat systemsimuleringsverktyg att utvecklas för att kunna designa robusta och kostnadseffektiva multimegawatturbiner. Arbetet kommer resultera i ett gränssnitt som kontrollerar hur data kommuniceras mellan verkets olika undersystem i systemmodellen.

Validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk
I det här projektet studeras validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk. Detta görs för att ge fördjupad insikt i vindkraftverkets beteende under dynamiska laster, speciellt blad-egenskaperna som medvetet konstrueras för lastreduktion i vindbyar.
Två olika modeller skall skapas, en detaljerad modell samt en förenklad modell.
Den detaljerade modellen är helt baserad på fysikaliska principer. Från denna skall en förenklad modell tas fram genom modellreduktion. Den förenklade modellens användningsområde blir inom systemsimulering och optimering som kräver beräkningssnabbhet. Den detaljerade modellen skall valideras mot fysiska prov.
Den förenklade modellen skall valideras gentemot den detaljerade.
Projektet har tre huvudsyften. Det första är fokusering på att testdata skall göras maximalt informativ med avseende på de fysiska egenskaper som ska valideras.
Det andra är modellkalibrering, där den sättning av modellparametrar söks som ger minst avvikelse från test. Det tredje syftet är att ge en sammanfattning av erhållna lärdomar som anvisning till framtida strukturdynamisk modellering av vindkraftverk.

Utvärdering av tillverkningsmetoder och materialval för kostnadsoptimala rotorblad
I det här projektet studeras möjligheten att realisera vindkraftsblad tillverkade i kolfiberkomposit med avancerade kärnmaterial. Tillverkning av kolfiberbaserade blad med autoklavteknik har potential att ge betydande viktreducering och utmattningshållfasthet hos vindkraftsbladen.
Projektet kommer att studera aspekter på marknadsintroduktion av komponenter, speciellt blad, för vindkraftverk.
Turbintillverkarna kräver omfattande analys av ny teknik i komponenter för att ersätta befintlig teknik.
För att kunna göra en livscykelanalys av vindkraftverket och för att förstå effekten av minskad bladvikt behövs en systemanalys av vindkraftverket utföras. Vidare måste metoder för systemoptimering utvecklas för att kunna utvärdera för/nackdelar med nya bladmaterial. Optimeringsprocessen skall speciellt inriktas på att ge starkt konstruktionsstöd. Genom analys och optimering skall kostnad och nytta av olika komponenttekniker kunna värderas mot varann.

Last -och riskbaserad underhållsstyrning av vindturbiner
Målet är att leda till reducera livstidskostnader för underhåll för vindturbiner och att ge ökat värde genom högre teknisk tillgänglighet.
I
nom projektet utvecklas tillförlitlighetsbaserade kvantitativa metoder för underhållsstyrning av vindturbiner.
Fokus i projektet ligger i att studera hur
Preventive
Maintenance
Förebyggande
Underhåll service intervall för underhåll är relaterade till felinträffande för vindturbiner
Condition based
Maintenance
Tillståndsbaserat
Underhåll
Predetermined
Maintenance
Förutbestämt
Underhåll
Corrective
Maintenance
Avhjälpande
Underhåll
Svensk Standard
SS-EN 13306

Strömskador i lager - mekanismer för uppladdning, urladdning samt skadebegränsning
Öka förståelsen av strömskador i lager genom karakterisering och modellering av
Strömskador på kula
• Uppladdningsmekanism
• Axelspänning Oskadat
• Urladdningsväg
Elektriska urladdningar i lager
• Sammanbrottsmekanism
• Skadekarakterisering genom
• Laboratorieexperiment
• Modellering
• Fältmätningar
• Studier av skadade lager
30 V

Sensorer för detektion av ispåväxt på vindkraftsverks rotorblad
Isbildning på rotorbladen är ett problem vid drift av vindkraftverk i kallt klimat. Isen skapar obalanser i turbinen och orsakar förlorad uteffekt när turbinhastigheten minskar eller när verket stängs av.
Minskningen av den genomsnittliga årsproduktionen beräknas bli i storleksordningen 10-15% från turbiner som körs i kallt klimat.
Det huvudsakliga målet med forskningen är att utvärdera sensorer för isdetektering. Sensorn bör vara enkel, effektiv och billig samt ge en noggrann detektering av is. Projektet kommer att fokusera på att upptäcka is på rotorbladen.
Projektet mål är:
• Definiera krav och specifikationer för att utveckla sensorer och isdetekteringssystem för vindkraftverk i kallt klimat.
• Utvärdera om magnetostriktiva ställdon/sensor, LIDAR och lasersensorer är effektiva sätt att upptäcka isbildning på turbinbladen.

Cold climate research
•
SWPTC has taken an initiative to build a test centre for testing wind turbines in cold and icy climates.
•
The project is managed by the research institute SWEREA, a member of SWPTC.
•
Several potential locations have been researched for suitability but an acceptable location is difficult to find.
•
The purpose of the centre is to let WTG manufacturers test new components and anti- or de-icing equipment as well as to serve as a research centre for universities and component manufacturers.
•
It is also the intension that the centre will become capable of offering certification services.

Stall regulated
Active stall
Fixed speed
Limited variable speed
Gearbox
Pitch regulated
Variable speed
Gearless
Original
“Danish” configuration

• Vindkraftverken har fått högre torn och längre blad:
ökning av energiuttag med ca 20-30 %
• Prototypbyggen av flytande vindkraftverk finns
• Forskning och senaste konstruktioner visar på extra mjuka tornkonstruktioner, låg egenresonans, 3p till 1p
• Forskning med DC-uppsamlingsnät ökar

Power: 550 MW, 800 MW
Energy: 11,5 TWh
Power: 250, 440, 700 MW,
Energy: 12 TWh
Power: 700 MW,
Energy: 6 TWh
Power: 600 MW,
Energy: 5 TWh
Power: 700 MW,
Energy: 6 TWh
Power: 600 MW,
Energy: 5 TWh
Power: 600 MW,
Energy: 5 TWh
Σ=51
TWh
Σ =6500 Μ
W
Power: 600 MW,
Energy: 5 TWh

Blad
Längd: 45-65 m
Vikt: ca 7-20 ton

Maskinhus Vestas
Vikt: 70 ton
Mått: 10*3*4 m
Maskinhus Enercon
Vikt: 120 ton

Torn
Höjd: 90-120 m
Vikt: ca 290 ton (105 m)

From this … … to this!