Vindkraft på Chalmers och i världen

advertisement

Vindkraft på Chalmers och i världen

Ola Carlson

Svenskt vindkraftstekniskt centrum

Avdelningen för elteknik

Institutionen för energi och miljö

Chalmers tekniska högskola

141029 Ockelbo

Kort historia

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

Utbildningar

Tekniskt basår

Högskoleingenjörsprogram

Teknologie kandidatprogram

Sjöbefälsutbildningar

Civilingenjörs- och arkitektprogram

Masterprogram

Forskarutbildning

Kompetensutveckling för yrkesverksamma

Studenter

Chalmers har cirka 10 000 studenter

(individer)

Personal

2 744 anställda

1 962 lärare och forskare

782 teknisk och administrativ personal

Vetenskaplig publikation

ca 2 350 refereegranskade vetenskapliga artiklar

och konferensbidrag

Elteknik - forskning

Tillämpningsområde: Kompetensområden:

1.

Vindkraft

2.

Elkraftsystem

Elkraft system

Kraft- elektronik

3.

El- and hybrid fordon

46 personal

Elektriska maskiner

Laboratorie- teoretisk verksamhet

Wind Power at Chalmers

• 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

Moment vid konstant och variabelt varvtal

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

Asynkronmaskin med mjukstartare (tyristorer)

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

Asykrongenerator med styrbara resistanser

växel släpringad asynkrongenerator

Mjukstartare+nät

•optislip (varumärke)

•Litet varvtalsområde

•Begränsad momentstyrning

•Varvtalsökning=effekt i motstånd släpringar

Styrbara resistanser

Chalmers 1984, industrin 1994

Dubbelmatad asynkrongenerator

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

Fulleffekt omriktare

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

Varför reglering

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

Reglering av vindkraftverk

Vind-effekt-kurva

Effektbegränsning

Begränsa varvtalet

Optimal drift

Optimal drift i låg- och mellanvind

Vindhastighet

Generatormoment

Turbine

Generatorvaravtal,

ω

Mätningar från ett 2 MW vindkraftvek

Yaw - system

• Hydraulisk eller El

• Styv med bromsar eller mjuk med aktiv dämpning

Frekvensreglering

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 10 15 20

Time [s]

25 30 35

Case 1

Case 2

Case 3

Case 4

40 45

Utveckling

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

Maximizing wind power

Integration in distribution system

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

44

46

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.

Wind farms connections

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)

Design of the DC/DC-fullbridge converter

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

Nya industripartners sökes

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

5

4

3

2

1

8

7

6

12

11

10

9

S R proj. Continued

PhD projects continued from Phase I

1

New PhD projects

New senior research projects

Research administration/

Centre management costs

2 3

YEAR

4

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

VSC-Based Method

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.

Danish LVRT test.

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.

Conventional Method for Grid Code Testing

Impedance-based testing device

Conclusions

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.

Lab test at Electric Power

Engineering, Chalmers

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

TG 2-2

Fatigue Loads in Forest Regions

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

Maintenance

Underhåll

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.

A major challenge - icing of rotor blades

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

Trender senaste åren

• 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

Success ??????

Future?

I drift utanför

Portugal

Teknisk utveckling av vindkraftverk

Storlek och vikt

Blad

Längd: 45-65 m

Vikt: ca 7-20 ton

Storlek och vikt

Maskinhus Vestas

Vikt: 70 ton

Mått: 10*3*4 m

Maskinhus Enercon

Vikt: 120 ton

Storlek och vikt

Torn

Höjd: 90-120 m

Vikt: ca 290 ton (105 m)

Two decades of development

From this … … to this!

Download