Phdd_rezumat - In Romana

8/12/2019 Phdd_rezumat - In Romana

1/62

UNIVERSITATEA DUNREA DE JOS DIN GALAI

TEZ DE DOCTORAT

R E Z U M AT

CONTRIBUII PRIVIND CONDUCEREA

OPTIMAL A SISTEMELOR DE CONVERSIE A

ENERGIEI EOLIENE

ing. Iulian MUNTEANU

sub conducerea tiinific a

Prof. Dr. Ing. Emil CEANG

2006


2/62


3/62

Prefa

Fiind consistent cu efortul susinut de a impune sursele de energie regenerabil n peisajul energetic alviitorului, aceast tez se focalizeaz pe abordarea sistemelor de conversie a energiei eoliene (SCEE) din perspectiva unei optimizri dinamice globale. Ideea central este coerent cu scopul final de a asigura cele mai bunecondiii de exploatare n termeni de eficien energetic, fiabilitate, cost redus i respectare a cerinelor integrrii nreea. Aceasta implic utilizarea pe scar larg a metodelor avansate de automatic, dintre care cele mai promitoare au constituit punctele de plecare ale contribuiilor originale raportate aici.

Coninutul tezei se mparte n opt capitole dup cum urmeaz.n primul capitol se prezint o vedere general asupra procesului de conversie eolian i a evoluiei SCEE n

contextul politico-economic actual al pieei energiei; sunt de asemenea detaliate cteva concepte de baz privindstructura i principiile operrii turbinelor eoliene, precum i obiectivele generale ale conducerii lor automate. Se

formuleaz obiectivul demersului i se fixeaz tipul de sistem care va fi studiat: SCEE de vitez variabil, cu unghide calare fix, bazat pe generator asincron.

Al doilea capitol prezint stadiul actual n modelarea i conducerea optimal a tipului fixat de SCEE nregiunea de sarcin parial i specific mai precis din punct de vedere tehnic scopul tezei. n al treilea capitol suntdescrise cteva elemente metodologice i practice utile construirii pe baza conceptului de simularehardware-in-the-loop a unui stand experimental dedicat SCEE de vitez variabil. Al patrulea i al cincilea capitol prezint abordride conducere neliniar robust, viznd captarea maximului de energie disponibil n vnt atunci cnd informaiadespre sistem este srac, i anume urmrirea maximului de putere ( Maximum Power Point Tracking MPPT) iconducerea n regim alunector.

Capitolul al aselea este dedicat introducerii unei noi structuri de conducere optimal a SCEE, derivat din principiul separrii n frecven i constnd n dou bucle pentru procesarea separat a celor dou componente alevitezei vntului, ca o alternativ mai eficient la abordrile de optimizare liniar ptratic (LQ) anterioare; n acestcaz, informaia disponibil este mai bogat. Aplicarea acestei structuri la SCEE de vitez variabil cu transmisiemecanic rigid i flexibil este prezentat n al aptelea i respectiv al optulea capitol.

Ultimul capitol, al noulea, conchide lucrarea prin enumerarea concluziilor, contribuiilor i a direciilor dedezvoltare ulterioar. Cele opt anexe, de la A la H, conin detalii tehnice referitoare la abordrile dezvoltate nfiecare din primele opt capitole ale lucrrii.

Pe parcursul lecturii acestui rezumat extins pot fi ntlnite anumite denumiri sau acronime, provenite dinlimba englez (n care a fost scris disertaia); corespondena cu abrevierile din limba romn este dat n lista denotaii.


4/62


5/62

i

CUPRINS

Lista celor mai utilizate acronime i abrevieri 1

I Poziionarea subiectului 3 Noiuni de baz 3Randamentul conversiei eoliene. Aspecte de eficien economic 3Comanda automat a SCEE 5

II Necesitatea, justificarea i obiectivele lucrrii 6 Delimitarea clasei de SCEE abordat 6Ipoteze generale i cadrul de modelare al SCEE 6Stadiul actual n comanda optimal a SCEE 8Aspecte privind fiabilitatea SCEE 12Simulatoare fizice de SCEE 13Justificarea tehnic a demersului tiinific 13

III Simularea hardware-in-the-loop (SHIL)a sistemelor de conversie a energiei eoliene 14 Concepte de baz i principii 14Metodologia de proiectare a structurilor HIL 16Aplicaie: simulator de SCEE 17

IV Maximum Power Point Tracking (MPPT) o abordare bazat pe informaie minimal 18

V Conducerea optimal n regim alunectora sistemelor de conversie a energiei eoliene 23

VI O structur de comand optimalbazat pe principiul separrii n frecven (2LFSP) 28Principiul separrii n frecven 28Modelarea dinamicii lente 31Modelarea dinamicii turbulente 31Soluia propus 332LFSP aplicat SCEE cu transmisie mecanic rigid 35

2LFSP aplicat SCEE cu transmisie mecanic flexibil 40Concluzii 43

VII Concluzii generale, contribuii i dezvoltri viitoare 44Concluzii generale 44Contribuii 47Dezvoltri viitoare 48

Bibliografie selectiv 49

Lista publicaiilor autorului 52


6/62

CUPRINS

ii


7/62

1

Lista celor mai utilizate acronime i abrevieri

AL (LSS) arbore lent (low speed shaft )

AR (HSS) arbore rapid (high speed shaft )BF (HFL) bucla de nalt frecven (high frequency loop)BJF (LFL) bucla de joas frecven (low frequency loop)CRO (ORC) caracteristica regimurilor optimale (optimal regimes characteristic)CVR (TSC) controller de vitez relativ (tip speed controller )FTJ (LPF) filtru trece-jos (low-pass filter )FTS (HPF) filtru trece-sus (high-pass filter )GADA (DFIG) generator asincron dublu alimentat (doubly-fed induction generator )GASC (SCIG) generator asincron cu rotor n scurtcircuit ( squirrel cage induction generator )H/V AWT turbin cu ax orizontal/vertical (horizontal/vertical axis wind turbine)HIL hardware-in-the-loop PF (OP) punct de funcionare (operating point )PFO (OOP) punct de funcionare optimal (optimal operating point )SCEE (WECS) sistem de conversie a energiei eoliene (wind energy conversion system)SEM (EMS) subsistem electromagnetic (electromagnetic subsystem)SFB (BPS) sistem fizic de baz (basic physical system)SFE (EPS) sistem fizic emulat (emulated physical system)

SFI (IPS) sistem fizic investigat (investigated physical system)SFTR (RTPS) simulator fizic de timp real (real time physical simulator )SHIL (HILS) simularehardware-in-the-loop (hardware-in-the-loop simulation)SSTR (RTSS) simulator software de timp real (real time software simulator )TFD (DFT) transformat Fourier discret ( Discrete Fourier Transform)TFR (FFT) transformat Fourier rapid ( Fast Fourier Transform)VR (TSR) vitez relativ (tip speed ratio)


8/62

C ontribuii privind conducerea optimal a sistemelor de conversie a energiei eoliene

2


9/62

Rezumat extins

3

I. Poziionarea subiectului

N o i u n i d e b a z

Strategiile actuale de dezvoltare durabil n domeniul energiei au ca obiectiv principal nlocuirea treptat asurselor de energie bazate pe combustibil fosil prin surse de energie regenerabil. Printre sursele curate de energie,sistemele de conversie a energiei eoliene (SCEE) dein la ora actual o pondere semnificativ n multe ridezvoltate. Urmnd eforturile continue ale comunitii internaionale de cercetare, ncurajate de programeleeuropene din ultimul deceniu, tehnologia conversiei energiei eoliene a evoluat pentru susinerea dinamicii rapide a programelor de investiii din domeniu. Principala provocare o constituie discrepana major dintre caracterulneregulat al sursei primare de energie (vntul este un proces aleatoriu, puternic nestaionar, cu turbulene i variaiiextreme, de exemplu rafale) i cerinele exigente cu privire la calitatea energiei electrice furnizate: putere reactiv,coninut de armonici, fenomenul de flicker , etc. Astfel, conversia energiei eoliene la parametrii impui de pia i destandardele tehnice nu este posibil fr contribuia esenial a automaticii. O mare parte a eforturilor de cercetare s-au ndreptat spre rezolvarea problemei de cuplare a turbinelor eoliene la reea. Natura stocastic a sursei primare deenergie reprezint un factor de risc pentru viabilitatea structurii mecanice. Literatura de specialitate subliniazimportana criteriilor de fiabilitate, uneori mai importante dect randamentul conversiei (de exemplu, n cazulfermelor eolieneoff-shore), n evaluarea eficienei economice globale. Acest aspect trebuie luat n considerare n proiectarea strategiilor de comand. Multe dintre lucrrile prezentate la conferine sau publicate n reviste trateaz problema comenzii automate a SCEE, avnd drept obiective optimizarea conversiei energetice, interfaareaturbinelor la reea i reducerea solicitrilor la oboseal care uzeaz structura mecanic.

Integrarea sistemelor eoliene n sisteme energetice la costuri optime necesitcreterea eficienei primelor, ianume reducerea costurilor de instalare, operare i ntreinere, precum i creterea cantitii de energie captate dinvnt. Studii recente arat c energia produs din vnt are deja un cost per kWh mai sczut dect cel al energieinucleare. Privitor la aceasta, se pot identifica dou direcii principale n dezvoltarea tehnologic a SCEE din anii1970 pn astzi:

- creterea puterii lor nominale [QUAR 98] i- creterea flexibilitii lor prin aplicarea unornoi paradigme de control pentru mbuntirea operrii SCEE

e.g.operarea la vitez variabil [THRE 98].Exist trei moduri principale de operare a SCEE vitez constant, vitez semi-variabil i vitez variabil

depinznd de configuraia subsistemului electric. Dintre acestea, un interes special l prezint regimul de operare lavitez variabil, care permite controlul complet al SCEE; el corespunde situaiei cnd viteza de rotaie a rotoruluiturbinei depinde de viteza vntului i variaz ntr-un domeniu larg (50% din viteza nominal). Acest regim poate fiimplementat fie prin comanda (electric/hidraulic) a unghiului de calare a palelor sau prin comanda (n vitez / ncuplu a) generatorului electric. n cazul SCEE cu unghi de calare fix, operarea la vitez variabil presupuneutilizarea unui sistem de electronic de putere, ale crui obiective principale sunt reglarea nivelului i condiionarea puterii transferate reelei, maximizarea cantitii de putere captate i reducerea sarcinilor mecanice intense.

R a n d a m e n t u l c o n v e r s i e i e o l i e n e . A s p e c t e d e e f i c i e n e c o n o m i c Cnd se evalueaz costul energiei produse de SCEE de obicei se ine cont de gratuitatea energiei primare.

Principalele elemente care influeneaz acest cost sunt: cantitatea puterii captate din vnt, disponibilitatea, costurile


10/62


4

de operare i ntreinere, precum i cele de producere i instalare.Creterea puterii captate din vnt se poate obine prin maximizarea randamentului aerodinamic de-a lungul

unui domeniu larg de variaie a vitezei de rotaie, lucru posibil prin operarea la vitez variabil [LEIT 91](randamentele transmisiei mecanice i al generatorului sunt suficient de nalte ntre 0.7 i 0.9 fa derandamentul aerodinamic, avnd un maxim n jurul valorii de 0.5). Randamentul aerodinamic se exprim prin

coeficientul de putere al SCEE, pC , care depinde de aa-numitavitez relativ, , definit ca raportul dintre viteza

periferic a palelor i viteza vntului:

(1) l R

v = ,

unde l este viteza de rotaie a arborelui lent i R este lungimea palelor. Pentru unghi de calare fix, randamentul

aerodinamic, ( ) pC , prezint un maxim la o valoare bine determinat a vitezei relative, notat cuopt (figura 1a)),

care reprezint o caracteristic constructiv a unei turbine date [BURT 01]. Din cauza variaiilor de frecven relativ

nalt ale vitezei vntului, meninerea valorii maxime a lui pC , notat ( )max opt p p p opt C C C = = fr a afectafiabilitatea SCEE este la ora actual o provocare n domeniul conducerii automate a SCEE.

Fig. 1 a) Exemplu de variaie ( ) pC (turbin bipal, 100 kW); b) Nacela unei turbine bipale HAWT [LARW 98]

Disponibilitatea unei turbine eoliene este definit ca raportul dintre durata de timp de operare n bunecondiii i durata total de timp de operare; aceast noiune este n mod evident legat de cea de fiabilitate. Princreterea fiabilitii, constnd n reducerea eforturilor mecanice posibil prin operarea la vitez variabil[LEIT 91], [THRE 98], [CARL 01] costul total al energiei furnizate poate fi redus, pentru c se reduc costurile de

operare i ntreinere, iar disponibilitatea crete. Necesitatea reducerii costurilor de operare a turbinelor implicfuncionarea automat i telecomandat a acestora. O strategie de comand adecvat nu permite numaimbuntirea (maximizarea) randamentului conversiei energetice, dar i creterea siguranei n funcionare i afiabilitii, ceea ce se reflect parial n reducerea costurilor de ntreinere i, pe de alt parte, n creterea energieicaptate din vnt (prin creterea numrului de ore de funcionare).

n concluzie, operarea lavitez variabil a SCEE, asociat cu ostrategie de comand adecvat, fac posibilreducerea costului energiei produse la un minim. Randamentul energetic al generatorului electric poate fi i elmaximizat prin comanda specific a acestuia, evident dependent de configuraia generatorului [LEIT 91], n timpce eficiena transmisiei mecanice depinde n special de tehnologia de realizare.

Un SCEE bazat pe turbin eolian cu ax orizontal (HAWT) este n general structurat dup cum se arat nfigura 1b).

pC

a)

mainframe

generator

couplingdisk brake blade

yaw bearing

gearboxtower plate

hubteeter bearingAWT 26

unctions box

b)

aerodynamic efficiency


11/62

Rezumat extins

5

C o m a n d a a u t o m a t a S C E E

innd cont de ideile enunate mai sus, se pot acum formula rolul i obiectivele comenzii automate a SCEE[SALL 90], [LEIT 91], i anume:

demarajul eolienei la viteza Dv (cut-in speed ) i oprirea la viteza maxim M v (cut-out speed ) figura

1.2;

limitarea puterii captate din vnt pentru viteze mai mari dect cea nominal,nv (figura 1.2); n caz

contrar ar fi necesar supradimensionarea turbinelor n scopul extragerii ntregii energii disponibile, avnd n vederec viteze mari ale vntului nu se ntlnesc des (distribuia Rayleigh); aceast abordare este neeconomic;

maximizarea energiei captate din vnt la funcionarea normal zona II din figura 1.2; obiectivul este de

a conduce rotorul la opt att timp ct restriciile asupra turaiei i puterii captate sunt ndeplinite;

furnizarea puterii electrice n reea la o valoare impus, indiferent de viteza vntului; diminuarea mediului de ncrcri variabile, pentru a garanta o anumit longevitate la solicitri de oboseal

a prilor mecanice;

garantarea rspunsului dorit la rafale de vnt izolate; ncadrarea n anumite standarde de calitate ale puterii furnizate (factor de putere, coninut de armonici,

fluctuaii de putere etc.).

Fig. 2 Puterea captat, wt P , de ctre o turbin HAWT n funcie deviteza (medie a) vntului: a) reglarea unghiului de calare, b)desprindere aerodinamic provocat

Subsistemul de control rezult din definirea unuia sau a mai multor din obiectivele de mai sus, formulate nlegtur cu un anume model matematic al sistemului eolian. Controlerul determin comportamentul dinamic globaldorit al sistemului, coninutul de armonici al semnalului de ieire (puterea electric) i reduce efectul perturbaiilor.Exist mai multe tipuri de comenzi: unele acioneaz asupra unghiului de calare a palelor pentru limitarea puterii nregiunea de sarcin complet, altele urmresc varierea cuplului/vitezei de rotaie a generatorului electric pentru arealiza regimul de vitez variabil n zona de ncrcare parial. n literatur se ntlnesc diferite tipuri de controlere,de la cele mai simple (de tip PID) la controlere adaptive sau optimale, necesitnd eventual estimatoare de stare[BOSS 00].

Studiul din lucrare este orientat ctre acele metode de control care permit dimensionarea unuicompromis ntreeficiena energetic a turbinei eoliene i fiabilitatea acesteia.

I II III IV

M v v

0 S v nv

wt P n P

I II III IV

M v v

0 S v nv

wt P n P

a) b)


12/62


6

II. Necesitatea, justificarea i obiectivele lucrrii

D e l i m i t a r e a c l a s e i d e S C E E a b o r d a t

Aceast lucrare vizeaz studiul i dezvoltarea de legi de conducere optimal a SCEE care funcioneaz lavitez variabil n zona de ncrcare parial, folosind diverse abordri ntlnite n teoria sistemelor automate, nanumite ipoteze de modelare.

variable speed

ECS

variable pitchfixed pitch

1-bladerotor

2-bladerotor

3- laderotor

HAWTVAWT

constant speed

doubly-fed inductiongenerator

Squirrel-cageinduction generator

multipolar synchronousgenerator

synchronousgenerator

Fig. 3 O taxonomie a SCEE identificarea tipului care va fi studiat

Sistemul eolian care face obiectul abordrilor de conducere automat prezentate n continuare face parte dinclasa celor de putere mic/medie avnd rotor orizontal cu dou pale i unghi de calare fix. Transmisia mecanic esten esen un multiplicator de vitez cu un singur etaj (pas fix), cu cuplaj rigid/flexibil. Subsistemul de producere aenergiei electrice conine un generator asincron trifazat cu rotor n scurtcircuit (GASC, squirrel cage induction generator SCIG), remarcat prin fiabilitatea sa, conectat la reeaua electric prin intermediul unui convertor deelectronic de putere AC/AC. SCEE funcioneaz la vitez variabil pe baza controlului vectorial (n cuplu) algeneratorului asincron; convertorul de electronic de putere este echipat cu sistemele de control corespunztoare. Seconsider c funcionarea turbinei eoliene n diverse regimuri este supervizat de ctre un nivel superior de control;n lucrarea de fa interesul este focalizat asupra zonei (regimului) de ncrcare parial. Obiectivul principal allucrrii de fa l reprezint studiul strategiilor de comand incluse n controllerele care gestioneaz funcionareaSCEE n acest regim. Figura 3 identific tipul de sistem eolian abordat, utiliznd o taxonomie cvasi-general.

I p o t e z e g e n e r a l e i c a d r u l d e m o d e l a r e a l S C E E

Configuraia tipului de SCEE studiat se consider a fi conform cu urmtoarele specificaii generale:

turbin bipal cu ax orizontal cu unghi de calare fix, GASC echipat cu convertor de electronic de putereback-to back AC/AC, conexiune la reeaua local,

dou versiuni de transmisie mecanic (cu raport fix): cu cuplaj rigid i respectiv cu cuplaj flexibil, control vectorial al generatorului electric, asigurnd un domeniu larg de variaie a turaiei sistemului

(funcionare la vitez variabil).


13/62

Rezumat extins

7

Structura sistemului eolian, vizibil n figura 4, conine trei componente principale care interacioneaz ntre

ele, controlate de ctre un al patrulea (S 4): subsistemul aerodinamic (AS) 1S , subsistemul electromagnetic (EMS)

2S i subsistemul de transmisie mecanic (DT) 3S , care vor fi modelate separat. SubsistemulS 4 realizeaz

controlul SCEE (CS). Sunt notate cu LSS i HSS axul lent i respectiv axul rapid al sistemului eolian. Pentru clasade SCEE considerat pot fi adoptate anumite ipoteze (rezonabile) de modelare:

SCEE este de putere redus (pn n 10 kW), rotorul are butuc cu lagr de balans i diametrul rotoruluieste suficient de mic pentru a se putea neglija efectul de umbr a turnului i dinamicile structurale,

frecrile statice i dinamice sunt neglijate, caracteristica coeficientului de putere este fix, se neglijeaz orice efect indus de ctre variaiile

numrului Reynolds i densitii aerului,

nacela este echipat cu giruet, astfel nct se poate considera c viteza vntului este ntotdeauna normal pe rotorul turbinei,

sistemul funcioneaz numai n regiunea de ncrcare parial (ntre viteza de demaraj i cea nominal),

regimurile de funcionare extrem nu sunt abordate n aceast lucrare, transmisia mecanic are raport fix,i, i randament constant n ntreg domeniul de viteze, ; influena

caracteristicilor constructive (e.g., vibraii, tipul angrenajului, jocul n angrenaje etc.) asupra comportamentuluiacesteia va fi considerat parazit i va fi neglijat,

influena parametrilor constructivi ai generatorului electric asupra dinamicii sale (e.g., influenaarmonicilor superioare, asimetrii ale rotorului etc.) este neglijat i parametrii si sunt invariani n timp,

SCEE se poate roti ntr-un domeniu larg de viteze; turaia este ajustabil, gradientul acesteia este limitat lao valoare care depinde de ineria sistemului,

convertoarele de electronic de putere au randament unitar, armonicile de ordin superior sunt neglijate;reeaua electric local este ideal i de putere infinit;

sunt disponibile msuri ale vitezei vntului, vitezei de rotaie a generatorului (HSS),h , i puterii

electrice generate.

Fig. 4 SCEE cu vitez variabil un punct de vedere sistemic

Un model dinamic global al SCEE poate fi obinut prin cuplarea modelelor matematice ale subsistemelor salei modelului vitezei vntului (principalul exogen).

Pe baza relaiei fundamentale din dinamica statistic a sistemelor liniare [DAMP 95], viteza vntului poate fi

sintetizat (ca semnal unidimensional) prin trecerea unui semnal de tip zgomot alb printr-un filtru de formareadecvat. Au fost considerate dou tipuri de modele ale vitezei vntului, i anume unul nestaionar (cu parametristatistici variabili n timp) [WELF 97], [NICH 02], i unul staionar (simplificat) [EKEL 97]; utilizarea unuia sau a

*G

( )v t

wt G

speed

multiplier 3~torquevectorcontrol

AC

AC

grid

S 1

J h

S 3 S 2

PWM

DRIVETRAIN

R OTOR

controlledINDUCTIONGENERATOR

h

CONTROLalgorithm

ensuringvariablespeed

S 4 sensel

(gear)

LSS HSS SCIG

EMS

CS

AS

DT


14/62


8

celuilalt model depinde de metoda de control concret ce se aplic ntr-un caz sau n altul. n cazul general, vitezavntului este obinut prin suprapunerea a dou componente [NICH 02]:

(2) ( ) ( ) ( ) s t v t v t v t = + ,

unde ( ) sv t estecomponenta de joas frecven (care descrie variaiile pe termen lung lent variabile) i ( )t v t este

componenta de turbulen (care corespunde variaiilor rapide, de frecven ridicat).Modelul subsistemului aerodinamic (S 1) rezult din interaciunea curentului de aer cu rotorul turbinei i este

reprezentat n principiu de caracteristica de cuplu sau de putere captat (trasat n raport cu turaia axului lent,l ):

(3) ( )2 30.5wt wt l

P v R C = = ,

unde pC C = reprezintcoeficientul de cuplu [WILK 90], [NICH 95], [MILL 03].

Subsistemul electromagnetic (S 2) este construit n jurul generatorului asincron (GASC controlat n cuplu),

care furnizeaz cuplul electromagnetic,G . n ipotezele de modelare adoptate, pentru GASC s-a considerat

binecunoscutul model matematic de ordinul 4 exprimat n coordonate (d ,q) [LEON 86].

Subsistemele 1S i 2S interacioneaz prin intermediul transmisiei mecanice (3S ); aceast interaciune este

descris matematic printr-o ecuaie de micare [WILK 90], scris fie la axul lent, fie la cel rapid:

(4) d ( , ) ( )d

hh wt l G h J vt i

= ,

unde h J este ineria sistemului raportat la axul rapid. Aceast ecuaie este de obicei referit ca fiind modelulcu o

singur mas al sistemului eolian (i este folosit pentru SCEE cu cuplaj rigid).

GASC este comandat n cuplu prin intermediul unui invertorback-to-back alimentat n tensiune utiliznd ostructur de control vectorial. Aceast schem de control permite obinerea unui foarte rapid i precis rspuns ncuplu al generatorului, fr a introduce oscilaii nedorite (solicitri mecanice / variaii de putere suplimentare), decifiind adecvat aplicaiilor pe sisteme eoliene. Deci, un model I/O al GASC controlat (SEM n abordarea de fa) dela referina de cuplu pn la realizarea fizic (cuplul mecanic la axul rapid) poate fi asimilat cu o dinamic de

ordinul 1 foarte rapid (avnd constanta de timp notat cuGT ). Pe scurt, o alegere adecvat a parametrilor

regulatoarelor PI din schema de control vectorial permite neglijarea dinamicii subsistemului2S n raport cu

dinamica total a sistemului, atunci cnd se dorete acest lucru.n concluzie, modelul SCEE cu cuplaj rigid folosit n aceast lucrare este definit n principal de ecuaia de

micare (4) unde cuplul eolian este dat de expresia neliniar (3) i de ecuaia SEM.Liniarizarea modelului SCEE privete subsistemul mecanic i presupune liniarizarea caracteristicii cuplului

eolian. Au fost obinute dou tipuri de modele liniare n variaii normalizate n jurul unui punct static de funcionare,convenabil ales, folosindu-se abordri distincte [NICH 95], [EKEL 97].

S t a d i u l a c t u a l n c o m a n d a o p t i m a l a S C E E

Conducerea SCEE cu vitez variabil n regiunea de ncrcare parial vizeaz n general reglarea/gestionarea puterii captate din vnt prin modificarea parametrilor (e.g., a vitezei) generatorului electric; n particular, scopulconducerii poate s fie captarea puterii maxime disponibile n vnt. Pentru fiecare valoare a vitezei vntului exist o

anumit vitez de rotaie la care curba de putere a unei turbine date prezint un maxim ( pC atinge valoarea

maxim). Toate aceste maxime formeaz ceea se numete n literatura de specialitatecaracteristica regimurilor


15/62

Rezumat extins

9

optimale (CRO,optimal regimes characteristic ORC, vezi figura 5) [NICH 95].Meninerea n jurul punctului static de funcionare al turbinei n jurul CRO asigur un regim staionar

optimal, adic puterea captat este cea maxim disponibil. Aceast aciune este echivalent cu meninerea vitezeirelative la valoarea sa optim [CONN 93] i poate fi realizat prin acionarea turbinei la vitez variabil,corespunztoare vitezei instantanee a vntului.

Fig. 5 Caracteristica regimurilor optimale, CRO

Datorit ineriei destul de mari a turbinei eoliene, variaiile vitezei vntului nu pot fi precis urmrite dect cueforturi mecanice inadmisibil de intense. Deci, optimizarea regimurilor dinamice devine de asemenea necesar. nliteratura de profil se regsesc diverse metode utilizate n realizarea sistemelor de conducere a SCEE cu vitezvariabil, nu numai pentru sistemul eolian abordat n aceast lucrare, dar i pentru multe altele (avnd sisteme degenerare bazate pe maini sincrone cu magnei permaneni sau multipolare, pe generatoare asincrone cu dubl ieire

etc.).Aceast multitudine de metode de conducere a rezultat datorit naturii aleatoare a vntului i a reducerii

fiabilitii asociate cu eforturile mecanice induse [CARL 01], comportamentului neliniar, cu parametri variani ntimp ai turbinelor, inconsistenei unor msuri ale variabilelor necesare sistemului de conducere, parametrilor/caracteristicilor incomplet cunoscute etc. n principiu, abordrile ntlnite n controlul sistemeloreoliene variaz n funcie de ipotezele privind parametrii de modelare cunoscui, variabilele msurabile, metoda decontrol efectiv folosit i tipul modelului utilizat pentru descrierea comportamentului dinamic al SCEE.

Tehnica de conducere numit Maximum Power Point Tracking (MPPT) are drept scop meninereafuncionrii sistemului eolian n jurul puterii maxime captate (n limite de siguran), folosind informaie minim din

sistem. Caracteristica de putere a rotorului turbinei este complet necunoscut, dar caracteristicile generale (cum sunt puterea nominal, numrul i raza palelor, ineria total a axului lent etc.) sunt considerate cunoscute. Turaia axuluirapid i puterea activ debitat de generator sunt singurele informaii de msur disponibile din sistem.

n principiu, abordarea se bazeaz pe calculul gradientelor de putere i de turaie, utilizate apoi ntr-o metodde tiphill-climbing pentru maximizarea puterii captate [SCHI 00], [BHOW 98], [DATT 03]. Metoda este robust laincertitudini parametrice ale SCEE, i nu necesit cantitate mare de informaie (care este deseori inaccesibil), darare inconvenientul principal de a utiliza estimri ale gradientelor unor variabile din sistem, n condiiile n caresistemul prezint un comportament puternic agitat.

O extensie a metodei de control prezentate mai sus poate fi obinut prin utilizareaconducerii bazat pelogic fuzzy pentru maximizarea puterii captate, n aceleai ipoteze de modelare. Baza de reguli folosit este oextensie a algoritmului MPPT, controllerul rezultat este mai flexibil i rspunsul dinamic este mbuntit

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

ORC

l [rad/s]

P wt [W] 9 m/s

7 m/s

5 m/s

020

406080

100120140160180200wt [Nm]

9 m/s


16/62


10

[SIMO 97]; cel mai important inconvenient al acestei metode este puternica dependen de context (caracteristicilesitului eolian, tipul turbinei etc.), necesitnd o destul de consistent informaie a priori.

Conducerea prinmoduri alunectoare sau conducerea custructur variabil ( sliding mode control SMC)este o metod de control vibraional, care se preteaz la sisteme neliniare; controllerul obinut este un sistem custructur variabil care comut cu frecven mare ntre cteva legi de control; n particular, ieirea sa poate fi un

semnal bipoziional (on-off ).Conform rezultatelor fundamentale din teoria sistemelor de conducere cu structur variabil [UTKI 71],

controllerul implementeaz o lege de conducere neliniar (comutat), pentru a menine traiectoria de stare asistemului pe o anumit hipersuprafa (suprafa de comutaie) impus. Datorit robusteii la perturbaii i laincertitudini parametrice, legile de conducere n mod alunector nu necesit informaii precise despre sistem; deasemenea, comanda cu structur variabil poate fi implementat cu uurin utiliznd convertoarele de electronicde putere deja existente n sistemul eolian.

Comanda prin moduri alunectoare a fost utilizat pentru diverse configuraii de SCEE, pentru reglarea puterii generate [BATT 04] sau pentru optimizarea randamentului de conversie n condiiile limitrii torsiuniitransmisiei mecanice [BATT 00]. Flexibilitatea metodelor de tip SMC poate fi crescut prin adoptarea de suprafeede comutaie combinate, pentru a permite definirea unor probleme de optimizare multicriterial (i.e., maximizarea puterii captate i minimizarea variaiilor de cuplu electromagnetic).

Metodele de tip SMC sunt eficiente i intrinsec robuste, necesitnd relativ puine informaii despre sistem, isunt insensibile la variaii parametrice.Chaterring -ul, specific sistemelor cu structur variabil, este principalulneajuns, influennd negativ subsistemul mecanic prin inducerea de eforturi mecanice (la oboseal) suplimentarecare pot excita dinamici nemodelate (e.g., modurile oscilante ale subsistemului aerodinamic sau ale transmisieimecanice), conducnd astfel la apariia de oscilaii distructive.

Fig. 6 Metode neliniare i liniare n conducerea SCEE: a) MPPT, b)logic fuzzy, c) SMC, d) controllere asigurnd PFO

Din punct de vedere static, creterea/maximizarea energiei captate n zona de ncrcare parial (sub puterea

h

P equivalent

control input

reference generator

alternatecontrol input

* P

+

_

+

+

1 s

G

G h

P

h PIspeedcontrol

h

t

LOGIC

Gradient detection

h

P

1 s

decision

h

P

t

fuzzificator controlrules

evaluation

premises

defuzzificator

rules base

conclusionsG PI

speedcontrol

h 1

s

decision

h

G controller

P

PI

5

30.5 p

opt

R C k

=

k G

h k P

P

a) b)

c) d)


17/62

Rezumat extins

11

nominal a sistemului eolian) poate fi asigurat prin forarea funcionrii rotorului turbinei la puterea sa maxim,

opt P , corespunztoare vitezei instantanee a vntului; aceast metod este denumit n aceast lucrareimpunerea

direct a poziiei punctului de funcionare optimal (PFO,optimal operating point OOP) i implic funcionareaturbinei la eficien energetic maxim. Aceasta implic de fapt impunerea cuplului electromagnetic corespunztor

cuplului eolian care determin captarea puterii maxime (notat cuopt

). Deoarece PFO corespunde unei funcionri

a rotorului turbinei la vitez specific optimal,opt , valoarea puterii maxime captate este

5 3 30.5opt opt l p opt l P R C = = .

Referina cuplului generatorului este obinut folosind o msur a vitezei de rotaie. Dac este preferat oreferin de putere, atunci poate fi utilizat un regulator de tip PI pentru a ajusta caracteristica mecanic a GASC i pentru a obine referina de cuplu. Deoarece structura de control a SCEE permite urmrirea vitezei vntului n limiteadmisibile ale ncrcrilor mecanice, aceast metod poate fi utilizat ca atare numai n cazul variaiilor lente alevitezei vntului (se implementeaz ooptimizare static). n cazul n care vntul este turbulent, este necesar filtrarea

variabilelor care alimenteaz legea de control i utilizarea unor parametri ai regulatoarelor care s asigure odinamic lent a sistemului n bucl nchis. Aceast metod este foarte sensibil la variaii parametrice.

Figura 6 rezum structurile subsistemelor de conducere folosite n abordrile privind controlul SCEE listatemai sus.

Anumite modele liniarizate ale SCEE pot fi utilizate pentru conducerea optimal a acestora. n cazuloptimizrii staionare, scopul conducerii este formulat n sensul meninerii vitezei specifice la valoarea ei optimal,

opt . Pentru ndeplinirea lui se concepe un sistem de urmrire a vitezei de rotaie a turbinei [MILL 97], a crui

referin ( )opt h t depinde de valoarea instantanee a vitezei vntului, ( )v t , i este dedus conform relaiei

( ) ( ) ( )opt opt h l opt t i t i R v t = = . Sistemul de urmrire a vitezei vntului este deseori bazat pe un regulator

clasic de tip PI. Anumite dezavantaje legate de ineria mare a SCEE (vntul turbulent implic eforturi mecaniceintense etc.) i de variaiile parametrice ale turbinei cu viteza vntului fac aceast metod aproape inutilizabil ncondiii reale.

Conducerea SCEE prinoptimizare dinamic liniar ptratic (LQ) poate rezolva o problem optimalconstruit pe un criteriu ptratic care exprim un compromis ntre maximizarea puterii captate i minimizareavariaiilor cuplului electromagnetic (generate de subsistemul de conducere), variaii care afecteaz fiabilitateasistemului eolian (i.e., comanda induce eforturi mecanice la oboseal care pot distruge subsistemul mecanic).

Anumii autori [NOVA 94], [EKEL 97] au folosit un astfel de criteriu, punnd n eviden faptul c maximizareaenergiei captate i minimizarea variaiilor de cuplu sunt dou cerine antagoniste; un compromis ntre cele dou se poate exprima folosind un criteriu de optimizare combinat, de tipul:

(5) { } { }2 2( ) ( ) minopt G I E t E t = + ,cu E {} fiind simbolul de medie statistic. Problema de optimizare este deci definit ca fiindliniar ptraticGaussian (stocastic) LQG [LEVI 96], folosind un model liniarizat al SCEE.

Funcionarea n jurul punctului de randament maximal este asigurat de minimizarea numai a primei

componente din (5), dar sunt admise variaii importante ale cuplului (al doilea termen din criteriul anterior).Coeficientul pozitiv permite ajustarea compromisului ntre cele dou cerine menionate anterior. Comandaoptim este obinut ca o reacie dup stare, iar vectorul de reacie dup stare,K , rezult n urma rezolvrii


18/62


12

problemei de optimizare liniar-ptratice (exprimat de criteriul (5)), definit pe modelul liniarizat (n jurul PFO) alSCEE.

Parametrii sistemului dinamic depind de poziia punctului de funcionare pe caracteristica mecanic aturbinei (i de viteza media a vntului); de aceea, pentru mbuntirea performanelor legii de conducere optimaleLQ a fost propus o structur de control adaptiv care s comute vectorul de reacie,K , n funcie de viteza vntului

[EKEL 97]. Mai mult, starea sistemului (aa cum este definit n modelul liniarizat) nu este complet msurabil, ieste necesar folosirea unui filtru Kalman pentru reconstrucia variabilelor inaccesibile msurrii. n concluzie,desensibilizarea legii de conducere LQ a SCEE (construit conform observaiilor de mai sus) n raport cu variaiile parametrice se poate obine folosind o structur adiional de conducere, destul de complicat (i dificil deimplementat).

Figura 7 listeaz structurile subsistemelor de control al SCEE care folosesc abordrile de mai sus.

Fig. 7 Metode liniare de conducere a SCEE: a) optimizare staionar, b) optimizare LQG

As p e c t e p r i v i n d f i a b i l i t a t e a S C E E

Din observaiile anterioare se poate concluziona c optimizarea conversiei SCEE prin operarea acestuia lavitez variabil ar putea induce eforturi de comand semnificative, mai ales dac vntul depete un anume grad deturbulen. ncrcrile mecanice asociate comenzii au influen negativ asupra fiabilitii SCEE i a duratei de bunfuncionare, i conducnd astfel la scderea disponibilitii sistemului. Aceasta nseamn costuri de funcionare intreinere suplimentare, implicnd reducerea eficienei economice a SCEE.

Proiectarea transmisiei mecanice include o analiz a solicitrilor mecanice la oboseal, de exemplu ceaasociat abordrii denumitetime-at-level [SUTH 95]. n principiu, aceasta implic trasarea unei histograme princalculul timpului total n care transmisia este supus la o anumit valoare a cuplului mecanic.

O analiz a figurilor 8b), 8c) i 8d) arat c, dac s-ar trasa histograma pentru cazul cu SCEE carefuncioneaz la vitez fix (cuplaj direct la reea), aceasta ar diferi semnificativ de cea pentru cazul cu vitezvariabil, trasat pentru aceeai secven a vitezei vntului. Aceasta implic faptul c limita de anduran asigurat prin proiectarea transmisiei n condiiile funcionrii la vitez fix poate fi depit dac acelai sistem funcioneazla vitez variabil (n aceleai condiii).

n concluzie, fiind date particularitile funcionrii SCEE (legate de supervizarea de la distan i deamplasarea n zone deseori greu accesibile, de disponibilitatea turbinei eoliene i n final de aspecte economice), estecrucial caoptimizarea energetic s se realizeze cu variaii ale cuplului (solicitri mecanice la oboseal) ct se

poate de mici , pentru minimizarea implicaiilor asupra duratei de bun funcionare a turbinei.

opt

1 R

v

G

opt l

h

controller l

anemometer

PI

1 i

G

*G

h in

Scheduling

estimatedstate

optimalcontroller

LQ

Kalmanfilter

x

K

v

a) b)


19/62

Rezumat extins

13

Fig. 8 Comparaie ntre regimul de funcionare a SCEE la vitez fix

i cel la vitez variabil

S i m u l a t o a r e f i z i c e d e S C E E

Motivele care stau la baza construciei unor astfel de simulatoare rezult natural din necesitatea validriiexperimentale a legilor de conducere a SCEE. n cazul SCEE cu vitez variabil, testarea legilor de conducere pesisteme eoliene care funcioneaz n condiii reale este dificil i nu se recomand, datorit caracterului aleatoriu alvitezei vntului, imposibil de influenat, i a costurilor asociate destul de importante. Simulatoarele electromecanicen timp real, la scar redus, devin astfel necesare, ele permind reproducerea caracteristicilor unei turbine date itestarea turbinei emulate ntr-un mediu controlat (n condiii de laborator), adic pentru diverse regimuri de vnt,indiferent de condiiile meteorologice locale.

Aa cum se deduce din literatura de profil, validrile experimentale preliminare au loc ntotdeauna pesimulatoare de turbine eoliene [BATT 96], [RODR 98], [RABE 02], [STEU 04]. Simulatoarele fizice de SCEEncorporeaz modele ale vitezei vntului corespunztoare unor situri eoliene date, modele i elemente fizice ale uneiturbine eoliene cunoscute, precum i structurile de conducere asociate sistemului eolian, facilitnd multexperimentarea (n timp real a) funcionrii sistemului n diverse tipuri de situri eoliene, operarea la vitez variabilsau studiul sistemelor de interfa cu reeaua electric.

Aceste simulatoare sunt n prezent realizate folosind conceptul modern dehardware-in-the-loop simulation (HILS), a crui baz tehnologic a evoluat mai repede dect conceptualizarea sa. n ciuda faptului c sunt folositeextensiv, proiectarea acestor structuri de simulare n timp real sufer de anumite carene metodologice.

J u s t i f i c a r e a t e h n i c a d e m e r s u l u i t i i n i f i cEste unanim recunoscut distana dintre dezvoltarea de algoritmi avansai de control i aplicarea lor efectiv

n cele mai multe din domeniile practicii inginereti. n particular, un punct de vedere general n conducerea SCEE

1 7 17.5 18 18.5 19 19.5 206

6.5

7

7.5

8

8.5

9

[ ]

[ ]st

constant speedoperation

variable speedoperation

17 17.5 18 18.5 19 19.5 20-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

[ ] NmG

[ ]st

constant speedoperation


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

[ ]Hz f [ ]Hz f

G G constantspeedoperation

variablespeedoperation

a) b)

c) d)


20/62


14

este imposibil de susinut, fiind dat diversitatea i specificitatea metodelor de conducere ntlnite n literatura despecialitate. De fapt, niciuna din tehnicile actuale nu a devenit clasic astfel nct s fie utilizat pe scar larg dectre integratorii de sisteme eoliene. Dezavantajele acestora, precum i anumite dificulti inerente rezultate dinnatura aleatoare a vntului, mpiedic implementarea cu uurin a acestor tehnici n practic.

Utilizarea uneia sau alteia din metodele de conducere expuse mai sus depinde de scopul conducerii, de

informaia de reacie disponibil i de cea privind parametrii sistemului. Astfel, metoda de conducere folosit va ficu att mai sofisticat cu ct scopul conducerii este mai complex i informaia este mai srac. Metoda de conducerecare se alege ntr-un anumit caz dat ar trebui s asigure cel mai bun compromis ntre diverse cerine contradictorii,care ar putea fi n esen o eficien ridicat a legii de conducere n contextul adoptrii unui set (restrictiv) de ipotezede modelare, care s asigure n acelai timp solicitri mecanice suplimentare suficient de reduse. Aparent, logicafuzzy ar putea asigura un nivel satisfctor n acest sens, dar n realitate controllerele rezultate sunt dependente decontext, necesitnd cunotine a priori de la un utilizator cvasi-omniscient. Metoda impunerii directe a punctului defuncionare optimal este foarte sensibil la variaii ale parametrilor sistemului i exogenului. Optimizarea staionar practic nu permite atenuarea eforturilor mecanice suplimentare induse de ctre subsistemul de conducere. Mai mult,deoarece nu se poate defini un criteriu energetic, niciuna din aceste metode nu permite ajustarea controlat arandamentului de conversie al turbinei.

Abordarea prezentat n aceast lucrare exploateaz avantajele metodelor MPPT, mod alunector i LQG,avnd n vedere c inconvenientele acestora pot fi atenuate ntr-o oarecare msur. Astfel, metoda MPPT areimensul avantaj de a utiliza foarte puin informaie din sistemul eolian la construcia controllerului. Metoda deconducere prin moduri alunectoare este foarte robust la incertitudini parametrice i adecvat controlului sistemelorneliniare. Metoda LQG asigur atenuarea solicitrilor mecanice prin impunerea unui criteriu de optimizare integralcare s asigure un compromis energie captat fiabilitate. Ideea principal susinut de-a lungul acestei lucrri este

de a utiliza beneficiile uneiabordri globale de conducere optimal (multicriterial) dedicat sistemelor eoliene.Versiuni ale acestor tehnici de conducere consistente cu aceast abordare au fost evaluate prin simulri numerice,realizate n mediul integrat Matlab/Simulink TM i prin experimentri n timp real. Acestea din urm au fost posibilen condiii de laborator, ntr-un mediu controlat, folosind simulatoare electromecanice dedicate, construite pe bazaconceptului HILS, conform unei metodologii originale de proiectare.

III. Simularea hardware-in-the-loop (SHIL) a sistemelor de conversie a energieieoliene

C o n c e p t e d e b a z i p r i n c i p i i

Simulatoarele de tiphardware-in-the-loop (HIL) sunt formate din pri software i hardware conectate n bucl nchis i sunt folosite pentru a reproduce n condiii de laborator comportamentul dinamic al unui anumit

proces industrial. Subsistemul software deriv din modelul matematic al sistemului fizic respectiv, iar partea fiziceste preluat ca atare din sistemul real. Inserarea de elemente fizice n sistemul HIL contribuie la o mai bunreproducere a fenomenelor reale i la reducerea timpului de procesare a informaiei n simulator. n aceast lucrare


21/62

Rezumat extins

15

se propune o metodologie sistematic de proiectare a acestor simulatoare, apoi se arat cum se aplic aceast procedur la construcia unei platforme de dezvoltare bazate pe un simulator de timp real al unui SCEE de mic putere, cu vitez variabil i cu generator asincron dublu alimentat (sau cu dubl ieire, GADA). Structura, performanele i posibilitile acestei platforme printre care cea mai important din punctul de vedere al scopuluilucrrii de fa, este validarea n timp real a diverselor legi de conducere sunt ilustrate prin cele mai semnificative

rezultate experimentale.Utilizarea conceptului HILS corespunde n mod natural necesitii validrii experimentale pentru legile de

conducere asociate diverselor sisteme fizice, n condiii de laborator. Se consider unsistem fizic de baz (SFB,basic physical system BPS), pentru care se formuleaz o anumit problem de comand. Modelul matematicasociat se poate scrie astfel:

(6) ( , )( , )

= =x F x uy G x u

i

,

undeu, x i y sunt vectorii de intrare, stare i respectiv ieire,F i G fiind cmpuri vectoriale n general neliniare.n general, un simulator HIL este construit astfel nct s reproduc cu costuri minime comportamentul

dinamic al SFB n scopul realizrii de experimente deterministe i repetabile n bucl nchis, n condiii delaborator. Ideea care st la baza structurilor HIL presupune c SFB poate fi n mod natural mprit n dousubsisteme care interacioneaz unul cu cellalt: primul sistem ofer energia primar regsit n SFB, iar al doileasistem servete la realizarea conducerii SFB. Natura primului subsistem este astfel nct experimentrile n buclnchis se fac cu costuri importante, neputndu-se realiza experimente deterministe/repetabile. De aceea, acestsubsistem va fi cel al crui comportament trebuie emulat, deci el va fi nlocuit de un simulator fizic denumitsistem fizic emulat (SFE,emulated physical system EPS). Cel de-al doilea subsistem este preluat n simulatorul HIL

exact aa cum este n SFB. Deoarece el reprezint obiectul unei operaii de cercetare-dezvoltare, el va fi denumitsistem fizic investigat (SFI,investigated physical system IPS).

SFE i SFI furnizeaz ieiri care au o aceeai natur i care se consider c interacioneaz prin intermediulunui aa-numitmediu de interaciune (interaction environment IER). n general, la nivelul acestui din urmsubsistem are loc un transfer de putere. Astfel, din punct de vedere sistemic, ieirile lui SFE i SFI sunt intrri(variabile-cauz) pentru IER, n timp ce ieirea (variabila-efect ) lui IER deriv dintr-o ecuaie diferenial caredescrie o lege de conservare a energiei.

Referitor la construcia sistemului HIL, SFI rmne exact cu aceeai structur ca n SFB (studiul sureprezint unul din scopurile construciei simulatorului HIL), iar IER este nlocuit de ctre un mediu de interaciunemai ieftin i mai simplu, adecvat simulrii SFB, denumit prin acronimul IES. SFE este nlocuit de ctre un aa-numitsimulator fizic de timp real (SFTR,real time physical simulator RTPS), care include de asemenea difereneledintre IER i IES. Elementele de mai sus trebuie alese astfel nct simulatorul HIL rezultat s aproximeze (nanumite ipoteze) comportamentul dinamic al SFB.

n SFB, interaciunea SFE-SFI ia loc la nivelul IER, i determin biunivoc natura seturilor de variabile cauz-efect asociate (de exemplu, interaciunea dintre dou sisteme rotative este reprezentat de ctre perechea cuplumecanic turaie). Prin urmare, acelai tip de interaciune (SFTR-SFI) trebuie s existe n interiorul sistemuluiHILS. Urmrindu-se un punct de vedere sistemic, se alege o aa-numit pereche de interaciune, format dintr-o

variabil cauz i dintr-una de tip efect. n simulatorul HIL se regsete aceeai pereche (de aceeai natur fizic),compus dintr-o variabil din SFTR i una din SFI. De fapt, interaciunea dintre SFTR i SFI trebuie controlatastfel nct HILS s aproximeze SFB; aceasta se realizeaz prin aservirea variabilei de interaciune din SFTR, pe


22/62


16

baza unei msuri a variabilei din SFI, conform modelului interaciunii. Variabila controlat este numitvariabil de pilotaj , iar cealaltvariabil de rspuns.

Fig. 9 Arhitectura general a sistemelor HIL, cu punerea n eviden astructurii SFTR

n figura 9 se prezint structura simulatorului HIL i se evideniaz componena SFTR. Se poate observa cSFTR este compus dintr-o parte software (simulator software de timp real SSTR,real time software simulator RTSS) i o parte hardware, care este denumitefector (EFT). Valoarea variabilei de pilotaj este calculat pe bazaunui model al SFE i IER, coninut n SSTR, i folosind o msur a variabilei de rspuns. Variabila de pilotaj estematerializat prin intermediul EFT, care conine un subsistem fizic dependent de natura interaciunii SFE-SFI. EFTeste de fapt o bucl de urmrire pentru variabila de pilotaj.

n figura 9 se poate observa c variabila de rspuns este afectat de dinamica senzorului, descris de cmpulvectorialS, iar cea de pilotaj de dinamica lui EFT (descris de cmpul vectorialE). Deci valorile instantanee aleacestor variabile sunt uor modificate i HILS nlocuiete SFB dac sunt ndeplinite aa-numitelecondiii de

reproductibilitate.n funcie de modul de alegere a variabilelor de pilotaj i de rspuns, se ntlnesc dou situaii:Cazul 1: variabila de pilotaj este o ieire/stare a lui IES, deci o variabil-efect, modelul implementat n SSTR

este strict cauzal i poate fi uor realizat; structura HILS corespunztoare se obine prin punerea comutatoarelor dinfigura 9 pe poziia 1.

Cazul 2: variabila de pilotaj este o intrare n IES, deci o variabil-efect, modelul implementat n SSTR estenecauzal; structura HILS corespunztoare se obine prin punerea comutatoarelor din figura 9 pe poziia 2.

Fiecare din cele dou situaii are dezavantaje. Astfel, n primul caz dinamica EFT este destul de lent(raportat la dinamica principal a SFB), n timp ce punerea n practic a celui de-al doilea caz este dificil de realizatdatorit necesitii de a calcula derivatele temporale ale unor variabile ce intervin, puternic afectate de zgomotul demsur. n cele ce urmeaz, modelul implementat n SSTR (i care conine modelul SFE i o reprezentare adiferenei dintre IER i IES) va fi referit prin acronimul EPSM (emulated physical system model ).

e t o d o l o g i a d e p r o i e c t a r e a s t r u c t u r i l o r H I L

O structur SHIL const, deci, ntr-un simulator fizic de timp real (SFTR/RTPS) care interacioneaz cu unsistem fizic investigat (SFI/IPS). Interaciunea dintre cele dou este comandat prin componenta software asimulatorului, care include un model al sistemului fizic simulat. Se propune n continuare a metodologie general de proiectare a structurilor SHIL, constnd n paii urmtori.

1) Deducerea modelului matematic al sistemului fizic de baz (SFB/BPS),conform cu problema de comand formulat, viznd identificarea subsistemelor SFB, precum i a variabilelor de intrare, de stare i de ieire.

Real TimePhysical Simulator

DA

D

Real TimeSoftwareSimulator RTSS

PhysicalPart

EFT

RTPS

1 p q

sense

E

S

Synthetic Input(perturbation) Control

input2

E q p 1q

IPSA

u I

y

selection

selection

H I L S s t r u c t u r e

IES

2 E q 1

1

2

2drivingvariablecontrol


23/62

Rezumat extins

17

2) DelimitareaSFI i a sistemului fizic emulat(SFE) n schema structural aSFB i alegerea variabilelor deinteraciune. Acest pas este ghidat de cerinele impuse structurilor HIL n legtur cu SFI, care este luat ca atare dinSFB. SFI este punctul de plecare, deoarece mediul su real trebuie transpus n condiii de laborator. SFE rezult prin detaarea SFI din SFB; natura interaciunii dintre aceste dou subsisteme determin complet alegerea perechiide interaciune, precum i frontierele mediului de interaciune.

3) ConfigurareaSFTR, privitoare la dou operaii, i anume stabilirea prii fizice a efectorului, care trebuies fie cuplat direct la SFI i, respectiv, alegerea variabilei de pilotaj i a celei de rspuns.

4) Dezvoltarea modelului detaliat alSFE (EPSM) , care va fi implementat n simulatorul software de timpreal (SSTR). Acest pas depinde de alegerea variabilei de pilotaj i de cum este realizat SSTR. Modelul cutat poatefi implementat fie n form direct, dac exist posibilitatea / dorina ca variabila de pilotaj s fie n mod naturaldefinit ca variabil de ieire (efect), fie n form invers, dac se consider o cauz drept variabil de pilotaj.

5) Implementarea practic a SSTR, realizat cu ajutorul modelului SFE dedus la pasul 4). O problem dificileste de a asigura simultan operarea n timp real a SSTR i imunitatea lui la perturbaii, cu att mai mult cu ct acestmodel descrie o dinamic rapid i c modul de pilotaj adoptat n SFTR implic necauzalitatea modelului SFE.

6) Proiectarea sistemului de urmrire coninut n partea fizic a SFTR (efectorul EFT). Dificultateasintezei unei legi de comand pentru aceast bucl este n general datorat neliniaritii procesului i variaiilorrapide ale parametrilor si dinamici. n consecin trebuie garantat ca timpul tranzitoriu al EFT s fie mult mai micdect cel al SFE.

7) ConstruireaSFI, care este puternic dependent de context.

Ap l i c a i e : s i m u l a t o r d e S C E E

Metodologia expus mai sus este utilizat n lucrarea de fa pentru construirea unei platforme (simulator de

timp real) pentru clasa considerat de SCEE, cu excepia faptului c structura de generare este bazat pe ungenerator asincron dublu alimentat (GADA,doubly-fed induction generator DFIG). Astfel, SFTR a fost identificatca fiind subsistemul aerodinamic al turbinei (rotorul), iar SFI este GADA comandat n cuplu. Modelele privitoare laSCEE au fost nglobate n partea software a simulatorului, n timp ce partea hardware const n principal ntr-unsistem de comand a unei maini de curent continuu (DCM n figura 10). SFI a fost proiectat i construit exact aacum este n SCEE.

Deoarece folosete viteza vntului sintetizat, un astfel de simulator poate fi utilizat la analiza performanelorunei turbine eoliene, precum i la testarea ei n diferite regimuri de funcionare (sau de avarie), la validareadiferitelor strategii de comand ale generatorului i la studiul transferului de putere ctre reea. Rezultatele

experimentale ilustreaz funcionarea prilor principale ale simulatorului, precum i operarea global a acestuia ndiferite regimuri. Aceste rezultate arat comportarea perfect realist a simulatorului n raport cu sistemul original,date fiind ipotezele de modelare adoptate. Ca o concluzie a demersului ntreprins, se prezint n continuare diagramafuncional complet a simulatorului de timp real de SCEE, proiectat conform metodologiei HILS propuse(figura 10).

n SFI (partea dreapt a figurii 10), structurile de comand care realizeaz transferul puterii de la rotorulGADA ctre reea au fost implementate n Matlab/Simulink TM (pe calculatorul PC1) i translate pentru procesorulint DS1005 cu ajutorul pachetului Real Time Interface. Aceast component software include de asemenea i uncontroller al modului de operare, responsabil pentru comportamentul de ansamblu al SCEE. Codul rezultat ruleaz pe procesorul DS1005 Power PC, mpreun cu simulatorul software de timp real (SSTR). Fluxul bidirecional deinformaie care conine informaia de msur (A/N), ieirile PWM, semnalele binare de configurare pentru


24/62


18

sistemul de putere, ieiri N/A pentru vizualizarea rapid a semnalelor rapid variabile este suportat de un sistemcomplex de intrare/ieire al procesorului de semnal. Variabilele de interes sunt monitorizate prin intermediulinterfeei ControlDesk. Partea stng a figurii 10 conine structura SFTR descris anterior, monitorizat cuajutorul pachetului software TestPointTM pe calculatorul PC2.

Fig. 10 Diagrama funcional a simulatorului de timp real de SCEE,conform metodologiei HILS

Eforturile viitoare vor fi ndreptate spre extinderea capacitii platformei de dezvoltare de a implementadiferite modele ale vitezei vntului, diferite tipuri de rotor (de exemplu, pentru turbine cu ax vertical i unghi decalare variabil,vertical axis wind turbines VAWT) i diferite tipuri de transmisii mecanice (de exemplu, flexibile

sau cu mai multe raporturi de transmisie) i, de asemenea, diferite legi de comand care asigur operarea la vitezvariabil.

IV. Maximum Power Point Tracking (MPPT) o abordare bazat pe informaieminimal

Problema de a menine punctul de funcionare n jurul celui care asigur conversia optimal a energieivntului este rezolvat aici n condiiile n care nu se cunosc parametrii subsistemului aerodinamic. Se dezvolt onou metod de obinere a informaiei de poziie a punctului de funcionare a turbinei pe caracteristica de putere, bazat pe teoria controlului extremal, (extremum seeking control ESC), n care sistemul este adus la optimalitatefolosind o comand obinut din rspunsul sistemului la injecia unor semnale de prob. n cazul de fa, n loc sse injecteze semnale de cutare armonice, legea de control folosete turbulena vntului ca perturbaie de

cutare. Viteza de rotaie a turbinei este ajustat (suficient de lent) pe baza transformatelor Fourier ale unor msuridin sistem. Demersul ntreprins este validat prin simulri numerice.

Metodele de control extremal constau n cutarea punctelor de extrem ale unei dinamici modelate printr-o

3DCM DFIGlocalgrid

DSPTMS320F240

3

3

User Simulink&ControlDeskInterface

localgrid

TestpointInterface

filter

DCM DCM i

busV ~i

~V ~i

~V

DS1005(dSPACE)

speed

DCMcurrent control

high speedshaft

characteristicsemulation

turbine emulator

referencetorque

OPERATING MODE CONTROLLER

filter

HILS

RTSS IPS

EFT

DClink

torque

compute :wind speed;high speedshaft torque.

electromechanicalsubsystem

PWM PWM

RTPS

interaction

PC2 PC1

generator control

rotor powertransfer

= 3~

h

WECScontrolwind turbine


25/62

Rezumat extins

19

funcie unimodal prin excitarea acesteia cu semnale sinusoidale de prob [ASTR 95a], [KRST 00], [ARIY 03].Schema bloc principial este dat n figura 11a) [KRST 00], unde se vede c regulatorul realizeaz o operaie demodulare/demodulare, iar ieirea lui este o component armonic numit semnal de prob (cutare). Schema coninen mod uzual un filtruwashout (pentru separarea componentelor de nalt frecven ale ieirii prii fixate), undemodulator, un filtru trece jos i un integrator pentru obinerea componentei medii a comenzii, precum i un

sumator cu semnalul de prob.

Fig. 11 Principiul cutrii extremale [ARIY 03]

Se consider o parte fixat coninnd o dinamic descris de o funcie unimodal generic notat cu( ) f ,

avnd maximul la opt . n aceast abordare, argumentul funciei f are dou componente: una medie, , i o

component armonic, de amplitudinea, utilizat ca semnal de prob (figura 11a)). Se consider apoi dezvoltarea n

serie Taylor a acestei funcii n jurul maximului,( )opt f , cu opt = fiind eroarea de cutare. Deoarece

constanta de integrare,k , i amplitudinea excitaiei,a, sunt pozitive i ( )opt f este negativ, din schema blocanterior descris se poate deduce c gradientul erorii de cutare este negativ [ARIY 03]:

(7) ( )2 0

4opt k a f = ,

i, deci, procesul de cutare este convergent. Frecvena excitaiei,, trebuie s fie suficient de mare ca s asigurestabilitatea sistemului n bucl nchis; parametrul filtrului trece sus (washout filter ), h, depinde de aceast frecven[ARIY 03].

S considerm acum cazul unei turbine eoliene a crei eficien aerodinamic este descris de coeficientul de

putere pC , ca n figura 11b), i s presupunem o variaie sinusoidal de frecven i amplitudinea suficient de

mic a vitezei relative, . n funcie de poziia punctului de operare pe curba coeficientului de putere, variaiaacestuia va rezulta sinusoidal, n faz cu variaia lui dac este vorba de partea ascendent i, respectiv, defazatcu pentru poziionarea pe partea descendent (componentele de intermodulaie sunt neglijate pentru valori mici

ale luia). Calcule simple arat c intrarea integratorului,d dt , i va schimba semnul ca rspuns la deplasarea

punctului de operare (PO) de o parte i de alta a maximului curbei pC (a se vedea figura 11b)); presupunnd pante

egale ale curbei pC , intrarea integratorului i, deci, direcia de cutare variaz ca n relaia (8):

(8) ( )2d d sint k b t =

n consecin, PO se va deplasa ctre optim; viteza de convergen depinde proporional dek , a i 1

[ARIY 03].

( ) pC

opt

( ) p opt C

( )sina t

( )sinb t + ( )sinb t b)

k s

( ) ( ) ( )( )22opt

opt opt f

f f

= +

s s h+

+

f Plant

( )sina t ( )sin t

a)


26/62


20

Cum se utilizeaz acest principiu la comanda sistemelor de conversie eolian abordate? n loc de a aplicasistemului un semnal sinusoidal de prob, se intenioneaz utilizarea unei perturbaii deja existente, i anumecomponenta de turbulen a vitezei vntului . n acest caz, procesul de modulaie se realizeaz n mod natural prinintermediul variaiilor (nearmonice) de nalt frecven ale vitezei vntului. Aceast nou form a algoritmuluiMPPT este rezumat n cele ce urmeaz.

Viteza relativ, ( )t , poate fi calculat folosind msuri ale vitezei vntului i ale turaiei, conform cu relaia

sa de definiie (1). n ipotezele menionate anterior, coeficientul de putere poate fi estimat din informaia de putere

electric, ( ) P t , i din viteza vntului, folosind urmtoarea relaie:

(9) ( ) ( )( )320.5

p P t

C t R v t

=

,

cu fiind randamentul neunitar al conversiei din putere mecanic n putere electric.

n cele ce urmeaz, vor fi utilizate variaiile normalizate n raport cu valorile maxime ale acestor dou

semnale. Considernd descompunerile n serie Fourier ale semnalelor( )t i ( ) pC t , evident, fiecare componentarmonic a lui ( )t va genera un rspuns armonic care este parte din( ) pC t . Metoda expus n seciunea anterioar

poate fi extins acestei noi situaii lund componentele seriilor Fourier i compunndu-le/mediindu-le efectele.

Aceast idee conduce la dou abordri de obinere a poziiei PO pe curba pC , care este de fapt obiectivul

demodulrii:a) folosirea transformatei Fourier discrete (TFD) pentru extragerea informaiei de faz a fiecrei componente

armonice a semnalelor ( )t i ( ) pC t . O medie a acestor valori trebuie s dea defazajul dintre cele dou semnale

notat n continuare cu ( )t care conine informaia de poziie medie a PO. Valorile lui( )t se vor situa maiaproape de 0 dac PO se afl la stnga maximului curbei pC (pe partea ascendent) i mai aproape de dac PO

se afl la dreapta maximului curbei pC (pe partea descendent);

b) demodularea poate fi realizat i prin convoluia semnalelor( )t i ( ) pC t , ntruct produsul

componentelor armonice (obinute prin TFD) este echivalent cu operaia de convoluie n domeniul timp[OPEN 97].

Metoda propus n continuare se bazeaz pe prima abordare de obinere a informaiei despre poziia POcurent. Deci, n loc de a calcula gradienteleinstantanee care nu e o sarcin trivial n condiiile unui mediu rapid

variabil se propune deducereadecalajului de faz mediu, notat cu, ntre coeficientul de putere i viteza relativ, pe baza calculului TFD al celor dou semnale pe o fereastr de timp convenabil dimensionat. Astfel, zona de la

stnga maximului este caracterizat de


27/62

Rezumat extins

21

dintre ele este n jur de ). Pentru a decide poziia curent a punctului de operare n raport cu cel optimal, s-arealizat un discriminator de faz pe baza calculului transformatelor Fourier ale celor dou semnale, extragerea

informaiei de faz i deducerea defazajului mediu,( )t .

Structura de comand, prezentat n figura 12, este compus din dou pri principale, i anume un bloc de procesare a informaiei i un bloc de generare a referinei de turaie. Din decelarea poziiei PO pe partea ascendent

a curbei pC integratorul va procesa o valoare pozitiv, furniznd mrirea referinei de vitez relativ. Dimpotriv,

dac PO se afl pe partea descendent a curbei pC , atunci referina de vitez relativ trebuie diminuat. Aceasta se

poate realiza prin integrarea unei funcii neliniare avnd ca argument informaia de defazaj mediu,( )sgn 2 .

n interiorul primului bloc se obin semnalele normalizate( ) pC t i ( )t folosind msuri ale puterii electrice

i vitezei vntului. Aceste semnale trecute printr-o fereastr Blackman pentru a evita efectul Gibbs sunt date deintrare pentru un algoritm TFR, pentru calculul spectrelor lor de faz i, n final, pentru deducerea informaiei de

poziie medie, ( )t , dup cum s-a menionat n seciunea precedent. Pentru consistena informaiei trebuie aleas o

fereastr de timp suficient de larg, 2 ,nC S T T n= , n raport cu dinamica turbulenei.

Fig. 12 Structura de comand MPPT propus

Deoarece poziia PO variaz n mod continuu n jurul PO optimal (panta eficienei aerodinamice se schimbn mod continuu), n interiorul celui de-al doilea bloc al structurii de comand se implementeaz o prelucrare

preliminar a semnalului( )t , prin aproximarea funciei (discontinue) signum printr-o funcie continu (e.g. liniar

sau tangent hiperbolic). Rezultatul acestei operaii, aplicat integratorului, produce o referin de vitez relativ,

actualizat la fiecareT C secunde dup calculul defazajului. Ieirea structurii de comand o constituie referina deturaie, obinut din referina de vitez relativ, filtrarea trece-jos i limitarea vitezei de cretere din raiuni tehnicece in de comanda generatorului.

Odat stabilit durata calculelor,T C , din raiuni legate de dinamica turbulenei, parametrul cheie estecoeficientul integratorului , k , care depinde deT C i de viteza maxim de cutare dorit. Se poate considera c o performan relativ bun a acestei structuri de comand o reprezint o deviaie standard (dispersie) suficient de mica vitezei relative. Deci coeficientulk poate fi ales astfel nct turbina s compenseze aceast deviaie pe duratacalculelor,T C .

Pentru validarea soluiei propuse pentru sisteme eoliene de mic putere bazate pe turbine cu ax orizontal s-au

realizat simulri n mediul integrat Matlab&Simulink. Dat fiind c informaia disponibil este srac, simulrileau demonstrat c se obin performane suficient de bune cu un efort al comenzii rezonabil (a se vedea figura 13).Punctul de operare curent se mic n jurul celui optimal pentru tot domeniul de variaie a vitezei vntului n

LPF _

P

v

pC

FFT

FFT

+

measures

position info1/i

S T

2n

phaseinfo

phase

info

sgn2

k s

1 R

ddt

i

v

referenceoutput

C T


28/62


22

regiunea de sarcin parial. Intrarea de comand se obine din poziia medie a punctului de operare, dat de

defazajul mediu, ( )t , deci variaiile ei sunt de joas frecven, reprezentnd stres mecanic suplimentar redus.

Metoda propus nu poate impune suprapunerea perfect a valorii vitezei relative medii peste cea optimal,dispersia primei depinznd de intensitatea turbulenei vntului. Aceast metod poate deveni inaplicabil dacintensitatea turbulenei se gsete sub o anumit limit, altfel informaia obinut poate deveni inconsistent. Daraceasta este o situaie destul de puin probabil; dimpotriv, nivelul turbulenei crete odat cu viteza medie avntului, de aceea ne ateptm ca eficiena metodei s creasc i ea, conducnd la un randament energetic totalcrescut al sistemului. Cel mai important avantaj al metodei prezentate esteindependena de parametrii sistemului ,ca rezultat al utilizrii unei cantiti minime de informaie din sistem.

Aceste concluzii permit considerarea abordrii de conducere propuse ca fiind promitoare pentru dezvoltriulterioare.

Printre viitoare puncte de interes se numr obinerea informaiei de poziie a punctului de operare princonvoluia semnalelor de vitez relativ i coeficient de putere, precum i implementarea unei cutri cu vitez

adaptat n funcie de intensitatea turbulenei vntului. Aceeai informaie de msur se poate obine prin calculultransformatelor Fourier sau al convoluiei semnalelor de putere activ i turaie a arborelui rapid, msurarea vitezeivntului ne mai fiind necesar.

Fig. 13 Performana legii de comand n termeni de randamentenergetic obinut

Conform cu [ARIY 03], n afar de parametrulk , amplitudinea i perioada semnalului de prob determinviteza de convergen a procesului de cutare. Dar, dup cum se afirm n [NICH 02], creterea turbulenei vntuluiimplic amplitudini i frecvene crescute. Aceasta sugereaz c influenele acestor doi parametri asupra vitezei de

convergen se compenseaz una pe cealalt ntr-un mod care merit studiat n viitor.

0 2 4 6 8 10 12 140

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

[ ]

[ ] pC

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.50

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

[ ]

( ) p

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

[ ]st

[ ] pC

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

[ ]rad/sl

[ ]Wwt P

ORC

a) b)

c) d)


29/62

Rezumat extins

23

. Conducerea optimal n regim alunector a sistemelor de conversie aenergiei eoliene

Aceast parte a lucrrii descrie o manier de realizare a optimizrii energie-fiabilitate a SCEE prinintermediul conducerii n regim alunector. Abordarea propus vizeaz proiectarea unui compromis ajustabil ntremaximizarea puterii captate din vnt de un SCEE de vitez variabil bazat pe turbin cu ax orizontal i echipat cugenerator asincron dublu alimentat (GADA doubly-fed induction generator DFIG) i minimizarea solicitrilormecanice.

Optimizarea dinamicii SCEE din acest punct de vedere este aici realizat prin intermediul comenzii n cuplua generatorului. Astfel, trebuie gsit o suprafa de comutaie adecvat n planul vitez de rotaie putere care s permit diminuarea variaiilor de cuplu cnd se renun la precizia de urmrire a optimului energetic i viceversa.Aceasta este echivalent cu a opera SCEE orict de aproape se dorete de caracteristica regimurilor optimale (CRO), prin ajustarea parametrilor legii de comand propuse.

Aceast lege este validat att prin simulare numeric (off-line), ct i prin simulare n timp real pe un standexperimental dedicat, construit pe baza conceptului de simularehardware-in-the-loop; rezultatele ilustreazndeplinirea obiectivului de conducere.

Prin comanda n regim alunector punctul static de operare al sistemului poate fi forat s evolueze pe o

suprafa de comutaie adecvat aleas,( ), ,u t x , care corespunde unei traiectorii de stare medii [LEVI 96],

[YOUN 99]. Aceast suprafa de comutaie trebuie s permit operarea turbinei mai aproape sau mai departe deCRO, necesitnd n mod implicit o dimensionare antagonist a efortului de comand.

Rezult c suprafaa de comutaie trebuie s depind de viteza vntului; cerinele de fiabilitate impunnecesitatea unei anumite liberti de micare a punctului de operare n jurul CRO, deci suprafa de comutaie

trebuie poziionat n vecintatea CRO. Imaginea ei n planul (l , wt P ) trebuie s aib o intersecie nevid cu CRO

pentru fiecare valoare a vitezei vntului, precum i o pant ajustabil pentru impunerea unei anumite dinamici nregim alunector, conform cu o valoare dorit a compromisului energie-fiabilitate.

Fig. 14 Schema bloc a SCEE comandat n regim alunector

Figura 14 prezint diagrama bloc a SCEE comandat n regim alunector, unde notaiah este nlocuit

pentru simplitate cu (i n tot restul acestui capitol), AS este subsistemul aerodinamic, DT este transmisiamecanic, LSS este arborele lent, HSS este arborele rapid i GIS reprezint subsistemul de interfa cu reeaua.Modelul sistemului se compune din ecuaia de micare adus la arborele rapid i dinamica de ordinul nti asubsistemului electromagnetic (EMS):

3~ DC

AC

grid 3~

torquecontrol

SMC Control Algorithm

SCIG

ROTOR

windPWM

h GG

VS WECS

AS,S S I V

EMS

HSS

anemometer specs

grid P

GLSS

DTGIS =

v CS


30/62


24

(10) ( )( ) ( , )

( )

wt h G h

G G G G

t i v i J J

t T u T

=

= +

i

i

Date fiind variaiile puternice de cuplu datorate efortului de urmrire a vitezei relative optimale, alegerea uneisuprafee de comutaie adecvate nu este o sarcin trivial. O astfel de suprafa, care depinde de viteza vntului i deun anume nivel dorit al compromisului energie-fiabilitate, a rezultat dintr-un demers sistematic [LEVI 96]:

(11) ( )1 2 1 2

h

h G h wt G h h G h

J

a J a J i a J a J J

= + = + i

i,

unde parametrula1 este inversul negativ al constantei de timp n regim alunector (performan care se impune).Regimul staionar se impune prin intermediul parametruluia2; n acest fel se poate caracterizat echilibrul pesuprafaa de comutaie. n cazul de fa, innd cont c interesul este ndreptat spre optimizarea energetic, punctulde echilibru este stabilit ca fiind cel deoperare optimal (adic pe CRO). Se dorete asigurarea unei anumite

liberti de micare a punctului de operare n jurul CRO, prin impunerea unei dinamici dorite de ordin redus nregim alunector. Se observ c suprafaa de comutaie depinde de derivata unei variabile de stare (i anume, avitezei de rotaie), ceea ce este un inconvenient pentru implementarea n timp real. Pentru estimarea acestei derivate

se folosete un filtru trece-sus de ordinul nti, cu funcia de transfer1 f

sT s +

, cu 0.1 s f T = .

Legea de comand n regim alunector se obine ca [LEVI 96]:

(12) eq N u u u= + ,

unde equ estecomanda echivalent, avnd dimensiuni de cuplu:

(13) ( )( )1 2 12

( , )1

Geq G h h G

h

T u a J a J a A va J

= + +

,

unde ( ) ( )4 ' 2( , ) 0.5 ( ) ( ) p p A v v R i C C = , cu ' ( ) d ( ) d p pC C = , iar u , componentaalternant a comenzii , rezult din alegerea ptratului suprafeei de comutaie ca funcie (de energie) Lyapunov:

(14) sgn ( ) N hu = ,

unde 0 > i sgn ( )h reprezint funcia signum cu histerezis de limeh.

Parametrula1 se alege ca 1 1 sma T = , unde constanta de timp 0 smT > . Valoarea luia2 rezult dinimpunerea unui regim staionar int, i anume punctul de funcionare optimal (PFO), corespunztor valoriiopt :

1 2 0opt opt a a

= + =, cu ( , )opt opt fiind imaginea PFO la arborele rapid. De aici rezult c

2 1 opt opt a a= . Se propune ca acest parametru s se modificedinamic conform urmtoarei expresii:

(15) ( )( )2 1 1

opt

opt opt opt

a ak

=

+ ,

unde k 0. Aceast modificare conduce la reducerea variaiilor punctului de operare n jurul PFO, dup cum aratrezultatele de simulare. Expresia (15) este valabil numai n jurul PFO, altfel parametrula2 poate lua valori suficientde mari ca sistemul s prseasc regimul normal de operare. n continuare se arat c valori mari ale parametruluik


31/62

Rezumat extins

25

asigur atingerea mai rapid a regimului staionar (optimal),( , )opt opt , deci o urmrire mai bun a CRO.

Sistemul este forat astfel s urmreasc mai precis obiectivul conducerii, i.e. optimizarea conversiei, dar variaiilecomenzii sunt mai semnificative, cu consecine negative asupra fiabilitii. Acest parametru ofer posibilitatealimitrii efortului comenzii i poate fi utilizat pentru dimensionarea echilibrului energie-fiabilitate. n consecin,

cndk crete, panta imaginii suprafeei de comutaie n planul (, P ) se mrete i ea pentru a urmri mai bine CRO.Deoarece perechea( , )opt opt depinde de viteza vntului, rezult c i suprafaa de comutaie variaz cu viteza

vntului.

Pornind de la rezultatele de mai sus, eq N u u u= + poate fi calculat conform urmtorului algoritm.

Parametri de intrare: R, , i, J h, T G, opt , curba coeficientului de putere, ( ) pC .

Prelucrri off-line:

1. Impunerea dinamicii n regim alunector, smT , i calculul parametrului1 1 sma T = .

2. Alegerea parametrilor, k i h.

Prelucrri on-line:0. Se msoarv, , G i se calculeaz ( ) R v i = , ( , )opt opt .

1. Se calculeaz ( )' 2( ) ( ) ( ) p pC C = i ( ) ( )4( , ) 0.5 A v v R i = .

2. Se calculeaz( )( )2 1 1

opt

opt opt opt

a ak

=

+ .

3. Se obinei

i se determin suprafaa de comutaie, 1 2t t G t a J a J J = + i

.

4. Se calculeaz intrarea de comand echivalent:

( ) ( )1 2 12

( , )1

g eq G t t G

t

T u a J a J a A v

a J = +

+ .

5. Se calculeaz componenta comutat a intrrii de comand, ( )sgn N hu = .

6. Se obine valoarea intrrii de comand totale, eq N u u u= + .

O b s e r v a i e :

( ) este practic constant ntr-o vecintate a CRO, avnd o valoare apriori determinat.a1 i a2 sunt

principalii parametri ai legii de comand, ultimul depinznd de un parametru prin care se regleaz compromisul

energie-fiabilitate,k . Exist i ali parametri ajustabili, care intr n calculul componentei alternante, N u , i carecontribuie la flexibilitatea legii de comand.

Simulrile numerice (off-line) au fost realizate n mediul integrat Matlab/Simulink TM, cu ajutorul uneidiagrame Simulink construite pentru implementarea algoritmului de mai sus pentru comanda unui SCEE de mic putere (6 kW) cutransmisie mecanic rigid echipat cu generator asincron cu rotor n scurtcircuit (GASC).

Experimentele de validare n timp real s-au realizat pe un simulator 1:1 care implementeaz acelai sistem can III (figura 10) i anumeSCEE cu GADA i transmisie mecanic rigid construit pe baza conceptului desimularehardware-in-the-loop, conform metodologiei detaliate n acelai capitol. Algoritmul prezentat anterior, care

implementeaz legea de comand n regim alunector, a fost translat pentru procesorul int DS1005 cu ajutorul pachetului Real Time Workshop (RTW) din Matlab/Simulink TM.Din punctul de vedere al algoritmului de mai sus, diferenele n operarea celor dou configuraii de SCEE


32/62


26

(GADA i GASC) pot fi neglijate pentru urmtorul motiv. Aceste diferene constau n dou structuri diferite desubsisteme electromagnetice (SME), dar care sunt ambele comandate n cuplu. Rezultatul comenzii este acelai, ianume cele dou SME sunt echivalente din punct de vedere dinamic n contextul global al comenzii n regimalunector.

Fig. 15 Rezultate de simulareoff-line (=0.3)

Figura 15 prezint dou tipuri de rezultate de simulareoff-line, i anume rspunsul la modificarea n treapt a

vitezei vntului (figurile 15a15c)) pentru cazul n care parametrulk ia valoarea 0, i rspunsul la o secven

pseudoaleatoare a vitezei vntului (figurile 15d15i)). Figurile 15a) i 15b) arat c punctul de funcionare este atrasspre noua suprafa de comutaie, evolund apoi n regim alunector ctre optim. Figura 15c) arat poziia suprafeei

de comutaie n raport cu CRO n planul celei din urm, pentru diferite viteze ale vntului. n a doua i a treia liniede figuri simulrile s-au fcut pentru un orizont de timp de un minut i pentru turbulene medii ale vitezei vntului,modelate prin parametrul I =0.17 (conform spectrului von Karman n standardul IEC figura 15d) ik =5.

Figurile 15e) i 15h) prezint regimul de funcionare la vitez variabil al SCEE, iar figurile 15g) i 15f) arateficiena legii de comand n ceea ce privete regimul de conversie optim. Aceast eficien depinde n mod directde viteza vntului (figura 15i)), sugernd utilitatea unei legi de ajustare adaptive a parametruluik .

Legea de comand, calculat cu ajutorul algoritmului de mai sus prezint urmtoarele dezavantaje:

a) coordonatele punctului optim de funcionare n funcie de viteza arborelui rapid,( ),opt opt , trebuiecalculate folosind parametrii turbinei, ai transmisiei mecanice i randamentul generatorului electric;

b) variaiile parametrului ( , ) A v n jurul punctului optimal de funcionare trebuie calculate;

c) intrrile de comand se bazeaz pe msurarea derivatei vitezei de rotaie a arborelui lent;

4 5 6 7 8 9 10-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

116 118 120 122 124 126 128 130 132 134 136-23

-22

-21

-20

-19

-18

-17

-16

[ ]rad/s

[ ] NmG

,opt opt

,opt opt non slidingtrajectory

7m/sv = 8m/sv =

slidingsurface

6 6.5 7 7.5 8 8.5-23

-22

-21

-20

-19

-18

-17

-16

[ ] i

[ ] NmG

opt trajectory in( G ) plane

, 7m/sopt opt v =

, 8m/sopt opt v =0 5 10 15 20 25 30 35

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

ORC

commutationsurfacek = 0

[ ]/ rad/si

[ ]Wwt P

a 2 6m/sv =

0 50 100 150 200 250 3000

2

4

6

8

10

12

[ ]st

[ ]m/sv

wind speedevolution

Von KarmanIEC

60 80 100 120 140 160 180-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

[ ]rad/s

[ ] NmG

state spacetrajectory

k =50.3 =

50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

[ ]st

[ ] i

opt tip speedevolution

[ ] i

[ ] NmG

opt

trajectory in

( G ) plane

50 100 150 200 250 3000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

[ ]st

[ ]rad/s


k =50.3 =

k =50.3 =

k =50.3 =

ORC

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1000

2000

3000

4000

5000

6000

[ ]/ rad/si

[ ]Wwt P ORCtracking

5k =0.3 =

ORC

9m/sv =

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)


33/62

Rezumat extins

27

d) randamentul legii de comand optimale nu este constant pentru tot domeniul de funcionare;e) folosirea unei funcii de tip releu pentru a modifica intrarea de comand produce variaii importante de

cuplu i curent pentru generator.De aceea, forma original a legii de comand n regim alunector relaiile (13) i (14) nlocuite n relaia

(12) necesit anumite modificri pentru a putea fi testat n timp real, pe standul experimental. Toate aceste

inconveniente au fost depite cu succes prin aducerea unor modificri adecvate asupra parametrilor legii decomand.

Fig. 16 Capturi ControlDesk TM pentru ilustrarea comportamentuluiglobal al SCEE n bucl nchis simulat HIL (k =12, =0.3)

Setul de capturi ControlDesk TM din figura 16 ilustreaz evoluia principalelor variabile cnd se

implementeaz operarea la vitez variabil prin strategia de comand n regim alunector propus. Coeficientul cuinfluen asupra balansului energie-fiabilitate a fost setat la o valoare medie,k =5, iar amplitudinea comenzii

alternante, N u , este =0.3. Secvena de vnt pseudoaleatoare de 2 minute din figura 16a) este de medie turbulen

i a fost obinut utiliznd spectrul von Karman n standardul IEC. Ca rspuns la aceast secven de vnt, sistemulSCEE n bucl nchis funcioneaz la vitez variabil (figura 16e)), pentru a-i menine punctul de operare n jurulregimului optimal de conversie, conform unui nivel dorit al compromisului energie-fiabilitate. Acest obiectiv decomand este ndeplinit, dup cum o arat evoluia temporal a vitezei relative (precizia de urmrire a valorii

7opt = se poate estima din figura 16b) i evoluia coeficientului de putere (figura 16m)). Traiectoria de stare

corespunztoare este vizibil n figura 16c), iar evoluiile variabilelor de stare sunt prezentate n figurile 16d) i16e). Figura 16f) arat c legea de comand nu are o eficien uniform de-a lungul ntregului domeniu de operare.

Efortul de comand se poate observa pe figura 16h). Diferenele dintre puterea la arborele rapid,em P figura 16j)

[ ]m/sv

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ]st

[ ] i

[ ] i

[ ] NmG

[ ]Wwt P

[ ]Wem P

[ ]W P

[ ] NmG

[ ] NmG

[ ]Wem P

[ ]rad/sh

[ ]rad/sh

[ ] pC i [ ] pC i

[ ] i

[ ]Wwt P

[ ]rad/sl

[ ]i

[ ] NmG

[ ]rad/sha) ) c)

d) e) f)

g

Phdd_rezumat - In Romana

Documents

Transcript of Phdd_rezumat - In Romana