Vindkraft på Chalmers och i världen

Transkript

1 Vindkraft på Chalmers och i världen Ola Carlson Svenskt vindkraftstekniskt centrum Avdelningen för elteknik Institutionen för energi och miljö Chalmers tekniska högskola Ockelbo

2 Kort historia Chalmerska Slöjdeskolan startas efter en donation av William Chalmers Chalmers blir en statlig högskola med rätt att promovera tekniska doktorer Chalmers blir en stiftelsehögskola

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

4 Studenter Chalmers har cirka studenter (individer)

5 Personal anställda lärare och forskare 782 teknisk och administrativ personal Vetenskaplig publikation ca refereegranskade vetenskapliga artiklar och konferensbidrag

6 Elteknik - forskning Tillämpningsområde: 1. Vindkraft 2. Elkraftsystem 3. El- and hybrid fordon Kompetensområden: Elkraft system Kraftelektronik Elektriska maskiner 46 personal Laboratorie- teoretisk verksamhet

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

8 Moment vid konstant och variabelt varvtal Mätningar från Chalmers testvindkraftverk Konstant varvtal 1986 Variabelt varvtal Nm 175 Nm tid (s) tid (s) Stort momentrippel Höga mekaniska påfrestningar Lång livslängd på växellåda Liten elkvalitetspåverkan

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

10 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

11 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 omriktare med 6 IGBT-transistor Chalmers 1986,2002, industrin cm

12 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

13 Vindkraftverket Varför reglering 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

14 Reglering av vindkraftverk

15 Vind-effekt-kurva Effektbegränsning Begränsa varvtalet Optimal drift

16 Optimal drift i låg- och mellanvind Vindhastighet Generatorvaravtal, ω Generatormoment Turbine

17 Mätningar från ett 2 MW vindkraftvek

18

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

20 Last Vattenkraft Frekvensreglering Extra power output [pu] Case % Hydro unit response Case 4-50% WPR - Hydro unit response Case 4-50% WPR - WT inertia support Time [s] Frequency [Hz] Case 1 Case 2 Case 3 Case Time [s]

21 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

22 Maximizing wind power Integration in distribution system Shemsedin Nursebo Supervisors: Ola Carlson Peiyuan Chen Examiner : Lina Bertling Tjernberg

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

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

25 Assume the annual average wind speed is the same over the area Where and how much to connect? Problem formulation S/S Usually in radial distribution systems voltage rise is the limiting factor Legend network cables S/S Load connection points (11/0.4kV) substation (135/11kV)

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

27 Installed capacity with NA (no reactive power compensation & no wind power curtailment) Power (MW) NA

28 Installed capacity with CE (wind power curtailment) 20 Power (MW) With 0.2% energy curtailment There is a 34 % increase 5 0 NA CE

29 Installed capacity with RC (reactive power compensation Power (MW) By controlling PF of the wind turbine between 0.95 and 1 there is a 57% increase 5 0 NA CE RC

30 Installed capacity with RC &CE (Both reactive power compensation & wind Power (MW) power curtailment) With curtailment of 0.2% and using PF control of wind turbines the penetration is boosted by almost 118% NA CE RC RC & CE

31 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.

32 Wind farms connections 7 6 To day: point to point connections To morrow: meshed grids

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

34 Design of the DC/DC-fullbridge converter Choice of switching frequency A trade off between low weight and low losses Total converter losses [%] Weight Losses Switching frequency [Hz] Weight of the transformer [ton] - 1 khz is a suitable switching frequency. - Weight of 1 khz transformer is ~10% of the weight of a 50 Hz transformer. - METGLAS core.

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

36 Nya industripartners sökes Etapp 2 startade 1 oktober VÄRLDENS SKILLNAD

37 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

38 Current Partners in SWPTC

39 Current Project Partners Bollebygds Plast Teknikgruppen H Gedda Consulting

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

41 Pågående projekt inom SWPTC TG1-1 Reglering av turbiner TG1-6 LIDAR mätsystem för optimering TG1-4 Grid code testning TG2-2 Vindkraft i skog TG5-1 Underhållstyrning av verk TG5-2 Lagerströmmar TG1-5 Mätning på verk TG2-1 Modellering av rotorblad TG1-2 Modellering av elektrisk drivlina 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

42 Allocation of funds for different kind of projects within stage 2 SEK milj S R proj. Continued PhD projects continued from Phase I New PhD projects New senior research projects Research administration/ Centre management costs YEAR

43 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 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

44 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

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

46

47

48 Danish LVRT test LVRT profile 0.50 VSC1 out Time [s] Time [s] Voltage [pu] Voltage [pu] Danish LVRT Controled PCC voltage VSC1 out 2 (a) Time [s] (c) WT Output Power [pu] It1 ABC Time [s] Current [pu] Active Power Test VSC terminal current LVRT TEST. (a) Danish grid code, (b) WT output power, (c) Controlled PCC voltage, and (d) test equipment terminal current. (b) (d) Reactive Power

49 Conventional Method for Grid Code Testing Impedance-based testing device

50 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.

51 Lab test at Electric Power Engineering, Chalmers

52 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 m diameter 40 kw Education Research Rebuilding

53

54

55 TG4-2 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

56

57 TG 2-2 Fatigue Loads in Forest Regions Bastian Nebenführ & Lars Davidson

58 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

59 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.

60 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.

61 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.

62 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).

63 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.

64 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.

65 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.

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

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

68 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.

69 A major challenge - icing of rotor blades

70 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.

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

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

73 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 Power: 600 MW, Energy: 5 TWh Σ=51 TWh Σ =6500 ΜW

74 Success??????

75

76 Future? I drift utanför Portugal

77

78 Teknisk utveckling av vindkraftverk

79 Blad Längd: m Vikt: ca 7-20 ton Storlek och vikt

80 Maskinhus Enercon Vikt: 120 ton Storlek och vikt Maskinhus Vestas Vikt: 70 ton Mått: 10*3*4 m

81 Storlek och vikt Torn Höjd: m Vikt: ca 290 ton (105 m)

82 Two decades of development From this to this!