CHALMERS Vindkraftsforskning. Ola Carlson Institutionen för energi och miljö Avdelningen för elteknik

Transkript

1 CHALMERS Vindkraftsforskning Ola Carlson Institutionen för energi och miljö Avdelningen för elteknik

2 Elteknik - forskning Tillämpade områden: 1. vindkraft 2. transmission, distribution 3. el- och hybrid fordon Grund kompetens: Elkraft system Kraft- Elektronik Elektriska maskiner Experiment och teori.

3 17 PhD thesis 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

4 Chalmers is a part of Power Cluster and WP3-skills leader Discuss the BSc/MSc profiles with companies within the wind energy branch in form of expert interviews. Developing of content for training modules for off shore

5

6 Utbildning Fall- och säkerhetsutbildning, brand, evakuering, första hjälpen Basic safety off shore, maskinhus i verkstad för labbar Kompendium i driftoch underhållsteknik Medverkan i utbildningar i Varberg och Kungälv Studier visar att det behövs minst nya ingenjörer inom10 år

7 Chalmers: Energy Initiative CEI e-scale renewable electricity production and its integration into the electricity network Falbygdens energi är samarbetspartner

8 Multi termina HVDC Offshore Wind Power Electric system new research project G Project 1 High voltage generator dc/dc converters Project 2 omponents, system, modeling eory studies, simulations, easurements in laboratory Project 3 3 PhD & 2 researchers

9 DC grid with HVDC transmission cal wind turbine grid WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT WT DC DC DC DC DC DC DC DC offshore platform DC DC collecting point transmission system wind farm grid interface DC AC PC Nordic project: DTU, Vestas, VTT, Sintef, Chalmers, ABB

10 Wind Energy Research in Sweden Vindval Acceptance and environment Wind Centre Development, design, manufacture & maintenance of wind turbines Vindforsk Wind in forest and mountains Integration in the electric grid Future dc-grid, generator Operation and maintenance El. system for wind power off shore High voltage generators DC collection system HVDC transmission

11 Svenskt Vindkraftstekniskt Centrum VÄRLDENS SKILLNAD

12 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 nav generatorer transformatorer Sprida kunskapen genom undervisning och kurser

13 Temagrupper

14 Pågående projekt inom SWPTC Validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk Dynamik i vindkraftverkets drivlina, systemsimulering och accelererad provning Aerodynamiska laster på rotorblad Modeller för elektrisk drivlina för vindkraftverk Stokastisk modellpredektiv reglering av vindturbiner Strömskador i lager Grid Code testning med VSC-HVDC Last- och riskbaserad underhållsstyrning för vindkraftverk Mätning av vindkraftverk för verifiering av komponentdesign

15 Kommande projekt I Göteborg Göteborg Energi installerar: Chalmers samarbetar: validering av mekanisk- och elektrisk drivlina Ny reglerteknik med LIDAR Grid code testning för vindkraftverk MW General Electric

16 Samarbetspartners

17 Personal Vid universitet: 8 docenter -professorer 10 doktorander 2 tekniker Vid industrin i parallella forsknings- och utvecklingsprojekt: 5 erfarna teknikexperter 5 industri doktorander 5 ingenjörer/tekniker Totalt: personer vid universitet och industri

18 CHALMERS PERFORMANCE INNOVATION SMART GROWTH

19 Validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk I det här projektet studeras validering av strukturdynamiska modeller av vindkraftverk. Två olika modeller behövs, en detaljerad strukturdynamisk modell samt en förenklad modell baserad på den detaljerade. Den detaljerade modellen ska bygga på fysikaliska lagar. Modellen kan användas för att studera egenskaper hos elastiska material, variation i materialdensitet, variationer av laster i tid och rum, komponentdynamik, temperaturförändringar, bladvridning, etc. Fördelen med den förenklade modellen är dess snabbhet och den är användbar för systemoptimering. Projektet behandlar tre viktiga aspekter av validering. Den första är fokusering på planering före test, det vill säga att datan från testerna är informativ med avseende på de fysiska egenskaper som ska valideras. Den andra aspekten är modellkalibrering, vilket kan ses som ett optimeringsproblem där man söker efter den modell som avviker minst från observationer. Detta förutsätter att reell testdata är tillgänglig och det planeras för detta. En sammanfattning av lärdomarna i det här projektet och andra källor kommer att göras för att ge en bättre startpunkt för framtida strukturdynamisk modellering. Detta är den tredje aspekten.

20 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. Validering av de använda modellerna är en viktig del i projektet.

21 Dynamik i vindkraftverkets drivlina, systemsimulering 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.

22 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

23 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).

24 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. Inom 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

25 Stokastisk modellpredektiv 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.

26 Grid Code testning med HVDC Projektet utvecklar metoder, simulerar och provar i labbet tester för att vindkraftverk skall uppfylla Grid Codes. Medverkar i fullskaleprov. HVDC = High Voltage Direct Current MW General Electric

27 Vindenergisatsningar i Västsverige Power Väst Energimyndigheten Utbildning vindkraft, industrikontakter, InMotion VG-Region Industriutvecklingsforskning Informationsspridning högskola till/från industrin Allmänhet & samhälle halmers: Energy nitiative ögspänning lnät indkraftsintegration VindCentrum Utveckling, konstruktion & tillverkning av vindkraft Provplats Göteborg Forskning om havsbaserad vindkrafts teknik - elutrustning