| Abstract | With large penetration of wind energy in electricity grids, a requirement to control the wind farm active power arises. To fulfill the demands set in the new grid codes wind farms must have an ability to track the power reference demanded by the transmission system operator. The research in this thesis focuses on the design of an optimal wind farm controller that enables tracking of the power reference, while achieving reduction of the wind turbine structural loads. Such control design ensures more cost efficient way to produce electrical power from the wind when wind farm responds to requirements from the transmission system operator. The task of the wind farm controller is to distribute power references among the wind turbines. Due to significantly slower sampling time and restrictions on actuator manipulation the design of the wind farm controller requires different approach for structural loads reduction than that used for design of wind turbine controllers with that objective. The designed controller is based on the model predictive control methodology that relies on a process model, which is derived and experimentally tested. A hierarchical control design approach is used - the time scale separation observed in the system is utilised as a separation principle. The individual controllers with different sampling times are designed for the slow and the fast processes. To ensure scalability of the proposed controller design a novel implementation approach of the wind farm controller is proposed, which is based on the decomposition and parametrisation of the overall problems. The local problems are then solved off-line, while the optimal coordination problem is solved on-line, at every sampling instant. Two procedures are developed that enable efficient implementation of on-line optimisation, both of which largely outperform the classical computation approach. The proposed controller design demonstrates excellent wind farm power tracking ability with significant reduction in wind turbine loads. Using the developed computation approach, the controller is applicable for implementation on very large wind farms with hundreds wind turbines that are being built today. |
| Abstract (croatian) | Vjetroelektranama se danas tipično upravlja nekoordirano - svakim vjetroagregatom se upravlja kao nezavisnom jedinicom, na način da se maksimizira proizvodnja radne snage obzirom na trenutnu brzinu vjetra i ograničenja vjetroagregata. Snaga koju vjetroelektrana upravljana na takav način isporučuje u elektroenergetsku mrežu je, obzirom da jako ovisi o promjenjivoj brzini vjetra, vremenski promjenjiva i teško predvidiva, zbog čega energija iz vjetra predstavlja poremećaj u elektroenergetskom sustavu. Upravljanje mrežom sa značajnim udjelom energije iz vjetra iz tog je razloga složen zadatak, koji se tipično rješava alokacijom veće količine rezerve radne snage iz klasičnih elektrana. S povećanjem udjela energije iz vjetra u elektroenergetskom sustavu takav način upravljanja postaje nepraktičan, neekonomičan i ekološki neprihvatljiv. Kako bi se umanjili negativni utjecaji vjetroelektrana na elektroenergetski sustav nova mrežna pravila uvode, među ostalim, zahtjeve na upravljanje radnom snagom vjetroelektrana, kojima je cilj smanjenje promjenjivosti proizvodnje i korištenje vjetroelektrana u regulaciji. Vrlo strogi zahtjevi već postoje, primjerice, u Skandinaviji, dok i ostali elektroenergetski sustavi uvode sve stroža pravila. Trend povećanja udjela energije iz vjetra u elektroenergetskim sustavima, kao i planovi za razvoj europskog elektroenergetskog sustava, ukazuju da će upravljanje radnom snagom postati standardan način rada vjetroelektrana, za razliku od sadašnjeg dopuštanja maksimalne proizvodnje. Glavni cilj ove disertacije je projektiranje sustava upravljanja vjetroelektranom koji omogućuje zadovoljenje mrežnih pravila za upravljanje radnom snagom vjetroelektrane, na način kojim se smanjuju strukturna opterećenja vjetroagregata. Sustav upravljanja vjetroelektranom ima zadatak rasporediti traženu proizvodnju vjetroelektrane (vanjsku referencu snage) među pojedinim vjetroagregatima, odnosno proračunati i poslati reference snage svim lokalno upravljanim vjetroagregatima. Smanjenjem strukturnih opterećenja i posljedičnog zamora materijala produžuje se radni vijek vjetroagregata, smanjuje vrijeme potrebno za održavanje, te potencijalno smanjuje cijena konstrukcije vjetroagregata. Dodatni zahtjev na sustav upravljanja vjetroelektranom je primjenjivost na vrlo velike vjetroelektrane kakve se danas grade. U disertaciji opisan je rad vjetroelektrana s naglaskom na aerodinamičke pojave, strukturna opterećenja i upravljanje vjetroagregatom, na kojima se zasniva razvijeni sustav upravljanja. Posebnost razvijenog sustava upravljanja jest da, za razliku od regulatora vjetroagregata koji se obično projektira u svrhu smanjenja strukturnih opterećenja, sustav upravljanja vjetroelektrane (i) ima bitno veće vrijeme uzorkovanja i (ii) nema izravan pristup lokalnim aktuatorima pojedinih vjetroagregata, kao što su primjerice kut zakreta lopatica i moment generatora. Time je s jedne strane osigurana autonomnost i sigurnost rada pojedinih vjetroagregata, no s druge su strane manipulativne mogućnosti sustava upravljanja vjetroelektranom bitno smanjene u usporedbi sa sustavom upravljanja pojedinog vjetroagregata. Iz tih razloga se klasični prinicipi projektiranja regulatora vjetroagregata sa ciljem smanjenja strukturnih opterećenja koji se mogu naći u literaturi ne mogu primjeniti za projektiranje sustava upravljanja vjetroelektrane. Razvijeni optimalni sustav upravljanja vjetrolektranom ima hijerarhijsku strukturu zasnovanu na karakteristikama aerodinamičkih pojava u vjetroelektrani. Uočena distinkcija među vremenskim skalama na kojima se manifestiraju određene aerodinamičke pojave koristi se kao princip separacije za projektiranje sustava upravljanja. Nadređeni regulator optimira rad sustava na sporoj vremenskoj skali i proslijeđuje sporo promjenjive reference radne snage za pojedine vjetroagregate. Podređeni regulator optimira rad sustava na brzoj vremenskoj skali tako da unosi oscilacije oko sporo promjenjivih referenci snage, čime se poboljšava slijeđenje reference snage vjetroelektrane i smanjuju se strukturna opterećenja vjetroagregata. U svrhu projektiranja optimalnog sustava upravljanja vjetroelektranom razvijeni su modeli sustava u obliku primjenjivom za korištenje u modelskim postupcima sinteze regulatora. Razvijeni model vjetroagregata za sintezu regulatora testiran je na mjerenjima dobivenim iz eksperimenata provedenih na stvarnoj vjetroelektrani u pogonu. Prvi korak pri projektiranju optimalnog regulatora vjetroelektrane sastoji se u projektiranju takozvanog nadzornog regulatora vjetroagregata -- regulatora koji, uzimajući u obzir sva realna ograničenja za projektiranje regulatora vjetroelektrane, određuje referencu radne snage za jedan vjetroagregat na brzoj vremenskoj skali u svrhu smanjenja strukturnih opterećenja, ne uzimajući u obzir proizvodnju ostalih vjetroagregata. Rezultati upravljanja vjetroagregatom pomoću nadzornog regulatora provjereni su na detaljnom aeroelastičnom simulacijskom modelu vjetroagregata koji služi za certifikaciju vjetroagregata. Uz umjerenu standardnu devijaciju snage uočena su bitna smanjenja ekvivalentnih zamornih opterećenjima na ključnim dijelovima konstrukcije u smjeru vjetra, dok su povećanja opterećenja u nedominantnom smjeru okomito na vjetar mala i prihvatljiva. Projektiranje nadzornog regulatora zasnovano je na principima modelskog prediktivnog upravljanja. Regulator je izveden kao eksplicitni regulator - problem optimalnog upravljanja u konačnom horizontu za sustav s ograničenjima formuliran je kao višeparametarski optimizacijski problem, čijim se rješavanjem dobila eksplicitna funkcija ovisnosti optimalnog upravljačkog signala o parametrima problema. Takav regulator jednostavan je za implementaciju i omogućuje pravovremeni proračun upravljačkog signala pri radu u stvarnom vremenu. Preuzimanjem principa projektiranja nadzornog regulatora uz dodavanje zahtjeva za koordinaciju projektiran je optimalni regulator za koordinirano upravljanje vjetroelektranom. Takav regulator omogućuje, uz smanjenje strukturnih opterećenja vjetroagregata, slijeđenje reference snage vjetroelektrane, čime se zadovoljavaju zahtjevi mrežnih pravila. Projektirani regulator ispitan je korištenjem simulacijskog paketa SimWindFarm. Rezultati pokazuju izvrsne karakteristike slijeđenja tražene radne snage vjetroelektrane, uz bitna smanjenja strukturnih opterećenja vjetroagregata. Kako bi se korištenjem projektiranog optimalnog regulatora vjetroelektrane proračunali optimalni upravljački signali za cijelu vjetroelektranu, potrebno je u svakom trenutku uzorkovanja riješiti optimizacijski problem, čija veličina ovisi o broju vjetroagregata u vjetroelektrani. Za vrlo velike vjetroelektrane koje se danas grade, optimizacijski problem postaje prevelik da bi se riješio unutar jednog koraka uzrokovanja ili korištenjem višeparametarskog optimiranja. Zbog toga je razvijena efikasna algoritamska implementacija sustava upravljanja prilagođena problemu. Razvijeni algoritam zasnovan je na rastavljanju ukupnog optimizacijskog problema na lokalne optimizacijske probleme i problem optimalne koordinacije. Lokalni optimizacijski problemi parametrirani su koristeći lokalne i koordinacijske parametre, te su riješeni višeparametarskim pristupom. Za problem optimalne koordinacije razrađena su dva postupka proračuna, koji omogućuju efikasno rješavanje problema u svakom koraku uzorkovanja. Prvi postupak je iterativnog tipa, dok se drugi postupak zasniva na uvođenju pomoćnih varijabli, čime optimizacijski problem poprima oblik koji se može vrlo efikasno riješiti. Iterativni postupak osigurava primjenjivost razvijenog sustava upravljanja na vjetroelektrane od više stotina vjetroagregata, dok postupak s uvođenjem pomoćnih varijabli osigurava primjenjivost na najveće vjetroelektrane od više tisuća vjetroagregata. |
