Моделирование системы управления рысканием ветротурбины

  • Юйсун [Yusong] Ян [Yang]
  • Евгений [Evgeniy] Викторович [V.] Соломин [Solomin]
  • Глеб [Gleb] Николаевич [N.] Рявкин [Ryavkin]
Ключевые слова: системы преобразования энергии ветра и рыскания, ветрогенератор с горизонтальной осью

Аннотация

Энергия ветра — важный компонент возобновляемой энергетики, представляющий собой метод производства электроэнергии с наиболее тщательно продуманными, высокоразвитыми технологиями и широкими коммерческими перспективами. Обеспечение стабильного и эффективного преобразования энергии ветра с помощью ветряных турбин зависит не только от надежности самого оборудования, но и от системы управления турбинами, что, в свою очередь, способствует долгосрочной безопасной и надежной работе ветропарка. Таким образом, система управления ветряными турбинами — главный предмет исследования настоящей работы.

Ключом к эффективной и стабильной работе всей системы преобразования энергии ветра является технология управления, включающая в себя регулирование рыскания, управление углом наклона лопастей и отслеживание точки максимальной мощности. Система активного рыскания — один из главных компонентов системы управления ветрогенератором с горизонтальной осью. С целью устранения неопределенности влияния направления ветра на мощность турбины проверена комбинированная система управления рысканием. Посредством активной системы рыскания и системы слежения за точкой максимальной мощности положение турбины и скорость вращения ротора регулируются таким образом, что позволяют ветровой турбине точно отслеживать направление ветра и, в наибольшей степени, улавливать энергию ветра.

Сведения об авторах

Юйсун [Yusong] Ян [Yang]

аспирант кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Южно-Уральского государственного университета, Челябинск, e-mail: 1152108936@qq.com

Евгений [Evgeniy] Викторович [V.] Соломин [Solomin]

доктор технических наук, профессор кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Южно-Уральского государственного университета, Челябинск, e-mail: nii-uralmet@mail.ru

Глеб [Gleb] Николаевич [N.] Рявкин [Ryavkin]

магистрант кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Южно-Уральского государственного университета, Челябинск, e-mail: amdx3@bk.ru

Литература

1. Jacobson M.Z. Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security // Energy Environ. Sci. 2009. V. 2. No. 2. Pp. 148—173.
2. Manwell J.F. e. a. Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. Chichester: Wiley and sons, 2010.
3. Vargas S.A. e. a. Wind Power Generation: A Review and a Research Agenda // J. Clean. Prod. 2019. V. 218. Pp. 850—870.
4. Chehouri A., Younes R., Ilinca A., Perron J. Review of Performance Optimization Techniques Applied to Wind Turbines // Appl. Energy. 2015. V. 142. Pp. 361—388.
5. Gebraad P.M.O. e. a. Wind Plant Power Optimization Through Yaw Control Using a Parametric Model for Wake Effects — A CFD Simulation Study // Wind Energy. 2016. V. 19. No. 1. Pp. 95—114.
6. Gebraad P., Thomas J.J., Ning A., Fleming P., Dykes K. Maximization of the Annual Energy Production of Wind Power Plants by Optimization of Layout and Yaw-based Wake Control // Wind Energy. 2017. V. 20. No. 1. Pp. 97—107.
7. Jeong M.-S., Kim, S.-W. Lee I., Yoo S.-J., Park K.C. The Impact of Yaw Error on Aeroelastic Characteristics of a Horizontal Axis Wind Turbine Blade // Renew. Energy. 2013. V. 60. Pp. 256—268.
8. De Zutter S., De Kooning J.D.M., Samani A.E., Baetens J., Vandevelde L. Modeling of Active Yaw Systems for Small and Medium Wind Turbines // Proc. 52nd Inter. Univ. Power Eng. Conf. 2017. V. 1. Pp. 1—6.
9. Kim M.-G., Dalhoff P.H. Yaw Systems for Wind Turbines — Overview of Concepts, Current Challenges and Design Methods // J. Physics: Conf. Series. 2014. V. 524. No. 1. P. 012086.
10. Dar Z., Kar K., Sahni O., Chow J.H. Windfarm Power Optimization Using Yaw Angle Control // IEEE Trans. Sustain. Energy. 2017. V. 8. No. 1. Pp. 104—116.
11. Dai J., Yang X., Hu W., Wen L., Tan Y. Effect Investigation of Yaw on Wind Turbine Performance Based on SCADA Data // Energy. 2018. V. 149. Pp. 684—696.
12. Karakasis N., Mesemanolis A., Nalmpantis T., Mademlis C. Active Yaw Control in a Horizontal Axis Wind System Without Requiring Wind Direction Measurement // IET Renew. Power Gener. 2016. V. 10. No. 9. Pp. 1441—1449.
13. Liang Yuanyuan, Zhao Qiaoe, Shen Xijun. Research on Power Control of Wind Power Generation Yaw System // J. Electr. Power. 2013. V. 28. No. 1. Pp. 50—53.
14. Mesemanolis A., Mademlis C. Combined Maximum Power Point and Yaw Control Strategy for a Horizontal Axis Wind Turbine // Proc. Intern. Conf. Electr. Mach. 2014. Pp. 1704—1710.
15. Tsioumas E., Karakasis N., Jabbour N., Mademlis C. Indirect Estimation of the Yaw-angle Misalignment in a Horizontal Axis Wind Turbine // Proc. IEEE XI Intern. Symp. Diagnostics Electr. Mach. Power Electron. Drives. 2017. V. 1. Pp. 45—51.
16. Kragh K.A., Fleming P.A., Scholbrock A.K. Increased Power Capture by Rotor Speed-Dependent Yaw Control of Wind Turbines // J. Sol. Energy Eng. Trans. 2013. V. 135. No. 3. Pp. 1—7.
17. Mikkelsen T. e. a. Lidar Wind Speed Measurements from a Rotating Spinner // Proc. European Wind Energy Conf. and Exhibition. 2010. V. 2. Pp. 1550—1557.
18. Sarkar M.R., Julai S., Tong C.W., Chao O.Z., Rahman M. Mathematical Modelling and Simulation of Induction Generator Based wind Turbine in Matlab/Simulink // J. Eng. Appl. Sci. 2015. V. 10. No. 22. Pp. 17276—17280.
19. Benchagra M., Hilal M., Errami Y., Ouassaid M., Maaroufi M. Modeling and Control of SCIG Based Variable-Speed with Power Factor Control. Int. Rev. Model. Simulations. 2011. V. 4. No. 3. Pp. 1007—1014.
20. Patel S.J., Jani H.B., Polytechnic G., Polytechnic G. Dynamic Modelling of the Three-phase Induction Motor Using Simulink // Sci. J. Impact Factor. 2015. V. 2. No. 3. Pp. 412—428.
21. Kalantar M., Mousavi G.S.M. Dynamic Behavior of a Stand-alone Hybrid Power Generation System of Wind Turbine, Microturbine, Solar Array and Battery Storage // Appl. Energy. 2010. V. 87. No. 10. Pp. 3051—3064.
22. Odhano S.A. e. a. Maximum Efficiency Per Torque Direct Flux Vector Control of Induction Motor Drives // IEEE Trans. Ind. Appl. 2015. V. 51. No. 6. Pp. 4415—4424.
23. Benchagra M., Maaroufi M., Ouassaid M. Study and Analysis on the Control of SCIG and Its Responses to Grid Voltage Unbalance // Proc. Intern. Conf. Multimed. Comput. Syst. 2011. Pp. 1—5.
24. Ji Z.C., Xue H., Shen Y.X. Modeling and Simulation of AC Asynchronism Motor Vector Control System Based on Matlab // J. Syst. Simul. 2004. V. 16. No. 3. P. 384.
---
Для цитирования: Юйсун Ян, Соломин Е.В., Рявкин Г.Н. Моделирование системы управления рысканием ветротурбины // Вестник МЭИ. 2021. № 1. С. 44—55.
#
1. Jacobson M.Z. Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security. Energy Environ. Sci. 2009;2;2:148—173.
2. Manwell J.F. e. a. Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. Chichester: Wiley and sons, 2010.
3. Vargas S.A. e. a. Wind Power Generation: A Review and a Research Agenda. J. Clean. Prod. 2019;218:850—870.
4. Chehouri A., Younes R., Ilinca A., Perron J. Review of Performance Optimization Techniques Applied to Wind Turbines. Appl. Energy. 2015;142:361—388.
5. Gebraad P.M.O. e. a. Wind Plant Power Optimization Through Yaw Control Using a Parametric Model for Wake Effects — A CFD Simulation Study. Wind Energy. 2016;19;1:95—114.
6. Gebraad P., Thomas J.J., Ning A., Fleming P., Dykes K. Maximization of the Annual Energy Production of Wind Power Plants by Optimization of Layout and Yaw-based Wake Control. Wind Energy. 2017;20;1:97—107.
7. Jeong M.-S., Kim, S.-W. Lee I., Yoo S.-J., Park K.C. The Impact of Yaw Error on Aeroelastic Characteristics of a Horizontal Axis Wind Turbine Blade. Renew. Energy. 2013;60:256—268.
8. De Zutter S., De Kooning J.D.M., Samani A.E., Baetens J., Vandevelde L. Modeling of Active Yaw Systems for Small and Medium Wind Turbines. Proc. 52nd Inter. Univ. Power Eng. Conf. 2017;1:1—6.
9. Kim M.-G., Dalhoff P.H. Yaw Systems for Wind Turbines — Overview of Concepts, Current Challenges and Design Methods. J. Physics: Conf. Series. 2014;524;1:012086.
10. Dar Z., Kar K., Sahni O., Chow J.H. Windfarm Power Optimization Using Yaw Angle Control. IEEE Trans. Sustain. Energy. 2017;8;1:104—116.
11. Dai J., Yang X., Hu W., Wen L., Tan Y. Effect Investigation of Yaw on Wind Turbine Performance Based on SCADA Data. Energy. 2018;149:684—696.
12. Karakasis N., Mesemanolis A., Nalmpantis T., Mademlis C. Active Yaw Control in a Horizontal Axis Wind System Without Requiring Wind Direction Measurement. IET Renew. Power Gener. 2016;10;9:1441—1449.
13. Liang Yuanyuan, Zhao Qiaoe, Shen Xijun. Research on Power Control of Wind Power Generation Yaw System. J. Electr. Power. 2013;28;1:50—53.
14. Mesemanolis A., Mademlis C. Combined Maximum Power Point and Yaw Control Strategy for a Horizontal Axis Wind Turbine. Proc. Intern. Conf. Electr. Mach. 2014:1704—1710.
15. Tsioumas E., Karakasis N., Jabbour N., Mademlis C. Indirect Estimation of the Yaw-angle Misalignment in a Horizontal Axis Wind Turbine. Proc. IEEE XI Intern. Symp. Diagnostics Electr. Mach. Power Electron. Drives. 2017;1:45—51.
16. Kragh K.A., Fleming P.A., Scholbrock A.K. Increased Power Capture by Rotor Speed-Dependent Yaw Control of Wind Turbines. J. Sol. Energy Eng. Trans. 2013;135;3:1—7.
17. Mikkelsen T. e. a. Lidar Wind Speed Measurements from a Rotating Spinner. Proc. European Wind Energy Conf. and Exhibition. 2010;2:1550—1557.
18. Sarkar M.R., Julai S., Tong C.W., Chao O.Z., Rahman M. Mathematical Modelling and Simulation of Induction Generator Based wind Turbine in Matlab/Simulink. J. Eng. Appl. Sci. 2015;10;22:17276—17280.
19. Benchagra M., Hilal M., Errami Y., Ouassaid M., Maaroufi M. Modeling and Control of SCIG Based Variable-Speed with Power Factor Control. Int. Rev. Model. Simulations. 2011;4;3:1007—1014.
20. Patel S.J., Jani H.B., Polytechnic G., Polytechnic G. Dynamic Modelling of the Three-phase Induction Motor Using Simulink. Sci. J. Impact Factor. 2015;2;3:412—428.
21. Kalantar M., Mousavi G.S.M. Dynamic Behavior of a Stand-alone Hybrid Power Generation System of Wind Turbine, Microturbine, Solar Array and Battery Storage. Appl. Energy. 2010;87;10:3051—3064.
22. Odhano S.A. e. a. Maximum Efficiency Per Torque Direct Flux Vector Control of Induction Motor Drives. IEEE Trans. Ind. Appl. 2015;51;6:4415—4424.
23. Benchagra M., Maaroufi M., Ouassaid M. Study and Analysis on the Control of SCIG and Its Responses to Grid Voltage Unbalance. Proc. Intern. Conf. Multimed. Comput. Syst. 2011:1—5.
24. Ji Z.C., Xue H., Shen Y.X. Modeling and Simulation of AC Asynchronism Motor Vector Control System Based on Matlab. J. Syst. Simul. 2004;16;3:384.
---
For citation: Yusong Y., Solomin E.V., Ryavkin G.N. Simulation of the Wind Turbine Yaw Control System. Bulletin of MPEI. 2021;1:44—55.
---
The work is executed at support: The presented research was funded by Russian Foundation for Basic Research, Agreement RFBR No. 19-08-00070 "Theoretical justification and experimental studies of a new method of yaw control of the rotor of a horizontal axis wind turbine" on the base of Project-Training Education at South Ural State University (National research university).
Опубликован
2020-05-20
Раздел
Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии (05.14.08)