Control algorithms and implementation for variable speed stall regulated wind turbines

Abstract

In this research control algorithms and implementation for variable speed stall regulated wind turbines are presented. This type of wind turbine has a simpler and more robust construction and can have lower requirements for maintenance than the existing pitch regulated wind turbines. Due to these features these wind turbines can have reduced cost, which is a crucial parameter especially for large scale wind turbines. However, this type is not commercially available yet due to existing challenges in its control. In this research a complete control scheme for variable speed stall regulated wind turbines has been developed and implemented in a fully dynamic hardware-in-loop simulator for variable speed wind turbines. The simulator was developed as part of the project in order to validate the designed control algorithms. The developed control system uses novel adaptive methods in order to maximize the energy production of the wind turbines at below rated wind speeds as well as to control the power of the wind turbine at above rated wind speeds. In addition, several types of controllers including robust controllers have been used and tested, which resulted to novel control solutions for stall regulated wind turbines. The main advantage of the proposed control method is that it uses existing hardware without requiring additional sensors, so it more effectively exploits information coming from measurements available in existing wind turbine converters. Through software and hardware simulations the proposed control algorithms seem to be quite promising and give confidence for the future development of variable speed stall regulated wind turbines.

Σε αυτή την έρευνα παρουσιάζονται αλγόριθμοι ελέγχου και υλοποίησή τους για ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας και ρυθμιζόμενης απώλειας στήριξης. Αυτός ο τύπος ανεμογεννήτριας έχει απλούστερη και πιο στιβαρή κατασκευή και μπορεί να έχει χαμηλότερες απαιτήσεις για συντήρηση από τις υπάρχουσες ανεμογεννήτριες ρυθμιζόμενης γωνίας κλίσης πτερυγίων. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών, αυτές οι ανεμογεννήτριες μπορεί να έχουν μειωμένο κόστος, το οποίο είναι μία κρίσιμη παράμετρος ειδικά για ανεμογεννήτριες μεγάλης κλίμακας. Ωστόσο, αυτό το είδος δεν είναι ακόμα εμπορικά διαθέσιμο λόγω των υφιστάμενων προκλήσεων στον έλεγχό τους. Σε αυτή την έρευνα έχει αναπτυχθεί ένα πλήρες σχήμα ελέγχου για ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας και ρυθμιζόμενης απώλειας στήριξης και έχει υλοποιηθεί σε έναν πλήρως δυναμικό προσομοιωτή ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας με υλικό σε κλειστό βρόχο (hardware-in-loop). Ο προσομοιωτής αναπτύχθηκε ως μέρος του έργου με σκοπό την επικύρωση των αλγορίθμων ελέγχου, οι οποίοι σχεδιάστηκαν. Το σύστημα ελέγχου, το οποίο έχει αναπτυχθεί, χρησιμοποιεί νέες προσαρμοστικές μεθόδους, προκειμένου να μεγιστοποιήσει την παραγωγή ενέργειας των ανεμογεννητριών σε χαμηλότερες από την ονομαστική, ταχύτητες ανέμου καθώς επίσης και να έλεγξει την ισχύ της ανεμογεννήτριας σε υψηλότερες από την ονομαστική, ταχύτητες ανέμου. Επιπλέον, διάφοροι τύποι ελεγκτών, συμπεριλαμβανομένων σθεναρών ελεγκτών, έχουν χρησιμοποιηθεί και δοκιμαστεί, με αποτέλεσμα την δημιουργία καινοτόμων λύσεων ελέγχου για ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας και ρυθμιζόμενης απώλειας στήριξης. Το κύριο πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου ελέγχου είναι ότι χρησιμοποιεί υπάρχον υλικό χωρίς να απαιτεί πρόσθετους αισθητήρες, οπότε εκμεταλλεύεται πιο αποτελεσματικά τις πληροφορίες που προέρχονται από μετρήσεις που είναι διαθέσιμες στους υπάρχοντες μετατροπείς των ανεμογεννητριών. Μέσω προσομοιώσεων λογισμικού και υλικού οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι ελέγχου φαίνονται πολλά υποσχόμενοι και παρέχουν εμπιστοσύνη όσο αφορά τη μελλοντική ανάπτυξη των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας και ρυθμιζόμενης απώλειας στήριξης.