Tuulivoimalan simulointiympäristö : 22 kW kuormakoneen ohjaus

Abstract

Opinnäytetyö on tehty Tampereen ammattikorkeakoulun sähkölaboratorioon. Työn tarkoituksena oli tehdä todellista tuulivoimalaa mallintava simulointijärjestelmä siten, että sitä on helppo ohjata ja valvoa tietokoneelta. Järjestelmä on tehty sähkölaboratorion GreenLab-puolelle. Järjestelmän toteutus on tehty sähkölaboratorion tarjoamilla komponenteilla ja ne ovat sähkölaboratorioon kuuluvia.

Tuulivoimalan mallintamisen tärkeimpänä elementtinä oli roottorin pyörimisnopeuden muuttuminen, kun generaattorin kuormitus muuttuu. Roottorin toiminnan mallintaminen suoraan teoriasta löytyvillä kaavoilla ei ole todenmukainen, sillä yksinkertainen teoria ei suoraan mallinna tuulivoimalassa syntyviä häviöitä. Tuulivoimalan roottorin toiminnan mallintamiseen käytettiin taajuusmuuttajakäyttöä, jossa on 22 kW:n oikosulkumoottori. Mallissa roottorin pyörimisnopeuden ohjearvo on riippuvainen tuulennopeudesta ja tuulivoimalan generaattorin kuormamomentista.

Käytön ohjaus on toteutettu National Instrumentsin valmistamalla myDAQ-laiteella. Se on kannettava mittaus- ja instrumentointilaite, jolla voidaan luoda ja käsitellä analogisia signaaleja sekä digitaalista dataa. Laiteen ohjelmointi on tehty LabVIEW-ohjelmistolla. Ohjelmisto tekee ohjauksen lisäksi käyttöliittymää, jonka kautta tuulivoimalan käyttöä voidaan ohjata ja monitoroida tietokoneen välityksellä. Käyttöliittymään voidaan syöttää käyttöön asennetun generaattorin maksimisuoritearvot, joiden kautta ohjelma laskee sopivaa roottorin pyörimisnopeutta eri tuulennopeusarvoilla. Käyttöliittymään voidaan ladata erilaisia tuuliolosuhdemalleja ja monitoroida roottorin käyttäytymistä eri käyttötilanteissa.

Käytölle on tehty lopuksi kuormituskokeet eri tuulennopeuksissa. Mittaustuloksista voidaan todeta roottorin toiminnan olevan tuulivoimamallin mukainen. Lopuksi työssä käsitellään toimenpiteitä, kuten monipuolisempaa laitteistoa, joilla simulointiympäristöä voitaisiin tulevaisuudessa kehittää.

This thesis was made for the electric laboratory of Tampere University of Applied Sciences. The purpose of this thesis was to make a wind energy simulation system which can be controlled and monitored via PC. The system was built on the GreenLab feature of the electric laboratory. All the components of the system are property of the electric laboratory.

The most important element of modeling the wind energy production was the modulation of the rotor speed when the generator is loaded. It was difficult to use the theory for modeling the wind generation because the theory doesn't include all the losses in wind turbine. The operation of the wind rotor is modeled with the 22 kW induction motor which is operated with a drive. The rotation speed of the motor is dependent on the speed of the wind and the load of the generator.

The control of the system is executed with myDAQ which is manufactured by National Instruments. It is a portable measurement and instrumentation device which can be used to create and manipulate signals and digital data. The programming is made with LabVIEW. LabVIEW is used to make the program and the user interface. The user interface is used to control and monitor the system via PC. User can set parameters of the generator in the user interface which the program uses to calculate the rotation speed of the rotor in different wind conditions. It is possible to download various wind condition models into the program and monitor the behavior of the rotor in different situations.

Lastly the system has been tested with loading tests in different wind conditions. Results from the tests tells that the system operates as it is modeled. An improvement plan for the simulation system could be used to develop it even better system.