Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin ohjaustavoitteet ja säätöjärjestelmän viat

Abstract

Tuulivoima on eräs merkittävimmistä uusiutuvan energian lähteistä. Tekniikan kehitys on johtanut monipuolisemman ohjausjärjestelmän varassa toimivien muuttuvanopeuksisten tuuliturbiinien hyödyntämiseen laajan mittakaavan energiantuotannossa. Kyseinen toimintamalli mahdollistaa turbiinille paremman kyvyn reagoida tuulen aiheuttamaan dynaamiseen kuormitukseen sekä tehokkaamman energian taltioinnin alhaisilla tuulennopeuksilla. Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin ohjaustoiminnot liittyvät roottorin pyörimisnopeuden sekä sähköenergiaa tuottavan generaattorin väännön ohjaukseen. Kyseiset toiminnot ovat osa laajempaa ohjausjärjestelmää, jolle voidaan määrittää tuulennopeuteen sidottu toimintastrategia. Tuulennopeuksien perusteella on määritelty neljä toiminta-aluetta, joista jokaisella erillisellä alueella toimiessaan voimalan ohjausjärjestelmälle voidaan määrittää oma toiminnallinen tavoitetila. Muuttuvanopeuksinen tuuliturbiini pyrkii vastaamaan sille asetettuihin ohjaustavoitteisiin kaikissa olosuhteissa. Työssä on selvitetty, kuinka muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin ohjausjärjestelmä toteuttaa toimintastrategian. Ohjausjärjestelmän keskeisimmät ohjausmenetelmät on esitelty perehtyen syvemmin lapakulman säätöön, jolla vaikutetaan roottorin tuottamaan vääntöön. Roottorin lapojen kulmaa säädetään tuulen suuntaan nähden siten, että roottorin vääntö vastaa generaattorin määrittämää vääntötarvetta. Kyseinen toiminto on toteutettu automaatioon perustuvalla ohjauksella, johon on kehitetty edelleen monipuolisemmin ohjaustavoitteet huomioivia ohjausmenetelmiä. Kehitetyt tekniikat liittyvät yksittäisen ja kollektiivisen lapakulman säädön menetelmiin. Työssä on käsitelty näiden keskeisimmät piirteet, sekä esitelty lapakulman säädössä sovellettavat mekaaniset säätöjärjestelmät. Järjestelmien säätömekanismit voivat olla joko hydraulisylintereiden tai sähkömoottoreiden avulla ohjattuja. Tämä työ tuo esille kahden säätöjärjestelmätyypin ominaisuuksia, sekä pohtii niiden sovellettavuutta. Lapakulman säätö on myös aiempien tutkimusten perusteella osoittanut merkittävää vikaantumisherkkyyttä. Asiaa on lähestytty luotettavuuskeskeisen kunnossapidon (engl. reliability centered maintenance, RCM) näkökulmista. Työn tavoitteena on ollut selvittää yleisimmät säätöjärjestelmien viat, jotka johtavat tyypillisiin ohjausjärjestelmän vikoihin. Vikojen perusteella on tehty päätelmät järjestelmän kriittisistä komponenteista, joiksi paljastuivat sähköisen säätöjärjestelmän moduulit ja akut. Vastaavasti hydraulisessa säätöjärjestelmässä kriittisimpiä komponentteja todettiin olevan venttiilit, toimilaitteet sekä tehoyksikkö. Hydraulisen säätöjärjestelmän ongelmat liittyvät myös merkittävissä määrin hydrauliikkajärjestelmän tiiveyteen.