Tuulivoimalan lapakulman diskreettiaikainen estimaattoripohjainen säätö

Abstract

Tuulivoimaloilla tuotetaan halpaa ja ensisijaisesti päästötöntä sähköä verkkoon. Tuulivoimalan tuottamasta sähkötehosta kovilla tuulennopeuksilla halutaan mahdollisimman tasaista, joka onnistuu tässä työssä tutkittavalla lapakulman säädöllä. Tuulennopeuden kasvaessa tai pienentyessä lapakulmaa kasvatetaan tai pienennetään, jolloin roottorin pyörimisnopeus saadaan pysymään mahdollisimman lähellä sille määrättyä nimellisarvoa. Työssä tutkittavan tuulivoimalan teho on 4.8 MW. Sen lapakulman säätöön suunnitellaan ja vertaillaan kolme diskreettiaikaista säädintä.

Säätimien suunnittelua varten matemaattisista malleista johdetaan diskreettiaikainen LTI-tilaesitys, jonka muodostamista varten yksi malleista linearisoidaan. Työssä muodostetussa tilaesityksessä on kuusi tilamuuttujaa, kaksi sisäänmenoa: ohjaus ja ulkoinen häiriö sekä yksi ulostulo. Tuulennopeus mallinnetaan prosessiin vaikuttavana ulkoisena häiriönä, johon säätimet reagoivat. Tilaesityksen tilamatriiseja hyödynnetään täyden tilan tilatakaisinkytkennän virittämisessä ominaisarvojen asettelumenetelmällä. Menetelmän soveltuvuutta varten tarkastetaan systeemin ohjattavuus, joka on riittävä ja välttämätön ehto suljetun systeemin ominaisarvojen vapaaseen sijoitteluun. Ominaisarvojen asettelumenetelmää käytetään integroivan tilasäädön sekä prediktoripohjaisen integroivan tilasäädön suunnittelussa. Kolmannen säätimen eli Kalman-suodinta hyödyntävän integroivan tilasäätimen suunnittelussa hyödynnetään mittaus- ja prosessikohinoiden (ko)variansseja. Optimaalinen prediktorin vahvistuksen transpoosi lasketaan Matlabin funktiolla idare. Optimaalinen suotimen vahvistus lasketaan singulaarisen tilamatriisin tapauksessa prediktorin vahvistuksen, tilamatriisin ja Matlabin funktion pinv avulla. Prediktoripohjaisen säätimen vapaan ominaisarvosijoittelun välttämätön ja riittävä ehto on systeemin tarkkailtavuuden olemassaolo. Säätimien nopeuteen vaikuttaa suljetun systeemin ominaisarvojen asettelu, joka on kompromissi nopeuden ja ohjaussignaalin suuruuden välillä.

Säätimien suorituskykyjen vertailuun on olemassa useita eri tapoja. Tässä työssä vertailuun käytettiin simuloinneilla saatuja tuloksia. Simuloinnit toteutettiin Matlabin Simulinkilla. Vertailussa painotettiin säätimien regulointiominaisuuksia. Ensin simuloinnit toteutettiin ilman mittauskohinaa tasaisella tuulennopeudella ja tutkittiin integroivan tilasäädön ominaisuuksia. Integroivan tilasäätimen todettiin poistavan loppuarvovirhe, jonka jälkeen lähempään tarkasteluun otettiin estimaattoripohjaiset säätimet. Säätimiä testattiin simuloinneilla, joissa oli vaihteleva tuulennopeus ja mittauskohinaa. Prediktoripohjaisella integroivalla säädöllä saatiin kohtuullisen hyviä tuloksia, mutta mittauskohina heikensi säätimen kykyä ohjata prosessia. Kalman-suodinta hyödyntävä integroiva säätö toimi hyvin myös mittauskohinan kanssa. Molemmilla säätimillä päästiin tavoitteeseen: lapakulman säädöllä roottorin kulmanopeus pysyi lähellä sen asetusarvoa. Lisäksi lapakulman korrelointi tuulennopeuden kanssa estimaattoripohjaisilla säätimillä oli järkevää ja tarpeeksi nopeaa. Ilman mittauskohinaa annettuja fyysisiä rajoitteita ei rikottu.