Sterowanie turbin wiatrowych

Sterowanie turbinami wiatrowymi jest dziś oparta na sterownika PDW oraz PID. Ze względu na nieliniowe zachowanie turbiny, projekt tych sterowników jest zwykle bardzo czasochłonnym zadaniem. Zastosowanie rozmytych kontrolerów obiecuje szybsze i bardziej efektywne procedury. Nils Johannsen, który pracuje w Dziale Oprogramowania Turbin Wiatrowych w Centrum Ekspertyz w Lubece (Niemcy), przedstawia przegląd sterowania rozmytego turbin wiatrowych.

Sterowanie nowoczesnych turbin wiatrowych polega na regulacji konta ostrza wirnika. Energia wiatrowa generuje siłę nośną na łopatkach wirnika, co powoduje ruch obrotowy wirnika. Jednak przy prędkości wiatru ok. 12 m/s, moc przekazywana przez wirnik jest większa niż moc znamionowa turbiny, a więc musi zostać ograniczona. W tym celu kąt napływu wiatru jest modyfikowany poprzez zmianę łopat wirnika, zmniejszając tym samym moc wyjściową z wirnika. Związane z tą modyfikacją sterowanie jest wysoce nieliniowe, głównie ze względu na aerodynamiczne zachowanie się łopat wirnika. W związku z tym w nowoczesnych turbinach wiatrowych, regulatory PID są wspomagane przez szereg filtrów i innych dodatkowych funkcji, takich jak np. planowanie zysku.

Przy projektowaniu konstrukcji mechanicznej turbiny wiatrowej, obciążenia działające na turbiny są decydujące. Tworzą one spektrum ekstremalnych obciążeń oraz obciążeń powodujących zmęczenie materiału. Mogą one być zmniejszane poprzez inteligentne zarządzanie operacyjne, a drugie poprzez staranną parametryzację regulatora prędkości.

Wstępna konfiguracja parametrów sterownika odbywa się w ramach obliczania obciążenia dla turbiny wiatrowej. Komputerowy model turbiny jest poddawany standardowym profilom wiatru. Przy programowaniu sterownika muszą być brane pod uwagę również zupełnie inne kryteria optymalizacji. Proces optymalizacji może zatem być skomplikowany i czasochłonny, ponieważ proces ten wymaga kilku pętli iteracji. Określone w ten sposób "optimum" jest jeszcze najlepszym możliwym kompromisem. Poza tą wstępną konfiguracją zazwyczaj konieczne jest, aby zoptymalizować parametry określone w symulacji podczas rozruchu turbiny. Proces ten może być również dośc skomplikowany, gdyż prędkości wiatru nie są "z góry" dostępne, a poza tym mogą trwać tylko przez jakiś czas w zależności od miejsca.

Charakterystyka logiki rozmytej
W przeciwieństwie do sterowników PID, które głównie są używane do dziś, regulatory rozmyte dają znacznie większą wytrzymałość. Znane są podobne aplikacje o podobnych warunkach brzegowych, przez co używanie kontrolerów rozmytych w systemach wysoce nieliniowych daje lepszą kontrolę.

Trudności w stwierdzeniu stabilności pracy i brak systematycznej procedury projektowej są często wymieniane jako wady kontrolerów rozmytych. W celu sprawdzenia stabilności, wymagany byłby model, co z kolei mogło by być wykorzystane do regulacji PID. Jednak kontroler rozmyty potrzebuje tylko niewyraźny model matematyczny, a nie jeden szczegółowy. W przypadku turbin wiatrowych model jest zawsze tylko reprodukcją, a więc parametry takie jak turbulencja i aerodynamika mogą być jedynie określane w przybliżeniu. Nawet zmiana gęstości powietrza, łopatek wirnika i ich bezwładność w ukłądzie napędowym już wystarczą, aby spowodować duże zmiany aerodynamiczne wirnika.

Kontrolery PID są oparte na model turbiny. Jeśli model zostanie zmieniony, od razu spada jakość kontroli. Kontrolery rozmyte przeciwne: są programowane w oparciu o zasady. Nawet gdy model mocno się zmieni, podstawowy proces będzie nadal taki sam a reguły powinny być nadal w pełni aktualne. Wartościowość kontroli jest obliczana na podstawie tych reguł, dlatego muszą być dostępne dokładne informacje na temat systemu. Kontroler odzwierciedla zachowanie człowieka, który zaprojektował te zasady i umożłiwia indywidualne reakcje na każdy stan. W rezultacie kontrolery rozmye są znacznie bardziej tolerancyjne na zmiany turbiny, wartości zadane lub usterki. Ponadto parametryzacja jest znacznie uproszczona, ponieważ nie wymaga wiedzy matematycznej.

Motywacja: kontrolery rozmyte dla automatyki TwinCAT.
Na podstawie licznych doświadczeń, Beckhoff projektuje rozmyte kontrolery TwinCAT w celu regulowania układu, zatem prędkości wirników turbin są bardziej efektywne. Poza tym, stosowanie regulatorów rozmytych do turbin wiatrowych ma ograniczać czas i wysiłek w projektowaniu sterownika. Dzięki temu że zrozumienie kontrolera jest znacznie uproszczone, czas niezbędny do optymalizacji może być znacznie skrócony. Ponadtwo powinna istnieć możliwość użycia kontrolera w różnych turbinach bez wprowadzania zmian, niezaleznie od średnicy wirnika lub wysokości wieży. Ponieważ kontroler rozmyty potrafi analizować wiele zmiennych, reakcje na różne stany turbiny są znacznie bardziej elastyczne. Jednak te zalety stają się istotne tylko wtedy, gdy kontrola jakości i wydajności energii są porównywalne i w wyniku obciążenia turbiny nie są zwiększone. Jeśli jednak obciążenie może zostac zmniejszone, to regulator rozmyty okaże się znacznie bardziej wydajny.

Porównanie obliczeń obciążenia pokazuje, że kontrolery rozmyte zapewniają porównywalne, a w niektórych przypadkach nawet lepsze wyniki. Tymczasowe zmiany parametrów również mogą pokazać solidność tego typu kontrolerów. Dostosowanie parametrów jest uproszczone ze względu na zrozumiałą bazę więdzy oraz czasu i wysiłku. Dalsze optymalizacje na podstawie innych turbin z pewnością doprowadzi do dalszych udoskonaleń. Podsumowując można powiedzieć, że regulator rozmyty spełnia oczekiwania nawet wówczas, gdy parametry są  skonfigurowane tylko ogólnie.

W przyszłości wirniki muszą być weryfikowane w dalszych obliczeniach obciążeń i kontrolery muszą pracować w zadowalający sposób na prawdziwych turbinach. Ponadto są jeszcze dalsze możliwości rozbudowy i optymalizacji sterownika. Rozszerzenie przez filtry mogłoby dalej  zmniejszyć obciążenia. W niektórych okolicznościach kontroler może poddać analizie dodatkowe dane wejściowe. Dodatkowe wyjścia mogą być wykorzystane do zwiększenia funkcjonalności kontrolea i pozwala na większą integrację w procesie. Połączenie z sieciami neuronowymi, znane również jako system neuro-rozmyty, umożliwi automatyczną ioptymalizację parametrów.