estimacija brzine vrtnje i polo zaja magnetskog toka · pdf filegenerator 5,5 sustav zakreta...
TRANSCRIPT
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Estimacija brzine vrtnje i polozaja magnetskog tokasinkronog generatora vjetroagregata koristenjem
Kalmanova filtra
Tomislav Loncarek Vinko Lesic Mario Vasak
23. ozujka 2015
1 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sadrzaj
1 Motivacija i ciljevi rada
2 Upravljanje generatorom
3 UKF
4 Modeliranje SG
5 Simulacijski rezultati
6 Nadogradnja observera
7 Eksperimentalni rezultati
8 Zakljucak
2 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Motivacija i ciljevi rada
• povecanje instalirane snage vjetroelektrana
• srednja raspolozivost vjetroelektrana oko98 %, zbog pouzdanosti i cestihintervencija odrzavanjav = tb
tb+tr
• problem umjeravanja mjernog clana brzinevrtnje i kuta zakreta
• mogucnost povecanja raspolozivosti itrzisnih kompetencija
Generator 8,9
Broj kvarova [%] Vrijeme popravka [%]
Cijeli vjetroagregat 2,7
Toranj 1,5
Sustav zakreta gondole 6,7
Hidraulika 13,3
Mehanicke kocnice 1,2
Multiplikator 9,8
Senzori 14,1
Pogonski sustav 1,1
Upravlja ki sustav 12,9
Elektri ni sustav 14,3
Generator 5,5
Sustav zakreta lopatica 13,4
Glav ina 0,3 Sustav zakreta lopatica 9,4
Cijeli vjetroagregat 1,7Glav ina 0,0
Toranj 1,2
Sustav zakreta gondole 13,3
Hidraulika 4,4
Mehanicke kocnice 1,2
Multiplikator 19,4
Senzori 5,4
Pogonski sustav 2,4
Upravlja ki sustav 18,3
Elektri ni sustav 14,3
3 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Motivacija i ciljevi rada
• vjetroagregati su postavljeni na udaljenim lokacijama
• upravljanjem generatorom oslanja se na precizno odredenupoziciju magnetskog toka
• redoviti servisi na rotoru generatora zahtijevaju ponovnukalibraciju mjeraca brzine
• kalibracija je moguca samo pri malim brzinama vjetra, atestiranje kalibracije vrsi se na velikim brzinama vjetra -produljivanje vremena servisiranja i do dva tjedna
• motivacija za odbacivanje mjeraca pozicije rotorageneratora i uvodenje estimatora polozajamagnetskog toka
4 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Motivacija i ciljevi rada
• Kalman filter observeri
• dobre upravljacke karakteristike sa (d, q) modelom• bolje performanse na vecim brzinama• prosirenje raspona uz (α, β) model
• Observeri s ubrizgavanjem signala
• prikladni za male brzine vrtnje• povratni sugnali su zasumljeni, filtriranje• dodatni PWM signal, gubici
• Ideja: ujediniti prednosti oba (d, q) i (α, β) modela ukombinirani Kalman filter obsever
5 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sustav vjetroagregata
PMSG
Struktura vjetroagregata s PMSG-om
WRSG
Struktura vjetroagregata s WRSG-om
• novija tegnologija, skuplja
• visoka koristnost
• bez multiplikatora
• WRSG: Enercon, Koncar
• PMSG: Vestas, Goldwind,Gamesa, Siemens
6 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Upravljanje generatorom vjetroagregata
PMSG
-
ud + ud
uq + uq
ud
uq
(d,q)
(a,b,c)
UDC
kut
ωg
iabc+
-
id
id*
iq*
iq
estimacija
varijabliTg
*
iabc
ωgid,q,id,q
u d,qΔ , kut
*
PWM PMSG
PId
PIq
Δ
Δ
Tt
Tt
--
ωe,
ωe(Ldid+ψpm)
ωe id
ωeLqiq
ωe iq
--
--
Shematski prikaz vektorskog upravljanja sinkronimgeneratorom s permanentnim magnetima
7 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Upravljanje generatorom vjetroagregata
WRSG
ud + ud
uq + uqΔ
Δ
ud(d,q)
(a,b,c)
UDC
kut
giabc
UDC
i fRdd
Rdf
Rff
+
+
+
+
+
+
-
-
Rqq+
-
id
i f
i f*
id*
uf
iq*
iq
Rfd
estimacija
varijabliTg
*
iabc
g
i fu d,qΔ , kut
PWM WRSG
if*, idq*, e, idq
�eLqiq
�e iq
uq
�e(Ldid+Lmdif)
�e id if
--
--
--
-
Shematski prikaz vektorskog upravljanja sinkronimgeneratorom s uzbudnim namotima
8 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nederivirajuci Kalmanov filtar
Stvarnouzorkovanje
y=f(x)
kovarijanca
očekivanje
stvarnoočekivanje
stvarnakovarijanca
Preslikavanje
linearizacijom
y=f(x)
Py=ATPxA
f(x)
ATPxA
UT
sigmatočke
γ=f(χ)
otežanoočekivanje
ikovarijanca
transforrmirane
sigmatočke
UTočekivanje
UTkovarijanca
Sigma vektori koji propagiraju kroz nelinearnu funkciju
χ0 = x
χi = x +(√
(L + λukf )Px)ii = 1, ..., L
χi = x −(√
(L + λukf )Px)i−L
i = L + 1, ..., 2L
9 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nederivirajuci Kalmanov filtar
algoritam
Sigma vektori koji propagiraju kroz nelinearnu funkciju
χak−1 =
[xak−1 xak−1 + γ
√Pak−1
xak−1 − γ√
Pak−1
](1)
Osvjezavanje vremena
(jednadzbe predikcije)
χxk|k−1 = f
[χxk−1 uk−1 χ
vk−1
]x−k =
2L∑i=0
W(m)i χ
xi,k|k−1
P−k =2L∑i=0
W(c)i
[χxi,k|k−1 − x−k
]·
·[χxi,k|k−1 − x−k
]TΥk|k−1 = h
[χxk|k−1 χ
nk−1
]y−k =
2L∑i=0
W(m)i Υi,k|k−1
(2)
Osvjezavanje mjerenja
(jednadzbe korekcije)
Py−k,y−k
=2L∑i=0
W(c)i
[Υi,k|k−1 − y−k
]·
·[Υi,k|k−1 − y−k
]TPx−k,y−k
=2L∑i=0
W(c)i
[χi,k|k−1 − x−k
]·
·[Υi,k|k−1 − y−k
]TKk = P
x−k,y−k
P−1
y−k,y−k
xk = x−k +Kk
(yk − y−k
)Pk = P−k −KkP
y−k,y−k
KTk
(3)
10 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sinkroni generatori u vjetroagregatima
PMSG
Presjek stroja s vanjskim magnetima
q
d
iq
uq
eLdid
Rs
e pm
Lq
idud
Ld Rs eLqiq
Prikaz stroja u (d,q)
koordinatnom sustavu
Model u (d, q) koordinatnom sustavu
did
dt=
1
Ld(ud − Rsid + ∆ud)
diq
dt=
1
Lq(uq − Rsiq + ∆uq)
ρ
dt= p · ωg
Tg =3
2p[ψpmiq + (Lsd − Lq)idiq ]
dωg
dt=
1
J
(Tt − Tg
)
Naponi rasprezanja
∆ud = Lqωeiq∆uq = −Ldωeid − ψpmωe
11 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sinkroni generatori u vjetroagregatima
PMSG
Model stroja u stacionarnom (α, β) koordinatnom sustavu
uα = Rsiα +d
dtψα
uβ = Rsiβ +d
dtψβ
ψα = (La + Lb cos(2ρ)) iα + Lb sin(2ρ)iβ + ψpm cos(ρ)ψβ = Lb sin(2ρ)iα + (La − Lb cos(2ρ)) iβ + ψpm sin(ρ)
(4)
12 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sinkroni generatori u vjetroagregatima
WRSG
stator
rotor
armaturni namot
uzbudni namot
prigušni
namot
a) b)turbogenerator (a) i hidrogenerator (b)
ed
idudiDifuf
eqiq
uq
iQ LqQ
Lfd
LfD LdD
q
d
Prikaz stroja u (d,q)
koordinatnom
sustavu
Model u (d, q) koordinatnom sustavu
ud + ∆ud = Rsid + Llsdid
dt+Lmd
Lfuf −
Lmd
LfRf if
uq + ∆uq = Rsiq + Lqdiq
dt
uf = Rf if + +Llfdif
dt+Lmd
Ld(ud + ∆ud) −
Lmd
LdRsid
Naponi rasprezanja
∆ud = Lqωeiq∆uq = −Ldωeid − Lmdωeif
13 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Sinkroni generatori u vjetroagregatima
WRSG
Naponske jednadzbe u stacionarnom (α, β) koordinatnom sustavu
uα = Rsiα +d
dtψα
uβ = Rsiβ +d
dtψβ
uf = Rsif +d
dtψf
ψα = (La + Lb cos(2ρ)) iα + Lb sin(2ρ)iβ + Lsfd cos(ρ)ifψβ = Lb sin(2ρ)iα + (La − Lb cos(2ρ)) iβ + Lsfd sin(ρ)ifψf = Lsfd cos(ρ)iα + Lsfd sin(ρ)iβ + Lfdif
14 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultati
UDC
iabc(f)
estimacija
varijabli Tg*
iabc(f)
u d,qΔ , kut
SVPWM SGvektorsko
upravljanje
id,q,(f)*,we,id,q,(f)
Blokovska struktura upravljanja• ocekivana promjena brzine vrtnje izmedu
dva vremena uzorkovanja je jako mala paje opravdano uvesti jednadzbu:dωgdt
= 0 + vω ,vω - procesni sum
• za vecu medusobnu povezanost jednadzbimodela generatora uvode se modeli ustacionarnom (α, β) koordinatnom sustavu
15 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultatiPMSG
0 2 4 6 8 10 1210
8
6
4
2
0
2
4
6
8
10
t [s]
wg [
rad/s
ec]
Brzina vrtnje osovine
stvaran
estimiran
Brzina vrtnje generatora
0 2 4 6 8 10 12−0.2
−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
t [s]
i a [A
]
ia
mjerenestimiran
Struja statora ia
0 2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
Kut zakreta osovine
stvaran
estimiran
Kut zakreta osovine
0 2 4 6 8 10 12−6
−4
−2
0
2
4
6x 10
−3
t [s]
rom
− r
o [rad
]
Greska estimacije
Pogreska estimacije kuta zakreta
16 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultatiWRSG
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
4
2
0
2
4
6
8
t [s]
wg [
rad/s
ec]
Brzina vrtnje osovine
stvaran
estimiran
Brzina vrtnje generatora
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−1000
−800
−600
−400
−200
0
200
400
600
800
1000
t [s]
i a [A
]
ia
mjerenestimiran
Struja statora ia
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−100
0
100
200
300
400
500
600
700
t [s]
i f [A
]
Struja uzbude if
mjerenestimiran
Struja uzbude if
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
Kut zakreta osovine
stvaran
estimiran
Kut zakreta rotora
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−4
−3
−2
−1
0
1
2
x 10−3
t [s]
rom
− r
o [rad
]
Greska estimacije
Pogreska estimacije kuta zakreta
17 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultati
PMSG, Matlab/Simulink PLECS
Blokovska shema simulacije
• provjera algoritma estimacije i upravljanjeprije eksperimentalnog testa
• programsko okruzenje Plexim Plecs
18 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultati
PMSG, Matlab/Simulink PLECS
0 2 4 6 8 10 12−0.2
−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
t [s]
i a [A
]
ia
mjerenestimiran
Struja statora ia0 2 4 6 8 10 12
10
8
6
4
2
0
2
4
6
8
10
t [s]
Brzina vrtnje osovine
stvaran
estimiran
Brzina vrtnje generatora
0 2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
Kut zakreta osovine
stvaran
estimiran
Kut zakreta generatora0 2 4 6 8 10 12
−0.05
−0.04
−0.03
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
t [s]
rom
− r
o [rad
]
Greska estimacije
Greska estimacije kuta zakreta
19 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nadogradnja observeraKarakteristike observera s (d, q) modelom
• jednostavan
• samo osnovni valni oblik, bezharmonika
• dobre upavljacke karakteristike saPI regulatorima
• varijable su konstantne, lakougadanje observera
• potrebno poravnavanje statorskih irotorskih polova
• dobre karakteristike obsevra samopri velikim brzinama
Estimacija struja pri poravnatim i neporavnatim
polovima statora i rotora
20 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nadogradnja observeraKarakteristike observera s (α, β) modelom
• dobre karakteristike observera,jednadzbe su usko vezane zafizikalnu sliku stroja
• netreba pocetnog poravnavanjapolova statora i rotora
• slozeni model
• lose upravljacke karakteristike
• sinusne varijable, otezanougadanje observera
Slabe karakteristike observera, izoblicenje struja
zbog nedgovarajuceg ugadanja observera
21 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nadogradnja observera
• (α, β) model za estimaciju brzine i pozicije magnetskog toka
• (d, q) model za poboljsanje estimata pozicije magnetkog toka,izvlacenje osnovnog valnog oblika struja, Field-Oriented Control
• Dual-Kalman filter konfiguracija
22 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nadogradnja observera
• pocetna konfiguracija s (α, β) modelom
23 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Nadogradnja observera
• konacna Dual-Kalman filtar konfiguracija s (α, β) i (d, q) modelom
24 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Simulacijski rezultati Dual-Kalman filtar
25 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Eksperimentalni rezultati Dual-Kalman filtar
26 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Eksperimentalni rezultati Dual-Kalman filtar
27 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Eksperimentalni postav
28 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Zakljucak
• brza konvergencija algoritma estimacije ka tocnimvrijednostima, cak i u uvjetima turbulentnog vjetra
• neznatno sporija konvergencija pri eksperimentalnimrezultatima
• estimirane velicine sadrze manje sumove nego mjerene pasu pogodniji ulazi u upravljacke algoritme
29 / 30
Motivacija iciljevi rada
Upravljanjegeneratorom
UKF
ModeliranjeSG
Simulacijskirezultati
Nadogradnjaobservera
Eksperimentalnirezultati
Zakljucak
Hvala na pozornosti!
30 / 30