Řídicí systémy větrných elektráren odolávají teplotním extrémům

-- 25.04.10 21:28

Záložní zdroje pro prostředí vysokých teplot pomáhají dánským návrhářům řídicích systémů zvládat teploty v Mongolsku, jež dosahují až 55 °C.

Větrné turbíny se používají již mnoho desetiletí, ale kombinace rostoucích cen pohonných hmot, omezení rozpočtů a ekologických iniciativ zaměřených na využívání obnovitelných nebo zelenějších zdrojů energie vzbuzuje nebývalý zájem o tyto technologie. Řídicí systémy jsou u větrných turbín klíčovým prvkem stejně jako konstrukční řešení zohledňující extrémní provozní podmínky. Společnost kk-electronic již třicet let vyvíjí a vyrábí komplexní řídicí systémy větrných turbín na klíč pro přední výrobce těchto zařízení. Systémy této dánské firmy lze najít ve více než 15 000 větrných turbínách provozovaných po celém světě – od velkých amerických větrných farem, jako je King Mountain v Texasu, až po zavedené příbřežní větrné farmy, jako jsou v Middelgrunden u Kodaně nebo v dánském Nystedu.

Řídicí systémy pro větrné turbíny společnosti kk-electronic sahají od jednoduchých řídicích prvků až po moderní složité řídicí systémy s vysokou spolehlivostí, která je nezbytná pro často velmi nepříznivé povětrnostní podmínky. U těchto komponent nainstalovaných na stožáru vysokém 137 metrů, kde jsou vystaveny teplotním extrémům, úderům blesku a dalším rizikům, se plánovaná údržba provádí jednou za šest měsíců. Proto se u těchto systémů využívá zabudované vzdálené monitorování a vykazování, které zohledňuje obtížnost provádění inspekce na místě. Podívejme se nejprve na širokou paletu elektrických a elektronických součástí zajišťujících bezpečné a spolehlivé generování elektrické energie ve větrné turbíně. Patří k nim:

• hlavní počítač, I/O moduly, relé a součásti pro monitorování a řízení větrné turbíny;

• neustálé monitorování stavu provozu větrné turbíny;

• počítač pro hlavu rotoru řídící náklon listů;

• frekvenční měnič, ochrana motoru pro nasměrování gondoly v systému tlumeného směrování;

• rozvodná skříň v horní části stožáru spojující hliníkové kabely ve stožáru s pružnými měděnými kabely z generátoru;

• převodník (pro plný výkon nebo duální), filtr, kompenzace fáze atd.;

• záložní zdroj pro vysoké teploty, I/O moduly, počítač rozhraní, ovládací panel, síťové komponenty a rozhraní SCADA;

• rozvodné desky pro vysoké, střední a nízké napětí;

• hlavní jistič, připojení k rozvodné síti, hnací agregát a analyzátory kvality elektrické energie;

• anemometry, větrné korouhve, výstražná světla pro letecký provoz;

• prvky pro manipulaci jeřábem, průlez, vytápění, chlazení, detektory kouře atd.

Jedním z nejobtížnějších úkolů, s nímž se návrháři řídicích systémů větrných elektráren musejí vyrovnat, jsou extrémní teploty a teplotní skoky, jimž mohou být zařízení větrných turbín vystavena. Řídicí systémy (a samotná turbína) se musí udržet v chodu i za těchto podmínek. Čínský výrobce Qianwei Chongqing Qianwei Instrument & Meter Factory hledal řídicí systém větrné turbíny, který by zajistil míru provozuschopnosti nezbytnou pro dosažení návratnosti investice po dobu stanovené životnosti jeho turbín.

Společnost Qianwei posuzovala řídicí systémy větrných turbín od několika výrobců a zvolila společnost kk-electronic. Následně došlo ke vzniku společného podniku firem kk-electronic a Qianwei. Nová korporace s názvem kk-Qianwei bude dodávat a vyrábět řídicí panely. Společnost kk-electronic se na tomto projektu podílí dodávkami svého nejnovějšího řídicího systému pro větrné turbíny, jenž nese označení „Commander“a je řešením dodávaným na klíč. Tento systém tvoří kombinace předem vyvinutých řídicích prvků a modulárních doplňků, které lze rychle implementovat. Společnost kk-electronic dále dokončila výstavbu nového závodu v dánském Ikastu v hodnotě 2 milionů dolarů; závod je určen k výrobě elektronických řídicích obvodů.

Brzdění listů

Nejdůležitějším úkolem u řízení turbín větrných elektráren je neustálá regulace náklonu listů a brzdění během krátkodobých výpadků sítě nebo v případě ztráty spojení s ní. Má to zásadní význam pro bezpečný provoz, protože zanedbání této regulace by vedlo k mechanickému namáhání hnacího ústrojí a stožáru a k možnosti selhání. Pro zastavení otáčení listů turbíny se úhel každého listu (náklon) nastaví tak, aby hrany listů byly rovnoběžné se směrem větru.

Odstraněním tlaku větru na listy se rychlost rotoru zpomalí. Následně se použijí brzdy, které rotor zastaví a udrží v klidu. Pokud by se brzdy použily dříve, než rychlost rotoru poklesne pod hodnotu přípustnou pro brzdění, došlo by k poškození brzd. Pro odstranění tohoto jednotlivého rizikového místa případného selhání regulace brzdění používá společnost kk-electronic dva nezávislé řídicí subsystémy, jež jsou určeny pro monitorování a řízení regulace náklonu listů turbíny a brzdění.

Teplotní extrémy

Protože spolehlivost těchto počítačů závisí na spolehlivosti jejich zdroje napájení, společnost kk-electronic si uvědomila, že oba systémy musí mít kromě napájení z rozvodné sítě také své vlastní záložní zdroje. Technici se rozhodli pro akumulátorové záložní zdroje (UPS), ale věděli, že je nezbytné najít záložní zdroje odolávající vysokým teplotám a určené pro provoz v místech vystavených extrémně velkým výkyvům teploty. „Od našich řídicích systémů větrných turbín se očekávalo, že budou fungovat v Mongolsku a odlehlých oblastech Číny, kde denní teplota dosahuje 55 °C a v noci padá k bodu mrazu,“ uvedl Claus Damgaard, technik generátorových zařízení z oddělení výzkumu a vývoje.

„Problém s chladem byl vyřešen poměrně snadno doplněním topných těles do řídicí kabiny, ale v případě výpadku rozvodné sítě by teplota mohla klesnout až na - 40 °C,“ objasňuje Damgaard. Stále zde však zůstávala hlavní překážka nalezení vhodného záložního zdroje – vysoká okolní teplota. „V době, kdy byl projekt Qianwei ještě v plenkách, jsem se obrátil na společnost Falcon Electric,“ vysvětluje Damgaard. „Na internetu jsem hledal průmyslové záložní zdroje pro vysoké teploty a zjistil jsem, že společnost Falcon nabízela jediný záložní zdroj vhodný pro teplotu 55 °C a ještě s osvědčením UL.“

Firma Falcon dodávala záložní zdroje pro společnosti, jako jsou GE, Siemens a Johnson Controls. „Mike Stout, technik společnosti Falkon, mi prozradil, že firma GE použila záložní zdroje Falcon pro své řídicí systémy větrných turbín, což mou důvěru dále posílilo,“ říká Damgaard. „Ještě důležitější bylo, že vzhledem k tomu, že nový záložní zdroj Falcon řady SSG pro vysoké teploty byl příliš hluboký pro schránku, kterou jsme pro záložní zdroj navrhli, přijala společnost Falcon můj požadavek integrovat pouze elektroniku záložního zdroje a dovolila společnosti kk-electronic zajistit si vlastní akumulátory armádní třídy pro vysoké teploty.“

„Skutečnost, že firma Falcon byla ochotná na přání upravit své záložní zdroje a následně věnovat čas testování, aby naše sada akumulátorů s těmito zdroji fungovala, byla fantastická. Podle mých zkušeností by výrobci záložních zdrojů vůbec neuvažovali o nabídce takových úprav a podpory, zejména když jde o množství 50 nebo 100 kusů.“ Společný podnik kk-Qianwei v současnosti testuje svou společně vyvinutou větrnou turbínu v Mongolsku, jež je v provozu již několik měsíců. Podle Damgaarda plánuje kk-Qianwei v roce 2010 instalaci více než 100 dalších turbín.

Ce

Renee Robbinsová je vedoucí redaktorka časopisu Control Engineering. Kontaktujte ji na adrese renee.robbins@reedbusiness.com.

Autor: Renee Robbinsová, Control Engineering