Διερεύνηση πώς μπορεί να μειωθεί η μεταβλητότητα ισχύος του αιολικού πάρκου μέσω προγνωστικού ελέγχου
Την τελευταία δεκαετία σημειώθηκε ταχεία αύξηση της αιολικής ενέργειας στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ενώ η μετατροπή σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι απαραίτητη για τη μείωση του CO2 παγκοσμίως εκπομπή, η διαλείπουσα αιολική ενέργεια δημιουργεί μια νέα σειρά προκλήσεων που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Συγκεκριμένα, η ισχύς εξόδου ενός αιολικού πάρκου δεν είναι σταθερή, αλλά κυμαίνεται καθώς η ταχύτητα του ανέμου κυμαίνεται, με διακυμάνσεις που εκτείνονται σε χρονικές περιόδους που κυμαίνονται από μήνες έως λεπτά.
Το ηλεκτρικό δίκτυο σχεδιάστηκε για να χειρίζεται μόνο μικρές ποσότητες διαφορετικής παραγωγής ενέργειας, επομένως αυτό το πρόβλημα θα γίνει πιο δύσκολο να αντιμετωπιστεί καθώς κατασκευάζονται όλο και μεγαλύτερα αιολικά πάρκα. Αυτή η διακοπή μετριάζεται επί του παρόντος με την πλήρωση των περιόδων μειωμένου ανέμου με αυξημένη παραγωγή ενέργειας κυρίως από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής φυσικού αερίου, οι οποίοι, ενώ είναι καθαρότεροι από τον άνθρακα και το πετρέλαιο, εξακολουθούν να αποτελούν σημαντική πηγή CO2 εκπομπές.
Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ εργάζεται για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος διαλείπουσας λειτουργίας ως μέρος ενός ευρύτερου προγράμματος που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών που στοχεύει στην αντιμετώπιση της δημόσιας πολιτικής, της συμπεριφοράς και των τεχνολογικών πτυχών του ηλεκτρικού δικτύου επόμενης γενιάς. Πιστεύουν ότι μέσω της χρήσης πιο προηγμένων συστημάτων ελέγχου, τα αιολικά πάρκα θα είναι σε θέση να παρέχουν σταθερότερη και πιο ελεγχόμενη ισχύ εισόδου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Wind Energy, η ομάδα εξέτασε την επίδραση πολλαπλών χρονικών κλιμάκων σε έναν ελεγκτή αιολικού πάρκου που εργάζεται τόσο για τη μεγιστοποίηση της παραγόμενης ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί τις διακυμάνσεις ισχύος από ένα αιολικό πάρκο.
Χρήση προγνωστικού ελέγχου μοντέλου για μεγιστοποίηση ανεμογεννητριών
Οι παραδοσιακές τεχνικές ελέγχου αιολικών πάρκων επικεντρώνονται στη μεγιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας μεμονωμένων ανεμογεννητριών μέσω ελεγκτών αναλογικής-ολοκληρωμένης παραγώγου (PID). Αυτά τα συστήματα δεν μπορούν να λάβουν υπόψη την ενέργεια που παράγεται από γειτονικές ανεμογεννήτριες ούτε να λάβουν υπόψη πώς μπορεί να αλλάξει η ταχύτητα του ανέμου στο μέλλον. Αντί αυτών των παραδοσιακών τεχνικών ελέγχου, η ομάδα επέλεξε να χρησιμοποιήσει μια τεχνική που ονομάζεται μοντέλο πρόβλεψης ελέγχου (MPC) για τη μελέτη της. Οι τεχνικές MPC έχουν την ικανότητα να χειρίζονται πολλαπλούς στόχους και να ενσωματώνουν έναν χρονικό ορίζοντα στη λύση τους, επιτρέποντας σε έναν μόνο ελεγκτή να λαμβάνει υπόψη και τη στιγμιαία ισχύ που παράγεται από πολλαπλές ανεμογεννήτριες για να λογοδοτήσει την αλλαγή στην παραγωγή ισχύος του αιολικού πάρκου με βάση μια πρόβλεψη πώς θα αλλάξει η μελλοντική ταχύτητα του ανέμου.
Η ομάδα ανακάλυψε για πρώτη φορά ότι οι διακυμάνσεις ισχύος από ένα αιολικό πάρκο εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την αναλογία του χρόνου που χρειάζεται για μια ριπή ανέμου για να ταξιδέψει από μια τουρμπίνα σε μια κατάντη τουρμπίνα στην κυρίαρχη συχνότητα των κυμαινόμενων ριπών ανέμου. Για ορισμένες τιμές αυτού του λόγου, οι εξόδους ισχύος από μεμονωμένους στρόβιλους παράγουν εποικοδομητικές παρεμβολές, οδηγώντας σε διακυμάνσεις ισχύος σε επίπεδο αγροκτήματος που είναι μεγαλύτερες από οποιονδήποτε μεμονωμένο στρόβιλο. Για άλλες τιμές, οι μεμονωμένες έξοδοι ισχύος του στροβίλου παράγουν καταστροφικές παρεμβολές, με αποτέλεσμα οι διακυμάνσεις της ισχύος στο επίπεδο του αγροκτήματος να είναι σημαντικά μικρότερες από τις διακυμάνσεις από τους μεμονωμένους στρόβιλους.
Στη συνέχεια, η ομάδα ανακάλυψε ότι ένας ελεγκτής αιολικού πάρκου, που εργάζεται ταυτόχρονα για να μεγιστοποιήσει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο και να ελαχιστοποιήσει τις διακυμάνσεις ισχύος, θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τις διακυμάνσεις ισχύος με ελάχιστες μόνο μειώσεις στη συνολική παραγωγή ισχύος του πάρκου, όταν δόθηκε μια πρόβλεψη πώς θα αλλάξει η ταχύτητα του ανέμου στο μέλλον. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την επίτευξη αυτών των μειώσεων ισχύος ήταν ευαίσθητη στη μορφή της αντικειμενικής συνάρτησης εντός του ελεγκτή. Εάν η αντικειμενική συνάρτηση είχε διαμορφωθεί για να ελαχιστοποιήσει τη χρονική παράγωγο των διακυμάνσεων ισχύος, ο ελεγκτής εξομάλυνσε τις καμπύλες ισχύος των μεμονωμένων ανεμογεννητριών. Εάν η αντικειμενική συνάρτηση διαμορφώθηκε για να ελαχιστοποιήσει τη διακύμανση της ισχύος του αγροκτήματος σε σχέση με τη μέση απόδοση ισχύος, ο ελεγκτής εξομάλυνσε τη συνολική ισχύ του αγροκτήματος χρησιμοποιώντας εποικοδομητικές και καταστροφικές παρεμβολές μεταξύ των μεμονωμένων ανεμογεννητριών.
Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι οι τεχνικές πρόβλεψης μοντέλων ελέγχου έχουν τη δυνατότητα να κάνουν τα αιολικά πάρκα πιο αξιόπιστο, ελεγχόμενο πόρο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η κατανόηση της επίδρασης των διαφορετικών χρονικών κλιμάκων που εμπλέκονται σε ένα αιολικό πάρκο είναι κρίσιμη για το σχεδιασμό ενός αποτελεσματικού ελεγκτή. Η βελτίωση των μεθόδων πρόβλεψης ταχύτητας ανέμου, καθώς και των μαθηματικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται για ελεγκτές αιολικών πάρκων, θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο να γίνει αυτή η τεχνολογία αξιόπιστη και πρακτική, καθώς παράγεται ολοένα μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας από αιολικά πάρκα.
Αυτή η μελέτη, Η επίδραση των χρονοδιαγραμμάτων στη μεταβλητότητα της ισχύος του αιολικού πάρκου με μη γραμμικό προγνωστικό έλεγχο μοντέλων δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Wind Energy .
