| Abstract | Airborne wind energy systems (AWE systems) are systems that use the energy of the wind at altitudes beyond the reach of conventional wind turbines, or at locations where erecting a conventional wind turbine is prohibitively complex, by using an airborne device (aircraft) instead of turbine blades and ropes (tethers) instead of a turbine-carrying tower. Compared with conventional wind turbines, AWE systems provide access to stronger and steadier high-altitude winds to realize significantly larger energy production and facilitate a smaller ratio of construction material per unit of produced energy. Achieving their required autonomous operation necessitates a well-designed control system, which is usually based on a mathematical model of system dynamics. This thesis considers an AWE system using the Magnus effect to induce aerodynamic forces driving a ground-based generator through a rope. The thesis first develops a system dynamics model, including the specific components such as the airborne device, the rope connecting the airborne module with the ground-based winch, and the winch connected to the generator. The emphasis is on the airborne module motion in the vertical plane aligned with the wind direction, making the planar motion dynamics model the main modelling contribution. Models of different complexities with respect to tether modelling accuracy are developed and compared regarding their utilization in subsequent control system development. The resulting model is then applied in simulation and optimization-based analyses, where an optimization problem is formulated to optimize the two control variables, the speed of rotation of the airborne module cylinder and the speed or force of the unwinding tether, to maximize energy produced during a continuously repeatable operating cycle. Next, the obtained optimal behaviour of the system is physically interpreted to provide the physical foundation required for control system synthesis. The physical insights obtained in this manner are then used to design a control system yielding energy production close to optimal. The emphasis is on supervisory control strategy accounting for dynamics of low-level cylinder motor and generator control systems. Finally, the developed control strategy is assessed and analysed in simulations regarding energy production quality and robustness against main operational parameters. Based on the corresponding comparative analysis, the final recommendations for implementing the control strategy are provided. |
| Abstract (croatian) | Lebdeći vjetroenergetski sustavi (LVE sustavi) su sustavi kojima se koristi energija vjetra na nadmorskim visinama iznad dosega konvencionalnih vjetroturbina, uz upotrebu lebdećeg tijela umjesto lopatica turbina te užadi umjesto tornja koji nosi turbinu. Time se pristupa vjetrovima bitno veće prosječne snage i stalnijeg intenziteta nego kod vjetrova bliže tlu, istovremeno smanjujući masu materijala za gradnju komponenti sustava te omogućavajući korištenje energije vjetra na lokacijama na kojima bi izgradnja konvencionalnih vjetroturbina bilo suviše kompleksna ili skupa. U svjetlu značajnog i stalnog povećanja potrošnje električne energije praćenog relativno malim padom udjela fosilnih goriva u strukturi njezinih izvora, sve izraženijih problema s klimom i okolišem uzrokovanih izgaranjem fosilnih goriva, te intenziviranja globalnih napora za rješavanje tih problema, navedene prednosti LVE sustava daju snažan poticaj njihovu razvoju.
Dva osnovna teorijska režima rada LVE sustava su (i) režim otpora, kod kojeg se generatori nalaze na lebdećem tijelu te koriste silu aerodinamičkog otpora i (ii) režim uzgona, kod kojeg se generator nalazi na tlu gdje ga pokreće uže prenošenjem aerodinamičke sile uzgona. Odatle slijedi osnovna podjela LVE sustava, na sustave s nošenim generatorima (NOG), s jednim ili više generatora na lebdećem tijelu, te sustave s nepokretnim generatorima (NEG), s generatorom fiksiranim na tlu. Kod NOG sustava užad koja povezuje lebdeće tijelo s tlom ima dvostruku ulogu mehaničke i električke veze i približno je konstantne duljine. Kod NEG sustava uže je namotano na vitlo preko kojeg ciklički pokreće generator te primarno obavlja ulogu mehaničke veze. Dvije daljnje značajne podjele LVE sustava su ona s obzirom na vrstu lebdjelice, na sustave s čvrstim lebdjelicama, nalik avionima i jedrilicama, i sustave s fleksibilnim lebdjelicama, poput zmajeva i jedara sličnih padobranskim krilima, te ona s obzirom na namjenu, koja može biti proizvodnja električne energije ili pogon vozila, najčešće brodova.
Razvoj LVE sustava uključuje, među ostalim: (i) modeliranje i simulaciju dinamike sustava, (ii) optimalno upravljanje sustavom, te (iii) uključivanje u elektroenergetski sustav i s time povezano skladištenje intermitiranog izvora energije na vremenskoj skali radnog ciklusa. Kod svih vrsta sustava, jedan od ključnih zahtjeva za ostvarivanje autonomnog rada u širokom rasponu radnih uvjeta je onaj za visokokvalitetnim regulacijskim sustavom, čija se sinteza najčešće temelji na matematičkom modelu dinamike sustava i često kao međukorak uključuje optimiranje, kojim se nastoji pronaći način za optimalno (maksimalno) korištenje raspoložive
energije vjetra. To se općenito ispunjava postizanjem što većih aerodinamičkih sila kroz ostvarivanje povoljne trajektorije lebdeće jedinice u odnosu na brzinu vjetra, uz korištenje raznovrsnih aktuatora (npr. onih za zatezanje užadi koja razapinje fleksibilna jedra, zakrilcima na čvrstim krilima i sl.).
Ovaj rad nastao je u okviru FP7 projekta HAWE (High Altitude Wind Energy) te istražuje regulaciju NEG sustava kod kojeg je lebdeće tijelo valjak lakši od zraka koji, pokretan elektromotorom, rotira u struji vjetra, čime se djelovanjem Magnusovog efekta ostvaruje aerodinamička sila koja pokreće generator. Navedeni se sustav svojim aerodinamičkim obilježjima i izvedbom znatno razlikuje od većine ostalih LVE sustava. Primjerice, lebdjelica rotacijom ostvaruje znatnu silu uzgona i bez translatornog gibanja, promjenom brzine vrtnje valjka omogućuje se izravnija promjena aerodinamičkih koeficijenata, pogodna je za jednostavnije ostvarivo ravninsko gibanje (nasuprot prostornog), čime se ujedno bitno olakšava modularnu gradnju lebdeće jedinice (tj. upotrebu više lebdjelica na jednom užetu).
U radu je za HAWE koncept razvijen u okviru FP7 projekta provedeno matematičko modeliranje dinamike sustava, uključujući za njega specifične komponente, kao što su lebdeća jedinica, uže koje spaja lebdeću jedinicu s vitlom na tlu, te vitlo povezano s generatorom. Dobiveni model je zatim primijenjen u simulacijskoj analizi sustava te u optimizacijskoj studiji s ciljem istraživanja optimalnog upravljanja sa stanovišta maksimiziranja proizvodnje energije. Na temelju fizikalnih uvida dobivenih analizom optimizacijskih rezultata provedena je sinteza sustava regulacije za postizanje proizvodnje energije bliske optimalnoj. Konačno, razvijena strategija ispitana je putem računalnih simulacija. U skladu s navedenim, rad je podijeljen na poglavlja kako slijedi.
Poglavlje 1 – Uvod opisuje motivaciju za istraživanje LVE sustava općenito te HAWE sustava kao specifičnog sustava, daje pregled stanja područja, definira hipotezu disertacije s očekivanim znanstvenim doprinosima te pruža sažet prikaz strukture rada.
Poglavlje 2 – Model procesa i osnovna strategija upravljanja daje pregled matematičkog i simulacijskog modeliranja dinamike HAWE sustava. Izvedeni su modeli tri glavna podsustava koja uključuju (i) lebdeću jedinicu koja za ostvarivanje potrebnih aerodinamičkih sila koristi Magnusov efekt, (ii) uže koje u sustav unosi prostorno raspodijeljene i vremenski promjenjive učinke elastičnosti, inercije i aerodinamičkog otpora, te (iii) vitlo i generator, koji mogu biti povezani izravno ili korištenjem posebne transmisije. Uključeni su svi relevantni mehanički i aerodinamički efekti pri ravninskom gibanju, poput spomenute distribucije mase i
aerodinamičkog otpora duž užeta, pri čemu su aerodinamički koeficijenti preuzeti iz literature odnosno popratnih materijala dobivenih od partnera na projektu HAWE. Naglasak je na gibanju lebdeće jedinice u vertikalnoj ravnini u kojoj leži vektor brzine vjetra, što glavnim rezultatom ovog poglavlja čini model dinamike sustava pri ravninskom gibanju. U prilogu poglavlju je dodatno dan osvrt na mogućnost ostvarivanja prostornog gibanja korištenjem više valjaka ugrađenih u jednu lebdjelicu, što je bitno prvenstveno zbog mogućnosti stabilizacije sustava u slučaju bočnih udara vjetra te za izbjegavanje štetnog uvijanja užeta uslijed rotacije lebdjelice. Modeli različite kompleksnosti (s obzirom na stupanj pojednostavljenja podmodela užeta) implementirani su i ispitani u programskom okruženju MATLAB/Simulink. Poglavlje uključuje i prikaz postojeće, osnovne strategije upravljanja HAWE sustavom, koja koristi konstantne brzine užeta pri izvlačenju i uvlačenju, kao reference za poboljšanja ostvarena u ostatku rada.
Poglavlje 3 – Optimiranje upravljačke trajektorije opisuje provedbu optimizacijske studije i fizikalnu analizu dobivenih rezultata. Na temelju razvijenog 2D modela dinamike sustava i poznatih fizikalnih ograničenja, formuliran je optimizacijski problem te provedeno optimiranje upravljačkih varijabli (brzine vrtnje valjka lebdeće jedinice te sile ili brzine užeta koje se odmata s vitla) s ciljem maksimiziranja proizvodnje energije tijekom kontinuirano ponovljivog radnog ciklusa. U tu je svrhu korišten optimizacijski programski paket TOMLAB, koji za definiranje problema izravnog optimalnog upravljanja i njegovo pretvaranje u problem nelinearnog programiranja (NLP) koristi modul TOMLAB/PROPT, a za rješavanje dobivenog NLP problema algoritam SNOPT (engl. Sparse Nonlinear OPTimizer). Dobiveni rezultati optimiranja analizirani su kako bi se fizikalno protumačilo optimalno ponašanje sustava, s naglaskom na oblik optimalne trajektorije gibanja lebdeće jedinice, čime je dobivena fizikalna osnova potrebna za sintezu regulacijskog sustava. Analiza je s jedne strane temeljena na analitičkoj primjeni modela dinamike sustava, a s druge na numeričkim simulacijama u programskom paketu MATLAB/Simulink.
Poglavlje 4 – Upravljačka strategija opisuje sintezu regulacijskog sustava. Polazeći od temeljne nadređene strategije regulacije za postizanje osnovne funkcionalnosti sustava, formalno je definirana osnovna logika za koordinaciju podređenih regulatora brzine vrtnje motora lebdeće jedinice i generatora. Uz tako dobivenu osnovu, provedena je sinteza složenije strategije zasnovane na uvidima dobivenima u optimizacijskoj studiji (Poglavlje 3). S obzirom na potrebu za poštivanjem svih praktičnih radnih ograničenja, vezanih primjerice uz brzine i opterećenja unutar sustava, istražene su mogućnosti unapređenja osnovne koordinacijske
logike imajući u vidu različite dinamičke karakteristike (vremenske konstante) motora lebdeće jedinice i generatora.
Poglavlje 5 – Simulacijski scenariji ispitivanja upravljačke strategije i zaključci o izboru konačne upravljačke strategije daje analizu kvalitete i robusnosti predložene strategije regulacije. Simulacijski rezultati primjene razvijene praktične strategije regulacije uspoređeni su s rezultatima optimiranja, te s rezultatima temeljne strategije regulacije. Promatrani su iznos proizvedene energije i robusnost (ostvarivost) željenog načina upravljanja s obzirom na promjenu radnih parametara sustava, prvenstveno položaja lebdeće jedinice u odnosu na vitlo te duljine odmatanja užeta, koja može biti zadana kao ukupna ili kao radna (odmotana tijekom ciklusa, uz različit početni položaj lebdeće jedinice). Na temelju odgovarajuće komparativne analize, provedene pomoću programskog paketa MATLAB/Simulink, dane su konačne preporuke za implementaciju regulacijske strategije LVE sustava HAWE. Također, u prilogu poglavlju analizirana je mogućnost konfiguriranja polja (farmi) HAWE jedinica na ograničenoj površini s obzirom na minimalnu potrebnu udaljenost između generatorskih stanica na tlu i prevladavajući smjer vjetra.
Poglavlje 6 – Zaključak daje sažetak rezultata opisanih u radu kao i mogućih daljnjih istraživanja te opisuje glavne doprinose istraživanja, koji uključuju (i) postavljanje upravljanju namijenjenog dinamičkog modela HAWE sustava, uključujući razvoj podmodela užeta s prostorno raspodijeljenim i vremenski promjenjivim parametrima, (ii) optimiranjem potpomognut pronalazak optimalne strategije upravljanja HAWE sustavom, uz korištenje brzine vrtnje valjka lebdeće jedinice te brzine odmatanja užeta s vitla kao dviju raspoloživih upravljačkih varijabli i (iii) sintezu praktično primjenjivog regulacijskog sustava koji daje proizvodnju energije blisku optimalnoj. Dobiveni rezultati potvrđuju temeljnu hipotezu rada da se proizvodnja energije dobivena upravljanjem uz konstantnu brzinu izvlačenja užeta može značajno povećati naprednijom, a u primjeni i dalje provedivom strategijom upravljanja, uz istovremeno poboljšanje koordinacije rada generatora i motora koji pokreće valjak lebdjelice. |
