Strategi Kontrol Turbin Angin ....

Strategi Kontrol Untuk Turbin Angin Model Kecepatan-konstan Pitch-konstan Menggunakan metode Yaw Control

 Oleh Sunar (1) disarikan dari paper:

Control Strategy for Variable-Speed,

Stall-Regulated Wind Turbines

E. Muljadi*, K. Pierce*, P. Migliore *

Email: wijayasunar@yahoo.com Alamat e-mail ini diproteksi dari spabot, silahkan aktifkan Javascript untuk melihatnya

 

Abstrak

            Turbin angin kecepatan-konstan pitch-konstan (fixed-speed, fixed-pitch) dieksplorasi untuk mendapatkan sistem control yang tepat agar tercapai output daya optimal. Strategi dilakukan untuk mengontrol sudut serang nasel pada sumbu horizontal (yaw control) terhadap arah angin. Dengan mengontrol  sudut yaw nasel untuk selalu tepat mengikuti arah datangnya angin, kecepatan angin dapat maksimal memutar sudu-sudu generator sehingga daya aerodinamis yang diperoleh dapat maksimal. Tetapi kecepatan rotor maksimum tidak selalu diinginkan,  saat kecepatan angin sangat tinggi, justru harus dihindari karena dapat menyebabkan over daya melebihi daya nominal (rated daya) turbin yang akibatnya merusak generator. Model perhitungan dikembangkan dan disimulasi. Hasil simulasi memperlihatkan arah sudut yaw dan output daya dapat diatur.

(1)  Perekayasa di Pustekbang LAPAN

*National Wind Technology Center, National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard,Golden, CO 80401, U.S.A.

 

1.   PENDAHULUAN

Turbin angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan alternatif yang memanfaatkan sumber daya alam berupa angin yang gratis. Terdapat berbagai tipe turbin angin yaitu kecepatan-konstan pitch-konstan (fixed-speed fixed-pitch- FS-FP), kecepatan-konstan pitch-berubah (fixed-speed variable-pitch– FS-VP), kecepatan-berubah pitch-konstan (variable-speed fixed-pitch– VS-FP) dan kecepatan-berubah pitch-berubah (variable-speed variable-pitch- VS-VP)^[1]. Masing-masing tipe memiliki kelebihan dan kekurangan dan memerlukan metode control yang berbeda-beda.

Tujuan utama dari kontroler adalah untuk memodifikasi keadaan-keadaan operasi (operating states) turbin untuk menjaga operasi aman, memaksimalkan daya, mengurangi kelelahan beban yang merusak, dan mendeteksi kondisi gangguan pada turbin^[2]. Strategi dan metode control juga bermacam-macam yaitu mengontrol kecepatan putar generator, sudut sudu (blade) dan mengontrol seluruh bagian yang berotasi pada turbin angin. Pengontrolan sudut blade dan rotasi turbin dibagi menjadi 2 metode yaitu pitch control dan yaw control^[3]. Dalam tulisan ini dibahas strategi dan control pada turbin angin fixed-speed, fixed-pitch menggunakan metode yaw control.

    

2.   DASAR TEORI

2.1. Karakteristik Turbin Angin

Sebagian besar fokus tujuan control adalah optimalisasi daya turbin. Untuk memahami karakteristik daya yang dihasilkan turbin angin perhatikan grafik kurva daya pada gambar 2.1. Dalam tipikal turbin  angin, ada beberapa wilayah operasi. Di Wilayah (region) 2, di bawah kecepatan angin nominal (rate wind speed), tujuan kontroller adalah untuk memaksimalkan daya turbin. Di Wilayah 3, di atas kecepatan angin nominal, tujuannya adalah untuk mempertahankan daya turbin konstan (sesuai daya nominal), dengan membatasi beban turbin dan daya generator. Daerah operasi lain meliputi startup (Wilayah 1) dan shutdown.

 

Gambar 2.1 Kurva daya turbin angin

Daya atau Daya (P) dikonversi oleh turbin angin akibat kecepatan angin ditunjukkan pada persamaan 1. Dalam hal ini persamaan 1 merepresentasikan daya listrik bersih (net electrical daya) setelah dikurangi efisiensi aerodinamis dari sudu rotor dan sistem mekanik dan rugi-rugi elektrik.

 P = 0.5r.A.Cp.V³    …………………………………[1]

 dimana:

r = mass density of air

A = area swept by the rotor blades

V = wind speed

Cp = nondimensional daya coefficient

                 Untuk turbin fixed-speed fixed-pitch (FS-FP), tujuan control adalah turbin beroperasi mendekati efisiensi maksimum, dimana hasil target daya dapat dirumuskan pada persamaan 2 (substitusi dari persamaan 3 dan 1).

 Ptarget = 0.5r.A.Cptarget (R/TSRtarget)³w³  ….[2]

 Dimana:

R = rotor radius measured at the blade tip

w = rotational speed of the blade

Tip-speed-ratio (TSR) merupakan tip speed nondimensional, didefinisikan sebagai ratio antara kecepatan rectilinear blade tip dan kecepatan angin, dirumuskan dalam persamaan 3.

 

TSR = wR/V   .………………………….[3]

 

Hingga saat ini semua turbin angin menerapkan kontrol dan strategi yang berbeda untuk mencapai tujuan controller. Beberapa turbin mencapai tujuan kontrol melalui sarana pasif, seperti fixed-blade, menggunakan kontroller stall. Dalam sistem turbin, blade dirancang sedemikian sehingga daya terbatasi di Wilayah 3 sampai blade stall. Tidak diperlukan proses mekanisme blade dalam sistem ini. Di Wilayah 2, kecepatan generator adalah tetap (fixed). Biasanya, kontrol ini hanya melibatkan operasi start-up dan shutdown turbin.

Rotor dengan adjustable blade (blade yang bisa diatur) sering digunakan dalam turbin kecepatan-konstan untuk memberikan kontrol yang lebih baik terhadap daya turbin, daripada dengan blade stall. Blade dapat diatur untuk memberikan tenaga yang konstan di Wilayah 3. Mekanisme blade dalam turbin harus cepat, untuk memberikan pengaturan tegangan yang baik terhadap kondisi hembusan dan turbulensi angin.

Mengoperasikan turbin dengan kecepatan rotasi konstan di Wilayah 2 (melalui penggunaan generator sinkron atau induksi) memiliki konsekuensi terhadap output daya turbin. Untuk memaksimalkan output daya di Wilayah 2, kecepatan rotasi dari generator turbin harus bervariasi (berubah-ubah) terhadap kecepatan angin untuk mempertahankan rasio tip-speed (TSR) konstan. Gambar 2.2 menunjukkan koefisien daya rotor Cp versus TSR untuk turbin dengan sudut blade yang berbeda. Pada masing-masing kurva terlihat Cp maksimum pada TSR tertentu. Untuk turbin fixed-speed, ini berarti bahwa hanya pada kecepatan-angin tunggal akan mencapai Cp optimal. Untuk semua kecepatan angin lainnya, turbin beroperasi pada Cp nonoptimum.

 

Gambar 2.2 Karakteristik Daya Coefisien vs TSR

 Sebagian besar turbin angin komersial memungkinkan kecepatan rotasi generator bervariasi terhadap kecepatan angin (turbin variable-speed). Hal ini memungkinkan turbin untuk beroperasi mendekati Cp optimal dan memaksimalkan daya terhadap rentang kecepatan angin yang ada. Kontrol blade digunakan di Wilayah 3 untuk membatasi daya.

Sebagian besar turbin angin komersial menggunakan kontrol yaw aktif untuk mengarahkan turbin ke angin. Error sinyal yaw dari nacelle yang dipasangi sensor arah angin digunakan untuk menghitung kesalahan kontrol. Sinyal kontrol biasanya hanya perintah untuk yaw turbin dengan kecepatan lambat konstan dalam satu arah atau arah sebaliknya. Motor yaw diaktifkan ketika error yaw melebihi besar sudut tertentu (sudut referensi) dan dimatikan ketika kesalahan yaw kurang dari besar sudut yang ditentukan.

                Gambar 2.2 menggambarkan karakteristik hubungan Cp-TSR turbin. Untuk turbin fixed-speed maka blade rotor perlu didesain beroperasi mendekati efisiensi maksimum (C_pmax) pada kecepatan angin yang sesuai dengan kondisi rata-rata distribusi angin yang terjadi.

                Dari persamaan 2 dan gambar 2.2 bahwa daya pada beberapa kecepatan angin dimaksimasi oleh operasi pendekatan TSR yang menghasilkan koefisien  daya (Cp) maksimum. Untuk turbin variable-speed ini berarti bahwa kecepatan rotor dapat diatur dengan proporsional terhadap perubahan kecepatan angin. Namun dalam prakteknya jika hanya kecepatan angin belum mencukupi untuk parameter kontrol, masih diperlukan perhitungan delay-delay yang terjadi.

Meskipun demikian, dengan manipulasi sederhana persamaan 2 dan 3 target daya dapat digambarkan dalam persamaan 4 sebagai fungsi RPM, sehingga lebih mudah diukur sebagai parameter kontrol.

 Ptarget = K1w³ = K2 (RPM)³  ………………………..…. [4]

                 Tujuan pembahasan di tulisan ini adalah untuk mengevaluasi perilaku turbin angin variable-speed, kontrol stall.  Untuk menyederhanakan analisis algoritma control variable-speed dipilih dengan asumsi operasi steady-state digambarkan dengan kurva Cp-TSR turbin. Efek seperti errors tracking, wind shear and swirl diabaikan.

 

1.   PEMBAHASAN DAN ANALISA

1.1.  Strategi control

Daya yang disediakan dari angin proporsional terhadap cube of kecepatan angin. Maka untuk mengatur daya terhadap peningkatan kecepatan angin, harus ada beberapa mekanisme untuk menurunkan efisiensi blade rotor. Turbin fixed-speed fixed-blade mengakomodasi kondisi ini secara otomatis, karena dalam kecepatan angin tinggi blade stall. Hasil penurunan lift dan peningkatan drag secara signifikan mengurangi kemampuan blade menghasilkan daya dari angin. Penting dicatat bahwa hal ini bisa terjadi jika generator (dan pengkonversi daya) dapat membatasi RPM rotor, kemudian memaksa blade untuk stall.

Percepatan rotor dapat dibuat menjadi nol selama daya diproduksi (diekstrak) dari angin, yang besarnya sama dengan keluaran daya elektrik generator. Hubungan ini digambarkan oleh persamaan 5 dalam fungsi torsi. Percepatan rotor berbanding terbalik secara proporsional terhadap inersia putaran sistem, terutama inersia rotor (J), dan berbanding lurus secara proporsional terhadap perbedaan antara torsi pengaruh dari angin (Twind) dan torsi elektrik generator (Telectric). Torsi aerodinamik dipengaruhi oleh operasi Cp.

         w =  (T wind  - Telectric  ) / J   …………..[5]

 Gambar 2.3 memperlihatkan karakteristik hubungan antara daya, kecepatan angin, dan RPM turbin angin. Semakin rendah operasi RPM rotor, semakin rendah pula daya maksimum yang dapat dibangkitkan. Maka turbin dioperasikan pada kecepatan rotor RPM_D, akan memiliki daya maksimum P_D, sedangkan jika dioperasikan pada kecepatan rotor lebih tinggi RPM_C akan memiliki daya maksimum P_C. Konsep ini adalah dasar dari profil daya yang diperlihatakan dalam gambar 2.4, yang menggambarkan strategi control. Pada kecepatan angin rendah dan moderat (OA), RPM generator dikontrol untuk mencapai daya maksimum dengan beroperasi mendekati C_pmax.

Gambar 2.3 Grafik P vs Kecepatan angin pada kecepatan dua rotor yang berbeda

Gambar 2.4 Profil Daya Target

Pada kecepatan angin tinggi turbin angin is prevented dari trayektori (OB) Cpmax dan dipaksa untuk beroperasi pada TSR dan Cp lebih rendah. Pada RPM_A, penerapan torsi generator  menyebabkan turbin deviasi dari operasi C_pmax. Karena perbedaan antara P_wind dan P_electric adalah positif, kecepatan rotor kontinyu meningkat, tetapi blade turbin mulai beroperasi dalam mode stall. Hal ini diharapkan bahwa kecepatan rotor akan dapat terkontrol dan dibatasi sampai dengan batas atas di RPM_C. Wilayah antara RPM_A dan RPM_C adalah wilayah “soft stall”. Untuk menerapkan dengan sukses strategi membatasi kecepatan rotor sampai RPM_C ini, kapasitas konversi daya dan generator harus cukup untuk proses daya maksimum (P_C) pada batas kecepatan rotor sampai RPM_C. Maka ketika kecepatan rotor mencapai RPM_C, daya aerodinamik dan daya elektrik adalah seimbang, dan percepatan rotor adalah nol.

 3.2. Model Perhitungan

                Kami menggunakan turbin model 2 blade, angin rendah (downwind), variable-speed fixed-pitch dengan daya nominal 400kW. Rpm rotor dibatasi sampai RPMC (lihat gambar 2.4) ditetapkan 62 rpm. RPMA dipilih 57 rpm. Daya pada RPMC dipilih 400kW. Koefisien daya maksimum Cpmax adalah 0.457 dan target tip speed ratio TSRtarget adalah 8.5. maka rotor generator  induksi dikontrol dengan converter daya resonant-seri menggunakan metode operasi flux yang memperbolehkan control torsi pada beberapa RPM. Output stator generator dihubungkan langsung pada jala-jala 60 Hz dan factor daya 1. Generator dikontrol untuk memberikan kecepatan torsi yang diinginkan, dimodelkan sebagai generator induksi woundrotor dengan stator dihubungkan ke utility dan rotor winding dihubungkan ke converter daya. Hubungan kecepatan-torsi pada saat turbin beroperasi mendekati koefisien daya (Cp) maksimum pada kecepatan angin rendah dan moderat, dimana jumlah tangkapan energi semakin besar.

Dalam kondisi angin tinggi, torsi dikontrol untuk membatasi kecepatan rotor, yang memiliki efek proses blade stall dan pembatasan daya. Pada kecepatan angin transisi dari medium ke tinggi harus dilakukan dengan lembut, dan memerlukan tradeoff antara tangkapan energi dan pengurangan beban yang tidak dibahas dalam tulisan ini.

 

 5. ACSL Simulations

Model perhitungan sistem dikembangkan untuk memprediksi daya aerdinamik sebagai fungsi kecepatan angin dan RPM rotor menggunakan Advanced Continuous Simulation Language (ACSL). Kebutuhan masukkan meliputi geometri blade, inersia rotor, inersia drive-train, dan kekakuan (stiffness) dan damping putaran poros. Karakteristik aerodinamik turbin angin didefinisikan oleh hubungan antara nondimensional keluaran daya dan tip-speed. Masukkan kecepatan angin digunakan untuk men-drive model yang disimpan dalam file data. Meskipun beberapa distribusi temporal (dan level turbulen) dapat dipilih, kita menggunakan waktu 10 menit untuk mengurangi waktu perhitungan. Keluaran dalam bentuk torsi kecepatan tinggi dan rendah sebagai fungsi waktu.

Bagian waktu pada kecepatan angin dengan range dari 10m/s – 35 m/s dan memiliki nilai rata-rata 18m/s ditunjukkan dalam bagian atas gambar 5. Perhitungan koefisien daya, ditunjukkan dalam bagian bawah gambar 5, mengikuti strategi control untuk mengurangi secara signifikan Cp (blade stall) pada kecepatan angin tinggi sekitar saat t=120 s. Pada kecepatan angin rendah, sekitar t=110, 140 dan 175, strategi control berhasil menjaga Cp mendekati nilai semaksimal mungkin.

Gambar 5 Kecepatan angin (m/s) dan Koefisien Daya (Cp)

 Perhitungan daya dan RPM ditunjukkan dalam gambar 6. Sistem dimulai dengan operasi generator sebagai motor pada daya konstan 200 kW. Karena RPM meningkat, prosedur start-up tidak kontinyu dan mode operasi normal disimulasi. Pada kecepatan angin tinggi, kecepatan rotor dan daya berhasil dibatasi sekitar 61 RPM dan 385 kW. Karena RPM rotor dictates keluaran daya generator, daya bervariasi mengikuti perubahan RPM. Catatan bahwa fluktuasi kecepatan angin pada nilai lebih tinggi, rotor blade beroperasi dalam kondisi stall. Hal ini di evidenced oleh pengurangan RPM dan daya pada kecepatan angin tinggi sekitar t=120. Sebagai hipotesis, kecepatan rotor tidak pernah mencapai 62 RPM dan daya tidak pernah mencapai 400kW. Faktanya, menunjukkan bahwa kapasitas converter daya dan generator mungkin masih konservatif.

Gambar 6 Daya elektrik (watt) dan kecepatan rotor (RPM)

 Meskipun sulit to ascertain dalam gambar 6, observasi yang sesuai dapat dibuat. Karena kecepatan angin meningkat, sekitar saat t=110 penangkapan daya juga meningkat. Karena penangkapan daya lebih tinggi daripada daya elektrik, rotor dipercepat. Ketika RPM mencapai range stall, torsi generator ditingkatkan mengikuti profil torsi stall. Pada saat kecepatan rotor kurang dari 57 RPM, controller mengikuti mode operasi Cpmax digambarkan dengan persamaan 4. Oleh karena itu daya elektrik dikontrol menjadi fungsi RPM. Dari 57 RPM – 62 RPM turbin beroperasi dalam mode stall.

 6. ADAMS Simulations

Simulasi menggunakan Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System (ADAMS) digabung dengan  AeroDyn aerodynamics routines.5 Model yang digunakan adalah sangat flexible yang dikembangkan oleh Wright dkk6 . Model ini dimodifikasi untuk beroperasi dalam turbin model variable-speed menggunakan NREL Soft Stall Method. Simulasi menggunakan file turbulen Kaimal yang dibangkitkan dari SNL-Wind 3D[7] di range kecepatan angin operasi. Metode control ditemukan sangat baik untuk model yang lebih kompleks. Kecepatan rotor, kecepatan angin, dan rotor daya ditunjukkan dalam gambar 7 untuk simulasi menggunakan rata-rata kecepatan angin 21 m/s. Daya dibatasi mendekati 400 kW dengan kecepatan rotor dibatasi 62 rpm. Investigasi beban untuk model variable-speed dibandingkan dengan konstan-speed operasi menunjukkan bahwa beban drive-train fatigue untuk model operasi variable-speed berkurang untuk semua range kecepatan angin. Dalam angin rendah, beban blade-fatigue berkurang untuk operasi variable-speed meskipun beban tower meningkat tajam. Dalam angin tinggi, beban blade flap fatigue dan beban tower sama antara variable-speed dengan constant-speed.   

 

 

7.      KESIMPULAN

Strategi control ini didesain untuk turbin variable-speed stall-regulated. Model perhitungan dikembangkan dan simulasi dilakukan pada operasi dalam kondisi turbulensi angin. Pertimbangan dan hasil kesimpulan dapat ditemukan. Pengontrolan RPM dan TSR dengan mengontrol torsi generator mengikuti profil koefisien daya yang diinginkan (ditargetkan). Pada angin rendah dan moderat operasi pada atau mendekati Cpmax dapat dicapai. Pada kecepatan angin tinggi, dengan memaksa blade rotor stall, RPM dan daya dapat dibatasi sampai batas yang diinginkan. Simulasi ini dilakukan tanpa memerlukan biaya tinggi pada turbin angin, reliability, atau beban struktur jangka panjang. Tema bahasan ini akan sangat menarik jika dikaitkan dengan perubahan kerapatan atmosfir, blade soiling dan kondisi lokasi turbin dipasang, yang mana hal ini akan dipelajari pada sistem control adaptive.

 

DAFTAR PUSTAKA

 

[1] Simulation data , Wind Turbine Control Methods, http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8189

[2] Sunar,Rachmat Sunarya, “Rancang Bangun Yawing Control Generator SKEA Kapasitas 50 kW”, SIPTEKGAN XIV November 2010

 

Posted in: Strategi Kontrol