המעבר הגלובלי לאנרגיה מתחדשת הציב כוח רוח בחזית הדור החשמלי, עם יכולת מותקנת גדלה באופן אקספונציאלי בעשור האחרון.עם זאת, עצם טבע טורבינות הרוח - החל בסביבות קשות, מרוחקות או offshore - דורשות אמינות יוצאת דופן.אפילו כישלון בלתי צפוי אחד יכול להוביל לעיכובים ארוכים, ירידה בהכנסות אבודות, ועלויות תחזוקה גבוהות יותר.

הבנה של סובלנות ב- Wind Power Systems

סובלנות Fault היא היכולת של מערכת לשמור על פונקציונליות כאשר אחד או יותר של מרכיביה נכשל.בטורבינה רוח, זה אומר כי תקלה חיישן, שטף חשמל, או בעיה של ללבוש מכני לא מכריחה חסימה מיידית.במקום, המערכת מזהה את השגיאה, מבודד את תת-מערכת המושפעת, ומתאים את אסטרטגיות השליטה שלה להמשיך לפעול - לעתים קרובות בקיבולת מופחתת - עד תחזוקה מתוכננת יכול להתרחש יכולת הפעלה מופחתת.

החשיבות של סובלנות לקויה בולטת במיוחד במתקני רוח offshore, שבו הגישה מוגבלת על ידי מזג אוויר וימי תנאים. טורבינות כי נסיעות ללא מקוון בשל תקלה קטנה עשוי להישאר אדיש במשך שבועות, גרימת הפסדים משמעותיים ייצור טורבינות החוף באקלים מרוחק או קיצוני להתמודד עם אתגרים דומים. כמו טורבינות רוח לגדול יותר מורכב יותר, מספר נקודות כשל פוטנציאלי, מה שהופך את עיצוב לקויה שלילי מוצק עבור יצרנים ויצרנים דומים.

טכניקות מפתח לסובלנות

טורבינות רוח מודרנית מעסיקות שילוב של טכניקות חומרה ותוכנה כדי להשיג סובלנות לקויה.הגישות הנפוצות ביותר כוללות:

  • (FLT:0) חיישנים ויחידות בקרה: FIRLT:1 פרמטרים קריטיים כגון מהירות רוטטור, blade המגרש, וכיוון הרוח הם במעקב על ידי חיישנים מרובים.אם חיישן אחד נכשל או מספק קריאה עקבית, מערכת הבקרה יכולה לעבור חיישן גיבוי או להעריך את הערך באמצעות מדידות אחרות. כפול או משולש מודולריות (TMR) משמש לעתים קרובות עבור פונקציות קריטיות בטיחות.
  • (FLT:0) גילוי ואלגוריתמים בידוד: FLT:1 מתקדם עיבוד אותות וטכניקות מבוסס מודל להשוות באופן קבוע התנהגות טורבינות בפועל נגד ביצועים צפויים. Deviations גורם אזעקה ומאפשר למערכת להצביע על המרכיב הפגום.שיטות כגון פילטרים קלמן, זיהוי מבוסס צופה, ומדרגי למידה ממונעים יותר ויותר כדי לזהות תקלות לפני שהם מסוללים.
  • (FLT:0)Robust Power אלקטרוניקה:FLT:1, ממיר הכוח, המממשק את הגנרטור עם הרשת, הוא נקודת שכיחה של כשלים.עיצובים משלבים כעת יכולות של תקלות, באדום במודולים IGBT, ואסטרטגיות ניתוק פעיל המאפשרות לממיר להמשיך לפעול גם עם כמה מתגים פגומים.
  • (FLT:0) מערכות בקרה של שליטה בהתחברות: ⁇ FLT:1) שליטה מוגדרת תוכנה יכולה לשנות את פעולת טורבינות על זבוב.לדוגמה, אם פועל סטיטה נכשל, הבקר עשוי להיות הנוצות הפוכה באופן סימטרי כדי לאזן ולהימנע עומס מבני תוך שמירה על ייצור חשמל.

טכניקות אלה פועלות יחד כדי ליצור הגנה שכבתית נגד כישלונות.גילוי מוקדם והשפלה החסד למנוע בעיות קטנות מפני קריסה לאירועים קטסטרופליים, להאריך את חיי התפעוליים של טורבינת ולהפחית את הצורך בתיקון חירום.

גילוי ואבחון: קו ההגנה הראשון

לפני אסטרטגיה של סובלנות לקויה יכול לעסוק, המערכת חייבת לזהות נכונה כי קיים תקלה ולקבוע את המיקום והחומרה שלה.זה המקום שבו זיהוי תקלות ואבחון (FDD) ממלא תפקיד מרכזי. במהלך העשור האחרון, שיטות FDD עבור טורבינות רוח התפתחו מאזהרות פשוטות המבוססות על סף הסף ועד מערכות חכמות המסוגלות לזהות omalies עדינות.

אלגוריתמים מתקדמים ולמידה של מכונות

FDD מסורתי מסתמכ על סף קבוע עבור פרמטרים כגון טמפרטורה, רטט, או זרם חשמלי בעת עדיין בשימוש נרחב, גישות אלה לייצר הרבה אזעקה כוזבת ועשויות להחמיץ תקלות בשלבים המוקדמים. המערכות המודרניות משלבות מודלים של למידת מכונה המוכשרים על נתונים היסטוריים של SCADA כדי לזהות דפוסים מעידים על בעיות מתפתחות.רשתות ניליוריות, תמיכה מכונות ועץים מוכובש יכול לסווג תנאים תפעוליים ודגל עם דיוק גבוה אפילו לא היו נתונים.

חיישנים ו- Condition Monitoring

שום חיישן יחיד מספק תמונה מלאה של מערכות ניטור מצב טורבינות (CMS) משלב נתונים מ- accelerometers, מדפי זנים, thermocouples, ומדידות חשמל כדי לבנות תצוגה מקיפה.טכניקות היתוך חיישן, כגון Kalman סינון ו Bayesian inference, לאפשר למערכת לסימנים חוצה-validate ולשפר את האמון ב-Aomas.

(ב) ⁇ :0) קישור חיצוני: 1FLT:1 מחלקת האנרגיה של ארה"ב מספקת סקירה של מחקר ניטור מצב ב FLT:2 אנרגיה.gov / עתיר /windirFLT 3: 3.

עיצוב Redundancy Design

בעוד סובלנות לקויה מתמקדת להסתגל לכשלונות, הונדנסיונות מספקת גיבוי ישיר: רכיבים כפולים שיכולים לקחת על עצמם כאשר המערכות הראשוניות נכשלות.האתגר הוא ליישם את הצפה באופן שאינו מגביר באופן דרמטי את העלות, המשקל, או המורכבות, תוך עדיין השגת השיפורים הרצויים של עיצובים אחרונים הם מציאת פתרונות חכמים לסחר-offit.

אסטרטגיות Redundancy אסטרטגיות

  • (FLT:0) נתיבי המרת כוח: FLT:1 טורבינות מודרניות רבות להשתמש ממיר אחורי-לחזור עם רגל מורדת או ערימה ממירה מלאה משוחררת.אם דרך אחת נכשלת, טורבינות יכולה להמשיך לייצר כוח בדירוג מופחת, לעתים קרובות 50% של יכולת, במקום לסגור לחלוטין.
  • (FLT:0) מערכות בקרת מגרשים: FVERFIRLT:1 ; לכל להב יש בדרך כלל את פעולתו של סטון משלו, אבל אדמוניות יכולה לקחת צורה של משאבה הידראולית נוספת, מנועים חשמליים, או מנגנון גיבוי מכני המאפשר שליטה קולקטיבית באמצעות להב בריא אחד.הטורפות האחרונות משלבות שלוש מערכות סט עצמאיות, כל אחת מהן מסוגלות להבות שלה במצב חירום.
  • רשתות תקשורת:0 (FLT:1 Turbines בתוך חווה רוח לתקשר עם מערכת בקרה מרכזית באמצעות רשת חוט (למשל, סיבים אופטיים או Ethernet) נתיבי תקשורת רדונדנטים - כגון קישור רדיו משני או מודם סלולרי - שמירה כי שליטה וסימנים בטיחות ניתן עדיין לשלוח גם אם הרשת העיקרית היא משבשת על ידי ציוד ברק, כשל, או נזק פיזי.
  • (FLT:0) עיצוב רכיב ממוזדר להחלפה קלה: ההרחבה 1 (מעבר לחידוש במהלך המבצע, עיצובים מודולריים להקל על החלפת מהירה של מודולים כושלים.לדוגמה, יחידות כונן, גנרטורים ואפילו חלקי תיבת הילוכים ניתן לתכנן כמו מודולים שבויים שניתן להחליף ללא הסרת התא כולו.

איזון עלויות וגמישות

Redundancy מוסיפה באופן בלתי נמנע את העלות העליונה. a ממיר משוכפל לחלוטין עשוי להגדיל את ההוצאות הון על ידי 15-20%, בעוד שמניפסטים אדומים מוסיפים משקל ומורכבות.מהנדסים משתמשים בטכניקות דוגמנות כגון מצב כישלונות ואפקטים ניתוח (EA) וניתוח עץ פגומה (FTA) כדי לקבוע אילו רכיבים זקוקים ביותר לשיפוץ מחדש.

אלקטרוניקה וכוח גנרטורים

אלקטרוניקה כוח נשאר מערכת תת-מערכת הכשל ביותר בטורבינה רוח.כדי לענות על זה, יצרנים הם פריסת ממירת רמות מרובות להתנצלות אשר באופן טבעי לספק סובלנות לקויה.לדוגמה, ממיר רב-דרג מודולרי (MMC) מורכב מרבים תת-מודולולים; אם תת-מודול אחד נכשל, המערכת יכולה לעקוף אותה ולהמשיך לפעול עם מתח מופחת במקצת.

לוחמה מכנית: Pitch and Yaw Systems

שליטה פיץ' היא קריטית לניהול עומס וסגורה. Redundancy במערכות המגרש בדרך כלל כרוך קווי אספקה הידראוליים כפולים, שסתום בקרה עצמאי, ואקומני אנרגיה מאוחסנים המאפשרים נוצות להב גם אם המשאבה ההידראולית העיקרית נכשלת.עבור מערכות yaw - אשר לסובב את התא כדי להיכשל ברוח - undancy יכול לכלול מספר ירכיים ומערכות גיבוי.

מערכת-Level Redundancy ו- Gridאינטגרציה

סובלנות ו אדמוניות אינן מוגבלות לטורבינות אינדיבידואליות; הן משתרעות לחווה הרוח כולה והאינטראקציה שלה עם רשת החשמל.

Turbine-Level vs. Farm-Level Redundancy

ברמת החווה, אדמוניות ניתן להשיג באמצעות מערכת אספנים חשמלית חזקה יותר.לדוגמה, רשת אוסף קורנל ניתן להמיר לתוך ביולוגיה טבעת, כך ששבר כבל מבודד רק חלק מהטורבינות ולא מחרוזת שלמה. בדומה, משחתתת תת-קרקעית אדונדנטציה אדנדנטיבית בינונית להבטיח כי כוח עדיין יכול להיות מייצא גם אם אחד הופך את החוות, כמו כן, יכול לקחת רשת של אחסון, כמו כן, ולהפחית את מערכת אחסון בינונית, יכול גם כן, יכול לקחת סוללה.

תקשורת ושליטה ב Redundancy

מערכת הפיקוח והרכישה של הנתונים (SCADA) היא המוח של משק הרוח.שרתים רדונדנטים, נתיבי תקשורת כפולה, ואספקת כוח גיבוי עבור ארונות בקרה הם סטנדרטיים.אדריכלות מתקדמות יותר להשתמש בשליטה מבוזרת עם אינטליגנציה מקומית: כל טורבינות יכולה לפעול במצב של עמידה אם התקשורת המרכזית אבדה, קבלת החלטות מקומיות המבוססות על תנאי רוח ורשת.זה מבטיח כי החווה ממשיכה לייצר כוח גם במהלך כשלון מרכזי.

קוד מקור: Grid Code Compliance and Fault Ride- Through

מפעילי גריידיות דורשות טורבינות רוח להישאר מחובר במהלך הפרעות רשת כגון מתח חבלי מתח או טיולים תדירות - זה ידוע כמו רכיבה על תקלות (FRT) טורבינות מודרניות להשיג FRT באמצעות שילוב של ניתוח ממיר מבוקר, מעגלים crowbar, ופירוק אנרגיה התנגדות רשתית. Redundant רשת אחורית ממירים ואלגוריתמים משופרים להבטיח תאימות גם אם אחד מהם אינו מצליח, כמו קודים חיוניים יותר, כמו רשתות חסימתיות, הם שמירה על יציבות גבוהה יותר.

(ב) ,0) קישור חיצוני: 1FLT:1 The IEEE Power & החברה לאנרגיה מפרסם סטנדרטים ומחקר על שילוב רשת; ראה FLT:2IEEE XplorealFLT 3 עבור הליכים רלוונטיים.

כיוונים עתידיים ואתגרים

בעוד תעשיית הרוח דוחפת לעבר טורבינות גדולות יותר, מתקנים עמוקים יותר בחו"ל, וגורמי יכולת גבוהים יותר, הדרישות על סובלנות לקויה ו אדמוניות ממשיכות לגדול.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לשפר עוד יותר את האמינות.

מערכות אוטונומיות והגנתיות

מחקרים מתקדמים נועדו לפתח מערכות שאינן יכולות לזהות רק תקלות, אלא גם לתקן את עצמן או לשנות מחדש למצב כמעט-אופטימי ללא התערבות אנושית. להמיר את כוח האדם שיכול לבודד ולבודד מודולים כושלים, כמו גם מערכות סטיגנט אינטליגנטיות שיכולות להפיץ עומסים בין מתעממי פעולה בריאים שנותרו, נבדקים.

תקנים ושיתוף נתונים

אתגר גדול הוא פירוק נתוני תקלות על פני יצרנים ומפעילים שונים.ללא דיווח סטנדרטי על כשל, קשה לזהות מצבי כשלון משותפים ולתכנן פתרונות חוצה-תעשייתיים.מיזמים כגון FLT:0) WindEuropecioFLT 1:1 במטרה לאסוף נתונים תפעוליים אנונימיים כדי להניע שיפורים.

עלויות ה-Clocks and Scalability

בעוד הוספת אדמוניות משפרת את האמינות, המשוואה הכלכלית משתנה עבור גדלים ומיקומים שונים טורבינות ל- 15MW offshore, העלות של ממיר גיבוי עשוי להיות מוצדק על ידי עלות גבוהה של תחזוקה offshore; עבור קטן יותר על חוף טורבינות, פשוט יותר סובלנות אשמה יכול להיות עדיפה. Balancing אלה עסקאות אלה דורש מודלים אמינות מתקדמת כי אחראי על תנאים ספציפיים לאתר.

(ב) ⁇ :0) ,5 ; 1 (המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) מציעה נתונים נרחבים וניתוח על אמינות רוח ב-FLT:2nrel.gov/windFLT 3: 3).

מסקנה

התקדמות בתכנון סובלנות לקויה ועיצוב התחדשות הופכת את אנרגיית הרוח ממקור מתחדש לפעמים בלתי אמין לתורם אנרגיה מבוסס-בסיסי אמין.על ידי שילוב של שכפול חומרה חזק עם תוכנה חכמה המזהה, מבודדת, ומתאים לכשלים, טורבינות מודרניות להשיג שיעורי זמינות העולה על 97% במתקני אנרגיה רבים.

לסקירה מקיפה של שיטות המחקר והתעשייה העדכניות ביותר, הקוראים עשויים להתייעץ עם הספרות המדעית כגון המאמר (FLT:0) "Wind Turbine Fault Tolerance" על ScienceDirectFLT:1, המספק סקירה טכנית עמוקה של הנושא.