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以FAST+SIMPACK+MATLAB 實現浮動半潛式離岸風力發電機動態分析之研究

摘要"

本研究採用美國國家再生能源實驗室NREL所提供的5MW風力發電機做為主體,結合OC4半潛式浮動平台及錨碇系統進行探討,透過整合空氣動力、波浪力、風機系統動態及控制系統動態分析,發展浮動半潛式離岸風力發電機之全系統動態模擬與分析,並探討風力發電機組受不同風況及有義波高等影響下對發電功率的影響。本研究透過軟體FAST以及SIMPACK結合軟體MATLAB進行全系統動態模擬與分析,由SIMPACK建立浮動半潛式離岸風力發電機組動態模型,包含浮台、繫纜、塔架、機艙及葉片模型,並透過軟體AeroDyn及軟體HydroDyn進行風機氣動力分析(Aerodynamic Analysis)及水動力分析(Hydrodynamic Analysis),浮動式平台的錨碇系統則使用軟體MAP++進行繫纜作用力分析,SIMPACK將上述力學分析以個別的力元(Force Element)作用在對應的風力發電機機組結構上,最後與MATLAB所建立的各項子系統,包含發電機系統的直驅式永磁同步發電機(Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator)結合磁場導向控制(Field-Oriented Control)、電網側轉換器控制(Grid-Side Converter Control)及閥控液壓葉片變旋角系統進行數據交換,最終整合FAST、SIMPACK以及MATLAB完成浮動半潛式離岸風力發電機全系統動態模擬與控制,輸入不同有義波高及風況,分析浮動半潛式離岸風力發電機發電系統運動及其對發電功率之影響。

關鍵詞:浮動半潛式離岸風力發電機、直驅式永磁同步發電機、磁場導向控制、電網側轉換器控制、閥控液壓葉片變旋角系統、動態模擬

前言

隨著風力發電的發展技術日益成熟,加上陸域風場的設置趨向飽和,世界各國的風力發電機組設置逐漸從陸域往風力資源更加豐沛的海域發展,然而在淺水區的發展容易涉及其他海洋用途,能夠開發的範圍也因此受限,且考量到打樁成本隨深度越深成本越高及技術上的限制,固定式的離岸風力發電機不適合在超過50米以上水深的深水區設置,因此未來風力發電發展以浮動式離岸風力發電機為主流。
根據國際工程顧問公司4C Offshore在2014年發布的全球「23年平均風速觀測」研究,全球前十名的風場有九處位於台灣海峽,突顯台灣在發展離岸風電的優勢。目前浮動式離岸風力發電機的發展,浮台的選擇主要分為半潛式(semi-submersible)、浮筒式(spar)及張力腿式(tension-leg, TLP)三種形式,各平台在不同的海水深度、土壤性質、氣候等條件的適應上都各有所長,其中,半潛式浮台對土壤的要求較不敏感、適合各種水深、安裝作業相對簡單與便利的特點,考量到東北季風帶來的風浪效應及颱風、地震相關衍伸的問題,台灣海峽目前以半潛式的浮台作為主要發展
方向。

浮動半潛式風力發電機架構及
模擬軟體

本研究使用NREL 5MW 水平軸上風型三葉片式風力發電機作為主體,其架構包含葉片、機艙、發電機、塔架、風向計、等結構構成,浮台部分則採用OC4計畫中的半潛式浮動平台,架構示意圖如圖1所示。
採用FAST、SIMPACK與MATLAB建構5MW浮動半潛式水平軸迎風型三葉片之風力發電機,三個軟體各負責不同部份。SIMPACK[1]是一套多體動力時域分析軟體,可以將FAST中負責空氣動力計算的AeroDyn[2]、水動力計算的HydroDyn[3]及進行錨碇系統分析的MAP++[4]等各個子系統的動力分析程式引入進行模擬,MATLAB則是將傳動、發電機及控制系統進行系統擴展建模的介面。軟體整合圖如圖2所示。

風力發電機系統之數學模型

發電機系統

風力發電機系統主要是由風機本體、發電機、發電機側轉換器、電網側轉換器、濾波器、變壓器及外部電網所組成。本研究所採用的發電機系統為直驅式永磁同步發電機(PMSG)[5-6],與雙饋式感應發電機相比,無須使用增速齒輪箱,可減少能量的損耗及維護上的問題,機組所需空間也相對較少、機艙較短,因此有著運輸和安裝較容易的優點。另外,因為永磁同步發電機使用的材料為永久磁鐵,所以不需要直流激磁系統、電刷及滑環即可調整主電機的磁場,因此發電機可於低轉速下操作,同時具備低風速時高效率、低噪音、長壽命等優點。如圖3所示。

葉片液壓變旋角系統

當風力發電機組達到額定風速後,發電功率也會達到額定功率,而風速在額定風速到切出風速的區間必須要有相對應的功率調節措施來使其輸出功率不再增加,此時一般最常用的方法就是使用葉片變旋角系統。葉片變旋角控制主要是以液壓伺服系統結合所設計的機構來推動葉片以改變葉片翼型攻角,進而控制風力發電機能擷取的風能以改變輸入扭矩和發電功率之目的。葉片變旋角系統目前大多都以閥控液壓缸系統來實現,其響應快的特性較適合運用於環境及狀態變動頻繁的浮動式風機。
葉片液壓變旋角系統機構動作於葉片之示意圖如圖4所示,液壓缸置於葉片根部底座,藉由活塞桿伸長及出力推動葉片旋轉,葉片旋轉時液壓缸也會繞液壓缸旋轉中心旋轉。

風力發電機控制

控制策略

本研究的控制策略依據NREL 5MW的規格共可分為三個階段,如圖5所示:
1. 追蹤最佳葉尖速比區:
當風速到達切入風速3m/s時,風力發電機的葉片轉子便會開始轉動,透過設計發電機變轉速控制系統,使轉子轉速追蹤最佳尖速比7.55以達到最佳發電效率。

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