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離岸風場模擬整合風場層級控制之研究

摘要"

本研究旨在發展離岸風場之風場控制與功率輸出模擬,結合風場模型、尾流模型、風機機組系統、風機控制系統以及風場控制系統。以丹麥奧爾堡大學(Aalborg University)在歐盟風能計畫(Aeolus FP7)中發展出的SimWindFarm風場模擬軟體,結合MATLAB/SIMULINK進行完整的風場全系統動態分析與設計。模擬使用美國國家再生能源實驗室(NREL, National Renewable Energy Laboratory)所開發的5MW風機模型以及丹麥科技大學(Technical University of Denmark, DTU)發展的10MW風機[1]為原型風機。風場架構以固定風向及平均風速為基準,風場高度固定在輪穀(hub)高度,以二維的矩陣頻譜方式建立其風場模型和風場風機群的尾流效應與數學模型,模擬固定的風場布局(layout)之下,研究風場系統整體產出的輸出功率。並於不同的風況輸入下,整合風機控制以及風場控制的策略與理論,實現整體離岸風場全系統的輸出功率變化與穩定之模擬分析。

關鍵詞:5MW風力發電機、10MW風力發電機、風場系統、風場層級控制與策略、風機控制與策略、風場與尾流模型

前言

歐洲在風力發電方面是世界發展的領導者,丹麥風電佔了全國發電容量的30%以上,而英國擁有目前世界最大的離岸風電場,總裝置容量更達5GW以上。風電分為陸域發電與離岸發電,陸域發電受限於人口與土地條件架設較為有限,而離岸風電雖成本較高,施工較為險峻,但風場風況相對陸地而言比較穩定且風能潛力也較大。
對於四周環海的台灣來說,離岸風電的發展潛能是相當大的,國際離岸風場工程顧問公司4Coffshore更是將台灣西部的外海海域評為世界最有潛力風能的海上風電場之一,其中全球前20名風況優良的場域台灣就佔17個,其風能價值不容小覷。我國政府也因應綠能趨勢與非核家園的共識,推動離岸風電的產業,並預計在114年內完成離岸風電5.5GW目標,相信未來政府若能在離岸風能這塊產業上健全發展,風力發電將是未來台灣發電主要能源之一,提供綠色經濟及潔淨能源的體系,創造能源永續利用的價值。
目前全球的風電產業發展重心已由陸域風電轉移至大型風機的離岸風電,我國政府也正積極推動離岸風場的開發計畫。現階段離岸大型風場的技術以歐美發展較為成熟,以文獻來觀察,目前台灣的風機研究主要以單支風機的結構設計與分析、海事工程以及風場風能的概況評估,仍少結合風場風況與風機系統的整體風場模擬整合。
除了借助歐美開發風場的經驗與知識外,自主建立風場整合並將其應用在本土環境的架構也是重要的一環。因此,本文利用MATLAB/SIMULINK軟體建立風場、風機、風場控制器等子系統模型,模擬風場尾流效應分析,再以現有台灣離岸風場的地塊規模為模擬風場原型,最後整合所有子系統,以不同風速與控制策略之下進行模擬,達到風場穩定功率與最大功率輸出,實現全風場系統動態模擬。

離岸風場系統架構

風場架構整合

風力發電場架構主要由4個部份組成:風場系統(wind farm)、風力發電機系統(turbine)、風場控制系統(Wind farm controller)與電網操作端(Network Operator),如圖1。在風場經過布局(layout)之後,風場系統為輸入環境風況與計算風機間尾流與紊流氣體動力學的部分。風機系統接受風場風況的資訊,並將風機感測器接受到的資訊包括風速、轉子旋角、發電機轉速和輸出功率等傳到風場控制器,並將目前的風機轉子旋角與葉尖速比所對應的推力係數回傳風場系統計算尾流風況。風場控制器接受風機的個別資訊,預估現有風場風能能夠擷取的最大值,以電網操作端給予的風電場功率需求值,分配每一支風機功率目標值。電網操作端則是人為設定風場的目標,如主動式功率控制和電網頻率控制。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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