Experimental and theoretical analysis of a hydrostatic transmission for wind turbines

Abstract

Visando o aumento da parcela de energia eólica na matriz energética mundial, a redução de custos com operação e manutenção são fatores chave a serem melhorados através de pesquisa e desenvolvimento. Existe uma tendência em pesquisar e desenvolver transmissões hidrostáticas para uso em turbinas eólicas. Essa tendência é fruto de pesquisas realizadas por instituições e companhias do setor eólico. Apesar de transmissões hidrostáticas, usando bomba e motor, serem uma tecnologia bastante desenvolvida, a aplicação em turbinas eólicas ainda possui desafios. Como a qualidade de controle, a eficiência energética e a viabilidade dos conceitos propostos. Essa dissertação trata da prova de conceito de uma transmissão hidrostática para turbinas eólicas. O conceito proposto tem a bomba na nacelle e o motor no nível do solo acionando o gerador síncrono. A transmissão hidrostática proposta é estudada analiticamente tendo seu comportamento e parâmetros descritos em função de propriedades do vento e da turbina. Uma análise da estabilidade em malha aberta é feita para a transmissão e gerador síncrono. Uma bancada de testes, usando componentes de prateleira, capaz de gerar e entregar energia elétrica para a rede foi construída para avaliar experimentalmente o conceito. Uma máquina de estados foi desenvolvida e implementada na bancada de testes. Dentro de cada estado existe um controlador atuando sobre o sistema para alcançar o objetivo da região de operação. É proposta uma nova estrutura para um destes controladores afim de aumentar a performance do sistema. Um modelo matemático prévio do sistema é melhorado com uso da nova estrutura de controle, dos parâmetros dos componentes e através da validação com as medições feitas na bancada. Como resultados desta dissertação tem-se a prova de conceito do sistema, onde sua viabilidade é mostrada. Outro resultado, é um modelo matemático validado que permite avaliações futuras do comportamento do sistema. Uma máquina de estados que pode ser usada numa turbina eólica real com transmissão hidrostática também é um resultado da dissertação. A solução de controle implementada se mostrou adequada e efetiva nas condições testadas. Entretanto, é necessário aprofundar a análise de estabilidade do sistema. Uma das conclusões é a de que a eficiência do sistema ainda é uma grande desvantagem. Entretanto, é mostrado que ela pode ser melhorada.

Abstract : In the pursuit to increase the share of wind power in the global power matrix, the reduction of system, operability and maintenance costs are key factors to be improved through research and development. There is a trend to research and develop hydrostatic transmissions aiming to use them in wind turbines. This trend is set by research institutions and wind power companies around the world. Despite of fluid power transmissions with a pump and motor be a well developed technology, the application of them into wind turbines has a series of challenges. A few of them are: the system controllability, energetic efficiency and prove of concept feasibility. This thesis is about a prove of concept of a hydrostatic transmission for wind turbines. This concept has the pump at the top of the nacelle and the hydraulic motor driving a synchronous generator at the ground level. The hydrostatic transmission concept is theoretically studied, having its behaviour and parameters described in terms of wind and turbine properties. An analysis of the transmission and synchronous generator open-loop stability is performed. A test bench, using off-the-shelve components, capable of generating electricity and to deliver it to the grid, is built to evaluate experimentally the proposed concept. A state machine structure for system control in all the different turbine operation regions is developed and implemented at the test bench. Inside each turbine operation state there is a controller acting on the system to achieve the operation region task. It is proposed a new structure to one of these controllers to increase the system performance. A mathematical model of the whole system, that was previously developed by other authors, is improved by introducing the new control structure, components parameters and also by validating it with the measurements from the test bench. The performance of the system is assessed and demonstrated using two different wind profiles. As outcomes of this thesis there is the prove of the system concept, where it is shown its feasibility. Another output is a validated mathematical model that allows for further and deeper analysis of the system behaviour. A state machine structure that can be used in a real turbine with this transmission concept, is also delivered. In terms of control quality, the proposed control solution showed to be suitable and effective on the tested conditions. However, it is necessary to continue with the system stability analysis. One of the conclusions is that the system efficiency is still the major disadvantage. However, it is shown that it can be improved.