Safe Operation and Emergency Shutdown of Wind Turbines
Authors
Steiniche, Christian Sigge ; Søndergaard Pedersen, Andreas
Term
10. term
Publication year
2012
Submitted on
2012-05-31
Abstract
Moderne vindmøller er blevet så komplekse, at det er svært at garantere, at strukturen ikke skades under alle tænkelige forhold. For at forebygge skader bør der være en sikkerhedsovervåger, som kan iværksætte et nødstop. Dette projekt udvikler en multivariat sikkerhedsovervåger, der tager højde for flere sensorer og tilstandsvariable på én gang, og som kan garantere sikker drift for komplekse vindmøllesystemer. Kernen er såkaldte sikkerhedsområder (safety envelopes): områder i driftstilstanden, hvor et nødstop kan gennemføres uden strukturelle skader. For at konstruere disse områder anvendes en modelbaseret ramme med barrier certificates, Positivstellensatz og sum-of-squares (SOS) polynomiel dekomposition – matematiske metoder, der kan bevise, at farlige tilstande undgås, og at der findes en sikker stopbane. Rammen indarbejder både begrænsede, tilfældige vindvariationer og selve nødstopproceduren i beregningen af sikkerhedsområderne. Til formålet udvikles en polynomiel vindmøllemodel, der inkluderer strukturelt sikkerhedskritiske komponenter, og som kan generere nødstopforløb for en typisk 5‑MW vindmølle. Konstruktionen af sikkerhedsområder formuleres som SOS-programmer med optimeringskriterier, der relaterer sig til størrelsen af sikkerhedsområdet. Den fulde model giver dog høj beregningskompleksitet. For at reducere denne kompleksitet afprøves to tilgange: (1) at konstruere sikkerhedsområder for separate delsystemer og (2) en kompositionel metode, der også inddrager koblinger mellem delsystemerne. Begge metoder implementeres og testes på den fiktive NREL 5‑MW vindmølle i simulatoren FAST. Resultaterne peger på, at multivariate sikkerhedsovervågere, som kan garantere sikkerheden for komplekse vindmøller, kan designes med denne metode.
Modern wind turbines have become so complex that it is difficult to guarantee the structure remains undamaged under all conditions. To prevent damage, a safety supervisor that can trigger an emergency shutdown is needed. This project designs a multivariate safety supervisor that considers multiple sensor signals and state variables at once and can guarantee safety for complex wind turbine systems. The key idea is safety envelopes: regions of the operating state from which an emergency shutdown can be executed without structural damage. To build these envelopes, we use a model-based framework with barrier certificates, the Positivstellensatz, and sum-of-squares (SOS) polynomial decomposition—mathematical tools that certify unsafe states are excluded and a safe shutdown path exists. The framework explicitly includes bounded stochastic wind disturbances and the emergency shutdown procedure in the envelope construction. To apply it, we develop a polynomial wind turbine model that includes structurally safety-critical components and can generate emergency shutdown trajectories for a typical 5‑MW turbine. Constructing the safety envelopes is posed as SOS programs with optimization objectives related to the envelope size. The full-system SOS programs are computationally demanding, so we test two complexity-reduction strategies: (1) building envelopes for separate subsystems and (2) a compositional approach that also accounts for interconnections between subsystems. Both methods are implemented and tested on the fictitious NREL 5‑MW wind turbine in the FAST simulator. The results indicate that multivariate safety supervisors that guarantee the safety of complex wind turbines can be successfully designed using this method.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents