Rüzgar Türbini Alanları için Akıllı İzleme Sistemi: Tasarım ve Uygulama

1. Arka Plan

Rüzgar enerjisi üretimi, rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür ve bu mekanik enerjiyi daha sonra elektrik enerjisine dönüştürür—bu da rüzgar enerjisi üretimidir.
Rüzgar enerjisi üretiminin prensipi, rüzgar türbin kanatlarını döndürmek için rüzgarı kullanarak, bu da dişli kutusunu hızlandırmaya yardımcı olur, böylece jeneratörü elektrik üretmek üzere çalıştırır.

Çin'in artan enerji talepleri altında, rüzgar enerjisi üretimi sürekli genişlemektedir ve rüzgar çiftliklerinin inşası yoğunlaşmaktadır. Bir güç şirketi, genellikle farklı coğrafi bölgelerde dağılmış olan birden fazla rüzgar çiftliği işletebilir. Ayrıca, ölçeğe bağlı olarak, tek bir rüzgar çiftliği kademeli veya yüzlerce rüzgar türbini içerebilir. Bu koşullar nedeniyle, her rüzgar çiftliği kendi güç izleme sistemine sahiptir. Ancak, birden fazla rüzgar çiftliğinin merkezi yönetimi önemli zorluklar sunmaktadır. Bu sorunu çözmek için, merkezi kontrol merkezleri (Central Control Centers) kurulması etkili bir çözüm sunmaktadır.

Sonuç olarak, rüzgar çiftliklerinde ağ ve akıllı sistemlerin kullanılması üretim ve yönetim verimliliğini artırırken, aynı zamanda kötü niyetli aktörler için yeni saldırı vektörleri de yaratmaktadır. Son yıllarda, enerji sektöründe siber güvenlik olayları sıkça gerçekleşmiş, elektrik endüstrisini artan güvenlik tehditleri ve zorluklarına maruz bırakmıştır.

2. Rüzgar Türbini Kontrol Sistemi

Rüzgar türbinlerinin işlemesi ve korunması için tam otomatik bir kontrol sistemi gereklidir. Bu sistem, türbinin otomatik başlatılmasını, kanatların mekanik pitç ayar mekanizmasının kontrol edilmesini ve normal ve anormal durumlar altında güvenli bir şekilde türbinin kapatılmasını sağlayabilmelidir. Kontrol fonksiyonlarının yanı sıra, sistem ayrıca izleme görevlerini de yerine getirir—işletim durumu, rüzgar hızı ve yönü gibi bilgiler sağlar.

Rüzgar türbini kontrol sistemi üç ana bileşenden oluşur:

• Kule Tabanı Ana Kontrol Kabini

• Nacelle Kontrol Kabini

• Hub Kontrol Kabini

Rüzgar Gücü Kontrol Ünitesi (WPCU), her türbin için çekirdek kontrolcüdür ve türbinin kulesi ve nacellesi içinde dağıtılmıştır.

2.1 Kule Tabanı Kontrol İstasyonu

Kule tabanı kontrol istasyonu—ayrıca ana kontrol kabini olarak da bilinir—rüzgar türbini kontrolünün çekirdeğidir ve çoğunlukla bir kontrolcü ve I/O modüllerinden oluşur. Kontrolcü, 32-bit işlemci kullanır ve güçlü gerçek zamanlı bir işletim sistemi üzerinde çalışır. Karmaşık ana kontrol mantığını yürütür ve alan ağı üzerinden nacelle kontrol kabini, pitç sistemi ve dönüştürücü sistemiyle gerçek zamanlı iletişim kurarak, türbinin en iyi koşullarda çalışmasını sağlar.

Kule tabanı kabini şunları içerir:

• PLC ana istasyonu

• RTU (Uzaktan Terminal Birimi)

• Endüstriyel Ethernet anahtarı

• UPS güç kaynağı

• Dokunmatik ekran (yerel izleme ve operasyon için)

• Basma düğmeleri, gösterge lambaları, küçük devre kesiciler, röleler

• Isıtma elemanları, fanlar

• Terminal blokları

2.2 Nacelle Kontrol İstasyonu

Nacelle kontrol istasyonu, türbinden gelen sensör sinyallerini toplar, bunlar arasında sıcaklık, basınç, dönüş hızı ve çevre parametreleri bulunur. Alan ağ üzerinden ana kontrol istasyonuyla iletişim kurar. Ana kontrolcü, nacelle kontrol rafını kullanarak yönlendirme ve kablo çözme fonksiyonlarını yönetir. Ayrıca, nacelle içindeki yardımcı motorları, yağ pompalarını ve soğutma fanlarını kontrol ederek türbinin en iyi performansını sağlar.

Nacelle kontrol kabini şunları içerir:

• Nacelle PLC istasyonu

• Güç kaynağı modülü

• FASTBUS köle modülü

• CANBUS ana modülü

• Ethernet modülü (yerel PC bakım erişimi için)

• Dijital ve analog I/O (DIO, AIO) modülleri

• Devre kesiciler, röleler, anahtarlar

2.3 Pitç Kontrol Sistemi

Büyük ölçekli rüzgar türbinleri (1 MW'nin üzerinde) genellikle hidrolik veya elektrik pitç sistemlerini kullanır. Pitç sistemi, ön uç kontrolcüsü kullanarak üç türbin kanadının pitç aktüatörlerini düzenler. Ana kontrolcünün bir yürütme birimi olarak, CANopen ile iletişim kurarak kanat pitç açılarını optimal performans için ayarlar.

Pitç sistemi, acil durum kapanışı için yedek güç kaynağı ve güvenlik zinciri içerir.

Hub kontrol kabini şunları içerir:

• Hub PLC istasyonu

• Servo sürükleyici üniteleri

• Acil pitç pil ve izleme ünitesi

• Acil pitç modülü

• Aşırı hız koruma rölesi

• Küçük devre kesiciler, röleler, terminal blokları

• Basma düğmeleri, gösterge lambaları ve bakım anahtarları

2.4 Yedek Acil Güvenlik Zinciri Sistemi

Yedek acil güvenlik zinciri, bilgisayar kontrol sisteminden bağımsız bir donanım tabanlı koruma mekanizmasıdır. Hatta kontrol sistemi başarısız olursa bile, güvenlik zinciri işlevini sürdürür. Kritik hata durumlarını—rüzgar türbinine felaket derecede zarar verebilecek durumları—tek bir seri devreye bağlar. Tetiklendiğinde, güvenlik zinciri acil bir kapanış başlatır, türbini şebekeyden ayırır ve bu şekilde tüm sistemin maksimum korumasını sağlar.

3. Sistem Mimarisi ve Fonksiyonel Genel Bakış

Rüzgar çiftliği güç izleme sistemi, aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur:

• Yerel Rüzgar Türbini Kontrol Üniteleri (WPCUs)

• Yüksek hızlı yedeklenmiş halka fiber optik Ethernet ağı

• Uzaktan üst düzey operatör istasyonları

Yerel rüzgar türbini kontrol ünitesi, her türbin için çekirdek kontrolcüdür, parametre izlemesi, otomatik güç üretim kontrolü ve ekipman korumasından sorumludur. Her türbine, yerel HMI (İnsan-Makine Arayüzü) arayüzü ile donatılmıştır, bu arayüz sayesinde yerel operasyon, komisyoning ve bakım yapılabilir.

Yüksek hızlı yedeklenmiş halka fiber optik Ethernet, sistemin veri yüksek yoludur, gerçek zamanlı türbin verilerini üst düzey izleme sistemiye iletmektedir.

Üst düzey operatör istasyonu, rüzgar çiftliğinin operasyonel izleme merkezidir. Tüm türbin durumlarının kapsamlı izlemesini, parametre uyarılarını ve gerçek zamanlı/geçmiş veri kaydını ve görsel gösterimini sağlar. Operatörler, merkezi kontrol odasından tüm türbinleri izleyebilir ve kontrol edebilirler.

3.1 Alan Kontrol Katmanı

Alan kontrol katmanı, aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur:

• Kule tabanı ana kontrol kabini

• Nacelle kontrol kabini

• Pitç kontrol sistemi

• Dönüştürücü sistemi

• Yerel HMI (İnsan-Makine Arayüzü) istasyonu

• Endüstriyel Ethernet anahtarı

• Alan ağ iletişim ağı

• UPS güç kaynağı

• Acil kapanış yedek sistemi

Alan seviyesindeki Rüzgar Türbini Kontrol Ünitesi (WPCU), her rüzgar türbini için çekirdek kontrolcüdür. Gerçek zamanlı parametre izlemesi, otomatik güç üretim kontrolü ve ekipman korumasından sorumludur. Her türbine, yerel HMI arayüzü ile donatılmıştır, bu arayüz sayesinde yerel operasyon, komisyoning, hata ayıklama ve bakım yapılabilir.

3.2 Merkezi İzleme Katmanı

Merkezi izleme katmanı, rüzgar çiftliğinin operasyonel çekirdeğidir, tüm türbin durumlarının kapsamlı izlemesini, parametre uyarılarını ve gerçek zamanlı/geçmiş veri kaydını ve görsel gösterimini sağlar. Operatörler, merkezi kontrol odasından tüm türbinleri izleyebilir ve kontrol edebilirler.

Bu katman, ayrıca aşağıdaki ana alt sistemlerin denetim ve izlemesini sağlar:

• Hidrolik sistemi

• Meteorolojik sistemi

• Elektrik pitç kontrol sistemi

• Dişli kutusu sistemi

• Yönlendirme sistemi ve yönlendirme kontrolü

Entegre SCADA fonksiyonları aracılığıyla, merkezi izleme katmanı, tüm rüzgar çiftliğinin etkin, güvenli ve güvenilir işlemesini sağlar.