| dc.description.abstract | Den raske utviklinga i vindenergien skapar òg utfordingar medan storleiken og effekten på vindturbinane aukar. Mengda materialar som ein treng for å produsere lange blad og andre viktige komponentar gjer det vanskeleg å redusere den gjennomsnittlege energikostnaden (LCOE). Som ei følgje av det, blir det no studert nye og innovative design for å finne andre måtar å produsere vinturbinar med høg energitettleik.
For å realisere ei stor, produserande eining, saman med materialinnsparingar, er det gamle konseptet om fleirrotor vindturbinar (multi-rotor wind turbine) blitt relansert nyleg. I eit fleirrotorsystem er fleire små rotorar kopla saman med liten avstand, som til saman dekker eit stort areal og som gjer det mogleg å produsere ei stor mengd kraft. Sidan små rotorar blir brukt, reduserer dette kraftig mengda materialar som ein treng. Lovande aerodynamiske analysar og resultat har dette konseptet gitt oss. Likevel er det førebels ikkje blitt gjort omfattande studiar av det elektriske designet til dette systemet. Dette studiet konsentrerer seg derfor om dette aspektet og foreslår forskjellege elektriske designkonfigurasjonar for fleirrotorsystemet. Desse blir samanlikna for eitt utval av casestudiar. Dei foreslåtte konfigurasjonane er alle klyngekopla og svært forskjellige frå kvarandre. Dei er i denne oppgåva kalla for AC klynge (AC cluster), DC klynge (DC cluster) samt hybrid klynge (hybrid cluster), etter korleis krafta i dei respektive konfigurasjonane er samla.
Frå tidlegare arbeid veit ein at effekttap som den einaste parameteren for å samanlikne ulike konfigurasjonar ikkje er tilstrekkeleg. Derfor bruker dette studiet ein fleir-objektiv optimaliseringsmetode for å få fleire indikatorar, som verknadsgraden $\eta$, krafttettleik $\rho$ og kraft-til-masse rate $\gamma$ som kan samanliknast for å kunne utvikle eit godt design som kan brukast i eit fleirrotorsystem. Nøkkelparametrar blir definerte og desse er nøye studert for dei forskjellege konfigurasjonane som dette arbeidet viser. For å kunne gjere dette, nyttast Paretoanalysar for å lokalisere potensielle designpunkt og gjere meiningsfulle avvegingar mellom parametrar og mål som kan vere motstridande. Dette kan vere å maksimere verknadsgrad og samstundes minimere volum og masse.
Vidare blir det gjort omfattande analysar for å etablere analytiske uttrykk for effekttap, volum og masse av komponentane som inngår i dette studiet, då dette trengs for å evaluere eta, gamma og rho. Komponentar som blir studerte er avgrensa til å inkludere kraftelektronikk, som vil seie svitsjeventilar (switch valves), DC-link kondensatorar og fasereaktorar.
Vidare er forskjellige casar lagt fram for å kunne gjere solide samanlikningar. Dei to fyrste casane har tre turbinar per klynge, med maskinar på 444 kW. Det som skil, er moduleringsmetoden, då denne er endra frå case 1 til case 2. Videre studerer case 3 og 4 oppførselen til konfigurasjonane når først klyngestorleiken, deretter maskinstørrelse blir auka. Til slutt, i case 5, er ei DC seriekopling av vindturbinane studert, forskjellig frå parallellkoplingane som er studert tidlegare i oppgåva.
Resultata viser ein stor skilnad når moduleringsmetoda blir endra, så dette vil påverkar designet. I tillegg har det å auke både klyngestorleiken og maskinstorleiken i dette arbeidet vist seg å vere føremålstenleg. Trass i dette, vil det å auke storleiken skape utfordringar når det kjem til kontroll. Større maskinar kan også redusere den aerodynamiske vinsten systemet har vist, samt auke mengda material som ein treng, samanlikna med mindre maskinar.
Gjennom heile analysen har DC- og hybrid-klynga prestert best. Hybridkonfigurasjonen har høgast krafttettleik og kraft-til-masse rate ved maskineffekt på 444 kW, men denne treng å opererast på ikkje-optimal hastigheit. Den parallellkopla DC-klynga har prestert liknande som hybridklynge og er også verdt å forske vidare på. I tillegg var seriekoplinga i DC lovande, då den også reduserer behovet for transformatorar. Men ei realisering av DC-nett trengs å bli forska meir på.
Uansett, for å gjere fleirrotorsystemet mogleg å konkurrere med konvensjonelle vindturbinar må det til store reduksjonar av komponentar, som i DC- og hybridklynga. Resultata som er fått gjer det mogleg å diskutere potensielle fordelar med dei forskjellege konfigurasjonane. Men ei utviding av systemet, inkludert eit kontrollsystem, må gjerast for å kunne velje eit design på eit godt nok grunnlag. | |
| dc.description.abstract | The extensive use and fast development in wind power also introduce challenges as the wind turbines keep increasing in size and power rating. The high amount of material required to realise the massive turbine blades and other components makes it hard to keep reducing the Levelised Cost of Energy (LCOE). As a result, new and innovative designs are studied to find other methods to realise high energy density wind turbines.
As a way of realising a large producing unit with material savings, the old concept of multi-rotor wind turbines has been relaunched recently. In a multi-rotor system, several small rotors are connected with small spacing, which in total sweep a large area in order to produce a high amount of power. Since smaller rotors are used, this drastically reduces the material required to develop the system. Promising aerodynamic studies have been performed for the concept. However, thorough studies of the electrical design of the system are still lacking. This work, therefore, concentrates on researching this aspect and proposes different electrical design configurations for the multi-rotor system. The proposed configurations are compared under different scenarios. The proposed configurations are all cluster connections and have been identified in this work as AC cluster, DC cluster and hybrid cluster. It is important to emphasise that these configurations relate to the way in which the power output of the small rotors is collected.
It is noticed from prior work on this topic that to study only power losses is insufficient to compare different design options. In this study, a multi-objective optimisation method is used to obtain several key performance indicators, such as efficiency eta, power density rho, and power-to-mass ratio gamma, to compare and to choose the optimal design for a multi-rotor system. Key indicator parameters are defined and studied extensively for the different configurations, as is shown in the thesis work. Moreover, Pareto analysis is performed to locate potential design points and reasonable trade-offs between several parameters and objectives that can be contradictory, such as maximising efficiency and minimising volume and mass.
Extensive analyses have also been performed to establish analytic expressions for the power losses, volume and mass of the components included in this study, as these are needed to evaluate eta, rho, and gamma. The components considered include the power electronics, that is, the switch valves, DC-link, and phase reactors.
Various cases have been defined in order to perform solid comparisons. The two first cases use three turbines per cluster, with machines rated at 444 kW, but with changed modulation method. Further, case 3 and 4 study the behaviour of the configurations when the cluster size and the machine size are increased. Finally, case 5 studies a DC series-connection of wind turbines, different from a parallel-connection which has been one of the configurations in the previous cases.
The results achieved have shown significant differences with different modulation methods, so this may influence the overall design. Also, the increase in the cluster size and machine size has been found in this work to be beneficial. However, this also provides challenges regarding control and can reduce the potential gain in aerodynamic behaviour as well as reduced material.
Overall, the DC and hybrid cluster connections perform the best. The hybrid configuration has the highest power density and the power-to-mass ratio at machine power of 444 kW but requires operation at non-optimum speed. The parallel-connected DC cluster performs close to the hybrid cluster, and its topology is worth investigating more. Besides, the series-connected DC configuration, reducing the need for transformers, was promising. However, DC collector grids evidently need more research.
Nonetheless, to make the system compete with conventional turbines, the substantial reduction of components in the DC and hybrid clusters may be necessary. The results obtained help discussing potential advantages for each configuration, but further research, including the control, must be performed to choose a proper design. | |
