Mechaniczne kołysania własne zwane również oscylacjami skrętnymi, przenoszą drgania koła wiatrowego na wał generatora, co znacząco wpływa na jakość wytwarzanej energii elektrycznej przez siłownię wiatrową. Amplituda tych drgań determinuje również to jakie sprzęgło należy dobrać do układu przeniesienia napędu, aby pozbyć się uciążliwych oscylacji. Do najważniejszych źródeł kołysań mocy należą [
3]:
- zmiany mocy wynikające z asymetrii koła wiatrowego przy typowym nierównomiernym rozkładzie prędkości wiatru, tj. większych prędkościach wiatru w górnej części koła wiatrowego - kołysania nazywane 1P, o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości kątowej koła wiatrowego,
- zmiany mocy związane z przechodzeniem łopat koła wiatrowego przed wieżą elektrowni, tj. niejako w cieniu wieży (w rzeczywistości to wieża stanowi „cień” dla łopat), co powoduje chwilowe zmniejszenie energii uzyskiwanej z wiatru - kołysania o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości kątowej koła wiatrowego i liczby łopat nazywane 3P,
- zmiany mocy związane z kołysaniami łopat, które zależą od konstrukcji i długości łopaty.
W literaturze [3] przedstawiono uproszczony model tych zjawisk, który wyraża się w postaci sum harmonicznych dodawanych do sygnału mocy PW. W takim wypadku moc mechaniczna na wale generatora wyniesie (1), (2):
 |
(1) |
 |
(2) |
gdzie: |
Ak - wartość k-tego rodzaju kołysań mocy,
ωk - częstotliwość własna k-tego rodzaju kołysań mocy,
hk(t) - modulacja k-tego rodzaju kołysań mocy,
m - numer harmonicznej,
gkm - rozkład k-tego rodzaju kołysań mocy m-tej harmonicznej,
akm - znormalizowana wielkość gkm,
φkm - faza k-tego rodzaju kołysań mocy m-tej harmonicznej,
t, ζ - czas. |
W tab. 1 przedstawiono parametry mechanicznych kołysań własnych, które odpowiadają średniej wielkości elektrowni wiatrowej z generatorem asynchronicznym klatkowym. Z powodu braku danych pochodzących z pomiarów z silnika wiatrowego, którego moc odpowiadałaby mocy modelowanej elektrowni, zdecydowano się wykorzystać dane z tab. 1.
k |
Źródło kołysań |
Ak |
ωk
[rad/s] |
hk(t) |
m |
akm |
φkm
[rad] |
1. |
Asymetria koła wiatrowego |
0.01 |
w
(1P) |
1 |
1
2 |
0.8
0.2 |
0
π/2 |
2. |
Przejście łopaty przed wieżą |
0.08 |
3 w
(3P) |
1 |
1
2 |
0.5
0.5 |
0
π/2 |
3. |
Elastyczność łopaty |
0.15 |
2π4.5 |
0.5(g11(t)+g11(t)) |
1
2 |
1.0 |
0 |
Tab. 1. Przykładowe parametry mechanicznych kołysań własnych [3].
Po ostatecznym zdefiniowaniu mocy mechanicznej turbiny wiatrowej uwzględniającej całą dynamikę układu można określić to ile wyniesie moment napędowy TW generowany na wale silnika wiatrowego (3):
 |
(3) |
Aby umożliwić sprawne korzystanie z modelu matematycznego, utworzono okno dialogowe (rys. 1) dla podsystemu ”MODEL MECHANICZNYCH KOLYSAŃ WŁASNYCH”, które pozwala włączyć mechaniczne drgania własne pochodzące z jednego z dwóch czy nawet trzech źródeł naraz.
Rys. 1. Okno dialogowe maski podsystemu ”MECHANICZNYCH KOLYSAŃ WŁASNYCH”.
