Neural networks for condition monitoring of wind turbines gearbox

Wind energy is considered a hope in future as a clean and sustainable energy, as can be seen by the growing number of wind farms installed all over the world. With the huge proliferation of wind farms, as an alternative to the traditional fossil power generation, the economic issues dictate the necessity of monitoring systems to optimize the availability and profits. The relatively high cost of operation and maintenance associated to wind power is a major issue. Wind turbines are most of the time located in remote areas or offshore and these factors increase the referred operation and maintenance costs. Good maintenance strategies are needed to increase the health management of wind turbines. The objective of this paper is to show the application of neural networks to analyze all the wind turbine information to identify possible future failures, based on previous information of the turbine.

Wind resource modelling in complex terrain using different mesoscale–microscale coupling techniques

Wind resource evaluation in two sites located in Portugal was performed using the mesoscale modelling system Weather Research and Forecasting (WRF) and the wind resource analysis tool commonly used within the wind power industry, the Wind Atlas Analysis and Application Program (WAsP) microscale model. Wind measurement campaigns were conducted in the selected sites, allowing for a comparison between in situ measurements and simulated wind, in terms of flow characteristics and energy yields estimates. Three different methodologies were tested, aiming to provide an overview of the benefits and limitations of these methodologies for wind resource estimation. In the first methodology the mesoscale model acts like “virtual” wind measuring stations, where wind data was computed by WRF for both sites and inserted directly as input in WAsP. In the second approach, the same procedure was followed but here the terrain influences induced by the mesoscale model low resolution terrain data were removed from the simulated wind data. In the third methodology, the simulated wind data is extracted at the top of the planetary boundary layer height for both sites, aiming to assess if the use of geostrophic winds (which, by definition, are not influenced by the local terrain) can bring any improvement in the models performance. The obtained results for the abovementioned methodologies were compared with those resulting from in situ measurements, in terms of mean wind speed, Weibull probability density function parameters and production estimates, considering the installation of one wind turbine in each site. Results showed that the second tested approach is the one that produces values closest to the measured ones, and fairly acceptable deviations were found using this coupling technique in terms of estimated annual production. However, mesoscale output should not be used directly in wind farm sitting projects, mainly due to the mesoscale model terrain data poor resolution. Instead, the use of mesoscale output in microscale models should be seen as a valid alternative to in situ data mainly for preliminary wind resource assessments, although the application of mesoscale and microscale coupling in areas with complex topography should be done with extreme caution.

Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming

In the energy management of the isolated operation of small power system, the economic scheduling of the generation units is a crucial problem. Applying right timing can maximize the performance of the supply. The optimal operation of a wind turbine, a solar unit, a fuel cell and a storage battery is searched by a mixed-integer linear programming implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). A Virtual Power Producer (VPP) can optimal operate the generation units, assured the good functioning of equipment, including the maintenance, operation cost and the generation measurement and control. A central control at system allows a VPP to manage the optimal generation and their load control. The application of methodology to a real case study in Budapest Tech, demonstrates the effectiveness of this method to solve the optimal isolated dispatch of the DC micro-grid renewable energy park. The problem has been converged in 0.09 s and 30 iterations.

Software de apoio à implementação de sistemas híbridos de produção de energia eléctrica baseados em energias renováveis

O aumento da população Mundial, particularmente em Países emergentes como é o caso da China e da Índia, tem-se relevado um problema adicional no que confere às dificuldades associadas ao consumo mundial de energia, pois esta situação limita inequivocamente o acesso destes milhões de pessoas à energia eléctrica para os bens básicos de sobrevivência. Uma das muitas formas de se extinguir esta necessidade, começa a ser desenvolvida recorrendo ao uso de recursos renováveis como fontes de energia. Independentemente do local do mundo onde nos encontremos, essas fontes de energia são abundantes, inesgotáveis e gratuitas. O problema reside na forma como esses recursos renováveis são geridos em função das solicitações de carga que as instalações necessitam. Sistemas híbridos podem ser usados para produzir energia em qualquer parte do mundo. Historicamente este tipo de sistemas eram aplicados em locais isolados, mas nos dias que correm podem ser usados directamente conectados à rede, permitindo que se realize a venda de energia. Foi neste contexto que esta tese foi desenvolvida, com o objectivo de disponibilizar uma ferramenta informática capaz de calcular a rentabilidade de um sistema híbrido ligado à rede ou isolado. Contudo, a complexidade deste problema é muito elevada, pois existe uma extensa panóplia de características e distintos equipamentos que se pode adoptar. Assim, a aplicação informática desenvolvida teve de ser limitada e restringida aos dados disponíveis de forma a poder tornar-se genérica, mas ao mesmo tempo permitir ter uma aplicabilidade prática. O objectivo da ferramenta informática desenvolvida é apresentar de forma imediata os custos da implementação que um sistema híbrido pode acarretar, dependendo apenas de três variáveis distintas. A primeira variável terá de ter em consideração o local de instalação do sistema. Em segundo lugar é o tipo de ligação (isolado ou ligado à rede) e, por fim, o custo dos equipamentos (eólico, solar e restantes componentes) que serão introduzidos. Após a inserção destes dados a aplicação informática apresenta valores estimados de Payback e VAL.

The importance of control monitoring systems in wind parks maintenance

The objective of every wind energy producer is to reduce operational costs associated to the production as a way to increase profits. One other issue that must be looked carefully is the equipment maintenance. Increase the availability of wind turbines by reducing the downtime associated to failures is a good strategy to achieve the main goal of increase profits. As a way to help in the definition of the best maintenance strategies, condition monitoring systems (CMS) have an important role to play. Informatics tools to make the condition monitoring of the wind turbines were developed and are now being installed as a way to help producers reducing the operational costs. There are a lot of developed systems to do the monitoring of a wind turbine or the whole wind park, in this paper will be made an overview of the most important systems.

Deteção de avarias na caixa de engrenagens de aerogeradores

Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um forte desenvolvimento e crescimento do número de parques eólicos instalados no mundo, o que leva a que seja necessário o incremento de ferramentas que permitam aperfeiçoar os sistemas de monitorização e controlo atualmente existentes. Por outro lado, não se deve deixar de ter em conta os custos elevados de operação e manutenção dos sistemas eólicos bem como o facto de os aerogeradores estarem localizadas em locais remotos ou offshore, o que faz aumentar os custos associados à sua exploração. A dissertação nasce da intenção clara do mercado em apostar na supervisão e previsão de avarias graves, de forma a minimizar os encargos subjacentes. Este trabalho de dissertação visa a utilização de redes neuronais para criar uma ferramenta informática de previsão de avarias em caixas de engrenagens em aerogeradores. As redes neuronais são ferramentas informáticas ideais para trabalhar com muita informação, sendo que a sua aplicação depende da qualidade e quantidade dos dados. Para tal irá ser efetuado um estudo em um parque eólico, no qual se analisará as principais avarias detetadas bem como as grandezas que deverão integrar a construção desta rede neuronal. Assim sendo, a informação relativa às diversas máquinas existentes num parque, é de enorme importância para a definição e otimização da rede neuronal a construir. Os resultados obtidos neste trabalho com a aplicação de redes neuronais para a previsão de avarias em caixas de engrenagens do parque eólico de estudo, provam que é possível realizar uma deteção da avaria bem como uma constatação de que a reparação possa ter sido bem efetuada ou mal sucedida, podendo assim ser ajustados os programas de manutenção a efetuar e uma verificação das ações de reparação para sua validação.

Banco de ensaios para micro geração eólica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Desenvolvimento de uma metodologia baseada em redes neuronais para o cálculo da energia produzida por aerogeradores

O uso da energia eólica para a produção de eletricidade apresenta na última década um crescimento apreciável. Monitorizar o desempenho dos aerogeradores torna-se um processo incontornável, quer por motivos financeiros, quer por questões operacionais. Os investimentos despendidos na construção de parques eólicos são muito consideráveis, pelo que é essencial a análise constante dos aspetos preponderantes no retorno do investimento. A maximização da energia produzida por cada aerogerador é o objetivo principal da monitorização dos parques eólicos. Os sistemas Supervisory Control and Data Acquisition (SCADAs) instalados nos parques eólicos permitem uma supervisão em tempo real relativamente ao estado e funcionamento dos aerogeradores, adquirindo uma elevada importância na avaliação dos rendimentos energéticos e anomalias de funcionamento, garantido desta forma melhorias de produtividade. O objetivo deste trabalho é estimar a energia produzida pelos aerogeradores quando ocorrem falhas de comunicação com o seu contador interno ou avaria do mesmo. A ocorrência destas situações não permite a monitorização da energia produzida durante esse período. Foram analisados dados operacionais dos aerogeradores relativos a um parque eólico localizado na zona Norte de Portugal, sendo usados os dados recolhidos pelo sistema SCADA sobre a forma de médias de 10 min referentes ao período de janeiro de 2011 a agosto 2011. O desempenho da rede neuronal depende da qualidade e quantidade do conjunto de dados usados para o treino da rede. Os dados usados devem representar de forma fiel o estado que se pretende para o equipamento. Para a obtenção do objetivo proposto foi fundamental a identificação das grandezas disponíveis a utilizar no método de cálculo da energia produzida. Os resultados obtidos com aplicação das redes neuronais no método de cálculo da energia produzida por aerogeradores demonstram que independentemente do período de indisponibilidade da informação referente à energia produzida é possível estimar o valor da mesma.

Análise do comportamento dos aerogeradores em situação de anomalia

Actualmente, a utilização de recursos energéticos renováveis é encarada como vital para se alcançar um desenvolvimento sustentável. Dentro destas, a energia eólica apresenta-se como uma das mais sustentáveis e, por isso, teve uma evolução exponencial nos últimos anos. No entanto, apesar da sua maturidade, esta tecnologia apresenta problemas e desafios. As turbinas eólicas apresentam uma elevada taxa de avarias em alguns componentes, nomeadamente a caixa de engrenagens, o gerador eléctrico e as pás. Os tempos de paragem associados às avarias e à sua reparação provocam grandes prejuízos. De modo a evitar as falhas e a permitir a redução dos custos durante o ciclo de vida das turbinas eólicas, existe a necessidade de optimizar as estratégias de manutenção, de forma a maximizar o retorno do investimento nos parques eólicos. Os aerogeradores mais recentes possuem sistemas de monitorização que permitem monitorizar todos os equipamentos constituintes da máquina, possibilitando um acompanhamento mais próximo do real estado de funcionamento dos equipamentos. A monitorização online permite que se reduza a possibilidade de acontecimento de uma falha grave. Este trabalho de investigação analisa as avarias associadas a um dos equipamentos mais importante das turbinas eólicas, a caixa de engrenagens, tendo sido identificadas as principais grandezas que podem ser utilizadas para a previsão de avarias. Este equipamento é crítico dado que origina um dos maiores tempos de indisponibilidade por falha. O resultado das análises efectuadas ao comportamento da caixa de engrenagens perante uma avaria demonstrou que é possível prevê-las. Esta informação é de extrema importância, pois permite um escalonamento eficiente da manutenção e a adopção das estratégias de reparação mais convenientes.

Acompanhamento da construção do parque eólico do Pisco

Dadas as condições actuais do mercado de trabalho, o conhecimento empírico é cada vez mais um factor distintivo na carteira de habilitações de um engenheiro recém-graduado. Desta forma, a possibilidade de realização de um estágio em ambiente empresarial ganha toda uma nova dimensão no panorama académico, apresentando-se como uma excelente oportunidade de obtenção de experiência e conhecimento de causa num momento imediatamente anterior à saída da universidade e à entrada no mundo profissional. Neste âmbito, apresenta-se o presente relatório, referente ao estágio desenvolvido sob alçada da empresa Electrolinhas S. A. durante a construção do Parque Eólico do Pisco. Este estágio enquadra-se no 2º Ano do Mestrado em Engenharia Civil – ramo de Infraestruturas, do departamento de Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto. Ao longo de 6 meses, de Fevereiro a Julho de 2015, foi possível acompanhar o desenrolar da obra de construção de um parque eólico, da perspectiva da fiscalização. Este estágio tem especial interesse dado tratar-se de uma obra de grande dimensão, com diversas particularidades ao nível do planeamento e da execução, descritas ao longo dos próximos capítulos.

Residential energy resources management by a SCADA system in case of excess wind generation

The end consumers in a smart grid context are seen as active players. The distributed generation resources applied in smart home system as a micro and small-scale systems can be wind generation, photovoltaic and combine heat and power facility. The paper addresses the management of domestic consumer resources, i.e. wind generation, solar photovoltaic, combined heat and power, electric vehicle with gridable capability and loads, in a SCADA system with intelligent methodology to support the user decision in real time. The main goal is to obtain the better management of excess wind generation that may arise in consumer’s distributed generation resources. The optimization methodology is performed in a SCADA House Intelligent Management context and the results are analyzed to validate the SCADA system.

Short-term wind forecasting for energy resources scheduling

This paper proposes a wind power forecasting methodology based on two methods: direct wind power forecasting and wind speed forecasting in the first phase followed by wind power forecasting using turbines characteristics and the aforementioned wind speed forecast. The proposed forecasting methodology aims to support the operation in the scope of the intraday resources scheduling model, namely with a time horizon of 5 minutes. This intraday model supports distribution network operators in the short-term scheduling problem, in the smart grid context. A case study using a real database of 12 months recorded from a Portuguese wind power farm was used. The results show that the straightforward methodology can be applied in the intraday model with high wind speed and wind power accuracy. The wind power forecast direct method shows better performance than wind power forecast using turbine characteristics and wind speed forecast obtained in first phase.

A real time pricing approach to deal with excessive wind power situations

The introduction of wind power generation in several countries around the world, including in European countries, where energy policy directives have encouraged the use of renewables, led to several changes in market and power systems operation. The intensive integration of these sources has led to situations in which the demand is lower than the available renewable resources. In these situations a part of the available generation is wasted if not used for storage or to supply additional demand. This paper proposes a real time demand response methodology based on changing the electricity price for the consumers expecting an increase in the demand in the periods in which that demand is lower than the available renewable generation. The consumers response to the changes in electricity price is characterized by their price elasticity of demand considered distinct for each consumer type. The proposed methodology is applied to the Portuguese power system, in the context of the Iberian electricity market (MIBEL). The renewable-based producers are considered as special producers, with special tariffs, and so it is important to use the energy available as it will be paid anyway. In this context, consumers are entities actively participating in the operation of the market.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Intelligent management of end consumers loads including electric vehicles through a SCADA system

The large penetration of intermittent resources, such as solar and wind generation, involves the use of storage systems in order to improve power system operation. Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G) can operate as a means for storing energy. This paper proposes an algorithm to be included in a SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system, which performs an intelligent management of three types of consumers: domestic, commercial and industrial, that includes the joint management of loads and the charge/discharge of EVs batteries. The proposed methodology has been implemented in a SCADA system developed by the authors of this paper – the SCADA House Intelligent Management (SHIM). Any event in the system, such as a Demand Response (DR) event, triggers the use of an optimization algorithm that performs the optimal energy resources scheduling (including loads and EVs), taking into account the priorities of each load defined by the installation users. A case study considering a specific consumer with several loads and EVs is presented in this paper.