Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet

1. Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari 2007 - Joris Soens

2. Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet: inhoud • DEEL I: ELEKTROTECHNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE • Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”) • Windenergie: basistypes windturbines • DEEL II: WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE • Overheidssteun: groenestroomcertificaten in Vlaanderen • Waarde van windenergie

3. DEEL I ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE

4. Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”)

5. Van ‘top-down supply’ naar ‘embedded generation’

6. Verspreide Generatie: Motivaties • Productie uit hernieuwbare energiebronnen en warmtekrachtkoppeling wordt sterk aangemoedigd • overheidssteun • meestal kleinschalige installaties (uitzonderingen: offshore windpark, STEG...) • Belang van ononderbroken elektriciteitslevering (ziekenhuizen...) • Liberalisering van de energiemarkt

7. Verspreide generatie: definities – eigenschappen • geen centrale planning • geen centrale dispatching • netgekoppeld op laag- of middenspanning (ca. 400V tot 36 kV) • relatief laag vermogen (1 kW  10 MW) • types: • fotovoltaïsch • wind • biogas/stortgas • WKK op fossiele of hernieuwbare brandstoffen

8. Invloed van DG op werking van het net • Netbelasting • Netuitbating en netondersteuning • Netveiligheid • Power Quality & Communicatie

9. Invloed van DG op werking van het net • Netbelasting • Lijnverliezen • Thermische grenzen van geleiders en transformatoren

10. Lijnverliezen gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post stroom afstand tot HS-post

11. Lijnverliezen DG gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post stroom afstand tot HS-post

12. Lijnverliezen • Lijnverliezen ongeveer kwadratisch evenredig met getransporteerd schijnbaar vermogen • Theoretisch optimum voor 1 generator (bij gelijkmatige lijnbelasting): • generator op 2/3 van de kabellengte, en • generatorvermogen = 2/3 van de totale last aan distributiekabel • Werkelijke lijnverliezen sterk afhankelijk van ogenblikkelijke lastverdeling

13. Thermische grenzen van geleiders en transformatoren • Op distributienet-niveau • DG vermindert meestal thermische belasting van geleiders en transformatoren in normaal bedrijf • Maar dimensionering van geleiders wordt bepaald door extreme scenario’s: • volle belasting en lage productie van DG • lage belasting en hoge productie van DG

14. Thermische grenzen van geleiders en transformatoren • Op transmissienet-niveau • Gevalstudie: Offshore Wind in de Belgische Noordzee • Lijnbelasting afhankelijk van • productie- en belastingsverdeling in België • internationale vermogensstromen • injectie van offshore windenergie • Overbelasting van transmissienet mogelijk tot diep in binnenland

15. Belgisch Hoogspanningsnet 400 kV 220 kV 150 kV

16. Belgische Elektriciteitscentrales

17. Overbelasting (‘congestion’) door off-shore windenergie

18. Invloed van DG op werking van het net • Netuitbating en netondersteuning • Impact van DG op stationaire netspanning • Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie • Dynamisch gedrag bij netstoringen

19. Wat is ‘netondersteuning’? • Netondersteuning of ‘ancillary services’ • = diensten die netgebruikers (producenten & verbruikers) leveren voor • veilige • betrouwbare • stabiele (technisch en economisch) werking van het net • Gecoördineerd door netbeheerder • Omvat: • spanningscontrole • frequentiecontrole • ‘black-start‘-mogelijkheid • ondersteuning voor financiële transacties en economische dispatch

20. Enkele netbeheerders in Europa met specifieke richtlijnen voor netondersteuning door gedecentraliseerde productie-eenheden • Energinet.dk (Denemarken) http://www.energinet.dk • E.ON (deel van Duitsland) http://www.eon-netz.com/ • Svk (Zweden) www.svk.se • ESBNG (Ierland) www.eirgrid.com • Scottish Power (Schotland) www.scottishpower.com

21. Impact van DG op stationaire spanning:theoretische beschouwing ‘point of common coupling’ meest eenvoudig netmodel ZGRID Iload - IDG PCC Iload UPCC UGRID ~ IDG belasting aan PCC gedecentraliseerde generatie aan PCC spanning UPCC op point of common coupling:

22. Kortsluitvermogen aan PCC (vóór installatie DG) PCC (point of common coupling) ZGRID Isc = UGRID / ZGRID kortsluiting UGRID ~ Kortsluitvermogen (1 - fasig): Gebruikelijke waarden in België (3-fasig): 2,5 GVA (70 kV); 1,3 GVA (30 kV); 500 MVA (15 kV); 400 MVA (10 kV)

23. Kortsluitvermogen - Netsterkte groot kortsluitvermogen aan PCC (i.e. ZGRID klein) betekent dus: weinig impact van DG op UPCC met PDG = totaal vermogen aan gedecentraliseerde productie op PCC vuistregel: netsterkte moet > 50

24. Vuistregel: netsterkte > 50 Vuistregel gecombineerd met typische waardes voor kortsluitvermogens leidt tot: richtwaarden voor maximaal geïnstalleerd vermogen op radiale lijnen verbonden met PCC, afhankelijk van spanningsniveau • d.i. bovengrens i.v.m. stationaire impact op spanningsprofiel • veronderstelt voldoende stroombeschikbaarheid in alle leidingen

25. Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie R X P + j · Q U1 U2 Spanningsval langs stroomvoerende geleider: R = lijnweerstand X = lijnreactantie P = getransporteerd actief vermogen Q = getransporteerd reactief vermogen

26. Spanningscontrole d.m.v. reactieve energie • Openluchtlijnen (HS-netten): • X >> R • doeltreffende spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Q • Ondergrondse kabels (MS-en LS-netten) • X ≈ R • spanningscontrole d.m.v. reactieve energie minder doeltreffend • veroorzaakt bovendien extra joule-verliezen in lijn • Q-controle nuttig voor compensatie van reactieve belastingen • Sommige netbeheerders schrijven bereik voor waarbinnen reactieve energie van DG-eenheden regelbaar moet zijn

27. Voorschriften i.v.m. reactieve-energiebereik power factor (anno 2004) DK (Eltra&Elkraft, nu Energinet.dk) DE (E.ON) Schotland (voor 2003) Schotland (voor 2007) Schotland (na 2007) IE (ESBNG) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

28. Gedrag van generatoren bij netstoringen (1) voorbeeld: gedrag van windturbine met inductiegenerator, in geval van spanningsdip: spanningsdip (op t = 4s) ongecontroleerd versnellen van generator generator wordt losgekoppeld (‘tripped’) van het net door eigen beveiliging

29. Gedrag van generatoren bij netstoringen (2) • Vroeger: elke generator kon willekeurig vroeg uitschakelen bij netstoring om eigen veiligheid te waarborgen • Nu: stijgend aandeel aan gedecentraliseerde productie: • Netstoring (spanning, frequentie…) leidt tot uitschakeling van een generator • Dit veroorzaakt nieuwe spanningsdip bij nabije generatoren… • Cascade-effect met mogelijk groot verlies van productie Netbeheerder legt ‘ride-through capability’ op aan DG-eenheden, voor spannings- en frequentiestoringen

30. Ride-through bij spanningsdips (1) • vb. E.ON spanningsdip-curve • (E.ON = een netbeheerder in Duitsland) • oorspronkelijk: specifieke curve voor windturbines • nu voor alle generatoren met lage bijdrage tot netkortsluitvermogen • Elke spanningsdip boven rode lijn mag niet leiden tot uitschakeling van generator • In grijze zone moet generator extra reactieve energie leveren voor spanningsondersteuning

31. Ride-through bij spanningsdips (2) (anno 2004) SE (Svk)( > 100 MW) SE (Svk)( < 100 MW) Schotland IE (ESBNG) DE (E.ON) DK (Eltra) DK (Elkraft) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

32. Ride-through by frequentie-storingen Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

33. Invloed van DG op werking van het net • Netveiligheid • Werking van beveiligingsrelais • Foutstromen en detectie

34. Werking van beveiligingsrelais • Selectiviteit: • Beveiliging dichts bij netfout reageert eerst • Als beveiliging faalt: volgende beveiliging op hoger niveau reageert Wees waakzaam met gedecentraliseerde productie-installaties net

35. Foutstromen en detectie wordt foutstroom gedetecteerd? • Foutdetectie: • Kortsluitstroom wordt gedetecteerd door alle beveiligingsrelais • Met DG: kortsluitstroom wordt geleverd door lokale generatoren • Kortsluiting wordt niet meer gedetecteerd door alle relais net

36. Invloed van DG op werking van het net • Power quality • Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen • Flikker en spanningsvariaties

37. Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen • Overgangsverschijnselen afhankelijk van generatortype • Netgekoppelde inductiegenerator (WKK, windturbines): • grote aanloopstromen • machine werkt als motor tijdens aanloop: verbruikt energie • Koppeling via omvormer (PV, wind, WKK…) • overgangsverschijnselen kunnen gecontroleerd en beperkt worden

38. Voorbeeld: windturbine in distributienet van Haasrode HS-post Heverlee 70kV – 10 kV Windturbine • Onderzochte generatortypes voor windturbine: • inductiegenerator met kooirotor (squirrel cage) • dubbelgevoede inductiegenerator

39. Gesimuleerde windsnelheid en generatortoerental

40. Actief en reactief generatorvermogen

41. Spanning op knopen 408 en 2 overgangsverschijnsel na inschakeling

42. Flikker en snelle spanningsvariaties • Gedecentraliseerde productie (zon, wind, WKK) fluctueert en kan niet gepland worden • Snelle vermogenfluctuaties veroorzaken ‘flikker’: kleine periodische spanningsvariaties (0,5 … 25 Hz) • Typisch geval: ‘tower effect’ bij windturbines • vóór de mast van windturbine is windsnelheid lager • dip in generatorkoppel, telkens als turbineblad voor mast komt • Flikker is zelden schadelijk voor apparatuur, maar veroorzaakt irritatie bij mens wanneer gloeilamp met flikkerende spanning gevoed wordt

43. Kwantisatie van flikker • Gestandaardiseerd: IEC 61000-4-15 • Gewogen gemiddelde van laagfrekwente spanningscomponenten over 10 minuten (Pst) of 2 uur (Plt) • Ponderatiefactoren gebaseerd op irritatiegevoel bij mensen spanningsfluctuatie van8 – 9 Hz is meest storend

44. Flikker en DG • Gebruikelijk flikkerniveau op middenspanning: • 0.35 Pst • 0.25 Plt • Plt moet < 1 • Impact van gedecentraliseerde generator op flikker wordt gemeten en berekend volgens standaardprocedures • vb voor windturbines: IEC 61400-21

45. Besluit • Wat is bovengrens voor DG? • geen éénduidig antwoord mogelijk • afhankelijk van: • beschikbare netinfrastructuur • gewenste power quality en betrouwbaarheid • hoe streng zijn aansluitingsvoorwaarden door netbeheerder • Richtwaarden: • PDG < 2/3 van lastvermogen op één radiale lijn (voor minimalisatie netverliezen) • netsterkte > 50 • Plt < 1

46. Windenergie: basistypes windturbines

47. Geïnstalleerd windvermogen in Europa http://www.ewea.org

48. Controle-opties voor wind turbines • Toerentalregeling • vast toerental • variabel toerental beperkt bereik • variabel toerental breed bereik • Controle op reactief vermogen • Controle op bladhoek en actief vermogen • vaste bladhoek • verstelbare bladhoek (“pitch”) • Kruien (“yaw”) sterk afhankelijk van type generator

49. Generatortypes voor windturbines (I) inductiegenerator met kooirotor • (bijna) constante toerental • altijd inductieve belasting Turbine shaft & gearbox ~ wind Net generator

50. Turbine generator types (II) dubbelgevoede inductiegenerator • regelbaar toerental – beperkt bereik • reactief vermogen is regelbaar Crowbar Turbine Converter shaft & gearbox ~ Net generator