Wind Power in Power Systems -seminaarikurssi Referaatti kirjan

1. Wind Power in Power Systems -seminaarikurssi • Referaatti kirjan • T. Ackermann: Wind Power in Power Systems • kappaleesta • 6. Sähkön laadun mittaukset (Power Quality Measurements) • 11.5.2009 • Janne Strandén J. Strandén

2. Johdanto • Sähkön laadulla (power quality) tarkoitetaan tuuliturbiinin yhteydessä puhuttaessa turbiinin suorituskykyä tuottaa sähköä • verkkoon aiheutetut häiriöt • vaikutukset verkon jännitteen laatuun • Suurimmat vaikutukset: • jännitteen muutokset (change) ja vaihtelut (fluctuation) • yliaallot (harmonics) • loistehon tuotanto/kulutus • välkyntä • tehopiikit • käynnistysvirrat (in-rush) • Yhtäältä tuuliturbiinin rakenteella on vaikutusta tuotetun sähkön laatuun, mutta toisaalta myös ympäristöolot vaikuttavat J. Stranden

3. Vaatimukset sähkön laadun mittaamiselle • Suuntaviivat tuuliturbiinien sähkön laadulle: • IEC 61400-21: ”Wind Turbine Generator Systems, Part 21: Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines” • Yksi tärkeimmistä suuntaviivoista • Määrittelee mitkä sähkön laadun tunnusluvut on mitattava ja mitä mittausmenetelmää tulee käyttää • Mittaustuloksista datalehtinen, jossa kaikki asiaankuuluvat tuuliturbiinin tunnusluvut normalisoidussa sekä sijainnista ja verkosta riippumattomassa muodossa arvioinnin pohja verkonhaltijoille • Suosituksia liityntäpaikan ympäristön ja verkon arviointiin J. Stranden

4. Vaatimukset sähkön laadun mittaamiselle (jatkoa) • MEASNET guideline: “Power Quality Measurement Procedure of Wind Turbines” • MEASNET on tuulivoimajärjestöjen mittausverkosto, jonka tavoitteena on harmonisoida mittausmenetelmät ja suositukset saavuttaakseen mittaustulosten vertailukelpoisuus ja niiden yhteinen hyväksyntä jäsenjärjestöiltään • MEASNET:n suuntaviivat vastaavat IEC:n vaatimuksia • The German Födergesellschaft Windenegie (FGW) guideline: “Technical guidelines for wind turbines, part 3: determination of the electrical characteristics (saksankielinen)” • Käytetty Saksassa jo 90-luvun alusta alkaen • Periaatteessa mittausmenetelmät samankaltaisia kuin IEC:ssä, mutta mittaustulokset eivät kuitenkaan vertailukelpoisia keskenään • Mittauksista datalehtinen, jota käytetään Saksassa yhdessä VDEW:n suuntaviivojen kanssa turbiinin verkkoon liittämisen arvioinnissa J. Stranden

5. Mitattavia suureita • tehopiikki = tuotettu maksimipätöteho tietyllä aikavälillä, jolta lasketaan keskiarvo turbiinin toimiessa keskeytymättömästi • loisteho ja tehokerroin = turbiinin tuottama loisteho ja sen tehokerroin • yliaallot = harmoniset ja epäharmoniset virran yliaallot, mitataan vain vaihtuvanopeuksisilta turbiineilta, hankala erottaa verkossa olevista yliaalloista • välkyntä = valojen välkkymistä jännitteen vaihtelun takia, mikä voi aiheuttaa säröä tai vaivaa ihmisille tai muille sähkönkuluttajille; määritelty tarkoittavan jännitteen vaihtelua enimmillään 35 Hz:n taajuudella • kytkentätilanteet = aiheuttavat jännitteen vaihtelua  välkyntää  välkyntä mitattava myös kytkentätilanteissa 8,8 Hz J. Stranden

6. Mittausten tekniset tiedot J. Stranden

7. Tuuliturbiinien ja -puistojen sähkön laadun tunnuslukuja • Turbiinin aiheuttamien häiriöiden syitä: • Tehopiikit • vaihtuvanopeuksisilla turbiineilla lapakulmasäädön avulla vähäiset jännitteen vaihtelut ja tehopiikit • vakionopeuksisilla korkeammat hetkelliset tehopiikit (jopa 30 %), vaikka olisikin lapakulmasäätö • sakkaussäätöisillä vakionopeuksisilla myös pidempiaikaisia tehopiikkejä (10-20 %) • Suuri määrä turbiineja tasoittaa tuulipuiston tehopiikkejä, sillä tehopiikit esiintyvät vain harvoin samanaikaisesti monessa eri turbiinissa • Loisteho • vakionopeuksiset turbiinit • loistehon kompensointiyksiköt • tehokerroin yleensä ~0,96 • vaihtuvanopeuksiset turbiinit • tehokerroin tavallisesti 1,00 • tuotettu loisteho kuitenkin säädeltävissä  jännitteen säätely J. Stranden

8. Tunnuslukuja (jatkoa) • Yliaallot • taajuudenmuuttajat (yleensä PWM) tuottavat yliaaltoja  suodattimien lisäys • vakiokellotaajuuksinen tuottaa yksittäisiä epäharmonisia kellotaajuuden alueella ja kellotaajuuden kertalukuja (kuva 6.3a) • muuttuvan kellotaajuuden tuottaa harmonisia ja epäharmonisia laajalle taajuusalueelle, huippu verkon resonanssitaajuuden kohdalla (6.3b) • yliaaltojen mittaaminen haastava tehtävä • epäharmoniset esim. vain 0,1 % nimellisvirrasta aina 9 kHz:iin asti (MEASNEt ja FGW)  virtamittari lineaarinen 9 kHz:iin asti • yliaaltomittaukset antavat erilaisia tuloksia turbiinin pien- ja keskijännitepuolella tähti-kolmio -muuntajan vuoksi  kj-puolella matalampia arvoja J. Stranden

9. Tunnuslukuja (jatkoa) • Välkyntä • aiheutuu turbiinin pätö- ja loistehon vaihteluista, jotka johtuvat mm. • tornin tuulivarjo • roottorin epätäydellinen suuntaus • tuuligradientti • tuulen pyörteet • ohjausjärjestelmän vaihtelut • vakionopeuksisella tuulivarjo suurin välkynnän aiheuttaja ~1 Hz (kuva 6.4) • suuremmilla turbiineilla välkyntä suhteessa vähäisempää • välkyntä suurempaa kovemmalla tuulella (kuva 6.5) • vaihtuvanopeuksisilla tuuliturbiineilla nopeat tehovaihtelut tasoittuvat eikä tuulivarjokaan vaikuta tehotuotantoon  välkyntä vähäisempää (kuva 6.6) • tuulipuistossa tehovaihtelut tasoittuvat J. Stranden

10. Tunnuslukuja (jatkoa) • Kytkentätilanteet • jännitteen muutokset kytkentätilanteissa johtuvat käynnistysvirroista ja vastaavista tehon muutoksista tuuliturbiinissa • vakionopeuksisilla käytetään pehmeäkäynnistintä rajoittamaan epätahtigeneraattorin käynnistysvirtaa • kuvassa 6.7a vakionop. turbiinin kytkeytyminen verkkoon: nopeita muutoksia  välkyntää, suuret tehomuutokset  jännitteen vaihtelua • vaihtuvanop. turbiineilla ei suuria käynnistysvirtoja  jännitteen vaihtelut ja välkyntä vähäistä (6.7b) • tuulipuistossa harvoin useita turbiineita kytkeytyy samanaikaisesti  kytkentätilanteiden tarkastelut yksittäisille tai muutamalle turbiinille J. Stranden

11. Verkkoon liittämisen arviointi • IEC 61400-21:ssä suosituksia tuuliturbiinin ja -puiston verkkoon liittämisen arviointiin koskien sähkön laatua, perustana kaavat taulukossa 6.3 • Sähkön laadun arvioinnissa huomioitava myös verkon ominaisuudet liityntäpisteessä • Paikallisella tasolla jatkuvan tilan jännitteen muutokset yksi rajoittavista tekijöistä verkkoon liittämiselle  tarkat tehonjakolaskelmat suoritettava • Yliaallot saattavat myös aiheuttaa vaikeuksia • lisäksi niiden määrätyt raja-arvot usein jännitteille, jolloin laskentaan tarvitaan verkon impedanssit korkeillakin taajuuksilla  määrittäminen vaikeaa • Välkyntä ei enää suuri ongelma vaihtuvanop. turbiinien osuuden lisäännyttyä J. Stranden

12. ”Tulevaisuudesta”… • Jossain maissa, kuten Saksa ja Tanska, sähköä tullaan tuottamaan suuri osa tuulivoimalla  verkonhaltijoiden on syytä huomioida tuuliturbiinien negatiiviset vaikutukset verkossaan  verkonhaltijoiden omia suuntaviivoja jo kehitetty yleisten ohjeistusten lisäksi • Vikatilanteet: • nykyään: tuuliturbiini/-puisto kytkettävä irti verkosta • tulevaisuudessa: tuuliturbiini/-puisto kytkettynä myös vikatilanteessa  verkon tukeminen  puistojen tulee siksi pystyä toimimaan laajalla loistehoalueella, pystyä antamaan loistehoa verkkoon vaadittaessa, pysyä verkossa lyhytkestoisten jännitekuoppien ajan ja pystyä toimimaan laajalla taajuusalueella •  Saksassa on kehitetty täydentävä ohjeistus, johon sisältyy ohjeet kuinka tarkistaa turbiinin tai puiston yhteensopivuus em. vaatimusten mukaisesti verkonhaltijoiden laatimien suuntaviivojen kanssa J. Stranden