Tuulivoiman vaikutus järjestelmän dynamiikkaan

1. 1 Tuulivoiman vaikutus järjestelmän dynamiikkaan

2. Aiheet 2 • Johdanto • Sähkövoimajärjestelmän dynamiikka • Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa • Eri turbiinityyppien käyttäytyminen (kiinteä- ja muuttuvanopeuksiset) • Tuulipuistojen käyttäytyminen • Simulointituloksia • Tuulivoiman dynamiikka taajuustasossa

3. 1. Johdanto 3 • Useimmissa maissa suuriin verkkoihin kytkettyä tuulivoimaan on vähän suhteessa järjestelmän vaatimaan tehoon • Tuulivoiman määrä lisääntyy kuitenkin koko ajan  se tulee korvaamaan yhä suurempaa osaa perinteisten tahtigeneraattoreiden tuotannosta • Tällä on luonnollisesti vaikutusta koko järjestelmän käyttäytymiseen, sillä järjestelmän dynaaminen käyttäytyminen määräytyy paljolti generaattorien kautta • Tähän mennessä melkein kaikessa verkkoon tuotetussa tehossa käytetään perinteisiä suoraan verkkoon kytkettyjä tahtigeneraattoreita • Tuuliturbiineissa on käytössä on mm. häkkikäämigeneraattoreita ja erilaisia tehoelektroniikkaratkaisuja, joiden verkkovaikutukset eroavat perinteisestä tahtigeneraattorista

4. 2. Sähkövoimajärjestelmän dynamiikka 4 • Sähkövoimajärjestelmän dynamiikkaa tarkasteltaessa tutkitaan sitä, kuinka järjestelmä vastaa herätteisiin • Herätteitä voivat olla esim. taajuuden muuttuminen generaattorin sammuessa tai kuormaa kytkettäessä tai irrotettaessa, tai jännitteen putoaminen vikatilanteessa • Heräte ”liipaisee” vasteen järjestelmälle, jolloin järjestelmän virrat ja jännitteet alkavat muuttua • Järjestelmä on stabiili, jos kaikki generaattorit ja kuormat pysyvät kytkettyinä muutostilanteen jälkeen. Järjestelmä on epästabiili, jos uudessa toimintapisteessä generaattoreita tai kuormia kytkeytyy pois. • Järjestelmän dynamiikkaa voidaan tarkastella aikatason simuloinneilla tai taajuustason analyyseillä.

5. 2. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Eri turbiinityyppien käyttäytyminen 5 • Pääosa tuuliturbiineista käyttää turbiinityyppejä A, C ja D • Tyyppi A: Tässä käytetään (epätahti-) häkkikäämigeneraattoria muuttamaan mekaaninen energia sähköenergiaksi. Turbiinin roottori ja generaattori pyörivät eri nopeudella, joten tarvitaan myös vaihdelaatikko. Järjestelmää kutsutaan vakio- tai kiinteänopeuksiseksi. • Tyyppi C: Käyttää kaksoiskäämittyä generaattoria, ja tarvitsee myös vaihdelaatikon. Staattori on kytketty suoraan verkkoon ja roottori on kytketty tehomuuntimen kautta verkkoon. Tehomuuntimella voidaan kompensoida mekaanisen ja sähkötehon taajuuden eroa. Muuttuvanopeuksinen toiminta tulee mahdolliseksi. • Tyyppi D: Tämä tyyppi ei tarvitse vaihdelaatikkoa, vaan se hyödyntää useampinapaisia tahtigeneraattoreita, ja teho syötetään tehomuuntimen kautta verkkoon. Tämä tyyppi on myös muuttuvanopeuksinen.

6. 2. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Kiinteänopeuksiset tuuliturbiinit 6 • Kyseiset generaattorit voivat mennä epästabiiliksi mm. jänniteenalenemistilanteissa. Tämä voi johtaa tilanteeseen, jossa loistehon kulutus kasvaa, ja lopulta turbiinin jännite voi romahtaa. • Generaattorin jännitteen laskiessa via takia, vain pieni määrä sähkötehoa syötetään verkkoon. Tuullessa mekaanista tehoa kuitenkin syötetään roottoriin, jolloin syötetyn mekaanisen tehon ja sähkötehon välinen epätasapaino saa generaattorin kiihtymään. Kun vikatilanne korjautuu, generaattori ottaa verkosta suuren määrän loistehoa korkean pyörimisnopeutensa takia  generaattorin jännite palautuu suhteellisen hitaasti • Jos roottori kiihtyy ennen kuin generaattorin jännite on palautunut, loistehon kulutus kasvaa ja tämä pienentää jännitettä entisestään, lopulta tuuliturbiinin jännite romahtaa ja koko voimala voidaan joutua irrottamaan verkosta.

7. 2. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Muuttuvanopeuksiset tuuliturbiinit 7 • Muuttuvanopeuksiset käyttävät tehomuunninta erottamaan mekaanisen pyörimistaajuuden ja verkon taajuuden. • Jännitteen alenemien aikana tehomuuntimen puolijohteiden läpi kulkeva virta kasvaa hyvin nopeasti. Muunnin monitoroi kuitenkin jännitteitä, virtoja ja verkon taajuutta koko ajan, jolloin vika tilanteeseen ehditään reagoida nopeasti. Turbiini voidaan tarvittaessa kytkeä pois verkosta. • Verkosta pois kytkeminen ei kuitenkaan ole haluttua. Tämä voidaan estää esimerkiksi ohjaamalla tehomuunninta siten, että jännitealeneman aikana virta rajoitetaan nimelliseen arvoonsa. • Suoraan verkkoon kytkettyihin generaattoreihin verrattuna muuttuvanopeuksisilla on enemmän vapausasteita palautua normaaliin toimintatilaansa. On mahdollista mm. generoida ylimääräistä loistehoa nopeuttamaan jännitteen palautusta normaaliin tilaansa.

8. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Tuulipuistojen käyttäytyminen 8 • Jos infrastruktuurin sekä tuulipuiston verkkoliitännässä käytetään AC-linkkejä, tuulipuiston vaste häiriöihin riippuu tuuliturbiineista, koska liitännät ovat passiivisia elementtejä • Jos käytetään DC-linkkiä yhdistämään tuulipuisto verkkoon, tällöin vaste riippuu DC-linkin toteutustavasta, ei niinkään käytetyistä tuuliturbiinityypeistä • Jos virtalähdetyyppisen HVDC:n (tyristorit) viassa jännite laskee, mutta pystyy nousemaan tarpeeksi lähelle nimellistä arvoaan, järjestelmä toimii alemmalla jännitetasolla, jolloin myös energiaa siirretään vähemmän. Jos jännite laskee vikatilanteessa liian matalaksi, niin kommutointi ei onnistu ja joudutaan irtoamana verkosta. • Jännitelähdetyyppisissä DC-linkeissä (HVDC Light tai HVDC Plus) käytetään IGBT- ja MOSFET-kytkimiä. Tässä tapauksessa tehomuunnin asettelee rajat loistehon säätämiseen. Muuntimen virta on mahdollista rajoittaa vikatilanteissa nimelliseen arvoonsa, jotta ei tarvittaisi verkosta irrottautumisia.

9. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Simulointituloksia 9 • Simuloinneissa käytetty testiverkko

10. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Simulointituloksia 10 • Jännitteen aleneman vaikutus roottorinopeuteen ja jännitteeseen kiinteä- ja muuttuvanopeksisissa tuuliturbiineissa

11. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Simulointituloksia 11 • Yhden generaattorin irtoamisen vaikutus roottorinopeuteen ja jännitteeseen kiinteä- ja muuttuvanopeksisissa tuuliturbiineissa

12. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Simulointituloksia 12 • Yhden generaattorin irtoamisen vaikutus verkon taajuuteen (kiinteä viiva: ei tuulivoimaloita verkossa, pisteviiva: kiinteänopeuksia tuulipuistoja verkossa ja katkoviiva: muuttuvanopeuksisia tuulivoimaloita verkossa)

13. 3. Tuulivoiman dynamiikka aikatasossa: Simulointituloksia 13 • Kiskon 1 vikatilanteesta johtuvat roottorinopeuden värähtelyt generaattoreissa, jotka ovat kiskoissa (a) 30, (b) 31, (c) 35 ja (d) 38, kun tuulivoiman osuus on 28,5 %. (Kiinteä viiva: ei tuulivoimaloita. Pisteviiva: kiinteänopeuksinen. Katkoviiva: muuttuvanopeuksinen).

14. 4. Tuulivoiman dynamiikka taajuustasossa 14 • Kun analysoidaan stabiiliutta piensignaalien kannalta, dynaamisen käyttäytymisen määräävät epälineaariset yhtälöt pitää linearisoida. Esityksen tilamatriisin ominaisarvot antavat tietoa järjestelmän dynamiikasta. • Tahtigeneraattorien sähköinen momentti riippuu pääosin roottorin ja staattorin vuon välisestä kulmasta. Tämä kulma on näiden kahden vuon integraali, joka taas riippuu mekaanisen ja sähköisen momentin erosta  tahtikoneen mekaaninen osa toisen asteen järjestelmä, johon voi liittyä värähtelyä. • Tuuliturbiineissa käytetyt generaattorityypit osallistuvat harvoin järjestelmän värähtelyyn. Häkkikäämigeneraattorin, joita käytetään kiinteänopeuksisissa tuuliturbiineissa, roottorin jättämän ja sähköisen momentin välillä on yhteys mekaaninen osa on ensimmäistä astetta, eikä ole altisvärähtelyilmiölle. • Muuttuvanopeuksissa tuuliturbiineissa voidaan säätää roottorin nopeutta ja sähkötehoa, sekä vaimentaa roottorin nopeudessa tapahtuvia värähtelyitä tehomuuntimella. Täten siis tahtigeneraattorin korvaamisen tuuliturbiinilla voidaan päinvastoin olettaa parantavan järjestelmän värähtelyvaimennusta.