elektrownie wiatrowehome.agh.edu.pl/.../agh_prezentacja_2_tauron_61400_21_v2.pdf»zgodnie z normą...
TRANSCRIPT
Elektrownie wiatroweNorma IEC 61400-21 / IRiESDMateusz DUTKA
Kraków, 10.10.2018
Farma wiatrowa (IRiESD) -Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej
» Farma wiatrowa
Jednostka wytwórcza lub zespół tych jednostek wykorzystujących do
wytwarzania energii elektrycznej energię wiatru, przyłączonych do sieci w
jednym miejscu przyłączenia.
Typy generatorów Farma wiatrowa
Typy generatorów występujących w farmach wiatrowych:
o maszyna prądu stałego
o maszyna asynchroniczna:
• klatkowe
• pierścieniowe (wirnik zasilany jest przez przekształtnik
umożliwiający dwukierunkowy przepływ energii)
o maszyna synchroniczna
o maszyna z magnesami trwałymi
Przykładowa farma wiatrowa
» Moc zainstalowana: ~30 MW
» Wysokość wieży: 85 m
» Liczba skrzydeł: 3
» Rozruchowa oraz maksymalna prędkość wiatru:
• 2,5 oraz 28,0 m/s
» Powierzchnia farmy: ~ 270 ha
» Średnica wirnika/długość skrzydeł: 71 m / 40 m
» Powierzchnia obrotowa wirnika: 3959 m2
» Turbina: bezprzekładniowa o zmiennej prędkości, z regulacją nachylenia łopat
Przykładowa farma wiatrowaKrzywa mocy
2%
4%
6%
8%
10%
WEST EAST
SOUTH
NORTH
0 - 5
5 - 10
10 - 15
15 - 20
20 - 25
25 - 30
30 - 35
Winter 2012-2013
P(dir) [MW]
2%
4%
6%
8%
10%
WEST EAST
SOUTH
NORTH
0 - 5
5 - 10
10 - 15
15 - 20
20 - 25
25 - 30
30 - 35
Winter
P(dir) [MW]
2%
4%
6%
8%
10%
WEST EAST
SOUTH
NORTH
0 - 5
5 - 10
10 - 15
15 - 20
20 - 25
25 - 30
30 - 35
Summer 2012-2013
P(dir) [MW]
2%
4%
6%
8%
10%
WEST EAST
SOUTH
NORTH
0 - 5
5 - 10
10 - 15
15 - 20
20 - 25
25 - 30
30 - 35
Summer
P(dir) [MW]
Sezonowa zmienność produkcji –
kierunek wiatruSummer Winter
Sezonowa zmienność produkcji
wiosna lato jesień zima
Prędkość wiatru
[m/s] 5,7 5,2 6,5 7,0
Moc [MW] 5,7 4,5 8,1 9,4
Temperatura [°C] 12 19 7 3
Temp. Min [°C] 1,8 8,8 -7,9 -11,9
Temp. Max [°C] 30,8 32,1 22,8 14,9
Pracujących
turbin 14 14 14 12
Stany pracy farmy wiatrowej
Farma wiatrowa (IRiESD)
» Wymagania wobec Farm wiatrowych:
3.13 Farmy wiatrowe z generatorami asynchronicznymi należy wyposażyć w
automatykę bezzwłocznego wyłączania elektrowni po przejściu do pracy
na wydzieloną sieć.
3.14 W przypadku zwarcia w linii, do której przyłączona jest farma wiatrowa
automatyka zabezpieczeniowa farmy powinna:
a) wyłączać ją w czasie krótszym od czasu działania istniejącego
zabezpieczenia linii,
b) załączać farmę samoczynnie po czasie nie krótszym niż 30 s, liczonym od
zakończenia udanego cyklu SPZ.
3.15. W przypadku zwarcia w farmie wiatrowej z generatorem
asynchronicznym automatyka zabezpieczeniowa powinna wyłączać ją
bezzwłocznie lub ze zwłoką czasową uzgodnioną z TAURON Dystrybucja .
Farma wiatrowa (IRiESD)
» Wymagania wobec Farm wiatrowych:
3.16. W przypadku zadziałania SZR w stacji, do której przyłączona jest farma
wiatrowa, automatyka zabezpieczeniowa farmy powinna:
a) wyłączać ją w czasie krótszym od czasu działania istniejącego
zabezpieczenia stacji,
b) załączać farmę samoczynnie po czasie 30 s, liczonym od zakończenia
cyklu SZR.
3.17. TAURON Dystrybucja może zdecydować o potrzebie stosowania
zabezpieczeń różnicowoprądowych dla poszczególnych rodzajów
jednostek wytwórczych.
Farma wiatrowa (IRiESD)
8. DODATKOWE WYMAGANIA DLA FARM WIATROWYCH
PRZYŁĄCZANYCH DO SIECI DYSTRYBUCYJNYCH
8.1.4 Wymagania techniczne dla farm wiatrowych obejmują następujące
zagadnienia:
a) regulacja mocy czynnej,
b) praca w zależności od napięcia i częstotliwości,
c) załączanie do pracy i wyłączanie z sieci,
d) regulacja napięcia i mocy biernej,
e) wymagania dla pracy przy zakłóceniach w sieci,
f) dotrzymywanie standardów jakości energii elektrycznej,
g) elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa,
h) systemy monitoringu i telekomunikacji,
i) testy sprawdzające.
Norma IEC 61400-21
Celem normy IEC 61400-21 jest przedstawienie jednolitej metodologii
zapewniającej spójność i dokładność pomiaru oraz oceny parametrów
charakteryzujących jakość energii dla siłowni wiatrowych (SW).
Niniejsza norma zawiera zalecenia dotyczące przeprowadzenia pomiarów i
oceny jakości energii dla siłowni wiatrowych przyłączonych do sieci zasilającej.
Procedury pomiarowe dotyczą siłowni wiatrowych dowolnej wielkości. Norma
wymaga jedynie, aby zgodnie z jej zaleceniami badać i charakteryzować te typy
siłowni, których punkt PCC znajduje się na poziomie napięcia średniego lub
wysokiego.
Wskaźnik migotania światła podczas
pracy ciągłej (dotyczy siłowni wiatrowych)
Znormalizowana miara emisji migotania światła podczas pracy ciągłej
siłowni wiatrowej:
Pst, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci
zasilającej;
Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;
Sk,fic - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej.
UWAGA
Wskaźnik migotania światła przy pracy ciągłej jest taki sam dla
krótkiego (10 min) i długiego (2h) okresu czasu.
( )n
k,fic
st,fickS
SPc =
Skokowy wskaźnik migotania
światła (dotyczy siłowni wiatrowych)
Znormalizowana miara emisji migotania światła wywołanej pojedynczym
procesem łączeniowym w siłowni wiatrowej:
Tp - okres pomiarowy, wystarczająco długi, by mieć pewność, że
zaniknął nieustalony przebieg łączeniowy, dzięki czemu podlegają
ograniczeniu do pomijanie małych wartości możliwe zmiany mocy wywołane
turbulencjami,
Pst, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci
zasilającej;
Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;
Sk,fic - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej.
( ) 31,0
pst,fic
n
k,fic
kf130
1TP
S
Sk =
Kąt fazowy impedancji sieci
Kąt fazowy impedancji sieci zasilającej:
Xk - reaktancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej;
Rk - rezystancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej.
( )kkk arctg RX=
Model sieci zasilającej
Jednofazowy schemat modelu sieci zasilającej:
Model sieci składa się z:
▪ idealnego źródła napięcia fazowego o wartości chwilowej u0(t)
▪ impedancji sieci będącą połączeniem szeregowym rezystancji Rfic i
indukcyjności Lfic.
▪ siłownia wiatrowa jest reprezentowana przez generator
prądu im(t), stanowiący zmierzoną wartość chwilową
prądu fazowego.
Model sieci zasilającej
Korzystając z poniższego równania należy dobrać wartości Rfic i Lfic tak, aby
uzyskać odpowiedni kąt fazowy impedancji k
Trójfazowa zwarciowa moc pozorna dla modelu sieci określona jest
poniższym równaniem:
( )fic
fic
fic
ficg2
ktg
R
X
R
Lf
=
=
2fic
2fic
2n
k,fic
XR
US
+=
Ocena jakości energiiSiłownie wiatrowe
Metody oceny zgodności z wymaganiami dotyczącymi jakości energii
znajdują zastosowanie w przypadku siłowni wiatrowych z punktem
wspólnego przyłączenia na średnim lub wysokim napięciu, w systemach
elektroenergetycznych o stałej - z dokładnością do 1 Hz - częstotliwości, o
dostatecznych możliwościach regulacji mocy czynnej i biernej oraz, by
zaabsorbować energię wytwarzaną przez elektrownie wiatrową.
Ocenie jakości energii podlega:
1. Napięcie w stanie ustalonym.
2. Wahania napięcia (Praca ciągła / Procesy łączeniowe).
3. Harmoniczne.
Sprawdzenie wymagań
» Weryfikacja spełniania przez farmę wiatrową wymagań IRiESD może
zostać przeprowadzana na podstawie:
a) dostarczonych certyfikatów, oświadczeń oraz dokumentacji
technicznych,
b) obiektowych testów sprawdzających parametry techniczno - ruchowe,
c) monitorowania pracy farmy wiatrowej,
d) pomiarów wpływu farmy wiatrowej na jakość energii elektrycznej.
» Testy mogą dotyczyć w szczególności m.in..
– charakterystyki mocy farmy wiatrowej w funkcji prędkości wiatru,
– uruchamiania i odstawienia farmy wiatrowej,
– działania systemu regulacji mocy czynnej, biernej i napięcia.
Badanie oddziaływania turbin
wiatrowych» Zgodnie z normą IEC 61400-21
– seria IEC 61400 dotyczy różnych aspektów budowy turbin
» Norma opisuje badanie
– charakterystyki regulacji mocy czynnej i biernej
– wahań napięcia
– odkształcenia prądu: harmonicznych, interharmonicznych i
składowych wysokiej częstotliwości
– odporności na pracę podczas zapadów napięcia
– zabezpieczeń sieciowych i procedury ponownego załączenia
» Norma opisuje sposób raportu wyników końcowych
» Testy są tak dobrane, aby wyniki były reprezentatywne dla turbiny
danego typu zainstalowanej w dowolnym miejscu.
Ocena emisji odkształconego
prądu
» Pomiar harmonicznych, interharmonicznych oraz THC
– Pomiary podgrup harmonicznych wg IEC 61000-4-7 do 50. rzędu
– Dodatkowo składowe w paśmie 2 kHz do 9kHz
– Wartości skuteczne harmonicznych prądu zagregowane za 10 min
» Przy mocy turbiny zmiennej w zakresie od 0% do 100% ze skokiem 10% PN
– przynajmniej 9 wartości dla każdego 10% przedziału mocy
– liczona jest średnia dla każdego 10% przedziału mocy
– raportowana jest wartość maksymalna ze wszystkich 10 przedziałów
» Pomiar można wykonać typowymi miernikami jakości energii elektrycznej
– zbudowane w oparciu o wymagania IEC 61000-4-30
Ocena odporności na zapady
napięcia
» Test prowadzony przy turbinie odłączonej od sieci
– w układzie z emulatorem zapadów
» Dwie sytuacje: moc turbiny między 10% a 30%PN oraz powyżej
90% PN
» Sześć rodzajów zapadów napięcia
– różniące się głębokością, czasem trwania oraz poziomem
asymetrii
» Mierzone są wartości: mocy czynnej i biernej, prądu oraz
napięcia na zaciskach turbiny
Pomiary mocy czynnej i biernej
» Testy mocy czynnej
– moc maksymalna przy wietrze w zakresie od 1 m/s do 15 m/s z
krokiem co 1 m/s
– zadane narastanie liniowe mocy z szybkością 10% PN /min przy
dostępnej mocy minimum 50% PN
– zadane skokowe zmniejszanie mocy od 100% PN do 20% PN ze
skokiem 20% PN co dwie minuty – dostępna moc to minimum 90% PN
» Testy mocy biernej
– maksymalna moc pojemnościowa i indukcyjna – dla mocy czynnej z
przedziału 0% PN 100% PN z krokiem co 10% PN
– zadana wartość mocy biernej – 0 kVAr
– skokowe zmiany zadanej mocy biernej – co 2 minuty wartości: 0,
maksymalna pojemnościowa, maksymalna indukcyjna
Ocena jakości energiiNapięcie w stanie ustalonym
Praca elektrowni wiatrowej może wywierać wpływ na ustaloną wartość
napięcia w sieci zasilającej, do której elektrownia jest podłączona. Celem
oceny tego wpływu, tj. upewnienia się, że elektrownia nie powoduje
wykroczenia napięcia poza dopuszczalne granice, zaleca się
przeprowadzanie analiz rozpływu mocy.
Instalację z wieloma siłowniami można oceniać przyjmując moc wyjściową
w punkcie PCC. Dziesięciominutowe wartości średnie (Pmc i Qmc) oraz
wartości 60-sekundowe (P60 i Q60) mogą być obliczane przez proste
sumowanie, podczas gdy wartości średnie 0,2-sekundowe (P0,2 i Q0,2) mogą
być obliczane zgodnie z poniższymi równaniami:
,gdzie Nwt jest liczbą siłowni w zespole.
( )==
−+=wtwt
1
2
in,i0,2,1
in,0,2
N
i
N
i
PPPP ( )==
−+=wtwt
1
2
in,i0,2,1
in,0,2
N
i
N
i
QQQQ
Ocena jakości energiiWahania napięcia
Emisje migotania światła z elektrowni wiatrowej trzeba ograniczyć w taki
sposób, aby mieściły się one w granicach określonych poniższymi
nierównościami.
gdzie
Pst i Plt - krótko- i długookresowy wskaźnik migotania światła powodowanego
pracą elektrowni wiatrowej;
EPsti i Eplti - krótko- i długookresowe granice emisji migotania światła dla
rozważanego PCC.
Zalecane metody oceny wartości granicznych emisji migotania światła oraz
maksymalnej dopuszczalnej zmiany napięcia dla instalacji pracujących na
poziomie napięć średnich i wysokich podano w IEC 61000-3-7.
Pst EPsti
Plt EPlti
Ocena jakości energiiWahania napięcia - Praca ciągła
» 99-percentylową emisję migotania światła z pojedynczej siłowni wiatrowej
podczas pracy ciągłej należy szacować korzystając z poniższego
równania:
gdzie
» c(k,va) - wskaźnik migotania światła z siłowni wiatrowej przy danym kącie
fazowym k impedancji sieci w PCC oraz danej średniorocznej prędkości
wiatru va na wysokości piasty siłowni wiatrowej w miejscu jej
zainstalowania;
» Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;
» Sk - zwarciowa moc pozorna w PCC;
( )k
nakltst ,
S
SvcPP ==
Ocena jakości energiiWahania napięcia - Procesy łączeniowe
» Emisję migotania światła wskutek procesu łączeniowego pojedynczej
siłowni wiatrowej można szacować posługując się poniższymi równaniami:
gdzie
kf(k) jest skokowym wskaźnikiem migotania światła dla siłowni wiatrowej
przy danej wartości k w PCC.
( )k
nkf
31,010st 18
S
SkNP =
( )k
nkf
31,0120lt 8
S
SkNP =
Ocena jakości energiiHarmoniczne
» Siłownia wiatrowa z generatorem asynchronicznym bezpośrednio
podłączonym do sieci elektrycznej oraz siłownie wiatrowe z bezpośrednio
podłączonym generatorem synchronicznym, są źródłem jedynie bardzo
ograniczonej emisji prądów harmonicznych, których dalsza ocena nie jest
wymagana przez niniejszą normę.
» W przypadku siłowni wiatrowej z energoelektronicznym przekształtnikiem,
można osiągnąć odpowiednie ograniczenia harmonicznych stosując się do
wytycznych podanych w IEC 61000-3-6.
Ocena jakości energiiHarmoniczne
» W normie IEC 61000-3-6 podano wytyczne dotyczące sumowania
odkształcenia harmonicznego prądów spowodowanego pracą różnych
odbiorników. Zgodnie z tymi wytycznymi, wartość harmonicznej prądu w
PCC, pochodzącej od elektrowni wiatrowej, w skład której wchodzi szereg
siłowni, można oszacować stosując poniższe równanie:
gdzie
Nwt - liczba siłowni wiatrowych przyłączonych w PCC;
Ih - prąd harmonicznej h-tego rzędu w PCC;
ni - przekładnia transformatora i-tej siłowni;
Ih,i - prąd harmonicznej h-tego rzędu dla i-tej siłowni wiatrowej;
- wykładnik potęgowy podany w tablicy,
lub równy 1 jeśli wszystkie turbiny takie same i są wyposażone w
przekształtniki o komutacji naturalnej (sieciowej).
=
=
wt
1 i
ih,h
N
i n
II
30
Dotrzymanie standardów
jakości energii elektrycznej
» Farma wiatrowa nie powinna powodować nagłych zmian i
skoków napięcia przekraczających 3%Un.
– jeśli skoki napięcia mają charakter powtarzający się to
zmiana wartości napięcia nie może przekroczyć:
• 2.5% dla 10 zmian na godzinę
• 1.5% dla 100 zmian na godzinę
• wymagania te dotyczą również rozruchów
– sposób pomiaru „zmian i skoków” nie został określony
» Szybkie zmiany napięcia spowodowane pulsacją mocy farmy
wiatrowej o częstotliwości rzędu 1 Hz powinny mieć amplitudę
nie większą niż 0,7%
31
Dotrzymanie standardów
jakości energii elektrycznej
» Niejednoznaczne określenie wpływu na poziom wahań napięcia
– OSD określa wprost wartość wahań w punkcie przyłączenia
– Wartości liczbowe są takie same dla OSP i OSD
» Graniczne wartości współczynników wahań napięcia
>110 kV 110 kV SN
Pst 0,30 0,35 0,45
Plt 0,20 0,25 0,35
Pomiar po przyłączeniu farmy podczas jej pracy,
przez reprezentatywnie długi okres czasu
32
Dotrzymanie standardów
jakości energii elektrycznej
» Odkształcenie napięcia w punkcie przyłączenia
– farmy wiatrowe nie powinny powodować odkształcenia
napięcia większego niż
>110kV110kV OSP
110kV OSD
SN
THD 1,5% 2,5% 2% 4%
Harmoniczne od 2 do 50
1% 1,5% 0,7% 1,5%
33
Przykładowy wygląd raportu
Ch-ka mocy w
zakresie P i Q
Oddziaływanie w
zakresie wahań napięcia
Maksymalna liczba
łączeń w różnych
stanach pracy
Oddziaływanie w zakresie
harmonicznych
Pomiary rzeczywistych farm Wahania napięcia
Załączona farma
wiatrowa
Wyłączona farma
wiatrowa
Pomiary rzeczywistych farm Zmiana napięcia
0%
25%
50%
75%
100%
125%
150%
175%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Em
issi
on
(%
of
lim
it)
Harmonic order
Nordex N90
vestas V90
Enercon E82
Pomiary rzeczywistych farm Harmoniczne
Źródło: Math Bollen
Pomiary rzeczywistych farm Interharmoniczne
0,0%
0,2%
0,4%
0,6%
0,8%
1,0%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Emis
sio
n (%
of r
ate
d)
Interharmonic order
Nordex N90
vestas V90
Enercon E82
Źródło: Math Bollen
WYŁĄCZENIE TURBINY WIATROWE
Pomiary rzeczywistych farm Szybkie zmiany napięcia
Podsumowanie
Elektrownie wiatroweMożliwości i zalety:1. Dystrybutor może w warunkach przyłączenia określić wymóg przystosowania
farmy do automatycznej regulacji mocy i zażądać, aby regulacja mocy farmy
wiatrowej była dostosowana do automatycznej regulacji zdalnej (8.1.9 -
IRiESD)
2. Dystrybutor może określić w warunkach przyłączenia farm wiatrowych
przystosowanie do udziału w regulacji częstotliwości w systemie
elektroenergetycznym, poprzez zmianę mocy po zmianie częstotliwości.
Wymaganie to dotyczy pełnego zakresu obciążenia farmy wiatrowej. (8.3.5 -
IRiESD)
3. Farma wiatrowa musi mieć możliwość regulacji współczynnika mocy lub
napięcia w miejscu przyłączenia do sieci lub innym określonym w warunkach
przyłączenia. TAURON Dystrybucja w warunkach przyłączenia do sieci
określa wymagania w tym zakresie, wraz z potrzebą zastosowania
automatycznej regulacji zdalnej. (8.5.2 - IRiESD)4. Brak konieczności transmisji energii (lokalna produkcja, odciążenie sieci)
Podsumowanie
Elektrownie wiatrowe
Wady:
1. Wprowadzenie dodatkowych wahań napięcia Pst, Plt (Praca ciągła, Efekty
łączeniowe)
2. Zmienność U w wyniku zmian wielkości produkcji (ograniczenie IRiESD)
3. Wprowadzenie harmonicznych, w szczególności wyższych rzędów
4. Zdalne wyznaczanie wartości regulowanych P,Q jest jeszcze problematyczne
w przypadku farm wiatrowych przyłączonych szczególnie w głębi sieci
dystrybucyjnej.