Wind Power in Power Systems: 15 Wind Farms in Weak Power Networks in India

Transkriptio

1 Wind Power in Power Systems: 15 Wind Farms in Weak Power Networks in India Johdanto Tuulivoiman rakentaminen Intiaan kiihtyi 1990-luvulla tuotantotukien ja veroalennusten jälkeen. Luvun kirjoittamisen aikana Intian tuulivoiman lisääntyminen on ollut nopeinta suhteessa muihin kehitysmaihin. Toisekseen tuulivoiman vaikutusten tarkastelu juuri Intiassa on mielenkiintoista, koska Intian sähköverkot ovat heikkoja ja ne ovat osin vielä rakenteilla. Intian sähköverkko koostuu neljästä ei-synkronoiduista osasysteemistä, jotka ovat yhteydessä toisiinsa DC-linkeillä. Sähköverkot ovat kunnallisessa omistuksessa (eng. publicly owned) ja jokaisessa osavaltiossa on oma sähköverkon hallitus. Intiassa teollinen ja taloudellinen kehitys sekä väestön nopea kasvu on aiheuttanut ongelmia sähköverkkojen kannalta. Osavaltioiden sähköverkkoja hallinnoivat elimet eivät ole pystyneet kehittämään verkkojen kapasiteettia siirron ja jakelun osalta riittävästi. Tämän seurauksena sähköverkot ovat heikentyneet vuosien saatossa. Tuulivoiman määrän kasvu on keskittynyt muutamalle maaseutualueelle, joiden verkot ovat erityisen heikkoja ja joiden sähkönlaatu on huono. Tällä on ollut vaikutusta tuulivoimaloiden toimintaan. Lisäksi tuulivoimalat ovat osaltaan huonontaneet näiden verkkojen sähkönlaatua verkkojen vahvistamistoimien ollessa riittämättömiä siirtämään tuulivoimalla tuotettua energiaa suurempaan verkkokokonaisuuteen. Sähköverkon ominaisuudet tarkastelluilla alueilla Siirtokapasiteetti Yksi suurimmista kriittisistä tekijöistä tuulivoiman yleistymiseen liittyen on sähkön siirtokapasiteettien riittämättömyys niillä alueilla, joille tuulivoimalat on pääasiassa rakennettu. Nämä alueet ovat maaseutua, joiden verkot ovat erityisen heikkoja. Lisäksi tuulivoimaa on rakennettu suhteellisen nopeassa aikataulussa verkkojen kehittämistoimien jäädessä jälkeen. Esimerkiksi Tamil Nadun alueelle rakennettiin kolmessa vuodessa, vuosina , melkein 600 MW tuulivoimaa. Kuvassa 15.1 on esitetty Intian kartta osavaltioineen. Kuvassa 15.2 on esitetty kyseenomaisen alueen sähköverkko, jonka renkaan kapasiteetti on 200 MW. Tuulivoiman rakentamisen takia verkkoa on vahvistettu rakentamalla 110 kv yhteys Arumuganeri-Kodayar välille, 110 kv yhteys Melak Kallooriin ja kaksi 230 kv yhteyttä S.R. Pudurista Tutucorin 230/110 kv sähköasemalle.

2 Pysyvän tilan jännitteet Intian sähköjärjestelmän kapasiteettiongelmat aiheuttavat suuria muutoksia pysyvän tilan jännitteisiin ja myös keskeytyksiin. Kuvassa 15.4 on esitetty jännitteiden muutoksia mitattuna Radhapuramin tuulipuistosähköaseman ensiöpuolelta. Intian standardien mukaan jännitteen tulee olla ±12,5 % nimellisjännitetasosta. Kuvan tuloksista nähdään jännitetason olevan pahimmillaan noin 15 % alle nimellistason. Tämä jännitetason heittely vaikuttaa myös tuulivoimalan generaattorin napajännitteisiin, koska kohteen tuulipuistoja verkkoon liittävillä

3 sähköasemilla ei ole käytetty automaattiseen jännitteensäätöön kykeneviä laitteita. Jännitteensäätö hoidetaan manuaalisesti aseman valvomosta tarkkailemalla asemien jännitteitä. Pääsyy jännitteen vaihteluun on kuormituksen vaihtelu. Toisaalta tuulivoimaloilla on oma vaikutuksensa verkon jännitteisiin pätötehon tuotannon (nostaa jännitettä) ja loistehon kulutuksen kautta (laskee jännitettä). Taajuus Intian sähköverkoissa taajuus vaihtelee merkittävästi enemmän kuin esimerkiksi Euroopan alueella. Kuvassa 15.5 on esitetty taajuuden käyttäytyminen samalla mittausajanjaksolla kuin edellä esitettiin jännitteiden osalta. Kuvan mukaan taajuudet vaihtelevat noin 51 Hz ja 48 Hz välillä. Korkein taajuus on pienen kulutuksen aikana öisin ja matalin taajuus suurimman kulutuksen aikana päivisin. Intialaisen standardin mukaisesti taajuuden tulisi olla välillä ±3 % (48,5 Hz - 51,5 Hz). Taajuus siis alittaa standardin alarajan, ja oletettavasti tätä koitettaan hallita kuormien ohjaamisella. Tuulivoiman ei kuitenkaan todeta olevan pääsyyllinen jännitteen vaihteluihin kyseenomaisella alueella. Tämä johtuu tuulivoiman suhteellisen pienestä osuudesta verrattuna Etelä-Intian yhteen kytketyn verkon sisältämästä tuotannosta.

4 Harmoninen ja epäharmoninen särö Tehoelektroniikan komponenttien laskeneet hinnat ovat lisänneet niiden käyttöä tehon tuotannossa sekä moottorikäytöissä ympäri maailmaa. Tämä aiheuttaa sähköjärjestelmissä harmonista ja epäharmonista säröä. Tuulipuistojen osalta tehdyissä mittaukset ovat osoittaneet, että niiden liittymispisteissä jännitteen särö on maltillista lukuun ottamatta säröä Radhapuramin sähköasemalla. Tämä johtuu sille kytketyistä tuuliturbiineista, jotka ovat liitetty verkkoon tehokonverttereilla (eng. power converter). Loistehon kulutus Intian sähköverkoissa kulutetaan merkittävästi loistehoa. Tämä on seuraus maataloudessa käytetyistä pumpuista. Loistehon kulutus vaikuttaa sähköverkkoon seuraavilla tavoilla: - lisää siirto- ja jakeluverkon häviöitä - pienentää pätötehon siirtoon käytettävää verkon kapasiteettia - pienentää tahtikoneiden kapasiteettia tuottaa pätötehoa - kasvattaa jännitteen epätasapainon riskiä Monissa tapauksissa tahtikoneiden pätötehon tuotantokapasiteetin pienentyminen loistehon tuotannon kasvun seurauksena ei ole ongelma. Tästä aiheutuu Intiassa kuitenkin ongelmia, koska tehontuotannon kapasiteetti on riittämätön suhteessa kulutukseen. Jännitteen epäsymmetria Intian maaseutulähdöillä voi olla suuria jännitteen epäsymmetriaongelmia. Syitä tähän ovat lähdöillä olevat epäsymmetriset yksivaihekuormat sekä se, että kuormien ohjausta tehotasapainon saavuttamiseksi saatetaan tehdä maaseutulähdöillä yksivaiheisesti. Tuulipuistot ovat yleensä liitetty verkkoon omalla sähköasemallaan, joten niillä ei esiinny merkittävää jännitteiden epäsymmetriaa.

5 Tuulipuistojen yleisiä piirteitä Intiassa Intian tuuliturbiinit ovat pääasiassa 200 kw tai 250 kw tehoisia, kun vaihteluväli on 55 kw kw. Tuuliturbiinit ovat yleensä tyypin A0 sakkaussäätöisiä tai A1 lapakulmasäätöisiä suoraan verkkoon kytkettyjä epätahtigeneraattorilla toteutettuja laitteita. Lisäksi tuulivoimaloiden loistehonkompensointiin tarkoitetut kondensaattorit ovat mitoitettuja generaattorin tyhjäkäyntitilan vaatimalle loistehon tarpeelle. Lisäksi verkosta löytyy laitteita joiden tyypit ovat B, C tai D sekä laitteita, jotka ovat täysin kompensoituja. Varsinkin D tyypin lapakulmasäätöiset tuuliturbiinit ovat yleisesti käytössä. Tuuliturbiineiden vaikutuksia verkoihin Jännite Useissa maissa pidetään tuulivoimaloiden keskijänniteverkkoon liittämisen tärkeimpänä kriteerinä niiden vaikutuksia verkon jännitteisiin. Voimaloiden vaikutukset jännitteisiin korostuvat, jos voimalat liitetään heikkoon maaseutuverkkoon. Intiassa 11/33 kv maaseutuverkoissa hyväksytään tuulivoimaloiden aiheuttama +6/-9 % jännitteenvaihtelu. Jos taas tuulivoimalat liitetään niitä varten rakennettuihin omiin lähtöihinsä, jännitteenvaihtelun hyväksyttävät rajat harkitaan tapauskohtaisesti. Loistehon kulutus Tuulivoimaloiden kuluttama loisteho vaikuttaa perinteisten voimaloiden tehokertoimeen huonontavasti. Loistehon kulutusta voimaloiden lisäksi kasvattavat niiden yhteyteen rakennetut jännitteensäätömuuntajat, voimaloiden verkkoon liittämistä varten rakennettujen sähköasemien päämuuntajat sekä toisaalta myös voimaloita liittävät lähdöt riippuen niiden kuormituksesta. Huomattavaa on, että voimaloiden kuluttaman tai tuottaman loistehon määrään vaikuttaa valittu voimalatyyppi. Toisaalta verkon kannalta ajateltuna, voimaloiden loistehotaseeseen vaikuttavat myös niiden omistajien halukkuus ohjata loistehon kulutusta tai tuotantoa. Tähän voidaan vaikuttaa esimerkiksi loistehotariffeilla. Harmoniset ja epäharmoniset yliaallot IEC standardi määrittelee yliaaltojen mittaamisen kohdistuvan ainoastaan voimaloihin, jotka on liitetty verkkoon konverttereilla. On kuitenkin huomattu, että yliaaltolähteenä voi olla myös verkkoon suoraan kytketty voimala. Kuitenkin tällaisessa tapauksessa yhteisesti hyväksyttyä mittaustapaa yliaalloille ei ole olemassa. Syiksi yliaaltojen syntymiseksi on epäily epäsäännöllisiä generaattorin käämityksiä ja voimalan kondensaattoreiden ja verkon reaktanssien välistä resonanssia 5. ja 7. yliaallon taajuuksilla. Toisaalta tällaiset tapaukset eivät ole aiheuttaneet kuluttajille ongelmia. Kappaleessa tarkastelun kohteena olleella Radhapuram sähköasemalla 110 kv puolella toteutetuissa mittauksissa havaittiin merkittävästi harmonisia ja epäharmonisia yliaaltoja. Kuva 15.7 selventää asiaa.

6 Valtaosa Radhapuramille liitetyistä tuulivoimaloista on kytketty verkkoon konvertterilla, jonka kytkentätaajuus on 5 khz. Edellisen kuvan mukainen yliaaltojen jakaumaa indikoi juurikin näiden konverttereiden oleva esiintyvien yliaaltojen lähteenä, koska yliaaltoja esiintyy erityisesti konverttereiden kytkentätaajuuden kerrannaisten ympärillä. Radhapuramin viereiset sähköasemat kokevat hyvin lievästi Radhapuramin sähköasemalla esiintyvät yliaallot. Tämä johtunee 110 kv verkon kapasitanssien yliaaltoja suodattavasta vaikutuksesta. Radhapuramin asemalla jännitteen ja virran särö on noin 6 %. Huomattavaa on se, että laskentaan on otettu yliaallot järjestysnumeroltaan kahteensataan asti. Eurooppalaisen standardin EN mukaan viideskymmenes yliaalto on viimeinen, joka otetaan mukaan särön laskentaan. Verkkojen vaikutuksia tuuliturbiineihin Tehon tuotanto (eng. power performance) Tuulivoimaloiden tehon tuotanto Intian heikoissa maaseutuverkoissa häiriintyy keskeytysten, taajuusmuutosten, jännite-epäsymmetrian ja verkon jännitemuutosten takia. Keskeytysten aikana voimala ajetaan alas ja tehon tuotanto on nolla. Taajuuden muutokset puolestaan vaikuttavat varsinkin sakkaussäätöisiin voimaloihin, koska taajuuden muutos aiheuttaa muutokset roottorin pyörimisnopeudessa. Tämä puolestaan muuttaa roottorista katsottuna suhteellista tuulennopeutta ja tällä on vaikutus tuuliturbiinin suorituskykyyn ottaa tuulesta tehoa. Kuvissa 15.8 on esitetty kuinka sakkaus- ja lapakulmasäätöisen tuuliturbiinin ulostuloteho muuttuu, kun taajuus vaihtelee välillä 48 Hz - 51 Hz. Kuvan mukaisesti sakkaussäätöisen turbiinin teho voi vaihdella jopa 20 % tietyllä tuulennopeudella verkon taajuudesta riippuen. Lapakulmasäätöisen turbiinin teho pysyy liki muuttumattomana verkon taajuuden muuttuessa. Konverttereilla verkkoon liitettyjen turbiinien teho ei riipu verkon taajuudesta.

7 Tämä johtuu siitä, että taajuus generaattorin puolella voidaan pitää roottorista riippuen optimitilassa. Verkon jännitteiden epäsymmetria puolestaan lisää induktiogeneraattoreiden häviöitä. Tällä on kuitenkin vain pieni vaikutus generaattorin tehontuotantoon. Epäsymmetria lisää kuitenkin generaattorin lämpenemää ja aiheuttaa pahimmillaan tarpeen pysäyttää generaattori. Verkon alijännitteet aiheuttavat alijännitereleiden toimintoja ja näin ollen generaattorin tehontuotannon pysäytyksiä. Alijännitteen lisäävät myös generaattoreiden häviöitä ja lämpenemistä, jolla on kasvaneita häviöitä suurempi vaikutus tehon tuotantoon. Turvallisuus, rakenteiden elinaika ja sähköisten komponenttien kuormittuminen Verkon keskeytykset, taajuus- ja jännitemuutokset lisäävät vikariskiä voimaloissa. Tämä johtuu mekaanisten ja sähköisten rasitusten kasvusta, kun voimaloita joudutaan ajamaan ylös

8 ja alas ylimääräisiä kertoja. Esimerkiksi voimaloiden mekaaninen voimansiirtojärjestelmä joutuu rasitukselle käynnistysten ja pysäytysten aikana. Näiden aikana tehtävät kytkentämuutokset voimalan kondensaattoreissa puolestaan aiheuttavat transienttiylijännitteitä, jotka taas rasittavat voimalan sähköisiä komponentteja. Voimaloiden generaattoreiden elinaikaan ja komponenttien kuormittumiseen vaikuttaa myös verkon ongelmista johtuva lämpenemisen lisääntyminen. Loistehon kompensointi Kuten edellä mainittiin, tuulivoimalan loistehon kulutuksella on vaikutuksia verkkoon erityisesti tarkasteltaessa suoraan verkkoon kytkettyjä voimaloita. Toisaalta asia voidaan myös nähdä niin, että verkolla on vaikutusta voimalan loistehon kulutukseen. Pääasiassa jännite mutta myös verkon taajuus vaikuttaa voimalan tehokertoimeen. Esimerkkilaskentatilanteessa voimalan tehokerroin muuttui arvosta 0,96 arvoon 0,94, kun jännitemuutos oli 10 %. Johtopäätökset Intian kokemukset tuulivoimaloiden liittämisestä verkkoon ilmentävät sitä, että voimaloilla on merkittäviä vaikutuksia sähköjärjestelmiin. Toisaalta kokemukset osoittavat myös, että varsinkin heikoilla verkoilla vaikutuksia itse voimaloihin. Päähuoli tuulivoimaloiden verkkovaikutuksissa on niiden aiheuttamat muutokset jännitetasoissa ja loistehon kulutuksessa kuten myös jännitteen heilahtelut ja yliaallot. Intian heikoissa verkoissa esiintyy merkittäviä jännitteen ja taajuuden muutoksia, jotka vaikuttavat tuulivoimaloiden tehon tuotantoon, turvallisuuteen, elinaikaan ja komponenttien kestoisuuteen. Tästä syystä verkkojen vahvistaminen ei ole ainoastaan verkon omistajien ja asiakkaiden intressi vaan sen pitäisi olla myös tuulivoiman tuottajien tavoite.