Luku 27: Dynaamisten tuuliturbiinimallien täysimittainen verifiointi (Full-Scale Verification of Dynamic Wind Turbine Models)

Transkriptio

1 Luku 27: Dynaamisten tuuliturbiinimallien täysimittainen verifiointi (Full-Scale Verification of Dynamic Wind Turbine Models) 27.1 Johdanto (Introduction) Vladislav Akhmatov Tuulivoiman määrä sähkövoimajärjestelmässä lisääntyy nopeammin kuin on ennustettu. Suuri tuulivoimapenetraatio vähentää keskitetyillä voimalaitoksilla tuotetun energian määrää ja voi vaikuttaa järjestelmän käyttöön. Siksi on tärkeää ymmärtää sähkövoimajärjestelmän ja suurten tuulipuistojen välisen dynaamisen vuorovaikutuksen seuraukset ennen tuulipuistojen liittämistä verkkoon. Tuuliturbiinien dynaamisten mallien kehittäminen ja implementointi olemassa oleviin sähkövoimajärjestelmien stabiilisuuden analysointiin käytettäviin ohjelmistoihin on tarpeellista. Tässä luvussa tarkastellaan dynaamisia tuuliturbiinimalleja lyhyen aikavälin jännitestabiilisuuden (short-term voltage stability) mallintamisessa. Mallien täytyy sisältää riittävän tarkat kuvaukset kaikista tuuliturbiinien komponenteista, joilla on vaikutusta suoritettaviin tarkasteluihin. Tässä luvussa selvennetään, selitetään ja dokumentoidaan dynaamisten tuuliturbiinimallien tarkkuutta validoimalla mallit. Taustaa Tässä luvussa esitettyjen validointien taustalla on projekteja liittyen suurimittaisen tuulivoiman lisäyksen vaikutukseen lyhyen aikavälin jännitestabiilisuuteen Itä-Tanskan voimajärjestelmässä. Suuri osa alueen tuulivoimaloista on tyyppiä A, jota on havainnollistettu kuvassa Kuvan kolmilapaiselle roottorille, akselisysteemille vaihteistoineen (a shaft system with gearbox) sekä oikosulkugeneraattorille tarvitaan tarkat mallit ja validointi. Tässä yhteydessä simulointityökaluna käytettään PSS/E -ohjelmistoa, johon lisätään itse tehty tuulivoimalamalli.

2 Validointiprosessi Tyypin A tuuliturbiinia käsitellään lyhyen aikavälin jännitestabiilisuustarkasteluissa monimutkaisena sähkömekaanisena systeeminä. Ensiksi tuuliturbiinin eri osat voidaan validoida erikseen. Tätä kutsutaan osittaiseksi validoinniksi (partial validation). Jos eri osien mallit osoittautuvat riittävän tarkoiksi, koko turbiinimallin voidaan katsoa olevan riittävä tarkka. Kuitenkin, osittainen validointi ei välttämättä ota huomioon mallin eri osien välisiä yhteyksiä. Toiseksi, voidaan suorittaa täysimittainen validointi, joka ottaa huomion myös eri osien väliset yhteydet. Validointiprosessit voidaan jakaa kahteen tyyppiin. Ensiksi, käyttäjän tekemä malli, joka lisätään johonkin tiettyyn simulointityökaluun, voidaan validoida jossakin toisessa työkalussa olevaa standardoitua mallia vasten, joka on jo verifioitu ja dokumentoitu. Toiseksi, käyttäjän tekemä malli voidaan validoida mittauksia vasten. Todennäköisesti helpoin ja edullisin validointitapa on suorittaa validointi jonkin toisen simulointityökalun mallia vasten. Tätä tapaa käytettäessä simulointityökalujen tulee olla mahdollisimman samanlaiset ja simuloinnissa käytetyn verkkomallin tulee olla yksinkertainen. Tulosten tulkintaan täytyy myös kiinnittää erityistä huomiota. Esimerkki tästä on tavallinen kolmannen kertaluvun epätahtikoneen malli CIMTR3, mikä on PSS/E:n standardoitu malli. Se soveltuu hyvin epäsymmetristen kolmivaiheisten tapahtumien mallintamiseen, mutta ei symmetrisiin kolmivaiheisiin oikosulkuihin. Jos malleja validoidaan mittauksia vasten, täytyy käytännön järjestelyt suunnitella ja suorittaa huolellisesti. Kaikkia häiriöitä ei voida käytännön syistä välttämättä toteuttaa todellisessa verkossa. Lisäksi mittauksiin voivat vaikuttaa järjestelmän osat, jotka eivät ole osa mallinnettavaa komponenttia. Epävarmuudet verkkotiedoissa vaikeuttavat myös validointiprosessia. Validointiprosessista huolimatta mallin ja mittausten antamiin tuloksiin jää aina pieniä eroavaisuuksia Osittainen validointi (Partial Validation) Oikosulkugeneraattorimalli Tässä esitetään itse tehdyn viidennen kertaluvun oikosulkugeneraattorimallin validointiprosessi. Validointi suoritetaan Matlab/Simulink -ympäristössä olevaa standardimallia vasten.

3 Simulointitapahtuma on 100 ms kestävä kolmivaiheinen oikosulku, joka on tyypillinen sähköverkon tapahtuma. Validointiprosessi perustuu yksinkertaiseen verkkomalliin, joka on esitetty kuvassa Verkkomalli on implementoitu sekä Matlab/Simulink- sekä PSS/E-ohjelmistoihin. Kuva 27.3 esittää validointisimuloinnin tuloksia jännitteen ja generaattorin nopeuden osalta. PSS/E:hen implementoitu viidennen kertaluvun generaattorimalli antaa samanlaisia tuloksia kuin Matlab/Simulink -ympäristön malli. Kolmannen kertaluvun malli antaa liian pessimistiä tuloksia kulmanopeuden suhteen, ja koska tämä ilmiö on sidoksissa myös loistehon kulutukseen, näkyy tämä virhe myös jännitteessä.

4 Generaattorit on varustettu suojareleillä, jotka seuraavat erilaisia suureita. Eräs tällainen suure on koneen virta. Kuva 27.4 esittää koneen virran käyttäytymisen vian yhteydessä. Kuten nähdään, viidennen kertaluvun malli ja standardoitu malli ovat sopusoinnussa keskenään. Kolmannen kertaluvun malli ei taas anna oikeanlaisia tuloksia. Viidennen kertaluvun malli ottaa huomioon symmetrisestä viasta aihetuvan DC-komponentin ja virtaosoittimeen syntyvän perustaajuisen transientin. Akselisysteemin malli Tyypin A tuuliturbiineissa roottorin ja oikosulkukoneen roottorin välinen mekaaninen kytkentä on melko pehmeä, mikä johtuu pienen jäykkyyden omaavasta akselisysteemistä. Tämän takia tyypin A turbiinien simuloinneissa käytettään kahden massan mallia (two-mass model), joka kuvaa turbiinin roottorin ja generaattorin roottorin massoja erikseen. Ennen akselien oletettiin olevan jäykkiä, ja tuolloin käytettiin yhdistetyn massan mallia (lumped-mass model). Kahden massan malli ennustaa heilahtelut eri suureissa äkillisen vian tapauksessa sekä suuremman vianjälkeisen loistehon tarpeen. Ensimmäisiä akselisysteemin pehmeyttä indikoiva koe tehtiin Länsi-Tanskassa olevalla tuulipuistolla. Kokeessa tuulipuistoa käytettiin saarekkeena vaajan sekunnin ajan. Kokeen aikana vaihejännitteet, -virrat ja taajuus mitattiin. Myöhemmin mittaustuloksia käytettiin tuuliturbiinimallien validoitiin. Kuvassa 27.5 näkyy, että taajuus heilahteli kokeena aikana. Kuvassa 27.6 on esitetty simulointitulokset vastaavasta tilanteesta kahden massan mallilla ja yhdistetyn massan mallilla. Kuvista nähdään, että kahden massan malli vastaa todellisia mittauksia, ja yhden massan malli antaa liian epätarkan tuloksen.

5 Aerodynaaminen roottorimalli Aerodynaaminen roottorimalli kuvaa takaisinkytkennän mekaanisen tehon ja pyörimisnopeuden välille. Se on lisäksi tarpeellinen kuvaamaan mekaanisen tehon säädön lapakulmasäätöisen voimalan tapauksessa. Tuuliturbiini voidaan kuvata monella eri tavalla. Seuraavassa validoidaan kompleksisuudeltaan kolme erilaista aerodynaamisia roottorimallia: - - -malli, Øyen malli ja AECmalli (reduced aeroelastic code). Kolme erilaista mallia implementoitiin PSS/E-ohjelmistoon, ja mallit validoitiin mittauksia vasten, jotka oli tehty 2 MW vakionopeuksisella lapakulmasäätöisellä tuuliturbiinilla. Kokeessa tuuliturbiini altistettiin askelmaisille lapakulman asetusarvon muutoksille. Kuva (a) kuvaa mitatun vääntömomentin käyttäytymistä ko. tilanteessa. Kuvat 27.7 (b)-(d) kuvaavat simulointien antamia tuloksia malli ei ennusta muutostilanteissa havaittavia tavoitearvon ylityksiä (overshooting). Malli kuvaa tuuliturbiinin roottoria tasapainotilanteessa, kun taas simuloinnissa kyse on muutostilanteesta eri tasapainotilojen välillä. Øyen mallin antamat tulokset vastaavat melko hyvin mittauksia. AEC-malli ennustaa sekä ylitykset että mittauksissa havaittavan värähtelyn malli ennustaa hyvin tasapainotilanteet, mutta muutostilanteita malli ei näytä ennustavan riittävän hyvin. Øyen malli ei

6 vaadi enempää lähtötietoja kuin - - -malli, mutta vaatii enemmän laskentakapasiteettia. AECmalli on tarkastelluista malleista tarkin, mutta vaatii eniten dataa ja huomattavasti eniten laskentaaikaa. Øyen mallin ja AEC-mallin erot ovat hyvin pienet, ja AEC-malli jätetäänkin pois tulevista tarkasteluista, joissa tarkastellaan aerodynaamisten roottorimallien käyttöä lyhyen aikavälin jännitestabiilisuusanalyysissä. On mahdollista soveltaa ramppimaista tehonalennusta (tehonalennus 20 %:iin nimellisestä tehosta alle 2 sekunnissa) suuren tuulipuiston stabiloimiseen verkon vikatilanteessa. Tämä voidaan toteuttaa lapakulmasäädöllä tai aktiivisakkaussäädöllä. Kuva 27.8 esittää simulointituloksia molempien säätömoodien tapauksessa. Näitä simulointeja voidaan käyttää - - -mallin validointiin, joka suoritetaan jo validoitua Øyen mallia vasten. Lapakulmasäädön tapauksessa malleissa huomataan ero mekaanisen momentin ylitysten muodossa. Aktiivisakkaussäädön tapauksessa ylitykset ovat lähes kokonaan eliminoituneet. Seuraavia johtopäätöksiä voidaan tehdä aerodynaamista roottorimalleista transienttijännitestabiilisuusanalyysissä. Kiinteälapakulma- ja aktiivisakkaussäätöisissä turbiineissa mallinnus voidaan tehdä - - ja - - -malleja käyttäen tarkkuuden pysyessä riittävänä. Lapakulmasäätöisissä turbiineissa tulisi käyttää Øyen mallia, joka ennustaa myös ylitykset.

7 27.3 Täyden mittakaavan validointi (Full-scale Validation) Täyden mittakaavan validointi on tarpeellista siksi, että sillä varmistetaan eri komponenttimallien välisten yhteyksien tarkkuus. Täyden mittakaavan validointi esitetään tässä esimerkin avulla, joka sisältää koejärjestelyn avulla tehtyjä mittauksia Tanskalaisen tuulipuiston irtikytkennästä ja uudelleenkytkennästä. Tuulipuisto koostui 24 kiinteänopeuksisesta aktiivisakkaussäätöisestä epätahtigeneraattorilla varustetusta tuuliturbiinista. Koejärjestelyn pääpiirteet Tuulipuiston sisäinen verkko koostui neljästä osasta, jossa kussakin oli kuusi tuuliturbiinia. Yhdessä osassa viisi turbiinia irrotettiin väliaikaisesti verkosta ja pysäytettiin. Epätahtimoottorit toimivat kuitenkin edelleen hoitaen tuuliturbiinien jäähdytyksen. Kuva 27.9 kuvaa yhtä verkon osaa. Irtikytkentä-uudelleenkytkentä-koejärjestely suoritettiin maltillisella tuulennopeudella. Irrottamishetkellä T 1 katkaisija SW 01 avattiin ja tuuliturbiini WT 01 toimi saarekkeessa 500 ms ajan. Ajanhetkellä T 2 katkaisija suljettiin ja sisäinen verkko kytkettiin tuuliturbiinin WT 01 kanssa muuhun järjestelmään.

8 Mitattu käyttäytyminen Kuva esittää vaihevirran, I L, ja pääjännitteen, U LL, mitatun käyttäytymisen. Saarekekäytön aikana virta ei ollut aivan nolla johtuen epätahtimoottoreista ja loistehonsiirrosta. Irtikytkennän yhteydessä virrassa ei havaittu DC-komponenttia, mutta uudelleenkytkennän yhteydessä sellainen havaitaan. Irtikytkentä on epäsymmetrinen tapahtuma, mistä johtuen DC-komponenttia ei havaittu. Uudelleenkytkeytyminen on symmetrinen tapahtuma minkä vuoksi DC-komponentti syntyi. Jännitteenmuutokset olivat suhteellisen pieniä. Tapauksen mallintaminen Tarkasteltavan kohdeverkon myötäverkkoekvivalentti mallinnettiin validoinnissa käytettävään PSS/Eohjelmistoon. Vaihevirran ja pääjännitteen mitattuja arvoja käytettiin tuuliturbiinin alustamisessa, ja tuuliturbiinille saatiin määritettyä alkutoimintapiste. Epätahtimoottoreille määritettiin myös toimintapisteet. Huolimatta kokeen olosuhteiden huolellisesta määrittelystä simulointeja varten pieni määrä epävarmuuksia ja puuttuvaa dataa on edelleen olemassa. Mallin validointi

9 Päätavoite on validoida PSS/E-ohjelmistoon tehty tyypin A tuuliturbiinimalli. Malli sisältää viidennen kertaluvun oikosulkukonemallin sekä kahden massan akselisysteemimallin. Lisäksi simuloinnit suoritetaan viidennen kertaluvun mallilla yhdistettynä yhdistetyn massan akselisysteemimalliin, sekä kolmannen kertaluvun mallilla yhdistettynä kahden massan akselisysteemimalliin. Kuva esittää simulointituloksia. Ensimmäinen malli vastaa hyvin mittaustuloksia. Yhden massan akselisysteemin malli aliarvioi transientin suuruuden ja ei ennusta uudelleenkytkeytymisen jälkeisiä heilahteluja. Kolmannen kertaluvun konemallia käyttävä malli ennustaa heilahtelut, mutta aliarvioi jälleenkytkeytymisessä tapahtuvan transientin suuruuden. Virran heilahtelut liittyvät akselisysteemin toimintaan. Kuva kuvaa tätä. Kahden massan malli ennustaa pyörimisnopeuden heilahtelut, jotka näkyvät myös virrassa. Yhden massan malli ei tätä ennusta.

10 Ainoastaan viidennen kertaluvun oikosulkugeneraattorin malli yhdistettynä kahden massan akselisysteemin malliin antaa riittävän tarkat tulokset Johtopäätökset (Conclusions) Validointi on tärkeä ja välttämätön osa tuuliturbiinien mallintamista dynaamisissa simulointityökaluissa. Esitetyt tulokset demonstroivat, että on mahdollista kehittää ja implementoida riittävän tarkkoja malleja olemassa oleviin simulointityökaluihin. Dynaaminen tuuliturbiinimalli sisältää viidennen kertaluvun oikosulkukonemallin, kahden massan akselisysteemimallin, sekä ns. Øyen aerodynaamisen turbiinimallin.