Wind Power in Power Systems. 16. Practical Experience with Power Quality and Wind Power (Käytännön kokemuksia sähkön laadusta ja tuulivoimasta)

Transkriptio

1 Wind Power in Power Systems 16. Practical Experience with Power Quality and Wind Power (Käytännön kokemuksia sähkön laadusta ja tuulivoimasta) 16.1 Johdanto Täydellinen sähkön laatu tarkoittaisi, että jännite on jatkuvaa ja sinimäistä amplitudin ja taajuuden ollessa vakioita. Sähkön laatuun tai tarkemmin sanottuna jännitteen laatuun liittyviä määritelmiä ja rajoituksia löytyy standardista EN (Suomessa SFS-EN Yleisen jakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet ). Tuulivoimalat, kuten jo luvussa 5 todettiin, vaikuttavat sähkön laatuun. Kuvassa 16.1 on selitetty, mitä sähkö laadulla tarkoitetaan Jännitteen vaihtelut Jännitteen vaihtelut määritellään jännitteen RMS (root mean square) -arvojen muutoksina jonkin pienen ajanjakson (yleensä muutamia minuutteja) aikana. Jännitteen vaihtelut verkossa johtuvat yleensä kulutuksen ja tuotannon vaihteluista. Jännitteen vaihteluita voidaan laskea useilla eri menetelmillä. Tehonjakolaskelmiin on olemassa lukuisia kaupallisia sovelluksia ja niitä käytetäänkin tuulivoiman aiheuttamien jännitemuutoksien laskentaan. Jännitteen muutosten laskentaan voidaan käyttää myös seuraavaksi esiteltyä analyyttista menetelmää. Menetelmässä käytetään yksinkertaista mallia impedanssille (kuva 16.2). Pisteen U 1 jännite verkon loppupäässä on kiinnitetty ja jännite U 2 on liityntäpisteen jännite.

2 Liityntäpisteen jännite voidaan laskea seuraavasti: Kuvasta 6.3 nähdään, että verkon laskettu jännite eri X/R suhteilla oikosulkusuhteen pysyessä vakiona. Oikosulkusuhde on määritelty liittymispisteen oikosulkutehon ja tuuliturbiinin nimellistehon suhteena. Kuvasta 6.3 nähdään, että pieni X/R suhde kasvattaa jännitettä ja päinvastoin. Kuvasta 16.4 nähdään, kuinka mitatut ja lasketut arvot kohtaavat. Mittaukset on suoritettu Ruotsissa Risholmenissa. Esimerkissä oikosulkusuhde on 26 ja X/R suhde on 5,5. Koska X/R suhde on suuri, jännite vaihtelee vain vähän.

3 16.3 Välkyntä Välkyntä on perinteinen tapa ilmaista jännitteen muutoksia. Jännitteen vaihteluita painotetaan kahdella erilaisella suodattimella, joista toinen perustuu 60 W hehkulampun käyttäytymiseen ja toinen ihmisen silmän ja aivojen reagointiin. Kuvassa 16.5 on välkyntäkäyrä, mistä nähdään sallittujen jännitemuutosten suuruus eri taajuisilla välkynnöillä Jatkuva toiminta Välkyntä jatkuvan toiminnan aikana johtuu tehon vaihteluista, mitkä edelleen ovat seurausta tuulen nopeuden vaihteluista, tornin varjoefektistä ja tuuliturbiinien mekaanisista ominaisuuksista. Lisäksi lapakulmasäädön rajallinen säätömahdollisuus aiheuttaa välkyntää, mutta se voidaan välttää muuttuvanopeuksisilla turbiineilla. Lapakulmilla säädetään tuuliturbiinin tehoa ja suurilla tuulen nopeuksilla jatkuvan tilan teho pyritään pitämään lähellä nimellistä. Valitettavasti tuulen nopeus vaihtelee jatkuvasti ja sen vuoksi myös tuuliturbiinin hetkellinen teho. Kuvasta 16.6(a) nähdään, että tuulen vaihdellessa +/- 1 m/s hetkellinen teho vaihtelee +/- 20 %. Kuvassa 16.6(b) on esitetty sama tilanne, kun kyseessä on sakkaussäädöllä varustettu tuuliturbiini. Tuulen nopeuden vaihtelut aiheuttavat myös tässä tapauksessa vaihteluita hetkellisessä tehossa, mutta ne ovat huomattavasti pienempiä. Kuvassa 16.7 on mittaustuloksia tyypin A1 tuuliturbiinista, jonka nimellisteho on 225 kw kovassa tuulessa. Kuten huomataan, tehojen vaihtelut ovat suuria kyseisellä turbiinityypillä.

4 Kytkennät Myös kytkennät aiheuttavat välkyntää. Tyypillisiä kytkentöjä ovat tuuliturbiinin käynnistys ja sammutus, mutta myös kytkennät generaattoreiden ja käämitysten kesken voivat aiheuttaa välkyntää. Tehon vaihtelu aiheuttaa liityntäpisteessä jännitteen vaihtelua ja siten edelleen välkyntää.

5 Käynnistys Kuvassa 16.8(a) on esitetty vakionopeuksisen tuuliturbiinin mitattu teho käynnistyksessä. Turbiini käynnistyy ajanhetkellä t=30s. Kuten kuvasta nähdään, tarvitsee tuuliturbiini käynnistyessään loistehoa magnetointiin. Pehmeäkäynnistin rajoittaa virtaa muutaman sekunnin ajan ja kuvasta huomataan myös kondensaattoripariston toiminta. Muutaman sekunnin kuluttua käynnistyksestä kondensaattorin kytketään neljässä portaassa kompensoimaan loistehoa. 35 sekunnin jälkeen lavat ovat oikeassa asennossa, jolloin teho alkaa kasvamaan ja tämä näkyy myös loistehossa. Kuvassa 16.8(b) on tuuliturbiinin jännite navoista mitattuna. Suuri loistehon tarve käynnistyksessä aiheuttaa jännitteen putoamisen, joka nousee normaalille tasolle, kun kaikki kondensaattoripariston portaat on kytketty. Pätötehon nousu aiheuttaa vastaavasti jännitteen nousua. Kuvassa 16.9 on esitetty muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin tehot käynnistyksessä. Toiminta on huomattavasti pehmeämpää kuin edellisessä tapauksessa. Noin kolmessakymmenessä sekunnissa saavutetaan nimellispätöteho. Loistehoa säädetään siten, että tehokerroin pysyy koko ajan samana, mikä on tässä tapauksessa 0,98.

6 Sammutus Tuulen tullessa liian pieneksi tai liian suureksi tuuliturbiini sammuu automaattisesti. Ensimmäisessä tapauksessa estetään tehon syöttö tuuliturbiinin suuntaan ja jälkimmäisessä tapauksessa vältetään tuuliturbiiniin kohdistuvia suuria mekaanisia rasituksia. Sammutuksen vaikutukset ovat pienet, jos tuuliturbiini kytketään pois pienen tuulen vuoksi. Sammutuksella on suuri vaikutus silloin, kun tuulen nopeus nousee liian suureksi ja tuuliturbiini joudutaan kytkemään pois sen toimiessa nimellistehollaan. Vakionopeuksisisen tuuliturbiinin sammutus on esitetty kuvassa Tuuliturbiini toimii ennen sammutusta noin puolella nimellistehostaan. Sammutuksen jälkeen kondensaattoriparistot kytketään pois. Kuvasta nähdään, että ajanhetkellä t= 15 s tuuliturbiini on saatu pysähtymään ja se kytketään verkosta irti.

7 Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin (D1) sammutus suurella tuulen nopeudella on esitetty kuvassa Tuuliturbiini toimii nimellistehollaan. Tuuliturbiinin tuottama teho alkaa laskea ajanhetkellä t= 6 s. Muutamaa sekuntia myöhemmin teho on pudonnut nimellistehosta nollaan. Käynnistyksen tapaan tämän tuuliturbiinityypin sammutus on pehmeämpää kuin vakionopeuksisen Harmoniset Harmonisia on käytännössä aina sähköverkoissa johtuen epälineaarisista kuormista. Harmoniset aiheuttavat komponenttien ylikuumenemista ja vaurioitumista, suojauksen vikatoimintoja ja herkkien kuormien kytkeytymisiä irti verkosta. Kuvassa on esitetty mitatut epäharmoniset virrat väliltä 1250 Hz 1300 Hz muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin tapauksessa. Mittaukset on tehty standardin IEC mukaisesti. Vakionopeuksiset tuuliturbiinit eivät aiheuta verkkoon yliaaltoja, eikä niille ole annettu mitään vaatimuksia standardissa IEC Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin harmoniset virrat on puolestaan määriteltävä normaalin toiminnan aikana. Harmoniset virrat määritetään järjestyslukuun

8 50 asti. Standardin IEC mukaan harmoniset virrat määritetään kaavan 16.6 mukaan, kun liityntäpisteessä on useampia harmonisia virtoja aiheuttavia laitteita., missä In on harmoninen virta järjestysluvultaan n In,k on harmoninen virta lähteestä k, järjestysluvultaan n on eksponentti taulukosta Kuvassa on esitetty harmoniset virrat, kun liityntäpisteeseen on liitetty kaksi tyypin D1 tuuliturbiinia. Harmoniset virrat on laskettu kaavan 16.2 avulla ja samassa kuvassa on myös mitatut arvot Transientit Transientteja näyttäisi esiintyvän pääasiassa vakionopeuksisten tuuliturbiinien käynnistyksessä ja sammutuksessa. Käynnistyminen voidaan jakaa kahteen osaan. Ensiksi generaattori kytketään päälle. Pehmeäkäynnistimellä pyritään estämään suuret käynnistysvirrat. Heti kun pehmeäkäynnistin alkaa toimia ja turbiini kytketään verkkoon, kondensaattoriparistot kytketään verkkoon ilman mitään pehmeäkäynnistimiä. Heti kondensaattorien kytkeydyttyä verkkoon esiintyy

9 suuri virtapiikki (kuva 16.14). Tämä virtapiikki voi olla kaksi kertaa tuuliturbiinin nimellisvirran suuruinen ja saattaa aiheuttaa jännitekuopan. Kondensaattorin kytkennän aiheuttaman virtapiikin suuruus voidaan laskea verkon impedanssin ja kondensaattorin kapasitanssin avulla. Transientin taajuus voidaan laskea kaavalla L on verkon induktanssi C on kondensaattorin kapasitanssi, missä Tarkkoja laskelmia saadaan EMTP-ohjelmilla (The Electro Magnetic Transient Program) Taajuus Toisaalta pieni määrä tuulivoimaa voidaan kytkeä verkkoon ilman, että ongelmia esiintyy. Ajoittainen tehon tuotanto tasoitetaan muilla tuotantoyksiköillä. Toisaalta taas tuulivoima on hyvin tärkeässä roolissa itsenäisissä verkoissa. Tällaisissa verkoissa pyörivät reservit ovat yleensä dieselgeneraattoreita ja ne ovat monesti hyvin pieniä. Tällaisissa tapauksissa taajuuden vaihtelut voivat merkittäviä, kun tuulen nopeus vaihtelee. Kuvassa on mittausdataa tällaisesta itsenäisestä verkosta, missä on tuulivoimaa ja dieselgeneraattoreita.

10 Tuulivoimaa on verkossa noin 10 % dieselgeneraattoreiden tehoon verrattuna. Kuvassa on mittaustulokset kahdelta yöltä, joista toisena tuulivoimaa on ollut käytössä (ylempi käyrä) ja toisena ei (alempi käyrä). Alemmassa käyrässä nähdään kaksi taajuuden notkahdusta, jotka johtuvat yhden tai useamman dieselin irtikytkennästä. Yönä, jolloin tuulivoimaa on ollut käytössä, taajuus on ylittänyt 50 Hz, mikä tarkoittaa sitä, että useita dieseleitä käy hyvin pienellä kuormalla. Tämä taas johtuu siitä, että sähköyhtiöt eivät uskalla kytkeä dieseleitä tarpeeksi irti verkosta, koska pelkäävät tuulen tyyntyvän. Kuvassa on esitetty tuuliturbiinin tuottama teho ja verkon taajuus yhdeltä yöltä. Aluksi tuulivoimala on poissa käytöstä ja se kytketään verkkoon noin 1,5 tuntia mittauksen alettua. Tämän ajan teho tuotetaan dieseleillä. Seuraavat neljä tuntia sekä tuuliturbiini että dieselit tuottavat tehoa. Tämän jälkeen tuulta on riittävästi, jotta tuuliturbiini voi toimia yksikseen. Tällöin teho ja taajuus vaihtelevat hyvin vähän Yhteenveto Tässä kappaleessa pureuduttiin sähkön laatuun, kun verkkoon kytketään tuulivoimaa. Molemmissa, sekä vakionopeuksisissa että muuttuvanopeuksisissa, tuuliturbiineissa on hyvät huonot puolensa puhuttaessa niiden vaikutuksista sähkön laatuun. Tehon tuotanto riippuu tuulen nopeudesta ja sen vuoksi epätasaista. Lisäksi torni aiheuttaa tehon vaihtelua. Lukuun ottamatta mahdollisia värähtelyitä verkon impedanssin ja tehokertoimen säätöön käytetyn kompensoinnin välillä, vakionopeuksiset tuuliturbiinit eivät aiheuta harmonisia yliaaltoja. Muuttuvanopeuksisilla turbiineilla tilanne on erilainen johtuen tehoelektroniikasta. Transientteja esiintyy lähinnä käynnistyksissä ja sammutuksissa, mutta myös kondensaattoriparistojen kytkennöissä. Virtapiikit voivat aiheuttaa jännitekuoppia. Itsenäisissä verkoissa, joissa pyörivien reservien määrä on rajallinen, taajuudessa voi olla paljon vaihteluita. Itsenäisissä verkoissa taajuus vaihtelee tosin aina enemmän kuin laajemmissa verkoissa. Kehittyneillä muuttuvanopeuksisilla tuuliturbiineilla voidaan jopa parantaa taajuuden vaihteluita.