Tuulivoimalaitosten generaattori- ja tehoelektroniikkaratkaisut

Samankaltaiset tiedostot
SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

DEE Tuulivoiman perusteet

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

Merelle rakennettujen tuulivoimapuistojen sähkönsiirtojärjestelmät

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

Tuulivoima Gotlannin saarella Ruotsissa

Savolainen. Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka

Offshore puistojen sähkönsiirto

Wind Power in Power Systems: 24 Introduction to the Modelling of Wind Turbines

Tuulivoiman vaikutus järjestelmän dynamiikkaan

WIND POWER IN POWER SYSTEMS

SÄHKÖMOOTTORI JA PROPULSIOKÄYTTÖ

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO

Wind Power in Power Systems

WIND POWER IN POWER SYSTEMS

6. Sähkön laadun mittaukset

Pienjännitejohtoa voidaan kuvata resistanssin ja induktiivisen reaktanssin sarjakytkennällä.

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

Kirsi Saloranta TUULIVOIMALAN SUOJAUSKYSY- MYKSIÄ

Wind Power in Power Systems

TOPI AALTO E, RO I VAHAMÄKI, A TTI JOKI E, TOMMI SUOMELA TUULIVOIMAKO SEPTIT JA IIDE KÄYTETTÄVYYSVERTAILU Seminaarityö

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

TEKNIS-TALOUDELLISET TEKIJÄT DFIG-TUULIVOIMALAN SUOSION TAUSTALLA

Jännitteensäädön ja loistehon hallinnan kokonaiskuva. Sami Repo Sähköenergiatekniikka TTY

Jännitestabiiliushäiriö Suomessa Liisa Haarla

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Roottorin toimintaperiaate TUULIVOIMALAN RAKENNE

9. LOISTEHON KOMPENSOINTI JA YLIAALTOSUOJAUS

VOIMALAITOSTEKNIIKKA MAMK YAMK Tuomo Pimiä

JONI AHONEN PALVELUTUOTTEEN KEHITTÄMINEN TUULIVOIMALOIDEN VERKKOON LIITTÄMISELLE

SMG-4500 Tuulivoima. Kuudennen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2)

1. Hidaskäyntiset moottorit

Oikosulkumoottorikäyttö

Tuulennopeuksien jakauma

Metropolia AMK BOSCH REXROTH HYDRAULIPENKIN KONSEPTISUUNNITTELU

Voimalaitosten jännitteensäädön asetteluperiaatteet

Sähkönjakelutekniikka osa 1. Pekka Rantala

Oikosulkumoottorin vääntömomenttikäyrä. s = 0 n = n s

Ari Ravantti Taajuusmuuttajat. ABB Group November 26, 2014 Slide 1

Tasasähkövoimansiirto

LIUKURENGASGENERAATTORIN KÄYTTÖ TUULIVOIMALASSA

Wind Power in Power Systems: 3 An Introduction

Liittymissäännöt tuulivoimaloiden liittämiseksi Suomen voimansiirtoverkkoon

Käyttötoimikunta Sähköjärjestelmän matalan inertian hallinta

KULUTUKSEN JA TUOTANNON LIIT- TÄMINEN SUURJÄNNITTEISEEN JA- KELUVERKKOON

GRÄSBÖLEN TUULIVOIMAHANKE. Meluselvitys. Lounaisvoima Oy

Käyttötoimikunta Antti-Juhani Nikkilä Loistehon merkitys kantaverkon jännitteiden hallinnassa

Loistehon kompensointi

Pumppujen käynnistys- virran rajoittaminen

Sähkönjakelujärjestelmistä. Kojeistoista, asemista ja muuntamoista

ELEC-E8419 syksy 2016 Jännitteensäätö

Tuotannon liittäminen Jyväskylän Energian sähköverkkoon

Sähkövoimatekniikka TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO. Tuulivoimateknologia sähkönjakeluverkoissa. Hannu Laaksonen ja Sami Repo.

DEE Tuulivoima

VOIMALASÄÄTIMET Sivu 1/ FinnPropOy Puhelin: Y-tunnus:

Wind Power in Power Systems

Tuulivoimalaitosten liittäminen sähköverkkoon. Verkkotoimikunta

TEKNIIKKA JA LIIKENNE. Sähkötekniikka. Sähkövoimatekniikka OPINNÄYTETYÖ VOIMALAN LOPPUTESTAUKSEN KEHITTÄMINEN

TUULIVOIMAKÄYTÖN SIMULOINTITYÖKALUN KÄYTTÖLIITTYMÄN KEHITTÄMINEN. TkT Julius Luukko

215.3 MW 0.0 MVR pu MW 0.0 MVR

Taajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja säätö generaattorikäytöissä

BL20A0600 Sähkönsiirtotekniikka. Tasasähkövoimansiirto Jarmo Partanen

arvot myös kirjassa: Yliaallot ja kompensointi, STUL 2006.

Oikosulkumoottorikäyttö

Aurinkovoimalan haasteet haja-asutusalueella

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Voimalaitosten jännitteensäädön asetteluperiaatteet

Superkondensaattorit lyhyiden varakäyntiaikojen ratkaisuna

Tuulivoiman ympäristövaikutukset

Verkosto2011, , Tampere

Tuulivoiman vaikutukset sähköverkossa

Antti Vuorivirta, ABB Oy Kotimaan myynti, SSTY Sairaalatekniikan päivät, Uudet sähkömoottoritekniikat energiasäästöjen tuojana

Käynnistä ja pysäytä hallitusti Solcon pehmeäkäynnistimillä

Päivitetty Tuule 200 -tuoteperheen tuotteet

Energiatehokkaat moottorikäytöt KOULUTUSMATERIAALI

Varavoiman asiantuntija. Marko Nurmi

REAALIAIKAINEN TIEDONVAIHTO

Lämpöä tuulivoimasta ja auringosta. Kodin vihreä energia Oy

DEE Sähkötekniikan perusteet

SATAVAKKA OY Kairakatu 4, Rauma Y-tunnus:

Laajamittainen tuulivoima - haasteita kantaverkkoyhtiön näkökulmasta. Kaija Niskala Säteilevät naiset seminaari Säätytalo 17.3.

Asiakasverkkojen loistehon kompensointi Verkkotoimikunta Jussi Antikainen

SÄHKÖÄ TUOTTAVAN TUULIMYLLYN RAKENNUSOHJEET

DEE Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt. Tasavirtakäyttö

4. VASTAVENTTIILIN JA PAINEENRAJOITUSVENTTIILIN SEKÄ VASTAPAINEVENTTIILIN KÄYTTÖ hydrlabra4.doc/pdf

GRÄSBÖLEN TUULIVOIMAHANKE. Meluselvitys. Lounaisvoima Oy

LUT / Sähkötekniikan osasto The Switch / Sähkönkäyttötekniikan laboratorio. PMSG vs. DFIG KANDIDAATINTYÖ Kanninen Jarno Säte 3

Latamäen Tuulivoimahanke, Luhanka

Smart Generation Solutions

Aurinkovoimalan haasteet haja-asutusalueella

ELEC-E8419 syksyllä 2016 Sähkönsiirtojärjestelmät 1

Reaaliaikainen tiedonvaihto

Maatuulihankkeet mahdollistavat teknologiat. Pasi Valasjärvi

Voimalaitoksen erottaminen sähköverkosta ja eroonkytkennän viestiyhteys voimajohtoliitynnässä

Suprajohtava generaattori tuulivoimalassa

Max teho [MW] Sisäänmeno -ulostulo käyrä [MBtu/h] 1 Hiili

Sähkökäyttötekniikka, teollisuuden konetyypit. Suomessa teollisuus käyttää hieman yli puolet tuotetusta sähköstä

ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento: Jännitteen säätö. Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

OUM6410C pisteohjattu venttiilimoottori 24 VAC

Liisa Haarla Fingrid Oyj. Muuttuva voimajärjestelmä taajuus ja likeenergia

Transkriptio:

Tuulivoimalaitosten generaattori- ja tehoelektroniikkaratkaisut Tuuliturbiinityypit Kiinteän nopeuden turbiini Tuuliturbiinit voivat toimia joko kiinteällä nopeudella tai muuttuvalla nopeudella. 90-luvun alussa yleisin turbiinityyppi oli epätahtigeneraattorilla toteutettu kiinteän nopeuden turbiini, joka kytketään suoraan sähköverkkoon. Käynnistystä varten generaattori on varustettu pehmeäkäynnistimellä ja generaattorin magnetoinnin vaatimaa loistehoa kompensoidaan kondensaattoriparistolla. Edellä kuvatut turbiinityypit on suunniteltu niin, että ne saavuttavat suurimman aerodynaamisen hyötysuhteensa yhdellä tietyllä tuulen nopeudella. Jotkin kiinteän nopeuden turbiinit on varusteltu generaattorin kaksoiskäämityksellä, jolloin useamman napaparin käämitystä käytetään heikommalla tuulella ja kovemmissa tuuliolosuhteissa pienemmän napaparin käämitystä. Kiinteän nopeuden voimalaitoksen etuina ovat yksinkertainen rakenne, robustius ja teknologian kypsyys. Turbiinin sähköisten komponenttien kustannukset ovat myös suhteellisen alhaiset lukuun ottamatta kaksoiskäämittyjä generaattoreita. Haittapuolina tällä ratkaisulla ovat generaattorin loistehon tarve, mekaaniset rasitukset ja rajoitettu tehokertoimen asettelu. Suorasta verkkokytkennästä johtuen tuulen nopeuksien muutokset näkyvät suoraan tehon vaihteluina sähköverkon puolella, mikä saattaa heikon verkon tapauksessa aiheuttaa suuria jännitteen vaihteluita ja muita sähkön laatuongelmia. Muuttuvanopeuksiset turbiinit Viimeisen vuosikymmenen aikana muuttuvanopeuksiset turbiinit ovat vallanneet markkinat. Nämä turbiinit on suunniteltu toimimaan maksimaalisella aerodynaamisella hyötysuhteella laajoillakin tuulialueilla. Vastoin kuin kiinteän nopeuden turbiinit, muuttuvanopeuksiset yksiköt pyrkivät pitämään generaattorin akselilla vakiomomenttia ja tuulen muutokset pyritään tasaamaan generaattorin pyörimisnopeutta ja näin ollen myös turbiinin pyörimisnopeutta muuttamalla. 1 Muuttuvanopeuksisten turbiinien sähköjärjestelmät ovat kiinteänopeuksisiin turbiineihin verrattuna usein huomattavasti monimutkaisempia. Niissä käytetään yleensä epätahti- tai tahtigeneraattoreita, jotka kytketään verkkoon tehonmuokkaimen kautta. Muuttuvanopeuksisten voimalaitoksen etuina ovat laajempi täyden tehon toiminta-alue, hyvä (ja usein aseteltavissa) oleva tehokerroin sekä pienemmät mekaaniset rasitukset rakenteissa. Haittapuolina ovat lähinnä tehonmuokkaimissa (yleisemmin tehoelektroniikassa) tapahtuvat häviöt sekä näistä laitteistoista aiheutuvat lisäkustannukset.

Turbiinin tehonsäätömenetelmät Kaikki tuuliturbiinit on suunniteltu jonkinlaisella tehonsäätömekanismilla, jonka tarkoituksena on säätää roottorin aerodynaamisia ominaisuuksia ja näin ollen rajoittaa roottorin tehoa suurilla tuulen nopeuksilla, jotta turbiini ei rikkoutuisi liian suurten mekaanisten rasitusten johdosta ja että generaattorin nimellistehoa ei ylitettäisi. Yksinkertaisin ja halvin menetelmä on passiivinen sakkaussäätö (stall control), jossa roottorin lavat on pultattu kiinteään kulmaan roottorin napaan. Roottorin on suunniteltu aerodynaamisesti niin, että tietyn tuulen nopeuden yläpuolella roottorin aerodynaaminen hyötysuhde alkaa heiketä sakkauksen johdosta ja tuulen nopeuden aiheuttamat voimat roottorille pienenevät. Menetelmän huonona puolena voidaan pitää erityisesti huonoa hyötysuhdetta pienillä tuulennopeuksilla. Menetelmää, jossa roottorin lapojen kohtauskulmaa tuuleen voidaan säätää, kutsutaan lapakulman säädöksi (pitch control). Tämä menetelmä mahdollistaa aktiivisen tehonsäädön, jolla tuulen aiheuttamaa momenttia roottorin akselille voidaan säätää. Muuttuvanopeuksisten käyttöjen tapauksessa tämä tarkoittaa sitä, että suurillakin tuulen nopeuksilla turbiinin tuottama teho voidaan pitää lähellä generaattorin nimellistehoa. Haittapuolena menetelmässä on kuitenkin sen suhteellinen hitaus tuulen muutosnopeuksiin nähden, jolloin nimellisteholla toimittaessa tuulen puuskaisuus aiheuttaa pientä vaihtelua generaattorin nimellistehon ympärillä. Kolmas mahdollinen tehonsäätömekanismi on aktiivinen sakkaussäätö (active stall control), jossa lavan sakkaustaipumusta säädetään lapaa kääntämällä. Pienillä tuulennopeuksilla lapakulmaa säädetään, kuten edellisessä tapauksessa, jotta saataisiin turbiinista maksimaalinen hyötysuhde. Suurilla nopeuksilla lavat ohjataan syvempään sakkaukseen kääntämällä niitä päinvastaiseen suuntaan tuuleen nähden kuin perus lapakulman säädössä. Aktiivisella sakkaussäädöllä saavutetaan nimellisteholla tasaisempi akseliteho pelkkään lapakulmasäätöön verrattuna. Turbiinikonfiguraatiot Seuraavassa esitellään yleisimmin käytössä olevat turbiinikonfiguraatiot luokiteltuna niiden nopeudensäätöominaisuuksien ja roottorin tehonsäätömekanismien mukaan. Nopeuden säädön suhteen tarkasteltuna kuva 4.1 esittää neljä yleisintä ratkaisua, jotka on nimetty A:sta D:hen käyntinopeusalueiden laajuuden mukaisesti. Turbiinikonfiguraatioita voidaan edelleen luokitella niiden roottorin tehonsäädön toteutuksen mukaisesti. Taulukko 4.1 esittää turbiinikonfiguraatiot kootusti luokiteltuna tehonsäätö huomioiden. Taulukkoon 4.1 on tummennetulla pohjalla merkitty ratkaisut, jotka eivät ole yleisesti käytössä. 2

Tyyppi A: kiinteänopeuksinen Tämä konfiguraatio tarkoitta kiinteänopuksista turbiinia, jossa epätahtigeneraattori (SCIG tai WRIG) on kytketty suoraan sähköverkkoon muuntajan välityksellä. Epätahtigeneraattori on rakenteeltaan mekaanisesti yksinkertainen, huoltovapaa ja hinnaltaan edullinen. Jos epätahtigeneraattorin magnetointia ei toteuteta liukurenkaiden avulla roottorin puolelta, ottaa generaattori magnetointiin tarvitsemansa loistehon staattorin kautta. Suoran verkkoon kytketyn generaattorin tapauksessa tämä tarkoittaa sitä, että loisteho otetaan syötettävästä sähköverkosta. SCIG ei siis missään tilanteessa voi toimia tehokertoimella yksi. SCIG:n tarvitsema loisteho riippuu pyörimisnopeudesta ja generaattorin tuottamasta pätötehosta. Käyttö on kiinteänopeuksinen, koska tuulen nopeuden muuttuessa voi roottorin pyörimisnopeus muuttua ainoastaan jättämänopeusalueen sisällä, joka on vain muutaman prosentin synkronisen pyörimisnopeuden yläpuolella. Jotta generaattorin tarvitsemaa loistehoa ei otettaisi kokonaan syötettävästä verkosta, asennetaan syöttöverkkoon kondensaattoriparisto, jolla moottorin ottamaa loistehoa kompensoidaan. Generaattorin tarvitsema loisteho ei kuitenkaan ole vakio, jolloin kuormitustilanteesta riippuen turbiinin tehokerroin vaihtelee kompensoinnista huolimatta. Jotta SCIG:n käynnistystilanteen virtoja voidaan rajoittaa, on käytössä oltava myös pehmeäkäynnistin. Riippumatta roottorin tehonsäätömekanismista nopeat tuulen muutokset muuttuvat mekaanisen tehon muutoksiksi ja aiheuttavat puolestaan sähkötehon muutoksen generaattorissa, joka saattaa aiheuttaa jännitteen vaihteluita heikossa sähköverkossa. Rakenteen suurimmat haitat ovatkin siis nopeussäädön tekninen mahdottomuus, jäykän verkon vaatimus liitännälle ja mekaaniset rasitukset rakenteessa. Verkon vikatilanteessa verkkojännitteen aletessa ja mekaanisen tehon ollessa generaattorin sähkötehoa suurempi, alkaa turbiini kiihtyä ja jättämä kasvaa. Vian poistuttua nopeudeltaan kiihtynyt generaattori ottaa verkosta paljon loistehoa, mikä saattaa heikentää verkon jännitettä vikatilanteen jälkeen. Joissain tapauksissa epätahtikoneet voidaan varustaa kaksoiskäämityksellä, jolloin generaattorille saadaan kaksi erilaista synkronista pyörimisnopeutta. Tällaisen generaattorin hinta on kuitenkin luonnollisesti kalliimpi ja ainoana etuna saavutetaan edelleenkin vain kaksi eri pyörimisnopeutta. 3

4

Tyyppi B: rajoitettu muuttuva nopeus Tämä konfiguraatio on muuten tyypin A kaltainen, mutta generaattorina käytetään käämityllä roottorilla varustettua epätahtigeneraattoria (WRIG), jonka roottorijännitettä voidaan ohjata ulkoisella suuntaajalla jos generaattori on varustettu liukurenkailla. Haittapuolena SCIG:n nähden ovat liukurenkaat, jotka vaativat huoltoa ja käämitystä roottorista johtuvat suuremmat valmistuskustannukset. Tanskalaisen Vestas Wind Systemsin innovaatio on WRIG generaattori, jonka roottoriin on asennettu optisesti ohjattu suuntaaja, jonka avulla säädetään roottoriresistanssia. Roottoriresistanssia muuttamalla voidaan säätää generaattorin jättämää ja näin ollen generaattoria voidaan pyörittää, muuttuvan resistanssin koosta riippuen, 0 10% ylisynkronisella nopeudella. Ylimääräisestä jättämästä syntyvä energia hukataan roottoriresistanssissa lämmöksi. Optinen ohjausmenetelmä poistaa liukurenkaiden käytön tarpeen ja vähentää näin ollen generaattorin huollon tarvetta liukurenkaalliseen WRIG:n verrattuna. Tyyppi C: muuttuvanopeuksinen yksikkö osatehoisella suuntaajakäytöllä Tämä konsepti tunnetaan paremmin kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin (DFIG) nimellä. Se koostuu WRIG:stä, joka on varustettu liukurenkailla. Generaattorin roottorin ja staattorin välille on kytketty taajuudenmuuttajakäyttö, joka usein mitoitetaan n. 30% järjestelmän nimellistehosta. Roottoripiiriin liukurenkaiden välityksellä kytketty suuntaaja mahdollistaa suhteellisen suuret pyörimisnopeuserot roottorin ja staattorin välillä, koska jättämäteho voidaan syöttää suuntaajan kautta sähköverkkoon tai vaihtoehtoisesti tuottaa roottoripiiriin riippuen siitä toimitaanko yli- vai alisynkronisella nopeudella. Verkon puoleinen suuntaajasilta huolehtii välipiirin jännitteen säilyttämisestä kaikissa kuormitustilanteissa ja huolehtii tehon siirrosta verkon ja välipiirin välillä tehokertoimella yksi. Tyypillisesti näiden käyttöjen pyörimisnopeusalue voi olla ±30% synkronisen pyörimisnopeuden ympärillä. Tämä ratkaisu on taloudellisessa mielessä houkutteleva, koska taajuudenmuuttajan mitoitus on vain kolmasosalle käytön kokonaistehosta. Suurempaa vaihteluväliä haluttaessa joudutaan suuntaajan mitoitusta kasvattamaan. DFIG:tä voidaan käyttää heikossa verkossa myös loistehon kompensointiin, koska käytön tehokerroin on aseteltavissa. Yleensä käytön tehokerroin pyritään ajamaan ykköseksi. Haittapuolina DFIG konseptissa ovat liukurenkaat ja harjat, jotka vaativat huoltoa, sekä roottoripuolen suuntaajan suojaus verkon vikatilanteissa, jolloin kasvavat roottorivirrat voivat aiheuttaa suuntaajan rikkoutumisen. Tyyppi D, muuttuvanopeuksinen yksikkö täyden tehon suuntaajakäytöllä 5 Tässä konfiguraatiossa generaattori, joka voi olla tyypiltään myös kestomagnetoitu tahtigeneraattori (PMSG) tai epätahtigeneraattori, kytketään verkkoon taajuudenmuuttajan välityksellä. Taajuudenmuuttaja on mitoitettu käytön nimellisteholle. Etuina täyden tehon

suuntaajakäytöllä on se, että turbiinin pyörimisnopeutta voidaan säätää vapaasti optimaalista hyötysuhdetta silmälläpitäen ja tehokerroin verkon puolella voidaan asetella vapaasti. Haittapuolena voidaan pitää tarvittavan tehoelektroniikan aiheuttamia häviöitä, koska käytön koko teho kulkee nyt suuntaajan läpi. Täyden tehon suuntaajakäytöillä saavutetaan aidosti muuttuvanopeuksinen turbiiniratkaisu, jonka avulla turbiini voi toimia aktiivisena ohjattava elementtinä sähköverkossa. Haittapuolena suuntaajasyötetyissä käytöissä on kuitenkin sähköverkon vikatilanteet, jossa suuntaajakäytöllä ei voida syöttää suuria vikavirtoja. Tämä aiheuttaa omat haasteensa syötettävän verkon vikatilanteessa, jossa ylivirtaan perustuvat suojausmekanismit eivät välttämättä toimi oikein. Tehoelektroniikka tuuliturbiineissa Taajuudenmuuttajakäytöt Tyypin D muuttuvanopeuksiset tuulivoimakäytöt vaativat toimiakseen tehoelektroniikkalaitteiston, jolla generaattoripuolen jännitteen taajuutta ja verkkojännitettä voidaan säätää. Taulukko 4.2 esittää kootusti tehoelektroniikkalaitteiston etuja ja haittoja muuttuvanopeuksisessa käytössä sekä turbiinin että tuotannon ja syötettävän verkon kannalta. Säädettävän taajuuden ansiosta generaattorin pyörimisnopeus voidaan asetella vapaasti hyötysuhteen optimointia silmällä pitäen, jolloin taajuudenmuuttaja toimii rajapintana kahden eritaajuisen verkon, generaattorin staattorin ja syötettävän verkon, välillä. Näin toimimalla voidaan pienentää mekaanisia rasituksia tuulen nopeuden vaihdellessa, koska generaattorin voidaan antaa vapaasti kiihtyä tai hidastua. Useampinapaisten tahtikoneiden tapauksessa vaihteistoa ei välttämättä tarvita, jolloin järjestelmä muuttuu myös mekaanisesti yksinkertaisemmaksi. Ainoana varsinaisena haittapuolena turbiinin kannalta voidaan pitää lisähäviöitä ja lisähintaa, joka aiheutuu täyden tehon taajuudenmuuttajakäytöstä. 6

Tuotannon kannalta merkittävä etu tyypin D käytöllä on mahdollisuus toimia aktiivisena osana verkkoa, jolloin turbiinin tehokerrointa voidaan säätää ja näin kompensoida loistehoa. Tällä toiminnalla voidaan tukea verkon jännitettä ja mahdollisuuksia on myös harmonisten virtakomponenttien eliminointiin. Haittapuolina täyden tehon järjestelmissä on toki suuntaajan virran kytkentätaajuiset harmoniset virtakomponentit, joiden suodattaminen on osin myös kustannuskysymys. Taajuudenmuuttajakäytöt voivat koostua joko kuormakommutoiduista tai pakkokommutoiduista suuntaajasilloista. Viime vuosikymmenien nopea tehopuolijohteiden kehitys on ohjannut suuntaajien kehitystä kohti pakkokommutoituja suuntaajia. Nykyisin yleisin käytetty pakkokommutoitu komponentti on IGB transistori (IGBT). Tehokomponenttien keskinäistä ominaisuuksien vertailua on esitetty taulukossa 4.3, jossa esitetään eri puolijohdekomponenttien tyypillisimpiä jännite- ja virtakestoisuuksia ja mahdollisia kytkentätaajuuksia. Taulukossa on huomattava, että informaatio on vuodelta 2001, jonka jälkeen varsinkin IGBT:n kehitys on mennyt roimasti eteenpäin. Nykypäivänä on saatavilla IGBT moduuleita, joiden estojännitekestoisuus on yli 6kV ja virtakestoisuus >3,6kA. Pakkokommutoitujen suuntaajien kytkentätaajuus on verkkokommutoituja suuntaajia suurempi ja näiden siltojen tuottamat harmoniset komponentit ovat myös taajuudeltaan suurempia, jolloin niiden suodattaminen on helpompaa. Kuormakommutoidut suuntaajat tuottavat matalataajuisia yliaaltoja, joiden suodattamiseen joudutaan käyttämään imupiirejä, jotka koostuvat suhteellisen kookkaista ja hintavista passiivikomponenteista. Etuna kuormakommutoiduissa suuntaajissa on pienemmästä kytkentätaajuudesta johtuvat pienemmät kytkentähäviöt. Sekä pakkokommutoidut että kuormakommutoiduissa suuntaajissa välipiirin energiavarastona voidaan käyttää joko kondensaattoria (jännitevälipirilliset taajuudenmuuttajat) tai kuristinta (virtavälipiirilliset taajuudenmuuttajat). Kuvassa 4.2 on esitetty yksinkertaistettu päävirtapiiri näille molemmille suuntaajatyypeille. 7

Pakkokommutoiduista jännitevälipiirillisistä suuntaajista yleisin käytetty tyyppi on kuudella aktiivikytkimellä toteutettu kaksitasoinen kokosiltasuuntaaja joka voi toimia sekä tasa- että vaihtosuuntaajana. Kytkemällä näitä siltoja kaksi peräkkäin saadaan aikaiseksi kaksisuuntaiseen tehonsiirtoon soveltuva taajuudenmuuttaja, jonka päävirtapiiri on esitetty kuvassa 4.3. Muita mahdollisia kaksisuuntaiseen tehosiirtoon soveltuvia suuntaajaratkaisujakin on, joista nykypäivänä suurimman mielenkiinnon kohteena ovat monitasoiset suuntaajat, joiden vaihelähtöön tuottamissa jännitteissä on useampi jännitetaso kahden sijasta. Etuna tämäntyyppisillä suuntaajilla on niiden tuottamat pienemmät aktiivikytkimien jänniterasitukset ja niiden tuottamat pienemmät kytkentätaajuiset harmoniset komponentit kaksitasoisiin suuntaajiin verrattuna. Muita tehoelektroniikkaratkaisuja Aikaisemmin esitetyn taajuudenmuuttajakäytön lisäksi tarvitaan turbiineissa myös muita tehoelektroniikkaratkaisuja. Tyypin A ja B käytöissä pehmeäkäynnistin, joka on toteutettu 8

vastarinnankytketyillä tyristoripareilla, on välttämätön turbiinin hallittuun verkkoon kytkemiseksi. Ilman pehmeäkäynnistintä generaattorin käynnistysvirrat voivat olla jopa 7-8 kertaiset nimellisvirtaan verrattuna. Generaattorin saavutettua nimellisnopeutensa tyristorit ohitetaan häviöiden minimoimiseksi. Tyypin A ja B turbiineissa epätahtigeneraattorin loistehoa kompensoidaan kondensaattoriparistolla, jolloin generaattorin magnetoinnin vaatimaa loistehoa ei tarvitse ottaa kokonaan syötettävästä verkosta. Näissä generaattorityypeissä saattaa olla myös edistyksellisempiä ratkaisuja, jossa kompensointikondensaattoreiden määrää kytketään kompensoinnin tarpeen mukaisesti. Tyypin C ja D turbiineissa käynnistysvirtoja voidaan rajoittaa taajuudenmuuttajakäytön avulla ja tehokerrointa säätää. Tästä syystä pehmeäkäynnistimet ja kompensointikondensaattorit eivät yleensä kuulu näihin käyttöihin. Tehoelektroniikkaratkaisut tuulipuistoissa Tulevaisuudessa ja osin myös nykypäivän tuuliturbiinit tulevat sijoittumaan suuriin keskittymiin, joiden yhteinen tehokapasiteetti voi olla satojen megawattien luokkaa. Tällaisilta keskittymiltä tullaan odottamaan verkon kannalta tiettyjä teknisiä vaatimuksia, kuten jännitteen ja taajuuden säätöä, pätö- ja loistehon säätöä, sekä nopeita vasteita verkon muutostilanteissa. Turbiineissa, joissa suuntaajakäyttöjä ei ole, ei tätä mahdollisuutta juurikaan ole. Tehoelektroniikan ratkaisut ovat erittäin mielenkiintoisia näiden vaatimusten täyttämiseksi. Tällä hetkellä tutkimuksen kohteena on useita säätö ja ohjauskonsepteja joilla pyritään minimoimaan tarvittavien suuntaajien lukumäärää ja parantaa ison keskittymän taloudellista kannattavuutta. Suuntaajakäyttöjen toteutus voidaan jakaa kolmeen erilaiseen konseptiin: täysin hajautettuun, osittain hajautettuun ja keskitettyyn suuntaajatoteutukseen. Täysin hajautetussa toteutuksessa kaikki turbiinit toimivat kuten kuvan 4.1 C ja D-tyypin voimalaitokset, joissa jokaiselle turbiinille on oma suuntaajakäyttönsä. Etuna tässä on se, että jokainen turbiini voi toimia paikallisesti optimaalisessa toimintapisteessä. Osittain hajautetussa järjestelmässä jokaisen D-tyypin turbiinin suuntaajat erotetaan toisistaan niin, että vaihtosuuntaus tapahtuu keskitetysti isotehoisella vaihtosuuntaajalla. Tällöin jokainen turbiini on kytkettynä DC-verkon välityksellä keskitettyyn vaihtosuuntaajan. Tässä konseptissa jokainen turbiini voi edelleen toimia optimaalisessa toimintapisteessään, mutta keskitetty vaihtosuuntaus pienentää tarvittavien suuntaajasiltojen lukumäärän puoleen. Käytännössä maailmalla ei 2005 tällaista konseptia ole vielä toteutettu. 9 Keskitetyssä suuntaajatoteutuksessa koko tuulivoimapuisto kytketään yhteiseen suuntaajakäyttöön. Hyvänä puolena tässä voidaan pitää keskitettyä suuntaajaratkaisua, joka tosin tarkoittaa myös sitä, että kaikkien turbiinien täytyy pyöriä samalla keskimääräisellä kulma-

nopeudella, jolloin yksittäisen turbiinin tuotanto ei välttämättä ole optimissaan. Esimerkkinä tästä on Ruotsissa Gotlannin saarella toimiva yksikkö (luku 13), jossa nämä kaksi suuntaajaa ovat yhdistettynä toisiinsa pitkällä tasasähkölinkillä. Markkinatilanne eri turbiinityyppien suhteen (2002) Materiaalin liitteenä on taulukko 4.4 johon on listattu maailman kymmenen suurinta turbiinivalmistajaa (2002) myydyn kapasiteetin perusteella. Taulukko sisältää tyyppitiedot kahdesta suurimmasta (~ uusimmasta) turbiinista kultakin valmistajalta. Eri turbiinityyppien suhteelliset markkinaosuudet vuosina 1998 2002 löytyvät taulukosta 4.5. Nämä luvut perustuvat selvitykseen maailman 10 suurimman valmistajan myyntiin, joka kyseisinä vuosina vastaa yli 90 % maailman tuulivoimamarkkinoista. Taulukosta nähdään, että tyypin B voimalaitokset ovat menettäneet suhteellisesti eniten markkinaosuuttaan samalla kuin myyty kapasiteetti on kolminkertaistunut. Ylivoimaisesti suosituimpia ovat tyypin C (DFIG) käytöt, joiden osuus oli 2002 liki puolet myydystä kapasiteetista. Täyden tehon yksiköt (D) ovat kasvaneet tasaisesti. Taulukon informaatioon kannatta suhtautua hieman varauksella, koska vuoden 2008 pelkästään yhdysvallat asensi lisäkapasiteettiä 8315,2 MW vuoden lisääntyneen kapasiteetin ollessa maailmanlaajuisesti yli 27 000 MW. Tästä syystä eri konseptien keskinäiset markkinaosuudet voivat tänä päivänä olla hyvinkin erilaiset. Yhteenveto Tässä luvussa käsiteltiin tuulivoimalaitosten perustyypit generaattori- ja tehoelektroniikkaratkaisuineen. Tehoelektroniikan tuomat edut tuulivoimakäytöissä ovat lähinnä verkkoonkytkeytymisen avustaminen, tehokertoimen korjaus ja aidosti muuttuvanopeuksisen käytön mahdollistaminen. 10

11 Liite 1

12