Sähköenergiatekniikan laitos

1

J. Strandén 19.04.23

Wind Power in Power Systems -seminaarikurssi

Referaatti kirjan

T. Ackermann: Wind Power in Power Systems

kappaleesta

6. Sähkön laadun mittaukset (Power Quality Measurements)

11.5.2009Janne Strandén

Sähköenergiatekniikan laitos

2

J. Stranden 19.04.23

Johdanto

• Sähkön laadulla (power quality) tarkoitetaan tuuliturbiinin yhteydessä puhuttaessa turbiinin suorituskykyä tuottaa sähköä

• verkkoon aiheutetut häiriöt• vaikutukset verkon jännitteen laatuun

• Suurimmat vaikutukset:• jännitteen muutokset (change) ja vaihtelut (fluctuation)• yliaallot (harmonics)• loistehon tuotanto/kulutus• välkyntä• tehopiikit• käynnistysvirrat (in-rush)

• Yhtäältä tuuliturbiinin rakenteella on vaikutusta tuotetun sähkön laatuun, mutta toisaalta myös ympäristöolot vaikuttavat

Sähköenergiatekniikan laitos

3

J. Stranden 19.04.23

Vaatimukset sähkön laadun mittaamiselle

• Suuntaviivat tuuliturbiinien sähkön laadulle:

• IEC 61400-21: ”Wind Turbine Generator Systems, Part 21: Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines”

• Yksi tärkeimmistä suuntaviivoista• Määrittelee mitkä sähkön laadun tunnusluvut on mitattava ja mitä

mittausmenetelmää tulee käyttää • Mittaustuloksista datalehtinen, jossa kaikki asiaankuuluvat tuuliturbiinin

tunnusluvut normalisoidussa sekä sijainnista ja verkosta riippumattomassa muodossa arvioinnin pohja verkonhaltijoille

• Suosituksia liityntäpaikan ympäristön ja verkon arviointiin

Sähköenergiatekniikan laitos

4

J. Stranden 19.04.23

Vaatimukset sähkön laadun mittaamiselle (jatkoa)

• MEASNET guideline: “Power Quality Measurement Procedure of Wind Turbines”

• MEASNET on tuulivoimajärjestöjen mittausverkosto, jonka tavoitteena on harmonisoida mittausmenetelmät ja suositukset saavuttaakseen mittaustulosten vertailukelpoisuus ja niiden yhteinen hyväksyntä jäsenjärjestöiltään

• MEASNET:n suuntaviivat vastaavat IEC:n vaatimuksia

• The German Födergesellschaft Windenegie (FGW) guideline: “Technical guidelines for wind turbines, part 3: determination of the electrical characteristics (saksankielinen)”

• Käytetty Saksassa jo 90-luvun alusta alkaen • Periaatteessa mittausmenetelmät samankaltaisia kuin IEC:ssä, mutta

mittaustulokset eivät kuitenkaan vertailukelpoisia keskenään • Mittauksista datalehtinen, jota käytetään Saksassa yhdessä VDEW:n

suuntaviivojen kanssa turbiinin verkkoon liittämisen arvioinnissa

Sähköenergiatekniikan laitos

5

J. Stranden 19.04.23

Mitattavia suureita

• tehopiikki = tuotettu maksimipätöteho tietyllä aikavälillä, jolta lasketaan keskiarvo turbiinin toimiessa keskeytymättömästi

• loisteho ja tehokerroin = turbiinin tuottama loisteho ja sen tehokerroin• yliaallot = harmoniset ja epäharmoniset virran yliaallot, mitataan vain vaihtuvanopeuksisilta

turbiineilta, hankala erottaa verkossa olevista yliaalloista• välkyntä = valojen välkkymistä jännitteen vaihtelun takia, mikä voi aiheuttaa säröä tai vaivaa

ihmisille tai muille sähkönkuluttajille; määritelty tarkoittavan jännitteen vaihtelua enimmillään 35 Hz:n taajuudella

• kytkentätilanteet = aiheuttavat jännitteen vaihtelua välkyntää välkyntä mitattava myös kytkentätilanteissa

8,8 Hz

Sähköenergiatekniikan laitos

6

J. Stranden 19.04.23

Mittausten tekniset tiedot

Sähköenergiatekniikan laitos

7

J. Stranden 19.04.23

Tuuliturbiinien ja -puistojen sähkön laadun tunnuslukuja

• Turbiinin aiheuttamien häiriöiden syitä:

• Tehopiikit• vaihtuvanopeuksisilla turbiineilla lapakulmasäädön avulla vähäiset jännitteen vaihtelut ja tehopiikit• vakionopeuksisilla korkeammat hetkelliset tehopiikit (jopa 30 %), vaikka olisikin lapakulmasäätö• sakkaussäätöisillä vakionopeuksisilla myös pidempiaikaisia tehopiikkejä (10-20 %)• Suuri määrä turbiineja tasoittaa tuulipuiston tehopiikkejä, sillä tehopiikit esiintyvät vain harvoin

samanaikaisesti monessa eri turbiinissa

• Loisteho• vakionopeuksiset turbiinit

• loistehon kompensointiyksiköt

• tehokerroin yleensä ~0,96

• vaihtuvanopeuksiset turbiinit

• tehokerroin tavallisesti 1,00

• tuotettu loisteho kuitenkin säädeltävissä jännitteen säätely

Sähköenergiatekniikan laitos

Tunnuslukuja (jatkoa)

8

J. Stranden 19.04.23

• Yliaallot• taajuudenmuuttajat (yleensä PWM) tuottavat yliaaltoja

suodattimien lisäys

• vakiokellotaajuuksinen tuottaa yksittäisiä epäharmonisia kellotaajuuden alueella ja kellotaajuuden kertalukuja (kuva 6.3a)

• muuttuvan kellotaajuuden tuottaa harmonisia ja epäharmonisia laajalle taajuusalueelle, huippu verkon resonanssitaajuuden kohdalla (6.3b)

• yliaaltojen mittaaminen haastava tehtävä

• epäharmoniset esim. vain 0,1 % nimellisvirrasta aina 9 kHz:iin asti (MEASNEt ja FGW) virtamittari lineaarinen 9 kHz:iin asti

• yliaaltomittaukset antavat erilaisia tuloksia turbiinin pien- ja keskijännitepuolella tähti-kolmio -muuntajan vuoksi kj-puolella matalampia arvoja

Sähköenergiatekniikan laitos

Tunnuslukuja (jatkoa)

9

J. Stranden 19.04.23

• Välkyntä• aiheutuu turbiinin pätö- ja loistehon vaihteluista, jotka

johtuvat mm.• tornin tuulivarjo• roottorin epätäydellinen suuntaus• tuuligradientti• tuulen pyörteet• ohjausjärjestelmän vaihtelut

• vakionopeuksisella tuulivarjo suurin välkynnän aiheuttaja ~1 Hz (kuva 6.4)

• suuremmilla turbiineilla välkyntä suhteessa vähäisempää

• välkyntä suurempaa kovemmalla tuulella (kuva 6.5)

• vaihtuvanopeuksisilla tuuliturbiineilla nopeat tehovaihtelut tasoittuvat eikä tuulivarjokaan vaikuta tehotuotantoon välkyntä vähäisempää (kuva 6.6)

• tuulipuistossa tehovaihtelut tasoittuvat

Sähköenergiatekniikan laitos

Tunnuslukuja (jatkoa)

10

J. Stranden 19.04.23

• Kytkentätilanteet• jännitteen muutokset kytkentätilanteissa johtuvat

käynnistysvirroista ja vastaavista tehon muutoksista tuuliturbiinissa

• vakionopeuksisilla käytetään pehmeäkäynnistintä rajoittamaan epätahtigeneraattorin käynnistysvirtaa

• kuvassa 6.7a vakionop. turbiinin kytkeytyminen verkkoon: nopeita muutoksia välkyntää, suuret tehomuutokset jännitteen vaihtelua

• vaihtuvanop. turbiineilla ei suuria käynnistysvirtoja jännitteen vaihtelut ja välkyntä vähäistä (6.7b)

• tuulipuistossa harvoin useita turbiineita kytkeytyy samanaikaisesti kytkentätilanteiden tarkastelut yksittäisille tai muutamalle turbiinille

Sähköenergiatekniikan laitos

Verkkoon liittämisen arviointi

11

J. Stranden 19.04.23

• IEC 61400-21:ssä suosituksia tuuliturbiinin ja -puiston verkkoon liittämisen arviointiin koskien sähkön laatua, perustana kaavat taulukossa 6.3

• Sähkön laadun arvioinnissa huomioitava myös verkon ominaisuudet liityntäpisteessä• Paikallisella tasolla jatkuvan tilan jännitteen muutokset yksi rajoittavista tekijöistä

verkkoon liittämiselle tarkat tehonjakolaskelmat suoritettava

• Yliaallot saattavat myös aiheuttaa vaikeuksia

• lisäksi niiden määrätyt raja-arvot usein jännitteille, jolloin laskentaan tarvitaan verkon impedanssit korkeillakin taajuuksilla määrittäminen vaikeaa

• Välkyntä ei enää suuri ongelma vaihtuvanop. turbiinien osuuden lisäännyttyä

Sähköenergiatekniikan laitos

12

J. Stranden 19.04.23

”Tulevaisuudesta”…

• Jossain maissa, kuten Saksa ja Tanska, sähköä tullaan tuottamaan suuri osa tuulivoimalla verkonhaltijoiden on syytä huomioida tuuliturbiinien negatiiviset vaikutukset verkossaan verkonhaltijoiden omia suuntaviivoja jo kehitetty yleisten ohjeistusten lisäksi

• Vikatilanteet:• nykyään: tuuliturbiini/-puisto kytkettävä irti verkosta• tulevaisuudessa: tuuliturbiini/-puisto kytkettynä myös vikatilanteessa verkon

tukeminen puistojen tulee siksi pystyä toimimaan laajalla loistehoalueella, pystyä antamaan loistehoa verkkoon vaadittaessa, pysyä verkossa lyhytkestoisten jännitekuoppien ajan ja pystyä toimimaan laajalla taajuusalueella

Saksassa on kehitetty täydentävä ohjeistus, johon sisältyy ohjeet kuinka tarkistaa turbiinin tai puiston yhteensopivuus em. vaatimusten mukaisesti verkonhaltijoiden laatimien suuntaviivojen kanssa