Zdjęcia Elektrowni w Skawinie wykonał Marek Sanok

Transkrypt

1 Zdjęcia Elektrowni w Skawinie wykonał Marek Sanok 8 III konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

2 Problemy fluktuacji mocy biernej w elektrowniach wiatrowych Antoni Dmowski Politechnika Warszawska III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

3 10 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

4 Prof. dr hab inż. Antoni Dmowski Politechnika Warszawska Firma APS Energia S.A. Problemy fluktuacji mocy biernej w elektrowniach wiatrowych. ( zagadnienia wybrane) 1. Wstęp Rola energetyki odnawialnej w pokryciu zapotrzebowania na energię stale wzrasta. Dzisiaj ponad połowę energii produkowanej w źródłach odnawialnych dostarczają elektrownie wiatrowe EW. Rysunek Nr. 1 [1.4] przedstawia schematy blokowe elektrowni wiatrowej, część lewa schemat mechaniczna część, prawa schemat elektryczny. Rysunek nr 1. Schemat blokowy elektrowni wiatrowej.lewa część rysunku część mechaniczna. Prawa część. -. elektryczna Oznaczone na rysunku Nr. 1 literami A i B części układu mają podstawowe znaczenie przy przyłączeniu EW do sieci elektroenergetycznej SEE. EW bardzo rzadko są przyłączane do GPZ bezpośrednio. Standardem jest przyłączanie do GPZ za pośrednictwem linii kablowej. Ma to określony wpływ na wielkość i rodzaj mocy przekazywanej z EW do SEE. Wielkość tej mocy zależy od siły wiatru i regulatora turbiny wiatrowej co przedstawiono na rysunku Nr 2. Rysunek nr. 2 Różnego rodzaju charakterystyki regulacyjne turbiny wiatrowej. III konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

5 Znane są podstawowe cztery układy przetwornic energoelektronicznych stosowanych w EW. Schematy blokowe tych EW plus przetwornice przedstawiono na rysunku Nr 3. Rysunek 3 Różne topologie elektrowni wiatrowych Obecnie ze względu na szereg zalet stosowane są układy, których schematy przedstawiają rysunki Nr 4C i 4D. Dzisiaj stosowane w EW przetwornice energoelektroniczne są budowane w oparciu tranzystory mocy. Schemat nowoczesnego układu tranzystorowych przetwornic [2.3] AC/DC i DC/AC stosowanych w EW przedstawiono na rysunku nr 4. Rys 4 Schemat EW w, której obie przetwornice AC/DC i DC/AC wykonano w wersji tranzystorowej W rozwiązaniach starszych przetwornice DC/AC stosowane w EW były układami tyrystorowych falowników 12 pulsowych. W stosowanych układach przetwornic DC/AC falowniki tranzystorowe mają taką samą budowę i różnią się jedynie od siebie przyjętym układem sterowania. Może być nim układ z regulatorem prądu lub układ z regulatorem PQ. Różnice między układami przetwornic tyrystorowych, tranzystorowych i ich układami sterowania zostaną przedstawione w dalszej części referatu. 2. Symulacje komputerowe układów EW. Ze względu na bardzo złożony system projektowania przetwornic energoelektronicznych stosowanych dzisiaj w EW stosuje się prawie wyłącznie do ich projektowania komputerowe języki symula- 12 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

6 cyjne. Są nimi np.: PSIM, Matlak, Simulink i inne. W dalszej części referatu zostanie pokazanych kilka takich symulacji. Jak już wspomniano EW są najczęściej włączone do GPZ za pośrednictwem linii kablowej. Przykładowe Parametry takich linii przedstawiono w tabeli na rysunku Nr 5. Rysunek 5 Przykładowe parametry kabli stosowanych do Łączenia farm wiatrowych z siecią SEE Podane parametry linii kablowej mają wpływ na moce generowane przez EW i przekazywane do SEE. Rysunek Nr 6. przedstawia przykład mocy generowanych przez EW do SEE [1]. Rysunek 6 Przykładowy przebieg mocy przekazywanej sieci SEE z EW np. za pośrednictwem Linii kablowej III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

7 Rysunek Nr 7. przedstawia schemat symulacyjny tranzystorowego falownika EW z regulatorem prądu. Rysunek nr. 7: Schemat symulacyjny EW z tranzystorowym falownikiem i regulatorem prądowym Rysunek nr. 8 Wyniki symulacji układu którego schemat przedstawia rysunek nr.7 14 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

8 W wyniku działania regulatora falownika na wyjściu falownika (elektrowni) prąd ma charakter sinusoidalny będący w fazie z napięciem sieci SEE. Pokazano to na rysunku Nr 9. Rysunek nr. 9: Schemat symualcyjny EW 100kW z regulatorem PQ Jednak w wyniku połączenia elektrowni z GPZ linią kablową w miejscu przyłączenia do GPZ pojawia się moc pozorna pojemnościowa. Do kompensacji tej mocy wymagany jest kompensator indukcyjny. Rysunek Nr 9. przedstawia schemat symulacyjny falownika z dodatkowym regulatorem PQ. W wyniku działania tego regulatora falownik elektrowni oprócz regulowanej mocy czynnej może także dostarczyć regulowaną moc bierną. Rysunek nr. 10 Wyniki badań układu schemat rysunek nr. 9 dla pojemnościowej mocy biernej. Rysunek nr. 11. Wyniki badań mocy biernej i czynnych w układzie którego schemat przedstawia rysunek nr. 9. dla innych wartości zadanych niż na rysunku nr. 10 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

9 Może ona być użyta do kompensacji mocy biernej linii kablowej. Rozwiązanie jest znacznie bardziej złożone niż układ falownika z regulatorem prądu. Rysunek Nr 12 przedstawia schemat symulacyjny układu falownika tyrystorowego w który wyposażano starsze typy elektrowni wiatrowych. Rysunek nr. 12. Schemat symulacyjny falownika tyrystorowego sterowanego w starszych wersjach EW. Dodatkowo dla poprawy współczynnika THDI w układzie tego typu EW muszą być dołączone dodatkowe bierne filtry LC. Powoduje to, że generacja mocy biernej pojemnościowej następuje nie tylko w wyniku pojemności linii kablowej. Aby do GPZ z EW była przekazywana tylko moc czynna konieczny jest dodatkowy większy niż w układzie falownika tranzystorowego regulator mocy indukcyjnej. Pokazano to na rysunku Nr 13. Rysunek 13 Wybrane wyniki badań falownika 12-p z równoległym połączeniem wyjść mostków i filtrem biernym LC schemat rys III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

10 Dodatkowo wadą elektrowni z falownikiem tyrystorowym i tranzystorowym z regulatorem prądu jest to że nie mogą one pracować w układzie wyspy. Wady takiej ma układ EW z falownikiem pracującym z regulatorem PQ. Więcej informacji na ten temat można znaleźć pozycji[8] literatury. Ponieważ problem cyrkulacji mocy biernej w układach elektrowni wiatrowych staje się coraz bardziej kłopotliwa w szczególności w farmach [7] EW są prowadzone prace badawcze mające na celu rozwiązanie tego problemu. Jedną z rokujących największe szanse na sukces ma metoda zastąpienia linii przesyłowych z EW do GPZ z linii przemienno prądowej na linię prądu stałego. Rysunek nr. 14. Schemat symulacyjny farmy wiatrowej dla 6 EW z siecią przesyłową prądu stałego. Rysunek Nr. 14 [8] przedstawia schemat symulacyjny do badania układu farmy wiatrowej EW w którym Energia jest przekazywana przez linię prądu stałego. Rysunek Nr 15. przedstawia wybrane wyniki badań układu rysunek schemat Nr 14. Jak wynika z otrzymanych [8] wyników farma przekazuje do GPZ tylko moc czynną. Może także pracować poprawnie jeśli np. zostały wyłączone np. dwie EW farmy. Rysunek 15 Wybrane wynik z symulacji układu farmy wiatrowej schemat rysunek 14 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

11 3. Wnioski 1) W wyniku wzrastającej liczby instalowanych elektrowni wiatrowych wywoływana przez nie cyrkulacja mocy biernych może mieć wpływ na pracę SEE. 2) Projektując przyłączenie EW do SEE można się obecnie posługiwać złożonymi metodami numerycznymi. 3) Zamiana w przyszłości linii kablowych prądu zmiennego na linie prądu stałego może znacznie ograniczyć problemy cyrkulacji mocy biernych w układzie farma wiatrowa GPZ. 4. Spis lektury 1. Schulz D. Grid integration of Wind Energy System in Power Electronics In Smart Electrical Networks (Eds. Strzelecki R, Benysek G.) Springer London Nowak M., Barlik R., Poradnik inżyniera energoelektronika WNT Warszawa Heier S. Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems John Wiley and sons Chichester Dmowski A. I inni Energoelektronika w układach elektrowni wiatrowych konferencja Nowoczesne Urządzenia Zasilające w Energetyce Kazimierz Lubośny Z. Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym WNT Bucholz B. Smart Grids Power Systems konferencja Distributed Energy Resources Warszawa Meyer C. Key Components for Future Offshore DC Grids praca doktorska RWTH Aachen Układy elektryczne umożliwiające włączenie elektrowni wiatrowej (EW) do sieci systemu elektroenergetycznego (SEE) Grant Rektorski PW 2011 Dmowski A., Biczel P., i inni Autor referatu dziękuje firmie APS Energia za udostępnienie programu PSIM-9 pomocnego przy przygotowaniu tego referatu. 18 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012