Elektrownie wiatrowe Norma IEC 61400-21 / IRiESD Mateusz DUTKA Kraków, 10.10.2018
Farma wiatrowa (IRiESD) - Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej» Farma wiatrowa Jednostka wytwórcza lub zespół tych jednostek wykorzystujących do wytwarzania energii elektrycznej energię wiatru, przyłączonych do sieci w jednym miejscu przyłączenia.
Typy generatorów Farma wiatrowa Typy generatorów występujących w farmach wiatrowych: o maszyna prądu stałego o maszyna asynchroniczna: klatkowe o o pierścieniowe (wirnik zasilany jest przez przekształtnik umożliwiający dwukierunkowy przepływ energii) maszyna synchroniczna maszyna z magnesami trwałymi
Przykładowa farma wiatrowa» Moc zainstalowana: ~30 MW» Wysokość wieży: 85 m» Liczba skrzydeł: 3» Rozruchowa oraz maksymalna prędkość wiatru: 2,5 oraz 28,0 m/s» Powierzchnia farmy: ~ 270 ha» Średnica wirnika/długość skrzydeł: 71 m / 40 m» Powierzchnia obrotowa wirnika: 3959 m2» Turbina: bezprzekładniowa o zmiennej prędkości, z regulacją nachylenia łopat
Przykładowa farma wiatrowa Krzywa mocy
Sezonowa zmienność produkcji Summer Summer Summer 2012-2013 NORTH kierunek wiatru Winter Winter Winter 2012-2013 NORTH WEST 6% 4% 2% SOUTH 10% 8% EAST P(dir) [MW] 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 WEST 4% 2% SOUTH 6% 10% 8% EAST P(dir) [MW] 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5
Sezonowa zmienność produkcji wiosna lato jesień zima Prędkość wiatru [m/s] 5,7 5,2 6,5 7,0 Moc [MW] 5,7 4,5 8,1 9,4 Temperatura [ C] 12 19 7 3 Temp. Min [ C] 1,8 8,8-7,9-11,9 Temp. Max [ C] 30,8 32,1 22,8 14,9 Pracujących turbin 14 14 14 12
Stany pracy farmy wiatrowej
Farma wiatrowa (IRiESD)» Wymagania wobec Farm wiatrowych: 3.13 Farmy wiatrowe z generatorami asynchronicznymi należy wyposażyć w automatykę bezzwłocznego wyłączania elektrowni po przejściu do pracy na wydzieloną sieć. 3.14 W przypadku zwarcia w linii, do której przyłączona jest farma wiatrowa automatyka zabezpieczeniowa farmy powinna: a) wyłączać ją w czasie krótszym od czasu działania istniejącego zabezpieczenia linii, b) załączać farmę samoczynnie po czasie nie krótszym niż 30 s, liczonym od zakończenia udanego cyklu SPZ. 3.15. W przypadku zwarcia w farmie wiatrowej z generatorem asynchronicznym automatyka zabezpieczeniowa powinna wyłączać ją bezzwłocznie lub ze zwłoką czasową uzgodnioną z TAURON Dystrybucja.
Farma wiatrowa (IRiESD)» Wymagania wobec Farm wiatrowych: 3.16. W przypadku zadziałania SZR w stacji, do której przyłączona jest farma wiatrowa, automatyka zabezpieczeniowa farmy powinna: a) wyłączać ją w czasie krótszym od czasu działania istniejącego zabezpieczenia stacji, b) załączać farmę samoczynnie po czasie 30 s, liczonym od zakończenia cyklu SZR. 3.17. TAURON Dystrybucja może zdecydować o potrzebie stosowania zabezpieczeń różnicowoprądowych dla poszczególnych rodzajów jednostek wytwórczych.
Farma wiatrowa (IRiESD) 8. DODATKOWE WYMAGANIA DLA FARM WIATROWYCH PRZYŁĄCZANYCH DO SIECI DYSTRYBUCYJNYCH 8.1.4 Wymagania techniczne dla farm wiatrowych obejmują następujące zagadnienia: a) regulacja mocy czynnej, b) praca w zależności od napięcia i częstotliwości, c) załączanie do pracy i wyłączanie z sieci, d) regulacja napięcia i mocy biernej, e) wymagania dla pracy przy zakłóceniach w sieci, f) dotrzymywanie standardów jakości energii elektrycznej, g) elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa, h) systemy monitoringu i telekomunikacji, i) testy sprawdzające.
Norma IEC 61400-21 Celem normy IEC 61400-21 jest przedstawienie jednolitej metodologii zapewniającej spójność i dokładność pomiaru oraz oceny parametrów charakteryzujących jakość energii dla siłowni wiatrowych (SW). Niniejsza norma zawiera zalecenia dotyczące przeprowadzenia pomiarów i oceny jakości energii dla siłowni wiatrowych przyłączonych do sieci zasilającej. Procedury pomiarowe dotyczą siłowni wiatrowych dowolnej wielkości. Norma wymaga jedynie, aby zgodnie z jej zaleceniami badać i charakteryzować te typy siłowni, których punkt PCC znajduje się na poziomie napięcia średniego lub wysokiego.
Wskaźnik migotania światła podczas pracy ciągłej (dotyczy siłowni wiatrowych) Znormalizowana miara emisji migotania światła podczas pracy ciągłej siłowni wiatrowej: P st, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci zasilającej; S n - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej; S k,fic UWAGA ( ) - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej. Wskaźnik migotania światła przy pracy ciągłej jest taki sam dla krótkiego (10 min) i długiego (2h) okresu czasu. c k = P st,fic S k,fic S n
Skokowy wskaźnik migotania światła (dotyczy siłowni wiatrowych) Znormalizowana miara emisji migotania światła wywołanej pojedynczym procesem łączeniowym w siłowni wiatrowej: k,fic 0, kf k Pst,fic Tp 130 Sn T p - okres pomiarowy, wystarczająco długi, by mieć pewność, że zaniknął nieustalony przebieg łączeniowy, dzięki czemu podlegają ograniczeniu do pomijanie małych wartości możliwe zmiany mocy wywołane turbulencjami, P st, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci zasilającej; S n - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej; - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej. S k,fic 1 S ( ) 31 =
Kąt fazowy impedancji sieci Kąt fazowy impedancji sieci zasilającej: ( ) = arctg X R k k k X k R k - reaktancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej; - rezystancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej.
Model sieci zasilającej Jednofazowy schemat modelu sieci zasilającej: Model sieci składa się z: idealnego źródła napięcia fazowego o wartości chwilowej u 0 (t) impedancji sieci będącą połączeniem szeregowym rezystancji R fic i indukcyjności L fic. siłownia wiatrowa jest reprezentowana przez generator prądu i m (t), stanowiący zmierzoną wartość chwilową prądu fazowego.
Model sieci zasilającej Korzystając z poniższego równania należy dobrać wartości R fic i L fic tak, aby uzyskać odpowiedni kąt fazowy impedancji k tg ( ) k = 2 f g R fic L fic = X fic R fic Trójfazowa zwarciowa moc pozorna dla modelu sieci określona jest poniższym równaniem: S k,fic = R 2 fic U 2 n + X 2 fic
Ocena jakości energii Siłownie wiatrowe Metody oceny zgodności z wymaganiami dotyczącymi jakości energii znajdują zastosowanie w przypadku siłowni wiatrowych z punktem wspólnego przyłączenia na średnim lub wysokim napięciu, w systemach elektroenergetycznych o stałej - z dokładnością do 1 Hz - częstotliwości, o dostatecznych możliwościach regulacji mocy czynnej i biernej oraz, by zaabsorbować energię wytwarzaną przez elektrownie wiatrową. Ocenie jakości energii podlega: 1. Napięcie w stanie ustalonym. 2. Wahania napięcia (Praca ciągła / Procesy łączeniowe). 3. Harmoniczne.
Sprawdzenie wymagań» Weryfikacja spełniania przez farmę wiatrową wymagań IRiESD może zostać przeprowadzana na podstawie: a) dostarczonych certyfikatów, oświadczeń oraz dokumentacji technicznych, b) obiektowych testów sprawdzających parametry techniczno - ruchowe, c) monitorowania pracy farmy wiatrowej, d) pomiarów wpływu farmy wiatrowej na jakość energii elektrycznej.» Testy mogą dotyczyć w szczególności m.in.. charakterystyki mocy farmy wiatrowej w funkcji prędkości wiatru, uruchamiania i odstawienia farmy wiatrowej, działania systemu regulacji mocy czynnej, biernej i napięcia.
» Zgodnie z normą IEC 61400-21 Badanie oddziaływania turbin wiatrowych seria IEC 61400 dotyczy różnych aspektów budowy turbin» Norma opisuje badanie charakterystyki regulacji mocy czynnej i biernej wahań napięcia odkształcenia prądu: harmonicznych, interharmonicznych i składowych wysokiej częstotliwości odporności na pracę podczas zapadów napięcia zabezpieczeń sieciowych i procedury ponownego załączenia» Norma opisuje sposób raportu wyników końcowych» Testy są tak dobrane, aby wyniki były reprezentatywne dla turbiny danego typu zainstalowanej w dowolnym miejscu.
Ocena emisji odkształconego prądu» Pomiar harmonicznych, interharmonicznych oraz THC Pomiary podgrup harmonicznych wg IEC 61000-4-7 do 50. rzędu Dodatkowo składowe w paśmie 2 khz do 9kHz Wartości skuteczne harmonicznych prądu zagregowane za 10 min» Przy mocy turbiny zmiennej w zakresie od 0% do 100% ze skokiem 10% P N przynajmniej 9 wartości dla każdego 10% przedziału mocy liczona jest średnia dla każdego 10% przedziału mocy raportowana jest wartość maksymalna ze wszystkich 10 przedziałów» Pomiar można wykonać typowymi miernikami jakości energii elektrycznej zbudowane w oparciu o wymagania IEC 61000-4-30
Ocena odporności na zapady napięcia» Test prowadzony przy turbinie odłączonej od sieci w układzie z emulatorem zapadów» Dwie sytuacje: moc turbiny między 10% a 30%P N oraz powyżej 90% P N» Sześć rodzajów zapadów napięcia różniące się głębokością, czasem trwania oraz poziomem asymetrii» Mierzone są wartości: mocy czynnej i biernej, prądu oraz napięcia na zaciskach turbiny
Pomiary mocy czynnej i biernej» Testy mocy czynnej moc maksymalna przy wietrze w zakresie od 1 m/s do 15 m/s z krokiem co 1 m/s zadane narastanie liniowe mocy z szybkością 10% P N /min przy dostępnej mocy minimum 50% P N zadane skokowe zmniejszanie mocy od 100% P N do 20% P N ze skokiem 20% P N co dwie minuty dostępna moc to minimum 90% P N» Testy mocy biernej maksymalna moc pojemnościowa i indukcyjna dla mocy czynnej z przedziału 0% P N 100% P N z krokiem co 10% P N zadana wartość mocy biernej 0 kvar skokowe zmiany zadanej mocy biernej co 2 minuty wartości: 0, maksymalna pojemnościowa, maksymalna indukcyjna
Ocena jakości energii Napięcie w stanie ustalonym Praca elektrowni wiatrowej może wywierać wpływ na ustaloną wartość napięcia w sieci zasilającej, do której elektrownia jest podłączona. Celem oceny tego wpływu, tj. upewnienia się, że elektrownia nie powoduje wykroczenia napięcia poza dopuszczalne granice, zaleca się przeprowadzanie analiz rozpływu mocy. Instalację z wieloma siłowniami można oceniać przyjmując moc wyjściową w punkcie PCC. Dziesięciominutowe wartości średnie (P mc i Q mc ) oraz wartości 60-sekundowe (P 60 i Q 60 ) mogą być obliczane przez proste sumowanie, podczas gdy wartości średnie 0,2-sekundowe (P 0,2 i Q 0,2 ) mogą być obliczane zgodnie z poniższymi równaniami: P 0,2 = N wt i= 1 P n,i + N wt ( P0,2,i Pn,i ) i= 1 2 Q 0,2 = N wt i= 1 Q n,i + N wt ( Q0,2,i Qn,i ) i= 1 2,gdzie N wt jest liczbą siłowni w zespole.
Ocena jakości energii Wahania napięcia Emisje migotania światła z elektrowni wiatrowej trzeba ograniczyć w taki sposób, aby mieściły się one w granicach określonych poniższymi nierównościami. P st E Psti P lt E Plti gdzie P st i P lt - krótko- i długookresowy wskaźnik migotania światła powodowanego pracą elektrowni wiatrowej; E Psti i E plti - krótko- i długookresowe granice emisji migotania światła dla rozważanego PCC. Zalecane metody oceny wartości granicznych emisji migotania światła oraz maksymalnej dopuszczalnej zmiany napięcia dla instalacji pracujących na poziomie napięć średnich i wysokich podano w IEC 61000-3-7.
Ocena jakości energii Wahania napięcia - Praca ciągła» 99-percentylową emisję migotania światła z pojedynczej siłowni wiatrowej podczas pracy ciągłej należy szacować korzystając z poniższego równania: P ( v ) st = Plt = c k, a S S n k gdzie» c( k,v a ) - wskaźnik migotania światła z siłowni wiatrowej przy danym kącie fazowym k impedancji sieci w PCC oraz danej średniorocznej prędkości wiatru v a na wysokości piasty siłowni wiatrowej w miejscu jej zainstalowania;» S n - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;» S k - zwarciowa moc pozorna w PCC;
Ocena jakości energii Wahania napięcia - Procesy łączeniowe» Emisję migotania światła wskutek procesu łączeniowego pojedynczej siłowni wiatrowej można szacować posługując się poniższymi równaniami: gdzie P P st 18 0,31 10 ( ) = N k 0,31 120 k f ( k ) jest skokowym wskaźnikiem migotania światła dla siłowni wiatrowej przy danej wartości k w PCC. f f k ( ) = N k lt 8 k S S S S n k n k
Ocena jakości energii Harmoniczne» Siłownia wiatrowa z generatorem asynchronicznym bezpośrednio podłączonym do sieci elektrycznej oraz siłownie wiatrowe z bezpośrednio podłączonym generatorem synchronicznym, są źródłem jedynie bardzo ograniczonej emisji prądów harmonicznych, których dalsza ocena nie jest wymagana przez niniejszą normę.» W przypadku siłowni wiatrowej z energoelektronicznym przekształtnikiem, można osiągnąć odpowiednie ograniczenia harmonicznych stosując się do wytycznych podanych w IEC 61000-3-6.
Ocena jakości energii Harmoniczne» W normie IEC 61000-3-6 podano wytyczne dotyczące sumowania odkształcenia harmonicznego prądów spowodowanego pracą różnych odbiorników. Zgodnie z tymi wytycznymi, wartość harmonicznej prądu w PCC, pochodzącej od elektrowni wiatrowej, w skład której wchodzi szereg siłowni, można oszacować stosując poniższe równanie: gdzie N wt I h,i h = i= 1 ni N wt - liczba siłowni wiatrowych przyłączonych w PCC; I h - prąd harmonicznej h-tego rzędu w PCC; n i - przekładnia transformatora i-tej siłowni; I h,i - prąd harmonicznej h-tego rzędu dla i-tej siłowni wiatrowej; - wykładnik potęgowy podany w tablicy, I lub równy 1 jeśli wszystkie turbiny takie same i są wyposażone w przekształtniki o komutacji naturalnej (sieciowej).
Dotrzymanie standardów jakości energii elektrycznej» Farma wiatrowa nie powinna powodować nagłych zmian i skoków napięcia przekraczających 3%U n. jeśli skoki napięcia mają charakter powtarzający się to zmiana wartości napięcia nie może przekroczyć: 2.5% dla 10 zmian na godzinę 1.5% dla 100 zmian na godzinę wymagania te dotyczą również rozruchów sposób pomiaru zmian i skoków nie został określony» Szybkie zmiany napięcia spowodowane pulsacją mocy farmy wiatrowej o częstotliwości rzędu 1 Hz powinny mieć amplitudę nie większą niż 0,7% 30
Dotrzymanie standardów jakości energii elektrycznej» Niejednoznaczne określenie wpływu na poziom wahań napięcia OSD określa wprost wartość wahań w punkcie przyłączenia Wartości liczbowe są takie same dla OSP i OSD» Graniczne wartości współczynników wahań napięcia >110 kv 110 kv SN P st 0,30 0,35 0,45 P lt 0,20 0,25 0,35 Pomiar po przyłączeniu farmy podczas jej pracy, przez reprezentatywnie długi okres czasu 31
Dotrzymanie standardów jakości energii elektrycznej» Odkształcenie napięcia w punkcie przyłączenia farmy wiatrowe nie powinny powodować odkształcenia napięcia większego niż >110kV 110kV OSP 110kV OSD SN THD 1,5% 2,5% 2% 4% Harmoniczne od 2 do 50 1% 1,5% 0,7% 1,5% 32
Przykładowy wygląd raportu Ch-ka mocy w zakresie P i Q Maksymalna liczba łączeń w różnych stanach pracy Oddziaływanie w zakresie harmonicznych Oddziaływanie w zakresie wahań napięcia 33
Pomiary rzeczywistych farm Wahania napięcia Załączona farma wiatrowa Wyłączona farma wiatrowa
Pomiary rzeczywistych farm Zmiana napięcia
Emission (% of limit) Pomiary rzeczywistych farm Harmoniczne 175% 150% 125% 100% Nordex N90 vestas V90 Enercon E82 75% 50% 25% 0% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Harmonic order Źródło: Math Bollen
Emission (% of rated) Pomiary rzeczywistych farm Interharmoniczne 1,0% 0,8% 0,6% Nordex N90 vestas V90 Enercon E82 0,4% 0,2% 0,0% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Interharmonic order Źródło: Math Bollen
Pomiary rzeczywistych farm Szybkie zmiany napięcia WYŁĄCZENIE TURBINY WIATROWE
Podsumowanie Elektrownie wiatrowe Możliwości i zalety: 1. Dystrybutor może w warunkach przyłączenia określić wymóg przystosowania farmy do automatycznej regulacji mocy i zażądać, aby regulacja mocy farmy wiatrowej była dostosowana do automatycznej regulacji zdalnej (8.1.9 - IRiESD) 2. Dystrybutor może określić w warunkach przyłączenia farm wiatrowych przystosowanie do udziału w regulacji częstotliwości w systemie elektroenergetycznym, poprzez zmianę mocy po zmianie częstotliwości. Wymaganie to dotyczy pełnego zakresu obciążenia farmy wiatrowej. (8.3.5 - IRiESD) 3. Farma wiatrowa musi mieć możliwość regulacji współczynnika mocy lub napięcia w miejscu przyłączenia do sieci lub innym określonym w warunkach przyłączenia. TAURON Dystrybucja w warunkach przyłączenia do sieci określa wymagania w tym zakresie, wraz z potrzebą zastosowania automatycznej regulacji zdalnej. (8.5.2 - IRiESD) 4. Brak konieczności transmisji energii (lokalna produkcja, odciążenie sieci)
Podsumowanie Elektrownie wiatrowe Wady: 1. Wprowadzenie dodatkowych wahań napięcia Pst, Plt (Praca ciągła, Efekty łączeniowe) 2. Zmienność U w wyniku zmian wielkości produkcji (ograniczenie IRiESD) 3. Wprowadzenie harmonicznych, w szczególności wyższych rzędów 4. Zdalne wyznaczanie wartości regulowanych P,Q jest jeszcze problematyczne w przypadku farm wiatrowych przyłączonych szczególnie w głębi sieci dystrybucyjnej.