Wind Power in Power Systems 5. Power Quality Standards for Wind Turbines (Sähkön laatustandardit tuuliturbiineille) 01/05/2019

Johdanto Tuulivoima vaikuttaa jännitteen laatuun Vaikutukset pyrittävä määrittelemään jo ennen tuuliturbiinin kytkemistä verkkoon Jotta vaikutuksia voidaan arvioida tulee tietää tuuliturbiinien sähköisiä ominaisuuksia IEC 61400-21 Standardi IEC 61400-21 (Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines) on käytössä suurimmalla osalla tuuliturbiinien valmistajista IEC 61400-21 kuvaa menettelytavat, joilla voidaan arvioida tuuliturbiinien vaikutusta sähkön laatuun IEC 61400-21 on ensimmäinen tähän aiheeseen pureutuva standardi 01/05/2019

Tuuliturbiinien tunnusluvut Nimellisarvot Pn, Qn, Sn, Un ja In Suurin sallittu teho Suurin sallittu teho Pmc annetaan 10 minuutin keskiarvona Yleensä aktiivisella tehon säädöllä varustetussa tuuliturbiinissa Pmc = Pn Suurin mitattu teho Suurin mitattu teho mitataan joko 60 sekunnin keskiarvona P60 tai 0,2 sekunnin keskiarvona P0.2 relesuojaus ja saarekekäyttötarkastelut Loisteho määritetään 10 minuutin keskiarvona pätötehon 10 minuutin keskiarvon funktiona 5. Välkyntäkerroin (flicker coefficient) Tehon vaihtelut normaalin toiminnan aikana aiheuttavat jännitteen vaihtelua verkossa Jännitteen vaihtelut aiheuttavat ärsyttävää valojen valkyntää 01/05/2019

Tuuliturbiinien tunnusluvut Maksimimäärä tuuliturbiinin kytkentöjä Kytkentätapahtumat voivat aiheuttaa merkittäviä jännitemuutoksia Tuuliturbiinin käynnistäminen tuulen nopeudella, jolloin tuuliturbiini tulisi sammuttaa Tuuliturbiinin käynnistäminen tuulen nimellisnopeudella Pahin kytkentätilanne generaattoreiden kesken Välkyntäaskelkerroin (flicker step factor) Välkyntäaskelkerroin on normalisoitu arvo välkynnän suuruudelle johtuen yhdestä kytkentätapahtumasta Jännitteen vaihtelukerroin Jännitteen vaihtelukerroin on normalisoitu arvo jännitteen vaihtelulle johtuen yhdestä kytkennästä Harmoniset virrat Yksittäiset harmoniset virrat Ih annetaan 10 minuutin keskiarvoina kaikille harmonisille päättyen harmoniseen järjestysluvultaan 50 sillä ulostuloteholla, mikä antaa suurimmat harmoniset virrat Myös THD:n maksimiarvo on esittetävä. Tp on jännitevaihtelun kestoaika kytkennän aikana Pst on tuuliturbiinin syöttämän välkynnän suuruus 01/05/2019

Tuuliturbiinien tunnusluvut 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun (esimerkkitapauksen esittely) 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun (esimerkissä käytettyjen tuuliturbiinien tunnusluvut) 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun Hitaat jännitemuutokset Standardin EN 50160 mukaan: ”Jokaisen viikon aikana 95 % jakelujännitteen tehollisarvojen 10 minuutin keskiarvoista tulee olla välillä Un ± 10 %.” Kaikkien jakelujännitteen tehollisarvojen 10 minuutin keskiarvojen tulee olla välillä Un + 10 / - 15 %.” Tehokerroin 1 liioittelee hieman jännitteitä Välkyntä välkynnän häiritsevyysindeksin tulee olla Plt ≤1 95 % ajasta Häiritsevyys on tosin subjektiivista Standardissa IEC 61400-21 on ohjeet yhden tai kokonaisen tuulipuiston välkynnän määrittämiseen 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun Kytkennät Määriteltäessä kytkennöistä aiheutuvaa välkyntää oletetaan, että kaikki tuuliturbiinit luonnehditaan välkyntäaskelkertoimella kf(ψk) (flicker step factor) Lisäksi määrittelyssä oletetaan, että jokaiselle tuuliturbiinille on annettu maksimikäynnistysten määrä kymmenen minuutin ja kahden tunnin aikana (N10 ja N120) Määritellään pahimmassa kytkentätilanteessa Esimerkissä rajat ylitetään, joten pitäisi valita pienemmän välkyntäaskelkertoimen omaavat tuuliturbiinit Jatkuva toiminta Määriteltäessä jatkuvan tilan välkyntää oletetaan, että kaikille tuuliturbiineille on annettu välkyntäkerroin c(ψk,va) Esimerkille laskettu Pst=Plt = 0,49, joten pysytään rajan alla (0,5) Suurempaa tuulipuistoa suunniteltaessa tulisi siis valita sellaisia tuuliturbiineja, joilla on pienempi välkyntäkerroin c 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun (jatkuva toiminta) 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun Jännitekuopat Jännitekuoppa määritellään standardissa EN 50160 seuraavasti: ”Jakelujännitteen äkillinen aleneminen välille 1...90 % Uc ja jännitteen palautuminen lyhyen ajan kuluttua.” ”Jännitekuopan kesto on tavallisesti 10 millisekunnista 1 minuuttiin.” ”Jännitekuopan suuruus määritellään vertaamalla jännitteen alinta tehollisarvoa sopimuksen mukaiseen jakelujännitteeseen. Tuuliturbiinin käynnistyksen aiheuttama jännitekuoppa lasketaan seuraavasti: Esimerkille d= 3 %, joten ei ongelmaa Yleensä ei samanaikaisia käynnistyksiä Ei suuri ongelma Harmoniset jännitteet Epälineaariset kuormat aiheuttavat häiriöitä jännitteiden aaltomuotoon Standardin EN 50160 mukaan normaaleissa käyttöolosuhteissa, jokaisen viikon aikana 95 % jokaisen yksittäisen harmonisen yliaaltojännitteen 10 minuutin keskimääräisistä tehollisarvoista tulee olla pienempi tai yhtä suuri kuin kuvan 5.5 arvot Kuitenkin THD:n tulee olla pienempi tai yhtä suuri kuin 8 % Kompensoinnissa käytetyt kondensaattorit voivat siirtää resonanssitaajuutta Esimerkissä ei ongelmia, koska turbiineissa ei ole tehoelektroniikkaa 01/05/2019

Vaikutukset jännitteen laatuun (harmoniset) 01/05/2019

Pohdinta ja yhteenveto Ennen standardia IEC 61400-21 käytössä oli vain joitain yksinkertaistettuja sääntöjä, joiden perusteella ratkaistiin, voiko tuulivoimaa liittää verkkoon esimerkiksi sellainen sääntö, että tuulivoimala saa aiheuttaa korkeintaan 1 % jännitteen nousun Jos tätä sääntöä käytetään luvussa mainittuun esimerkkiin saadaan jännitteen nousuksi ∆U=6,8 % 1 %:n säännöllä esimerkin verkkoon voitaisiin liittää vain 550 kW tuulivoimaa Esimerkeissä todettiin, että kyseiseen verkkoon voidaan ilman ongelmia liittää 5 x 750 kW tuulivoimaa Mahdollisesti enemmänkin, jos valitaan kehittyneempiä tuuliturbiineja 01/05/2019