Department of Electrical Energy Engineering 1 11/01/2015 Jatko-opintokurssi Wind Power in Power Systems Kappale: 15 Wind Farms in Weak Power Networks in India Jussi Antikainen

Department of Electrical Energy Engineering 2 11/01/2015 Johdanto Tuulivoimaloiden rakentaminen kiihtyi Intiassa 1990-luvulla sen ollessa kiivainta koko maailmassa verrattuna muihin kehitysmaihin syynä tuotantotuet ja veroalennukset Tuulivoiman tarkastelu Intiassa on mielenkiitoista koska, verkot ovat heikkoja verkot ovat rakenteilla Tuuliturbiinit ovat pääasiassa kW, vaihteluväli kW Yleisimmät tyypit A0 ja A1 sekä D1 (B, C ja D löytyvät myös) Voimaloiden kondensaattorit ovat mitoitettu yleisesti tyhjäkäyntitilan loistehon tarpeen mukaan Mistä verkkojen heikkous johtuu? väestön nopea kasvu teollinen kehitys taloudellinen nousu  tehon tarpeen voimakas kasvu on aiheuttanut verkkoinvestointien jäämisen yhteiskunnallisen kehityksen jalkoihin

Department of Electrical Energy Engineering 3 11/01/2015 Intian sähköverkkojen ominaisuuksia ja tarkasteltava verkko Intian sähköverkko koostuu neljästä ei-synkronoidusta osajärjestelmästä Järjestelmät ovat yhteydessä toisiinsa DC-linkeillä Järjestelmät ovat kunnallisissa omistuksissa (eng. publicly owned?) Jokaista järjestelmää hallinnoi oma hallitus

Department of Electrical Energy Engineering 4 11/01/2015 Tarkasteltavan verkon ominaisuuksia (pätevät yleisesti myös muualla Intiassa) Siirtokapasiteetin ongelmat Tuulivoiman tuotanto on keskittynyt maaseutualueille, joiden verkon ovat erityisen heikkoja esimerkkinä tarkasteltavan verkon alueelle rakennettiin 600 MW tuulivoimaa, kun “renkaan” siirtokapasiteetti oli aluksi vain 200 MW. Pysyvän tilan jännitteet kapasiteettiongelmat aiheuttavat voimakkaita muutoksia verkon jännitteissä kuormitusvaihtelut pääsyy jännitevaihteluihin, myös tuulivoima vaikuttaa ei automaattista säätöä Intian standardi sallii ±12,5 % vaihtelun  kuvassa jopa -15 %

Department of Electrical Energy Engineering 5 11/01/2015 Tarkasteltavan verkon ominaisuuksia (pätevät yleisesti myös muualla Intiassa) Taajuus Intian sähköverkoissa taajuus vaihtelee huomattavasti Taajuuden alittaessa standardin alarajan otetaan oletettavasti käyttöön kuormien ohjaus Tuulivoiman ei oleteta olevan pääsyyllinen taajuuden vaihteluun tarkastelualueella tuulivoiman osuus on pieni suhteessa Etelä-Intian yhteenkytkentyn verkon muuhun tuotantoon Intian standardi sallii ±3 % vaihtelun (48,5..54,5 Hz)  kuvassa Hz

Department of Electrical Energy Engineering 6 11/01/2015 Tarkasteltavan verkon ominaisuuksia (pätevät yleisesti myös muualla Intiassa) Loistehon kulutus Intian sähköverkoissa kulutetaan merkittävästi loistehoa johtuu maataloudessa käytetyistä pumpuista Loistehon kulutus ja sen siirto lisää häviöitä, pienentää entisestään pätötehon siirtokapasiteettia, pienentää tahtikoneiden pätötehon tuottokykyä ja kasvattaa jännite-epätasapainon riskiä  alleviivaus: ei ongelma monissa maissa mutta on ongelma Intiassa! Jännitteen epäsymmetria Maaseutulähdöillä on suuria epäsymmetriaongelmia yksivaiheiset kuormat ja yksivaiheinen kuormien ohjaus? Tuulipuistolähdöillä ei tätä ongelmaa

Department of Electrical Energy Engineering 7 11/01/2015 Tuuliturbiineiden vaikutuksia verkkoihin Tuulivoimaloiden liittämisen yksi tärkeimmistä suunnittelukriteereistä on voimalan vaikutukset verkon jännitteisiin Intian 11/33 kV maaseutuverkoissa hyväksytään tuulivoimalan aiheuttama +6/-9 % jännitemuutos Jos voimala liitetään omalle lähdölleen rajat harkitaan tapauskohtaisesti Tuulivoimaloiden kuluttama loisteho huonontaa muiden voimalaitosten tehokerrointa loistehoa kuluttaa epätahtigeneraattorin lisäksi liittämiseen käytetyt muuntajat ja myös voimaloita liittävät lähdöt loistehon kulutukseen tai tuotantoon vaikuttaa käytetty voimalatyyppi Intiassa kaikilla alueilla ei ole ollut loistehotariffeja, tällöin voimaloiden omistajat ovat laiminlyöneet kompensointiin tarvittavat investoinnit

Department of Electrical Energy Engineering 8 11/01/2015 Tuuliturbiineiden vaikutuksia verkkoihin Harmoniset ja epäharmoniset yliaallot IEC standardi määrittelee yliaaltomittaamistarpeen kohdistuvan voimaloihin, jotka on liitetty verkkoon konvertteripohjaisella ratkaisulla yliaaltolähteenä voi olla myös verkkoon suoraan kytketty voimala tälläisessa tapauksessa yliaaltojen mittaamiseen ei ole sovittua yhteistä säveltä syitä: epäsäännölliset generaattorin käämitykset, voimalan kondensaatoreiden ja verkon reaktanssien välinen resonanssi

Department of Electrical Energy Engineering 9 11/01/2015 Tuuliturbiineiden vaikutuksia verkkoihin Yliaallot Radhapuramin sähkö- asemalla merkittävä määrä yliaaltoja I ja U särö noin 6 % Ko. asemalle liitettyjen voimaloiden konverttereiden kytkentätaajuus on 5 kHz kuvassa esiintyvät yliaaltopiikit osuvat sopivasti ko. taajuuden monikertojen kohdalle Viereiset sähköasemat kokevat haittaa Radhapuramin yliaalloista vain vähän 110 kV verkon kapasitanssit suodattanevat osan aalloista

Department of Electrical Energy Engineering 10 11/01/2015 Verkkojen vaikutuksia tuuliturbiineihin Tehon tuotanto Heikoissa maaseutuverkoissa tuulivoiman tuotantoa haittaavat merkittävästi:  Keskeytykset: tuotanto luonnolllisesti nolla keskeytyksen aikana  Jännite-epäsymmetria: lisää epätahtigeneraattorin häviöitä ja lämpenemää lämpenemällä häviöitä suurempi vaikutus tehon tuotantoon  Alijännitteet: alijännitereleiden turhat toiminnot aiheuttavat tehon tuotannon keskeytyksiä, lisäävät myös generaattoreiden häviöitä ja lämpenemää lämpenemällä häviöitä suurempi vaikutus tehon tuotantoon.. sekä..

Department of Electrical Energy Engineering 11 11/01/2015 Verkkojen vaikutuksia tuuliturbiineihin Verkon taajuuden muutokset ongelmallista lähinnä sakkaussäätöisille turbiineille taajuuden muutos aiheuttaa roottorin pyörimisnopeuden muutoksen tästä johtuen roottorista nähty suhteellinen tuulen nopeus muuttuu ja muuttaa lapojen ominaisuuksia saada tuulesta tehoa irti tehon muutos voi olla jopa 20 % sopivalla tuulen nopeudella konvertterilla verkkoon liitettyjen voimaloiden kohdalla ongelmaa ei ole roottorin nopeus voidaan pitää optimitasolla

Department of Electrical Energy Engineering 12 11/01/2015 Verkkojen vaikutuksia tuuliturbiineihin Turvallisuus, voimaloiden elinaika ja komponenttien kuormittuminen Keskeytykset, taajuus- ja jännitemuutokset verkossa lisäävät voimaloiden vikaantumisriskiä Tämä johtuu mekaanisten ja sähköisten rasistusten kasvamisesta Loistehon kompensointi Tuulivoimalan loistehonkulutuksella on vaikutusta verkkoon mutta asia voidana nähdä myös toisin päin  verkolla on vaikutusta voimalaitoksen loistehon kulutukseen Jännite vaikuttaa voimalan loistehon kulutukseen, taajuudella on myös vaikutusta esimerkki: jännite 100 %  tehokerroin 0,96 jännite 90 %  tehokerroin 0,94

Department of Electrical Energy Engineering 13 11/01/2015 Yhteenveto Intian kokemukset osoittavat, että voimaloilla on merkittäviä vaikutuksia sähköverkkoihin Toisaalta myös verkoilla on vaikutuksia voimaloihin etenkin heikoilla verkoilla Suurimmat huolet tuulivoimaloiden verkkoon liittämisessä ovat muutokset verkon jännitetasoissa ja loistehon siirrossa Lisäksi jännitteen heilahtelut ja yliaallot tulee huomioida Heikoissa verkoissa (?) esiintyy merkittäviä jännitteen ja taajuuden muutoksia, jotka vaikuttavat tuulivoimaloiden tehon tuotantoon, turvallisuuteen, elinaikaan ja komponenttien kestoisuuteen  tästä syystä verkkojen vahvistaminen ei ole ainoastaan verkon omistajien ja asiakkaiden intressi vaan sen pitäisi olla myös tuulivoiman tuottajien tavoite!

Department of Electrical Energy Engineering 14 11/01/2015 aa

Department of Electrical Energy Engineering 15 11/01/2015 aa