Sähköenergiatekniikan laitos 1 J. Strandén Wind Power in Power Systems -seminaarikurssi Referaatti kirjan T. Ackermann: Wind Power in Power Systems kappaleesta 6. Sähkön laadun mittaukset (Power Quality Measurements) Janne Strandén

Sähköenergiatekniikan laitos 2 J. Stranden 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 Vaatimukset sähkön laadun mittaamiselle Suuntaviivat tuuliturbiinien sähkön laadulle: IEC : ”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 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 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 Mittausten tekniset tiedot

Sähköenergiatekniikan laitos 7 J. Stranden 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 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 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 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 IEC :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 ”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