Tuuliturbiinien mallintaminen dynamiikkalaskentaohjelmistolla Reduced-Order Modelling of Wind Turbines Jatko-opintoseminaari kirjasta: Wind Power in Power Systems Pasi Vuorenpää
Sisältö 25. Tuuliturbiinien mallintaminen dynamiikkalaskentaohjelmistolla 25.1 Johdanto 25.2 Sähköjärjestelmän dynamiikkalaskenta 25.3 Nykyiset tuuliturbiinityypit 25.4 Mallinnuksessa käytettävät oletukset 25.5 Vakionopeuksisen tuuliturbiinin mallinnus 25.6 Kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin mallinnus 25.7 Täyssuuntaajatuuliturbiinin mallinnus 25.8 Mallien verifiointi 25.9 Johtopäätökset 2 Pasi Vuorenpää
Sähköjärjestelmän dynamiikkalaskenta Dynamiikkalaskentaa käytetään erityisesti sähköjärjestelmän dynaamista käyttäytymistä ja piensignaalistabiilisuutta tarkasteltaessa Esimerkkejä dynamiikkalaskentaan käytettävistä ohjelmistoista: PSS/E, Eurostag Vaihtoehtona transienttilaskentaohjelmistot: ATP, EMTP, SimPowerSystems Dynamiikka- ja transienttilaskentaohjelmistojen yhdistelmiä: PowerFactory, Netomac, SimPow Dynamiikkalaskennan etuina muun muassa mahdollisuus laajojen järjestelmien ja pitkäkestoisten ilmiöiden tarkastelemiseen Tarkasteltava taajuusalue noin Hz Laskentakapasiteetin tarve huomattavasti transienttilaskentaan perustuvaa mallinnusta pienempää 3 Pasi Vuorenpää
Mallinnuksessa käytettävät oletukset Dynamiikkalaskennan tehokas hyödyntäminen edellyttää lähestymistavan rajoitusten huomioonottamista Nopeat transientti-ilmiöt jätetään huomioimatta Laskenta perustuu perustaajuisten komponenttien käyttöön Käytettävät mallit perustuvat lähinnä lineaariseen mallinnustapaan Tuuliturbiinien mallinnuksen yhteydessä tämä tarkoittaa muun muassa seuraavaa: Magneettista saturaatiota ei huomioida Sähkövuon jakautuminen on sinimuotoista Kaikki häviöt, kuparihäviöitä lukuunottamatta, jätetään huomioimatta Staattorijännitteet ja –virrat ovat sinimuotoisia ja perustaajuisia Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin VSC mallinnetaan virtalähteenä Mahdollisen diodisuuntaajan kommutointia ei huomioida Muuttuvanopeusisen tuuliturbiinin pyörivä massa mallinnetaan yhtenä massana 4 Pasi Vuorenpää
Vakionopeuksisen tuuliturbiinin mallinnus Tuulen nopeuden mallintamiseen käytetään joko mitattua tuulidataa tai analyyttisiä malleja Molemmissa omat hyvät ja huonot puolensa Roottorin malli muodostetaan optimoimalla analyyttisen mallin parametrit vastaamaan valmistajan ”tyyppitietoja” Akselin mallintaminen on erityisen tärkeää vakionopeuksisen tuuliturbiinin tapauksessa -> kaksimassamalli Generaattori voidaan mallintaa yleisten epätahtigeneraattoria kuvaavien yhtälöiden avulla 5 Pasi Vuorenpää
Kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin mallinnus Vakionopeuksiseen tuuliturbiiniin verrattuna kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin malli edellyttää lisäksi seuraavien toimintojen mallintamista: Lapakulman säätö Roottorin nopeuden säätö Suuntaajan säätö ja suojaus Mahdollisesti liitäntäpisteen jännitteen säätö 6 Pasi Vuorenpää
Täyssuuntaajatuuliturbiinin mallinnus Kaksoissyöttöiseen tuuliturbiiniin verrattuna täyssuuntaajalla varustettu tuuliturbiini hyödyntää tahtigeneraattoria -> tahtigeneraattorin mallinnus Täyssuuntaaja mahdollistaa verkon puoleisen pätö- ja loistehon säädön lähes riippumattomasti generaattorin suureista -> mahdollistaa entistä joustavamman liitäntäpisteen jännitteen säädön 7 Pasi Vuorenpää
Mallien verifiointi 8 Pasi Vuorenpää
Mallien verifiointi Simulointimallien verifioiminen käytännön mittaustulosten perusteella on käytännössä mahdotonta, koska käytetty tuulennopeusdata ei vastaa täysin todellisuutta Yksi anturi ei riitä mittaamaan tuulen nopeutta koko roottorin alueella Roottori aiheuttaa häiriötä generaattorikoteloon sijoitetulle anturille Siitä huolimatta seuraavia yleisiä päätelmiä voidaan tehdä tulosten perusteella: Esitettyjen simulointimallien toiminta vastaa yleisellä tasolla hyvin käytännön tuuliturbiinien yhteydessä suoritettuja mittaustuloksia Tulosten perusteella voidaan olettaa, että mallinnuksen yhteydessä tehdyt oletukset eivät aiheuta merkittävää virhettä simulointituloksiin 9 Pasi Vuorenpää
Johtopäätökset Kappaleessa esitettiin kolmen keskeisimmän tuuliturbiinityypin dynamiikkalskentaohjelmiston yhteydessä sovellettavissa olevia simulointimalleja Mallinnuksessa on huomioitava tuuliturbiinityypin erityispiirteet Esitettyjä malleja voidaan pitää hyödyllisenä erityisesti laajamittaisen tuulivoimatuotannon stabiilisuusvaikutusten analysoinnissa Simulointimallien ja käytännön mittaustulosten vertaaminen osoitti esitettyjen mallien toiminnan vastaavan melko hyvin todellisten vastaavien laitteiden toimintaa Samoin kappaleessa esitetyt tulokset vahvistivat alussa tehtyjen tuuliturbiineja koskevien oletusten soveltuvan hyvin käytettäviksi dynamiikkalaskentaohjelmiston yhteydessä 10 Pasi Vuorenpää