Elektrownie wiatroweNorma IEC 61400-21 / IRiESDMateusz 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

• pierścieniowe (wirnik zasilany jest przez przekształtnik

umożliwiający dwukierunkowy przepływ energii)

o maszyna synchroniczna

o 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 wiatrowaKrzywa mocy

2%

4%

6%

8%

10%

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 5

5 - 10

10 - 15

15 - 20

20 - 25

25 - 30

30 - 35

Winter 2012-2013

P(dir) [MW]

2%

4%

6%

8%

10%

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 5

5 - 10

10 - 15

15 - 20

20 - 25

25 - 30

30 - 35

Winter

P(dir) [MW]

2%

4%

6%

8%

10%

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 5

5 - 10

10 - 15

15 - 20

20 - 25

25 - 30

30 - 35

Summer 2012-2013

P(dir) [MW]

2%

4%

6%

8%

10%

WEST EAST

SOUTH

NORTH

0 - 5

5 - 10

10 - 15

15 - 20

20 - 25

25 - 30

30 - 35

Summer

P(dir) [MW]

Sezonowa zmienność produkcji –

kierunek wiatruSummer Winter

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:

Pst, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci

zasilającej;

Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;

Sk,fic - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej.

UWAGA

Wskaźnik migotania światła przy pracy ciągłej jest taki sam dla

krótkiego (10 min) i długiego (2h) okresu czasu.

( )n

k,fic

st,fickS

SPc =

Skokowy wskaźnik migotania

światła (dotyczy siłowni wiatrowych)

Znormalizowana miara emisji migotania światła wywołanej pojedynczym

procesem łączeniowym w siłowni wiatrowej:

Tp - 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,

Pst, fic - emisja migotania światła z siłowni wiatrowej dla modelu sieci

zasilającej;

Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;

Sk,fic - pozorna moc zwarciowa dla modelu sieci zasilającej.

( ) 31,0

pst,fic

n

k,fic

kf130

1TP

S

Sk =

Kąt fazowy impedancji sieci

Kąt fazowy impedancji sieci zasilającej:

Xk - reaktancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej;

Rk - rezystancja impedancji zwarciowej sieci zasilającej.

( )kkk arctg RX=

Model sieci zasilającej

Jednofazowy schemat modelu sieci zasilającej:

Model sieci składa się z:

▪ idealnego źródła napięcia fazowego o wartości chwilowej u0(t)

▪ impedancji sieci będącą połączeniem szeregowym rezystancji Rfic i

indukcyjności Lfic.

▪ siłownia wiatrowa jest reprezentowana przez generator

prądu im(t), stanowiący zmierzoną wartość chwilową

prądu fazowego.

Model sieci zasilającej

Korzystając z poniższego równania należy dobrać wartości Rfic i Lfic tak, aby

uzyskać odpowiedni kąt fazowy impedancji k

Trójfazowa zwarciowa moc pozorna dla modelu sieci określona jest

poniższym równaniem:

( )fic

fic

fic

ficg2

ktg

R

X

R

Lf

=

=

2fic

2fic

2n

k,fic

XR

US

+=

Ocena jakości energiiSiłownie 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.

Badanie oddziaływania turbin

wiatrowych» Zgodnie z normą IEC 61400-21

– 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% PN

– 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%PN oraz powyżej

90% PN

» 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% PN /min przy

dostępnej mocy minimum 50% PN

– zadane skokowe zmniejszanie mocy od 100% PN do 20% PN ze

skokiem 20% PN co dwie minuty – dostępna moc to minimum 90% PN

» Testy mocy biernej

– maksymalna moc pojemnościowa i indukcyjna – dla mocy czynnej z

przedziału 0% PN 100% PN z krokiem co 10% PN

– zadana wartość mocy biernej – 0 kVAr

– skokowe zmiany zadanej mocy biernej – co 2 minuty wartości: 0,

maksymalna pojemnościowa, maksymalna indukcyjna

Ocena jakości energiiNapięcie 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 (Pmc i Qmc) oraz

wartości 60-sekundowe (P60 i Q60) mogą być obliczane przez proste

sumowanie, podczas gdy wartości średnie 0,2-sekundowe (P0,2 i Q0,2) mogą

być obliczane zgodnie z poniższymi równaniami:

,gdzie Nwt jest liczbą siłowni w zespole.

( )==

−+=wtwt

1

2

in,i0,2,1

in,0,2

N

i

N

i

PPPP ( )==

−+=wtwt

1

2

in,i0,2,1

in,0,2

N

i

N

i

QQQQ

Ocena jakości energiiWahania napięcia

Emisje migotania światła z elektrowni wiatrowej trzeba ograniczyć w taki

sposób, aby mieściły się one w granicach określonych poniższymi

nierównościami.

gdzie

Pst i Plt - krótko- i długookresowy wskaźnik migotania światła powodowanego

pracą elektrowni wiatrowej;

EPsti i Eplti - 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.

Pst EPsti

Plt EPlti

Ocena jakości energiiWahania napięcia - Praca ciągła

» 99-percentylową emisję migotania światła z pojedynczej siłowni wiatrowej

podczas pracy ciągłej należy szacować korzystając z poniższego

równania:

gdzie

» c(k,va) - wskaźnik migotania światła z siłowni wiatrowej przy danym kącie

fazowym k impedancji sieci w PCC oraz danej średniorocznej prędkości

wiatru va na wysokości piasty siłowni wiatrowej w miejscu jej

zainstalowania;

» Sn - znamionowa moc pozorna siłowni wiatrowej;

» Sk - zwarciowa moc pozorna w PCC;

( )k

nakltst ,

S

SvcPP ==

Ocena jakości energiiWahania napięcia - Procesy łączeniowe

» Emisję migotania światła wskutek procesu łączeniowego pojedynczej

siłowni wiatrowej można szacować posługując się poniższymi równaniami:

gdzie

kf(k) jest skokowym wskaźnikiem migotania światła dla siłowni wiatrowej

przy danej wartości k w PCC.

( )k

nkf

31,010st 18

S

SkNP =

( )k

nkf

31,0120lt 8

S

SkNP =

Ocena jakości energiiHarmoniczne

» 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 energiiHarmoniczne

» 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

Nwt - liczba siłowni wiatrowych przyłączonych w PCC;

Ih - prąd harmonicznej h-tego rzędu w PCC;

ni - przekładnia transformatora i-tej siłowni;

Ih,i - prąd harmonicznej h-tego rzędu dla i-tej siłowni wiatrowej;

- wykładnik potęgowy podany w tablicy,

lub równy 1 jeśli wszystkie turbiny takie same i są wyposażone w

przekształtniki o komutacji naturalnej (sieciowej).

=

=

wt

1 i

ih,h

N

i n

II

30

Dotrzymanie standardów

jakości energii elektrycznej

» Farma wiatrowa nie powinna powodować nagłych zmian i

skoków napięcia przekraczających 3%Un.

– 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%

31

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

Pst 0,30 0,35 0,45

Plt 0,20 0,25 0,35

Pomiar po przyłączeniu farmy podczas jej pracy,

przez reprezentatywnie długi okres czasu

32

Dotrzymanie standardów

jakości energii elektrycznej

» Odkształcenie napięcia w punkcie przyłączenia

– farmy wiatrowe nie powinny powodować odkształcenia

napięcia większego niż

>110kV110kV OSP

110kV OSD

SN

THD 1,5% 2,5% 2% 4%

Harmoniczne od 2 do 50

1% 1,5% 0,7% 1,5%

33

Przykładowy wygląd raportu

Ch-ka mocy w

zakresie P i Q

Oddziaływanie w

zakresie wahań napięcia

Maksymalna liczba

łączeń w różnych

stanach pracy

Oddziaływanie w zakresie

harmonicznych

Pomiary rzeczywistych farm Wahania napięcia

Załączona farma

wiatrowa

Wyłączona farma

wiatrowa

Pomiary rzeczywistych farm Zmiana napięcia

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Em

issi

on

(%

of

lim

it)

Harmonic order

Nordex N90

vestas V90

Enercon E82

Pomiary rzeczywistych farm Harmoniczne

Źródło: Math Bollen

Pomiary rzeczywistych farm Interharmoniczne

0,0%

0,2%

0,4%

0,6%

0,8%

1,0%

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Emis

sio

n (%

of r

ate

d)

Interharmonic order

Nordex N90

vestas V90

Enercon E82

Źródło: Math Bollen

WYŁĄCZENIE TURBINY WIATROWE

Pomiary rzeczywistych farm Szybkie zmiany napięcia

Podsumowanie

Elektrownie wiatroweMożliwości 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.