Power Plant Characteristics of Wind Turbines - · PDF filePower Plant Characteristics ... Die Sollwertkurve P_Setcurve wird mit der ... oder auf den Parkregler gegeben und die Leistungsreduzie

68 DEWI MAGAZIN NO. 36, FEBRUARY 2010

Introduction

Power plant characteristics are additional requirements and services to be fulfilled by a wind turbine (WT), but also by other generating plants, such as PV systems, engine-based cogeneration systems etc., in order to obtain permis-sion for connection to the public grid in Germany. These requirements are based on the BDEW (German Association of Energy and Water Industries) guideline [1], the Trans mis-sion Code 2007 [2] and the system services regulation (SDLWindV)[3]. In order to verify that these requirements are met by the generating plants, measurement and assessment procedures have been established in IEC 61400-21 [4] and FGW TR3 [5]. This article gives an overview of the requirements and of the methods of verification. In the next issues of DEWI Magazin the individual requirements, test procedures and analysis methods will be described in more detail.

Power Plant Characteristics

For a safe operation of the electricity supply grids with a high proportion of decentralised energy generating plants it is necessary that the energy generating plants contribute

Einleitung

Kraftwerkseigenschaften sind zusätzliche Anforderungen und auch Dienstleistungen, die eine Windenergieanlage (WEA) aber auch andere Erzeugungseinheiten (EZE), wie z. B. Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerk, usw. erfüllen müssen, um die Anschlussgenehmigung an das öffentliche Netz in Deutschland zu erhalten. Die Grundlagen für diese Anforderungen ist die BDEW-Richtlinie [1], der Transmissi-onCode 2007 [2] und die Systemdienstleistungsverordnung (SDLWindV) [3]. Um zu überprüfen, ob die Anforderungen auch tatsächlich von den Erzeugungseinheiten eingehalten werden, legen die IEC61400-21 [4] bzw. die FGW TR3 [5] entsprechende Prüfverfahren fest. In diesem Artikel wird eine Übersicht über die Anforderungen sowie die Möglich-keiten der Überprüfung gegeben. In den nächsten DEWI-Magazinen sollen dann die einzelnen Anforderungen, die Prüfmethoden und Analyseverfahren detaillierter beschrie-ben werden.

Kraftwerkseigenschaften

Für den sicheren Betrieb der elektrischen Netze bei hohem Anteil dezentraler Energieerzeuger ist es notwendig, dass

Kraftwerkseigenschaften von Windenergieanlagen

R. Klosse, F. Santjer; DEWI GmbH, Wilhelmshaven

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R. Klosse

Power Plant Characteristics of Wind Turbines

DEWI MAGAZIN NO. 36, FEBRUARY 2010 69

to grid support and regulation. Apart from wind turbines this also refers to PV systems, engine-based cogenera-tion systems and other generating plants. In order to provide grid support, generating plants must be capable of controlling their active as well as their reactive power. In case of a grid fault, for example short-term voltage drops, the generating systems should not shut down, but help to support the voltage by supplying reactive power. These requirements are in detail:

Limitation of Power Production by the Grid Operator

In case of failure or shutdown of subgrids, unintentional overloads in other parts of the grid may occur. In these cases it may be necessary to reduce the active power of wind turbines and other generating plants in order to avoid a further overloading of the grid. A similar require-ment already has existed for many years in Schleswig-Holstein where due to bottlenecks in the power lines the active power of the wind farms must be reduced during strong winds. The grid operator sends a setpoint signal to the wind farm to communicate the power reduction. For the verification of the wind turbines and also of the other generating plants according to FGW TR3 and IEC61400-21 a set-point value is sent to the control sys-tem of the wind turbine or the wind farm controller and the power reduction is measured. Here the accuracy of adjustment and the time response are determined, see Fig. 2.The accuracy of adjustment is determined by varying the set-point levels in the form of a step function. In this comparison the unit tested will be given a transient recovery time of 1 minute. For determining the response time a set-point step-change is applied which demands a quick power reduction from 100% to 30% and 15% of nominal output.

Power-Reduced Operation in case of Overfrequency of the Grid

Overfrequency occurs in electricity supply grids when more power is generated than is consumed at the same time. In normal operation, some power plants are regu-lated so that power generation and consumption are always balanced. Then the grid has a frequency of 50 Hz. If serious faults occur in the grid, the grid can be split into several parts which are then regulated separately. In such a case partial grids may be formed in which more power is generated than consumed. This happened for example in November 2006, when due to overload in one section of the grid the European grid was split into several subgrids, and in the northern and eastern parts a short-term overfrequency occurred as a result of excessive power generation, which was then reduced to nominal frequency.Since for the verification of wind turbine behaviour it is not possible to increase the actual frequency in the grid, the following methods can be used:

In the simplest case, the simulated grid frequency •can be calculated from the sum of the grid frequency

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die Energieerzeuger sich an der Netzstützung und Rege-lung beteiligen. Hierbei sind neben Windenergieanlagen auch Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerke und andere Energieerzeuger angesprochen. Hierzu ist es erforderlich, dass die Erzeugungsanlagen sowohl die Wirkleistung, als auch die Blindleistung regeln können. Im Fehlerfall des Net-zes, also z. B. bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen, sollen die Erzeugungsanlagen nicht abschalten, sondern sollen durch die Lieferung von Blindleistung die Spannung wieder anheben. Im Einzelnen stellen sich die Anforderungen wie folgt dar:

Leistungsbegrenzter Betrieb durch den Netzbetreiber

Bei Ausfall oder Abschaltung von Teilnetzen kann es in Aus-nahmefällen zu ungewollten Überlastungen in anderen Tei-len des Netzes kommen. In diesen Fällen kann es notwendig sein, die Wirkleistung von Windenergieanlagen und von an-deren Erzeugungsanlagen zu reduzieren, um eine weitere Überlast des Netzes zu vermeiden. Eine vergleichbare An-forderung gibt es schon seit etlichen Jahren in Schleswig-

measured and an added overfrequency in the control system of the wind turbine. These values are checked during the test, see Fig. 3. A similar method is to reduce the parameter “nominal •frequency” in the control system, so that the real grid frequency measured then can be interpreted as over-frequency. A slightly different possibility is to connect a grid simula-•tor to the input terminals of the frequency meter of the wind turbine. The grid simulator generates voltages with over-frequency which are recognised by the wind turbine’s control system and then are evaluated.

Reconnection after Grid Failure

Since after a grid failure the grid has to be built up again slowly, generating plants are not allowed to reconnect to the grid with full power output. The power increase is therefore limited to 10% of the nominal output per minute.

Fig. 1: Verification of the adjustment accuracy of the active power. P_Setcurve is compared with the active power measured, P_Measured .

Abb. 1: Überprüfung der Einstellgenauigkeit der Wirklei-stung. Die Sollwertkurve P_Setcurve wird mit der gemessenen Wirkleistung P_Measured vergli-chen.

Fig. 2: Verification of the response time. Abb. 2: Überprüfung der Einstellzeit.


Holstein, wo aufgrund von Leitungsengpässen bei Stark-wind die Wirkleistung der Windparks verringert werden muss. Der Netzbetreiber teilt dem Windpark die Leistungs-reduzierung über ein elektrisches Sollwertsignal mit. Für die Überprüfung der Windenergieanlagen und auch der anderen Erzeugungseinheiten wird gemäß der FGW TR3 und der IEC61400-21 ein Sollwertsignal auf die Steuerung oder auf den Parkregler gegeben und die Leistungsreduzie-rung gemessen. Hierbei werden die Einstellgenauigkeit und die Einstellzeit (Sprungantwort) ermittelt, sh. Abb. 1 und 2.Die Einstellgenauigkeit wird bestimmt durch Variation der Sollwertpegel in Form einer Treppenfunktion. Bei diesem Vergleich wird dem Prüfling eine Einschwingzeit von 1-Mi-nute eingeräumt. Für die Ermittlung der Einstellzeit wird ein Sollwertsprung angelegt, der eine schnelle Leistungs-reduktion von 100% auf 30% bzw. 15% der Nennleistung verlangt.

Leistungsbegrenzter Betrieb bei Netzfrequenzüberhöhung

Überfrequenz in elektrischen Netzen entsteht, wenn mehr

For the test of the generating plant, a grid failure is simu-lated by switching off the medium-voltage circuit-breaker and then, after reconnecting the generating plant, the increase of active power is measured and also the gradient of the rise.Another parameter measured is the time required by the wind turbine or generating plant until power generation is resumed after reconnecting voltage. For this purpose 3 dif-ferent voltage drops are simulated with power failure peri-ods of 10 seconds, 1 minute and 10 minutes.

Reactive Power Control

Apart from the active power which describes the actual power transmission from the generator to the user, in a stable grid also the reactive power must be balanced. The reactive power is a system power. Reactive power does not contribute to the transmission of electricity. There are two different types of reactive power: on the one hand induc-tive reactive power, which occurs in electrical machines, transformers and in power lines with high loads. In guide-

Fig. 3: Measurement of active power reduction P_Measured as a function of overfrequency. Abb. 3: Messung der Wirkleistungsreduzierung P_Mesured als Funktion der Überfrequenz.

Fig. 4: Reactive power capacity as a function of Q(P). Here two set-tings were tested: maximal induc-tive and maximal capacitive reac-tive power of a wind turbine. The individual 1-minute measuring values are reduced to the power classes marked with large dots.

Abb. 4: Blindleistungsvermögen als Funk-tion der Wirkleistung Q(P). Hier sind zwei Einstellungen getestet: maximale induktive und maxima-le kapazitive Blindleistung einer Windenergieanlage. Die einzel-nen 1 Minuten Messwerte wer-den auf die mit dicken Punkten dargestellten Leistungsklassen reduziert.


Leistung erzeugt wird als zur gleichen Zeit von den Verbrau-chern abgenommen wird. Im Normalzustand werden eini-ge Kraftwerke so geregelt, dass die Leistungserzeugung und der Leistungsverbrauch immer im Gleichgewicht sind. Dann hat das Netz eine Frequenz von 50 Hz. Treten gravierende Fehler im Netz auf, kann sich das Netz in Teilnetze auftei-len, die dann wiederum für sich geregelt werden müssen. Hierbei kann es vorkommen, dass Teilnetze entstehen, in denen mehr Leistung erzeugt als verbraucht wird. Das ist z. B. im November 2006 passiert, als sich durch Überlastung eines Netzabschnittes das Netz in Europa in mehrere Teil-netze aufgeteilt hat, wobei im nördlichen und östlichen Teil kurzzeitig eine Überfrequenz durch zu hohe Leistungspro-duktion entstand, die dann abgeregelt wurde. Da für die Überprüfung des Verhaltens der Windenergiean-lagen nicht die tatsächliche Frequenz im Netz erhöht wer-den kann, gibt es folgende Vorgehensweisen:

Die simulierte Netzfrequenz kann im einfachsten Fall als • Summe aus der gemessenen Netzfrequenz und einer aufaddierten Überfrequenz in der Betriebsführung der Windenergieanlage gebildet werden. Der Prüfer kont-rolliert diese Eingaben, siehe Abb. 3. Als ähnliche Variante kann der Parameter „Nennfre-• quenz“ in der Steuerung abgesenkt werden, so dass die dann gemessene reale Netzfrequenz als Überfrequenz interpretiert wird. Eine etwas andere Möglichkeit ist, an den Eingangs-• klemmen der Frequenzmessung der Windenergieanla-ge einen Netzsimulator anzuschließen. Der Netzsimu-lator generiert überfrequente Spannungen, die von der Betriebsführung der Windenergieanlage erkannt und ausgewertet werden.

Wiederzuschalten nach Spannungslosigkeit

Da nach einem Netzausfall das Netz erst langsam wieder aufgebaut werden muss, dürfen Erzeugungsanlagen nicht unmittelbar nach Netzwiederkehr ihre volle Leistung ein-speisen. Aus diesem Grund ist der Leistungsanstieg auf 10% der Nennleistung pro Minute begrenzt.Für die Überprüfung der Erzeugungseinheit wird ein Netz-ausfall durch Ausschalten des Mittelspannungsschalters simuliert und dann nach erneutem Einschalten der Erzeu-gungseinheit der Wirkleistungsanstieg gemessen und der Gradient des Anstiegs ermittelt.Weiterhin wird die Zeit ermittelt, die die Windenergiean-lage oder die Erzeugungseinheit benötigt, bis sie wieder nach Spannungswiederkehr mit der Leistungsproduktion beginnt. Hierzu werden 3 unterschiedliche Spannungsaus-fälle simuliert mit 10 Sekunden, 1 Minute und 10 Minuten Spannungsausfallzeiten.

Blindleistungsregelung

Neben der Wirkleistung, die den momentanen Energie-transport zwischen Erzeuger und Nutzer beschreibt, muss für ein stabiles Netz auch die Blindleistung ausgeglichen sein. Die Blindleistung ist eine Systemleistung. Blindleis-tung trägt nicht zum Transport von elektrischer Leistung bei. Man unterscheidet zum Einen zwischen induktiver Blind leistung, die in elektrischen Maschinen, Transforma-

lines and standards this is often referred to as reactive power import or reactive power consumption. On the other hand there is the capacitive reactive power, which only occurs in cable networks. Quite often this capacitive reactive power has to be supplied by compensation equip-ment or generators, in order to compensate the inductive reactive power. This is also referred to as reactive power generation or reactive power production. Inductive and capacitive reactive power always have to be balanced. If reactive power generators and consumers are far away from each other, there is an additional flow of current which also causes loss of active power. Apart from this, reactive power also has a significant influence on the volt-age level. According to the requirements, wind turbines and all other generating plants must be capable of controlling inductive as well as capacitive reactive power. Controlling is possible via a fixed or variable set point or as a function of the active power produced or of the voltage prevailing.For the verification of the wind turbine behaviour first it is determined how much inductive and capacitive reactive power can be provided by the generating plant. An exam-ple is given in Fig. 4. It is also tested how closely the reac-tive power follows a set point and in which time. The response times are determined by evaluation of step responses to set-point changes, see Fig. 5. The accuracy of adjustment is determined by comparison with different set-points, see Fig. 6.The possibility to produce reactive power by additional components, such as STATCOMS outside the wind turbine, is also to be considered. In wind farms only the behaviour of the plant as a whole (the generating plant) is of inter-est.

Behaviour in Case of Grid Faults

About 8 years ago, a requirement was made by a German transmission grid operator that in case of a short voltage drop a wind turbine should not be disconnected from the grid, but ride through the fault. This was in contrast to the former philosophy that in case of grid faults all wind tur-bines were to shut down immediately.Because of the high renewable energy penetration, espe-cially during strong wind conditions in the north of Germany, it is possible that an otherwise harmless voltage drop may lead to a chain reaction. All wind turbines in the vicinity of a short circuit in the high or extra-high voltage system which are not riding through the fault, would be discon-nected from the grid immediately after detecting the volt-age drop and so contribute to the destabilisation of the grid.Shortly after the introduction of this requirement, DEWI carried out the first tests with a generator system [6]. Since then, the methods have changed. Today, voltage drops are normally simulated by a short-term activation of a voltage divider at medium voltage level. The requirements to be met by the generating plants for fault ride-through were also extended. In the grid codes now applicable [3], [1], [2] the wind turbines are required to produce high capacitive reactive power immediately after the voltage drop.

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toren und in stark belasteten Leitungen entsteht. In den Regelwerken wird hier häufig von Blindleistungsbezug oder Blindleistungsverbrauch gesprochen. Zum Anderen spricht man von kapazitiver Blindleistung, die nur in schwach be-lasteten Leitungen (Kabelnetzen) entsteht. Häufig muss diese kapazitive Blindleistung durch Kompensationseinrich-tungen oder Generatoren bereitgestellt werden, um die in-duktive Blindleistung zu kompensieren. Daher spricht man hier auch von Blindleistungserzeuger oder Blindleistungs-produktion. Induktive und kapazitive Blindleistung müssen immer im Gleichgewicht sein. Wenn Blindleistungserzeuger und Blindleistungsverbraucher weit voneinander entfernt sind, entsteht hierdurch ein zusätzlicher Stromfluss, der auch Wirkleistungsverluste hervorruft. Blindleistung hat daneben wesentlichen Einfluss auf die Spannungshöhe. Entsprechend den Anforderungen müssen Windenergie-anlagen und alle anderen Erzeugungseinheiten in der Lage sein, sowohl induktive Blindleistung als auch kapazitive Blindleistung zu fahren. Hierbei kann die Vorgabe an die Windenergieanlage über einen festen oder variablen Soll-wert erfolgen oder abhängig von der erzeugten Wirkleis-tung oder der herrschenden Spannung sein.Für die Überprüfung des Verhaltens der Windenergieanla-ge wird zunächst ermittelt, wie viel induktive und kapazitive Blindleistung die Erzeugungsanlage tatsächlich bereitstellen kann. Hierzu ist in Abb. 4 ein Beispiel gegeben. Weiterhin wird überprüft, wie genau die Blindleistung einem vorge-gebenen Sollwert folgt und wie schnell sie diesem Sollwert folgt. Einschwingzeiten werden durch Bewertungen von Sprungantworten auf Sollwertänderungen ermittelt, siehe Abb. 5. Einstellgenauigkeiten werden aus Vergleich zu un-terschiedlichen Sollwertvorgaben erkannt, siehe Abb. 6. Weiterhin zu berücksichtigen ist die Möglichkeit, Blindleis-tung über zusätzliche Komponenten, wie z. B. Statcoms außerhalb der Windenergieanlage zu erzeugen. Bei Wind-parks ist nur das Verhalten der Gesamtanlage, (der Erzeu-gungsanlage, EZA) von Interesse.

The values of voltage change (deadband) as from which the turbine is meant to react, and of the reactive power as a function of the depth of the voltage dip (K factor) are deter-mined when commissioning the wind turbine. During pro-totype testing the setting options and a limited number of different voltage dips are tested. The results of the meas-urements are also used as a basis for the validation of simulation models. By means of simulations a broad spec-trum of possible grid faults then is verified for the whole wind farm.

Outlook

The introduction of the systems services guideline [3] has shown that a lot of technical details have to be taken into account when implementing the requirements and testing the behaviour of wind turbines. These details will be dealt with extensively in the next issues of DEWI Magazin.

Fig. 5: Testing the reactive power adjustment time.Abb. 5: Überprüfung der Blindleistungseinstellzeit.


Verhalten bei Spannungseinbrüchen im Netz

Vor ca. 8 Jahren hat der erste deutsche Übertragungsnetz-betreiber gefordert, dass bei einem kurzen Spannungsein-bruch eine Windenergieanlage nicht unmittelbar vom Netz getrennt werden soll, sondern diesen Netzfehler durchfah-ren soll. Dies stand im Gegensatz zu der bis dahin geltenden Philosophie, dass sich bei Netzstörungen alle Windenergie-anlagen sofort vom Netzt zu trennen haben. Aufgrund des nennenswerten Anteils von regenerativer Energieproduktion, insbesondere bei starkem Wind im Nor-den Deutschlands, könnte es sein, dass eine Kettenreaktion aufgrund eines ansonsten harmlosen Spannungseinbru-ches entstehen könnte. Alle Windenergieanlagen nahe ei-nes Kurzschlusses im Hoch- oder Höchstspannungsnetzes, die den Netzfehler nicht durchfahren, würden bei Erkennen des Spannungseinbruchs sofort vom Netz getrennt werden und damit die Stabilität des Netzes zusätzlich gefährden.Kurz nach Einführung der Forderung hat das DEWI dazu erste Tests an einem Generatorsystem durchgeführt [6]. Die Methoden haben sich seit dieser Zeit verändert. Heut-zutage werden Spannungseinbrüche üblicherweise durch kurzzeitiges Aktivieren eines Spannungsteilers auf der Mit-telspannungsebene simuliert. Aber auch die Anforderung an die Erzeugungsanlagen für das Durchfahren eines Spannungseinbruchs wurden erwei-tert. In den nun gültigen Gridcodes [3], [1], [2] wird unver-züglich nach Spannungsrückgang die Produktion von ho-hem kapazitiven Blindstrom gefordert. Ab welcher Spannungsänderung (Totband) die Windenergie-anlage überhaupt reagieren soll, und mit welcher Blindleis-tung in Abhängigkeit der Spannungstiefe genau (K-Faktor), ist von der Windenergieanlage bei der Inbetriebnahme ein-zustellen. Während einer Prototypenvermessung werden die Einstellmöglichkeiten und eine begrenzte Anzahl von Spannungseinbruchtiefen geprüft. Ergebnisse der Messun-gen werden unter anderem auch als Grundlage für die Vali die rung von Simulationsmodellen verwendet. In Simu-lationen soll dann eine große Bandbreite von möglichen

Netzfehlern am gesamten Windpark überprüft werden.

Aussicht

Die Einführung der SDL-Verordnung [3] hat gezeigt, dass bei der Umsetzung der Anforderungen aber auch bei der Überprüfung des Verhaltens von Windenergieanlagen und anderen Erzeugungsanlagen viele technische Details zu be-achten sind. Diese Details wollen wir in weiteren Artikeln in den nächsten DEWI-Magazinen ausführlicher behandeln.

Literatur / References:

[1] Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz

Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen

am Mittelspannungsnetz Ausgabe Juni 2008, vom BDEW Bundesver-

band der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

[2] TransmissionCode 2007, Netz- und Systemregeln der deutschen Über-

tragungsnetzbetreiber Version 1.1, vom Verband der Netzbetreiber -

VDN – e.V. beim VDEW, August 2007

[3] Verordnung zu Systemdienstleistungen durch Windenergieanlagen

(SDLWindV) 3.Juli 2009

[4] IEC 61400-21: Wind turbine generator systems – Part 21: Measure-

ment and assessment of power quality characteristics of grid connec-

ted wind turbines. Edition 2.0, 2008-08

[5] Technische Richtlinie für Erzeugungseinheiten, Teil 3: Bestimmung

der Elektrischen Eigenschaften von Erzeugungseinheiten am Mittel-,

Hoch- und Höchstspannungsnetz; Rev.20; Stand: 01.10.2009; Heraus-

geber: Fördergesellschaft Windenergie e.V.

[6] F. Santjer, R. Klosse, Die neuen ergänzenden Netzanschlussregeln von

E.ON Netz GmbH, DEWI Magazin, Nr. 22, 02/03

Fig. 6: Testing the accuracy of adjustment of the reactive power. Die Q_Setcurve is compared with the reac-tive power measured Q_Measured.

Abb. 6: Überprüfung der Einstellgenauigkeit der Blindleis-tung. Die Sollwertkurve Q_Setcurve wird mit der gemessenen Blindleistung Q_Measured vergli-chen.

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