Click here to load reader

SUDJELOVANJE VJETROELEKTRANA S PROMJENJIVOM ... vjetroelektrana u primarnoj regulaciji frekvencije. Ključne riječi: vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje, model vjetroagregata,

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of SUDJELOVANJE VJETROELEKTRANA S PROMJENJIVOM ... vjetroelektrana u primarnoj regulaciji frekvencije....

  • Matej Krpan Igor Kuzle Sveučilište u Zagrebu Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Fakultet elektrotehnike i računarstva [email protected] [email protected]

    SUDJELOVANJE VJETROELEKTRANA S PROMJENJIVOM BRZINOM VRTNJE U PRIMARNOJ REGULACIJI FREKVENCIJE

    SAŽETAK

    Povećani udio vjetroelektrana s generatorima s promjenjivom brzinom vrtnje smanjuje konstantu tromosti elektroenergetskog sustava zbog razdvojenosti mehaničke brzine rotora turbine i mrežne frekvencije iako postoji određena količina kinetičke energije u lopaticama vjetroagregata. Posljednjih godina, sve se više istražuje iskorištenje te kinetičke energije za inercijski odziv vjetroelektrana i pogon vjetroelektrana u rasterećenom režimu rada za usluge primarne regulacije frekvencije. U ovom radu izveden je jednostavan matematički model vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje za promatranje frekvencijskog odziva elektroenergetskog sustava. Na početku je rada prikazan pregled različitih vrsta vjetroagregata. Zatim, izveden je linearizirani model vjetroelektrane za frekvencijski odziv te su provedene simulacije na jednostavnom sustavu s ciljem prikazivanja prednosti sudjelovanja vjetroelektrana u primarnoj regulaciji frekvencije.

    Ključne riječi: vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje, model vjetroagregata, primarna regulacija frekvencije, prijenosna funkcija vjetroagregata, obnovljivi izvori energije

    PARTICIPATION OF VARIABLE SPEED WIND TURBINES IN PRIMARY FREQUENCY CONTROL

    SUMMARY Increased share of variable speed based wind turbines reduces the inertia constant of the power

    system due to the decoupling of mechanical rotor frequency and grid frequency although significant kinetic energy is stored in the blades of the turbine. In recent years, there is more and more research done about exploitation of kinetic energy of wind turbines for inertial response and deloaded operation for primary frequency response. In this paper, a simple, linearized mathematical model of a variable speed wind turbine for primary frequency response is derived. First, an overview of wind turbine topologies is given. Then, the model is derived and system frequency response simulations of a simple system are conducted to show the benefits of participation of wind power plants in primary frequency control.

    Key words: variable speed wind turbines, wind turbine model, primary frequency control, wind turbine transfer function, renewable energy sources

    1. Uvod

    U posljednjem desetljeću može se primijetiti velika penetracija vjetroelektrana (VE) u elektroenergetskim sustavima (EES) diljem svijeta. Najbrže rastući OIE u Europi i svijetu, u pogledu instaliranog kapaciteta, su VE i fotonaponske elektrane (FNE): instalirana snaga u VE 2015. godine iznosila je 432 GW u svijetu, odnosno 144 GW u Europi, a instalirana snaga u FNE iznosila je 222 GW u svijetu, odnosno 96 GW u Europi [1]. Najpopularniji tipovi vjetroagregata (VA) su oni s promjenjivom brzinom vrtnje (VAPBV) jer omogućuju maksimalnu aerodinamičku učinkovitost pri različitim brzinama

    13. savjetovanje HRO CIGRÉ

    Šibenik, 5. – 8. studenoga 2017.

    HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

    C2-09

  • 2

    vjetra [2]. Točnije, VA s dvostruko napajanim asinkronim generatorom (DNAG) dominiraju među instaliranim VAPBV, dok VA sa sinkronim generatorima postaju sve popularniji. Kako ove vrste VE zamjenjuju konvencionalne sinkrone jedinice (npr. parne termoelektrane), tako se ukupna konstanta tromosti EES-a smanjuje zbog frekvencijskog pretvarača koji razdvaja mehaničku frekvenciju rotora i mrežnu frekvenciju. Općenito gledano, neovisno o vrsti elektrane, spajanje na mrežu preko frekvencijskih pretvarača efektivno uklanja zamašnu masu koju takav stroj posjeduje. Posljedica toga je da su ove vrste VA neosjetljive na promjenu mrežne frekvencije i ne doprinose tromosti sustava čime se pogoršava frekvencijski odziv sustava na poremećaje poput nagle promjene opterećenja, ispada generatora ili isklopa voda nakon nastanka kratkog spoja: povećava se oscilatornost i brzina promjene frekvencije (engl. rate of change of frequency—ROCOF). Modeliranje VA s DNAG za potrebe istraživanja dinamike EES-a prikazano je u [3], a taj model je kasnije pojednostavljen i generaliziran u [4] za obje vrste VAPBV. Modeliranje VA sa sinkronim generatorom pokazano je u [5]. Pregled inercijskog odziva svih tipova VA prikazan je u [6]. Sudjelovanje VE s DNAG u regulaciji frekvencije istraženo je u [7] gdje je model VA s DNAG proširen dodatnim regulacijskim krugom osjetljivim na promjenu mrežne frekvencije. U [8] autori su simulacijama pokazali da kinetička energija spremljena u lopaticama turbine VA može doprinijeti regulaciji frekvencije te su razvili upravljački algoritam koji smanjuje energetske gubitke u VA koji sudjeluju u regulaciji frekvencije. U [9] i [10] bolja stabilnost VE prilikom sudjelovanja u primarnoj regulaciji frekvencije dobivena je korištenjem promjenjive statičnosti (engl. dynamic droop). Nedavno je i razvijena metoda reduciranja reda modela vjetroparka koji se sastoji od N VA s DNAG u [11]. Vrlo dobra redukcija modela VA s DNAG prikazana je u [12], ali je izvod modela nejasan te će se biti pojašnjen u ovom radu i proširen na sve vrste VA. Modeli VA korišteni u [7], [8], [9] i [10] su nelinearni i sadrže mnogo komponenata te su zbog toga složeni za reproducirati i neprimjenjivi za povezivanje s jednostavnim modelima frekvencijskog odziva sustava (engl. system frequency response—SFR) i podfrekvencijskog rasterećenja (engl. under-frequency load shedding—UFLS) gdje je dinamika konvencionalnih jedinica opisana s jednom ili dvije prijenosne funkcije [13],[14]. Reducirani model iz [11] je jednostavniji za povezivanje s SFR modelima, ali koristi složeniji dvomaseni prikaz turbine i generatora, te netrivijalnu metodu redukcije modela: algoritam uravnoteženog skraćivanja (engl. balanced truncation algorithm). U ovom radu korišten je jednostavniji pristup koji primjenjuje niz pojednostavljenja rezultirajući jednostavnijim lineariziranim modelom koji predstavlja sve tipove VAPBV. Predmetni model je jednostavan za reproduciranje i integraciju u postojeće SFR modele za istraživanje dinamike frekvencijskog odziva EES-a. Rad je podijeljen na sljedeći način: pregled različitih vrsta VA dan je u poglavlju 2; matematički model VAPBV opisan je i lineariziran u poglavlju 3; u poglavlju 4, predmetni model je integriran u jednostavni SFR model proizvoljnog sustava s termoelektranom (TE) i hidroelektranom (HE) te su provedene simulacije u vremenskoj domeni za različite pogonske scenarije da bi se istražile mogućnosti i prednosti sudjelovanja VE u primarnoj regulaciji frekvencije. 2. PREGLED VRSTA VJETROAGREGATA Postoje četiri različite vrste VA koje su prikazane na slici 1: A, B, C i D. Razlika u mehaničkom dijelu agregata nema jer su lopatice, vratilo i multiplikator u svim tipovima praktički jednaki (mogu se razlikovati od proizvođača do proizvođača, no za potrebe istraživanja dinamike vjetroelektrana i sustava nema razlike). Glavna je razlika između pojedinih tipova VA u vrsti generatora i načinu priključka na mrežu. VA tipa A je (kvazi-)fiksne brzine jer je klizanje generatora manje od 1% [15]. Generator u ovom VA je asinkroni generator s kaveznim rotorom (engl. squirell cage induction generator—SCIG) koji je neposredno priključen na blok-transformator te preko njega na mrežu. Brzina rotora određena je mrežnom frekvencijom, multiplikatorom i izvedbom generatora. Ova je vrsta VA najučinkovitija pri jednoj ili dvjema brzinama vjetra. Može biti upravljan pasivnim kočenjem (engl. stall), zakretom lopatica (engl. pitch) ili aktivnim kočenjem (engl. active-stall).

    VA tipa B ima promjenjivo klizanje. Koristi asinkroni generator s namotanim rotorom (engl. wound rotor induction generator—WRIG) kod kojeg se klizanje u rasponu 0–10% u nadsinkronom režimu rada regulira rotorskim otpornikom. Ovaj VA je također na mrežu spojen preko transformatora. Snaga se može upravljati rotorskim otpornikom, ali taj način upravljanja nije povoljan zbog povećanih gubitaka Jouleove topline, stoga se snagom upravlja zakretom lopatica [17].

    VA tipa C je promjenjive brzine. Koristi asinkroni generator WRIG izvedbe u kojoj je rotor spojen na mrežu preko parcijalnog frekvencijskog pretvarača. Generator se može magnetizirati i kroz stator i kroz rotor stoga se VA tipa C također naziva i VA s dvostruko napajanim asinkronim generatorom (engl. doubly fed induction generator—DFIG). Parcijalni frekvencijski pretvarač može regulirati brzinu vrtnje rotora od -40% do +30% sinkrone brzine. Snagom se ovog VA također upravlja kutom zakreta lopatica.

  • 3

    Ove su vrste VA najpopularnije jer je potreban jeftiniji pretvarač (30% nazivne snage VA jer se, proporcionalno klizanju, maksimalno toliko snage može prenijeti preko rotora u mrežu).

    VA tipa D je također promjenjive brzine. Može se koristiti i sinkroni i asinkroni generator bilo koje izvedbe jer je stator stroja u potpunosti razdvojen od mreže preko potpunog frekvencijskog pretvarača (engl. full scale converter—FSC). To omogućuje proizvodnju električne energije na nazivnoj frekvenciji neovisno o brzini rotora. Ovaj tip VA može, ali i ne mora imati multiplikator. U drugom se slučaju danas koristi ili sinkroni generator s namotanim rotorom (WRSG) ili sinkroni generator s permanentnim magnetima (engl. permanent magnet synchronous generator—PMSG) [16] te se ovakvo rješenje izvedbe još naziva

Search related