5. Power Quality Standards for Wind Turbines

1
Wind Power in Power Systems

• 5. Power Quality Standards for Wind Turbines
• (Sähkön laatustandardit tuuliturbiineille)

2
Johdanto

• Tuulivoima vaikuttaa jännitteen laatuun
• ?Vaikutukset pyrittävä määrittelemään jo ennen
  tuuliturbiinin kytkemistä verkkoon
• Jotta vaikutuksia voidaan arvioida tulee tietää
  tuuliturbiinien sähköisiä ominaisuuksia
• ?IEC 61400-21
• Standardi IEC 61400-21 (Measurement and
  assessment of power quality characteristics of
  grid connected wind turbines) on käytössä
  suurimmalla osalla tuuliturbiinien valmistajista
• IEC 61400-21 kuvaa menettelytavat, joilla voidaan
  arvioida tuuliturbiinien vaikutusta sähkön
  laatuun
• IEC 61400-21 on ensimmäinen tähän aiheeseen
  pureutuva standardi

3
Tuuliturbiinien tunnusluvut

• Nimellisarvot
• Pn, Qn, Sn, Un ja In
• Suurin sallittu teho
• Suurin sallittu teho Pmc annetaan 10 minuutin
  keskiarvona
• Yleensä aktiivisella tehon säädöllä varustetussa
  tuuliturbiinissa Pmc Pn
• Suurin mitattu teho
• Suurin mitattu teho mitataan joko 60 sekunnin
  keskiarvona P60 tai 0,2 sekunnin keskiarvona P0.2
  
• ?relesuojaus ja saarekekäyttötarkastelut
• Loisteho
• määritetään 10 minuutin keskiarvona pätötehon 10
  minuutin keskiarvon funktiona

• 5. Välkyntäkerroin (flicker coefficient)
• Tehon vaihtelut normaalin toiminnan aikana
  aiheuttavat jännitteen vaihtelua verkossa
• ?Jännitteen vaihtelut aiheuttavat ärsyttävää
  valojen valkyntää

4
Tuuliturbiinien tunnusluvut

• Maksimimäärä tuuliturbiinin kytkentöjä
• Kytkentätapahtumat voivat aiheuttaa merkittäviä
  jännitemuutoksia
• Tuuliturbiinin käynnistäminen tuulen nopeudella,
  jolloin tuuliturbiini tulisi sammuttaa
• Tuuliturbiinin käynnistäminen tuulen
  nimellisnopeudella
• Pahin kytkentätilanne generaattoreiden kesken
• Välkyntäaskelkerroin (flicker step factor)
• Välkyntäaskelkerroin on normalisoitu arvo
  välkynnän suuruudelle johtuen yhdestä
  kytkentätapahtumasta
• Jännitteen vaihtelukerroin
• Jännitteen vaihtelukerroin on normalisoitu arvo
  jännitteen vaihtelulle johtuen yhdestä
  kytkennästä
• Harmoniset virrat
• Yksittäiset harmoniset virrat Ih annetaan 10
  minuutin keskiarvoina kaikille harmonisille
  päättyen harmoniseen järjestysluvultaan 50 sillä
  ulostuloteholla, mikä antaa suurimmat harmoniset
  virrat
• Myös THDn maksimiarvo on esittetävä.

Tp on jännitevaihtelun kestoaika kytkennän
aikana Pst on tuuliturbiinin syöttämän välkynnän
suuruus
5
Tuuliturbiinien tunnusluvut
6
Vaikutukset jännitteen laatuun (esimerkkitapauksen
esittely)
7
Vaikutukset jännitteen laatuun (esimerkissä
käytettyjen tuuliturbiinien tunnusluvut)
8
Vaikutukset jännitteen laatuun

• Hitaat jännitemuutokset
• Standardin EN 50160 mukaan
• Jokaisen viikon aikana 95 jakelujännitteen
  tehollisarvojen 10 minuutin keskiarvoista tulee
  olla välillä Un 10 .
• Kaikkien jakelujännitteen tehollisarvojen 10
  minuutin keskiarvojen tulee olla välillä Un 10
  / - 15 .
• Tehokerroin 1 liioittelee hieman jännitteitä
• Välkyntä
• Standardin EN 50160 mukaan
• välkynnän häiritsevyysindeksin tulee olla Plt 1
  95 ajasta
• Häiritsevyys on tosin subjektiivista
• Standardissa IEC 61400-21 on ohjeet yhden tai
  kokonaisen tuulipuiston välkynnän määrittämiseen

9
Vaikutukset jännitteen laatuun

• Kytkennät
• Määriteltäessä kytkennöistä aiheutuvaa välkyntää
  oletetaan, että kaikki tuuliturbiinit
  luonnehditaan välkyntäaskelkertoimella kf(?k)
  (flicker step factor)
• Lisäksi määrittelyssä oletetaan, että jokaiselle
  tuuliturbiinille on annettu maksimikäynnistysten
  määrä kymmenen minuutin ja kahden tunnin aikana
  (N10 ja N120)
• Määritellään pahimmassa kytkentätilanteessa
• Esimerkissä rajat ylitetään, joten pitäisi valita
  pienemmän välkyntäaskelkertoimen omaavat
  tuuliturbiinit
• Jatkuva toiminta
• Määriteltäessä jatkuvan tilan välkyntää
  oletetaan, että kaikille tuuliturbiineille on
  annettu välkyntäkerroin c(?k,va)
• Esimerkille laskettu PstPlt 0,49, joten
  pysytään rajan alla (0,5)
• Suurempaa tuulipuistoa suunniteltaessa tulisi
  siis valita sellaisia tuuliturbiineja, joilla on
  pienempi välkyntäkerroin c

10
Vaikutukset jännitteen laatuun (jatkuva toiminta)
11
Vaikutukset jännitteen laatuun

• Jännitekuopat
• Jännitekuoppa määritellään standardissa EN 50160
  seuraavasti
• Jakelujännitteen äkillinen aleneminen välille
  1...90 Uc ja jännitteen palautuminen lyhyen
  ajan kuluttua.
• Jännitekuopan kesto on tavallisesti 10
  millisekunnista 1 minuuttiin.
• Jännitekuopan suuruus määritellään vertaamalla
  jännitteen alinta tehollisarvoa sopimuksen
  mukaiseen jakelujännitteeseen.
• Tuuliturbiinin käynnistyksen aiheuttama
  jännitekuoppa lasketaan seuraavasti
• Esimerkille d 3 , joten ei ongelmaa
• Yleensä ei samanaikaisia käynnistyksiä
• Ei suuri ongelma
• Harmoniset jännitteet
• Epälineaariset kuormat aiheuttavat häiriöitä
  jännitteiden aaltomuotoon
• Standardin EN 50160 mukaan normaaleissa
  käyttöolosuhteissa, jokaisen viikon aikana 95
  jokaisen yksittäisen harmonisen
  yliaaltojännitteen 10 minuutin keskimääräisistä
  tehollisarvoista tulee olla pienempi tai yhtä
  suuri kuin kuvan 5.5 arvot
• Kuitenkin THDn tulee olla pienempi tai yhtä
  suuri kuin 8
• Kompensoinnissa käytetyt kondensaattorit voivat
  siirtää resonanssitaajuutta
• Esimerkissä ei ongelmia, koska turbiineissa ei
  ole tehoelektroniikkaa

12
Vaikutukset jännitteen laatuun (harmoniset)
13
Pohdinta ja yhteenveto

• Ennen standardia IEC 61400-21 käytössä oli vain
  joitain yksinkertaistettuja sääntöjä, joiden
  perusteella ratkaistiin, voiko tuulivoimaa
  liittää verkkoon
• esimerkiksi sellainen sääntö, että tuulivoimala
  saa aiheuttaa korkeintaan 1 jännitteen nousun
• Jos tätä sääntöä käytetään luvussa mainittuun
  esimerkkiin saadaan jännitteen nousuksi ?U6,8
• 1 n säännöllä esimerkin verkkoon voitaisiin
  liittää vain 550 kW tuulivoimaa
• Esimerkeissä todettiin, että kyseiseen verkkoon
  voidaan ilman ongelmia liittää 5 x 750 kW
  tuulivoimaa
• Mahdollisesti enemmänkin, jos valitaan
  kehittyneempiä tuuliturbiineja