29. Aggregated modelling and short-term voltage stability of large wind farms

1
Wind Power in Power Systems

• 29. Aggregated modelling and short-term voltage
  stability of large wind farms
• (Kokonaisuuden mallintaminen ja lyhyen aikavälin
  jännitestabiilisuus suurilla tuulipuistoilla)

2
Johdanto

• Kokonaisuuden mallintaminen suurilla
  tuulipuistoilla voidaan jakaa kahteen osaan
• Ensimmäinen osa keskittyy yksityiskohtaiseen
  esitykseen tuuliturbiinien sähköntuotannosta,
  tuulipuiston sisäisestä verkosta ja sen
  kytkeytymisestä voimajärjestelmään.
• Toinen osa koskee suurien tuulipuistojen
  supistettua mallia, jotka on implementoitu
  yksityiskohtaiseen voimajärjestelmän malliin,
  jolla analysoidaan voimajärjestelmän
  stabiiliutta.

3
Motivointi

• Kokonaisuuden mallintamista tarvitaan, kun
  halutaan vastata yhteen yleiseen kysymykseen
• Onko olemassa riski keskinäiseen
  vuorovaikutukseen tuuliturbiinien välillä, kun
  kyseessä on suuri tuulipuisto.
• voi johtaa itsemagnetointiin ja pahimmillaan
  useiden yksiköiden irtikytkentään
• Tätä pelätään yleensä konverttereilla kytketyiden
  yksiköiden kohdalla.
• Kokonaisuuden mallintamista tarvitaan myös
  loistehon kompensoinnin suunnittelussa.
• Kokonaisuuden mallintamista voidaan käyttää myös
  ohjauksen koordinoinnin kehittämiseen ja
  valintaan tuuliturbiinien välillä.

4
Tuulipuiston malli

5
Tuulipuiston malli (oletukset)

• Loisteho
• Tyypin A ja B ottavat loistehoa magnetointiinsa
  tuulipuiston sisäisestä verkosta tai
  kompensointikondensaattoreilta
• Tyypin C tuuliturbiinit magnetoidaan
  roottoripiiristä roottorikonvertterin avulla
• Loistehoa ei oteta verkosta
• Tyypin D tuuliturbiinit ovat kestomagnetoituja
• Vikatilanteet
• Oikosulkukapasiteetti tuulipuiston
  liityntäpisteessä on 1800 MVA
• Kaikki simuloidut viat ovat 3-vaiheisia
  oikosulkuja siirtoverkossa
• Vian kesto 150 ms
• Vian poistumisen jälkeen oikosulkukapasiteetti on
  1000 MVA

6
Vakionopeuksiset tuuliturbiinit (Type A2)

7
Vakionopeuksiset tuuliturbiinit (Type A2)

• Verkkoon lisätty 100 MVArn SVC

8
Vakionopeuksiset tuuliturbiinit (Type A2),
kompensoinnin vaikutus

• Dynaamisen loistehon kompensoinnin tarve riippuu
  vakionopeuksisten tuuliturbiinien parametreista.
  Kompensoinnin tarve vähenee huomattavasti, jos
• Staattorin resistanssia, staattorin reaktanssia,
  magnetointireaktanssia ja roottorin reaktanssia
  saadaan pienennettyä
• Roottorin reaktanssia kasvatetaan
• Mekaanista rakennetta vahvistetaan( turbiinin
  hitautta ja akselin jäykkyyttä)

9
Vakionopeuksiset tuuliturbiinit (Type A2),
stabilointi tehoaskelmalla

• Tanskan ohjeiden mukaisesti suurten
  tuulipuistojen on tarvittaessa pystyttävä
  vähentämään tehoaan 20 prosenttiin nimellisestä
  kahdessa sekunnissa.
• Tehoaskelma on toimiva tapa aktiivisella
  sakkausssäädöllä varustetuissa vakionopeuksisissa
  tuuliturbiineissa.
• Tässä tapauksessa ei tarvita kompensointia.

10
Muuttuvanopeuksiset tuuliturbiinit varustettuna
DFIGllä

• Tuuliturbiinien täytyy toimia ilman keskeytystä,
  vaikka verkossa tapahtuisikin vika. Tällaisten
  vikojen aikana jännite putoaa, mikä puolestaan
  aiheuttaa transientteja koneessa ja verkon
  puoleisessa konvertterissa.
• Konvertterin suojaus seuraa virtoja
  roottoripiirissä ja verkon puoleisessa
  konvertterissa, DC linkin jännitettä,
  napajännitettä, verkkotaajuutta jne.
• Jos asetellut rajat ylitetään, konvertteri
  suljetaan, mikä voi johtaa tuuliturbiinin
  irtikytkentään.
• Luvussa esitellään (kuva 29.6) tuuliturbiinin
  selviytymistä viasta konvertterin nopean
  uudelleenkäynnistymisen ansiosta.

11
Muuttuvanopeuksiset tuuliturbiinit varustettuna
DFIGllä

12
Suuren tuulipuiston vaste

• Yksi suurimmista huolista tuulipuistoissa on
  riski keskinäiseen vuorovaikutukseen
  konvertterien ohjausjärjestelmien kesken, kun
  puistossa on suuri määrä tyypin C
  tuuliturbiineja.
• Seuraavissa tilanteissa huoli tästä kasvaa
• (a) fast-acting partial-load frequency converters
  of the DFIG tai
• (b), kun suuri määrä roottorikonverttereita
  suljetaan tai ne ovat käynnistymässä.
• Tarkoituksenmukaisesti säädetyt konvertterit
  eivät aiheuta haitallisia vorovaikutuksia.

13
Suuren tuulipuiston vaste

14
Muuttuvanopeuksiset tuuliturbiinit
kestomagnetoiduilla generaattoreilla

15
Suuren tuulipuiston vaste

• Yksi suurimmista huolista tuulipuistoissa on
  riski keskinäiseen vuorovaikutukseen
  konvertterien ohjausjärjestelmien kesken, kun
  puistossa on suuri määrä tyypin C
  tuuliturbiineja.
• Seuraavissa tilanteissa huoli tästä kasvaa
• (a) fast-acting partial-load frequency converters
  of the DFIG tai
• (b), kun suuri määrä roottorikonverttereita
  suljetaan tai ne ovat käynnistymässä.
• Tarkoituksenmukaisesti säädetyt konvertterit
  eivät aiheuta haitallisia vorovaikutuksia.

16
Yhden koneen ekvivalentti

• Tuuliturbiinin simuloitu käyttäytyminen
  nimellisessä toimintapisteessä on edustava
  kollektiiviselle vasteelle, kun kyseessä on suuri
  tuulipuisto, joka toimii nimellisillä arvoilla.
• Tässä tapauksessa suuri tuulipuisto voidaan
  mallintaa jännitestabiilisuustarkasteluissa yhden
  koneen ekvivalentilla. Oletukset on esitetty
  seuraavaksi
• Yhden koneen ekvivalentin tehokapasiteetti on
  summa tuulipuiston tuuliturbiinien tehoista.
• Yhden koneen ekvivalentin tehon tuotanto on summa
  tuulipuiston tuuliturbiinien tuottamista
  tehoista.
• Yhden koneen ekvivalentin loisteho
  liityntäpisteessä on nolla.
• Potentiaalienergian kasautumisen mekanismi
  akseleissa vian aikana on otettava huomioon
  tyypin A ja B tuuliturbiineilla.
• Tyypin C tuuliturbiineilla edellä mainittua
  akselin kiertymistä ei tarvitse ottaa huomioon.
• Riski keskinäisestä vuorovaikutuksesta
  eliminoidaan tehokkaalla konvertterien ohjauksen
  säädöllä tyypin C ja D tuuliturbiinien
  tapauksessa.
• Samanlainen kommentti voidaan antaa tyypin D
  tuuliturbiineille, paitsi erikoistilanteissa.