2007-05-09Antje Orths - EWEC 2007, Milano, Italy Experience with Voltage Control From Large Offshore Windfarms for Transmission Systems Vladislav Akhmatov

2007-05-09 Antje Orths - EWEC 2007, Milano, Italy

Experience with Voltage Control From Large Offshore Windfarms for Transmission Systems

Vladislav Akhmatov

Antje Orths

Peter Børre Eriksen NORDEL

UPS

UCTE


AGENDA

Introduction

Danish Grid Connection Specifications

Limiting Factors

Summary


Power Balance 2005

Two synchronous areas:

Central power plantsLocal plants

Wind turbines

1000/950 MW 460/490 MW

550 MW800/1200 MW

Consumption 1250 - 3700 MW

Central power plants 3400 MW

Local CHP units 1700 MW

Wind turbines 2400 MW

Consumption 880 - 2600 MW

Central power plants 3800 MW

Local CHP units 650 MW

Wind turbines 750 MW

West:

East:

4100 MW

1400 MW

penetration Wind: 65 … 200%

CHP: 46 … 136%

penetration Wind: 30 … 85%

CHP: 25 … 74%

ex: 40 of prod.

im: 70 of cons.

ex: 43 of prod.

im: 70 of cons.

1300/1700 MW

im-/ export [MW]


The Danish transmission system

Teglstrupgård Valseværket

BorupS tasevangKyndbyværket

Lyngerup

J ersieS panager

Bjæverskov

HaslevFensm ark

Blangslev

Masnedøværket

Eskilstrup

I destrup

Rødby

VestlollandRadsted

Orehoved

Øster-holm

S tigsnæs-værket

Næstved

Hejninge

Rislev

Asnæs-værket

Kalundborg Torslunde

Nyrup

K irkeskovgård

Ringsted

Nr. Asm indrup

Hovegård

GørløsegårdAllerødgård

Kam strup

S perrestrupgårdØlstykke-

gård

S kibbygård

Revsing

Frøstrup

Nors

Nibstrup

AndstBram -drup

Ryttergård

Hatting

Mårslet

Malling

K nabberup

Thyregod

Bredebro

RibeMagstrup

Enstedværket

S ønderborg

Tyrstrup

Bedsted

Herning

Holsted

I dom lund

Karlsgårde

Lykkegård

S dr. Felding

S truer

S tovstrup

Videbæk

Abildskov

Fraugde

FynsværketGraderup

Odense Sydøst

Svendborg

Bilstrup

Bjørnholt

Tange

Hasle

Mesballe

Mollerup

ÅstrupHornbæk

Moselund

Høskov

Ådalen

Hvorupgård

Ålborg Øst

Bredkær S tarbakke

Dybvad

Ferslev

MosbækTinghøj

Vilsted

FredensdalK lim Fjordholm e

VendsysselværketS kansen

Håndværkervej

T jele

TrigeS tudstrup-værket

Hørning

Askær

EndrupEstrup-vej S kærbæk-

værket

K ingstrup

Kassø

Vester Hassing

Landerupgård

Loldrup

Horns RevA

160 MW

Nysted165 MW

Sverige

60 kV

København

50 kV

Norge1.000 MW

Sverige740 MW

Tyskland1.200 MW

Sverige1.900 MW

Tyskland600 MW

Eksisterende transm issionsnetultim o 2005

400/ 150 kV- eller 400/ 132 kV- transformerstation

eller 400 kV- koblingsstation


eller 150 kV- eller 132 kV- koblingsstation

K raftværk m ed tilhørende station

150 kV- eller 132 kV- ledning et system

150 kV- eller 132 kV- ledning to system er

150 kV- eller 132 kV- kabel

400 kV- kabel

400 kV- ledning et system

400 kV- ledning to system er

400/ 150 kV- eller 400/ 132 kV- kom biledning


220/ 150 kV- kom biledning

250 kV, 350 kV- eller 400 kV- ledning

250 kV, 350 kV- eller 400 kV- kabel

Uafhængig af antal system er

J ævnstrømHVDC

Mosedegård

Svanem ølleværket

Am agerværket

Kastrup kbst.Am ager kbst

Avedøreværket

I shøj

H . C. Ørsted Værket

Bellahøjkbst

G lentegård

BagsværdgårdHareskovgård

Måløvgård

Vej leå

Ejbygård

Vigerslev kbst

Linde-vang

Flaskegård

Brøndby-gård

BallerupgårdDyregård



Lyngerup

J ersieS panager

Bjæverskov

HaslevFensm ark

Blangslev

Masnedøværket

Eskilstrup

I destrup

Rødby

VestlollandRadsted

Orehoved

Øster-holm

S tigsnæs-værket

Næstved

Hejninge

Rislev

Asnæs-værket


Nyrup

K irkeskovgård

Ringsted

Nr. Asm indrup

Hovegård


Kam strup


gård

S kibbygård

Revsing

Frøstrup

Nors

Nibstrup

AndstBram -drup

Ryttergård

Hatting

Mårslet

Malling

K nabberup

Thyregod

Bredebro

RibeMagstrup

Enstedværket

S ønderborg

Tyrstrup

Bedsted

Herning

Holsted

I dom lund

Karlsgårde

Lykkegård

S dr. Felding

S truer

S tovstrup

Videbæk

Abildskov

Fraugde

FynsværketGraderup

Odense Sydøst

Svendborg

Bilstrup

Bjørnholt

Tange

Hasle

Mesballe

Mollerup

ÅstrupHornbæk

Moselund

Høskov

Ådalen

Hvorupgård

Ålborg Øst

Bredkær S tarbakke

Dybvad

Ferslev

MosbækTinghøj

Vilsted



Håndværkervej

T jele


Hørning

Askær


værket

K ingstrup

Kassø

Vester Hassing

Landerupgård

Loldrup

Horns RevA

160 MW

Nysted165 MW

Sverige

60 kV

København

50 kV

Norge1.000 MW

Sverige740 MW

Tyskland1.200 MW

Sverige1.900 MW

Tyskland600 MW










400 kV- kabel









J ævnstrømHVDC

Mosedegård

Svanem ølleværket

Am agerværket


Avedøreværket

I shøj


Bellahøjkbst

G lentegård


Måløvgård

Vej leå

Ejbygård

Vigerslev kbst

Linde-vang

Flaskegård

Brøndby-gård


Discussed Future Locations

Areal ca. 44 km2

Power ca. 200 MW

Discussed Future Locations

Areal ca. 44 km2

Power ca. 200 MW

Governmental Energy Strategy 2025:

+ 3,000 MW

Governmental Energy Strategy 2025:

+ 3,000 MW

… and offshore windparks

German plans (DENA study) 2020:

+ 20,000 MW (North & Baltic Sea)

German plans (DENA study) 2020:

+ 20,000 MW (North & Baltic Sea)




Lyngerup

J ersieS panager

Bjæverskov

HaslevFensm ark

Blangslev

Masnedøværket

Eskilstrup

I destrup

Rødby

VestlollandRadsted

Orehoved

Øster-holm

S tigsnæs-værket

Næstved

Hejninge

Rislev

Asnæs-værket


Nyrup

K irkeskovgård

Ringsted

Nr. Asm indrup

Hovegård


Kam strup


gård

S kibbygård

Revsing

Frøstrup

Nors

Nibstrup

AndstBram -drup

Ryttergård

Hatting

Mårslet

Malling

K nabberup

Thyregod

Bredebro

RibeMagstrup

Enstedværket

S ønderborg

Tyrstrup

Bedsted

Herning

Holsted

I dom lund

Karlsgårde

Lykkegård

S dr. Felding

S truer

S tovstrup

Videbæk

Abildskov

Fraugde

FynsværketGraderup

Odense Sydøst

Svendborg

Bilstrup

Bjørnholt

Tange

Hasle

Mesballe

Mollerup

ÅstrupHornbæk

Moselund

Høskov

Ådalen

Hvorupgård

Ålborg Øst

Bredkær S tarbakke

Dybvad

Ferslev

MosbækTinghøj

Vilsted



Håndværkervej

T jele


Hørning

Askær


værket

K ingstrup

Kassø

Vester Hassing

Landerupgård

Loldrup

Horns RevA

160 MW

Nysted165 MW

Sverige

60 kV

København

50 kV

Norge1.000 MW

Sverige740 MW

Tyskland1.200 MW

Sverige1.900 MW

Tyskland600 MW










400 kV- kabel









J ævnstrømHVDC

Mosedegård

Svanem ølleværket

Am agerværket


Avedøreværket

I shøj


Bellahøjkbst

G lentegård


Måløvgård

Vej leå

Ejbygård

Vigerslev kbst

Linde-vang

Flaskegård

Brøndby-gård




Lyngerup

J ersieS panager

Bjæverskov

HaslevFensm ark

Blangslev

Masnedøværket

Eskilstrup

I destrup

Rødby

VestlollandRadsted

Orehoved

Øster-holm

S tigsnæs-værket

Næstved

Hejninge

Rislev

Asnæs-værket


Nyrup

K irkeskovgård

Ringsted

Nr. Asm indrup

Hovegård


Kam strup


gård

S kibbygård

Revsing

Frøstrup

Nors

Nibstrup

AndstBram -drup

Ryttergård

Hatting

Mårslet

Malling

K nabberup

Thyregod

Bredebro

RibeMagstrup

Enstedværket

S ønderborg

Tyrstrup

Bedsted

Herning

Holsted

I dom lund

Karlsgårde

Lykkegård

S dr. Felding

S truer

S tovstrup

Videbæk

Abildskov

Fraugde

FynsværketGraderup

Odense Sydøst

Svendborg

Bilstrup

Bjørnholt

Tange

Hasle

Mesballe

Mollerup

ÅstrupHornbæk

Moselund

Høskov

Ådalen

Hvorupgård

Ålborg Øst

Bredkær S tarbakke

Dybvad

Ferslev

MosbækTinghøj

Vilsted



Håndværkervej

T jele


Hørning

Askær


værket

K ingstrup

Kassø

Vester Hassing

Landerupgård

Loldrup

Horns RevA

160 MW

Nysted165 MW

Sverige

60 kV

København

50 kV

Norge1.000 MW

Sverige740 MW

Tyskland1.200 MW

Sverige1.900 MW

Tyskland600 MW










400 kV- kabel









J ævnstrømHVDC

Mosedegård

Svanem ølleværket

Am agerværket


Avedøreværket

I shøj


Bellahøjkbst

G lentegård


Måløvgård

Vej leå

Ejbygård

Vigerslev kbst

Linde-vang

Flaskegård

Brøndby-gård


The Danish transmission system … need for a stronger grid

existingexisting

plannedplanned

discusseddiscussed


Pkan

Pbør

Pkan

Pbør

Absolute Production ConstraintAbsolute Production Constraint

Pkan

Pbør

Power Gradient ConstraintPower Gradient Constraint

Delta Production ConstraintDelta Production Constraint

Grid Connection Specifications

børP

Pkan

børPbørP

PkanPkan

Stop regulationStop regulation

3 5

6 7


Example Horns Rev 1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00hour

MW

Limit 1 (maximum power) Limit 2 (primary reserve)

Measured generation Possible generation


Dimensioning Voltages and Frequencies

Reactive Power Regulation

47,5 49,7 49,5 50,5

UL

ULF

UN

UHF

UH

Voltage

51,0 53,0 f [Hz]

Grid Connection Specifications

dotted lines:

rules before 2004


2400 2400 Load shedding [MW]Load shedding [MW]

1500 1500

1500 1500

800 800

1050 1050 500 500

5200 5200

400 400

European ”System Test”, November 4, 2006

Vindproduktion og decentral produktionVestdanmark

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

22:00 22:15 22:30 22:45 23:00

MW

Horns Rev

Landvind

Decentral

Vindproduktion og decentral produktionVestdanmark

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

22:00 22:15 22:30 22:45 23:00

MW

Horns Rev

Landvind

Decentral

Frequency

49,4

49,6

49,8

50

50,2

50,4

50,6

50,8

22:10:00 22:18:15 22:26:35 22:34:55 22:43:15

Time

Fre

qu

ency

[H

z]


Georg Christoph Lichtenberg`s Comment:

”A banging physical experiment is actually more valuable than a silent one…”

(1742 – 1799)


Limit 1: Converter Power Rating

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Active Power (p.u.)

Rea

ctiv

e P

ow

er

(p.u

.)

Qualitative PQ-Chart

of DFIG-Wind Turbines


Connection of Horns Rev 2 offshore park:

~15 km

~ 45 km

Limit 2: Long AC Cables

Platform Seacable Landcable

56 km

35 km


What makes a difference…

100%

25%25% 50%

16.7% 16.7%33.3%33.3%

100%

50% 50%

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0 2 4 6 8 10Number of compensating reactors

Re

ma

inin

g t

ran

sfe

r c

ap

ac

ity

[%

]2x1200 Al 1x2500 Cu

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00


Re

ma

inin

g t

ran

sfe

r c

ap

ac

ity

[%

]2x1200 Al 1x2500 Cu

80,00

82,00

84,00

86,00

88,00

90,00

92,00

94,00

96,00

98,00

100,00


Re

ma

inin

g t

ran

sfe

r c

ap

ac

ity

[%

]

2x1200 Al 1x2500 Cu

80,00

82,00

84,00

86,00

88,00

90,00

92,00

94,00

96,00

98,00

100,00


Re

ma

inin

g t

ran

sfe

r c

ap

ac

ity

[%

]

2x1200 Al 1x2500 Cu

80 km cable

25 km cable

Qualitative Example


164

166

168

170

0.4 0.8 1.2 1.6 2.00.0[s]

Voltage offshore platform

Voltage Onshore

Voltage at Cable Ends

increase of Q [MVar]: 4 20increase of Q [MVar]: 4 20HRA: ~ rated powerHRA: ~ rated power

V > 170 kV !

=> Cable sets limit

for Q-Deliverance

Voltage offshore platform

Voltage Onshore 164

166

168

170

172

0.4 0.8 1.2 1.6 2.00.0[s]

decrease of Q [MVar]: 4 -25decrease of Q [MVar]: 4 -25

V < 165 kV !

=> Cable sets limit

for Q-Absorbtion


Summary

Today: control of the power system is based on control of conventional power plants

Ambitious plans for additional wind power in EU and DK

=> Wind Farm`s Contribution to System Services is essential

Possible Limiting Factors

Power- and Current Rating Limits of Power Electronic Converters

Long AC Cable Connections

These limits should be considered during planning phase

2007-05-09 Antje Orths - EWEC 2007, Milano, Italy Horns Rev

Thank you !

www.energinet.dk

Documents

2007-05-09Antje Orths - EWEC 2007, Milano, Italy Experience with Voltage Control From Large Offshore Windfarms for Transmission Systems Vladislav Akhmatov