KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROELEKTRANE POMOĆU

1

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROELEKTRANE POMOĆU KONVENCIONALNIH I FACTS UREĐAJA

Dr. sc. Nijaz DizdarevićEnergetski institut Hrvoje Požar

Zagreb, Hrvatskawww.eihp.hr/~ndizdar

Nastupno predavanjeSveučilište u Splitu

Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnjeSplit, 11. travnja 2005. godine

2

SADRŽAJ PREDAVANJA

JALOVA SNAGA U ELEKTROENERGETSKOM SUSTAVU

KONVENCIONALNI I FACTS UREĐAJI ZA KOMPENZACIJU

TEHNIČKI KRITERIJI PRIKLJUČENJA VJETROELEKTRANA

POGON VJETROELEKTRANA U DISTRIBUCIJSKOJ MREŽI

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROTURBINA

3


Elementi AC sustava proizvode / troše dvije vrste snage: djelatnu i jalovu

Djelatna snagaDjelatna snaga – korisni rad Jalova snagaJalova snaga – regulacija napona

Nedostatak jalove snage ima ozbiljne posljedice (nestabilnost i slom napona, raspad)

Regulatorni pristup - osigurati dobavu jalove snage uz razumne troškove

Potrebe treba procjenjivati lokalno, temeljem jasnih kriterija.Potrebe treba zadovoljavati na učinkovit i pouzdan način.Oni subjekti koji imaju koristi od jalove snage trebaju snositi troškove njezine dobave.Svi dobavljači jalove snage trebaju za to biti plaćeni na ne-diskriminirajućoj osnovi.

Ne samo da je jalova snaga neophodna za pouzdan pogon prijenosnog sustava, već značajno poboljšava uvjete dobave djelatne snage.

4


Napon i struja pulsiraju sinusnim valovima pri frekvenciji 50 Hz.

Napon je mjera potencijalne energije po električnom naboju.

Struja je mjera prosječne brzine gibanja elektrona.

Iako napon i struja pulsiraju istom frekvencijom, vršne im se vrijednosti javljaju u različitim vremenskim trenucima.

Snaga je algebarski umnožak napona i struje.

Tijekom jednog perioda, snaga ima prosječnu vrijednost koja se naziva djelatnom snagom.

Također, postoji i dio snage s nultom prosječnom vrijednošću koji se naziva jalovom snagom.

Ukupna snaga naziva se prividnom snagom.

5


6


• Jalova se snaga mjeri kao najveća vrijednost pulsirajuće snage tijekom perioda

• Jalova snaga može biti pozitivna ili negativna, ovisno o tome dolazi li vrh strujnog vala prije ili poslije vrha naponskog vala

• Jalova je snaga pozitivnog predznaka kada se proizvodi, a negativnog kada se troši

• Potrošnja jalove snage smanjuje iznose napona u čvorištima, a proizvodnja povećava

• Obzirom da naponi i struje pulsiraju, snaga također pulsira što izaziva gubitke u vodovima

• Jalova snaga zauzima prijenosnu sposobnost voda, a ako se naruši termička opteretivost povećava se provjes

• Jalova se snaga ne prenosi zbog previsokih gubitaka i prevelikog pada napona

7


Regulacija napona je potrebna zbog izbjegavanja pregrijavanja generatora i motora, smanjenja gubitaka u prijenosu i odupiranja poremećajima poput sloma napona.

Jalova snaga određuje se u postupku planiranja koji ima inženjerske i ekonomske aspekte.

Inženjerska analiza zahtijeva velike i složene matematičke modele sustava.

Ekonomska analiza zahtijeva poznavanje troškova i ponuda na tržištu.

Mnogi elementi utječu na ravnotežu jalove snage u sustavu.

Sinkroni generatori proizvode i troše jalovu snagu.

Kondenzatorske baterije proizvode jalovu snagu.

Prijenosni vod proizvodi jalovu snagu pri niskim, a troši pri visokim opterećenjima.

8


Induktivitet i kapacitet inherentna su svojstva koja određuju potrebu za jalovom snagom. Induktivitet troši jalovu snagu, a kapacitet je proizvodi.

Jalova se snaga može kvalitetno i jednostavno kompenzirati kod predvidivih i sporih promjena.

Dakle, ključno je pitanje iznosa i brzine nastanka promjene potrebe za jalovom snagom.

Vjetroelektrane su u pogledu jalove snage vrlo specifičan i dinamičan element.

Asinkroni su generatori najčešće u uporabi u vjetroturbinama, a promjene opterećenja su brze i slabo predvidive.

Brze promjene injektirane djelatne snage vjetroturbinskih asinkronih generatora uzrokuju brze promjene ravnoteže jalove snage i promjene iznosa napona u čvorištu generatora.

9


Izvori jalove snage mogu biti statički i dinamički.

Kondenzatorske baterije i prigušnice statički proizvode i troše jalovu snagu.

Statički izvori ne mogu upravljati izlaznom jalovom snagom u uvjetima promjene napona u čvorištu priključenja na mrežu.

Sinkroni generatori, sinkroni kompenzatori i FACTS uređaji su dinamički izvori jalove snage.

Dinamički izvori upravljaju izlaznom snagom u uvjetima promjene napona u čvorištu priključenja.

10


Tijekom visokih opterećenja uključuju se poprečne kondenzatorske baterije za pružanje naponske podrške injektiranjem jalove snage u sustav.

Poprečne kondenzatorske baterije uključuju se putem mehaničkih prekidača i imaju vrlo male gubitke djelatne snage.

Jalova snaga iz poprečnih kondenzatorskih baterija proporcionalna je kvadratu iznosa napona, što može biti problematično.

Poprečne kondenzatorske baterije ugrađuju se u postrojenjima i diskretno uključuju u blokovima.

Nisu u mogućnosti kontinuirano i glatko prilagođavati vlastitu izlaznu snagu, jer se oslanjaju na mehaničke prekidače (ukupno vrijeme uklopa <1 sekunde).

US$ 1 milijun za 50 Mvar priključenih na 110 kV nazivnoj naponskoj razini.

Cijena je velika prednost!

11


FACTS tehnologija povećava stabilnost i fleksibilnost prijenosnog sustava putem upravljanja tokovima djelatnih i jalovih snaga.

FACTS tehnologija je zasnovana na energetskoj elektronici, odnosno na elektroničkim ventilima i tiristorima (GTO i IGBT).

Vrijeme upravljanja je unutar nekoliko milisekundi, što znači da su u stanju kontinuirano upravljati karakterističnim varijablama.

FACTS uređaji ugrađuju se u postojeća postrojenja i traže znatno manje prostora u usporedbi s izgradnjom novog voda.

Postoji nekoliko izvedbi FACTS uređaja: poprečni, serijski i kombinirani poprečno-serijski.

Poprečni FACTS uređaji reguliraju iznos napona putem kontroliranog injektiranja jalove snage (STATCOM, D-var).

Serijski FACTS uređaji reguliraju serijske tokove snaga pomoću injektiranog izvora napona u serijskom spoju s vodom (SSSC).

Kombinirani FACTS uređaji istodobno reguliraju iznos napona i tokove djelatne i jalove snage kroz spojni vod (UPFC, CSC).

12


13


14


Objedinjeni regulator tokova snaga(eng. Unified Power Flow Controller, UPFC)

Poprečne kondenzatorske baterije(eng. Shunt Capacitor Banks, SCB)

15



16



Upravljivi kompenzator jalove snage(mala veličina izgradnje)

17



UPFC

Model i sustav upravljanja

Regulacijske sposobnosti

Uključenje u DA model sustava

Istodobna regul. 3 parametra:

• iznos napona• serijska reaktancija• kut napona

Dinamička kompenzacija

Poprečna kompenzacija

Serijska kompenzacija

Regulacija kuta

18



UPFC MODEL

Model s injektiranim snagama

Parametri: r, γ, Qconv1

PI sustav regulacije

Jedan Ulaz Jedan Izlaz (SISO)

Istodobna regulacija poprečne i serijske strane

Regulacija napona, tokova djelatne i jalove snage, kuta napona

shunt side series sidei j

jb P Qj jS ,

P r b V V sin

cos QQ

=

=

( )Si S i j ij

Si- 2

conv1

-

r bSVi

+

+

+

Q = r VbS i cos

P = r VbS i sinVj (ij )+

+Sj

Sj Vj( +ij )

shuntpart

TRANSIENT ENERGYFUNCTION BLOCK

seriespart

Qconv1

PIregulator

forregulator

for

PIregulator

for

PI

r

conv1Q rref ref ref

iVddt dt

d ij

Vi Vj Q Q Vj conv2 comp, , , j , compconv2,P P ij ,

three decoupledsingle outputs

internallevelcontrol

oscillationdampingcontrol

externallevelcontrol

locallymeasuredvariables

three decoupledsingle inputs

2 2

22

19



i j

jb P Qj jS ,

P r b V V sin

cos QQ

=

=

( )Si S i j ij

Si- 2

conv1

-

r bSVi

+

+

+

Q = r VbS i cos

P = r VbS i sinVj ( ij )+

+Sj

Sj Vj ( +ij )

22

+-

f(sign(r))

K

1sT

1sT

K

f(sign(r))

-+

sT1

K

1sT

K

f(sign(r))+

-

f(sign(r))

-+

1sT

K

sT1

K+

-

sT1

K

f(sign(r))

f(sign(r))

+-

sT1

ABS

sT1

VVr

r

Q

Q

r(1+k )x I

Q

r

PAR

QBT

VV

V

V

Q

pst

r

ir

Q

iQ

zQz

zQ

rpst

rpst

jREF

j

j2REF

j2

c S ij2

ij

compREF

rr

max

min

r

r

r -+

+

+

+

-

-

+

+

+

+-

+

PAR

QBT

-

-+

f(sign(r))+

ij REFij

PP

zeroP

2

0

-

-

-

-

++

-

+

+

P

z

pst

i

zp

zp

gpst

gpst

j2REF

j2

conv2

++

+ +

rr REF

REF

TEF

TEF

sT1

K

sT1

11+sT

V

V

+

- --

slopesetting

++

++

++

+-L

IMIT

I

II

I

SS

Q

visivi

ivii

iREFconv1qREF

qTEF

conv1qmax

conv1qmax

ivi1

conv1

B

conv1

+

-

TRANSIENT ENERGYFUNCTION BLOCK

shunt seriesrI q

P ,Qi1 i1

conv2

( )

(- ij)i

-

-

zeroj ij - i( )

[ ]

+-

20



21


MREŽNA PRAVILA

Mrežna pravila uređuju pogon i način vođenja prijenosne i distribucijske mreže u elektroenergetskom sustavu.

Mrežna pravila definiraju tehničke obveze generatora priključenih na ees.

Postavljana su obzirom na sinkrone generatore kao dominantnu vrstu u sustavu.

Osnovni zahtjevi napisani su sa stajališta velikih termoelektrana i hidroelektrana.

Ne postoji tumačenje pogona asinkronih generatora koji su najčešći u primjeni u vjetroelektranama.

Zanemarivanje vjetroelektrana više nije prihvatljivo obzirom na planove i želje investitora.

Tehničke karakteristike vjetroelektrana imat će veliki utjecaj na vođenje pogona sustava.

22


MREŽNA PRAVILA

Rješavanje zahtjeva za priključkom vjetroelektrana na pojedinačnoj osnovi nije transparentno, potencijalno je diskriminatorno i može uzrokovati nekonzistentnost.

Uvođenje minimalnih tehničkih zahtjeva za vjetroelektrane uklanja prepreke priključivanja asinkronih proizvodnih pogona i očuvanja sigurnosti i stabilnosti pogona ees-a.

Tehnički uvjeti za priključenje vjetroelektrana male veličine izgradnje na distribucijski sustav (≤35 kV).

Tehnički uvjeti za priključenje vjetroelektrana veće veličine izgradnje na prijenosni sustav (≥110 kV).

Tehnički uvjeti vođenja pogona ees-a s visokim stupnjem penetracije vjetroelektrana (predviđanje proizvodnje).

Wind Grid Code

23


PRIKLJUČENJE VJETROELEKTRANA NA DISTRIBUCIJSKI SUSTAV

Određivanje najveće dozvoljene snage koju vjetroelektrana smije injektirati u mrežu zadovoljavajući statičke kriterije sigurnosti pogona (termička opteretivost i naponski profil).

Predviđanje utjecaja sporijih fluktuacija snage obzirom na različite promjene pogonskih stanja vjetroelektrane.

Proračun stabilnosti kuta i napona sustava na distribucijskoj razini ili na ukupnoj razini u ovisnosti o stupnju penetracije.

Određivanje razine kratkog spoja i procjena kvalitete električne energije obzirom na emisiju flikera, fluktuaciju napona, harmoničku emisiju, interferenciju.

Procjena interakcija između vjetroelektrane i postojećeg sustava zaštite posebice obzirom na priključenje na distribucijsku razinu.

Procjena potrebe za eventualnim uravnoteženjem profila napona u distribucijskoj mreži korištenjem uređaja za kompenzaciju jalove snage i regulaciju napona.

24



Procjena gubitaka snage i energije u distribucijskoj mreži prije i nakon priključenja vjetroelektrane.

Procjena dobrobiti prijenosnog sustava (capacity credit) nakon priključenja vjetroelektrane na distribucijski sustav.

Troškovi stvoreni potrebom pojačanja distribucijskog sustava nakon priključenja vjetroelektrane.

Troškovi Operatora sustava obzirom na održavanje rezervne snage za regulaciju te pomoćne usluge.

Procjena regulacijskih potreba i pomoćnih usluga u uvjetima pogona sustava s visokim stupnjem penetracije vjetroelektrana koje nisu pod centralnim nadzorom.

Sheme rasterećenja radijalnog distribucijskog kraka s priključenom vjetroelektranom.

25



Operator sustava odgovoran je za sigurnost pogona ees-a.

Mnoga područja u RH (posebno u Dalmaciji) imaju srednju brzinu vjetra ≥6 m/s.

Više od 100 potencijalnih lokacija.

Ukupna procijenjena veličina izgradnje 1300 MW.

Ukupna procijenjena električna energija 3000 GWh.

Vršno opterećenje sustava 2800 MW, minimalno opterećenje 950 MW.

Ekonomski ostvarivo uključiti 900 GWh iz RES u 2010, što predstavlja 4.5% ukupne potrošnje.

Kako priključiti i voditi pogon sustava uz penetraciju vjetroelektrana od 300 MW?

26


27


28


Vjetroturbinski asinkroni generator u standardnoj izvedbi (eng. Induction Generator, IG)

29


Vjetroturbinski asinkroni generator s dvostranim napajanjem (eng. Dobly Fed Induction Generator, DFIG)

30


DFIG izvedba

vs.

Standardna izvedba

31


Vestas V52-850 kW - DFIG izvedba -

32


Vestas V52-850 kW - DFIG izvedba -

33


S S

S

mag

r

r

r

R X X

I

X

Rs

V

I

n+

srV

34


( ) rdmagr

magSSd

qdmS

q VXX

XI

TXX

TE

EdtdE

+−

−+−−= 0'

0'

0

''

0

' ' ωωω

( ) rqmagr

magSSq

dqmS

d VXX

XI

TXX

TEE

dtdE

++

−−−−−= 0'

0'

0

''

0

' ' ωωω

ndtd m

Tc ωω −=

Θ

( ) ( )

T

mc

TTcccngenT

ww

T

HnDDDc

SVP

dtd

2

1 ωωωω

++−Θ−

=

+

−

++−+Θ

=

2

2

2nH

H

TnDD

DnD

nc

dtd

gm

emgc

mTc

cc

m

ωωω

Sustav diferencijalnih jednadžbi asinkronog generatora - d i q komponente injektiranog rotorskog napona za DFIG -

35


idr1sT1

idr1KQREF

-+

SQ

rdV

idr2

1sT

Kidr2

-

I+

SdI

SdSREF

+

+

iqr1sT1

iqr1KREF

-+

T

rqV

iqr2

1sT

Kiqr2

-

I+

SqI

SqTREF

+

+

ω

ω

Regulacije jalove snage asinkronog generatora - d komponenta injektiranog rotorskog napona -

Regulacije brzine vrtnje asinkronog generatora - q komponenta injektiranog rotorskog napona -

36


BRZINA VJETRA

OSNOVNA KOMPONENTA(konstantna vrijednost)

LINEARNA KOMPONENTA(linearna vrijednost)

UDARNA KOMPONENTA(kompozitna trigonometrijska funkcija)

ŠUMNA KOMPONENTA(funkcija spektralne gustoće)

wNwGwRwBw VVVVV +++=

37


Vjetroelektrana Ravne 1 - Pag - 7 x 850 kW, DFIG, 10 kV distribucijski sustav -

T S Pag 10 kV T S Pag 110 kVR S Pag 10 kV

Pagplastika 10 kV

K iršina 10 kV

IN FIN IT E

TS m V E1; 10 kV

T S m V E2; 10 kV

T S m V E 3; 10 kV

T S m VE 4; 10 kV T S m V E 5; 10 kV

T S m V E6; 10 kV

TS m V E7; 10 kVG m V E1

G m V E 2

G m V E3

G m V E4 G m V E5

G m V E 6

G m V E 7

load

load

feederx2

radial

x2feederradial

radialfeederx1

2.995 km0.610 km

1.100 km

0.820 km

0.400 km

0.300 km

0.470 km

0.380 km

0.610 km

0.820 km

BU S

U PFCbus i

bus j

38

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROTURBINA- asinkroni generator u standardnoj izvedbi s kond. baterijama -

39

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROTURBINA- asinkroni generator u standardnoj izvedbi s kond. baterijama -

40

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROTURBINA- asinkroni generator u DFIG izvedbi -

41


42


43


44

ZAKLJUČAK

Uspoređene su konvencionalne i FACTS protumjere u okviru problema regulacije napona i kompenzacije jalove snage

Korist od primjene FACTS naprava ilustrirana je unutar problema priključenja vjetroelektrane na distribucijski sustav

Asinkroni generator u DFIG izvedbi smješten je u kontekst FACTS uređaja

FACTS rješenja preventivno smanjuju odstupanje napona koje inducira vjetroelektrana injektiranjem promjenjive snage u distribucijski sustav

45

ZAKLJUČAK

Aktiviranjem UPFC uređaja uz vjetroelektranu u standardnoj izvedbi, problem se značajno ublažava istodobnom regulacijom iznosa napona i razmjene jalove snage u čvorištu priključenja

DFIG izvedba asinkronog generatora predstavlja tehnološki iskorak zahvaljujući kojem se istodobno upravlja s jalovom snagom statora generatora i brzinom vrtnje rotora generatora

Obzirom na brzi razvoj tehnologije vjetroelektrana neophodno je formirati skup tehničkih kriterija za njihovo priključivanje na sustav te za vođenje pogona sustava s visokim stupnjem njihove penetracije

Documents

KOMPENZACIJA JALOVE SNAGE VJETROELEKTRANE POMOĆU