Modellering windturbines met Vision - Phase to Phase
Modellering windturbines met Vision - Phase to Phase
Modellering windturbines met Vision - Phase to Phase
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Modellering</strong> <strong>windturbines</strong> <strong>met</strong> <strong>Vision</strong><br />
06-078 pmo<br />
11 mei 2006<br />
<strong>Phase</strong> <strong>to</strong> <strong>Phase</strong> BV<br />
Utrechtseweg 310<br />
Postbus 100<br />
6800 AC Arnhem<br />
T: 026 352 3700<br />
F: 026 352 3709<br />
www.phase<strong>to</strong>phase.nl
2 06-078 pmo<br />
© <strong>Phase</strong> <strong>to</strong> <strong>Phase</strong> BV, Arnhem, Nederland. Alle rechten voorbehouden.<br />
Dit document bevat vertrouwelijke informatie. Overdracht van de informatie aan derden zonder schriftelijke <strong>to</strong>estemming van of<br />
namens <strong>Phase</strong> <strong>to</strong> <strong>Phase</strong> BV is verboden. Hetzelfde geldt voor het kopiëren van het document of een gedeelte daarvan.<br />
<strong>Phase</strong> <strong>to</strong> <strong>Phase</strong> BV is niet aansprakelijk voor enige directe, indirecte, bijkomstige of gevolgschade ontstaan door of bij het<br />
gebruik van de informatie of gegevens uit dit document, of door de onmogelijkheid die informatie of gegevens te gebruiken.
INHOUD<br />
3 06-078 pmo<br />
1 Inleiding ................................................................................................................................. 4<br />
2 Vast <strong>to</strong>erental windturbine .................................................................................................... 4<br />
3 Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een converter ................................................................5<br />
4 Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een dubbelgevoede inductiegenera<strong>to</strong>r (DFIG) ........... 6
4 06-078 pmo<br />
1 INLEIDING<br />
Een windturbine moet in <strong>Vision</strong> worden gemodelleerd <strong>met</strong> een asynchrone of synchrone genera<strong>to</strong>r en<br />
een of meer condensa<strong>to</strong>ren. Daar komen in veel gevallen nog een transforma<strong>to</strong>r, interne kabelsystemen<br />
en een beveiliging bij. In het geval dat vermogenselektronica is <strong>to</strong>egepast wordt ook een<br />
(negatieve) belasting gebruikt. Bij het modelleren moet men ermee rekening houden dat het model<br />
van de windturbine zowel bij loadflow als bij kortsluitingen de werkelijkheid goed benadert.<br />
Er bestaan <strong>windturbines</strong> voor constant en voor variabel <strong>to</strong>erental. Bij <strong>windturbines</strong> <strong>met</strong> vast <strong>to</strong>erental<br />
is de genera<strong>to</strong>r (een asynchrone machine) direct gekoppeld aan het net. Aangezien de snelheid <strong>met</strong><br />
hooguit 1% kan variëren, is elke fluctuatie in de windsnelheid merkbaar in het actieve vermogen. Windturbines<br />
<strong>met</strong> een variabel <strong>to</strong>erental worden geregeld <strong>met</strong> behulp van vermogenselektronica, waardoor<br />
fluctuaties in windsnelheid voor een groot deel kunnen worden opgeslagen in rotatie-energie van de<br />
ro<strong>to</strong>r. Dit laatste zorgt ervoor dat de kwaliteit van de geleverde energie beter is bij <strong>windturbines</strong> <strong>met</strong><br />
variabel <strong>to</strong>erental.<br />
De omwentelsnelheid van de ro<strong>to</strong>r is veel lager dan de elektrische frequentie. Daarom worden vaak<br />
een versnellingsbak en meerpolige machines <strong>to</strong>egepast. Er zijn vier belangrijke soorten <strong>windturbines</strong>ystemen:<br />
1. vast <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een asynchrone machine<br />
2. variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een asynchrone machine of <strong>met</strong> een synchrone machine<br />
3. variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een meerpolige synchrone genera<strong>to</strong>r of een meerpolige<br />
permanent-magneet synchrone genera<strong>to</strong>r<br />
4. variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een dubbelgevoede asynchrone machine<br />
2 VAST TOERENTAL WINDTURBINE<br />
De asynchrone genera<strong>to</strong>r in een windturbine <strong>met</strong> vast <strong>to</strong>erental is direct gekoppeld aan het net. De<br />
ro<strong>to</strong>rsnelheid wordt in principe bepaald door de versnellingsbak en het poolpaartal van de genera<strong>to</strong>r.<br />
Dit soort <strong>windturbines</strong> heeft vaak twee vaste <strong>to</strong>erentallen. Dit systeem is tussen 1980 en 1990<br />
veelvuldig <strong>to</strong>egepast.<br />
Vast <strong>to</strong>erental wind turbine <strong>met</strong> een asynchrone genera<strong>to</strong>r<br />
De asynchrone machine in deze windturbine levert actief vermogen P en neemt blindvermogen op.<br />
Het actieve vermogen hangt af van de windsnelheid. Het blindvermogen wordt bepaald door de<br />
machinepara<strong>met</strong>ers. In de windturbine is een condensa<strong>to</strong>rbank opgenomen ter compensatie van het<br />
blindvermogen. In veel gevallen worden de condensa<strong>to</strong>ren afhankelijk van het geleverde vermogen
5 06-078 pmo<br />
au<strong>to</strong>matisch ingeschakeld. In geval van een kortsluiting levert de windturbine een bijdrage aan I k,max ".<br />
Een voorbeeld van de modellering in <strong>Vision</strong> is hieronder afgebeeld.<br />
V -1.432 MW<br />
0.299 Mvar<br />
Externe net<br />
10.000 kV<br />
-1.432 MW<br />
0.299 Mvar<br />
1.442 MW<br />
-0.223 Mvar<br />
Q175<br />
0.000 MW<br />
0.183 Mvar<br />
Mastvoet<br />
0.705 kV<br />
Gondel<br />
0.712 kV<br />
Vast <strong>to</strong>erental<br />
1.461 MW<br />
-0.635 Mvar<br />
A<br />
Q-compensatie<br />
Q225<br />
0.000 MW<br />
0.235 Mvar<br />
Vast <strong>to</strong>erental wind turbine <strong>met</strong> een asynchrone genera<strong>to</strong>r in <strong>Vision</strong><br />
3 VARIABEL TOERENTAL WINDTURBINE MET EEN CONVERTER<br />
In het <strong>windturbines</strong>ysteem in onderstaande afbeelding is de sta<strong>to</strong>r van de genera<strong>to</strong>r via een converter<br />
gekoppeld <strong>met</strong> het net. De genera<strong>to</strong>r kan een asynchrone kortsluitankergenera<strong>to</strong>r zijn of een synchrone<br />
genera<strong>to</strong>r. De versnellingsbak is zodanig ontworpen dat de maximale ro<strong>to</strong>rsnelheid overeenkomt<br />
<strong>met</strong> het nominale <strong>to</strong>erental van de genera<strong>to</strong>r.<br />
Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een synchrone/asynchrone genera<strong>to</strong>r<br />
In geval van een synchrone genera<strong>to</strong>r kan deze <strong>met</strong> een groter poolpaartal worden uitgerust, zodat een<br />
versnellingsbak niet nodig is. Aangezien er veel ervaring is <strong>met</strong> de <strong>to</strong>epassing van deze "full-power"<br />
converter/genera<strong>to</strong>r systemen, is het concept goed ui<strong>to</strong>ntwikkeld.<br />
Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een synchrone genera<strong>to</strong>r zonder versnellingsbak
6 06-078 pmo<br />
In een <strong>windturbines</strong>ysteem <strong>met</strong> variabel <strong>to</strong>erental is de sta<strong>to</strong>r van de genera<strong>to</strong>r via een converter<br />
gekoppeld <strong>met</strong> het net. De windturbine levert actief vermogen P. Indien de genera<strong>to</strong>r een asynchrone<br />
machine is, neemt deze blindvermogen op. Indien de genera<strong>to</strong>r een synchrone machine is, levert deze<br />
blindvermogen. De uitwisseling van blindvermogen <strong>met</strong> het net wordt bepaald door de machinepara<strong>met</strong>ers<br />
en door de instelling van de converter. Een <strong>met</strong> thyris<strong>to</strong>ren uitgevoerde converter kan bij<br />
een asynchrone genera<strong>to</strong>r geen blindvermogen aan het net leveren, een <strong>met</strong> IGBT's uitgevoerde<br />
converter kan dat wel. In geval van een kortsluiting levert deze windturbine geen bijdrage aan I k,max ".<br />
Daarom kunnen zowel de asynchrone als de synchrone genera<strong>to</strong>r als een negatieve belasting worden<br />
gemodelleerd. Het blindvermogen van de <strong>to</strong>tale windturbine hangt van de combinatie<br />
genera<strong>to</strong>r/converter af.<br />
Genera<strong>to</strong>r Converter Blindvermogen windturbine<br />
Asynchroon Thyris<strong>to</strong>r Opnemen<br />
Asynchroon IGBT Opnemen / Leveren<br />
Synchroon Thyris<strong>to</strong>r Leveren<br />
Synchroon IGBT Leveren<br />
Een voorbeeld van de modellering van beide varianten in <strong>Vision</strong> is hieronder afgebeeld.<br />
V -1.473 MW<br />
0.183 Mvar<br />
Externe net<br />
10.000 kV<br />
Mastvoet<br />
0.708 kV<br />
Gondel<br />
0.716 kV<br />
Converter<br />
Asynchrone genera<strong>to</strong>r<br />
-1.500 MW<br />
0.100 Mvar<br />
-1.473 MW<br />
0.183 Mvar<br />
1.483 MW<br />
-0.105 Mvar<br />
V -1.473 MW<br />
-0.018 Mvar<br />
Externe net<br />
10.000 kV<br />
Mastvoet<br />
0.713 kV<br />
Gondel<br />
0.721 kV<br />
Converter<br />
Synchrone genera<strong>to</strong>r<br />
-1.500 MW<br />
-0.100 Mvar<br />
-1.473 MW<br />
-0.018 Mvar<br />
1.484 MW<br />
0.095 Mvar<br />
Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een synchrone/asynchrone genera<strong>to</strong>r in <strong>Vision</strong><br />
4 VARIABEL TOERENTAL WINDTURBINE MET EEN DUBBELGEVOEDE<br />
INDUCTIEGENERATOR (DFIG)<br />
Het <strong>windturbines</strong>ysteem van onderstaande afbeelding is voorzien van een dubbelgevoede inductiegenera<strong>to</strong>r.<br />
Dit betekent dat de sta<strong>to</strong>r direct gekoppeld is <strong>met</strong> het net en dat de ro<strong>to</strong>rwikkeling via<br />
sleepringen is verbonden <strong>met</strong> een converter. Met name doordat de vermogenselektronische omzetter<br />
maar ongeveer een kwart van het <strong>to</strong>tale vermogen hoeft te voeden, is dit concept erg populair<br />
geworden voor variabel <strong>to</strong>erental <strong>windturbines</strong>. De verliezen in de converter zijn veel minder dan bij<br />
een systeem <strong>met</strong> een "full-power" converter. Bovendien is de converter goedkoper. Het is mogelijk de<br />
ro<strong>to</strong>rwikkeling op een externe weerstand aan te sluiten.
7 06-078 pmo<br />
Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een dubbelgevoede inductiegenera<strong>to</strong>r<br />
De omzetter is een "back-<strong>to</strong>-back" converter en bestaat uit twee converters <strong>met</strong> een dc-link ertussen.<br />
De converter die is aangesloten op de ro<strong>to</strong>rwikkelingen regelt het koppel, het <strong>to</strong>erental en de arbeidsfac<strong>to</strong>r<br />
aan de sta<strong>to</strong>rklemmen.<br />
Tijdens normaal bedrijf gedraagt de windturbine zich als een synchrone machine. Door regeling van<br />
de frequentie van de stroom door de ro<strong>to</strong>rwikkeling kan de genera<strong>to</strong>r bij elke gewenst ro<strong>to</strong>r<strong>to</strong>erental<br />
<strong>to</strong>ch synchroon draaien. De ro<strong>to</strong>rwikkeling wordt <strong>met</strong> een zodanige wisselstroom gevoed, dat het<br />
elektromagnetisch veld in de luchtspleet het verschil tussen het ro<strong>to</strong>r- en sta<strong>to</strong>rveld compenseert.<br />
P mech<br />
P sta<strong>to</strong>r<br />
P ro<strong>to</strong>r<br />
P el<br />
DFIG<br />
Converter<br />
Vermogensbalans windturbine <strong>met</strong> DFIG<br />
Het elektrische vermogen van de windturbine is gelijk aan het verschil van het sta<strong>to</strong>rvermogen en het<br />
ro<strong>to</strong>rvermogen. Onderstaande vergelijkingen beschrijven de relaties tussen de mechanische en<br />
elektrische vermogens:<br />
Pel<br />
= η ⋅ Pmech<br />
Pel<br />
= Psta<strong>to</strong>r<br />
− Pro<strong>to</strong>r<br />
Psta<strong>to</strong>r<br />
= Pel<br />
/(1 − s)<br />
P = sP = sP /(1 − s)<br />
ro<strong>to</strong>r<br />
sta<strong>to</strong>r<br />
el<br />
Hierin is s de slip. Bij een door voldoende wind aangedreven windturbine draait de genera<strong>to</strong>r "bovensynchroon"<br />
en is de slip negatief. Bijvoorbeeld bij een slip van -30 % is de ro<strong>to</strong>rsnelheid 1,3 pu. Het<br />
sta<strong>to</strong>rvermogen is dan 0,77 maal P el en het ro<strong>to</strong>rvermogen is dan -0,23 maal P el . Dat betekent dus dat<br />
bij vol vermogen ongeveer een kwart van het windturbinevermogen uit het ro<strong>to</strong>rcircuit komt. In nullast<br />
is het ro<strong>to</strong>rvermogen nul.<br />
Bij een windturbine kan de slip zowel positief als negatief zijn. Een positieve slip treedt op indien de<br />
genera<strong>to</strong>r "sub-synchroon" draait. In het algemeen is bij een windturbine de slip positief bij een laag
8 06-078 pmo<br />
mechanisch vermogen en negatief voor een hoog mechanisch vermogen. Onderstaande afbeelding<br />
geeft de slip weer als functie van de windsnelheid.<br />
Slip als functie van windsnelheid<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Slip (%)<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
Windsnelheid (m/s)<br />
Het mechanische vermogen van de windturbine is afhankelijk van de windsnelheid, de luchtdichtheid,<br />
de ro<strong>to</strong>rbladdia<strong>met</strong>er en een vermogenscoëfficiënt.<br />
P<br />
mech<br />
= 1/<br />
2 ρ ⋅πR<br />
2<br />
blad<br />
⋅V<br />
3<br />
lucht<br />
⋅C<br />
p<br />
Het vermogen is begrensd ter voorkoming van beschadiging van de windmolen. Onderstaande<br />
afbeelding geeft het verband tussen windsnelheid en vermogen.<br />
Vermogen als functie van windsnelheid<br />
120<br />
100<br />
Vermogen (%)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
Windsnelheid (m/s)<br />
In geval van een kortsluiting in het net draagt de windturbine bij aan deze kortsluiting en is de sta<strong>to</strong>rstroom<br />
groot. Als gevolg zal ook de ro<strong>to</strong>rstroom groot worden. Ter bescherming van de vermogenselektronica<br />
in de converter wordt onmiddellijk het ro<strong>to</strong>rcircuit kortgesloten. Als gevolg gedraagt de<br />
genera<strong>to</strong>r zich tijdens kortsluiting als een asynchrone machine.<br />
Voor een correcte modellering in <strong>Vision</strong> kan de genera<strong>to</strong>r voor loadflowberekeningen als een synchrone<br />
genera<strong>to</strong>r worden gemodelleerd en voor kortsluitberekeningen als een asynchrone genera<strong>to</strong>r.<br />
Aangezien dit niet praktisch is, wordt voorgesteld om de genera<strong>to</strong>r te modelleren <strong>met</strong> een asynchrone<br />
genera<strong>to</strong>r en een vaste condensa<strong>to</strong>r (Bozelie, 2003). In onderstaand voorbeeld is de condensa<strong>to</strong>r
9 06-078 pmo<br />
opgenomen in de gondel. De converter is gemodelleerd als een negatieve belasting <strong>met</strong> een constant<br />
vermogen van -0,3 MW en 0 Mvar. In gevallen van deellast moet het convertervermogen evenredig<br />
<strong>met</strong> het genera<strong>to</strong>rvermogen worden verminderd. Bij loadflowberekeningen zal de windturbine actief<br />
en blindvermogen leveren. In een kortsluitberekening zal de windturbine zich gedragen als een<br />
asynchrone machine. De condensa<strong>to</strong>r en de converter leveren dan geen bijdrage aan de<br />
kortsluitstroom.<br />
V<br />
-2.942 MW<br />
-0.458 Mvar<br />
Externe net<br />
22.000 kV<br />
-2.942 MW<br />
-0.458 Mvar<br />
2.708 MW<br />
0.668 Mvar<br />
Dynyn<br />
Mastvoet<br />
0.997 kV<br />
Gondel<br />
1.004 kV<br />
Gondel<br />
0.748 kV<br />
Q-compensatie<br />
0.000 MW<br />
1.860 Mvar<br />
Converter<br />
A DFIG<br />
2.726 MW<br />
-1.183 Mvar<br />
0.300 MW<br />
0.000 Mvar<br />
Mastvoet<br />
0.748 kV<br />
Variabel <strong>to</strong>erental windturbine <strong>met</strong> een dubbelgevoede inductiegenera<strong>to</strong>r in <strong>Vision</strong><br />
-0.300 MW<br />
0.000 Mvar<br />
REFERENTIE<br />
Bozelie, 2003:<br />
"Windparken ontwerpen <strong>met</strong> <strong>Vision</strong>", Jan Bozelie, <strong>Vision</strong> gebruikersdag, Arnhem,<br />
december 2003