Tuuliturbiinien mallintaminen dynamiikkalaskentaohjelmistolla Reduced-Order Modelling of Wind Turbines

Jatko-opintoseminaari kirjasta:

Wind Power in Power Systems

Pasi Vuorenpää

Pasi Vuorenpää 29.4.2020

1

Sisältö

25. Tuuliturbiinien mallintaminen dynamiikkalaskentaohjelmistolla

25.1 Johdanto 25.2 Sähköjärjestelmän dynamiikkalaskenta 25.3 Nykyiset tuuliturbiinityypit 25.4 Mallinnuksessa käytettävät oletukset 25.5 Vakionopeuksisen tuuliturbiinin mallinnus 25.6 Kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin mallinnus 25.7 Täyssuuntaajatuuliturbiinin mallinnus 25.8 Mallien verifiointi 25.9 Johtopäätökset Pasi Vuorenpää 29.4.2020

2

Sähköjärjestelmän dynamiikkalaskenta

Dynamiikkalaskentaa käytetään erityisesti sähköjärjestelmän dynaamista käyttäytymistä ja piensignaalistabiilisuutta tarkasteltaessa Esimerkkejä dynamiikkalaskentaan käytettävistä ohjelmistoista: •

PSS/E, Eurostag

Vaihtoehtona transienttilaskentaohjelmistot: •

ATP, EMTP, SimPowerSystems

Dynamiikka ja transienttilaskentaohjelmistojen yhdistelmiä: •

PowerFactory, Netomac, SimPow

Dynamiikkalaskennan etuina muun muassa mahdollisuus laajojen järjestelmien ja pitkäkestoisten ilmiöiden tarkastelemiseen •

Tarkasteltava taajuusalue noin 0.1 -10 Hz

•

Laskentakapasiteetin tarve huomattavasti transienttilaskentaan perustuvaa mallinnusta pienempää

3 Pasi Vuorenpää 29.4.2020

Mallinnuksessa käytettävät oletukset

Dynamiikkalaskennan tehokas hyödyntäminen edellyttää lähestymistavan rajoitusten huomioonottamista • • •

Nopeat transientti ilmiöt jätetään huomioimatta Laskenta perustuu perustaajuisten komponenttien käyttöön Käytettävät mallit perustuvat lähinnä lineaariseen mallinnustapaan

Tuuliturbiinien mallinnuksen yhteydessä tämä tarkoittaa muun muassa seuraavaa: •

Magneettista saturaatiota ei huomioida

• • • • • •

Sähkövuon jakautuminen on sinimuotoista Kaikki häviöt, kuparihäviöitä lukuunottamatta, jätetään huomioimatta Staattorijännitteet ja –virrat ovat sinimuotoisia ja perustaajuisia Muuttuvanopeuksisen tuuliturbiinin VSC mallinnetaan virtalähteenä Mahdollisen diodisuuntaajan kommutointia ei huomioida Muuttuvanopeusisen tuuliturbiinin pyörivä massa mallinnetaan yhtenä massana

Pasi Vuorenpää 29.4.2020

4

Vakionopeuksisen tuuliturbiinin mallinnus

Tuulen nopeuden mallintamiseen käytetään joko mitattua tuulidataa tai analyyttisiä malleja •

Molemmissa omat hyvät ja huonot puolensa

Roottorin malli muodostetaan optimoimalla analyyttisen mallin parametrit vastaamaan valmistajan ”tyyppitietoja” Akselin mallintaminen on erityisen tärkeää vakionopeuksisen tuuliturbiinin tapauksessa ->

kaksimassamalli

Generaattori voidaan mallintaa yleisten epätahtigeneraattoria kuvaavien yhtälöiden avulla Pasi Vuorenpää 29.4.2020

5

Kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin mallinnus

6 Vakionopeuksiseen tuuliturbiiniin verrattuna kaksoissyöttöisen tuuliturbiinin malli edellyttää lisäksi seuraavien toimintojen mallintamista: • •

Lapakulman säätö Roottorin nopeuden säätö

• •

Suuntaajan säätö ja suojaus Mahdollisesti liitäntäpisteen jännitteen säätö

Pasi Vuorenpää 29.4.2020

Täyssuuntaajatuuliturbiinin mallinnus

7 Kaksoissyöttöiseen tuuliturbiiniin verrattuna täyssuuntaajalla varustettu tuuliturbiini hyödyntää tahtigeneraattoria ->

tahtigeneraattorin mallinnus

Täyssuuntaaja mahdollistaa verkon puoleisen pätö- ja loistehon säädön lähes riippumattomasti generaattorin suureista ->

mahdollistaa entistä joustavamman liitäntäpisteen jännitteen säädön

Pasi Vuorenpää 29.4.2020

Mallien verifiointi

8 Pasi Vuorenpää 29.4.2020

Mallien verifiointi

Simulointimallien verifioiminen käytännön mittaustulosten perusteella on käytännössä mahdotonta, koska käytetty tuulennopeusdata ei vastaa täysin todellisuutta •

Yksi anturi ei riitä mittaamaan tuulen nopeutta koko roottorin alueella

•

Roottori aiheuttaa häiriötä generaattorikoteloon sijoitetulle anturille

Siitä huolimatta seuraavia yleisiä päätelmiä voidaan tehdä tulosten perusteella: • •

Esitettyjen simulointimallien toiminta vastaa yleisellä tasolla hyvin käytännön tuuliturbiinien yhteydessä suoritettuja mittaustuloksia Tulosten perusteella voidaan olettaa, että mallinnuksen yhteydessä tehdyt oletukset eivät aiheuta merkittävää virhettä simulointituloksiin

9 Pasi Vuorenpää 29.4.2020

Johtopäätökset

Kappaleessa esitettiin kolmen keskeisimmän tuuliturbiinityypin dynamiikkalskentaohjelmiston yhteydessä sovellettavissa olevia simulointimalleja •

Mallinnuksessa on huomioitava tuuliturbiinityypin erityispiirteet

Esitettyjä malleja voidaan pitää hyödyllisenä erityisesti laajamittaisen tuulivoimatuotannon stabiilisuusvaikutusten analysoinnissa Simulointimallien ja käytännön mittaustulosten vertaaminen osoitti esitettyjen mallien toiminnan vastaavan melko hyvin todellisten vastaavien laitteiden toimintaa Samoin kappaleessa esitetyt tulokset vahvistivat alussa tehtyjen tuuliturbiineja koskevien oletusten soveltuvan hyvin käytettäviksi dynamiikkalaskentaohjelmiston yhteydessä 10 Pasi Vuorenpää 29.4.2020