Interactiunea dintre turbina eoliana si retea

Interactiunea dintre turbina eoliana si retea

Productia si consumul de putere electrica solicita capacitatea de transport a retelei electrice si cauzeaza deviatii locale in nivelul voltajului si forma de unda. Deviatiile de tensiune sunt nedorite dar inerente in aplicatiile cu electricitate. Cu privire la asta, productia de electricitate cu ajutorul turbinelor eoline nu este o exceptie. Din contra, efectul puterii eoliene asupre retelei se pare ca este mai sever din cauza caracterului puternic variabil al puterii vantului. Cu turbine de dimensiuni si numar in crestere, reprezinta o importanta crescuta si primeste acum mai multa atentie din partea developerilor si de asemenea a producatorilor.

Efectul unui producator de electricitate asupra retelei este sintetizat de termenul calitatea puterii (Power Quality), care include un numar de aspecte pe diferite scale de timp:

variabilitatea puterii turbinei eoliene;

puterea reactiva si factorul de putere;

tranzitiile de comutare;

flicker;

armonicele de curent si tensiune.

Figura 23 ilustreaza cateva dintre aceste aspecte.

Figura 23: Armonicile, flicker si puterea reactiva

In urmatoarele sectiuni se discuta interactia dintre o turbina si retea. Primul punct va fi calcularea deviatiei de tensiune in regim stationar. Amplitudinea sa depinde de proprietatile turbinei dar si de cele ale retelei. Reteaua este caracterizata de nivelul (aparent) al Puterii de Scurt Circuit, ce este descrisa in sectiunea 1. Aceasta cantitate este de asemenea relevanta pentru estimarea deviatiilor de tensiune dinamica cuantificate in coeficientul de licarire in sectiunea 3. Aceasta parte este terminata cu o sectiune despre distorsiunea tensiunii, cuantificata de continutul armonic al tensiunii sau curentului.

1 Nivelul puterii de scurt circuit

Figura 24: Exemplu de diagrama monofaza pentru determinarea puterii de scurt circuit

Primul pas in implementarea electrica a unei turbine eoliene sau a unui utilaj este determinarea efectului turbinei asupra nivelului tensiunii de regim stationar. Un prim indiciu este dat de nivelul puterii de scurt circuit. Puterea aparenta de scurt circuit este definita de produsul tensiunii nominale si curentul de scurt circuit:

  (18)

pentru un scurt circuit la punctul de cuplu comun al unei turbine eoliene sau a unui parc eolian. Puterea (aparenta) de scurt circuit este o masura a deviatiei de tensiune ce poate fi asteptata la terminalele unei turbine la puterea nominala:

  (19)

∆U deviatia de tensiune

K o constanta ce depinde de conditiile sistemului:

regim stationar: k=1

tranzituriu, IM + softswitch: k=2

tranzitoriu, IM fara softswitch: k=8

S_r puterea nominala aparenta a turbinei

S_sc puterea (aparenta) de scurt circuit

Pentru un regim stationar dorit cu deviatie de tensiune sub 2%, este aplicata o regula care precizeaza ca puterea de scurt circuit ar trebui sa fie de cel putin 50 de ori puterea nominala a turbinei sau parcului. Aceasta este   doar o aproximare deoarece nu tine cont de alti producatori sau consumatori din vecinatatea turbinei(lor).

Puterea de scurt circuit este determinata de proprietatile retelei. Figura 24 arata un exemplu de circuit al retelei. Curentul de scurt circuit este calculat din ecuatia tensiunii monofaza:

  (20)

Figura 25 este reprezentarea vetorilor de timp ai acestei ecuatii.

Figura 25: Diagrama fazoriala pentru puterea de scurt circuit

Din moment ce valoarea impedantei retelei va creste cu lungimea liniei sau cablului, curentul si puterea de scurt circuit vor scade in general cu lungimea. Un exemplu de calcul ca functie de lungimea cablului este aratat in figura 26 pentru doua valori ale diametrului cablului. Asa cum se vede din ecuatia 19, un cablu mai lung si o putere de scurt circuit scazuta scad deviatia de tensiune.

Figura 26: Puterea de scurt circuit, unghiul de conexiune si curentul de scurt circuit ca functii de lungimea cablului

Figura 27 prezinta un exemplu de comutare tranzitorie pentru o turbina cu masina cu inductie si comutare usoara. Puterea este comutata in doua trepte (sistem cu doua generatoare). Coborarea tensiunii este de aproximativ 20V (aproximativ 5% din tensiunea nominala). Asta indica fie o putere scazuta de scurt circuit ori o setare slaba a comutarii usoare.

Figura 27: Eexemplu de efect de cuplare tranzitorie asupra voltajului (IM+comutare usoara)

2 Deviatii de tensiune in regim stationar

O determinare mai precisa a deviatiei de tensiune in regim stationar se gaseste in calculul sarcinii. In acest calcul, tensiunile, curentii si relatiile fazelor pentru regim stationar sunt determinate intr-o sectiune a retelei electrice. Consumatorii si producatorii descentralizati sunt specificati cu puterea si puterea reactiva. Fazorii curentului si tensiunii sunt determinati din ecuatiile tensiunii pentru toate liniile si cablurile de transmisie din sectiunea retelei. In general, acesta va fi un proces iterativ. Prin aplicarea principiului superpozitiei (tensiunea si curentul se aduna vectorial deoarece sistemul se considera a fi liniar) se poate simplifica considerabil procesul iterativ. Rezultatul unui calcul sarcinii este demonstrat pentru o grupare eoliana formata din sase turbine aranjate in sir (vezi figura 28).

Turbinele sunt reprezentate de un generator cu inductie, compensare de putere reactiva si un transformator de la nivelul turbinei de 600V la cel al cablului de 6 kV. Fiecare sectiune de cablu este reprezentata de o inductanta , rezitenta si capacitate. Cablul este conectat la o statie de transformare 6-150kV prin inermediul unei bobine (doze). Scopul bobinei este de a reduce puterea de scurt circuit a ramurii pentru a preveni suprasarcina in statia de transformare. Figura 29 da rezultatul calculului sarcinii pentru trei valori ale sarcinii: 0.5 P_r, P_r si 1.5 P_r. Masurata de la substatie la cea mai indepartata turbina, la 3.1 km, tensiunea creste cel mai mult pentru cazul cu sarcina 150%: aproximativ 62 V sau 1% din tensiunea nominala.

Figura 28: Diagrama circuitului monofazat a unei grupari de 6 turbine (sunt aratate doar 4)

Figura 29: Tensiunile si puterile ca functii de distata fata de prima turbina

Figura 30 ilustreaza efectul unei turbine asupra voltajului retelei pentru doua conditii de sarcina: o turbina generatoare si una in asteptare. Ecuatia tensiunii pentru linie este:

  (21)

Digrama fazorului stang arata ca u₂>u₁: turbina mareste tensiunea la punctul de cuplaj. Pe partea dreapta, curentul este intarziat fata de U₂ cu 90s. Aplicand ecuatia 21 acum, se obtine o tensiune a turbinei U_2­ care este mai mic decat tensiunea retelei U₁. Acest exemplu demonstreaza ca efectul unei turbine asupra tensiunii locale depinde de modul de operare al turbinei.

Figura 30: Exemplu de diferenta de tensiune la o line inductiva pentru doua moduri de operare ale unei turbine

3 Deviatii dinamice de tensiune: flicker

Flickerul este intensitatea schimbatoare a unei lumini electrice (flicker) cauzata de variatii de tensiune. Frecventa variatiilor este importanta: disconfortul cauzat de flicker depinde de capacitatea de incarcare. Figura 31 prezinta nivelul schimbarilor de tensiune ca functie de frcventa schimbarlor evidente. Acesta curba, numita curba de flicker, este determinata empiric expunind persoane la lumina provenita de la o lampa de 60W alimentata la o tensiune cu variatii rectangulare de intensitati si frecvente diferite.

Modificarile in puterea de iesire a turbinelor operatiunile de comutare cauzeaza licarirea. Puterea fluctuatiilor in marja relevanta de licarire (0.5-35 Hz) sunt cauzate in principal de:

turbulenta;

forfecarea vantului;

umbra turnului;

abtere de aliniere.

Pentru frecvente peste 1 Hz, frecventa de trecere a palei si multiplii sai domina spectrul puterii si deci sunt critice in aprecierea flicker-lui. In sistemele cu viteza constanta, variatiile in puterea aerodinamica sunt transmise aproape instantaneu in variatii ale puterii electrice. Figura 32 da un exemplu de nivel masurat al flicker-lui cauzat de o turbina cu viteza constanta. Nivelul licaririi P_st =1 daca variatiile de tensiune sunt egale cu nivelul in curba de flicker.

Figura 31: Nivelul variatiilor de tensiune vizibile de ochiul uman

In sistemele cu viteza variabila, relatia intre vantul instantaneu si puterea electrica este mai putin directa. Pentru a furniza mai multa putere, sistemul trebuie mai intai sa mareasca viteza, cea ce descurajeaza considerabil variatiile de putere. Variatiile de putere din cauza efectului umbrei turnului sunt negijabile in siteme cu viteza variabila, eliminind astfel o sursa importanta de flicker. Aceasta nu inseamna neaparat ca sistemele cu viteza variabla produc mai putin flicker decat cele cu viteza constanta. Flickerul poate de semenea fi cauzata de oscilatiile rapide in putearea activa sau reactiva rezultata din controlul sitemului. Trebuie evitate in special oscilatiile in preajma frecventei critice de 8.8 Hz.

4 Armonici este un nume generic a formei sinusoidale a tensiunii si curentului

Armonici este denumirea generala pentru deviatii ale formei sinusoidale ale tensiunii sau curentului. Daca deviatiile sunt legate de frecventa retelei ele sunt numite fie armonici (superioare) (multipli ai frecventei retelei) sau subarmonici. Interarmonicile nu sunt legate de frecventa retelei.

Armonicile sunt reprezentate de o serie Fourier a frecventei retelei. Subarmonicile pot fi de asemenea descompuse intr-o serie fourier, dar acum a frecventei retelei divizata cu un intreg.

Armonicile cauzeaza un numar de efecte nedorite:

pierderi suplimentare;

supraincarcarea condensatoarelor pentru compensarea puterii reactive;

perturbarea semnalelor TF;

perturbarea comutatiilor convertoarelor controlate cu tiristoare.

Figura 32: Nivelele de flicker masurate, P_st, ca functie de puterea relativa pentru o turbina cu viteza constanta

In figura 33 se da un exemplu de masurare de armonici la o turbina cu viteza constanta. Asa cum se asteapta pentru o turbina cu masina cu inductie conetata direct la retea, continutul in armonici este scazut si cu armonici de numar mic: armonici de numar 5, 7, 11 si 13. Celelalte componente sunt sub acuratetea de masurare de 0.2% din tensiune sau curent. Cuantificarea armonicilor este mai relevanta pentru convertoare electronive de putere.

Figura 33: Procentajul masurat al armonicilor curentului si tensiunii per faza

Concluzie

Cu un numar in crestere de producatori descentralizati cum ar fi panourile solare, centralele de caldura si putere si turbinele eoliene, integrarea electrica va avea o importanta in crestere. Acest modul da o introducere pentru solutiile de integrare a turbinelor eoliene medii si mari sau fermelor eoliene in reteaua electrica. Priorotar discutiei despre proprietatile retelei si turbinelor eoliene, se face o introducere in sistemele alternative trifazate. In situatii cu retele "tari", cu putere de scurt circuit crescuta la punctul de cuplaj, nu exista probleme tehnice. Acest lucru se poate schimba dramatic cand se introduce o cantitae relativ mare de ptere eoliana intr-o retea slaba. In Europa, aceasta conditie va aparea doar pe insule sau in locatii cu un nivel extrem de inalt al penetrarii vantului.

Dezvoltari viitoare in integrarea electrica si puterea eoliana sunt asteptate in combinatie cu ferme eoliene aflate in larg. Cantitati importante de putere trebuiesc transportate pe distante mari, ceea ce justifica o privre mai atenta asupra optiunilor tehnice. In acest context HVDC-ligth este cateodata mentionat ca o optiune promitatoare. ECN a inceput recent un proiect de cercetare pentru a examina optiunile la nivel economic si tehnic.