Siłownie_wiatrowe.pps

Institute of Power Engineering
R&D Unit, Gdańsk Division
IEN 2009 © All rights reserved
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
Smart Grid
Siłownie wiatrowe małej i dużej mocy
Daniel Dąbrowski, Michał Kosmecki
Wstęp
•
•
•
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
•
•
Smart Grid- wprowadzenie
Przydomowe turbiny wiatrowe
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
Współpraca siłowni wiatrowych
w systemach hybrydowych
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
2
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Smart Grid - wprowadzenie
Smart Grid
(z ang. "inteligentna sieć") umożliwia
dynamiczne zarządzanie sieciami
przesyłowymi i dystrybucyjnymi za
pomocą punktów pomiarowych
i kontrolnych rozmieszczonych na wielu
węzłach i łączach. Przedsiębiorstwo
energetyczne może zastosować
narzędzia i technologie, aby poprawić
ogólną jakość usług energetycznych
poprzez odpowiednie zarządzanie.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
3
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Smart Grid - wprowadzenie
Przykładowe elementy sieci
„inteligentnej”:
• automatyzacja podstacji,
• automatyzacja dystrybucji,
• inteligentne liczniki,
• zarządzanie stroną popytową,
• zarządzanie zasobami energii
odnawialnej.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
4
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przydomowe turbiny wiatrowe
Rozwój energetyki wiatrowej jest od wielu już lat bardzo
dynamiczny a w ofercie producentów oprócz
przemysłowych farm wiatrowych znajduje się
szeroka oferta turbin wiatrowych o mocy do
kilku kW przeznaczonych dla prywatnych
użytkowników i małych firm.
Takie przydomowe turbiny wiatrowe
charakteryzują się niewielkimi wymiarami (średnica
wirnika do ok. 5 m) i masą (do ok. 75 kg), co
sprawia, że można je montować w niewielkiej
odległości od domów.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
5
Przydomowe turbiny wiatrowe
Przydomowe elektrownie wiatrowe mogą służyć jako
dodatkowe źródło energii, które w pewnym stopniu
uniezależnia od sieci lokalnego dystrybutora energii
elektrycznej. Mogą one dostarczać prąd na potrzeby
odbiornika autonomicznego (wydzielonego), czyli działającego
niezależnie od sieci elektroenergetycznej.
Może nim być albo:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
•
•
wydzielony obwód w domu, zwykle niskonapięciowy
działający niezależnie od pozostałej instalacji elektrycznej
w domu albo
cała instalacja domowa, odłączana od sieci energetycznej na
czas korzystania z energii wytworzonej przez przydomową
elektrownię, albo w ogóle niepodłączona do sieci
elektroenergetycznej.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
6
Przydomowe turbiny wiatrowe
Przydomowe elektrownie wiatrowe są całkowicie
niezależnymi źródłami energii, w których instaluje się
jeden z dwóch rodzajów prądnic:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
•
•
prądu stałego,
małe, trójfazowe - asynchroniczne.
Elektrownie z prądnicą prądu stałego (najczęściej stosowane)
mogą zasilać obiekty, jeżeli są wyposażone w regulator
napięcia oraz akumulatory do gromadzenia energii, a
jeśli mają dostarczać prąd przemienny (taki jak w sieci) muszą mieć falownik.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
7
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Małe elektrownie wiatrowe wykorzystywane są
najczęściej do zasilania budynków mieszkalnych,
rolnych oraz letniskowych. W zależności od zużycia
energii oraz dostępnych lokalnie zasobów wiatru, do
zasilenia budynku jednorodzinnego może być
potrzebna elektrownia wiatrowa o mocy od 800 W
do 5000 W. Dla gospodarstw rolnych oraz
mniejszych zakładów przemysłowych potrzebne
mogą być elektrownie wiatrowe o mocy 10 kW
i więcej.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
8
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Elektrownia wiatrowa jest podłączona do budynku za
pośrednictwem falownika, który synchronizuje ją
z siecią elektroenergetyczną. W przypadku większości
systemów, elektrownia wiatrowa nie jest jedynym
źródłem zasilania lecz zmniejsza pobór energii z sieci
elektroenergetycznej. W przypadku lokalizacji
oddalonych od sieci istnieje konieczność
magazynowania energii w akumulatorach, tak aby była
ona dostępna bez względu na to czy wiatr wieje czy też
nie.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
9
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Generator elektrowni wiatrowej jest podłączonych do
regulatora ładowania, który chroni bank akumulatorów
oraz optymalizuje proces ładowania akumulatorów. Na
wyjściu z regulatora, który można zamienić na prąd
przemienny za pomocą przetwornicy sinusoidalnej. W
przypadku wykorzystania części energii z elektrowni
wiatrowej do ogrzewania c.w.u. urządzenie grzewcze
podłącza się bezpośrednio do regulatora. Istnieje
również możliwość połączenia obu rodzajów instalacji w
celu zagwarantowania zasilania budynku również w
przypadku awarii sieci elektroenergetycznej i braku
wiatru.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
10
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Kontroler pracy turbiny
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Aby falownik współpracował z siecią odbiorcy konieczny jest kontroler
pracy turbiny. Jego zadaniem jest przetworzenie (prostowanie)
trójfazowego prądu przemiennego AC, wytworzonego przez generator
turbiny wiatrowej, na prąd stały DC. Jest to konieczne ze względu na
bardzo zmienną charakterystykę prądu wytwarzanego przez turbinę,
który zależy bezpośrednio od zmiennej prędkości wiatru.
Aby uniknąć spalenia obwodów układu
związanego z nadmiernym napięciem DC
moc jest odbierana przez odbiornik
obciążeniowy, automatycznie załączany przez
kontroler. Jeśli po załączeniu odbiornika
obciążeniowego wymagane napięcie będzie
przekraczało wymagany poziom o 30%,
kontroler automatycznie zatrzyma turbinę.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
11
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Falowniki napięcia przemiennego AC
230V/50Hz do zasilania sieci publicznej
Falowniki przeznaczone do współpracy z
małymi turbinami wiatrowych z
publicznymi sieciami energetycznymi
wykorzystują m.in. programowalne
funkcje śledzenia punktu maksimum mocy
na krzywej mocy, co pozwala na
optymalne dostrojenie krzywej mocy
falownika z krzywą mocy turbiny.
Zapewnia to maksymalne uzyski
energetyczne z turbiny oraz „miękki” start
turbiny, wydłużając tym samym jej
żywotność.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
12
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
Układ pracy turbiny wiatrowej z siecią
odbiorczą
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
13
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
14
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady pracy małych siłowni
wiatrowych w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
15
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
16
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
17
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
18
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
19
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Przykłady małych siłowni wiatrowych
mogących znaleźć zastosowanie
w sieci Smart Grid
AC 1002 Heating Mill to model opracowany z myślą o
ogrzewaniu
ciepłej
wody
użytkowej.
Energia
wyprodukowana przez turbinę trafia do grzałki, która
ogrzewa wodę. Turbina posiada dołączony w zestawie
kontroler sterujący pracą zestawu oraz grzałkę do wody
o mocy 1600 W lub 2400 W. Moc grzałki dobierana jest
w zależności od warunków wietrznych.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
20
Współpraca siłowni wiatrowych
w systemach hybrydowych
Cechy
Elektrownie wiatrowe można łączyć z elektrowniami
wodnymi, energią ze słońca i biomasą.
• 100% niezależność i gwarancja dostaw energii.
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
• Możliwość obniżenia kosztów instalacji.
• Pełne wykorzystanie zainstalowanych urządzeń.
• Pozytywny wpływ na środowisko naturalne.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
21
Współpraca siłowni wiatrowych
w systemach hybrydowych
Oświetlenie uliczne zasilane tylko wiatrem
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
i słońcem
Cechy rozwiązań hybrydowych oświetlenia
ulicznego:
• Niezależne od sieci energetycznej,
ekologiczne oświetlenie ulic, placów, itp.
• Połączenie gwarantuje pracę latarni ulicznej
niezależnie od pory roku czy chwilowych
anomalii pogodowych.
• Instalacja bez kabli zasilających i robót
ziemnych z tym związanych.
• Źródła światła LED o wysokiej jasności
świecą przez 5 nocy pomimo braku słońca
i wiatru (żywotność LED: 50 tys. godz.,
ponad 4-krotnie dłuższa niż lamp sodowych.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
22
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Współpraca siłowni wiatrowych
w systemach hybrydowych
Geotermia
Bardzo efektywnym hybrydowym źródłem energii jest
połączenie wiatru i wód geotermalnych. Polska ma ogromny
potencjał wód geotermalnych, jednak dla lepszego ich
wykorzystania konieczne jest podwyższenie temperatury wody.
W tym celu optymalne jest użycie turbin wiatrowych.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
23
Siłownie wiatrowe dużej mocy
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Wielkość siłowni wiatrowych
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
24
Współczesne wiatraki
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Najbardziej popularne typy wiatraków
Stała prędkość obrotowa,
generator asynchroniczny
Np. NEG Micon, Bonus
Zmienna prędkość
obrotowa, generator
asynchroniczny typu DFIG
z przekształtnikiem
w obwodzie wirnika
Np. Vestas, GE Wind,
Nordex
Zmienna prędkość obrotowa,
generator synchroniczny,
cała moc wyprowadzana
przez przekształtnik
Np. Enercon, GE Wind 2.X
Lagerway
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
25
Podstawowe typy wiatraków
Wirnik turbiny
sieć elektryczna
Generator indukcyjny
NEG Micon, Bonus,
wiatraki mocy
<500kW wielu innych
firm
Przekładnia
Wirnik turbiny
Generator indukcyjny
dwustronnie zasilany
Przekładnia
IGBT
Przekształtnik
Generator
synchroniczny
IGBT
Wirnik turbiny
IGBT
(Diody)
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
IGBT
Vestas, GE Wind,
Nordex, W2E,
Fuhrlander
Enercon
Przekształtnik
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
26
Układy regulacji siłowni wiatrowych
Duże siłownie wiatrowe to złożone obiekty wymagające wielu
układów sterowania, do najważniejszych należy zaliczyć:
• układ regulacji prędkości obrotowej wirnika,
• układ regulacji kąta natarcia łopat,
• układ regulacji (UR) generowanej mocy czynnej,
• UR mocy biernej,
• UR napięcia,
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
• UR prądu.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
27
Układy regulacji siłowni wiatrowych
UR siłowni wiatrowych można podzielić na dwie
podstruktury:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
a) Układ regulacj turbiny wiatrowej
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
28
Układy regulacji siłowni wiatrowych
UR siłowni wiatrowych można podzielić na dwie
podstruktury:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
b) Układ regulacj generatora
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
29
Właściwości siłowni wiatrowych
Nowoczesne siłownie wiatrowe umożliwiają:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
•
•
•
•
•
udział w regulacji mocy i częstotliwości
regulację U i Q
udział w tłumieniu oscylacji elektromechanicznych
niewyłączanie się farmy nawet przy dużych spadkach napięć
podtrzymanie napięć w systemie w momencie zwarć (generacja
ustalonego prądu zwarcia)
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
30
Regulacja mocy czynnej
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
•
Standardowo siłownie wiatrowe wyłączają się, gdy prędkość wiatru
przekroczy wartość bezpieczną dla pracy turbiny (ok. 25 m/s)
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
31
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Regulacja mocy czynnej
•
Standardowo siłownie wiatrowe wyłączają się, gdy prędkość wiatru
przekroczy wartość bezpieczną dla pracy turbiny (ok. 25 m/s)
•
Pojawiają się rozwiązania, w których przy bardzo dużych
prędkościach wiatru redukcja mocy następuje płynnie
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
32
Regulacja P i f
•
Wymaga się, aby siłownie wiatrowe miały zdolność regulacji mocy
czynnej w zależności od częstotliwości napięcia w systemie
•
Większość dużych siłowni wiatrowych jest do tego przystosowana,
przy czym parametry typu fmin i fmax są nastawialne
•
Technicznie możliwe jest również zdalne zadawanie punktu pracy
FW oraz interwencyjne ograniczanie generowanej mocy
(procentowo lub bezwzględnie)
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
P [%]
wyłączenie
dopuszczalne
80%
85%
t ≥ 10
t ≥ 20
min
min
47,5
praca ciągła
t ≥ 30 min
48,5
48
100%
90%
49,5
49
moc ograniczona
do 0%
dla 51,5 Hz
50,5
50
51,5
51
www.ien.gda.pl
wyłączenie
konieczne
t≤0,3 s
f [Hz]
e-mail: [email protected]
33
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Regulacja U i Q
•
Obecnie produkowane siłownie wiatrowe dużej mocy posiadają
szeroki zakres regulacji mocy biernej i cosφ
•
Wyposażenie opcjonalne niektórych siłowni pozwala na regulację
mocy biernej i napięcia przy postoju siłowni
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
34
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Praca przy spadkach napięcia
•
Wymaga się, aby generator siłowni pozostał przy pracy podczas
zapadów napięcia
•
Generatory umożliwiają również generację prądu biernego podczas
zwarcia, przyczyniając się do podniesienia napięcia
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
35
Komunikacja
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
W układzie otwartym:
•
Pomiary są przekazywane on-line z FW do operatora
•
Wartości zadane są przekazywane od operatora do FW
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
36
Komunikacja
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
W układzie zamkniętym:
•
Regulacja mocy czynnej
•
Regulacja napięcia, mocy biernej lub współczynnika mocy w PoC
•
Opcjonalnie włączenie regulacji napięcia pod obciążeniem
(zaczepami transformatora)
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
37
Duże siłownie - podsumowanie
• Siłownie wiatrowe dużej mocy mogą stanowić
cenny środek realizacji usług systemowych, gdyż
są do tego przystosowane technicznie
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
• Mimo obowiązujących dokumentów (np. IRiESP/D)
ich możliwości nie są w pełni wykorzystywane (np.
Niemcy)
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
38
Energetyka wiatrowa w UE – fakty
W roku 2009 w UE:
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
• Zainstalowano 10 163 MW z elektrowni wiatrowych
• Stanowi to 39% wszystkich instalacji
• Źródła energii odnawialnej stanowią 61% wszystkich
instalacji
Dotychczas w UE:
• Zainstalowano 74 767 MW z elektrowni wiatrowych
• Stanowi to 9,1% udziału energetyki wiatrowej w
zainstalowanej mocy
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
39
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Energetyka wiatrowa w UE
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
40
Energetyka wiatrowa w UE
Ilość zainstalowanych elektrowni wiatrowych w MW
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
W 2009 roku:
Ogółem:
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
41
Energetyka wiatrowa w UE
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Nowe (w sumie 25963 MW) i zlikwidowane (w sumie 5814 MW)
elektrownie w 2009 roku
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
42
Energetyka wiatrowa w UE
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Nowe źródła mocy na przestrzeni ostatnich 15 lat
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
43
Energetyka wiatrowa w UE
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Ilość wprowadzonej/zlikwidowanej generacji w latach 2000 - 2009
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
44
Energetyka wiatrowa w UE
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Ilość wprowadzonej/zlikwidowanej generacji w latach 2000 - 2009
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
45
Energetyka wiatrowa w UE
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Ilość instalowanych elektrowni wiatrowych w MW/rok na przestrzeni
ostatnich 15 lat oraz ilość zainstalowanych siłowni ogółem
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
46
Energetyka wiatrowa – offshore
W roku 2009 w UE zainstalowano 577 MW offshore:
•
•
•
•
średnia
średnia
średnia
średnia
wielkość siłowni: 2,9 MW
wielkość całej farmy wiatrowej: 72,1 MW
głębokość wody: 12 m
odległość od lądu: 14,4 km
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
W sumie zainstalowano już 2056 MW offshore
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
47
Energetyka wiatrowa – offshore
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Ilość zainstalowanej mocy offshore w krajach europejskich
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
48
Energetyka wiatrowa – globalnie
IEN 2009 © wszelkie prawa zastrzeżone
Ilość rocznie instalowanej mocy farm wiatrowych na świecie
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
49