ZABEZPIECZENIA FARM WIATROWYCH PRACUJĄCYCH W

ZABEZPIECZENIA FARM WIATROWYCH PRACUJĄCYCH W
SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM
Mariusz Mazur
Bogdan Sobczak
Andrzej Kąkol
Instytut Energetyki Jednostka Badawczo-Rozwojowa Oddział Gdańsk
Streszczenie
W referacie poruszono problem zabezpieczeń siłowni wiatrowych. Przedstawiono
podstawowe, produkowane obecnie nowoczesne typy siłowni wiatrowych, wraz z ich krótkim
omówieniem. Zaprezentowano wymagania operatorów dotyczące nowo przyłączanych
generacji wiatrowych oraz na przykładzie nowoczesnej turbiny ENERCON E-82 o mocy
2 MW przedstawiono jej system zabezpieczeń.
Wprowadzenie
Obecnie produkowane i instalowane w systemach elektroenergetycznych turbiny wiatrowe
duŜej mocy wyposaŜane są w przekształtniki tranzystorowe transformujące całkowicie lub
częściowo wytwarzaną w generatorach energię na energię o parametrach wymaganych przez
system elektroenergetyczny.
Są to konstrukcje turbin ze zmienną prędkością obrotową wirnika. Wśród tych konstrukcji
najbardziej rozpowszechnione są obecnie wiatraki z podwójnie zasilanym generatorem
indukcyjnym DFIG (ang. Double Fed Induction Generator). Generatory DFIG posiadają
pełny dwukierunkowy napięciowy przekształtnik częstotliwości AC-DC-AC w obwodzie
wirnika (zarówno prostownik jak i falownik oparty jest o elementy kluczujące), zasilany
z obwodu stojana, i zwymiarowany na 20%÷30% mocy znamionowej wiatraka.
Przekształtnik napięciowy, zbudowany jest najczęściej na tranzystorach IGBT. Pozwala na
zmiany prędkości obrotowej wirnika generatora (a więc i wirnika turbiny wiatrowej) w dość
szerokim zakresie (–40% ÷ +30%) częstotliwości synchronicznej, a takŜe umoŜliwia
niezaleŜne sterowanie mocą czynną i bierną generatora indukcyjnego.
Następną rozwijaną, ale mniejszą grupą, są wiatraki wykorzystujące generatory
synchroniczne i przekształtnik częstotliwości AC-DC-AC w obwodzie stojana generatora,
zwymiarowany na pełną moc wiatraka. Ewentualne zastosowanie wolnoobrotowego
generatora synchronicznego eliminuje w tej konstrukcji konieczność przekładni
mechanicznej. W wiatrakach tego typu uzyskuje się jeszcze większy zakres prędkości
obrotowej wirnika.
Wiatraki ze zmienną prędkością obrotową mają optymalną efektywność konwersji energii
w szerokim zakresie prędkości wiatru. Najbardziej powszechne są obecnie konstrukcje
mające moc 2÷3 MW. Wiatraki te charakteryzuje znacznie mniejsza emisja harmonicznych
oraz dość duŜe moŜliwości generacji/konsumpcji mocy biernej, szczególnie przy pracy
z aktualną mocą wiatraka, mniejszą od jego mocy znamionowej. Obecny udział konstrukcji ze
zmienną prędkością w ogólnej produkcji wiatraków wynosi ponad 80% i dotyczy praktycznie
wszystkich wiatraków o największych mocach.
Generator indukcyjny
dwustronnie zasilany
Przekładnia
Wirnik turbiny
IGBT
IGBT
Przekształtnik
Wirnik turbiny
(Diody)
IGBT
Generator
synchroniczny
Przekształtnik
Rys. 1 Podstawowe typy turbin wiatrowych o zmiennej prędkości obrotowej, instalowanych
w systemie elektroenergetycznym.
Praktyczne wszystkie typy obecnie produkowanych duŜych wiatraków mają przekształtniki
napięciowe oparte o tranzystory IGBT. Dzięki falownikowi napięciowemu przekształtnik nie
wprowadza do sieci harmonicznych a nawet poprawia kształt napięcia w sieci, dodatkowo
umoŜliwiając regulację mocy biernej turbiny wiatrowej. Zasada działania falownika
napięciowego polega na tym Ŝe tranzystory IGBT z częstotliwością kilku kiloherców kluczują
wyprostowane w prostowniku napięcie z generatora turbiny wiatrowej, kształtując
sinusoidalny przebieg wyjściowy za pomocą modulacji szerokości impulsów PWM (pulse
width modulation). Dzięki temu Ŝe przebieg napięcia wyjściowego jest kształtowany z duŜą
częstotliwością, jest on pozbawiony niskich trudniejszych do eliminacji harmonicznych.
Pewną wadą falownika napięciowego są stosunkowo duŜe straty wynikające z duŜej
częstotliwości kluczowania, poniewaŜ jednak moŜliwa jest praca turbiny ze zmienną
prędkością wpływająca na większą jej sprawność rozwiązania takie są powszechnie
stosowane.
Budowa falowników napięciowych działających w oparciu o PWM jest moŜliwa przy
zastosowaniu elementów wyłączalnych. Elementami takimi najczęściej stosowanymi są
tranzystory IGBT (isolated gate bipolar transistor). Przez ostatnie 20 lat odnotowuje się
dynamiczny rozwój tych tranzystorów. Są one wygodne w zastosowaniu nie wymagają
bowiem duŜych prądów w obwodzie bramkowym, a opracowywane są na prądy sięgające
kilku tysięcy amperów przy napięciach do kilku kV. Tranzystory te mają jednak pewną dosyć
istotną cechę; parametry znamionowe prądu i napięcia są jednocześnie parametrami
maksymalnymi. Przy opracowywaniu przekształtnika nie moŜna pozwolić sobie nawet na
niewielkie przetęŜenia napięciowe i prądowe, jakie były dopuszczalne w przekształtnikach
opartych na tyrystorach. Trudno takŜe dobrać bezpieczniki zabezpieczające tranzystory od
przetęŜeń prądowych czy skutecznie chroniące od przepięć filtry RC. W przypadkach gdy
falownik pracuje na system elektroenergetyczny poprzez transformator dopasowujący,
wszelkie zakłócenia (przepięcia czy obniŜenia się napięcia ) bezpośrednio wpływają na pracę
falownika mogąc powodować przetęŜenia prądowe czy przepięcia na tranzystorach IGBT.
Przez wiele lat przekształtniki tego typu instalowane na turbinach wiatrowych zabezpieczane
były przed wszelkimi zakłóceniami mogącymi wystąpić w systemie elektroenergetycznym
wszelkie zapady napięcia, odchyłki częstotliwości, powodowały natychmiastowe wyłączenie
turbiny wiatrowej a często całej farmy wiatrowej. PoniewaŜ jednostkowo turbina wiatrowa
stanowi dla systemu niewielką generację, dynamicznie rozwijającej się energetyce wiatrowej
szczególnie w Niemczech czy Danii nie towarzyszyły praktycznie Ŝadne wymagania ze strony
spółek dystrybucyjnych. W efekcie w systemach elektroenergetycznych tych państw powstały
znaczące generacje mogące spowodować powaŜną awarie systemową wyłączając się na
skutek nawet niewielkiego zakłócenia w systemie.
Prawdopodobnie pierwszą awarią, w której generacja wiatrowa (GW) miała znaczący wpływ
na powstanie i przebieg awarii, a takŜe na odbudowę normalnej pracy systemu, była awaria
UCTE w dniu 4 listopada 2006r.
Przewidywany dalszy dynamiczny rozwój GW spowoduje, Ŝe jej znaczenie w kontekście
awarii systemowych będzie wzrastać. Operatorzy systemowi świadomi tego faktu, od kilku lat
wprowadzają wymagania dla farm wiatrowych, mające na celu zwiększenie bezpieczeństwa
systemu z zainstalowaną duŜą GW. Jednak ze względu na specyficzne cechy generacji
wiatrowej, głównie zmienność i ograniczoną przewidywalność, rola GW przy powstaniu
awarii, jej rozwoju, a następnie przy odbudowie stanu normalnego, będzie się coraz większa.
GW mają zasadnicze znaczenie w sytuacji zagroŜenia awarią systemową (wyłączanie przy
niskim napięciu, wyłączanie przy zmniejszonej częstotliwości),
GW mogą spowodować awarię systemową (zmienność produkcji przy ograniczonej
przewidywalności, wyłączanie wiatraków przy zwarciach),
GW mają znaczenie przy odbudowie normalnej pracy systemu (automatyka załączania
farm wiatrowych).
Wymagane zakresy napięcia i częstotliwości dla farm wiatrowych
przyłączanych do sieci wysokiego napięcia
Wymagany zakres napięć dla pracy farm wiatrowych określa się w wymaganiach operatora
osobno dla stanów dynamicznych (zwarcia w sieci) oraz stanów statycznych
i wolnozmiennych.
Dla stanów dynamicznych jest to przedstawiana najczęściej graficznie funkcja poziomu
napięcia U(t) od czasu w punkcie przyłączenia farmy (lub na zaciskach poszczególnych
wiatraków). Pozwala ona określić zachowanie się farmy zarówno przy zwarciach, jak
i w stanach zagroŜenia stabilności napięciowej systemu, charakteryzujących się długotrwałym
utrzymywaniem niskich napięć. Rys. 2 pokazuje sparametryzowany wykres U(t), który
łącznie z tabelą 1 określa wymagania kilku wybranych operatorów.
Dla stanów statycznych i wolnozmiennych wymagania są określane tekstowo (np. IRiESP)
lub graficznie jako obszar pracy na płaszczyźnie U, f (napięcie, częstotliwość). Na (Rys. 3)
pokazano wymagania IRiESP w formie graficznej zapoŜyczonej z wymagań operatora
duńskiego [4].
Z zamieszczonych rysunków wynika, Ŝe obecnie wymagania dla farm wiatrowych nie
odbiegają specjalnie od wymagań dla jednostek konwencjonalnych, a w przypadku wymagań
dla zwarć znacznie je przekraczają. Blok konwencjonalny bez specjalnych układów typu fastvalving nie jest w stanie przetrwać trwającego ponad 0,5 s spadku napięcia do 15% Un.
Analizując wymagania napięciowe dla farm wiatrowych naleŜy zwrócić uwagę na to, czy
podane wartości napięcia odnoszą się do punktu przyłączenia farmy czy teŜ do
indywidualnych wiatraków. JeŜeli funkcja napięcia odnosi się do punktu przyłączenia,
a wiatraki generują w trakcie zwarcia prąd zwarciowy, to napięcie na wiatrakach będzie nieco
wyŜsze.
H
F
A
V [%]
W miejscu
przyłączenia
do sieci
G
E
Wyłączenie
dozwolone
B
C
D
czas [s]
Rys. 2 Sparametryzowany wykres pokazujący wymagania wybranych operatorów odnośnie
zachowania się farm przy niskich napięciach.
Tablica 1. Wymagania operatorów dla zachowania się farm wiatrowych przy niskich
napięciach. Parametry wykresu z rys.1.
1
Odcinek
BC
BD
AF
Dania
25%
0,1 s
Niemcy (EON)1
0%
Niemcy (EON)2
Irlandia (ESB)
AH
HG
0,75 s 25%
10 s
NA
0,15 s
0,15 s 30%
0,7s
10%
15%
0,625 s
3s
10%
ND
ND
15%
0,625 s
3s
10%
ND
ND
Wielka Brytania 0%
0,14 s
1,2 s
20%
2,5 s
15%
Polska
0,6
3s
20%
5s
ND
15%
FE
Dla jednostek z duŜym prądem zwarciowym. 2 Dla jednostek z małym prądem zwarciowym.
Rys. 3 Wymagania PSE na zakres statycznej pracy farm wiatrowych (max oznacza
maksymalną moc wynikającą z aktualnych warunków wiatrowych).
Zabezpieczenia siłowni wiatrowych na przykładzie siłowni wiatrowej
ENERCON E-82
Nastawy zabezpieczeń na kaŜdej nowoczesnej siłowni wiatrowej są obecnie kompromisem
pomiędzy wymaganiami operatorów sieci elektroenergetycznej a bezpieczną pracą samych
siłowni wiatrowych. Zabezpieczenia te moŜemy podzielić na:
zabezpieczenia w wyłączniku siłowni wiatrowej,
zabezpieczenia w sterowniku nadzorującym pracę siłowni.
Zadaniem zabezpieczeń realizowanych przez wyłącznik jest odstawienie siłowni wiatrowej
w przypadku wystąpienia zwarcia w generatorze lub przetwornicy.
Zadaniem zabezpieczeń realizowanych przez układ sterowania WT (wind turbine) jest
ochrona turbiny wiatrowej przed przeciąŜeniem, od skutków niesymetrii prądów i napięć oraz
przekroczenia dopuszczalnych poziomów napięć i częstotliwości układ sterowania monitoruje
takŜe wszystkie zabezpieczenia technologiczne związane z pracą turbiny.
Układ sterowania WT
zespół
zabezpieczń
WT
15…30kV
kolejne siłownie wiatrowe
w ciągu liniowym
WT
wyłącznik
rozłącznik
wyłącznik
główny FW
zabezpieczenie
ciągu liniowego
Punkt przyłączenia,
rozdzielnia NN bądź WN
Linia kablowa SN
400 V
kolejny ciąg liniowy z
siłowniami wiatrowymi
zespół
zabezpieczeń
farmy
Rys. 4 Schemat przyłączenia siłowni wiatrowej do sieci elektroenergetycznej
KaŜda z linii kablowych średniego napięcia łączących siłownie wiatrową z rozdzielnią SN
farmy zabezpieczana jest teŜ zabezpieczeniem nadprądowym zwłocznym.
Zalecane nastawy zabezpieczeń
W tabelach poniŜej przedstawiono wartości nastaw zabezpieczeń na przykładzie siłowni
wiatrowej ENERCON E-82 o mocy znamionowej 2 MW produkowanej w oparciu o
wolnoobrotowy generator synchroniczny przyłączony do sieci bezpośrednio przez
przekształtnik konwertujący całą wytwarzaną w siłowni wiatrowej energię.
Zabezpieczenia nadnapięciowe na kaŜdej z faz
Zakres nastaw napięcia
Uop = 100÷120% Ur
Dokładność nastawy napięcia
1V
Zakres nastawy czasu opóźnienia
0.05s ≤ trop ≤ 2s
Dokładność nastawy czasu opóźnienia
0.01s
Czas zadziałania wyłącznika
40 ms
Proponowane przez producenta nastawy to:
Pierwszy stopień nastawy zabezpieczenia nadnapięciowego:
Udo1 = 145 % Ur
Tdo1 ≤ 5 ms
Drugi stopień nastawy zabezpieczenia nadnapięciowego:
Udo2 = 120 % Ur
Tdo2 = 0.05 s
Zabezpieczenia podnapięciowe na kaŜdej z faz
Zakres nastaw napięcia
Uup = 80÷100% Ur
Dokładność nastawy napięcia
1V
Zakres nastawy czasu opóźnienia
0.05s ≤ trop ≤ 2s
Dokładność nastawy czasu opóźnienia
0.01s
Czas zadziałania wyłącznika
40 ms
Nastawa zabezpieczenia podnapięciowego:
Udu1 = 15 % Ur
Tdu1 ≤ 0.1 s
Zabezpieczenia nad- i podczęstotliwościowe
Zakres nastaw zabezpieczenia nadczęstotliwościowego
f = 50 ÷ 57 Hz
Zakres nastaw zabezpieczenia podczęstotliwościowego
f = 43÷50 Hz
Dokładność nastawy częstotliwości
0.1 Hz
Czas opóźnienia
200 ms
Zgodnie z informacjami podanymi przez producenta, w całym zakresie częstotliwości,
siłownia wiatrowa moŜe pracować z mocą znamionową.
Umax,temp
Umin
Umin,temp
Udu
T
120% Ur
90% Ur
80% Ur
15% Ur
5s
Rys. 5 Obszar dopuszczalnej pracy siłowni wiatrowej ENERCON E-82.
Aby sprostać wymaganiom operatora układ sterowania siłowni wiatrowej kontroluje napięcie
na wyjściu falownika dopuszczając do określonych zmian napięcia. Na (Rys. 5)
przedstawiono obszar dopuszczalnej pracy siłowni wiatrowej ENERCON E-82. Kolorem
szarym zaznaczono obszar, w zakresie którego siłownia wiatrowa moŜe być przyłączona do
sieci. Praca w obszarze zakreskowanym spowoduje otwarcie wyłącznika i przejście do trybu
oczekiwania, utrzymywane są wówczas obroty znamionowe turbiny. Po powrocie napięcia do
poziomu dopuszczalnego przy pracy długotrwałej, uruchamiany jest proces synchronizacji
z siecią oraz ponowne załączenie siłowni do pracy w sieci. Operacja ta trwa nie dłuŜej niŜ
400 ms.
Praca siłowni wiatrowej poza obszarem zaznaczonym jest zabroniona. Następuje
natychmiastowe odłączenie siłowni wiatrowej i zatrzymanie turbiny.
Nastawy zabezpieczeń na siłowni wiatrowej powinny znajdować się wewnątrz zaznaczonego
na rysunku obszaru.
Napięcie w punkcie przyłączenia farmy wiatrowej do sieci jest monitorowane przez
zabezpieczenia całej farmy. Nastawy zabezpieczeń nad- i podnapięciowych mogą róŜnić się
od nastaw zabezpieczeń na poszczególnych siłowniach wiatrowych ale muszą być ze sobą
skoordynowane.
Dodatkowo zabezpieczenia farmy powinny zawierać zabezpieczenia transformatora oraz
zabezpieczenie od pracy wyspowej.
Podsumowanie
Farmy wiatrowe stanowią specyficzny rodzaj generacji rozproszonej, ze względu na to Ŝe
stanowią w wielu systemach znaczącą procentowo generację muszą spełniać określone
przepisy co do zachowania się w stanach awaryjnych, a co za tym idzie nastaw zabezpieczeń.
Wymagania te ewoluowały od bardzo liberalnych, zaczerpniętych z wymagań dla małych
generatorów konwencjonalnych do wymagań obecnie zawartych w stosownych przepisach
nakładających na średniej i duŜej wielkości FW wymagań podtrzymania zwarcia
charakterystycznego dla generatorów konwencjonalnych.
Pomimo trudności producenci nowych turbin wiatrowych w większości oferują turbiny
spełniające wymagania operatorów, choć zwykle są one oferowane opcjonalnie z wyŜszą
ceną. WiąŜe się to zapewne z koniecznością uŜycia zwymiarowanych na większe parametry
przekształtników IGBT.
Literatura
[1]
M.Mazur, B.Sobczak „Zachowanie się farm wiatrowych w warunkach zagroŜenia
blackoutem” II Konferencja Naukowo-Techniczna „Blackout a Krajowy System
Elektroenergetyczny”, 2007 Dymaczewo k/Poznania.
[2]
“Final Report - System Disturbance on 4 November 2006” www.ucte.org
[3]
IRiESP 1.06.2006 , PSE-Operator, www.pse-operator.pl
[4]
“Wind Turbines Connected to Grids with Voltages below 100 kV”, Elkraft&Eltra,
Dania, 2004
[5]
Wind Turbines Connected to Grids with Voltages over 100 kV”, Elkraft&Eltra, Dania,
2004
[6]
Sorensen P., i inni “Modeling of Wind Farm Controllers” EWEC 2006, Ateny
[7]
Christiansen P., ”The Horns Rev Offshore Project – Wind Farm main Controller”,
Billund, 2004
[8]
Sobczak B., i inni “Wpływ generacji wiatrowej na profil napięcia sieci rozdzielczej
i przesyłowej”, APE-05, Jurata
[9]
Sobczak B. i inni, „Wpływ generacji wiatrowej na obciąŜenia sieci rozdzielczej”, APE05, Jurata
[10]
Madajewski K., Sobczak B., „Operatorstwo generacji wiatrowej”, APE-06, Wisła