72
Generatoren, vermogensregeling en netkoppeling bij moderne windturbines Frits Ogg

Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Embed Size (px)

DESCRIPTION

(in Dutch language) Thesis about winturbines, their generators, power matching and coupling to the grid.(contact: [email protected])

Citation preview

Page 1: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Generatoren, vermogensregeling en netkoppeling bij moderne windturbines

Frits Ogg

Page 2: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Generatoren, vermogensregeling en netkoppeling bij moderne windturbines

Scriptie in het kader van het omzetten van de PDV verklaring in een diplomaseptember 2010

Door: Frits OggScriptie Fontys hogeschool Docent: M.W.C.M. van de Laar

2

Page 3: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Inhoud:

INLEIDING .............................................................................................................................................................................. 4

SAMENVATTING ................................................................................................................................................................... 5

BEKNOPTE GESCHIEDENIS EN TOEKOMST ............................................................................................................... 6

1. TECHNOLOGISCHE ACHTERGROND VAN WINDTURBINES ............................................................................. 7

HET RONDDRAAIEN VAN DE WIEK .................................................................................................................................................. 7 SNELLOPENDHEID ..................................................................................................................................................................... 8 VARIABEL TOERENTAL EN VAST TOERENTAL ................................................................................................................................... 8 SNELLOPENDHEID EN TURBINE ONTWERP ........................................................................................................................................ 8 AANTAL WIEKEN ........................................................................................................................................................................ 9 HET VERMOGEN DAT UIT WIND GEHAALD KAN WORDEN .................................................................................................................... 9 THEORIE VAN BETZ .................................................................................................................................................................. 10 POWER CURVE ......................................................................................................................................................................... 11 ARBEIDSFACTOR ...................................................................................................................................................................... 12 CONDITION MONITORING ............................................................................................................................................................ 13

2. GENERATOREN ............................................................................................................................................................... 15

SYNCHROON GENERATOR .......................................................................................................................................................... 16 ASYNCHRONE GENERATOR ........................................................................................................................................................ 18 DUBBEL GEVOEDE INDUCTIEGENERATOR ...................................................................................................................................... 24 RINGGENERATOR, DIRECT DRIVE (A)SYNCHROON GENERATOR, ELIMINEREN VAN DE TANDWIELKAST ..................................................... 34

3. VERMOGENSREGELING .............................................................................................................................................. 36

DE DRIE BASIS WINDTURBINE ONTWERPEN .................................................................................................................................... 38 ONDERSCHEID OP BASIS VAN GENERATOR EN TOERENTAL ................................................................................................................ 40 SAMENVATTING VOORDELEN EN NADELEN ................................................................................................................................... 45 WINDSNELHEID ........................................................................................................................................................................ 46 RENDEMENTS VERMINDERING ..................................................................................................................................................... 48 METINGEN .............................................................................................................................................................................. 50 ............................................................................................................................................................................................ 51 GEAVANCEERDE ONTWERPEN ..................................................................................................................................................... 52

4. HET ELEKTRICITEITSNET .......................................................................................................................................... 54

INDELING ELEKTRICITEITSNETNET ................................................................................................................................................ 54 OFFSHORE EN HVDC .............................................................................................................................................................. 55 VERLIEZEN .............................................................................................................................................................................. 57 TOEKOMST VAN HET ELEKTRICITEITSNET ...................................................................................................................................... 57

5. INTERACTIE TUSSEN WINDTURBINE EN HET NET ............................................................................................ 60

PCC EN KORTSLUITING ............................................................................................................................................................. 61 SPANNINGSVARIATIES EN FLICKER .............................................................................................................................................. 62 SPANNINGSPIEKEN EN DALEN ...................................................................................................................................................... 64 FREQUENTIEVARIATIES .............................................................................................................................................................. 65 ACTIEF EN REACTIEF VERMOGEN ................................................................................................................................................. 66 REACTIEF VERMOGEN EN GRID SUPPORT, ANCILLARY SERVICES, AANVULLENDE OF SYSTEEMDIENSTEN .................................................... 66 HARMONISCHEN ....................................................................................................................................................................... 68 TRANSIENTS ............................................................................................................................................................................ 69

BRONNEN .............................................................................................................................................................................. 70

3

Page 4: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Inleiding

In de voorliggende scriptie wordt een overzicht gegeven van de verschillende typen generatoren, de wijze van vermogensregeling in windmolens die daarbij toegepast wordt en de interactie tussen windturbine en het elektriciteitsnet. Daar het toepassen van de verschillende generatoren alleen begrepen kan worden uit een uitleg van de werking van een windturbine zijn een aantal begrippen uit de aërodynamica meegenomen in het eerste deel van de scriptie. Omdat windturbines met een horizontale as het meeste voorkomen, beperkt deze scriptie zich tot dit type (zie de afbeelding op het voorblad en de verklaring van de onderdelen op pag. 2).In de scriptie is een zeer beknopte geschiedenis van de elektriciteits opwekking door windmolens opgenomen.

Het eerste deel behandelt de technische achtergrond van windturbines, het tweede deel de in windturbines toegepaste generatoren. In het derde deel wordt de vermogensregeling in windturbines beschreven. In het vierde deel een basis overzicht van het elektriciteitsnet en het toekomstige elektriciteitsnet. Tenslotte in het 5e deel worden de verschillende aspecten die te maken hebben met het koppelen van een windmolen aan het elektriciteitsnet besproken. Om het overzicht zo volledig mogelijk te maken is voor een eigen indeling gekozen. (Geen van de bronnen geeft een volledig overzicht. De meeste artikelen of boeken zijn op specifieke deelgebieden gericht en geven een indeling die op dat deelgebied van toepassing is.)

Het aantal bronnen op dit gebied is groot. Overzichtsboeken zijn er (nog) niet. Veel beschikbare literatuur is beschikbaar via de vakbladen. Bij de gebruikte afbeeldingen is steeds een bronvermelding vermeld. Enkele figuren en grafieken zijn overgenomen uit diverse nummers van het blad “Renewable Energy World” van de afgelopen jaren. In Renewable Energy World staan af en toe artikelen over de onderwerpen uit deze scriptie. Renewable Energy World is naast Wind Power Monthly en Wind Engineering een van de vrij raadpleegbare bronnen, waarin continue nieuwe ontwikkelingen worden beschreven. In Wind Engineering staan deze onderwerpen in een specifiek wetenschappelijk kader beschreven. Een molen heeft wieken. In veel publicaties wordt als men het over een wiek heeft het woord blad gebruikt. Omwille van de eenduidigheid is overal gebruik gemaakt van het woord wiek.

De scriptie is bedoeld als eindwerk om de PDV verklaring, verkregen tijdens de PDV opleiding aan de voormalige PTHN, om te zetten in een diploma.De lerarenopleiding heeft door de jaren heen verschillende veranderingen ondergaan. Op basis van verworven competenties, een assessment, een scriptie en een beoordeling door de examencommissie is het thans mogelijk alsnog een diploma te verlenen.

Nijmegen april 2010

Afb. 3. Informatie bord voor de E-112 (Frits Ogg) en afb. 4 de molen van Charles Brush (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpg)

Page 5: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

SamenvattingGeneratorenHet type generator kan zowel synchroon als asynchroon zijn en zij kunnen zowel direct op het net gekoppeld worden als via een frequentieomvormer. Ook bestaat er de mogelijkheid van het toepassen van een dubbelgevoede generator. Een bijzondere generatorvorm is de ringgenerator.

Windturbine techniek en vermogensregelingEr zijn drie windturbine ontwerpen die het meeste voorkomen:

1. Vast toerental en direct netgekoppeld (asynchroon kooianker inductie generator).2. Variabel toerental met dubbel gevoede inductie generator.3. Variabel toerental met direct drive synchroon generator.

Elk van de drie turbine ontwerpen hebben hun eigen voor en nadelen. Windturbines worden ontworpen voor een maximale windsnelheid van 15 m/s. Hogere windsnelheden komen zelden voor en zouden de installatie kunnen beschadigen. Om die reden zijn alle windturbines met een vermogenregeling uitgerust. Er zijn 2 verschillende benaderingen: wiekhoekregeling en stallgeregelde systemen. Bij een rotorwiekhoekregeling (pitch) wordt het inkomend vermogen continu gemeten. Wanneer dit te hoog is, worden de wieken versteld en uit de wind gezet, en omgekeerd. De rotorwieken worden om hun langsas gedraaid. Hierbij is de hoek zeer klein, slechts een paar graden. Bij de stallgeregelde systemen worden de rotorwieken in een vaste hoek op de naaf gemonteerd. Wanneer de wind een bepaalde snelheid overschrijdt, ontstaan er aan de achterzijde van de wiek turbulenties. Hierdoor nemen de inwerkende krachten sterk af in grootte. Het profiel van de rotorwiek is licht gegolfd, om er voor te zorgen dat de turbulenties zich geleidelijk inzetten. Het grote voordeel van een stallregeling is dat de mechanische aspecten eenvoudiger zijn. Anderzijds vormt stallregeling een complex aërodynamisch probleem, waarbij het trillingsvraagstuk nog niet helemaal bedwongen is. Ongeveer tweederde van de windturbines in de wereld gebruiken dit systeem. Turbines van meer dan 1 MW rust men tegenwoordig uit met een actieve stallregeling. Technisch gezien lijkt deze regeling op die van rotorwiekhoekregeling. Bij actieve stallregeling draait men de wieken echter in tegengestelde zin als bij de pitchregeling, het effect is, dat men versneld een turbulentie uitlokt, waardoor de kracht op de wieken gaat afnemen. Het voordeel van deze regeling is dat men snel op een windvlaag kan reageren en dat de windturbine op praktisch alle snelheden op nominaal vermogen kan werken. Een gewoon systeem met passieve stallregeling levert bij hogere windsnelheden vermogenverlies op, omdat de turbulentie dan ook groter wordt. De wiekverstelling gebeurt ofwel hydraulisch ofwel door middel van elektrische stappenmotoren.

NetkoppelingHet huidige elektriciteitsnetwerk is een complex systeem. De wat vage term “power quality” wordt gebruikt om de interactie tussen conventionele elektriciteit producenten (fossiel, nucleair en hydro) en de consumenten te beschrijven. Een ideale spanningsbron zorgt voor een perfecte balans in de drie fasen. Een perfecte sinus met een constante frequentie en grootte. Als dit niet zo is wordt de power quality verstoord genoemd.

Page 6: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Beknopte geschiedenis en toekomstOp politiek vlak is er in de laatste jaren een energiediscussie ontstaan. Hoe langer hoe meer komt groene energie opwekking ter sprake, en is één van de betekenisvolle ontwikkelingen de windturbine. Op technisch vlak zijn deze machines sinds hun ontstaan, 120 jaar geleden, sterk geëvolueerd. Er zijn twee personen die kunnen doorgaan als "vaders" van windenergie: de Deen Poul la Cour (1846-1908) en de Amerikaan Charles Brush (1849-1929). Brush ontwikkelde de eerste automatische windturbine (zie afb. 3). Deze had een diameter van 17 m en beschikte over 144 rotorwieken. Een stel loodaccu's, dienden als buffer, het vermogen bedroeg slechts 12 kW. Dit was te wijten aan de trage rotatiesnelheid.

Lichtgas Om meer vermogen te krijgen moest het toerental van de windturbine omhoog. Dit had la Cour begrepen en bij zijn testsite in Askov (Denemarken) plaatste hij een windturbine van meer dan 20 kW waarvan de stroom gebruikt werd om lichtgas te maken. De uitvinding kende een zeker succes, want in 1918 bestonden er in Denemarken al 120 windkrachtcentrales met een vermogen van 20 tot 35 kW. In het totaal stond destijds 3 MW opgesteld, dat 3% van het stroomgebruik in Denemarken dekte. De interesse voor deze techniek nam geleidelijk aan af, tot de tweede wereldoorlog uitbrak waarin men geregeld in chronische energienood kwam. In Nederland zijn tijdens de tweede wereldoorlog twee traditionele windmolens uitgerust met een elektriciteitsgenerator.

PolemiekNa 1945 veranderde er niet zoveel tot de polemiek rond nucleaire energie de vraag naar windturbines heeft doen stijgen. De kleinere machines uit de begintijd hebben plaats gemaakt voor krachtigere machines en hogere ashoogtes. Momenteel bedraagt het individueel vermogen tussen 1,5 en 3 MW en er zijn 10 MW machines in ontwikkeling. Om een idee te geven: de NEG Micon met een vermogen van 1,5 MW heeft een rotordiameter van 64 m, een rotor van Vestas rotor is 68 m in diameter en levert 1,65 MW.

OffshoreVoor windturbines die aan de kust worden geplaatst zijn afmetingen en vermogens nog groter. In 1999 werd de NEG Micon (nu Vestas) 2 MW voorgesteld, met een rotordiameter van 72 m en gemonteerd op een ashoogte van 68 m. Opmerkelijk bij dit model is de actieve stallregeling, waarbij de wieken om de as verdraaid kunnen worden. Enercon, Repower en Multibrid stelden in 2004 een 4,5 MW en 5 MW turbine voor, waarvan de rotor 120 m diameter heeft en waarvan de ashoogte 135 m bedraagt. Deze modellen tonen aan dat offshore turbines van meer dan 5 MW binnen bereik zijn.

ToekomstHet verwerken van het alsmaar groter wordend vermogen vergt gevorderde ontwikkelingen, zoals voor de tandwielkasten. Ook op het gebied van rendement en kostprijs tracht men verbeteringen aan te brengen. Waar vliegtuigingenieurs te alle prijs het stall-effect willen vermijden, is dit fenomeen bij windturbines juist interessant. Het is een zeer ingewikkeld studie-object, daar de stromingen zich driedimensionaal gedragen. Door middel van CFD (Computational Fluid Dynamics) tracht men het probleem onder de knie te krijgen. Verschillende technieken uit de vliegtuigindustrie kunnen bij windturbines aangewend worden. Een voorbeeld hiervan zijn de Vortex-generatoren. Dit zijn kleine vinnen, meestal niet groter dan één cm, die op het einde van het rotor oppervlak worden geplaatst. Zij veroorzaken een kleine turbulente stroom op het vleugeloppervlak. Merkwaardig genoeg verbeteren deze kleine turbulenties het rendement bij lage windsnelheden.

Page 7: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

1. Technologische achtergrond van Windturbines

Na 30 jaar van ontwikkeling is de levering van elektriciteit door wind geaccepteerd als “mainstream” energie opwekking voor het elektriciteitsnet door elektriciteitsbedrijven. De techniek is betrouwbaar, rendabel, en de milieu nadelen van kolen en kernenergie worden vermeden. De wereldwijde opwekkingscapaciteit door wind is nu (2009) meer dan 100 GW. De opwekkings-capaciteit stijgt snel, met 30% per jaar, en een omzet van ongeveer 20 miljard euro per jaar. Het toepassen van deze machines vereist een begrip van de fundamentele concepten. Het is ook van belang bewust te zijn van hoe de turbine groottes en generatoren worden gekozen. Omdat het grootste aantal windturbines een horizontale as heeft met twee of meer wieken, wordt dit type behandeld.

Het ronddraaien van de wiek

Afb. 5: Dwarsdoorsnede van een vliegtuigvleugel. Relatieve windsnelheid V, (Vrelative.) Aanstroomhoek,

Om te begrijpen waarom een windturbine rotor draait, beginnen we met het bekijken van een vliegtuigvleugel (afb. 5). De lucht die tegen de vleugel aanstroomt met een relatieve windsnelheid V, en met een aanstroomhoek van ongeveer 5°. Het vleugelprofiel zorgt er voor dat de lucht er langs kan stromen, echter aan de bovenkant van de vleugel sneller dan aan de onderkant. Volgens de theorie van Bernoulli, veroorzaakt dit een opwaartse kracht (lift force) op de vleugel. Omdat de vleugel vastzit aan de romp, gaat het vliegtuig omhoog.

Afb. 6. Dwarsdoorsnede van een windturbine wiek. Tip snelheid, (Tip speed R ) in het vlak van de rotor. Ongestoorde windsnelheid u, Relatieve windsnelheid, (Vrelative.) wiekhoek . Aanstroomhoek . Stromingshoek

Page 8: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De vleugel is nu gedraaid, en zo wordt het een windturbine wiek. Een dwarsdoorsnede is getekend in afb.6. Omdat de wiek draait is de relatieve windsnelheid op de wiek hetzelfde als bij een vliegtuigvleugel. De aanstroomhoek, hoek , is zodanig dat de liftkracht de rotor doet draaien en zo wordt vermogen overgebracht via de as naar de generator.De richting van de relatieve windsnelheid, zoals de wiek die ondervindt door zijn eigen draaien, is een andere richting dan de ongestoorde wind. In afb. 6 is deze richting onder een hoek t.o.v. het vlak waar de rotor in draait. is hierbij de stromingshoek en is de som van de aanstroomhoek en de wiekhoek . Een goed ontwerp van het wiekprofiel maakt het mogelijk optimale waarden van aanstroomhoek en wiekhoek te creëren. Beide hoeken dienen constant te blijven bij iedere ongestoorde windsnelheid. Omdat de relatieve windsnelheid in grootte stijgt van de wiekvoet tot de wiektip, zijn de wiek ontwerpen verbeterd van simpele vliegtuigvleugels tot gespecialiseerde wieken.Het is ook belangrijk, de hoeveelheid energie die uit wind gehaald wordt te limiteren, als de turbine zijn maximale toerental bereikt heeft. Dit heeft ook effect op het wiekontwerp.

Snellopendheid Als u nu begrijpt hoe een vliegtuig vliegt, is Bernoulli’s lift theorie, die aangeeft hoe het komt dat een windturbine rotor draait, duidelijk. Vervolgens moeten we te weten komen wat de optimale snellopendheid van de rotor is voor een specifieke windsnelheid.Een langzame draaisnelheid zal ongestoorde lucht – tussen de wieken door - door het rotoroppervlak laten passeren. De rotor is dan inefficiënt. Een erg hoge draaisnelheid zal in de wind lijken op een plat vlak. De aanstromende wind zal erg turbulent worden, en ook hier zal de rotor inefficiënt zijn. Op een bepaalde waarde, ergens tussen langzaam en snel in, is er een optimale draaisnelheid om vermogen aan de as over te dragen. Deze waarde is gemakkelijk te bepalen voor een ongestoorde windsnelheid u, die aankomt bij een wiek met een constante wiekhoek en een constante aanstroomhoek .

Variabel toerental en vast toerentalIn afb. 6 is te zien hoe de wind botst op de draaiende rotor, bij een aanstroomhoek en een relatieve windsnelheid V. De wiektip beweegt met een snelheid R , R is hier de wieklengte en is de hoeksnelheid in radialen per seconde. Als en constant zijn, dan is hun totaal, ook constant. Dus de cotangens van (=R /u) is ook constant. Deze dimensieloze verhouding, R /u, is de ”tip-speed ratio (snellopendheid)” , met als symbool een heel belangrijke parameter voor windturbines. Voor elk specifiek windturbinewiekprofiel, ongeacht de afmetingen, moet de snellopendheid constant blijven, onafhankelijk van de windsnelheid. Het grootste rendement wordt bereikt door de omwentelingsverhouding van de rotor te veranderen als de windsnelheid verandert, dus door een constante waarde voor , dit noemen we variabel toerental bedrijf.

Zie verder ook het onderwerp dubbel gevoede generatoren in het volgende hoofdstuk (pag. 27, 32 en 42).

Snellopendheid en turbine ontwerpZowel turbines met variabele als vaste toerentallen bereiken hun maximale vermogen bij grote windsnelheden. Daarom moet de wiek zo ontworpen worden dat voorkomen wordt dat de wiek inefficiënt wordt bij windsnelheden groter dan de ontwerp windsnelheid (meestal rond de 7 meter per seconde) Deze waarde echter is afhankelijk van de heersende windsnelheden op de plaats waar de windmolen staat. Daarom moet iedere windmolen worden ontworpen en “getuned” op de verwachte windsnelheden van de plaats waar de molen komt te staan.

Page 9: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De opeenvolgende stappen in het ontwerpproces zijn als volgt: • Het maximum vermogen van de windmolen wordt vastgesteld;• Uit meteorologische informatie, worden in eerste instantie de windsnelheid, ul, en de spreiding

van de windsnelheden bepaald voor de plaats waar de turbine komt te staan;• De lengte van de wieken, R, wordt berekend om de jaarlijkse energieproductie tegen de minste

kosten te realiseren. Met in het achterhoofd dat het maximale vermogen niet overschreden kan worden;

• De meest waarschijnlijke rotatie snelheid wordt berekend, zodat de wiektippen een snelheid ul hebben, heeft hier meestal een waarde van 7 – 10;

• Een geschikte combinatie van tandwielkast (als die nodig is), generator en vermogenselektronica worden gekozen om wisselstroom met een frequentie van 50 Hz te leveren;

• Uit een gegeven windsnelheid volgt dat is evenredig aan 1/R, dat wil zeggen dat hoe groter de windturbinerotor is des te langzamer hij moet draaien om een optimaal rendement te bereiken. Op een bepaalde waarde tussen erg langzaam en erg snel, zit de optimale rotatie snelheid om vermogen aan de rotoras te leveren;

Aantal wiekenAls een wiek ronddraait, beweegt de wiek zich naar de ruimte die door de wiek voor hem werd ingenomen. De limiet aan de omwentelingssnelheid is afhankelijk van de mate waarin de lucht in die ruimte door de vorige wiek verstoord is. Alleen al daarom zouden sneldraaiende rotoren zo min mogelijk wieken moeten hebben. Echter meer wieken verhoogt het koppel op de as. De algemene regel voor het optimale aantal wieken hangt van de functie af, en ziet er als volgt uit:Het opwekken van elektriciteit vereist een hoog toerental en laag koppel, dus heeft de rotor een gering aantal wieken. Het oppompen van water en het historische malen, vereisen een groot koppel en laag toerental, dus de rotor heeft veel wieken.Rotoren voor elektriciteitsopwekking op land hebben meestal drie wieken. Rotoren met drie wieken leveren een “rustiger” beeld dan rotoren met twee wieken, voor de burger die er tegenaan moet kijken. Voor de offshore is de trend naar turbines met twee wieken, omdat niemand er daar tegenaan hoeft te kijken. Het minimum aantal wieken is één. Dat is mogelijk met een contragewicht. Er treden in dit geval grote onbalans krachten op. De windsnelheid als de wiek boven is, is niet gelijk aan de windsnelheid als de wiek beneden is. Omdat wieken duur zijn wordt de turbine goedkoper naarmate hij minder wieken heeft.

Het vermogen dat uit wind gehaald kan wordenStel dat een schijf lucht met oppervlak O gelijk aan de rotorcirkel en met een breedte b het rotor oppervlak passeert met een snelheid v. De kinetische energie van deze schijf is dan gelijk aan: Waarin m de massa is van de lucht en v de snelheid hiervan.

De massa m van de schijf is gelijk aan:

Waarin φ de soortelijke massa is van luchtDe energie-inhoud van de schijf lucht wordt dan gelijk aan: Het luchtpakketje heeft een snelheid v en legt de afstand b af in een tijd van t = b/v.Aangezien het vermogen gelijk is aan de hoeveelheid energie per seconde, krijgen we het vermogen P door de energie te delen door de tijd, oftewel:

De soortelijke massa φ van lucht (op zeeniveau bij 25°C) is gelijk aan ~ 1,225 kg/m3. Het vermogen van de lucht die dat rotoroppervlak dan passeert is dan gelijk aan:

Page 10: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Als alle energie uit de lucht zou worden gehaald, zou de lucht na passeren van de rotorwieken stilstaan en daarmee de aanvoer van nieuwe lucht blokkeren. De Duitse fysicus Albert Betz heeft hier onderzoek naar gedaan. Hij kwam tot de conclusie, dat er een factor (de prestatiecoëfficiënt) bestaat, die aangeeft hoeveel energie een windmolen maximaal aan de wind kan onttrekken.

Als we deze factor, waarmee een molen de energie kan benutten Cp noemen, dan wordt het maximale vermogen van een windturbine gelijk aan:

Theorie van BetzDe interactie tussen de wind en de wieken doet vermogen uit de wind overbrengen op de wieken. Deze windstroom mag echter niet “stoppen”, anders kan de wind niet door de rotor heen “waaien”. Dit kan dus geen 100% zijn. De theorie hierachter noemen we de theorie Van Betz (1926). Uit deze theorie volgt dat we maximaal 16/27 oftewel 60% energie uit de wind kunnen halen. Deze dimensieloze breuk noemen we de “power coëfficiënt”, Cp, die een functie is van de snellopendheid, (afb. 7en 8). In de praktijk is Cpmax, dus altijd minder dan 60% en is ongeveer 40% voor een schone wiek bij een optimale snellopendheid. Rotoren met de minste wieken hebben de hoogste Cpmax .

Afb. 8. Relatie Cp en voor meerdere rotoren. Bron Cp/ grafiek: www.renewableenergy.com en http://www.fao.org/docrep/010/ah810e/AH810E10.htm

Afb. 7: Relatie tussen niet –gedimensioneerde schaal factoren (power coëfficiënt Cp en snellopendheid ) voor een specifieke moderne windturbine generator.

Page 11: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Naast het rotoroppervlak is ook de windsnelheid een belangrijke factor bij de productie van windenergie. Deze neemt toe met de hoogte volgens de formule:

Hierin is:vh = windsnelheid op hoogte h in m/sv10 = windsnelheid op een hoogte van 10 meter in m/sz = ruwheidsfactor van het terrein, die varieert van 0,001 bij open zee tot 0,5 in de bebouwde kom. Bij open terrein is deze 0,03.

Afb. 9. Windmolen te Creil, Nederland (WindNieuws) Afb. 10. Montage van een rotor (WindNieuws)

Naast de hierboven beschreven grootheden spelen het rendement van de transmissie en het rendement van de generator (beiden 90-96%) nog een rol.

Power curveZoals we in de formule zien verandert het vermogen in de wind als een kwadraat van de windsnelheid. Deze snelle en grote niet lineaire relatie zegt veel over windturbine ontwerpen, de plekken waar ze geplaatst worden en het rendement.Bijvoorbeeld, een verdubbeling van de windsnelheid maakt het mogelijk acht maal meer vermogen uit de wind te halen (afb. 11).

Afb. 11 Vermogen versus ongestoorde wind snelheid grafiek voor een specifieke 1,5 MW windturbine.

Page 12: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De belangrijkste praktische grafiek is de verandering in het geleverde vermogen ten gevolge van de groter wordende windsnelheid. Afb. 11 is een voorbeeld van een grafiek waarin vermogen tegen windsnelheid voor een één toerental turbine bij toenemende (ongestoorde) windsnelheid is uitgezet.De opwekking van vermogen start bij de “cut-in” windsnelheid (meestal ca 4 meter per seconde), wordt kwadratisch proportioneel groter totdat het maximale vermogen is bereikt, vlakt dan af, ofwel omdat de wieken of wiektippen gedraaid worden (“active stall”) of omdat de wiek ontworpen is om een slecht rendement te krijgen bij de gegeven condities (“passieve stall”). De rotor wordt gestopt en geremd (“parked”) in het geval de extreme wind schade zou veroorzaken.

ArbeidsfactorEen andere grootheid die van belang is voor een goed begrip over het leveren van elektrische energie door windturbines aan het net is de arbeidsfactor. De arbeidsfactor geeft in feite weer hoe efficiënt een apparaat omgaat met het gebruik van elektriciteit. De arbeidsfactor wordt gedefinieerd als de verhouding of ratio van “nuttig” vermogen, welke in kiloWatt (kW) wordt gemeten, gedeeld doorde totale vermogensvraag, die meestal wordt aangeduid met “schijnbaar” vermogen en wordt gemeten in kiloVolt-Ampère (kVA).

Reactief vermogenEen arbeidsfactor van 1,00 betekent dat alle energie die door een apparaat wordt afgenomen, nuttig wordt gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn Ohmse belastingen zoals verwarming.Aan de andere kant zijn er reactieve elementen met inductieve spoelen en condensatoren (zoals generatoren, elektromotoren en transformatoren) die een significant deel van het benodigde elektrisch vermogen gebruiken om een elektromagnetisch veld te creëren. Dit is geen Ohmse belasting. Dit deel van de elektrische energie wordt doorgaans aangeduid als reactief vermogen.

De relatie tussen schijnbaar vermogen (kVA), nuttig vermogen (kW) en reactief vermogen (kVAr) is vastgelegd in de formulevorm:

De effectieve arbeidsfactor kan lager zijn door de aanwezigheid van niet Ohmse belastingen en niet-lineaire apparatuur zoals: gelijkrichters, vario speed controllers, frequentieregelaars, etc., het naijlen van stroom op spanning en de harmonischen vervorming die wordt veroorzaakt. Bij harmonischen vervorming wordt een deel van het nuttig vermogen omgezet naar een hogere frequentie die niet langer nuttig is voor de apparatuur (motor). Dit vermogen gaat uiteindelijk verloren in de vorm van warmte. De aanwezigheid van harmonischen vervorming zorgt voor een reductie van de effectieve arbeidsfactor. Meer over harmonischen: zie verder hoofdstuk 5 pag. 68.Gewone motoren die belast worden - met het nominale vermogen dat vermeldt staat op het type plaatje van de motor – hebben een arbeidsfactor van circa 0,89.Als dezelfde motoren echter volledig onbelast operationeel zijn, zullen deze een arbeidsfactor vertonen van 0,30 of lager. Motoren in grote machines, opereren gedurende de inschakelduur meestal onder licht belaste condities. Hierdoor kan een gemiddelde arbeidsfactor ontstaan van circa 0,60.Een arbeidsfactor van 0,60 betekent dat indien er 100 kW nuttig vermogen wordt gebruikt, er een totaal schijnbaar vermogen nodig is van 167 kVA. Bij een (in driehoek geschakelde) driefasen motor aangesloten op een spanning van 400 Volt, zal de benodigde stroom 241 Ampère zijn. Installatie van apparatuur voor correctie van de arbeidsfactor naar 0,95 zal resulteren in een benodigde vraag van 152Ampère. Dit resulteert in een stroomreductie van 37%.

Page 13: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

VermogensdriehoekNuttig vermogen, reactief vermogen en schijnbaar vermogen zijn de elementen van de vermogensdriehoek. Deze driehoek wordt veelal toegepast om de correctie van de arbeidsfactor te illustreren. Nuttig of werkelijk vermogen, gemeten in kilowatt (kW), is elektrisch vermogen dat geheel wordt omgezet in nuttige arbeid.Elektriciteitsgebruikers worden aangeslagen voor het aantal gebruikte kilowatt uren (kWh).Reactief vermogen, gemeten in Voltampère reactief (VAr) of in kilovoltampère reactief (kVAr), is een maat voor de elektrische energie die nodig is voor de opwekking van elektromagnetische velden. Deze velden zijn nodig voor de aandrijving van inductieve belastingen, zoals motoren. Schijnbaar vermogen, gemeten in Voltampère (VA) of in kilovoltampère (kVA), is het totale vermogen datdoor de energieleverancier moet worden geleverd voor de aandrijving van een belasting, zoals een motor.

De elementen van de vermogensdriehoek

Afb. 12 vermogensdriehoek

Arbeidsfactor is een maat voor de efficiëntie waarmee het schijnbaar vermogen wordt toegepast. De arbeidsfactor is gelijk aan de cosinus van de hoek tussen het werkelijke vermogen en het schijnbaar vermogen. (Mathematisch voorgesteld als kW/kVA, zie bovenstaande afbeelding)

Condition monitoringConditiebewaking richt zich in eerste instantie op bewaking van een component of systeem omhiermee (vervolg-)schade te voorkomen en onderhoud beter te kunnen plannen. Dit geldt ook met name voor de windindustrie. Wanneer onderhoud te laat plaatsvindt, dan neemt het risico vanproductieverlies toe en kan vervolgschade grote vormen aannemen, niet alleen in materiële zin maar ook m.b.t. de acceptatie van windenergie in het algemeen. Stilstaande turbines met zichtbare schade geven windenergie het imago van onbetrouwbaarheid en onveiligheid. Het is daarom nuttig de mogelijkheden van conditiebewaking toepasbaar te maken voor de windindustrie, voor zover binnen de economische randvoorwaarden mogelijk is.

Onder “Condition Monitoring” wordt verstaan, het op elk moment meten van de toestand en trends en het vaststellen van de marges tot datgene wat operationeel toelaatbaar is.

Waarom condition monitoringEen windturbine wordt normaal ontworpen voor een levensduur van 20 jaar. Terecht kan dan ook de vraag worden gesteld, waarom conditiebewaking? Een tandwielkast moet 20 jaar meegaan en het is niet verdedigbaar een systeem te ontwikkelen op basis waarvan slijtage van tanden/lagers kan worden vastgesteld, met het doel deze bij een volgende geplande onderhoudsbeurt te vervangen. Met andere woorden conditiebewaking mag zich niet richten op onvolkomenheden in het ontwerp! In feite geldt dit ook voor de wieken. Ook deze zijn ontworpen voor de levensduur. Hiervoor geldt echter dat niet

Page 14: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

alle omgevingsinvloeden voldoende in het ontwerp kunnen worden afgedekt. Schade kan ontstaan als gevolg van blikseminslag, vogels en vervuiling.

De volgende argumenten zijn aan te voeren om een component, dat ontworpen is voor delevensduur van de turbine, toch te bewaken:• De belastingen zijn sterk site-afhankelijk, waardoor de technische levensduur niet voor alle

windturbines gelijk zal zijn;• Door het grote aantal componenten en de relatief grote spreiding in levensduur van lagers

en tandwielen is vroegtijdig falen niet uit te sluiten;• De gevolgschade kan bij windturbines groot zijn, vooral bij offshore turbines;• Toestandsafhankelijk onderhoud kan op zich een reden zijn voor conditiebewaking;• Bij tandwielkasten speelt smeerolie een dubbelrol. Deeltjes in de olie geven een indicatie

over mogelijke slijtage, terwijl dit ook weer extra slijtage kan geven;

Conditiebewaking aan windturbines hebben hierdoor de volgende doelen:1. Het bepalen van de toestand van een component. Dit omvat het verkrijgen van inzicht in de slijtage

van een component op basis van vergelijking van het gedrag en het ontwerp met de daarbij gebruikte onzekerheden;

2. Het voorkomen van vervolgschade. Vervolgschade kan worden voorkomen door vroegtijdig in te grijpen. Hieronder valt directe vervolgschade, maar ook inkomstenderving en extra kosten voor correctief onderhoud;

3. Het aanpassen van het onderhoudsconcept. Door het voorspellen van de restlevensduur van componenten kan er een verschuiving plaatsvinden van preventief onderhoud naar toestandsafhankelijk onderhoud;

ConditiebewakingstechniekenHet kiezen van de juiste conditiebewakingstechniek(en) bepaalt in grote mate de effectiviteit van de conditiebewakingsstrategie voor de te bewaken component. Meten op zich kan een nuttige bezigheid zijn maar wanneer het meten niet gevolgd wordt door een goed uitgevoerde analyse op de verzamelde data dan is al het werk voor niets. Richten vroeger veel bedrijven, die zich bezig houden met conditiebewaking, zich op één techniek, nu komen we steeds meer tegen dat bewaking van een component of zelfs een heel systeem gebaseerd is op een combinatie van verschillende technieken. De ‘multi-technology based condition monitoring systems’ doen hun intrede, echter de kosten moeten wel opwegen tegen de baten. (Verhoef en Verbruggen, 2001)

Page 15: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

2. GeneratorenAfb. 13 Overzicht gebruik van generatoren in windturbines (naar: Salomez, 2006)

Mechanische energie afkomstig van de wind wordt door een generator, die bestaat uit een ronddraaiende 'rotor' en een stilstaande 'stator', omgezet in elektrische energie. We onderscheiden twee types van generatoren, synchrone generatoren en asynchrone generatoren. Beide wekken een wisselspanning op maar de wijze van opwekking is fundamenteel verschillend.

Mechanisch vermogen met variabel toerentalIngaande as

Transmissie Direct drive Tandwielkast

Type generator RinggeneratorConventionele synchrone generator

Inductie generator

Rotor

Stator

Bewikkeld

Bewikkeld Bewikkeld

Permanente magneten

Kooirotor Bewikkeld of borstelloze DF

Bewikkeld Bewikkeld

Koppeling met het netGrote elektronische omvormer

Grote elektronische omvormer

Elektrische energie met vaste frequentie of DCUitgaand vermogen

Page 16: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Bij synchrone generatoren wordt de rotor van de generator bekrachtigd met gelijkstroom, waardoor in combinatie met het ronddraaien van de rotor, een magnetisch veld ontstaat. Dit magnetisch veld in de rotor veroorzaakt een spanning in de stator, waarbij het toerental van de rotor gelijk is ('synchroon') is met de frequentie van het statordraaiveld. Er is dus alleen sprake van een continue vermogensoverdracht als het rotor- en statordraaiveld even snel draaien. Indien de synchrone generator gekoppeld is aan het openbaar elektriciteitsnet, dan wordt het statordraaiveld opgelegd door het openbare net en ligt hiermee het rotortoerental vast. Asynchrone generatoren zijn in principe inductiemotoren die boven hun synchrone toerental worden aangedreven. Hierbij onderscheiden we netgekoppeld en eilandbedrijf. Bij netgekoppelde systemen wordt de frequentie door het net opgelegd en ligt het toerental vast. In eilandbedrijf bepaalt het toerental de opgewekte frequentie. Tegenwoordig is het met vermogenselektronica mogelijk ook bij netgekoppelde systemen het toerental van de machine aan te passen. Daarnaast is het mogelijk om naast de toerentalregeling een actief en reactief vermogenregeling toe te passen op asynchrone generatoren. Hierdoor kunnen deze generatoren qua functionaliteit volledig concurreren met de regelmogelijkheden zoals een synchrone generator die biedt.

Synchroon generator Bij een synchroon generator onderscheiden we verschillende types. We onderscheiden het binnenpool principe en het buitenpool principe. Binnenpool principe Bij het binnenpool principe wekt een bewegende magneet in een stilstaande spoel een wisselspanning op.

Afb. 14 Binnenpoolprincipe (Salomez, 2006).

Buitenpoolprincipe Bij AC- generatoren maken we meestal gebruik van het binnenpoolprincipe, omdat we dan te maken hebben met rechtstreekse afname van elektrische energie zonder borstels en sleepringen. Dit heeft als voordeel dat we een eenvoudige constructie, minder onderhoud en géén vonken aan de borstels hebben. Bij DC- generatoren zijn we genoodzaakt om het buitenpoolprincipe toe te passen omdat we via een collector de wisselspanning gemakkelijk kunnen gelijkrichten.

Page 17: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 15 Buitenpoolprincipe (Salomez, 2006).

Rotor De rotor is een draaibaar opgestelde elektromagneet gevoed via 2 sleepringen en 2 borstels door een DC- hulpbron. Op de rotor bevindt zich de veldwikkeling waarin we de bekrachtigingsstroom regelen.

Afb. 16 Rotor van het type binnenpool principe met externe bekrachtiging (Salomez, 2006)

We onderscheiden 2 types: Rotor van ringgeneratorDeze zijn te herkennen aan de grote diameter, kleine lengte, uitspringende poollichamen en laag toerental.

Rotor van turbogenerator Deze rotoren laten zich kenmerken door het feit dat ze een kleine diameter bezitten, een grote lengte. De veldwikkelingen bevinden zich in de ankergleuven en de rotor is sneldraaiend. StatorBij de stator onderscheiden we eenfasige en driefasige uitvoering. Meestal hebben we te maken met een in ster geschakelde driefasige wikkeling.

Page 18: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 17 Eénfasige statoruitvoering (Salomez, 2006) Afb. 18 Driefasige statoruitvoering (Salomez, 2006)

Asynchrone generator Wanneer het toerental van de rotor groter wordt dan het toerental van het statordraaiveld hebben we een negatieve slip. Deze negatieve slip zorgt ervoor dat er energie wordt overgedragen van de rotor naar de stator. Dit wordt duidelijk gemaakt op onderstaande afbeelding. Hier gaan we over van motorwerking naar generatorwerking door het toerental boven het synchrone toerental te brengen en zodoende de slip negatief te maken.

Afb. 19 Kooirotor (Salomez, 2006)

Page 19: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Theoretische verklaring Nullast Uitgaande van het vervangingsschema van een asynchrone motor, zien we dat de klemspanning U groter is dan de spanning E. Dit is het gevolg van de spanningsval over de statorweerstand en de statorreactantie. De spanning E vormt de tegen EMK langs de statorzijde en is op een factor k na, gelijk aan de rotorspanning.

Afb. 20 Vervangingsschema van een asynchrone machine (Salomez, 2006)

Het vectordiagram in nullast ziet er als volgt uit:

Afb. 21 Vectordiagram voor motor in nullast (Salomez, 2006)

Page 20: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Wanneer we aan de motor een klemspanning U aanleggen vloeit er een magnetiseringsstroom Im. Deze magnetiseringsstroom zal zorgen voor het magnetische veld tussen stator en rotor.

De grootte van de magnetiseringsstroom is afhankelijk van de grootte van de reluctantie ℜ. We zien in bovenstaande formule dat hoe kleiner de reluctantie is des te kleiner de magnetiseringsstroom wordt. De grootte van de reluctantie hangt af van de luchtspleet tussen stator en rotor. Motor met belasting

Afb. 22 Vectordiagram voor motor met belasting (Salomez, 2006)

We herkennen de nullaststroom I10. Deze stroom zal er voor zorgen dat we in de rotorkring een zekere spanning gaan induceren. Deze spanning zal door de rotorweerstand een zekere stroom gaan induceren, de rotorstroom I’2. we zien dat de stroom I’2 nagenoeg in fase ligt met de spanningsvector E. Dit komt doordat de lekreactantie van de draaiende rotorketen heel klein is, omdat de reactantie frequentieafhankelijk is. Bij de start zal deze maximaal zijn daar de slip het grootst is en de frequentie 50 Hz is. Echter naarmate de motor op toeren komt zal het relatieve frequentieverschil tussen beide heel klein worden en dus zal de reactantie nog slechts een heel kleine invloed hebben op de stroom. Deze stroom zal zich samenstellen met de huidige nullaststroom tot de statorstroom I1 . Ten gevolge van het vloeien van de statorstroom I1 krijgen we een zekere spanningsval over de statorweerstand en de statorlekreactantie. Deze zullen in grootte variëren ten gevolge van de stroom

Page 21: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

die door de stator gaat. Hoe groter de stroom die door deze componenten vloeit des te groter de spanningsval er door zal worden.

Als generator Als generator zullen we een negatieve slip hebben die ervoor zal zorgen dat de opgewekte emk E in de rotor groter zal zijn dan de klemspanning U. Hierdoor krijgen we een omgekeerd effect en zullen we stroom leveren aan het net via de stator.

Afb. 23 Vectordiagram als generator ( naar Salomez, 2006) Doordat we nu energie gaan leveren zal de richting van de stroom I’2 in tegenfase zijn met de spanning E. Hierdoor zal de resultante van de nullaststroom en deze rotorstroom zich samenstellen in het vierde kwadrant. Doordat we hier met een negatieve slip zitten, keert de richting de ohmse spanningsval in de rotor tevens om. Voor inductiemachines met een vermogen van meer dan 10kW is de statorweerstand te verwaarlozen. Hierdoor vereenvoudigt het vectorschema van de machine.

R1* I

10

jXl1* I

10

Im

U

IRfe

I10

E

I’2

I1

Page 22: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Direct netgekoppelde systemen Kooirotor

Afb. 24 Kooirotor als inductiegenerator (Salomez, 2006)

Hierbij wordt de stator van de kooirotor generator rechtstreeks verbonden met het net, voorzien van een transformator die ervoor zorgt dat de opgewekte spanning kan worden opgetransformeerd naar de gangbare spanning van het hoogspanningsnet. Tevens vinden we een regelbare condensatorbank terug die de nodige reactieve energie kan leveren aan de generator. Zodat deze niet onttrokken hoeft te worden aan het net. Het is een economisch en robuust systeem dat tot op heden veel terug te vinden is in diverse windturbines. Er treden weliswaar een reeks van nadelen op, die een gevolg zijn van het niet kunnen regelen van de windsnelheid. Het toerental van de as bij deze systemen is nagenoeg constant en de frequentie wordt opgelegd door het (starre) net die hij voedt.

Bewikkelde rotor Bij een bewikkelde rotor brengen we extra rotorweerstanden aan in de rotorketen. Dit gebeurt via sleepringen die verbonden worden met externe weerstanden. Hierdoor kunnen we een eenvoudige slipregeling creëren, maar we hebben wel te maken met bijkomende verliezen ten gevolge van de extra weerstanden.

Afb. 25 Asynchrone generator met bewikkelde rotor (Salomez, 2006)

Page 23: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Voordelen: grotere marge in toerental; lagere mechanische belastingen op tandwielkast; minder netverstoringen als gevolg van een betere regeling van het toerental door;

gebruik te maken van externe rotorweerstanden. Nadelen:

nog steeds reactieve energie nodig uit het net; onderhoud aan sleepringen; lichte verbetering van de marge in toerental, maar nog steeds maar;

maximaal 10% van het nominale toerental; extra verliezen ten gevolge van de extra rotorweerstanden.

Poolomschakelbare generatoren Bij poolomschakelbare generatoren kunnen we 2 toerentallen verkrijgen aangepast aan de windsnelheid. Via een schakelaar wordt een keuze gemaakt voor het toerental en welke statorwikkelingen er ingeschakeld dienen te worden.

Afb. 26 Poolomschakelbare asynchrone generator (ABB)

Voordelen: vergt weinig onderhoud; dit systeem heeft zijn nut al reeds bewezen; geen sleepringen meer nodig.

Nadelen:

zware belasting voor systeem bij windstoten; geen compensatie voor de netverstoringen (flicker); heeft reactieve energie nodig vanuit het net.

Variabel toerentalBij een variabel toerental komt de frequentie niet meer rechtstreeks op het net, maar wordt dit via een omvormer gerealiseerd. Dit kan zowel op directe als op een indirecte manier gebeuren. Zodoende kunnen we een stabiele frequentie garanderen. Tevens kunnen we soepeler ingrijpen op de fluctuaties van de wind. Tevens zijn alle systemen uitgerust met een pitchregeling (zie hoofdstuk 1).

Page 24: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Kooianker generator gekoppeld aan een omvormer Het grote voordeel van dit systeem is dat we nu geen sleepringen meer hoeven te gebruiken, wat zich vertaalt in kleinere onderhoudskosten. We hebben de actieve en reactieve energie volledig onder controle door gebruik te maken van actieve gelijkriching.

Afb. 27 Inductiegenerator met kooianker en met omvormer (Salomez, 2006)

Voordelen:

volledig toerental bereik; geen sleepringen; volledige controle van actieve en reactieve energie; robuuste technologie.

Nadelen:

de omvormer heeft volledig vermogen van generator nodig (duur); gebruik van een tandwielkast.

Dubbel gevoede inductiegenerator Bij een dubbel gevoede of double-fed generator wordt de stator onmiddellijk verbonden met het net. De rotor daarentegen wordt via sleepringen verbonden met een frequentieregelaar. Deze frequentieregelaar heeft slechts 10 à 15% van het generator vermogen. Dit resulteert is serieuze daling van de verliezen die gepaard gaan met de omvormer als ook met de omvang van de omvormer. We stellen eveneens vast dat de opgewekte sinus geen bijkomende harmonische signalen bevat. Het actieve en reactieve vermogen hebben we ook volledig in de hand.

Afb. 28 Principetekening van een dubbel gevoede inductie generator met variabele toerentalregeling (ABB).

Page 25: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Voordelen: een brede marge van het toerental (-50% en +30% van het synchrone toerental); kleine frequentieregelaar; volledige controle van actieve en reactieve energie; ideale sinusvorm van de opgewekte spanning.

Nadelen: sleepringen; tandwielkast.

Synchrone generator met uitwendige bekrachtiging Bij deze opstelling maken we gebruik van een synchrone machine die via een uitwendige bekrachtiging wordt gevoed. We hebben hier opnieuw de volledige controle, maar we moeten wel investeren in dure omvormers.

Afb. 29 Principetekening van een synchrone generator met uitwendige bekrachtiging (ABB).

Voordelen: volledig toerental bereik; geen tandwielkast nodig; volledige controle over actieve en reactieve energie.

Nadelen:

kleine omvormer voor het veld; sleepringen; omvormer vermogen gelijk aan vermogen van de generator; ringgenerator is duur en zwaar.

Page 26: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Synchrone generator met permanente magneten Hier maken we geen gebruik van een uitwendig bekrachtigd veld maar zijn er in de generator een reeks van permanente magneten ingebouwd. Dit is een heel dure zaak.

Afb. 30: Principetekening van synchrone generator met permanente magneten en variabele regeling van het toerental (ABB).

Voordelen: volledig toerental bereik; geen tandwielkast; volledige controle over actieve energie; borstelloos; geen veldbekrachtiging nodig.

Nadelen:

vermogen omvormer gelijk aan vermogen generator; multipool generator is groot en zwaar; permanente magneten zijn zeer duur.

Page 27: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

DUBBEL- GEVOEDE INDUCTIE GENERATOR Eerst is besproken hoe met een kooiankermotor energie opgewekt kan worden. Nu spitsen we toe op één bepaald type regeling op de dubbelgevoede inductie generator. Bij deze regeling worden de stator en de rotor onafhankelijk gevoed vanuit een AC bron. De frequenties van stator en rotor verschillen van elkaar. Ook hier maken we onderscheid tussen motor en de werking als generator. Om de basisprincipes te verhelderen wordt eerst de motorwerking en daarna de generatorwerking beschreven.

We gaan uit van een 3-fasig bewikkelde asynchrone motor. Hierbij gaan we de stator verbinden met het net op een vaste netfrequentie van 50Hz, de rotor sluiten we aan op een driefasige spanningsbron met een frequentie van 14Hz. Dan krijgen we volgende situatie:

Afb. 31 Schematische voorstelling van een dubbel- gevoede inductie generator (Salomez, 2006)

We nemen aan dat het een motor betreft die 4-polig is uitgevoerd, zowel bij de stator als de rotor. In normale omstandigheden hebben we dan een synchroon toerental van 1500 omw/min. p is het aantal polen.

We veronderstellen dat de opgewekte statorflux rechtsom ronddraait met een toerental van 1500 omw/min. Door het extern aangelegde driefasige spanningssysteem zal een rotorflux opgewekt worden die ronddraait met een toerental van:

We veronderstellen ook dat de rotorflux rechtsom ronddraait. De N en Z polen van stator en rotor moeten elkaar gaan aantrekken. We moeten er dan voor zorgen dat beide fluxen met éénzelfde toerental en richting gaan roteren. Dit wil dus zeggen dat de rotor waar momenteel een rotorflux met een toerental 420 omw/min aanwezig is, zal moeten overgaan naar een toerental van 1500 omw/min. Dit kan alleen wanneer het toerental van de machine het verschil in toeren tussen stator en rotorflux bedraagt. Het toerental van onze machine bedraagt dus altijd:

Page 28: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Het is absoluut noodzakelijk dat beide fluxen roteren met hetzelfde toerental, gebeurt dit niet dan zullen de polen langs elkaar slippen en krijgen we een resulterend koppel dat gelijk is aan 0. Dit voorgaande is alleen mogelijk als de rotoras een toerental aanhoudt van 1080 omw/min. De rotor zal als het ware de statorflux willen volgen en zal dit doen met een relatief verschil in toerental van 1080 omw/min. We creëren hier dus een vorm van toerentalregeling door de frequentie van de rotorspanningsbron te wijzigen en in te spelen op stator- en rotorflux. Er zijn twee werkingsprincipes te onderscheiden. Bij bovenstaande wijze spreken we van subsynchrone werking omdat het rotortoerental onder het synchrone toerental ligt van 1500 omw/min. Stel dat we nu twee fasen omwisselen van de rotor. Dan krijgen we een rotorflux die tegengesteld zal draaien aan de statorflux. Het rotortoerental dat onze motor nu dient aan te nemen wordt:

We spreken hier van supersynchrone werking. Koppel leveren Slip wordt gedefinieerd als het relatieve verschil in toerental tussen het toerental van de as van de rotor nr en het toerental van het synchroon draaiveld ns. Slip wordt uitgedrukt in procenten van het synchrone toerental.

X 100%

Voor onze dubbel gevoede inductiemachine zullen we dus ook een verhouding nodig hebben tussen het statordraaiveld en het rotordraaiveld. De stator wordt met het net verbonden, wat dus een vaste 50 Hz vastlegt. De rotor wordt verbonden met een bron met regelbare frequentie. Dus wanneer beide frequenties bekend zijn leggen we ondubbelzinnig de slip vast. We maken van onze asynchrone machine eigenlijk een speciaal soort van synchrone machine. De slip van deze machine kunnen we dan ook definiëren als:

Wanneer f2 = 0 Hz, dan is s = 0 en draait onze machine met synchroon toerental. Wanneer f2 = 50 Hz, dan is s = 1 en staat onze machine stil. De eerste situatie is vergelijkbaar met een klassieke synchrone machine waarbij de rotor bekrachtigd wordt met een DC-spanning. Ook wanneer de machine koppel dient te leveren kunnen we de analogie met de synchrone machine doortrekken. De machine blijft hetzelfde toerental aanhouden zolang de aangeboden frequenties op stator en rotor vastliggen en de slip van de machine dus vast ligt.

Als generatorHierbij zal aan de as mechanisch vermogen worden toegevoerd. Dit mechanisch vermogen zal de machine ogenblikkelijk, maar heel kortstondig doen versnellen, net als bij de synchrone machine. Een bepaalde mechanische hoek zal zich instellen tussen stator en rotor. Een vermogenoverdracht zal zich manifesteren van het aandrijvend koppel naar de machine toe. Als de mechanische hoek zich heeft ingesteld gaan we terug naar het opgelegde toerental. De slip in de machine blijft constant en het toerental van de rotor blijft dus ook constant.

Page 29: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Algemene vermogensbalans Onderstaande afbeelding geeft de voorstelling van een asynchrone machine met bewikkelde rotor. We kijken nu naar een situatie waarbij de machine als motor werkt. Dezelfde formules kunnen echter toegepast worden bij generatorwerking. We voeden de stator vanuit een drie fasig net op een gegeven frequentie f.

Afb. 32 Principetekening met bijhorende formules (Salomez, 2006)

Het net levert een driefasig vermogen Pe aan de stator. In de stator hebben we de ijzerverliezen Pf en de jouleverliezen Pjs die we in rekening moeten brengen. Dit resulterend vermogen Pr wordt overgebracht naar de rotor. Dit vermogen splitst zich in een uittredend vermogen via de sleepringen Prs en een resterend vermogen Pm . Het vermogen Prs wordt nogmaals in mindering gebracht door optredende jouleverliezen in zowel rotor- als externe weerstanden. Het vermogen Pm is het verschil tussen Pr en Prs . We zien dat hoe groter de slip wordt, hoe kleiner het overgedragen vermogen naar de as wordt. Dit kunnen we in een eenvoudige formule gieten die er als volgt uit ziet:

We dienen hier wel nog wrijvingsverliezen in rekening te brengen Pv . Die na verrekening ons de waarde geeft voor het nuttig asvermogen PL . De afbeelding op de volgende pagina geeft een schematische samenvatting van deze vermogensbalans.

Page 30: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 33 Vermogensbalans (Salomez, 2006)

Toepassingen voor de dubbelgevoede inductie machineVoor de dubbel gevoede inductiemachine kunnen we 4 verschillende toepassingsgebieden onderscheiden. Een eerste onderverdeling kan gemaakt worden op basis van motor- of generatorwerking. Een tweede onderscheid valt te maken in het subsynchroon of supersynchroon werken van de machine. Gaan we nu van motorwerking naar generatorwerking dan dienen we het rotortoerental te verhogen ( = mechanisch vermogen toevoeren) of de rotorfrequentie laten dalen bij eenzelfde toerental van de aandrijvende turbine wat uiteindelijk ook weer neerkomt op het toevoeren van mechanisch vermogen. Bij deze overgang wordt niet overgegaan van subsynchroon naar supersynchroon of omgekeerd. Willen we dit wel, dan kunnen we dit door 2 fasen om te keren aan rotor of stator. Dit alles wordt schematisch weergegeven in onderstaande afbeelding.

Afb. 34 Overzicht motor-generatorwerking (Salomez, 2006)

De techniek van het regelen van DFIG generatoren is volop in ontwikkeling. Er zijn verschillende soorten regelingen in gebruik. Meer over de verschillende regelingen is o.a. te vinden in: Baroudi J.A. e.a., A review of power converter topologies for wind generators, Renewable Energy 2006. Het rapport is te downloaden van: http://www.edocfind.com/en/pdf/wind%20generator%20inverter%20research-2.html

Page 31: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Subsynchrone motorwerking Wanneer we de rotor van een driefasige asynchrone motor met bewikkelde rotor gaan verbinden met een uitwendige bron Er met bepaalde frequentie f2, dan leggen we automatisch de slip vast. De slip wordt dan de verhouding van f 2/f . Deze asynchrone machine is een speciale uitvoering van een synchrone machine daar we eveneens met een vaste slipwaarde werken. Desalniettemin is de vermogensbalans bij de asynchrone motor nog steeds geldig. In onderstaande formule merken we het vermogen Pm op. Dit vermogen is het verschil tussen het overgedragen statorvermogen en het via de sleepringen uittredend rotorvermogen.

Een deel van de energie sPr zal verloren gaan in de vorm van jouleverliezen in de rotor. Het resterende deel wordt in de vorm van Per naar het net gebracht. Een deel van de via de stator ingevoerde energie wordt dus na verliezen via de rotorsleepringen rechtstreeks terug in het net gebracht. Merk op dat voor deze werking de fluxen in dezelfde richting gaan roteren. In dat geval is onderstaande formule opnieuw van toepassing.

We krijgen dus een toerental dat lager ligt dan het synchrone toerental van de statorflux. We spreken van subsynchrone werking.

Afb. 35 Principetekening bij subsynchrone motorwerking (Salomez, 2006)

Page 32: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Supersynchrone motorwerking Bij deze opstelling zorgen we ervoor dat de rotorflux tegengesteld gaat draaien aan de statorflux. Als gevolg van deze omkering mogen we nu de vermogens gaan optellen en zal er dus geen energie uit de rotor vloeien naar de bron, maar zal er energie vanuit de bron via de rotor worden aangevoerd. Wat de vermogensverliezen betreft zijn deze nog steeds gelijk aan die voor de motor in subsynchrone werking. Het niet-gecorrigeerde asvermogen is hier:

Afb. 36 Principetekening bij supersynchrone motorwerking (Salomez, 2006)

Via een regeling van de rotorfrequentie kan zowel het asvermogen als het rotortoerental geregeld worden. Als we de rotorfrequentie aanpassen, passen we automatisch de slip aan waardoor we het toerental van onze machine kunnen aanpassen. Willen we een vermogensregeling gaan toepassen bij een bepaald van buitenaf opgelegd toerental, is dit tevens mogelijk. Naargelang de werkwijze die we hanteren zullen we door de rotorfrequentie op te voeren het vermogen gaan snoeren (subsynchrone werking) ofwel gaan opdrijven (supersynchrone werking).

Page 33: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Subsynchrone generatorwerking We schakelen nu over van motor naar generatorwerking. We moeten er dan voor zorgen dat we het relatieve verschil in toerental tussen statorflux draaiveld en rotorflux draaiveld gaan compenseren via de aandrijving van de as van de motor. We nemen een vaste waarde voor de rotorfrequentie (bv. 14 Hz) en een netgekoppelde stator op een frequentie (b.v. 50 Hz). Wanneer we nu naar subsynchrone generatorwerking kijken, dient het toerental van de as 1080 omw/min te bedragen.

We gaan nu het vermogen dat via de as aangevoerd wordt verhogen, en proberen de as sneller te laten draaien. De machine zal hierdoor echter niet sneller gaan draaien, maar zal alle meerwaarde aan energie vertalen in een meerwaarde aan actieve energie die via de rotor en stator terug naar het net wordt gevoerd. In onderstaande afbeelding zien we dat we energie via de rotor en via de as van de generator gaan toevoeren. De som van beide energiestromen zal resulteren in een zekere waarde Pe die via de stator in het net wordt gebracht.

Afb. 37 Principetekening bij subsynchrone generatorwerking (Salomez, 2006)

Supersynchrone generatorwerking Om nu over te gaan van subsynchrone werking naar supersynchrone werking hoeven we alleen de fasevolgorde van de rotor aan te passen. Zodoende hebben we dan ook een supersynchroon toerental nodig waarmee de rotoras wordt aangedreven. Het totaal toegevoerde vermogen zal verdeeld worden over de rotor en de stator.

Page 34: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 38 principetekening bij supersynchrone generatorwerking (Salomez, 2006) Door een koppelregeling van de generatoras kunnen we een vermogensregeling realiseren. We dienen er steeds op te letten dat bij inschakelen het relatieve verschil in toerental gerespecteerd wordt, anders treden er overgangsverschijnselen op die gepaard gaan met serieuze stootstromen. Willen we van subsynchrone werking overstappen naar supersynchrone werking en vice versa, dan moeten we de fasevolgorde van de rotor omkeren.

Ringgenerator, Direct Drive (a)synchroon generator, elimineren van de tandwielkastEen speciale generator is de ringgenerator (zie pag. 25 en 26). Zoals in het voorgaande is aangegeven wekt het bewegen van een spoel door een magnetisch veld elektriciteit op. Standaard generatoren hebben het equivalent van vier of zes magneet poolparen. In alle – op sommige kleine windturbines na – windturbines is een tandwielkast nodig om een optimale snellopendheid te krijgen. Als de generator uitgerust wordt met meer poolparen (een “ringgenerator”) kan de tandwielkast vervallen. Dit is interessant uit het oogpunt van kosten en geluidsreductie. De noodzakelijke 50-100 poolparen vereisen een grote diameter, en bepalen zo de vorm van de molen. (Afb.59 op pag. 49, afb. 60 op pag. 50 en afb. 65 op pag. 53)

De modernste windturbines hebben generatoren en vermogenselektronica die een variabele omwentelingssnelheid toestaan en toch wisselstroom produceren. Als reguliere generatoren worden gebruikt, dan moet de rotor een constante snelheid hebben om een constante frequentie (50Hz) te kunnen leveren. Dit noemen we vaste snelheid bedrijf.De onderdelen voor vaste snelheid bedrijf zijn goedkoper dan die voor variabele snelheid, dus deze methode was en wordt nog steeds gebruikt, ondanks het verlies van ongeveer 20%, vanwege het niet hebben van een variabele speed met een constante .

Page 35: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 39. Tandwielkast en Generator. Dit is een compact ontwerp. Deze gondel kent geen hoofdas. De rotor zit direct aan de tandwielkast gemonteerd. (DE Wind)

Afb. 41 en 42. Plaatsen van een gondel met generator(WindNieuws).

Afb. 40. Hoofdas, tandwielkast en generator (GE) op de voorgrond rechts onder de motoren die de molen in de wind draaien. Onder het gondel chassis is de tandkrans te zien, waarmee de molen in de wind gezet wordt. (Renewable Energy)

Page 36: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

3. VermogensregelingWindenergie bereikt op dit moment een grote penetratie (zie afb. 43), specifiek in die regio’s waar de vraag laag is en de gemiddelde windsnelheid groot is. Windturbines zijn fundamenteel anders dan conventionele manieren van elektriciteitsopwekking, die normaal gesproken gebaseerd zijn op synchroon generatoren. De verschillende windturbine ontwerpen hebben ook verschillende fundamentele technische verschillen, en deze zijn ook terug te vinden in hun interactie met het elektriciteitsnet.Om straks de koppeling tussen windturbine en elektriciteitsnet te kunnen begrijpen is het belangrijk deze fundamentele technische verschillen te kennen.Virtueel zijn alle huidige windturbines gebaseerd op de drie meest voorkomende windturbine types. (afb. 44)

1. Vast toerental en direct netgekoppeld (asynchroon kooianker inductie generator);2. Variabel toerental met dubbel gevoede inductie generator;3. Variabel toerental met direct drive synchroon generator.

Afb. 43: Ontwikkeling van de windenergie markt (http://www.wikinvest.com/industry/Wind_Energy)

Los van deze drie meest voorkomende windturbine typen, hebben veel fabrikanten in de loop van de tijd andere varianten ontwikkeld. Sommige varianten bestaan nog, anderen zijn in vergetelheid geraakt (tabel 1).

Page 37: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Tabel 1. Wind turbine fabrikanten reguliere ontwerpen en vermogens. Bron: wind turbine manufacturers, 1990-2002

Manufacturer Design Power range Bonus (Denmark) CT/CS; CT/AS 600 kW; 1-2.3 MWDeWind (UK/Germany)

VTDI 600 kW - 2 MW

Enercon (Germany) VTDD 300 kW - 4.5 MW GE Wind Energy (US/Germany)

CT/CS; VTDI 600 kW; 900 kW - 3.6 MW

Lagerwey (Netherlands)

VT/AGP; VTDD 250 kW; 750 kW - 2 MW

Jeumont Industrie (France)

VTDD 750 kW - 1.5 MW

MADE (Spain) CT/CS; VTSGP 660 kW - 1.3 MW; 2 MWNEG Micon (Denmark)

CT/CS; CT/AS; VTDI 600 kW - 1.5 MW; 1.5-2 MW; 2.75 MW

Nordex (Germany) CT/CS ; VTDI 600 kW - 1.3 MW; 1.5-2.5 MW

REpower Systems (Germany)

CT/CS; CT/AGP; VTDI 600 - 750 kW; 1050 kW; 1.5-2 MW

Vestas (Denmark) SVT/OSP; VTDI 660 kW - 2.75 MW; 850 kW - 3 MW

CT/CS = fixed speed, classic stall (fixed blade angle)CT/AS = fixed speed, active stall (negative variable blade angle, 3-5 degrees)VTDI = variable speed (+ pitch), doubly fed induction generatorVTDD = variable speed, direct drive synchronous generator

combined with pitch (Enercon + Lagerwey + 1.5 MW Jeumont)combined with classic stall (Jeumont J48 (750 kW))

VTSGP = variable speed/pitch combined with (brushless) synchronous generatorVT/AGP = variable speed /pitch combined with asynchronous generator (100% current

via converter)CT/AGP = nowadays unusual combination of fixed speed /pitch with directly

connected asynchronous generator. This used to be Vestas' standard system, including 225 and 500 kW

SVT/OSP = semi-variable speed/pitch combined with OptiSlip (maximum +10% variation in nominal speed)

Page 38: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De drie basis windturbine ontwerpenEen vaste snelheid turbine bestaat uit een rotor, een kooianker inductie generator en een tandwielkast. De statorwinding van de generator is met het net verbonden. De slip van de generator varieert met het opgewekte vermogen, de snelheid is dus in feite niet constant. Echter als de snelheids variaties erg klein zijn (1 à 2 %), wordt het normaal gesproken toch een vast toerental machine genoemd. De slip kan ook beïnvloed worden door de weerstand van de rotor te veranderen. Een kooianker generator haalt altijd reactief vermogen uit het net, wat niet gewenst is, speciaal in zwakke netwerken. De reactieve vermogens opname van kooianker generatoren wordt daarom altijd gecompenseerd door condensatoren.Vestas en Nordic Windpower voorzien in een variatie op dit ontwerp, de semi variabele snelheids turbine waarbij de rotor weerstand van de generator continue veranderd kan worden, gebruikmakend van vermogens elektronica. Tot nu toe heeft alleen Vestas dit tot een commercieel succes weten te maken, onder de naam OptiSlip®. Een aantal turbines van 600kW tot 2,75 MW, is nu uitgerust met dit systeem, dat het mogelijk maakt korte rotor snelheidswisselingen tot 10% van de nominale waarde op te vangen.

Opti Slip® :Het gaat hier om een speciale uitvoeringsvorm van de generator met variabel toerental. De weerstand van de rotorwikkeling kan gevarieerd worden zonder de toepassing van sleepringen, koolborstels en bijbehorend onderhoud.Door de normaal buiten de generator geplaatste weerstanden samen met de elektronica in de rotor zelf te plaatsen, is er alleen nog het probleem van het communiceren over de hoeveelheid slip die bereikt moet worden. Bij het Opti Slip systeem wordt dit elegant opgelost door het gebruik van een glasvezel verbinding. Op de stator bevind zich een stationaire glasvezel aansluiting. Iedere keer als de glasvezel binnen in de rotor dit stationaire punt passeert wordt informatie uitgewisseld. (www.windpower.org)

Windturbines met variabel toerental zijn enorm in opkomst de laatste tijd.Het gebruik van variabel toerental turbines kan alleen als het net ontkoppeld wordt van de mechanische rotor frequentie. Hier wordt vermogenselektronica ingezet, zoals bijvoorbeeld een AC-DC-AC converter, samen met geavanceerde controle systemen.In een variabel toerental turbine met dubbel gevoede inductie generator, voedt de converter de rotor wikkeling, terwijl de stator wikkeling aan het net gekoppeld is (zie afb.49 en 50, en pag. 27 e.v., 32 e.v. en pag. 42 ). De elektrische rotor frequentie kan veranderd worden door middel van een converter. De mechanische en elektrische frequentie worden hierdoor ontkoppeld om zo variabele snelheid mogelijk te maken.

In een variabele snelheids turbine met direct drivesynchroon generator, zijn de generator en het net compleet ontkoppeld door vermogens elektronica, om op deze manier het bedrijven van een windturbine met variabel toerental mogelijk te maken.

Page 39: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 44De drie meest voorkomende windturbine ontwerpen:1. CT/CS en CT/AS: Vast

toerental en direct netgekoppeld (asynchroon kooianker inductie generator)

2. VTDI: Variabel toerental met dubbel gevoede inductie generator

3. VTSGP: Variabel toerental met direct drive synchroon generator(Renewable Energy World)

Page 40: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Onderscheid op basis van generator en toerentalVast versus variabel toerental (zie ook afbeelding 54)

- Turbines met vast toerentalDe meeste leveranciers van windturbines gebruiken traditionele elektriciteitsgeneratoren om 50 Hz wisselstroom op te wekken, en deze generatoren worden meestal direct met het elektriciteitsnet verbonden. De generator produceert alleen elektriciteit met de frequentie van het net, als de turbine met een exact en constant toerental (synchrone generator) draait, of op een bijna constant toerental (bij een inductie generator). Bijvoorbeeld 1500 omwentelingen per minuut. Zie ook het vorige hoofdstuk.Het aanpassen van de rotorsnelheid aan het toerental van de generator vereist een tandwielkast. Bijvoorbeeld met een generator toerental van 1500 omw/min en een rotor toerental van 30 omw/min, is een tandwielkast met een overbrengingsverhouding van 50:1 nodig. Als de tandwielkast maar één overbrengingsverhouding heeft, moet de ontwerper de rotor ontwerpen voor één windsnelheid (meestal de meest voorkomende, of de meest waarschijnlijke). Dit soort windturbines heeft vaak twee vaste toerentallen. Dit systeem is tussen 1980 en 1990 veelvuldig toegepast. Als er twee toerentallen zijn, is het mogelijk de rotorsnelheid aan te passen aan een lager windregiem. (afb. 56). De verhoogde overbrengingsverhouding van de tandwielkast kan dan gebruikt worden om de 50 Hz te genereren. Bij windsnelheden anders dan de ontwerpwindsnelheid, kan ook elektriciteit opgewekt worden, maar het rendement wordt dan minder. Bij grotere windsnelheden wordt dit slechte rendement een voordeel omdat de generator dan minder snel te zwaar belast zal worden.

Afb. 45.Windturbine met vast toerental en met een asynchrone generator De asynchrone machine in deze windturbine levert actief vermogen P en neemt blindvermogen op. Het actieve vermogen hangt af van de windsnelheid. Het blindvermogen wordt bepaald door de machineparameters. In de windturbine is een condensatorbank opgenomen ter compensatie van het blindvermogen. In veel gevallen worden de condensatoren afhankelijk van het geleverde vermogenautomatisch ingeschakeld. In geval van een kortsluiting levert de windturbine een bijdrage aan Ik,max.

- Turbines met een variabel toerental Om maximaal rendement uit de rotor te halen is een constante snellopendheid nodig.Daarom moet als de windsnelheid verandert, de rotorsnelheid overeenkomstig veranderen. Dit kan op twee manieren.De windturbine is ontkoppeld van het elektriciteitsnet op de hierna beschreven manier, waarbij wisselstroom opgewekt wordt met een synchroon generator. Het opgewekte vermogen wordt gelijkgericht naar gelijkstroom. De gelijkstroom wordt vervolgens geconverteerd naar 50 Hz om aan het net te leveren. Hierdoor ontstaan extra kosten voor de gebruikte vermogenselektronica. Ook worden er door sommige inverters ongewenste harmonischen geproduceerd. Desondanks worden dergelijke AC/DC/AC systemen meer en meer gemeengoed, door rendementsverbetering, de betere presatatie bij lagere windregiems en goedkopere vermogens elektronica.

Page 41: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

In het windturbinesysteem in onderstaande afbeelding is de stator van de generator via een converter gekoppeld met het net. De generator kan een asynchrone kortsluitankergenerator zijn of een synchrone generator. De versnellingsbak is zodanig ontworpen dat de maximale rotorsnelheid overeenkomt met het nominale toerental van de generator.

Afb. 46.Variabel toerental windturbine met een synchrone/asynchrone generator In geval van een synchrone generator kan deze met een groter poolpaartal worden uitgerust, zodat een versnellingsbak niet nodig is. Aangezien er veel ervaring is met de toepassing van deze "full-power" converter/generator systemen, is het concept goed uitontwikkeld.

Afb. 47. Variabel toerental windturbine met een synchrone generator zonder versnellingsbakIn een windturbinesysteem met variabel toerental is de stator van de generator via een converter gekoppeld met het net. De windturbine levert actief vermogen P. Indien de generator een asynchrone machine is, neemt deze blindvermogen op. Indien de generator een synchrone machine is, levert deze blindvermogen. De uitwisseling van blindvermogen met het net wordt bepaald door de machine parameters en door de instelling van de converter. Een met thyristoren uitgevoerde converter kan bij een asynchrone generator geen blindvermogen aan het net leveren, een met IGBT's uitgevoerde converter kan dat wel. In geval van een kortsluiting levert deze windturbine geen bijdrage aan Ik,max". Daarom kunnen zowel de asynchrone (met IGBT) als de synchrone generator als een negatieve belasting worden gemodelleerd. Het blindvermogen van de totale windturbine hangt van de combinatie generator/converter af. (IGBT = De Insulated Gate Bipolar Transistor is een transistor die veel vermogen kan schakelen en die met een kleine stuurspanning uit bijvoorbeeld een microprocessor aangestuurd kan worden).

Generator Converter Blindvermogen windturbine

Asynchroon Thyristor Opnemen Asynchroon IGBT Opnemen /

Leveren Synchroon Thyristor Leveren Synchroon IGBT Leveren

Tabel 2. (uit: van Oirsouw; Modellering windturbines met Vision, 2006.)

Page 42: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 48.Variabel toerental windturbine met onder synchrone en boven asynchrone generator (uit: van Oirsouw; Modellering windturbines met Vision, 2006.)

- Variabel toerental turbine met een dubbelgevoede inductiegenerator (DFIG) Het windturbinesysteem van onderstaande afbeelding is voorzien van een dubbelgevoede inductiegenerator. Dit betekent dat de stator direct gekoppeld is met het net en dat de rotorwikkeling via sleepringen is verbonden met een converter. Vooral doordat de vermogenselektronische omzetter maar ongeveer een kwart van het totale vermogen hoeft te voeden, is dit concept erg populair geworden voor variabel toerental windturbines. De verliezen in de converter zijn veel minder dan bij een systeem met een "full-power" converter. Bovendien is de converter goedkoper.

Afb. 49. Variabel toerental windturbine met een dubbelgevoede inductie generator.

De omzetter is een "back-to-back" converter en bestaat uit twee converters met een dc-link ertussen. De converter die is aangesloten op de rotorwikkelingen regelt het koppel, het toerental en de arbeids-factor aan de statorklemmen. Tijdens normaal bedrijf gedraagt de windturbine zich als een synchrone machine. Door regeling van de frequentie van de stroom door de rotorwikkeling kan de generator bij elke gewenst rotortoerental toch synchroon draaien. De rotorwikkeling wordt met een zodanige wisselstroom gevoed, dat het elektromagnetisch veld in de luchtspleet het verschil tussen het rotor- en statorveld compenseert.

Page 43: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 50. Vermogensbalans van een windturbine met DFIG

Het elektrische vermogen van de windturbine is gelijk aan het verschil van het statorvermogen en het rotorvermogen. Onderstaande vergelijkingen beschrijven de relaties tussen de mechanische en elektrische vermogens:

In de stator wikkeling wordt een draaiende magnetisch veld ontwikkeld door de aangesloten driefasestroom. In de rotor ontstaat hierdoor ook een magnetisch veld waardoor in de wikkeling een stroom gaat lopen. Deze stroom zorgt voor een verandering van het rotorveld en heeft tot gevolg dat de rotor gaat draaien. Tussen rotor en de statorveld moet altijd een verandering aanwezig zijn,anders kan de machine niet werken. De rotor zal

dus nooit synchroon draaien met het statorveld. Het verschil hiertussen wordt slip genoemd en wordt uitgedrukt in procenten van het synchrone toerental. Hierin is s de slip (zie ook pag 28).

Bij een door voldoende wind aangedreven windturbine draait de generator "boven-synchroon" en is de slip negatief. Bijvoorbeeld bij een slip van -30 % is de rotorsnelheid 1,3 pu. Het statorvermogen is dan 0,77 maal Pel en het rotorvermogen is dan -0,23 maal Pel. Dat betekent dus dat bij vol vermogen ongeveer een kwart van het windturbinevermogen uit het rotorcircuit komt. In nullast is het rotorvermogen nul. Bij een windturbine kan de slip zowel positief als negatief zijn. Een positieve slip treedt op indien de generator "subsynchroon" draait. In het algemeen is bij een windturbine de slip positief bij een laag mechanisch vermogen en negatief voor een hoog mechanisch vermogen. Onderstaande afbeelding geeft de slip weer als functie van de windsnelheid:

Afb. 51. Slip als functie van de windsnelheid

Page 44: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Het mechanische vermogen (zie onderstaande formule) van de windturbine is afhankelijk van de windsnelheid, de luchtdichtheid, de rotorwiekdiameter en een vermogenscoëfficiënt (zie ook pagina 9)

Het vermogen is begrensd ter voorkoming van beschadiging van de windmolen. Onderstaande afbeelding geeft het verband tussen windsnelheid en vermogen:

Afb. 52 vermogen als functie van de windsnelheidIn geval van een kortsluiting in het net draagt de windturbine bij aan de kortsluitstroom en is de stator-stroom groot. Als gevolg zal ook de rotorstroom groot worden. Ter bescherming van de vermogens elektronica in de converter wordt onmiddellijk het rotorcircuit kortgesloten. Als gevolg gedraagt de generator zich tijdens kortsluiting als een asynchrone machine. Voor een correcte modellering kan de generator voor loadflowberekeningen als een synchrone generator worden gemodelleerd en voor kortsluitberekeningen als een asynchrone generator. Aangezien dit niet praktisch is (van Oirsouw), wordt voorgesteld om de generator te modelleren met een asynchrone generator en een vaste condensator. In onderstaand voorbeeld is de condensator opgenomen in de gondel. De converter is gemodelleerd als een negatieve belasting met een constant vermogen van -0,3 MW en 0 Mvar. In gevallen van deellast moet het convertervermogen evenredig met het generatorvermogen worden verminderd. Bij loadflowberekeningen zal de windturbine actief en blindvermogen leveren. In een kortsluitberekening zal de windturbine zich gedragen als een asynchrone machine. De condensator en de converter leveren dan geen bijdrage aan de kortsluitstroom.

Afb. 53 Variabel toerental windturbine met een dubbelgevoede inductie generator in het modelleringsprogramma Vision. (uit: van Oirsouw; Modellering windturbines met Vision, 2006.)

Page 45: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Samenvatting voordelen en nadelen Elk van de drie turbine ontwerpen hebben hun eigen voor en nadelen. Vast toerental windturbine (asynchrone kortsluitanker machine): Voordelen:

Het betreft een relatief simpel ontwerp; En daarom een lagere aanschafprijs.

Nadelen: Deze machines moeten mechanisch robuuster zijn dan andere ontwerpen, omdat ze aan grotere

krachten onderworpen worden; De rotor snelheid kan niet worden gevarieerd dus fluctuaties in het windaanbod vertalen zich

rechtstreeks in koppelingsvariaties in de aandrijftrein. Afhankelijk van de sterkte van het net kan dat leiden tot spannings fluctuaties, die kunnen leiden tot “flikkeren” van gloeilampen. (zie ook hoofdstuk 5 en afb. 81 en 82.)

Variabel toerental windturbine (DFIG en Direct Drive):Voordelen:

Voor een gegeven windregiem genereren ze meer energie; De actieve en reactieve vermogens die opgewekt worden kunnen eenvoudig onder controle

gebracht worden; Ze kennen een lagere mechanische belasting, snelle vermogens wisselingen zijn schaars omdat

de rotor als een vliegwiel functioneert. In het algemeen zullen er dus geen “flikker” problemen optreden;

Variabele snelheids turbines kunnen ook de netspanning regelen, omdat het reactief vermogen gevarieerd kan worden.

Nadelen: De gebruikte vermogenselektronica is gevoelig voor spanningsdips die veroorzaakt worden

door fouten en schakelen; Ze zijn duurder. Aan de andere kant, het gebruik van variabele toerentalsystemen kan op

andere punten besparingen opleveren, zoals lichtere funderingen bij offshore.

Vergelijken van de twee variabele toerental ontwerpen: Bij turbines, die gebaseerd zijn op de dubbelgevoede inductie generator, kan een standaard

generator en goedkopere vermogens elektronica gebruikt worden. (N.B. De kosten voor de halfgeleider componenten die gebruikt worden in AC-DC-AC converters worden echter ook met de dag goedkoper, wat het laatste voordeel teniet kan doen);

Een nadeel van turbines met dubbelgevoede inductie generatoren vergeleken met direct drive variabele toerental turbines is dat ze een onderhouds intensieve en onbetrouwbare tandwielkast in de aandrijftrein hebben, en gebruik maken van onderhoudsgevoelige sleepringen en koolborstels;

Een nadeel van het direct drive ontwerp is de grote en relatief zware en complexe ringgenerator (bij de 4,5 MW turbine van Enercon weegt de molenkop 450 ton, en heeft een diameter van 15 meter; zie afb. 59, 60 en 65);

Een grotere elektronische converter. Deze converter moet het totale vermogen verwerken i.t.t. bij de dubbelgevoede inductie generatoren.

Page 46: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 54: Verschil in opbrengst tussen een vaste en variabele snelheids turbine (Schulz, 2007)

WindsnelheidHet vermogen van windturbines wisselt met de windsnelheid maar het is niet evenredig omdat de energie-inhoud van de wind kwadratisch toeneemt. Bij windsnelheden onder de 3m/s staan windmolens stil omdat ze dan geen energie op kunnen wekken.(afb. 55).Windturbines beginnen energie te leveren tussen 2,5 en 5 m/s. dit noemen we de “cut-in” windsnelheid. De “nominale” windsnelheid, is de windsnelheid waarbij het nominaal vermogen wordt bereikt. Normaal gesproken ergens tussen de 12 en 15 m/s. De exacte waarde hangt af van de verhouding tussen generator capaciteit en rotoroppervlak.

Page 47: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 55. Specifieke vermogensgrafiek en werkingsgebied van een stall geregelde (stippel lijn) en wiekhoek geregelde (getrokken lijn) wind turbine

Beneden de nominale windsnelheid, wordt geprobeerd, het rotor rendement te maximaliseren (afb. 55). Het rotor rendement hangt af van de tipsnelheids verhouding.

De verhouding van een vaste snelheids windturbine wiek tipsnelheid en de windsnelheid kan niet geregeld worden als de rotorsnelheid (en dus de wiektipsnelheid) vast is. Niettegenstaande, de tipsnelheids verhouding verandert met de windsnelheid, en bereikt dus de optimale waarde alleen bij één bepaalde windsnelheid (of twee als de windturbine op twee verschillende, doch constante snelheden kan werken, zie afb. 54).

Bij een variabele snelheids windturbine, varieert de tip snelheidsverhouding, en hangt af van zowel de windsnelheid als de rotor snelheid. Om het maximale rotorrendement te halen moet de tipsnelheids verhouding gehandhaafd worden op de waarde die correspondeert met het optimale rotor rendement (Meestal 6-8). Dit wordt bereikt door de omwentelingssnelheid van de rotor aan te passen. Het grotere aërodynamische rendement dat aldus wordt bereikt verklaart waarom variabele snelheidsturbines meer energie opwekken bij dezelfde windsnelheid.

Afb. 56. Rotor snelheids regelings mechanisme voor windsnelheden lager dan de nominale windsnelheid.

In theorie is het mogelijk de windsnelheid te meten en de turbine snelheid overeenkomstig te optimaliseren. Echter dit is in de praktijk onmogelijk. Om twee redenen. Ten eerste, de windsnelheid gemeten met één enkele anemometer op een turbine levert geen goede waarde voor de windsnelheid op de rotor, die een veel groter gebied beslaat. Ten tweede, de anemometer staat achter de rotor boven op de gondel, waar de windsnelheidsmetingen erg verstoord zijn. Precieze windsnelheidsmetingen onder deze condities zijn een illusie. Het opgewekte vermogen wordt daarom geregeld met de rotor snelheid. (afb. 57)

Page 48: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 57. Rotor snelheids regel grafiek: opgewekt vermogen afgeleid van de actuele waarde van de rotor snelheid.

Rendements verminderingBij windsnelheden lager dan nominaal, is het doel energie met een zo groot mogelijk rendement uit de wind te halen. Echter dit gaat niet op voor windsnelheden boven de nominale windsnelheid, want dit zou de generator en/of de converter overbelasten. Daarom moet boven de nominale windsnelheid het mechanisch vermogen dat uit de wind gehaald wordt het rotorrendement verminderd worden als de windsnelheid toeneemt. (afb. 55).Twee methodes kunnen hier voor gebruikt worden. Stall vermogens beperking en pitch regeling. Met stall, zijn de wieken zo ontworpen dat het rotorrendement “in elkaar klapt” bij hoge windsnelheden. Door het wiekontwerp, is dit gedrag intrinsiek, er zijn geen actieve regelsystemen nodig om de beoogde aërodynamische reductie van het rendement te bereiken. Met pitch regelingen, wordt de wiek langzaam maar zeker uit de wind gedraaid. Hierdoor zal de invloed van de wind afnemen, het aerodynamische rendement verminderd. In dit geval wordt een actieve regeling toegepast met behulp van een elektrisch of hydraulisch system. De input parameter voor de pitch regeling is de rotor snelheid. Des te hoger de rotorsnelheid, des te meer wordt de rotor uit de wind gedraaid. De rotor wordt weer in de wind gedraaid als de rotorsnelheid afneemt (afb. 58).In het algemeen gebruiken vaste snelheid machines stall om technische redenen, terwijl variabele snelheids machines uitgerust zijn met pitch regelingen.

Afb. 58. Rotor snelheids regeling principe voor windsnelheden boven het nominale toerental.

Een relatief nieuwe ontwikkeling is het actieve stall concept. Dit is vergelijkbaar met normale stall vermogens beperking, buiten het feit dat de hele wiek een paar graden (3-5) naar achteren gedraaid kan worden (in de omgekeerde richting, dan het geval is bij pitch regeling) in het nominale snelheidsgebied om een betere rotor regeling tot stand te brengen. Het resultaat wordt ook wel het “deep stall“ effect genoemd. Het laat de vermogens curve scherper ombuigen naar een horizontale output lijn bij nominaal vermogen en houdt deze waarde constant voor alle windsnelheden tussen nominaal en “cut out”.

Page 49: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De toepassing van dit concept is min of meer beperkt tot de vaste snelheid turbines. SpecifiekeVertegenwoordigers zijn de Deense fabrikant Bonus (1 MW en groter) en NEGMicon (nu Vestas)(1,5 en 2 MW). Het verschil met actieve pitch regeling is niet alleen dat de range van de wiekhoek verstelling minder is, maar ook dat de richting van de draaiing anders is. Verder wordt de wiekhoek alleen veranderd tijdens de opstart fase en de nominale snelheids range, terwijl de actieve pitch regeling soms ook continue wordt gebruikt als een drempelwaarde en een tweede regeling om het aërodynamische rotor rendement te optimaliseren.Uiteindelijk heeft iedere windturbine een “cut-out” windsnelheid: dit is de snelheid waarop de turbine stilgezet wordt om structurele overbelasting te voorkomen (afb. 55). De waarde is rond 25 m/s voor de IEC Windklasse I en II turbines. Voor IEC Windklasse III turbines, die hun maximum output hebben bij lagere windsnelheden, is de cut-out waarde in de ordegrootte van 17-20 m/s. Windturbines worden stilgezet als het 10 minuten gemiddelde van de windsnelheid boven deze ontwerp waarde komt.

Afbeelding 59: Deel van de ringgenerator van de Enercon E-112 4,5 MW turbine Ø 15 meter (foto: Frits Ogg)

Page 50: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

MetingenWat zijn de consequenties van de verschillen tussen windturbine types voor het energie opwekkingspatroon? Om een antwoord te vinden op deze vraag, hebben een aantal fabrikanten de TU Delft voorzien van meetgegevens die verkregen zijn van bestaande turbines (afb. 61)De uitkomsten laten zien dat de energie output van variabele snelheids machines veel minder fluctuaties laten zien dan de vaste snelheid turbines. De hoofdreden voor de geconstateerde verschillen is dat bij vaste snelheids machines windsnelheidsvariaties altijd direct in vermogens fluctuaties omgezet worden.

In een variabele toeren machine, aan de andere kant moet de rotor snelheid veranderen voordat het converter controle systeem de vermogens output aanpast (afb. 56 en 57 ).Vanwege de rotor traagheid, zullen kleine en/of korte veranderingen in windsnelheid daarom weinig of geen effect hebben op de hoeveelheid energie die opgewekt wordt. Met andere woorden, omdat de rotorsnelheid niet substantieel veranderd, zal ook de opgewekte hoeveelheid vermogen niet veranderen. Uit de literatuur kan ook geconcludeerd worden dat als de rotorsnelheid toeneemt tot de waarde die overeen komt met het nominaal vermogen van de generator, het pitch controle systeem onmiddellijk ingrijpt om de rotorsnelheid te regelen (afb. 58). Beneden de nominale windsnelheid, zit de pitch hoek dicht tegen de 0 graden.

Afb. 60 Typische eivorm van turbine met ringgenerator. Deze turbine heeft een “uitkijkpost” onder de gondel en staat in Orsbach (Aken), Duitsland. De molen is op afspraak te bezichtigen. (Foto: © Horst HKluttig)(zie: http://www.aachen-hat-energie.de/wind/wind112.htm )

Page 51: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Zie ook de alinea “metingen” op de vorige pagina.

Afb. 61. Metingen voor elk van de drie windturbine ontwerpen. Van boven naar beneden 4 grafieken: windsnelheid, rotor snelheid, pitchhoek en opgewekt vermogen. De rode blauwe en zwarte lijnen vertegenwoordigen respectievelijk een vaste snelheids turbine, een variabele snelheids turbine met dubbel gevoede inductie generator en een variabele snelheidsturbine met direct drive generator.

De snelheid en pitchhoek van de vaste snelheids turbine (met klassieke stall regeling) zijn constant: snelheids variaties zijn virtueel niet bestaand, en er wordt niet in een pitch regeling voorzien, dus de varabelen worden niet getoond.

Testresultaten worden getoond in 'relatieve hoeveelheden', om de resultaten vergelijkbaar te maken en om fabrikanten onherkenbaar te maken die metingen in vertrouwen aangeleverd hebben. (Slootweg e.a.)

Bron: http://www.uni-hildesheim.de/~irwin/inside_wind_turbines.html

Page 52: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Geavanceerde ontwerpenDe trend is naar geavanceerde ontwerpen, special voor windturbines in de megawatt klasse. De twee trend settende technologische ontwerpen in deze categorie (> 1,5 MW) zijn variabele pitch turbines met dubbelgevoede inductie generatoren, en direct drive systemen. Het eerste segment bevat de naam van bijna alle grote fabrikanten van turbines met tandwielkasten. Het tweede segment is tot nu toe min of meer het exclusieve domein van ENERCON (300 kW – 4,5 MW),Hoewel er een aantal veelbelovende direct drive leveranciers op de markt zijn. Voor de Nederlandse situatie is dat Harakosan, een Japanse firma die de voormalige Nederlandse firma Lagerwey de Windmaster na haar faillissement heeft overgenomen, en nu de direct drive turbines in den Helder samenstelt.

Klassieke stall was, en blijft, populair voor de turbines tot 900 kW, met enkele uitzonderingen tot 1,3 en zelfs 1,5 MW. Het is te verwachten dat, op de lange termijn, voor deze (sub)megawatt klasse ook meer en meer wordt gekozen voor geavanceerde pitch regelingen, variabele snelheidssystemen, met en zonder tandwielkasten.

Of de trend naar variabele snelheidssystemen een grotere rol gaat spelen voor synchroon generatoren met tandwielkasten en netkoppeling via frequentie omvormers is moeilijk te zeggen. Dit hangt onder andere af van het oplossen van de stabiliteitsproblemen die op kunnen treden als kortsluiting optreedt in netten met grote aantallen windturbines uitgerust met dubbel gevoede inductie generatoren. In geval van een kortsluiting in het net draagt de generator bij aan deze kortsluiting en is de stator-stroom groot. Als gevolg zal ook de rotorstroom groot worden. Ter bescherming van de vermogenselektronica in de converter wordt dan onmiddellijk het rotorcircuit kortgesloten. Hierdoor gedraagt de generator zich tijdens kortsluiting als een asynchrone machine.

Afb. 62. Windmolenpark ECN (Energie Onderzoek Centrum Nederland, Noord Holland). ECN is het grootste onderzoekscentrum op het gebied van energie in Nederland en neemt een vooraanstaande positie in binnen de ontwikkeling van de technologie van windmolens. In Wieringermeer houdt ECN zich bezig met het ontwikkelen, testen en bouwen van windturbines. Wieringermeer is een goed testgebied omdat het er altijd enorm waait. ECN heeft vijf eigen windmolens in het testpark staan en ook de grootste windmolen van

Page 53: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 63. Montage van 1,5 MW GE Afb. 64. Op 135 meter hoogte bovenop de E-112Turbine ca 2004 (voorheen Enron). van Enercon in Embden (foto: Frits Ogg).

Afb. 65: Stator van de E-112 4,5 MW generator van Enercon. Let op de monteurs onder de stator. Diameter is 15 meter (Enercon).

Page 54: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

4. Het elektriciteitsnet

Afbeelding 66: Solitaire windturbine gekoppeld aan het net (naar: Santjer, 2001)

Indeling elektriciteitsnetnetConform de Nederlandse netcode wordt formeel onderscheid gemaakt tussen de volgende netvlakken:Laagspanning: ≤ 1 kVMiddenspanning > 1kV en < 35 kVHoogspanning ≥ 35 kV

Tabel 3: Indeling elektriciteitsnet in Nederland en aantal aansluitingen op het net (Cobben, 2007).

Rotor

Generator

G

Middenspanning

PCC (Point of common coupling)

Middenspanning onderstation

Transformator

Elek-trici-teits-meter

Laagspanning

Page 55: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Het elektriciteitsnet in Nederland kan volgens Bakker e.a. verdeeld worden in verschillende spanningniveaus. Deze zijn als volgt:

- 380/220 kV hoogspanning- 150/110 kV hoogspanning- 50 kV tussenspanning- 10 kV middenspanning - 400 V laagspanning

Afb. 67. Indeling elektriciteitsnet in Nederland (in: Energieomzetting door getijdenwisseling; Bakker e.a., 2004).

De spanningen van 150/110 kV en hoger worden voornamelijk bovengronds getransporteerd via de hoogspanningsmasten. De andere spanningsniveaus worden voornamelijk ondergronds naar de gebruiker gebracht. Zie afb. 67, waar een afbeelding is gegeven hoe de spanningsniveaus aan elkaar gekoppeld zijn. In afb. 67 is duidelijk te zien dat de stroom van een rail naar een onderliggende rail via verschillende wegen overgebracht kan worden. Dit is mogelijk gemaakt zodat bij uitval van een kabel de spanning toch nog geleverd wordt aan het onderliggende net. In het geval dat een kabel wegvalt of wordt kortgesloten zal de stroom die via deze kabel hoort te lopen, verdeeld worden over de rest van de kabels. Zodoende moeten de kabels er op berekend zijn om deze extra stroom te kunnen transporteren zonder dat er sprake is van overstroom in de kabels. Het vermogen dat over de kabels vanaf de 10kV rail getransporteerd kan worden ligt rond de 6 MVA. In afb. 67 is te zien dat aan de 10kV gebruiker een totaal vermogen van (3 kabels x 6MVA = ) 18MVA geleverd kan worden.

Offshore en HVDCOffshore wind heeft de belofte in zich om op geografisch relatief kleine oppervlakten windenergie centrales met grote vermogens te realiseren. Dit gebeurt op plaatsen die ver van het elektriciteitsnet liggen. Normaal gesproken wordt de energie van een groot afgelegen windpark getransporteerd via >100 kV luchtleidingen. Bij offshore parken kan dit niet en moet van zeekabel gebruik gemaakt worden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van HVDC (High Voltage DC) systemen. Hierbij wordt AC omgezet naar HVDC en aan het andere eind van de kabel terug omgezet naar AC. De verliezen bij HVDC zijn relatief beperkt. Stabiliteit van de zeebodem is bij de gelegde kabel belangrijk. Kabels moeten in het algemeen 5 meter diep in de zeebodem ingegraven worden (zie foto).

Page 56: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afbeelding 68 Het principe van HVDC Light (ABB).

Afb. 69. Directe koppeling DFIG generator met HVDC (www.ingeconcleanpower.com).

Afb. 70 HVDC geul voor kabel op de zeebodem (foto: Thomas Worzyk).

Page 57: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afb. 71. Norned HVDC kabel (ABB). De Norned kabel ligt tussen Nederland en Noorwegen op de zeebodem.

Afbeelding 72: Principe schema van HVDC – Hoog Voltage DC – transport met thyristor techniek (ABB).

VerliezenDe elektrische verliezen kunnen worden onderverdeeld in verliezen die veroorzaakt worden door de opwekking van energie door windturbines en in verliezen die onafhankelijk daarvan ontstaan. Er zijn verliezen zoals de nullast verliezen in transformatoren, maar ook verliezen voor de verwarming van wieken en onderstations (vorstbescherming) en de verlichting van turbines. Verder zijn er de kabelverliezen en de koperverliezen in de transformatoren. Eén van de grootste verliezen zijn de nullast verliezen in transformatoren. Het is dus belangrijk deze laag te houden. Kabel verliezen kunnen beperkt worden door de laagspannings kabel van generator naar transformator zo kort mogelijk te houden. De verliezen in middenspanningskabels zijn over het algemeen laag door de kleinere stromen. Alleen bij grote windparken en lange afstanden worden de middenspannings kabelverliezen belangrijk. Algemeen zijn de verliezen ca 1 à 2 % van de energieopbrengst van een windmolen of windpark.

Toekomst van het elektriciteitsnetAls gevolg van toenemende zorg over klimaatverandering, stijgende olieprijzen en het milieu neemt het aandeel duurzame energie in de totale energievoorziening verder toe. Dit heeft tot gevolg dat het aantal decentrale opwekkingseenheden, zoals windturbines, zonnecellen en (micro-) WKK’s, eveneens toeneemt. Om de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet ook in de toekomst te kunnen blijven garanderen moet het elektriciteitsnet ‘slimmer’ (smart) worden. Duurzaam opgewekt of niet, elektriciteit moet getransporteerd worden. De term “smart grid” is misleidend. Het elektriciteitsnet zelf wordt niet “smart”, blijft hetzelfde, er komt een tweede net overheen dat bestaat uit een ICT infrastructuur. De communicatie die via deze infrastructuur loopt bevat tweeweg communicatie naar meet en regeltoepassingen met als doel energiebesparing, kosten reductie en het verbeteren van betrouwbaarheid en transparantie. De betrouwbaarheid van het net kan verbetert worden als er veel elektrische auto’s gaan rijden. Bijvoorbeeld door op tijden dat deze auto’s niet rijden de accu’s van deze auto’s met het elektriciteitsnet te verbinden. Zo kunnen 100.000 autoaccu’s van 11 kWh een buffer vormen voor de opvang van de uitval van een 500MW centrale gedurende 24 uur.

Page 58: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De Nederlandse overheid heeft KEMA ingeschakeld om zijn bevindingen op het gebied van Smart Grids uiteen te zetten. In opdracht van het Ministerie van Economische Zaken heeft KEMA het boek ‘Reflections – Smart Grids for the Future’ geschreven. Hierin geeft KEMA onder meer aan dat een nieuw elektriciteitsnetontwerp nodig is om grote hoeveelheden decentraal opgewekte energie en energie van grote windparken zonder problemen te kunnen integreren in het elektriciteitsnet. Een belangrijke schakel in de verdere ontwikkeling van Smart Grids is het Flex Power Grid Lab. KEMA en ECN hebben, mede namens de TU Delft en de TU Eindhoven, dit nieuwe laboratorium geopend, dat in zijn soort uniek is. Met dit laboratorium kunnen decentrale opwekkers of vermogenselektronische componenten in Smart Grids worden onderzocht en getest.

De Europese Unie heeft Smart Grids al eerder op de agenda gezet. In 2005 stelde zij de ‘Smart Grids European Technology Platform for Electricity Networks of the Future’ in. De doelstelling van deze adviescommissie is om een Europese visie te formuleren voor de ontwikkeling van Europese elektriciteitsnetten richting het jaar 2020.

Vooral de manieren waarop het totale elektriciteitsvoorzieningsysteem in de toekomst in balans kan worden gehouden, behoeven uitbreiding naarmate steeds meer elektriciteit uit duurzame bronnen komt. Misschien betekent dit zelfs een paradigmashift van 'het permanent afstemmen van het aanbod op de vraag' nu naar 'het voortdurend afstemmen van de vraag op het aanbod' straks. Men voorziet een stapsgewijze integratie van energietechniek, ICT en vermogenselektronica, die mogelijk uitmondt in een elektriciteitssysteem dat veel overeenkomsten vertoont met het internet. Iedere aangeslotene kan daarin, binnen bepaalde limieten, naar believen pakketjes 'elektrische energie' up- en downloaden. Een belangrijke voorwaarde is wel dat het technisch mogelijk wordt om elektriciteit in grote hoeveelheden centraal en/of decentraal op te slaan.

Page 59: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Afbeelding 73: Tijdpad en verschillende fases van verandering van het net (uit: Johan Bogaerd, VITO, April 2008).

Afbeelding 74: Ook de rol van de marktpartijen zal veranderen (uit: Johan Bogaerd, VITO, April 2008).

Afbeelding 75: Vergelijking van het elektriciteitsnet met de watervoorziening Links de twee productmarkten (bilaterale contracten en de APX, de Amsterdam Power Exchange), rechts de

Page 60: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

systeemdiensten voor betrouwbaarheid en de regeling van voltage en frequentie (DA=Day Ahead, HA=Hour Ahead) Uit: Nieuwenhout e.a., 2006.

5. Interactie tussen windturbine en het netHet huidige elektriciteitsnetwerk is een complex systeem. De ietwat vage term “power quality” wordt gebruikt om de interactie tussen conventionele elektriciteit producenten (fossiel, nucleair en hydro) en de consumenten te beschrijven. Een ideale spanningsbron zorgt voor een perfecte balans in de drie fasen. Een perfecte sinus met een constante frequentie en grootte. Als dit niet zo is wordt de power quality verstoord genoemd. Bij de interactie tussen elektrische netten en aangesloten apparatuur speelt power quality een cruciale rol. Storingen in de netten kunnen leiden tot grote productieverliezen voor industriële klanten, zoals spanningsdips en onderbrekingen. Storingen als gevolg van apparatuur bij de eindgebruikers kunnen op hun beurt leiden tot problemen in de bedrijfsvoering van de netten en voor andere klanten (flicker, harmonische vervorming). Power quality gaat over deze storingen, hoe deze op te sporen en op te lossen.

Afb. 76. Oorzaken voor slechte power quality (van Dijk e.a. Power quality; Uneto-VNI, 2005).

Page 61: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

PCC en kortsluitingOm de interactie tussen een windturbine en de power quality van het elektriciteitsnet te analyseren, is het belangrijk de karakteristieken van het PCC ( het “Point of Common Coupling”) te weten te komen. Het PCC is het punt waar het vermogen uit de windturbine is verbonden met het elektriciteitsnet. Juridisch gezien is het het punt waar de verantwoordelijkheden van de netoperator eindigen en die van de windturbine exploitant beginnen.

Afbeelding 77: Point of common coupling, externe aansluitingen net en interne aansluitingen windmolenpark (naar: Santjer, 2001).

Het kortsluitvermogen op een PCC is hoger als het een wijdvertakt net betreft. In een wijdvertakt net kunnen veel parallel stromen lopen. De impedantie van het net wordt hierdoor kleiner. Windmolens staan vaak in afgelegen gebieden, en hebben een lange kabel naar het net. Dit verhoogt de impedantie van het net en verlaagt de “grid strength”. “Grid strength” wordt gedefinieerd als het kortsluitvermogen gedeeld door het nominaal vermogen van de generator (Soens, e.a., 2004).

Afbeelding 78: Model van een enkelfasig net met twee gebruikers bij het PCC (uit Soens e.a., 2004).

Afb. 79. Hypothetische kortsluiting bij het PCC om het kortsluitvermogen te berekenen (Soens e.a., 2004).

G G

Hoogspanningslijn

Middenspanningslijn

Middenspanningslijn

Consument

Consument

Point of common coupling (PCC)

Wind PPark

Page 62: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Daarom is het belangrijk dat windturbines in staat zijn de opgewekte stroom in zekere mate te beheersen, om minder verstoring in het net te veroorzaken, en een goede power quality te handhaven, en ook om minder afhankelijk te zijn van externe spanningsveranderingen.

Spanningsvariaties en FlickerSpanningsvariaties bestaan uit het verschil tussen fase neutraal en fase-naar-fase spannings groottes of fase hoeken in het driefasen systeem. Een hoofdoorzaak van spannings variaties is de ongelijke belasting door enkelfasige gebruikers. Deze enkelfasige belastingen kunnen continue veranderen in een driefasig distributie systeem. Andere oorzaken kunnen zijn: Asymmetrische transformator-wikkelings impedanties, defecte zekeringen in driefasen systemen etc. Door spanningsvariaties is het elektriciteitsnet minder stabiel en kent het grotere verliezen. Bovendien hebben inductiemachines die direct aan het net gekoppeld zijn erg grote verliezen, zelfs bij kleine spanningsvariaties. Als de ideale magnetiseringsstroom evenredig is met de fasespanning, verandert het koppel kwadratisch met de aangelegde spanning (evenredig met de magnetische energie van de luchtspleet) . Daardoor is een ductiemachine zeer gevoelig voor spanningsvariaties (Zie inductie machines in http://mech2006.vtk.be/downloads/mech2005/1e/elektrische/D6h2_2002_inductiemachines.pdf)

Afb. 80. Spannings onbalans tussen de drie fasen (Soens)

Flicker bestaat uit kleine periodische schommelingen in spanningsgrootte. Ze komen voor met frequenties tussen 0,5 en 25 Hz. Het wordt veroorzaakt door grote snel veranderende belastingen zoals vlamboogovens en lasapparaten, of generatoren die snel van vermogen wisselen zoals windturbines. Specifiek kan de mast (“tower effect”) flicker veroorzaken. Iedere kleine verandering in de mechanische torsiekrachten op de rotor (en het geproduceerde vermogen) zoals een wiek die de mast passeert, kan flicker veroorzaken. Flicker is zelden een probleem voor elektronische apparatuur. Het is onaangenaam en hinderlijk omdat het veranderingen in lichtniveau bij verlichting veroorzaakt.

Flicker is gekwantificeerd en wordt gemeten volgens de IEC61000-4-15 norm. Het principe van deze standaard: De amplitude van de frequentie componenten bij de spanning in het gebied 0,5-25Hz worden gemiddeld en opgeteld. Hierbij wordt rekening gehouden met een weegfactor, die de “irritatie hoogte” die een gemiddeld persoon ervaart van een lamp die aangesloten is op een met flicker vervuilde spanning. Flicker wordt gekwantificeerd door de variabele Pst, en wordt gemeten binnen een bepaalde tijdspanne van bijvoorbeeld 10 minuten.Pst=1 staat voor een zwaar vervuilde spanning, die veel irritatie veroorzaakt bij mensen. In de afbeelding is de genormaliseerde amplitude (du/U) van de periodieke spanningsvariatie zien die resulteert in Pst=1 . Het blijkt dat een frequentie van 8-9Hz de grootste irritatie voor mensen oplevert.

Page 63: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

In de IEC61000-21 norm wordt een specifieke meet methode beschreven om de impact van windturbines op het elektriciteitsnet te berekenen. De procedure is dusdanig uitgewerkt, dat een meting voor één enkele turbine onafhankelijk is voor de karakteristiek van het net op die plek, zodat het de mogelijkheid biedt de impact van de turbine op “netflicker” voor iedere locatie te kwantificeren.

Afbeelding 81: Flicker (Spanning) (Soens, 2005).

Afbeelding 82: Grafiek als Pst=1 (Soens, 2005).

Page 64: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Spanningspieken en dalenEen spanningsdip is een vermindering van de spanning gedurende een korte periode. Oorzaken van spanningsdips kunnen kortsluiting in het elektrisch systeem of het starten van een motor zijn. Spanningsdips zijn verder te onderscheiden naar het minimum van de dip en het voorkomen in een, twee of drie fasen. Een spanningspiek is een vermeerdering van de spanning gedurende een korte periode. Spanningspieken die langer duren, b.v. twee minuten, worden (overvoltages) genoemd. Spanningspieken worden meestal veroorzaakt door grote veranderingen in de belasting bij gebruikers en het schakelen in het elektriciteitsnet.

Afbeelding 83: Spanningsdip (Soens, 2005).

Afbeelding 84: Spanningspiek (Soens, 2005).

Page 65: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

FrequentievariatiesIn Europa wordt elektriciteit gedistribueerd met een frequentie van 50Hz. In grote continentale netten zoals het Europese is de frequentie extreem stabiel, en zijn deviaties zelden een probleem. In kleinere systemen echter, b.v. stand-alone systemen kunnen frequentie variaties het disfunctioneren van apparatuur veroorzaken. Het kan effect hebben op frequentie gestuurde vermogens elektronica en klokken.

Afb. 85: Spanningsfrequentie variatie (Soens, 2005).

Afb. 86 : Het meten van de Power Quality (http://www.atal.nl/_images/static-pages/pqa.jpg).

Page 66: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Actief en reactief vermogenHet schijnbare vermogen S (wordt ook complex vermogen genoemd) voor een driefasen systeem kan worden voorgesteld als:

S = 3 ⋅ Uf ⋅ If of √3 ⋅Ul ⋅ Il [VA]

Uf en If zijn respectievelijk de spanning. en stroom van de fase. Ul en Il stellen de lijn spanning en stroom voor.

Het actieve vermogen P en het reactieve vermogen Q zijn respectievelijk:

P = Re(S) = 3 ⋅ |Uf| ⋅ |If| ⋅ cosφ of √3 ⋅ |Ul| ⋅ |Il| ⋅ cosφ [W]

Q = Im(S) = 3 ⋅ |Uf| ⋅ |If| ⋅ sinφ of √3 ⋅ |Ul| ⋅ |Il| ⋅ sinφ [VAr]

Het actieve vermogen P (werkelijk vermogen) geeft het energiegebruik per tijdseenheid aan. Met hierin:

• P: het actieve vermogen, uitgedrukt in watt;• Uf: de spanning uitgedrukt in volt;• If: de stroom uitgedrukt in ampère; • φ: de fasehoek tussen spanning en stroom, uitgedrukt in graden of radialen. Dit is de draaihoek

waarmee de stroomgolf naijlt op de spanningsgolf ten gevolge van reactantie van spoelen en condensatoren in het net. De cos φ wordt dus bepaald door de belasting.

We zien dat het actieve vermogen overeenkomt met het reële deel van het complexe vermogen:

Reactief vermogen Het reactieve vermogen (blind vermogen) Q (eenheid voltampère reactief Var) geeft de activiteit van de reactanties aan.Met hierin:

• Q: het reactieve vermogen, uitgedrukt in voltampère reactief ;• Ul: de spanning uitgedrukt in volt;• ll: de stroom uitgedrukt in ampère;• φ: de fasehoek tussen spanning en stroom, uitgedrukt in radialen.

De stroom die gemoeid is met het blind vermogen heet ook wel blindstroom .

We zien dat het reactieve vermogen overeenkomt met het imaginaire deel van het complexe vermogen:Reactief vermogen heeft dus grote invloed op het transport van elektriciteit over de kabels van het elektriciteitsnet.

Reactief vermogen en grid support, ancillary services, aanvullende of systeemdiensten

Het beheersen van het reactief vermogen is een belangrijk onderdeel van “grid support”. Grid support wordt ook wel met “ancillary services” (aanvullende diensten of systeem diensten) aangeduid. Ancillary services bestaan uit een aantal elementen die de systeem operator van het net nodig heeft om een veilig, betrouwbaar, stabiel en economisch net te runnen. Deze diensten kunnen zowel door gebruikers als door generators worden geleverd.

Page 67: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

De diensten helpen bij het verbeteren van: Snel leverbaar vermogen of frequentie stabilisatie; Spanningsregulering, sterk gerelateerd aan het beheersen van reactief vermogen (zie hieronder

het kopje blindvermogen); “black start” capaciteit; Economisch transport en financiële handels versterkingen.

De relatie tussen windturbines, windparken en ancillary services is volop in onderzoek en beweging. Specifiek in Denemarken en Duitsland, waar het relatieve belang van windenergielevering aan het net erg hoog is. Deense en Duitse richtlijnen worden nu Europabreed toegepast door de meeste Europese netoperators. Spanningsregulering is een van de (technische) diensten die een windturbine kan leveren. Diensten gerelateerd aan de handel in energie zijn moeilijker te leveren door windturbines, omdat ze erg afhankelijk zijn van precieze voorspellingen van de windsnelheid. Een vergelijking van de verschillende regelingen voor windturbines (in Europa) is terug te vinden in de publicatie van Jauch e.a., 2004 en Matevosyan e.a., 2004 .

Blindvermogen Hiermee wordt in het transporttarief het door of aan het net geleverde reactief vermogen verrekend indien de cos φ van de installatie van de aangeslotene gedurende een bepaalde periode kleiner is geweest dan 0,85. Binnen de algemene voorwaarden van bijvoorbeeld Essent wordt gesteld dat indien blijkt dat de hoogste belasting uitgedrukt in KVA groter is dan 1,18 (= 1:0,85) maal de hoogste belasting uitgedrukt in kW de netbeheerder maatregelen kan treffen, dan wel betaling verlangen van de verhoudingsgewijze teveel afgenomen blindenergie De kosten van zodanige maatregelen zijn geheel voor rekening van de afnemer. Inhoudelijk komen de leveringsvoorwaarden van de Netbeheerders in hoofdlijnen overeen. Dit geldt ook voor het blindvermogen. Blindlast kan gecompenseerd worden door het opnemen van een cos φ verbeteringsinstallatie. Tegen een relatief lage investering kan de cos φ sterk worden verbeterd waardoor ook het beschikbare vermogen wordt vergroot. Hierdoor kunnen mogelijke verzwaringen van het elektriciteitsnet worden uitgesteld. De terugverdientijd van de investering is afhankelijk van de kwaliteit van het net en de fysieke mogelijkheden ter plaatse.

Afb.87 Spanning en stroom niet in fase (http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4714).

Page 68: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

HarmonischenVerstoring door harmonischen is de periodieke deviatie van de spanning (of de stroom) ten opzichte van de ideale sinus. Verstoring treed op wanneer hogere harmonischen van de basisfrequentie toegevoegd worden aan het basisvoltage (of stroom) van de sinusvorm.

Afb. 88: Spanning met verstoring door harmonischen (Soens, 2005).

Verstoring door harmonischen kan veroorzaakt worden door vermogens elektronica ( diodes, variabele toerenregelingen). Harmonischen kunnen storingen in computers veroorzaken en oververhitting van motoren, transformatoren en kabels.

Afb. 89. Meten van harmonischen bij de consument (http://www.vanegmond.nl/files_cms/bestand/68991.pdf).

Page 69: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

TransientsIn het algemeen betreft een transient een fysische storing, optredend tussen twee stabiele toestanden en heeft een transient betrekking op een snelle verandering. In een elektriciteitsnet zijn transients plotselinge en belangrijke veranderingen van de normale spanning of stroom groottes. Ze duren erg kort (µs of ms). Transients worden veroorzaakt door blikseminslag, elektrostatische ontladingen of het schakelen van belastingen.

Afb. 90. Voltage met transient (Soens, 2005).

Afb.91 Mallen voor de fabricage van wieken.

Page 70: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Bronnen

Internet:www. windpower.orgwww. nationalwind.org/workgroups/distributed/bibliography.htmwww. kennemerwind.nl/linkswind.htmLiteratuur:Diverse nummers, (2003 t/m 2007), Renewable Energy World, vol. 3 t/m vol. 10.George Marsh, 2006, Wind and other RE, How much can the Grid Accommodate?, in RE Focus, no. 2, pp. 20-22.Westra Chris, Tossijn Herman, 1980, Het Windwerkboek, Amsterdam, ISBN 90 6224 0259 Mc Govern, Michael, 2003 , “Steep learning curve for grid operator” Windpower Monthly Vol.19 No.12.Armin F. Khadjavi, Wozniak Günter, 2005, “Aeroelastische betrachtung des Rotors bezüglich der Torsionseffecte, Wind- Kraft Vol. 25 No.4.Salomez P., 2006, Generatoren in windturbines, scriptie, Kortrijk.Herrmann T. , 2002, “Winergy stellt den neuen kompakten Windkrafgenerator IFEA 500 vor”, Wind-Kraft Vol. 22 No.5, Verhoef, J., Verbruggen, T., 2001, Conditiebewaking aan windturbines, een verkennende studie; ECN, Petten.

Specialistische bronnen: Anca, D., Hansen, L., Blaabjerg F., 2004, “Review of contemporary wind turbine concepts and their market penetration” Wind Engineering Vol. 28, No. 3, pp.247-263.Van Oirsouw, 2006 “ Modellering windturbines met Vision”, www.phasetophase.nl Polinder, H., de Haan, S., du Bois, R., Slootweg, J., 2005, Basic operation principles and Electrical conversionsystems of windturbines, Wind Engineering.Slootweg, J. G., de Haan, S. W. H., Polinder, H., and Kling, W. L., 2001, 'Voltage Control Methods with Grid Connected Wind Turbines: a tutorial review'. Wind Engineering. Vol. 25, no. 6, pp. 353-365. Slootweg, J. G. and Kling, W. L., 2002, 'Modelling and Analysing Impacts of Wind Power on Transient Stability of Power Systems', Wind Engineering. Vol. 26, no. 1, pp. 3-20. Slootweg, J. G. and de Vries, E., 2002, Fault response of Windturbines, Energietechniek, Vol. 80, no.7/8, July/August, pp 32-36 (in Dutch). Slootweg, J. G., Polinder, H., and Kling, W. L. 'Dynamic Modelling of a Wind Turbine with Doubly Fed Induction Generator'. 2001 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, Vancouver, Canada, 15-19 July 2001

Afb.92 Rotorwiek van de E-112 let op de mensen en de Smart naast de wiek.

Page 71: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

hoofdstuk 4 en 5

Bakker, M. e.a., 2004, Energieomzetting d.m.v. getijdenwisseling, scriptie, Hogeschool Rotterdam.

Bogaerd, J., 2008, ACTIEVE GEBOUWEN voor Locale intelligente netten en energie-actieve regio’s, powerpoint presentatie, LINEAR-project, VITO.

Chapman, David, 2002, Harmonischen, oorzaken en gevolgen, European Copper Institute.

J. Cobben, 2007, Power Quality Implications at the Point of Connection, PROEFSCHRIFT, TUE, Eindhoven.

Control Strategies of the Doubly Fed Induction Machine for Wind Energy Generation Applications, EPE guidelines for tutorials, EPE 2009 – Barcelona, Spain, 8 – 10 September 2009.

Driesen, J., van Craenenbroeck, Th., 2002, Spanningsstoringen; Inleiding op onbalans, KUL, Leuven.

van Dijk, G.G., Horstman, E. 2005, Power Quality: van bedreiging naar besparingUNETO-VNI & ISSO.

van Ekeris, J., 2004, ‘Kwaliteit netspanning steeds belangrijker’, intech E&ICT, nr. 50 juli/augustus.

Enslin. J., Hulshorst W., Groeman, J., Atmadji, A., Heskes, A., 2003, Integrating distributed power into a supply network IEEE Proceedings, Powertech 2003, Italy.

EWEA Working Group on Grid Code Requirements – Position Paper, European Grid Code Requirements for Wind Power Generation, February 2008, EWEA, rue d’Arlon 63-65 1040 Brussels

Frunt, J., Jokic, A., Kling, W.L., Myrzik, J., van den Bosch, J., 2009, Provision of Ancillary Services for Balance Management in Autonomous Networks, Eindhoven University of Technology, Eindhoven.

Grünbaum, R., Dosi, D., Rizzani, L., 2005, SVC for maintaining of power quality in the feeding grid in conjunction with an electric arc furnace in a steel plant, 18th International Conference on Electricity Distribution, Turin.

Hansen, A., Hansen, L., 2007, Market penetration of wind turbine concepts over the years, Risø National Laboratory & Force Technology Wind Energy Department DK-2800 Lyngby, Denmark.

Heesen, P. e.a., 2008, Spanningskwaliteit in Nederland in 2007, Kema.

IEC 61400-21 CDV: Windturbines Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected Windturbines.

Jauch, C., SØrensen, P., Bak-Jensen, B., 2004, International Review of Grid Connection Measurements for Windturbines, Nordic Windpower conference NWPC’04 Göteborg Sweden.

Kwaliteits- en Capaciteitsdocument Elektriciteit 2008 – 2014, oktober 2007, Essent Netwerk B.V..

Liu, S.W., Su, Y.M., Yan, W.J., Analysis of System Impact Caused by Wind Power in Taiwan, 2006, Energy & Environment Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Hsinchu, Taiwan, R.O.C.

Page 72: Generator En Vermogensregeling en Netkoppeling Bij Moderne Wind Turbines - Frits Ogg 2010 Vb PDF Wm

Matevosyan, J., Ackermann, T., Söder, L., Bolik, S., 2004, Comparison of international regulations for connection of Windturbines to the Network, Nordic Windpower conference NWPC’04 Göteborg Sweden.

MORREN, J., 2006, Grid support by power electronic converters of Distributed Generationunits, PROEFSCHRIFT, Eindhoven, ISBN: 90-811085-1-4.

Nieuwenhout, F., Cobben, J., Combrink, F., Duarte, J., Heskes, P., Kamphuis, R., Myrzik, J., Rooij, P., Vaessen, P., Vandenput, A., Visscher, K., Warner,C., 2006, Flexible electricity grids, ECN, Petten, ECN-C-06-017.

N.N., 1979, Requirements assessment of wind power plants in electric utility systems. EPRI report ER-978—SY General Electric Company.

N.N., 2000, Technische Richtlinien für Windenergieanlagen, Teil 3: Bestimmung der Elektrischen Eigenschaften, Rev.13. 01.01.2000. Fördergesellschaft Windenergie e.V. FGW, Hamburg.

N.N. Wind on the Grid, Regulating models for integrating large scale wind-powered generation into HV grids. Overview of regulating models in Europe 2007, www.windgrid.eu/Deliverables_EC/D7.pdf. (Wind on the Grid is a project focused on preparation of the European electricity network for the large-scale integration of wind farms through the design, development and validation of new tools and devices for its planning, control and operation in a competitive market.)

Rodrigues, R., Mendes, V., Catalão, J., 2008, Lightning Surges on Wind Power Systems: Study of ElectromagneticTransients, IEEE Trans. On Energy Conversion, Vol. 23, pp 257-262, March 2008.

Santjer, F., Gerdes, G., 2001, Windturbine Grid connection and interaction, DEWI, Wilhelmshaven.

Schulz, D., 2007, Electrical Power Systems; State-of-the Art of Wind Turbine Electrical Systems and Grid Interconnection, TERNA Wind Energy and Development Dialogue 2007, Berlin

Scott, J. Vaessen, P., Verheij, F., 2008, Reflections – Smart grids of the future, KEMA.

SOENS, J., DRIESEN, J., BELMANS, R., 2004, "Interaction between electrical grid phenomena and the wind turbine's behaviour", Noise and Vibration Engineering (ESMA 2004), Leuven, Belgium, Sept.20-22, 2004, pp. 3969-3987.

Soens, J., 2005, Impact of wind energy in a future power grid, Proefschrift, KUL, Leuven.

Visscher, K., Heskes, P., 2005, A method for operational grid and load impedance measurements, ECN, Petten.

van Wissen, R., 2009, Ticket to the Future; Flexibiliteit van elektrische energie voor industrie en infrastructuur, voordracht, Utrecht 6 april 2009. (http://www.automation.siemens.com/download/internet/cache/3/1493444/pub/nl/B2_Flexibiliteit.pdf)

Meer informatie over Power Quality is te vinden op de website www.power-quality.nl