Stand alone system baseret på 11kW Gaia vindmølle. Henrik Bindner Vindenergiafdelingen, Risø

Transkript

1 Stand alone system baseret på 11kW Gaia vindmølle Henrik Bindner Vindenergiafdelingen, Risø

2 Projektpartnere Gaia Wind A/S Mita-Teknik A/S IET, Aalborg Universitet Vindenergiafdelingen, Risø Støttet af ENS under UVE (et af de sidste projekter)

3 Indhold af præsentation Baggrund Projektelementer - Vind-diesel drift - (Stand-alone mølle) - Teknisk-økonomisk model Stand-alone mølle - valg af koncept - opbygning - styring - resultater Perspektiver Konklusion

4 Baggrund Gaiamøllen opstillet i over 5 år Totalt er installeret mere 90 møller Har en god driftsstatistik Har muligheden for at kunne håndtere eksport gennem tilknytning til Mita-Teknik Mangler produkt der kan bruges i små systemer og dokumentation for dets ydelse

5 Projektelementer Vind-diesel drift - at tilpasse, afprøve og dokumentere en 11 kw Gaia mølle til drift i isolerede systemer med diesel generatorer Stand-alone - at modificere, afprøve og dokumentere møllen til stand-alone drift Modellering - at etablere grundlag for tilbudsgivning i form af tekniskøkonomisk model til dimensionering af komponenter (effektmæssigt), samt beregning af anlægsydelse og økonomi

6 Risø Test Facilitet 11kW Gaia vindmølle 55kW Bonus vindmølle Risøs vind-diesel testfacilitet - efter installation af Gaia mølle 25kW Diesel genset Dumpload og lastsimuleringsmodul P, Q I, cos φ P, Q I, cos φ P, Q I, cos φ P, Q I, cos φ P, Q I, cos φ P, Q, f U, I, cos φ Fleksibel ω Mange målesignaler Batterilager: 50kVA 35kWh Bonus 55kW Lastsimulering 20kW Gaia Wind 11kW Ny installation Dumpload 75kW Dieselgeneratorsæt 35kW/60kVA

7 Tilsluttet et diesel-net Nettilslutningsfasen er relativ lang Strømmen der trækkes under den første acceleration er konstant Den endelige nettilslutning er meget blød Indflydelsen på spænding og frekvens er begrænset System voltage [V] System frequency [Hz] Power [kw or kvar] Gaia Pgaia Qgaia

8 Tilslutning til diesel-net med anden mølle 380 Gaia En anden og større mølle er allerede forbundet Indflydelsen på frekvens er meget lille (mindre end en trinændring i belastningen) Kører meget fint i paralleldrift med diese og en anden mølle System voltage [V] System frequency [Hz] Power [kw] Pgaia 0 Pdgs Pdump -5 Pload Pbonus time [s]

9 Modellering Dynamisk model af vind-diesel system - Matlab/Simulink model brugt til analyse af paralleldrift af møller og flere generatorsæt Stand-alone styring - Matlab/Simulink/Real time workshop/dspace model brugt direkte i prototype Teknisk-økonomisk model - Systemsimuleringsmodel til analyse af teknisk-økonimisk ydelse fx. i forbindelse med systemdesign samt til udvikling/analyse af systemstyringer - Den har potentiale til at blive udviklet til analyse af store hybridsystemer med flere typer vedvarende energikilder

10 Krav til Stand-alone system Bygge på standard komponenter - Eksisterende mølle - Driftserfaringer og statistik udnyttes Kunne levere el af ordentlig og tilstrækkelig kvalitet - Der skal være god kontrol med spænding og frekvens Have god kontrol med mølle - Møllens driftsforhold skal være velbestemte og ikke for langt fra den eksisterende mølles Kunne arbejde i systemer med andre generatorer - Den skal kunne arbejde parallel med diesel generatorer Være en fleksibel komponent i små elsystemer - Den skal let kunne indgå i elsystemer der ændres over tid

11 Mulige koncepter standard mølle batteri parallelt mølle med pmg+konverter+batteri i dc standard mølle +konverter+batteri i dc G G ~ = = ~ load load = ~

12 Det valgte koncept Benytter standard Gaia mølle dvs. ændringer sker i styringen og i den elektriske tilslutning, men ikke i selve møllen Back-to-back konverter baseret på Danfoss effektblokke Gear Box Induction Generator Wind turbine Control ~ Controller = = ~ Grid Control Load Management Der er mulighed for at tilslutte en batteribank i dc-kredse, men det er ikke testet Systemet kan køre parallelt med en diesel foruden at den kan styre spænding og frekvens i et stand-alone net Braking Resistor Optional Battery Storage Consumers

13 Prototype Konverter mod generatoren er en standard VLT-frekvensomformer Netkonverteren benytter samme effektblok men ikke styringen Netkonverteren har en styring udviklet i projektet LCL-filter mod nettet for dæmpning af støj dspace benyttes til at udvikle og teste styringen af systemet. Det giver en hurtig og fleksibel styringsudvikling Udviklet og testet i laboratorium i Aalborg, sammen mølle hos Mita og i Risøs testfacilitet Prototype fungerer, men der er plads til forbedringer

14 Styring Styring af netkonverter er udviklet i MATLAB og implementeret i dspace Styring af generatorkonverter er en standard Danfoss VLT 5022 i vektorstyringsdrift. Reference fås fra vindmøllestyring via dspace G Ugen, f gen ~ = VLT controller Fref Duty cycle U d c Udc dspace system Fref = ~ Gate signaler Spænding på nettet styres LCL filter U net, f net dc-spænding varierer afhængig af effektbalance. Ved for høj spænding afsættes overskud i modstand Ved for lav dc-spænding reguleres netspænding ned u.i load

15 Resultater Drift parallelt med diesel - Testkørsler med mølle tilsluttet et diesel net gennem omformer. Diesel genset og dump load styrer frekvens og spænding Stand-alone - Testkørsler med møllen som eneste generator så den styrer både frekves og spænding

16 Stand-alone mølle parallel med diesel Møllen kører uden problemer for parallelt med diesel generator Den leverer den tilgængelige effekt til nettet Den kan styre den reaktive effekt (her 0 kvar) Diesel og dump load styrer frekvens. Diesel styrer spænding Power [kw, kvar] Voltage [V] Frequency [Hz] Wind diesel operation Active Power Reactive Power Time [s]

17 Stand-alone lille belastning Gaia tim Lille trinændring i belastning God kontrol med frekvens God kontrol med spænding, men der er en tendens til lavfrekvent svingning Grid voltage [V] Gaia tim Gaia tim Time [s] Power [kw] Grid frequency [Hz] Time [s] Time [s]

18 Stand-alone stor belastning Gaia tim Stor trinændring i belastning God kontrol med frekvens God kontrol med spænding, men der er igen en tendens til lavfrekvent svingning Grid voltage [V] Gaia tim Gaia Time 1447 [s] tim Power [kw] Grid frequency [Hz] Time [s] Time [s]

19 Stand-alone længere forløb 420 Gaia tim Meget god kontrol så længe der er effekt nok Begrænser spænding når der er underskud af effekt Stadig meget god kontrol med frekvens Grid voltage [V] Gaia tim Time [s] Gaia tim Power [kw] 4 2 Grid frequency [Hz] Time [s] Time [s]

20 Energilager For at kunne levere effekt hele tiden er et energilager nødvendigt Den eneste økonomiske løsning er blybatterier Der findes mange typer: plade, rør, flooded, VRLA, lukkede Den optimale løsning afhænger af levetid og pris, men levetid i et sådant system er ukendt (eller meget usikkert bestemt) Der arbejdes på at udvikle levetidsmodeller for blybatterier anvendt i små VE-systemer. VEA deltager i et EU-projekt med ansvar for netop dette (Benchmarking). Med den valgte løsning er det muligt at tilslutte batterilageret i dcmellemkredsen Dc-mellemkredsspændingen er høj ( V) derfor skal der enten mange batterier i serie eller der skal være en dc/dc-omformer i mellem batterilager og mellemkreds Det er meget vigtigt for levetiden af batterilageret at det vedligeholdes ordentligt samt at det ikke udsættes for ekstreme belastninger- en dc/dc-omformer kan bla. bruges til at forbedre driftsbetingelserne for batterierne

21 Perspektiver Der er behov for robuste og veldokumenterede komponenter til små elsystemer for at kunne reducere risikoen. En robust og veldokumenteret stand-alone vindmølle udviklet på basis af Gaia-møllen kan være en standard komponent Den vil kunne benyttes alene, sammen med andre eller i systemer med andre typer generatorer Det vil være med til at åbne markedet for anvendelse af vedvarende energi i landsbystørrelse systemer En sådan standard komponent vil udover at kunne reduce den tekniske risiko også kunne bidrage til at reduce de ressourcer der skal bruges til design af systemer

22 Konklusion Gaia-møllen er blevet modificeret, testet og dokumenteret til vind-diesel drift. Denne modifikation består kun i anvendelse af et andet nettilslutningsmodul samt ændrede parametre i styringen Baseret på en undersøgelse af de muligheder der for opbygning af en stand-alone vindmølle er der udvalgt i koncept, der egner sig både til stand-alone brug og som en standard komponent i systemer med flere generatorer Der er brugt standard komponenter (mølle og effektelektronik) Der er designet og opbygget en prototype. Den er testet i laboratorium og i system med vindmølle og diesel genset De foreløbige resultater viser at der er opnået en god reguleringskvalitet af både spænding og frekvens Der er stadig nogen udvikling inden det er et produkt, men perspektivet for et sådan produkt er potentielt stort