Stand alone system baseret på 11kW Gaia vindmølle Henrik Bindner Vindenergiafdelingen, Risø
Projektpartnere Gaia Wind A/S Mita-Teknik A/S IET, Aalborg Universitet Vindenergiafdelingen, Risø Støttet af ENS under UVE (et af de sidste projekter)
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
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
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
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
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] 375 370 365 360 355 Gaia 20020423 1447 350 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 50.8 50.6 50.4 50.2-10 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 10 5 0-5 Pgaia Qgaia -15 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540
Tilslutning til diesel-net med anden mølle 380 Gaia 20020423 1457 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] 375 370 365 360 355 150 200 250 300 350 400 450 50.9 50.8 50.7 50.6 50.5 50.4 150 200 250 300 350 400 450 25 20 15 10 5 Pgaia 0 Pdgs Pdump -5 Pload Pbonus -10 150 200 250 300 350 400 450 time [s]
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
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
Mulige koncepter standard mølle batteri parallelt mølle med pmg+konverter+batteri i dc standard mølle +konverter+batteri i dc G G ~ = = ~ load load = ~
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
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
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
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
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] 10 5 390 385 Wind diesel operation Active Power Reactive Power 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 380 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 51 50.5 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Time [s]
Stand-alone lille belastning Gaia 20031111 1447 000035.tim Lille trinændring i belastning God kontrol med frekvens God kontrol med spænding, men der er en tendens til lavfrekvent svingning Grid voltage [V] 400 399.9 399.8 399.7 399.6 399.5 399.4 Gaia 20031111 1447 000035.tim 100 105 110 115 Gaia 20031111 120 125 1447 000035.tim 130 135 140 145 150 Time [s] Power [kw] 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 Grid frequency [Hz] 49.838 49.8375 49.837 49.8365 49.836 49.8355 49.835 2.2 49.8345 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Time [s] 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Time [s]
Stand-alone stor belastning 399.7 Gaia 20031111 1447 000035.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] 399.6 399.5 399.4 399.3 399.2 399.1 399 398.9 398.8 Gaia 20031111 1447 000035.tim 398.7 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 Gaia 20031111 Time 1447 [s] 000035.tim 3 49.843 2.5 49.842 Power [kw] 2 1.5 Grid frequency [Hz] 49.841 49.84 49.839 1 49.838 0.5 49.837 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 Time [s] 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 Time [s]
Stand-alone længere forløb 420 Gaia 20031111 1447 000035.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] 400 380 360 340 320 300 280 10 Gaia 20031111 1447 000035.tim 260 0 100 200 300 400 500 600 Time [s] Gaia 20031111 1447 000035.tim 52 8 50 6 48 Power [kw] 4 2 Grid frequency [Hz] 46 44 42 0 40-2 0 100 200 300 400 500 600 Time [s] 38 0 100 200 300 400 500 600 Time [s]
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 (550-720V) 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
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
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