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