taajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja säätö generaattorikäytöissä

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-03623-09

Taajuusmuuttajien rakenne,mitoitus ja stgeneraattorikytissKirjoittajat: Juho Farin, Lasse Peltonen, Marja-Leena Pykl & Sanna Uski-

Joutsenvuo

Luottamuksellisuus: Julkinen

Espoo 2009


1 (75)

Raportin nimiTaajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja st generaattorikytiss

Projektin nimi Projektin numero/lyhytnimiTaajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja stgeneraattorikytiss

Converter Concepts

Raportin laatijat Sivujen/liitesivujen lukumrJuho Farin, Lasse Peltonen, Marja-Leena Pykl, Sanna Uski-Joutsenvuo

75

Avainsanat Raportin numeroTaajuusmuuttaja, tuulivoima, vektorist, DTC, IGBT VTT-R-03623-09Tiivistelm

Verkkoon liitetyt hajautetun tuotannon yksikt ja tuulivoimapuistot sisltvt yh enemmntaajuusmuuttajia. Tmn johdosta taajuusmuuttajan mitoitukseen vaikuttavat tekijt jaohjausperiaatteiden tuntemisen merkitys kasvavat, kun suunnitellaan ja arvioidaan verkkoon liittmisenseurauksia ja koko kytn ominaisuuksia.

Tutkimuksen tavoitteena oli kirjallisuusviitteiden ja haastattelujen pohjalta selvitt taajuusmuuttajienrakenne ja valintaan vaikuttavat tekijt pasiassa tuulivoimakytiss. Tutkimuksessa kartoitettiinmys vaatimukset ja valmiudet taajuusmuuttajakyttjen dynaamisten simulointien tekemiseenolemassa olevien simulointimallien pohjalta.

Tuulivoimakytiss kytetyin rakenne oli kaksitasoinen jnnitevlipiirillinen taajuusmuuttaja. Yli 500kVA ratkaisuissa kytettiin tyypillisesti rinnakkaisia moduuleja, jotta haluttu tehotaso saavutettiin.Kytetyimmt kytkimet olivat IGBT-komponentit. Keskijnnitteell olivat kytss IGCT-komponentit jatulevaisuudessa voimalaitosten yksikkkokojen kasvaessa niiden kytt todennkisesti kasvaa.

Kaksoissytettyyn liukurengaskoneeseen liitetyn taajuusmuuttajan teho oli noin kolmasosa tmngeneraattorin tehosta, kun taas tystehotaajuusmuuttajan mitoitus normaalitilanteessa vastasi kytetyngeneraattorin tehoa.

Useat taajuusmuuttajavalmistajat kyttivt jotain vektoristmenetelm tuotteissaan.Muutostilanteiden laskentaan tarvitaan tarkat mallit ja riittv mr mahdollisimman oikeitaparametriarvoja mm. valmistajilta, jotta simulointimallit olisivat kyttkelpoisia. Trkein edellytys mallienluotettavuuden toteamiseen on niiden validointi.

Luottamuksellisuus julkinenEspoo 10.7.2009Laatija

Juho Farin,Erikoistutkija

Hyvksyj

Seppo Hnninen,Teknologiapllikk

VTT:n yhteystiedotPL 1000, 02044 VTT, puh. +358 40 5938582

VTT:n nimen kyttminen mainonnassa tai tmn raportin osittainen julkaiseminenon sallittu vain VTT:lt saadun kirjallisen luvan perusteella.


2 (75)

Alkusanat

Syksyll 2008 VTT:n Tutkimus ja kehitys (TK) -toiminnon Energia ja metsteollisuus (EM) -klusterin Energiajrjestelmt -osaamiskeskuksessa Seppo Hnninen ehdotti selvitettvksikirjallisuustutkimuksena taajuusmuuttajien mitoitusta ja valintaa lhinn tuulivoimaloidengeneraattorikytiss. Tuulivoimaloiden ohella sivuttiin jonkin verran mys hajautetuntuotannon voimaloita. Tuulienergia -tiimin edustajan, Sanna Uski-Joutsenvuo, ohellatutkimukseen osallistui saman Energiajrjestelmt -osaamiskeskuksen Shkvoimatekniikka-tiimin jsenin Juho Farin, Lasse Peltonen ja Marja-Leena Pykl. Tutkimushanke lhti kyntiinVTT:n perusrahoituksella STOR Energian ptksell 10.11.2008.

Tutkimushankkeen tukiryhmn tyhn osallistuivat Seppo Hnninen Shkvoimatekniikka-tiimist ja Esa Peltola VTT:n Asiakastoimialasta Energia, vastuualueenaan tuulienergia, energiansiirto ja varastointi sek energian tehokas kytt.

Kiitos kaikille hankkeeseen tyt tehneille.

Espoo 10.7.2009

Tekijt


3 (75)

SisllysluetteloAlkusanat.....................................................................................................................2

Sisllysluettelo.............................................................................................................3

Merkinnt, termit ja lyhenteet.......................................................................................5

1 Johdanto.................................................................................................................7

2 Tavoite....................................................................................................................8

3 Katsaus maailmalla kytettyyn tuulivoimalateknologiaan .......................................83.1 Yleist .............................................................................................................83.2 Tuulivoimalaratkaisuja ....................................................................................9

3.2.1 Kaksoissytetty tuulivoimala (DFIG) ..................................................103.2.2 Tystehotaajuusmuuttajalla varustettu tuulivoimala...........................10

3.3 Tuulivoimaloiden ja -puistojen shknsiirto...................................................114 Taajuusmuuttajan mitoitus voimaloissa/tuotantoyksikiss..................................12

4.1 Generaattorin asettamat vaatimukset taajuusmuuttajille...............................124.1.1 Generaattorivaihtoehdot tuulivoimaloissa ..........................................124.1.2 Tystehoisen taajuusmuuttajan tehon mitoitus ..................................154.1.3 Osatehoisen taajuusmuuttajan mitoitus DFIG-kytss.....................154.1.4 Taajuusmuuttajan liittyminen shkverkkoon muuntajan kautta ........17

4.2 Hajautetun tuotannon yksikt........................................................................184.2.1 Akkukytto .........................................................................................194.2.2 Aurinkokennokytt ...........................................................................204.2.3 Polttokennot.......................................................................................204.2.4 Mikroturbiinit, polttomoottorit, Stirling .................................................204.2.5 Pientuulivoimalat................................................................................21

4.3 Shkverkkovaatimukset ..............................................................................224.3.1 Yleist ................................................................................................224.3.2 Standardit ja muut vaatimukset..........................................................234.3.3 Liittyminen jakeluverkkoon.................................................................244.3.4 Siirtoverkon liittymissnnt...............................................................284.3.5 Tuotantoyksikiden shkn laatuvaatimukset....................................324.3.6 Shkn laatu verkkoon liitetyiss tuulivoimaloissa.............................32

4.4 Ympristvaatimukset...................................................................................354.5 Rajaukset ......................................................................................................38

5 Taajuusmuuttajan tekniset ominaisuudet .............................................................385.1 Taajuusmuuttajatyypit, toimintaperiaatteet ja rakenne ..................................38

5.1.1 Taajuusmuuttajatyypit ........................................................................385.1.2 Taajuusmuuttajan toimintaperiaate ....................................................405.1.3 Taajuusmuuttajien rakenne ja komponentit........................................49

5.2 St- ja ohjausmenetelmt .........................................................................555.2.1 Yleist st- ja ohjausmenetelmist.................................................55


4 (75)

5.2.2 Kaksoissytetty voimala (DFIG-kytt) ..............................................585.2.3 Tystehotaajuusmuuttajalla varustettu tuulivoimala...........................585.2.4 Hajautetun tuotannon yksikt.............................................................59

6 Taajuusmuuttajakyttjen normaalitilan toiminta ..................................................596.1 Taajuusmuuttajien kyttytyminen kytkenttilanteissa..................................596.2 Taajuusmuuttajien vaikutus verkkoon ...........................................................59

7 Taajuusmuuttajakyttjen hiritilan toiminta.......................................................607.1 Taajuusmuuttajakyttjen suojaus................................................................607.2 Kaksoissytetyn voimalan toiminta hiritilanteissa......................................617.3 Tystehotaajuusmuuttajalla varustetun voimalan toiminta hiritilanteissa ..627.4 Hirimittaukset ............................................................................................62

8 Simulointiedellytykset ...........................................................................................638.1 Simulointimallit ..............................................................................................638.2 Simulointitapauksia ja -ehdotuksia................................................................63

9 Jatkotutkimustarpeita............................................................................................64

10 Johtoptkset .....................................................................................................65

Liite 1 Taulukko merkittvimpien tuulivoimalavalmistajien voimaloista ja niidenominaisuuksista....................................................................................................66

Lhdeviitteet ..............................................................................................................70


5 (75)

Merkinnt, termit ja lyhenteet

4Q-taajuusmuuttaja 4 quadrant converter, nelikvadranttinen taajuusmuuttaja toimii jnnite-virtatason kaikissa neljss neljnneksess

ARU Active Rectifier Unit, tysin ohjattu tasasuuntausyksikk

CHP Combined Heat and Power, yhdistetty lmmn ja shkn tuotantoCrowbar DFIG-koneen taajuusmuuttajan suojaus, jolla roottoripiiri oikosuljetaan

CSC Current Source Converter, virtavlipiirillinen taajuusmuuttajaCuk-topologia tasasuuntaajamalli yksisuuntaiseen tehonsyttn (Slobodan uk)

DFIG Double/doubly fed induction generator, kaksoissytettyeptahtigeneraattori

DFOC Direct Field Orientated Control, suora vektoristdq-st dq-koordinaatistoon kiinnitetty st

DTC Direct Torque Control, suora momentinstEMC Electro Magnetic Compatibility, shkmagneettinen yhteensopivuus

EODV End of Discharge Voltage, tyhjentymisjnniteFOC Field Orientated Control, vektorist

FRT Fault Ride Through, verkkovian sieto, sama kuin LVRTGB Gearbox, vaihteisto

GTO Gate Turn Off thyristor, hilalta sammutettava tyristoriH-silta Topologia, jossa teho voi kulkea molempiin suuntiin

IFOC Indirect Field Orientated Control, epsuora vektoristIGBT Insulated Gate Bipolar Transistor, eristettyhilainen bipolaaritransistori

IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor, ABB:n keskijnnitesovelluksiinkehittm tehokytkin

INU Inverter unit, vaihtosuuntausyksikkISU Inverter Supply Unit, verkkopuolen suuntaaja

IR-kompensointi Staattoriresistanssin kompensointi pienill taajuuksillaLCI Load Commutated Inverter, kuormakommutoitu invertteri

LoM Loss of mains, saarekekytn estoLVRT Low Voltage Ride Through, alhaisten jnnitteiden sieto, sama kuin FRT

MOSFET Metal-oxide Semiconductor Field-effect Transistor, metallioksidikanava-transistori

MPP-sdin Maximum Power Point- sdin, maksimitehopistesdinMPPT Maximum Power Point Tracker, maksimitehopisteseurain

NPC Neutral Point Clamped, thtipistekiinnitetty


6 (75)

PCC Point of Common Coupling, shkverkon liityntpiste

PDS Power Drive Systems, nopeussdetyt kyttPJK pikajlleenkytkent

PLL Phase-Locked Loop, vaihelukittu silmukkaPMSG Permanent Magnet Synchronous Generator, kestomagneettitahti-

generaattoriPROFIBUS Process Field Bus, avoin kommunikointiprotokolla

PWHD Partial Weighted Harmonic Distortion, epharmonisten yliaaltojenpainotettu sr

PWM Pulse Width Modulation, pulssinleveysmodulaatioROCOF Rate of Change of Frequency, taajuuden muutosnopeuteen perustuva rele

SCR Silicon Controlled Rectifier, tyristoriSepic-topologia Single-Ended Primary Inductor Converter, hakkuritopologia joka voi

nostaa tai laskea jnnitettSpace Vector Theory Avaruusvektoriteoria

SPWM-modulaatio Sinusoidal Pulse Width Modulation, sinimuotoinen pulssinleveys-modulaatio

STATCOM Static Synchronous Compensator, staattinen kompensaattoriSuzlon-flexi-slip Suzlonin kyttm liukurengaskoneen jttmn stmenetelm

muuttuvan roottoriresistanssin avullaSVM Space Vector Modulation, avaruusvektorimodulointi

THD Total Harmonic Distortion, harmoninen kokonaissrUPS Uninterruptible Power Supply, keskeytymtn tehonsytt

VIENNA-topologia tasasuuntaajatopologia yksisuuntaiseen tehonsyttnVJV Voimalaitosten jrjestelmtekniset vaatimukset

VSC Voltage Source Converter, jnnitevlipiirillinen taajuusmuuttajaYSE yksinsytn esto


7 (75)

1 Johdanto

Tss hankkeessa selvitetn tuulivoimaloissa ja hajautetussa tuotannossa kytettyjtaajuusmuuttajia, joissa suuritehoisimmat tuotantoyksikt ulottuvat useisiinmegawatteihin. Ppainona projektissa ovat tuulivoimaloissa kytetyttaajuusmuuttajaratkaisut. Kaupallisissa tuulivoimakytiss taajuusmuuttajan tulo jalht ovat vaihtojnnitett ja niiden taajuudet voivat olla erilaiset ja ne voivatvaihdella eri tavoin. Taajuusmuuttajan kytt mahdollistaa esim. tuulivoimalangeneraattorin pyrimisen hyvll hytysuhteella vaihtelevalla kierrosnopeudella.

Perinteisin ratkaisu tuulivoimakytiss on liitt tavallinen hkkikmittyoikosulkukone suoraan shkverkkoon ilman taajuusmuuttajia. Uudempi ratkaisu onliitynt taajuusmuuttajan kautta, jolloin taajuusmuuttajaa voidaan kutsuatystehotaajuusmuuttajaksi. Toisessa taajuusmuuttajan kytttavassa eptahtikoneenroottorikmitys liitetn liukurenkaiden kautta taajuusmuuttajan vlityksell jakoneen staattoripiiri suoraan shkverkkoon. Tss kytss taajuusmuuttajan tehoon osa koko koneen tehosta. Konetta kutsutaan tllin kaksoissytetyksieptahtigeneraattoriksi (DFIG, Double/doubly Fed Induction Generator).

Tuulivoimalassa kytettv tahtigeneraattori tytyy liitt tystehotaajuusmuuttajankautta shkverkkoon. Tystehotaajuusmuuttajan ansiosta kytt voi toimia laajallapyrimisnopeusalueella. Tahtikoneen napapyrn eli roottorin magnetointi voidaantoteuttaa joko erillisell magnetointipiirill tai kestomagneeteilla. Erillinenmagnetointipiiri saa syttns esim. shkverkosta tai taajuusmuuttajanvlijnnitepiirist ja antaa tasavirtamagnetoinnin tahtikoneen napapyrn.

Generaattorin ominaisuudet ja liitynt shkverkkoon sanelevat taajuusmuuttajanmitoituksen. Tyss selvitetn mys taajuusmuuttajien erityispiirteettuulivoimalaympristss ja muun hajautetun tuotannon yhteydess.Taajuusmuuttajien teknisist ominaisuuksista kartoitetaan niiden periaatteellisetratkaisut kuten kytetyt topologiat, puolijohdekytkimet ja niiden muodostamatkytkennt, jnnite- ja virtarasitusten hallinta sek taajuusmuuttajien ohjaus- jasttavat.Kyttjt odottavat taajuusmuuttajilta varmaa ja luotettavaa toimintaa.Tavanomaisessa kytss taajuusmuuttajien on pystyttv selviytymn esim.tuulivoimalan kytkennist shkverkkoon ja siit irti aiheuttamatta haitallisiailmiit generaattorin tai verkon suuntaan. Tavanomaiseksi kytksi on tsskatsottava esim. shkverkon hitaat ja nopeat jnnitemuutokset, jnnitekuopat,keskeytykset ja mahdolliset taajuusheilahtelut mill tahansa generaattorinkuormituksella ja kierrosnopeudella. Tuulivoimalaympristst pyritn selvittmneri toimijaosapuolten (taajuusmuuttajan valmistaja, generaattorin valmistaja,tuotantolaitoksen ja shkverkon haltija) nkemyksi, joista monet palautuvatpoikkeustilanteiden tarkasteluun suojaus- ja hirivaatimuksineen.Jatkoa ajatellen esitetn sellaisia vaatimuksia ja tietotarpeita, joita taajuusmuuttajandynaamiset simulointimallit tarvitsevat. Simulointikohteina voivat olla tuulivoimalankytkent- ja verkon vikatilanteet.


8 (75)

2 Tavoite

Tss projektissa tarkastellaan tuulivoimaloita, joissa on kytetty taajuusmuuttajia.Polttokennot, aurinkoshkkennot ja akustot toimivat tasajnnitteell, jolloinverkkoonliitynt edellytt vaihtosuuntaajan kyttmist. Vaatimukset sekverkkoonliitynnn suojauksen ett shkn laadun kannalta ovat periaatteessa samattuulivoimaloissa ja muissa hajautetun tuotannon laitteissa. Toistaiseksi pienitehoistensuuntaajien tekniikka ja suojausten toteuttaminen poikkeavat suurista yksikist.Verkkoonliitynnn vaatimukset toteutetaan osittain ulkopuolisilla ja erillisillsuojausmenetelmill ja osittain taajuusmuuttajan sisnrakennetuilla suojauksilla jasdill.

Ensimmisess vaiheessa kertn olemassa oleva tietmys alueelta.Tutkimuskohteet selvitetn kirjallisuuden, laitespesifikaatioiden, haastattelujen jakytettviss olevan mittausaineiston pohjalta. Tavoitteena on saada selke ksitystaajuusmuuttajien ominaisuuksista koko alueelle pientuotannosta suuriinvoimaloihin. Tavallisimpia kytkent- ja vikatilanteita varten pyritn luomaansimulointiedellytykset jatkoprojektia ajatellen.

3 Katsaus maailmalla kytettyyn tuulivoimalateknologiaan

3.1 Yleist

Tuulivoimaloita rakennettiin vuonna 2007 noin 19 GW yksikkmrn ollessa yli12 000 kpl. Vuonna 2008 rakennettu kapasiteetti nousi jo noin 27 GW:iin.Rakennettavien tuulivoimaloiden kokoluokka on kasvanut vuosien saatossamuutamista sadoista kilowateista tmn hetken megawattiluokkaan (1 3 MW).Kiinan ja Intian vasta hernnyt tuulivoimarakentaminen vet paljon alle 1 MWvoimaloita, mik pit tmn kokoluokan vanhempia suurimpienkinvoimalavalmistajien malleja edelleen markkinoilla [1], [2].Suurimpina tuulivoimalavalmistajina on viimevuosina vakiinnuttanut asemansamuutama suuri toimija Vestas, GE, Gamesa, Enercon, Suzlon ja Siemens joidenyhteinen markkinaosuus on noin 75 % vuosittain rakennettavastatuulivoimakapasiteetista [1]. Tll hetkell 16 suurimman voimalavalmistajanmarkkinoilla olevista voimaloista valtaosa sislt taajuusmuuttajia, eli onkaksoissytetty voimala (DFIG) tai tystehotaajuusmuuttajan kautta verkkoonkytketty voimala. Taajuusmuuttajattomia voimalamalleja lytyy vain muutamia.Kokonaan taajuusmuuttajattomia voimaloita ovat useimmiten valmistajienpienemmt voimalat (yleens alle 1 MW), mutta esim. Suzlonin voimaloissa eikytet lainkaan taajuusmuuttajia, vaan Suzlonin suurempitehoisten voimaloidenmuuttuvanopeuksisuuden mahdollistaa Suzlon-flexi-slip st, misseptahtikoneen jttm ja siten pyrimisnopeutta sdetn muuttuvanroottoriresistanssin avulla puolijohdekomponenteilla.

Taajuusmuuttajia ei useinkaan tarkastella erillisen komponenttiryhmnksiteltess tuulivoimalan komponenttien toimitusketjua (supply chain). Erillisiksikomponenteiksi listataan esim. lavat, vaihteisto, voimalan stjrjestelm,generaattori, laakerointi ja torni. Tystehotaajuusmuuttajia kyttvien voimaloidenvalmistajien kyttmt taajuusmuuttajatoimittajat eivt siis selvi voimaloidenkomponenttitoimittajia ksittelevist raporteista, esim. [1], [3] vaikka niss lhteiss


9 (75)

taajuusmuuttaja kyll listattiinkin erilliseksi pkomponentiksi. Kaksoissytetyissvoimaloissa taajuusmuuttaja kuitenkin on integroitu generaattoriin.Tuulivoimasektorilla suuria taajuusmuuttajakomponenttien toimittajia ovat mm.ABB, Ingeteam (osuus 13,9 %) ja Siemens. Suomessa pienempi taajuusmuuttajientoimittajia ovat the Switch ja Vacon. Semikron toimittaa pasiassapuolijohdekomponentteja. Converteam toimittaa mm. Siemensille tuulivoimaloidentaajuusmuuttajia, se sai 1000 kpl rajan 2500 MW kapasiteetilla rikki vuoden 2007lopulla [4], [5].Tuulivoimaloissa kytettviss taajuusmuuttajissa kytetn tll hetkell lhesyksinomaan IGBT-komponenttitekniikkaa (Insulated Gate Bipolar Transistor).Toinen kytetty tekniikka on IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) mm.ABB:ll. Stmenetelmn monissa taajuusmuuttajissa on pulssinleveysmodulaatioPWM (Pulse Width Modulation) ja ABB:lla sen patentoima suoravntmomenttist DTC (Direct Torque Control) [6]. Markkinajohtajienvoimaloiden tiedoista on koottu trkeimmt ominaisuudet liitteeseen 1.

Tystehotaajuusmuuttajan kautta sytetyn tuulivoimalan ja kaksoissytetyn voimalantaajuusmuuttajien kokoero on aika suuri. Nyrkkisntn on, ett kaksoissytetyissvoimaloissa taajuusmuuttaja on mitoitettu noin 1/3-osa teholle koko voimalantehosta. Tm on ollut merkittv asia mm. voimaloiden kustannuksissa, muttaviimevuosina taajuusmuuttajien hinnat ovat laskeneet, joten 33 % ja 100 %kapasiteettisten taajuusmuuttajien hintaero on menettnyt merkitystn valittaessavoimalatekniikkaa. Voimalaratkaisusta riippuen taajuusmuuttajan osuus kokovoimalan komponenttikustannuksista on luokkaa 2 5 % [7].

3.2 Tuulivoimalaratkaisuja

Perinteisesti teollisuussovelluksissa, ptien mys tuulivoimaloihin, on ajateltu ettpienien tehojen siirto on kustannustehokkainta pienjnnitteell, kun taas suuriensiirrettvien tehojen tapauksessa on kustannustehokkainta kytt keskijnnitetasoja.Raja pienien ja suurien tehojen vlill on 1,5 2,5 MW vliss [8].

Tuulivoimasovelluksissa useimmiten kytetn pienjnnitteit, ja 690 V on hyvinyleisesti kytetty jnnitetaso voimaloissa. Mys taajuusmuuttajat toimivat tlljnnitetasolla. Osassa voimaloita jnnitteen nosto tapahtuu tornin alapss olevassamuuntajassa, kun taas toisissa taajuusmuuttaja sek muuntaja on sijoitettu ylskonehuoneeseen (esim. Vestaksen suurimmat voimalat). Ainakin osassa Enerconinvoimaloista teho siirretn tornista alas tasashkn tasasuuntaajan sijaitessakonehuoneessa ja vaihtosuuntaajan tornin alapss. Tehon siirto pienjnnitteellaiheuttaa jnnitteen alenemaa ja hviit [9]. Hviiden vuoksi tuulivoimaloissajnnite kannattaa nostaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa sijoittamalla muuntajajo ylhlle konehuoneeseen sen sijaan, ett teho siirrettisi tornin pituinen matka,jopa reilu 100 metri, kaapeleilla alas tornin juurelle sijoitettuun muuntajaan [8].Pasiassa tm toteutuukin suurimpien voimalavalmistajien voimaloissa, ks. liite 1.Esim. Vestaksen sek Gamesan yli 2 MW voimaloissa (molemmat kaksoissytettyj)muuntaja on sijoitettu konehuoneeseen tornin ylphn ja pienemmiss voimaloissamuuntaja yleens sijaitsee tornin alapss.


10 (75)

3.2.1 Kaksoissytetty tuulivoimala (DFIG)

Kaksoissytetyll generaattorilla varustettu tuulivoimala on muuttuvanopeuksinen,eli generaattorin ja siten voimalan turbiinin on mahdollista toimia erilaisillapyrimisnopeuksilla. Generaattorikomponenttina DFIG-konseptissa on kmittyeptahtikone eli liukurengaskone, jonka roottoripiiri on kytketty taajuusmuuttajankautta verkkoon staattoripiirin ollessa suoraan verkkoon kytketty, ks. kuva 1. Konetoimii itse asiassa tahtigeneraattorin tavoin [10], eik induktiokoneen tavoin, vaikkageneraattorikomponenttina kytetnkin induktiokonetta (= eptahti-, asynkroni- elioikosulkukone).

Osa generaattorin tuottamasta tehosta kulkee verkkoon taajuusmuuttajan kautta, osastaattoripiirin kautta. Taajuusmuuttajan kautta kulkevan tehon suuruus ja suuntariippuvat koneen jttmst. Riippuen voimalan toimintapisteest teho voi kulkeajoko verkkoon tai generaattoriin pin, eli generaattori voi toimia ali- taiylisynkroninopeudella. Taajuusmuuttajan kautta kulkeva teho on maksimissaan noin1/3-osa voimalan nimellistehosta.

Kuva 1. Periaatekuva kaksoissytetyll eptahtikoneella (DFIG-kytt) varustetustatuulivoimalasta.

Muuttuvanopeuksiset tuulivoimalat (sek osa- ett tystehotaajuusmuuttajan kauttaverkkoon kytketyt) toimivat pyrimisnopeussdll (tuulennopeuden kasvaessapyrimisnopeus ja teho kasvavat) alle nimellistehon toimintapisteiss. Nimellisentehon antavan tuulennopeuden saavutettuaan ja tt suuremmilla tuulennopeuksillapyrimisnopeus ja voimalan teho pidetn nimellisen suuruisena tuuliturbiininlapakulmasdll.

Kaksoissytetyiss voimaloissa on aina vaihteisto. Voimalan pyrimisnopeudensanelee turbiinin lapojen krkinopeus, jolle on olemassa maksimi. Suurissavoimaloissa, joissa lavat ovat pidempi, turbiinien pyrimisnopeus on siten pienempikuin pienemmiss lyhyempilapaisissa voimaloissa. Generaattorin staattorin taajuuson verkon noin 50 Hz. Generaattorin roottorin pyrimisnopeus, kun otetaanhuomioon koneen napaparien lukumr ja vaihteiston vlityssuhde sek turbiininkierrosnopeus, liikkuu jttmn sallimalla alueella noin 30 %.

3.2.2 Tystehotaajuusmuuttajalla varustettu tuulivoimala

Tystehotaajuusmuuttajalla varustetussa tuulivoimalassa generaattori on useimmitentahtikone, mutta jotkut valmistajat kyttvt eptahtikonetta (esim. Siemens).Taajuusmuuttajan erottaessa generaattorin (staattorin) kokonaan verkon taajuudesta

~

GB

st


11 (75)

on generaattorin roottorin pyrimisnopeus riippumaton verkon taajuudesta.Generaattori sytt verkkoa koneen staattorin ja siten taajuusmuuttajan kautta, jamahdollinen generaattorin magnetointi otetaan taajuusmuuttajan kautta, tai omansuuntaajansa kautta joko verkosta tai taajuusmuuttajasta (esim. tasajnnitepiirist).Tystehotaajuusmuuttajalla varustetuissa voimaloissa useat valmistajat kyttvtkestomagnetoitua tahtikonetta. Kuvassa 2 on esimerkki tystehotaajuusmuuttajankytst, generaattori voi olla tyypiltn kestomagneettitahtigeneraattori,erillismagnetoitu tahtigeneraattori tai eptahtikone.

Kuva 2. Periaatekuva tystehotaajuusmuuttajalla varustetusta tuulivoimalasta.

Staattoripuolen taajuus ei ole verkon taajuuteen kytkksiss, ja suurennapaparimrn tahtikoneilla varustetuissa voimaloissa generaattorin roottorinpyrimisnopeus saadaan niin pieneksi, ett voimalassa ei tarvita vaihteistoa. Suurinapapariluku kuitenkin kasvattaa generaattorin roottorin, ja siten koko generaattorinhalkaisijaa. Eptahtikonetta ei ole mahdollista rakentaa niin moninapaiseksi, ettvaihteiston voisi jtt pois, koska pieni napajako yhdess suuren ilmavlin kanssajohtaa suureen loistehon tarpeeseen [11].

3.3 Tuulivoimaloiden ja -puistojen shknsiirto

Yksittiset pienet tuulivoimalat kotitalouskyttn ovat kooltaan muutamastakilowatista noin 20 kW:iin. Tllaiset tehot siirtyvt helposti 400/230 Vpienjnniteverkossa.Tll hetkell suurin yksittinen tuulivoimala on noin 5 MW. Tmnsuuruisen tehonsiirto keskijnnitteell esim. 20 kV:n kolmivaiheverkossa tehokertoimella yksi vastaanoin 145 A vaihevirtaa. Kyseinen vaihevirta on helposti toteutettavissa 20 kV:nverkossa, mutta tyypillisell generaattorin pienjnnitetasolla (690 V) vaihevirta olisinoin 4180 A, mik edellyttisi erittin suuripoikkipinta-alaisten johtimien kytt.

Tuulivoimapuistot, joihin on koottu useita tuulivoimaloita, ovat kokonaisteholtaankymmeni jopa satoja megawatteja. Esimerkiksi Kaliforniassa sijaitsevan tuulipuistoTehachapin tehoksi on ilmoitettu 623,9 MW. Jos 600 MW:n teho on siirrettvesimerkiksi 110 kV:n kolmivaiheverkossa, on vaihevirta tehokertoimella yksi noin3150 A. 400 kV:n verkossa vastaava virta olisi noin 870 A. Tasajnnitesiirrossa500 kV:n jnnitteell tasavirta olisi noin 1200 A. Tehon siirto mainitun kokoisistatuulivoimapuistoista toteutuisi yksinkertaisimmin kahdella viimeksi mainitullatavalla. Suurten tehojen siirrossa joudutaan tarkastelemaan siis tekniikanmahdollistamien johtojen luonnollisia tehoja. Suurten tuulivoimapuistojen ksittelyohitetaan tss selvityksess vhin maininnoin.

~~st


12 (75)

4 Taajuusmuuttajan mitoitus voimaloissa/tuotantoyksikiss

4.1 Generaattorin asettamat vaatimukset taajuusmuuttajille

Generaattoreiden tehtvn on muuntaa sen akseliin tuotu mekaaninen energiashkenergiaksi, joten on tunnettava, miten akselin vntmomentti vaihteleekaikissa esiintyviss tilanteissa. Momentin vaihteluun tuulivoimaloissa vaikuttavatmm. tuulenpuuskat ja turbulenssit sek tornin varjo.Ennen generaattorin akselia turbiinista tuleva vntmomentti voi olla muokkautunutviel erilaisia hitausmassoja yhdistvist joustavista akseleista mukaan luettunavaihdelaatikko. Generaattorin akselin vntmomentti ei siis ole tasaista vnt.Vntmomentin vaihtelua tapahtuu kaikilla generaattorin akselinpyrimisnopeuksilla. Tuulivoimalan kytkenttilanteissa generaattoriakselinvntmomentissa voi tapahtua killisi muutoksia. Nm muutokset tulee tunteatarkasti, ja muutossuureet voivat olla ilmoitettuna esim. pttehona kierrosnopeuteensidottuna tai ne voidaan ilmoittaa muina taajuusmuuttajan tulosuureina.Generaattorin shkiset lhtsuureet ovat taajuusmuuttajan tulosuureita silloin, kuntystehotaajuusmuuttaja on generaattorin ja shkverkon vliss.Generaattorin shkisi liityntsuureita ovat esim. nimellisteho, -jnnite, -virta, -taajuus, tehokerroin (cos), suurin kynnistysvirta sek em. suureiden vaihtelualueet.Erityisesti generaattorin satunnaiset esim. vioista johtuvat ylikuormitustilanteetvaikuttavat suoraan taajuusmuuttajan tulosuureisiin. Mys koneidenmagnetointitiedot tarvitaan.Tuulivoimakytiss taajuusmuuttaja muodostuu kahdesta muuttajasta elisuuntaajasta ja niiden vlisest tasajnnitepiirist. Lisksi taajuusmuuttajaan voikuulua pkomponentteina suojalaitteita ja suodattimia ja tasajnnitepiirin katkoja.Taajuusmuuttajan kahdella osamuuttajalla voi olla niiden toimintaa kuvaavat nimetkuten tasasuuntaaja generaattoripuolella ja vaihtosuuntaaja shkverkkopuolella.Edelleen nit osamuuttajia kutsutaan usein yleisnimell silta niidenpuolijohdekytkinten siltaa muistuttavan kytkennn takia.Taajuusmuuttajan trkein mitoituskriteeri on sen lpi kulkeva teho. Teho muodostuujnnitteen ja virran tulosta. Niinp taajuusmuuttajan (komponenttien) jnnite- javirtakestoisuudet tulevat vastaan komponentteja valittaessa ja niiden suojaustatoteutettaessa.

4.1.1 Generaattorivaihtoehdot tuulivoimaloissa

Suurissa tuulivoimalakytiss eniten kytetyt generaattorit ovat eptahtikoneistaliukurengaskone DFIG-kyttn ja tahtikoneista sek erillismagnetoitu ettkestomagnetoitu tahtikone. Generaattoreista ilmoitetaan mm. seuraavianimellistietoja. Esimerkkin on keskijnnitteinen kestomagnetoitu generaattori [12]:

Shkiset nimellisarvot 1562 kW, 3000 V, 327A, 39,25 Hz, cos 0,92Nimellinen akseliteho 1670 kWNimellisvntmomentti 862 kNmNimelliskierrosnopeus 918,5 1/minRoottorin hitausmomentti 35000 kgm2Staattorin massa 25000 kg


13 (75)

Roottorin massa 12500 kgNapaparien lukumr 30 kplOikosulkuvirta 569 A (jatkuva)

Generaattori-taajuusmuuttajan kokonaistoimituksessa voi generaattorin lhdnperiaatteessa tilata esimerkiksi 6-vaiheiseksi, jolloin taajuusmuuttajan vlijnnitesaadaan tasaisemmaksi kuin 3-vaiheisessa generaattorilhdss.Voimalan kokonaistoimittaja voi jrjest generaattorin jarruttamisen syttmlljarrutusenergian shkverkkoon tai erillisiin vastuksiin, jotka sijaitsevattaajuusmuuttajan jnnitevlipiiriss olevan katkojan perss [13]. Jarrukatkoja onelektroninen kytkin, joka liitt vlipiirin tasajnnitteen vastukseen, jossajarrutusenergia muunnetaan lmmksi. Jarrukatkoja toimii, vaikka vaihtovirransytt olisi poikki. Jarrutusta tarvitaan esimerkiksi shkkatkoksen aikana tai verkonlyhytaikaisissa vikatilanteissa. Koska taajuusmuuttajan puolijohteet eivt kest kovinsuurta ylikuormitusta (ja sitkin vain lyhytaikaisesti), on generaattorinylikuormitustilanteet tunnettava tarkoin. Taajuusmuuttajan ylikuormitus on pient,luokkaa 10 % nimellisvirroista esim. yhden minuutin ajan ylikuormaa 10 minuutinvlein. ABB:n ksikirjan [14] luvussa 16 todetaan:

"Ylikuormitustilanteissa sen paremmin kuin jatkuvuustilassakaan puolijohteenliitoslmptila ei saa nousta suurinta sallittua lmptilaa, esim. +125C,suuremmaksi. Ylikuormitettavuus-ominaisuudet ovat voimassa vain mritellyissolosuhteissa, joihin vaikuttavat mm.

suuntaajatyyppi (jhdytyselementti) jhdytystapa (ilmamr) jhdytysaineen lmptila virran kyrmuoto puolijohdetyyppi syttjnnitteen taajuus esikuormituskerroin, eli suuntaajan lhtvirran (ennen ylikuormitusta) suhde

nimellisvirtaan."Suoraan verkkoon kytketyn eptahtikoneen vntmomenttikyr kierrosnopeudenfunktiona on kuvan 3 kaltainen [15]. Kuvassa vntmomentti ja kierrosnopeus onesitetty suhteellisarvoina: vntmomentti on jaettu koneennimellisvntmomentilla ja kierrosnopeus on jaettu koneen synkronisellapyrimisnopeudella. Vaaka-akselin ylpuolinen osa kuvaa moottorikytt (M) jaalapuolinen osa generaattorikytt (G). Kuvaan on merkitty koneen

(a) lukittu roottorimomentti eli kynnistysmomentti(b) minimimomentti(c) moottorin kippimomentti l. maksimimomentti Tmax(d) moottorin nimellispiste nimellismomentti nimellisjttmll.

Eptahtikoneen generaattorikytss normaalitoiminta-alue on kuvassa 3 vaaka-akselin alapuolella hieman vaaka-akselin arvoa 1,0 suuremmilla arvoillamomenttikyrn jyrksti laskevalla osalla.


14 (75)

Kuva 3. Oikosulkumoottorin tyypillinen momentti/kierroslukukyr, kun moottori on kytkettysyttverkkoon. Kuvassa kirjain a) tarkoittaa moottorin lukittua roottorimomenttia,b) minimimomenttia, c) moottorin maksimimomenttia Tmax ja d) moottorinnimellispistett [15].

Eptahtikoneiden jttm on luokkaa 1 4 % ja se riippuu koneen koosta. Suurillakoneilla nimellisjttm on tyypillisesti < 1 % koneen tahtinopeudesta ja vastaavastipienill koneilla jttm voi olla luokkaa 5 %. Huippuvntmomentti saavutetaanisoilla koneilla pienemmill jttmn arvoilla kuin pienill koneilla. Tm johtuukoneiden XR -suhteesta. Pienill koneilla suhde on suuri, jolloin jttmn kasvustaaiheutuva roottorivirran kasvu kasvattaa mys vntmomenttia, koska roottorivirtaja kmivuon vaihe-ero on pieni. Suurilla koneilla jttmn kasvaessa kasvaa mysroottorivirta, mutta suhteellisen suuresta reaktiivisesta komponentista johtuenroottorivirta j yh enemmn jlkeen sit indusoivasta kmivuosta. Tmroottorivirran ja kmivuon vlinen vaihe-ero pienent vntmomenttia niinpaljon, ett kuvassa 3 pisteen c) jlkeen vntmomentti alkaa pienenty vaikkaroottorivirta kasvaakin.

Kuvassa 4 on eri taajuuksilla esitetty koko taajuusmomentti-kierroslukualue eli neljkvadranttia kierrosluku-momenttitasossa. Kuvan 4 yksi kyr vastaa yht taajuutta,vrt. kuva 3, jossa vaikuttaa vain shkverkon taajuus.

Kuva 4. Taajuusmuuttajan syttmt oikosulkumoottorin momenttikyrt, T= f(n), [15].


15 (75)

4.1.2 Tystehoisen taajuusmuuttajan tehon mitoitus

Tystehoisen taajuusmuuttajan generaattorin puoleisen suuntaajan on kyettvottamaan generaattorin antama suurin teho niin kauan kuin generaattori sit sytt.

Generaattorin akselitehon Pgen kytt taajuusmuuttajan mitoituksen yhten perustanaon oikeutettu silloin, kun generaattorin tehokerroin on yksi. Jos generaattori kuluttaatai tuottaa loistehoa on Pgen korvattava generaattorin nennisteholla Sgen. Jostaajuusmuuttaja muodostuu useista suuntaajasilloista, on laskettu teho ositettavakytss oleville silloille.Taajuusmuuttajan tasajnniteteho on sama kuin generaattoriteho, kun yksigeneraattori sytt taajuusmuuttajaa ja hviit ei ole otettu huomioon.Tasajnnitevlipiiriss oleva suuri kondensaattori tasoittaa eli suodattaa vlipiirinjnnitteen vaihtelua.Shkverkkoon sytetn taajuusmuuttajasta sama teho, mik on tasajnnitteisessvlipiiriss vhennettyn mahdollisella katkojan kautta ohitukseen viedyll teholla,kun hvit on jtetty huomioon ottamatta.

4.1.3 Osatehoisen taajuusmuuttajan mitoitus DFIG-kytss

Jatkuvassa tilanteessa roottoripiiriss oleva taajuusmuuttaja saa eptahtigeneraattorinstaattorin tehosta Pstator seuraavan teho-osan:

statorttajataajuusmuu sPP = (1)

miss Ptaajuusmuttaja = generaattorista taajuusmuuttajalle sytetty pttehos = eptahtigeneraattorin jttmPstator = eptahtigeneraattorin staattorin tehosPstator = jttmteho

Tss on roottorin ja staattorin hvit jtetty huomioon ottamatta.

Kuvassa 5 on esitetty eptahtikoneen periaatteellinen kaaviokuva, josta nkyvttehon virtaus ja eri hvit moottorikytss. Staattorin hvit koostuvat virtalmp-ja rautahviist. Roottoripiiriss tehohviit aiheuttavat virtalmp-, tuuletus- jakitkahvit.

Kuva 5. Eptahtikoneen periaatteellinen kaaviokuva tehon jakautumisesta hviihin jakuormitukseen menevn tehoon [16].

Jttm s on kaavan (2) mukaan tahtikierrosnopeuden ntahti ja todellisenkierrosnopeuden ntodellinen erotus jaettuna tahtikierrosnopeudella


16 (75)

( ) tahtitodellinentahti nnns /= (2)

Tahtikierrosnopeus on laskettavissa staattorin vaihtojnnitteen taajuudesta fjakamalla se koneen napapariluvulla p:

pfntahti /= (3)

miss s = jttmntahti = tahtikierrosnopeusntodellinen = todellinen kierrosnopeusf = staattorin vaihtojnnitteen taajuusp = koneen napapariluku.

Edellisen mukaan esim. nopeuden poiketessa +30 % tahtikierrosnopeudesta onroottoripiirin taajuusmuuttajan teho noin +30 % arvosta Pstator.Liukurengasgeneraattorin magnetointi voi tapahtua joko shkverkkoon kytketynstaattorikmityksen kautta, roottoripiirin taajuusmuuttajan kautta tai molempien.Normaalissa tilassa haluttu tilanne on, ett koko voimala tuottaisi shkverkkoonvain pttehoa loistehon ollessa nolla. Tm tarkoittaa, ett staattoripiirill konetta eimagnetoitaisi lainkaan ja roottoripiiri huolehtisi magnetoinnista. Tyypillisestitaajuusmuuttajan verkonpuolinen silta huolehtisi siit, ett vlipiirin tasajnnitepysyy vakiona ja jttmteho liikkuisi vapaasti. Koska taajuusmuuttajanroottorinpuolinen silta osallistuu liukurengaskoneen magnetointiin, onroottorivirrassa ptvirran lisksi magnetoivaa loisvirtaa. Nin ollenroottorinpuolisen sillan nennisteho on edell mainittua jttmtehoa suurempi.Tmn sillan nennisteho on jttmtehon Ptaajuusmuuttaja ja roottoripiirinmagnetointitehon vektorisumma.Pttehon suunta on roottorista taajuusmuuttajan kautta shkverkkoon silloin, kuneptahtikone pyrii tahtikierrosnopeutta suuremmalla nopeudella. Tllin jttm son negatiivinen. Eptahtikoneen nopeuden ollessa tahtikierrosnopeutta pienempisiirtyy taajuusmuuttajan kautta pttehoa verkosta roottoripiiriin. Jttm on tllinpositiivinen. Molemmissa tapauksissa generaattorin staattoriosa sytt tehoashkverkkoon [17].Kuvassa 6 on esitetty, miten eptahtikoneen roottoripiirin resistanssin muutosvaikuttaa koneen kierrosnopeus-vntmomenttikyrn. Roottoripiirinresistansseissa kuluva teho on jttmtehoa, joka muuttuu lmmksi. Kuvassa 6tarkastellaan moottorikytt.Edell raportin kohdassa 3.1 mainittu tuulivoimalan muuttuvanopeuksinen Suzlon-flexi-slip-st noudattaa kuvan 6 periaatetta, joskin generaattorikyttn.


17 (75)

Kuva 6. Eptahtikoneen kierrosnopeus-vntmomenttikyri erisuuruisilla roottoripiirinresistanssiarvoilla ( R < 6R < 1R ) [18].

4.1.4 Taajuusmuuttajan liittyminen shkverkkoon muuntajan kautta

Muuntajan tehon Smuuntaja mritys voidaan tehd generaattoritehon,ylikuormitettavuuden ja verkon yliaaltopitoisuuksien perusteella. Yliaaltojenvaikutuksia muuntajan kuormitettavuuteen on esitetty lhteess [19]. Kunhytysuhteet otetaan tehon kulkureitilt huomioon ja ylikuormitettavuutta jayliaaltoja ei oteta huomioon, saadaan

genmuuntaja PS (4)

miss Smuuntaja = muuntajan tehoPgen = generaattoriteho

= taajuusmuuttajan molempien suuntaajaosien ja verkkosuodattimenhytysuhteiden tulo.

Taajuusmuuttajan molempien suuntaajaosien ja verkkosuodattimen hytysuhteidentuloa on merkitty tunnuksella . Tehokertoimen on oletettu olevan 1,0. Josmuuntajan lpi kulkee pttehon lisksi loistehoa, on se listtv vektorisummanaedell laskettuun tehoon Smuuntaja. Muuntaja valitaan lopulta standardikokoisenavhintn lasketun nennistehon suuruiseksi.

Kaksoissytetyn liukurengaskoneen tapauksessa kaavalla (1) laskettu tehoPtaajuusmuuttaja yhdess oikosulkukoneen staattoripiirin tehon kanssa muodostavat kokomuuntajan tehon. Mahdollisessa kolmikmitysmuuntajassa (staattoripiiri,roottoripiiri ja shkverkko) osakmien tehot on tarkistettava erikseen.

Taajuusmuuttajan ja muuntajan vliin mahdollisesti tarvittavien suodattimienmitoitukseen ei tss puututa. Suodattimet sisllytetn taajuusmuuttajapakettiin,mutta ne mitoitetaan tapauskohtaisesti. Suodattimien tulisi muodostaashkverkkoon sytettvist jnnitteist ja virroista mahdollisimman sinimuotoisia jaest shkverkosta pin tulevien ylijnnitteiden haittavaikutuksettaajuusmuuttajissa.


18 (75)

4.2 Hajautetun tuotannon yksikt

Hajautetulla tuotannolla tarkoitetaan tss yhteydess pien- tai keskijnniteverkkoonliitettyj tuotantolaitoksia, jotka on kytketty rinnan muun shkjrjestelmn kanssa.Tehorajana pidetn yleens 10 MW. Tuulivoimaloiden osalta tss pidetnkuitenkin pientuotantolaitoksen rajana 100 kVA, mik vastaa pienen tuulivoimalanrakennestandardissa IEC 64100-2 mainittuja voimaloita, joiden pyyhkisypinta-alaon alle 200 m2 ja jnnitetaso alle 1000 V tai tehona noin 100 kVA [20], [21].Hajautetut tuotantolaitokset perustuvat uusiutuviin energialhteisiin taipienimuotoiseen CHP-tuotantoon, kuten tuulivoima, pien- ja minivesivoima,aurinkoshk ja -lmp, lmppumput, biomassakattilat, kaasu- ja dieselmoottorit,mikroturbiinit, Stirling-moottorit, polttokennot, hyryturbiinit ja -koneet. Osavoimaloista tuottaa pelkstn shk tai lmp, toiset sek shk ett lmp.

Kuvassa 7 on esitetty uusiutuvien energialhteiden ja pienimuotoisten CHP-teknologioiden shkntuotannon kumulatiivinen markkinapotentiaali Suomessavuodesta 2002 vuoteen 2020. Shkenergian tuotantolaitteistoiksi katsotaanpyrivien generaattoreiden lisksi mys erilaiset staattiset shknjakeluverkkoonshk syttvt laitteistot, kuten suuntaajalaittein shkverkkoon liitetyt akustot,valoshkiset kennot, polttokennolaitokset jne. Liittymisehdot yleiseenshknjakeluverkkoon on kuvattu kohdassa 4.3. Tss raportissa keskitytn niihinlaitoksiin, joissa liityntn kytetn taajuusmuuttajaa tai vaihtosuuntaajaa [22], [23].

Shk tuotetaan joko suoraan tai taajuusmuuttajan kautta shkverkkoon taikulutuslaitteistoon kytkettvill generaattoreilla. Generaattori- jamuuttajavaihtoehdot riippuvat paljolti tuotantolaitteiston koosta. Vaihtosuuntaajattulevat kyseeseen tasashk tuottavien tai varastoivien yksikidenverkkoonliitynnss kuten aurinkoshkkennot, polttokennot ja akustot.Esimerkiksi kiinten asennuksen polttokennojen turvallisuusasioille on standardi[24], ja suorituskyvyn testaukselle on oma standardi [25]. Mahdollinen verkkoonliittyminen noudattaa kuitenkin samoja sntj kuin muukin hajautettu tuotanto jariippuu sek tuotantolaitteen tehosta ett liitynnn jnnitetasosta. Eri maidenvaatimukset poikkeavat nidenkin osalta jossain mrin toisistaan.

Silloin, kun (hajautetussa tuotannossa) shkenergiaa tuotetaan tasajnnitteell,riittisi periaatteessa tasajnnitelhteen ja shkverkon vliin sijoitettavavaihtosuuntaaja energian muuttamiseksi shkverkkokelpoiseksi. Tllin onedellytettv, ett tasajnnite ei vaihtele kovin paljoa.


19 (75)

Kuva 7. Hajautetun shkntuotannon kumulatiivinen markkinapotentiaali Suomessa [23],skenaariot 13:

Skenaario 1 nykyinen kehitysSkenaario 2 uusiutuvien energialhteiden edistmisohjelman jaSkenaario 3 taloudellisen potentiaalin mukainen kasvu.

4.2.1 Akkukytto

Shkverkossa akkuenergiavarastoja kytetn parantamaan shkn laatua;ehkisemn jnnitekuoppia, vlkynt, ylijnnitteit tai taajuusvaihteluja. Akkujakytetn mys katkeamattoman shkn jrjestelmiss (UPS-laitteissa,Uninterruptible Power Supply). Koska akustot usein sijaitsevat hyv shkn laatuatarvitsevien paikkojen lhell, ne luetaan hajautettuihin energialhteisiin.

Akkujnnitteen vaihtelualue voi olla esimerkiksi tavallisille lyijyakuille alueella(0,51,25) kertaa akun nimellisjnnite. Akkujnnitteen alaraja tulee vastaan, kunakkuja puretaan niiden tyhjentymisjnnitteeseen (EODV, End of Discharge Voltage)asti ja ylraja tysien akkujen lataustilanteessa. Edell kuvatuissa akkujenkytttavoissa (UPS) akkujen lataus-purkauskertojen lukumr j pieneksi jalukumr pyritn pitmn pienen; tll varmistetaan akkujen pitk kyttik.

Lyijyakkujen ohella kytss on nikkeli-kadmium-, natrium-rikki-, sinkki-bromi- jalitium-ilma-akkuja sek ns. virtausakkuja. Virtausakuissa energia ja teho ovaterillisesti mrttviss. Teho mrytyy kennojen lukumrn ja elektrodien koonmukaisesti ja energia elektrolyytin konsentraatiosta ja tilavuudesta. Virtausakku siisvarastoi ja vapauttaa energiaa palautuvalla shkkemiallisella reaktiolla, jokatapahtuu esim. kahden pumppukiertoisen virtaavan elektrolyyttiliuoksen vlill [26].Superkondensaattorit (ultrakondensaattorit) saattavat tulevaisuudessa ollamerkittvikin energiavarastoja esim. UPS-laitteissa. Etuna superkondensaattoreillaon varaus-purkauskertojen suuri mr (kymmeni tuhansia) ja nopeat varaus- japurkauskyvyt verrattuna lyijyakkuihin.Akkukytiss vaihtosuuntaajan tulopuolen tasajnnitteen vaihtelualue on siis varsinlaaja ja tm on otettava huomioon vaihtosuuntaajan toteutuksessa, jotta


20 (75)

shkverkkoon sytettvn vaihtojnnitteen suuruus pysyy halutuissa rajoissa.Akkujen tasajnnitteen on oltava tarpeeksi suuri, jotta akuista saadaan siirretyksiilman erityistoimenpiteit (esim. jnnitteen vakauttamista) tehoa shkverkkoonvaihtosuuntaajan kautta.

4.2.2 Aurinkokennokytt

Aurinkokennokytss lispiirteen on aurinkokennon parhaan muunnospisteenvalosta shkenergiaksi haku ja sen yllpito (MPP, Maximum Power Point). Tsstoimintapisteess kennon jnnitteen ja virran tulo on suurimmillaan.Aurinkokennon antama shkvirta riippuu valointensiteetin synnyttmst virrasta(joka on likimain sama kuin kennon oikosulkuvirta), kennon tyhjkyntijnnitteestja lmptilasta. Kennon antama shkenergia on knten verrannollinen kennonlmptilaan. Kennon jhdytys siis parantaa saatavan energian hytysuhdetta.Aurinkokennojen tehovaihtelut ovat sen verran nopeita ja suuria, ett tavanomainenakku kokee lyhyess ajassa niin monta lataus-purkausjaksoa, ett sellaisen akunelinik j lyhyeksi. Elinin so. lataus-purkausjaksojen lukumrn pienentmiseksikennojen lhtjnnitett olisi nyt sdettv eli vakioitava erillisell tehoasteella.Jos aurinkokennoilla ladataan akkuja, MPP-stimen ja sen ohjaaman tehoasteentarkoitus on pit sellainen jnnite, jolla akkuihin saadaan suurin mahdollinen virta.Tllin mm. akkujen lataustilanteella (vastajnnitteell) on vaikutusta akkujenlatausvirtaan. Tehoaste on siis akkujen latausvirtaa stv hakkuri(tasajnnite/tasajnnite-muuttaja, DC/DC-muuttaja, DC-chopper). Akuista energiasytetn shkverkkoon vaihtosuuntaajien kautta kuten akkukytiss.On mys mahdollista sytt aurinkokennoista saatava energia vaihtosuuntaajankautta suoraan shkverkkoon ilman vliin sijoitettuja akkuja. Edell kuvattu MPP-sdin tehoasteineen on tllinkin tarpeen tasajnnitteen suuren vaihtelualueen takia.Aurinkokennojen hytykytn optimointi merkitsee sit, ett kennoista ulossaatavajnnitteen vaihtelu vakioidaan tsskin em. tasajnnite/tasajnnite muuttajalla.Vakioksi sdetyst tasajnnitteest muutto shkverkon vaihtojnnitteeksi tapahtuutaas vaihtosuuntaajalla, jonka tehoa pidetn kennojen optimipisteess (MPP) niin,ett sdetn shkverkkoon siirtyv tehoa esimerkiksi sinimuotoisellapulssinleveysmodulaatiolla. Pienitehoisissa taajuusmuuttajissa puolijohdekytkiminvoidaan kytt MOSFET-komponentteja.

4.2.3 Polttokennot

Polttokennot tuottavat tasajnnitett, joka muutetaan vaihtosuuntaajillashkverkkokelpoiseksi kuten edell. Polttokennot toimivat niin kauan kuin vety- jahappipolttoainetta riitt. Vety saadaan esim. maakaasusta, alkoholeista ja ljyist.Polttokennojen koko vaihtelee suuresti: 3 250 kW ja jopa MW-luokkaan asti,hytysuhde on hyv ja pstt pieni. Tehon vaihtelut ovat hitaita johtuenpolttoaineen sytst.

4.2.4 Mikroturbiinit, polttomoottorit, Stirling

Mikroturbiinit ovat pieni kaasuturbiineja, jotka tuottavat tehoa esim. alueella 25 kW 500 kW. Niss kytetn turboahdintekniikkaa, polttoaineena on maakaasu, vety,


21 (75)

propaani tai dieselljy. Hytysuhde on noin 20 30 % (rekuperaatio). Oheistuotteenasaadaan 50 80 C vett. Mikroturbiini on noin jkaapin kokoinen.Mikroturbiinin kokoonpano on ahdin eli kompressori, palokammio, turbiini,rekuperaattori eli lmmn talteenotin ja generaattori. Koska generaattorinkierrosnopeus on suuri, sen tuottaman shkn taajuus on mys suuri, jolloin tarvitaansuurtaajuustaajuusmuuttajaa. Kun mikroturbiinin lmp otetaan hydyksi, nouseehytysuhde noin 80 %:iin. Kuvassa 8 on esitetty rekuperaattorilla varustetunmikroturbiinin periaatekaavio.Polttomoottoreita (Otto ja diesel) on saatavilla esim. tehoalueella 5 kW 7 MW.Polttoaineena kytetn esim. maakaasua, dieselljy ja bensiini, hytysuhde onnoin 25 45 %. Moottorin akseliin liitetty generaattori muuttaa mekaanisen energianshkksi kuten tuuliturbiineissa. Stirling- ja kuumailmakoneet, voivat periaatteessakytt mit polttoainetta tahansa. Pyrimisliike niiss muutetaan generaattorillashkksi.

Kuva 8. Rekuperaattorilla varustetun mikroturbiinin periaatekaavio [27].

4.2.5 Pientuulivoimalat

Kotitalouskyttn tarkoitettujen tuulivoimaloiden nimellisteho alkaa tyypillisestimuutamasta sadasta watista ptyen suurimpien yksikiden noin 20 kW:iin.Pientuulivoimala voidaan kytke lmmityskyttn, saareke- ja akkujenlatauskyttn tai shkverkkoon. Tyypillinen generaattorivaihtoehto onkestomagneettitahtikone. Pientuulivoimalan kestomagneettikone on tyypillisestikolmivaiheinen ja tasasuuntaus on hoidettu usein 6-pulssidiodisillalla.Taajuusmuuttaja on tyypiltn jnnitevlipiirillinen. Vaihtosuuntausosassa kytkiminkytetn IGBT-komponentteja. Pientuulivoimalan verkkoon kytkent voi olla yksi-tai kolmivaiheinen [28]. Kuvassa 9 on esitetty kolmivaiheisen kestomagneettikoneenperiaatteellinen yksivaiheinen verkkoonliitynt.


22 (75)

Kuva 9. Kolmivaiheisen kestomagneettikoneen yksivaiheinen verkkoonliitynt [29].

4.3 Shkverkkovaatimukset

4.3.1 Yleist

Taajuusmuuttajan tulisi antaa shkverkkoon verkon perustaajuista mahdollisimmansinimuotoista jnnitett ja virtaa. Joskus verkon on kyettv mys syttmnenergiaa taajuusmuuttajan kautta generaattoriin (4-kvadranttikytt). Nm tilanteeton mriteltv suoritusarvoineen.Taajuusmuuttajan kannalta shkverkko ei ole tysin jykk verkko, vaan sen jnnitevaihtelee ja verkossa esiintyy mys jnnite-epsymmetriaa. Jnnitteen vaihtelurajatolisi tunnettava jnnitekuoppineen ja keskeytyksineen. Verkonhaltija asettaa ehtojataajuusmuuttajasta ja koko voimalasta vastaanotettavalle shkenergialle esim.tehokertoimen cos on oltava noin yksi eivtk jnnitteen ja virran yliaallot saaylitt mrtty suhteellista tasoa. Mys voimalan tavanomaiset ja vioista johtuvatkytkenttilanteet eivt saa vaikuttaa liikaa shkverkkoon. Silloin kun voimala onkyllin suuri, haluaa verkonhaltija, ett voimala tukisi shkverkon pystysspysymist verkon vikatilanteissa. Edellisess ajattelussa on taajuusmuuttajaan luettumukaan tarvittavat yliaaltoja hirisuodattimet. Jos shkverkon jataajuusmuuttajan vliss tarvitaan muuntaja, sit ei tss lueta taajuusmuuttajaankuuluvaksi, vaan muuntaja on osa verkkoa tai voimalakokonaisuutta.

Taajuusmuuttajan liityntarvoesimerkkin on pienjnnitteinen taajuusmuuttaja, jokasuurilla tehoilla liitetn shkverkkoon muuntajan kautta [30]:

Malli, tunnus ACS800-77LC-4060/4400-7Generaattori (INU) Verkko (ISU)

Jnnite 690 V, +10 %/-15 % jatkuvastiTeho 3300 kW 3686 kW


23 (75)

Virta 3394 A 1030 ATaajuus 50 HzLoistehon tuotto 0,79Toimintatapa 4QKytkinkomponentti IGCTTaajuusmuuttajan muita ominaisuuksia: Uudelleen konfigurointi ilmankuormitusta optiona; E.ON:n (Saksan ers kantaverkkoyhti) tai REE:n (REDElctricana de Espaa, Espanjan kantaverkkoyhti) verkkovaatimustenmukainen toiminta optiona; nestejhdytys; DTC-ohjaus; verkkosuuntaajassateho-ohjaus sek muutama kenttohjausvaihtoehto.

Pt- ja loistehon nopea st antaa mahdollisuuden nopeaan reagointiin verkonmuutostilanteissa. Suoran tehon ohjauksen avulla saavutetaan pienet ja tasaisestijakautuneet harmoniset yliaallot, mik pienent muiden verkon komponenttienhviit ja vrhtelyj. Verkkovaatimusten tyttminen on trke liitettesstuulivoimaa shkverkkoon.

4.3.2 Standardit ja muut vaatimukset

Suuritehoiset tuulivoimalat liitetn shknjakeluverkkoon useimmitenkeskijnnitteell. Siirtoverkko saattaa tulla kyseeseen tuulipuistojen yhteydess.Pienet tuulivoimalat tai muut hajautetun tuotannon laitteistot liitetn yleens pien-tai keskijnniteshkverkkoon, jos ne yleens on tarkoitettu verkkoon liitettviksi.Shkjrjestelmt ja vaatimukset vaihtelevat tietyiss rajoissa eri maissa, seuraavassaon esitetty psntisesti Suomea koskevat vaatimukset. Kytnnn tilanteissanoudatetaan kunkin maan verkkovaatimuksia. Seuraavissa standardeissa ja ohjeissaesitetn vaatimukset tuotantolaitosten liittmisest shknjakeluverkkoon: Helen Shkverkko Oy:n ohje Standardi EN 50438 Standardi IEEE 1547 Fingrid VJV 2007, Liite 2: Nordel-vaatimukset, [35]

Tuulivoiman ja hajautetun energiantuotannon lisntyess shkverkkoyhtit ovatuuden tilanteen edess, koska jakeluverkot on perinteisesti suunniteltu yksisuuntaistatehonsiirtoa varten. Voimaloiden verkkoonliitynnss yhten vaatimuksena onverkon relesuojauksen toiminnan varmistaminen. Verkkoonliitynnn suojauksensuunnittelua varten tulee tuntea voimalaitoksen shkiset ominaisuudet, jotkariippuvat generaattorin tyypist. Erityisesti eroja on voimalaitosten kyvyss syttoikosulkuvirtaa. Vaihtosuuntaajaan perustuvissa ratkaisuissa tehoelektroniikankomponenttien oikosulkuvirran sietokyky on hyvin rajattu. Kytnnssvaihtosuuntaajan syttm oikosulkuvirta rajataan stjn avulla 1 2 -kertaisennimellisvirran suuruiseksi. Tllin suojaus ei voi en perustua ylivirtaan.Suojausratkaisuja ja havaintoja vika- ja saareketilanteissa on kuvattu viitteess [31]:- riittvn suuri oikosulkuteho liityntpisteess- johtolhdn voimalat pienentvt lhdn releen nkem vikavirtaa, kun vika on

johdon lopussa- johtolhdn suojan laukeaminen, kun viereisess lhdss on vika- tehotasapainotilanne saareketilanteessa


24 (75)

- pikajlleenkytkent (pjk): vikavalokaari ei sammu, jos verkkoon sytetn energiapjk:n aikana. Toisaalta pikajlleenkytkennn aikana voi synty vaihesiirto verkonja tuotantolaitteen vlille.

4.3.3 Liittyminen jakeluverkkoon

Suomessa useimmat verkkoyhtit noudattavat Helen Shkverkko Oy:n ohjeitatuotannon liittmiseksi shknjakeluverkkoon [32]. Tuotantolaitteistojen ja niidensyttmien verkkojen rakenteet automatiikkoineen ja suojauksineen tulee laitteistonhaltijan toimesta suunnitella ja rakentaa tarkoituksenmukaisiksi siten, ett netyttvt yleisen jakeluverkon ja asiakasverkon vliset yhteistoimintavaatimuksetsek shkturvallisuuden asettamat vaatimukset. Jakeluverkon haltijan tietmttsyntyvt takajnnitteet ja jakeluverkon eroaminen shkntuotantolaitostensyttmiksi saarekkeiksi tulee olla estetty.Ohjeissa jaetaan tuotantolaitokset neljn luokkaan sen mukaan, kyk laitos verkonrinnalla ja voiko se sytt energiaa jakeluverkkoon. Taulukko 1 luettelee HelenShkverkko Oy:n kyttmn luokituksen. Suuret tuotantolaitokset kuuluvatluokkaan 4. Niden liityntpisteiden jykkyyden eli oikosulkutehon on oltavavhintn 25-kertainen generaattorin nimellistehoon verrattuna. Suurikynnistysvirtasysys kasvattaa em. vaatimusta (oikosulkugeneraattori taikaksoissytetty eptahtigeneraattori). Saman liityntpisteen kaikkiengeneraattoreiden irtikytkeytyminen saa aiheuttaa jakeluverkossa enintn 5 %jnnitteenmuutoksen.

Taulukko 1. Tuotantolaitosten toimintaperiaatteiden mukainen luokitus [32].

LE05 = yleiset liittymisehdot (shknkyttjille) vuodelta 2005PE05= yleiset verkkopalveluehdot (shknkyttjille) vuodelta 2005TLE05 = shkntuotannon liittymisehdot vuodelta 2005TVPE05 = shkntuotannon verkkopalveluehdot vuodelta 2005


25 (75)

Tuotantolaitoksen tulee tytt shkn laatuvaatimukset ja olla yhteensopiva muunverkon kanssa. Pienjnnite- ja keskijnniteverkon sallitut yliaaltovirrat suhteessasiirtokapasiteettiin on lueteltu taulukossa 2 ja taulukossa 3. Liittymn referenssivirtaon sulakepohjaisessa liittymss psulakkeen nimellisvirta ja tehopohjaisessaliittymss liittymissopimuksen tehosta laskettu virta.

Taulukko 2. Pienjnniteverkkoon liitetyn laitteiston aiheuttamat suurimmat sallitutyliaaltovirrat liittymispisteess tarkasteltuna [32].

Referenssivirta Suositeltava raja 25 A Saa kytt laitestandardin mukaisia laitteita

25 A 200 A Virran harmoninen kokonaissr saa olla enintn 10 %referenssivirrastaVirran harmoninen kokonaissr saa olla enintn 8 %referenssivirrasta. Referenssivirran alarajalla sallitaankuitenkin 20 A. Lisksi yksittisten yliaaltojen osalta:

Jrjestysluku n Sallittu arvoreferenssivirrasta

< 11 7,0 %11 16 3,5 %17 22 2,5 %23 34 1,0 %

> 200 A

> 34 0,5 %

Taulukko 3. Keskijnniteverkkoon liitetyn laitteiston aiheuttamat suurimmat sallitutyliaaltovirrat liittymiskohdassa tarkasteltuna [32].

Referenssivirta Suositeltava rajaVirran harmoninen kokonaissr saa olla enintn 8 %referenssivirrasta. Lisksi yksittisten yliaaltojen osalta:

Jrjestysluku n Sallittu arvoreferenssivirrasta

< 11 7,0 %11 16 3,5 %17 22 2,5 %23 34 1,0 %

Kaikki

> 34 0,5 %

Rinnankytn aikana tehokertoimen on oltava yli 0,95 (induktiivinen taikapasitiivinen), ellei muuta ole sovittu. Hiritilanteessa generaattori tai sensyttm saareke on kytkettv irti yleisest verkosta. Yksinsytn estosuojaus(YSE) voidaan toteuttaa taajuuden muutosnopeusreleell, mytalijnnitereleell,


26 (75)

impedanssireleell tai muulla soveltuvalla, jakeluverkon haltijan hyvksymllmenetelmll.Tuotantolaitteiston tulee rinnankyntitilassa siet yleisen jakeluverkon kytthirit,kuten oikosulut, maasulut pikajllenkytkentineen, jnnitekuopat ja taajuushirit.Generaattori ei saa kytkeyty jakeluverkkoon, jos jnnite ja taajuus ovat sallittujenrajojen ulkopuolella. Generaattorilaitteisto saa kytkeyty yleiseen jakeluverkkoonvasta, kun jnnite on ollut 10 min normaaliarvossaan. Tuottajan jakelulaitteisto onvarustettava lukittavalla erotuskytkimell, jolla jakeluverkon haltija voi erottaageneraattorilaitteiston esim. verkkotiden niin edellyttess.

Helenin ohjeessa hajautetun tuotannon laitteet, kuten polttokennot,aurinkoshkkennot, pienet tuuligeneraattorit ja akustot voivat periaatteessa kuuluamihin luokkaan hyvns. Pienille yksi- tai useampivaiheisille mikrogeneraattoreille,joiden nimellisvirta on alle 16 A/vaihe ja jnnite 230/400V (Suomessa 30 kVA)viitataan standardiin EN 50438. Standardissa EN 50438 luetellaan yhteens 18Euroopan maan kansalliset poikkeukset [33]. Vaatimuksiin sisltyy shkasennuksetja liityntpisteen suojaus, shkn laatu, toiminta ja turvallisuus sek vastaanottokoe.Helen Shkverkko Oy:n ohjeen ja standardin EN 50438 vaatimukset ovat nilt osinyhtenevi.

Taulukossa 4 luetellaan luokkien 3 ja 4 tuotantolaitteistojen ja yleisen jakeluverkonvlisen rajapinnan suojareleiden asetteluarvot. Generaattoreiden tai generaattorinsyttmn asiakasverkon kytkennss jakeluverkon jnnitteen tulee noudattaaseuraavia tahdistusehtoja:

Tahtigeneraattori: U < 8 % UN, f < 0,5 Hz, < 10 Eptahtigeneraattori: Tahdistamaton verkkoon kytkent on sallittu, jos

kierroslukuero n 5 % nN. Muutoin sovelletaan tahtigeneraattoreilleannettuja arvoja.

Vaihtosuuntaajalaitteet: Vaihtosuuntaaja voidaan kytke verkkoon ilmanerillist tahdistinta, jos verkko-osa synkronoituu automaattisesti ja kytkeminenei aiheuta haitallista kynnistysvirtasysyst. Muutoin sovelletaantahtigeneraattoreille annettuja arvoja.

Taulukko 4. Luokkien 3 ja 4 tuotantolaitteistojen ja yleisen jakeluverkon vlisen rajapinnansuojareleiden asetteluarvot [32].

PARAMETRI KOKONAISAIKAHIDASTUSs

LAUKAISUN RAJA-ARVOT

Ylijnnite (porras 1) 1,5 U + 10 %Ylijnnite (porras 2) 0,15 U + 15 %Alijnnite (porras 1) 5 U - 15 %Alijnnite (porras 2) 0,15 U - 50 %Ylitaajuus 0,2 51,0 HzAlitaajuus 0,5 48,0 HzYSE 0,15 *) *) Laukaisuraja-asettelut sovitaan jakeluverkon haltijan kanssa riippuen valitusta YSE suojatyypistHUOM. Pientuotantolaite on erotettava mekaanisella kytkinlaitteella. Erotuskytkimen tulee olla lukittava


27 (75)

Taulukon 4 aikahidastus muodostuu releen ja katkaisijan yhteenlasketusta toiminta-ajasta. Releiden tulee olla 3-vaiheiset, paitsi taajuusreleiden, jotka voivat ollayksivaiheisia. Generaattorilaitteistoille, joiden teho on 1 MVA, edellytetnshklaitostyyppisi releit. Pienemmille laitteistoille hyvksytn teollisuusreleet.Tuotantolaitteiston omaan sisiseen suojaukseen liittyvien suojareleiden asetteluarvotmrittelee laitteiston toimittaja. Helen Shkverkko Oy suosittelee, ett yll olevantaulukon suojareleit ei integroida tuotantolaitteistoautomatiikkaan releiden helponvaihdettavuuden ja koestettavuuden vuoksi.Teknisen jrjestn IEEE laatima standardi 1547 -2003 esitt vaatimuksethajautetun tuotannon laitteille 10 MVA asti, jotka on tarkoitus liitt verkkoontyypillisell jakelumuuntajan ensi- tai toisiojnnitetasolla [34]. Standardissa onoletusarvona 60 Hz taajuus. Standardi mrittelee liityntpisteen (PCC, Point ofCommon Coupling) ominaisuuksille seuraavat vaatimukset:

a) yleiset vaatimukset: jnnitteen st, maadoitusjrjestelmn integrointialueshkverkon jrjestelmn, tahdistus, tahaton jnnitteensyttalueshkverkkoon, lukittava erotuslaite, liityntpisteen suojausshkmagneettisilta hiriilt ja syksyjnnitekestoisuus

b) toiminta epnormaaleissa olosuhteissa: alueshkverkon viat, jlleenkytkennnkoordinointi, sallittu jnnitteen ja taajuuden vaihtelu, tahdista putoaminen,kytkeytyminen alueshkverkkoon, enintn viiden minuutin viive siit, kunjnnite ja taajuus ovat palautuneet sallittuihin rajoihin

c) shkn laatu: virran tasajnnitekomponentti ei saa olla yli 0,5 % nimellisest,hajautettu tuotantolaitos ei saa aiheuttaa hiritsev vlkynt eivtk virranyliaallot liityntpisteess saa ylitt taulukon 3 arvoja, kun hajautettutuotantolaitos sytt tehoa symmetriseen ja lineaariseen kuormitukseen..

d) saarekekytt: tahaton saarekekytt pit pysty havaitsemaan ja energiansytt verkkoon pit keskeytt kahden sekunnin kuluessa, harkitunsaarekkeen vaatimukset tulevat myhemmin.

Hajautetun tuotannon laitteistolta vaaditaan seuraavien ominaisuuksien testausta: toiminta epnormaaleissa jnnite- ja taajuusoloissa tahdistus liitynnn toiminta tahattoman saarekekytn ehkisy tasajnnitekomponentin rajoitus harmoniset yliaallot

Standardi EN50438 luettelee testausvaatimukset nimellisvirraltaan 16 A(Suomessa nennistehon raja 30 kVA) tuotantolaitteiden liitynnn suojauksesta.Testeill tulee osoittaa, ett liityntpisteen suojaus est shknsytnjakeluverkkoon, kun laukaisurajat ylittyvt tai verkkoyhteys katkeaa. Yli-/alijnnitesuojauksen tulee toimia asetetun toiminta-ajan puitteissa [33].Saarekekytn eston tai yksinsytn eston (LoM, YSE) tulee varmistaa, ettpientuotantolaitteen shknsytt jakeluverkkoon katkeaa, siihen asti kunjakeluverkon suojaus on selvittnyt viat ja verkon normaali sytttilanne onpalautunut. Pientuotantolaitteistolle soveltuva LoM-suojaus voi perustua olemassaolevaan tekniikkaan, esimerkiksi taajuuden muutosnopeuteen (ROCOF, Rate ofChange of Frequency) tai vaihesiirtoon. Uudelleenkytkent on sallittu vasta, kun


28 (75)

syttpisteen jnnite ja taajuus ovat pysyneet sallituissa rajoissa kolme minuuttiageneraattoreille ja 20 sekuntia vaihtosuuntaajalaitteistoille.Virran harmoniset yliaallot testataan standardin IEC61000-3-2 luokan A mukaisestisek jnnitteen vaihtelu ja vlkynt standardin IEC61000-3-3 mukaisesti. Testauksetja menetelmt kuvataan yksityiskohtaisesti standardissa EN50438 [33].

4.3.4 Siirtoverkon liittymissnnt

Fingrid Oyj on julkaissut Voimalaitosten jrjestelmtekniset vaatimukset (VJV2007), jonka liitteess 2 esitetn Liittymissnnt tuulivoimaloiden liittmiseksiNordel-verkkoon [35]. Nm pohjoismaiset tuulivoimaloiden liittymissnntmrittvt tekniset vhimmisvaatimukset uusille tuulivoimaloille oheislaitteineen.Tavoitteena on varmistaa pohjoismaisen voimajrjestelmn turvallinen kytt jaluotettavuus. Nordelin liittymissnnt jttvt mahdollisuuden kansallisillelisvaatimuksille. Liittymissntjen vaatimukset ovat voimassa siirtoverkonliittymispisteess. Tss kappaleessa ksitelln lhinn Suomessa voimassa oleviavaatimuksia tuoden esille mit vaatimukset voivat sislt, ja havainnollistetaan eriverkkoyhtiiden vaatimuksien mahdollisia eroavaisuuksia muutamalla kuvalla.Liittymissnniss mritelln liittymispiste, tuulivoimala ja tuulipuisto.Jrjestelmvastaava mritt liittymispisteen. Alle 100 MW:n tuulipuistojen osaltajrjestelmvastaava voi tapauskohtaisesti ptt voidaanko kyseinen tuulipuistovapauttaa joistakin vaatimuksista.Tuulipuiston pttehon tuotantoa (10 minuutin keskiarvo) on pystyttv stmnseuraavasti: ylrajan st alueella 20100 % nimellistehosta kauko-ohjauksella;pttehon nousunopeuden rajoittaminen arvoon 10 % nimellistehosta minuutissa;nopea tehon alasst 100 %:sta 20 %:iin nimellistehosta viidess sekunnissa,kuitenkin niin ett pttehon palauttaminen nopeasti on oltava mahdollista.Taajuuden osalta vaaditaan automaattiohjausta jrjestelmtaajuuden mukaan.Jrjestelmvastaava antaa yksityiskohtaiset asetukset sdlle.

Tuulipuistolla pit olla riittv loistehokapasiteetti, jotta voimalaa voidaan kyttnollaloisteholla verkkoon pin mitattuna ja loistehontuotantoa pystytnautomaattisesti stmn jrjestelmvastaavan vaatimusten mukaisesti.Tuulipuiston on tytettv mitoitusjnnitteen ja -taajuuden osalta jrjestelmnvaatimukset. Kuvassa 10 on esitetty Nordelin vaatimukset ja kuvassa 11 on vertailtumuutamien muiden kantaverkkoyhtiiden vaatimuksia.


29 (75)

Kuva 10. Jnnitett ja taajuutta koskevat vaatimukset. Jrjestelmvastaava mr jnnitteenperusarvon [35].

Kun jnnite ja taajuus ovat kuvassa esitettyjen suorakulmioiden sisll, sovelletaanseuraavia vaatimuksia:

A: Normaali jatkuva kytt. Voimajrjestelmn jnnitteen ja taajuuden vuoksi eisallita pttehon tai loistehon alentumista.B: Vhintn 30 minuutin keskeytymtn kytt. Pttehon tuotannon sallitaanalenevan taajuuden lineaarisena funktiona 0 % alenemasta taajuudella 49,0 Hz15 % alenemaan taajuudella 47,5 Hz.

C: Vhintn 60 minuutin keskeytymtn kytt. Pttehon tuotanto voi alentua10 %.

D: Vhintn 60 minuutin keskeytymtn kytt. Pttehon tuotanto voi alentua10 %.

E: Vhintn 30 minuutin keskeytymtn kytt. Mahdollinen pttehon tuotantovoi laskea vhn. (Tllaisten kyttolosuhteiden kokonaiskesto on normaalistienintn 10 tuntia vuodessa.)F: Vhintn 3 minuutin keskeytymtn kytt. Pttehon tuotanto voi laskea,mutta voimaloiden tulee pysy kytkettyn voimajrjestelmn.


30 (75)

Kuva 11. Taajuutta ja jnnitett koskevia vaatimuksia muutamalla eri kantaverkkoyhtill[36].

Tuulipuiston tulee pysty jatkamaan toimintaansa siirtoverkon hiriiden aikana janiiden jlkeen. Hirit ovat yhteispohjoismaisen siirtojrjestelmn mitoittavia vikojaja mrytyvt yleens jnnitetason perusteella. Jrjestelmvastaava mritt, mitkosat sen voimajrjestelmst kuuluvat yhteispohjoismaiseen siirtojrjestelmn.Tuulipuisto voi irrota voimajrjestelmst, jos jnnite liittymispisteess hirinaikana tai sen jlkeen laskee kuvan 12 tai kuvan 13 esitettyjen tasojen alle, jotkaesittvt jnnitekuopan keskiarvoja Nordel-alueella ja muutamien eri kantaverkkojenalueella. Jrjestelmvastaava voi kytt omalla alueellaan erilaista kyrpaikallisista olosuhteista riippuen.


31 (75)

Kuva 12. Siirtoverkon vian aiheuttaman jnnitekuopan yhteninen murtokyr, tuulipuistontulee kest em. murtokyrn ylpuolelle jvt viat irtoamatta verkosta. Jnnitteensuhteellisarvo 1,0 on jnnite ennen hirit [35].

Kuva 13. Jnnitekuoppien verhokyri muutaman eri kantaverkkoyhtin vaatimuksissa (gridcode) [36].

Tuulipuisto suositellaan suunniteltavaksi siten, ett tuulipuiston yksittiset voimalateivt pyshdy samanaikaisesti suuren tuulennopeuden vuoksi. Tuulipuiston kauko-ohjaus tulee olla mahdollista tietoliikenneyhteyksien avulla. Ohjaukset ja mittauksetpit olla jrjestelmvastaavan kytettviss.


32 (75)

Jrjestelmvastaavan kanssa sovitaan erillisist kokeista, jotka on tehtv ennentuulivoimalan tai tuulipuiston kyttnottoa. Koeohjelmassa dokumentoidaantuulivoimalan tai tuulipuiston kyky tytt niden liittymissntjen vaatimukset.Tuulivoimalan tai tuulipuiston simulointimalli tulee toimittaa jrjestelmvastaavalleosana koeohjelmaa. Mallissa on esitettv tuulivoimalan tai tuulipuistonominaisuudet sek tehonjako- ett dynamiikkalaskentaa varten. Mallia kytetnsuunnittelussa ennen tuulivoimalan tai tuulipuiston kyttnottoa, ja mallinoikeellisuus tulee varmentaa tuulivoimalan tai tuulipuiston kyttnottokokeidenyhteydess.

4.3.5 Tuotantoyksikiden shkn laatuvaatimukset

Seuraaville jakelujnnitteen ominaisuuksille pienjnnite- ja keskijnniteverkoissaasetetut vaatimukset luetellaan standardissa SFS-EN 50160 [37].

1. verkkotaajuus2. jakelujnnitteen suuruus3. jnnitetason vaihtelut4. nopeat jnnitemuutokset ja vlkynnn hiritsevyysindeksi5. jnnitekuopat6. lyhyet keskeytykset7. pitkt keskeytykset8. johtimen ja maan vliset tilapiset kytttaajuiset ylijnnitteet9. johtimen ja maan vliset transienttiylijnnitteet10. jakelujnnitteen epsymmetria11. harmoninen yliaaltojnnite12. epharmoninen yliaaltojnnite13. verkon signaalijnnitteet liittmiskohdassa

Shkn laatusuureiden mittaus- ja arviointimenetelmt lytyvt IEC 61000-sarjanstandardeista.

4.3.6 Shkn laatu verkkoon liitetyiss tuulivoimaloissa

Tuulivoimalan shkn laadun mittaukset ja mittausolosuhteet kuvataan standardissaIEC 61400-21 [38]. Tuulivoimalan laatusuureisiin sisllytetn jnnitteen vlkynt jayliaallot, jnnitekuopan vaste, tehon ja loistehon st, verkon suojaus jatakaisinkytkentaika. Tss standardissa mainitut mittaussuureet, mittausolosuhteetja mittaustulosten arviointi ptevt vain tuulivoimaloille. Standardi pteekaikenkokoisille tuulivoimaloille, vaikka tmn osan testivaatimukset on tarkoitettulhinn voimaloille, joiden liityntpiste (PCC) on keski- tai suurjnnitteinen.Mittausmenetelmt on suunniteltu mittauspaikasta riippumattomiksi. Menetelmtovat voimassa jakelu- tai siirtoverkossa, jonka taajuus on kiinte 1 Hz ja jolla onriittvt pt- ja loistehon stmahdollisuudet. Tss standardin osassa mritelln:pienjnnite Un 1 kV; keskijnnite 1 kV35 kV.

4.3.6.1 Tuulivoimalan shkn laatuun liittyvt parametrit

Normalisointia varten kytetn tuulivoimalan teknisi arvoja Pn, Sn, Un ja In.


33 (75)

Jnnitteen vaihtelu voi olla joko vlkynt tai jnnitetason muutoksia. Jatkuvan tilanvlkynnn hiritsevyysindeksi mritetn eri verkkoimpedanssin vaihekulma-arvoilla sek neljll eri tuulennopeusjakautumalla. Arvot mritetn loistehonollessa nolla.Jnnitteen vaihtelut mitataan seuraavanlaisissa kytkenttilanteissa:

a) voimalan kynnistys kynnistymistuulennopeudellab) kynnistys nimellisell tai sit suuremmalla tuulennopeudellac) pahin generaattoreiden (jos useita) vlinen kytkenttilanne.

Nihin kytkenttilanteisiin liittyen mritetn parametrit kytkentjenmaksimimrlle 10 min ja 2 h aikana sek kertoimet vlkynnlle ja jnnitteenmuutokselle eri verkkoimpedanssin vaihekulman arvoilla.Virran harmonisia yliaaltoja mitataan 50. yliaaltoon asti standardin IEC 61000-4-7mukaisesti [39]. Mittaus tehdn jatkuvassa kytttilanteessa eri tehoarvoilla, kunloistehon arvo on nolla. Virran harmoniset yliaallot ilmoitetaan prosentteinanimellisvirrasta. Epharmoniset yliaallot mitataan 2 kHz asti ja mys suuremmilltaajuuksilla vlill 2 kHz ja 9 kHz.

Jrjestelmn vaste taulukossa 5 kuvatuille jnnitekuopille on mritettv pttehonarvoilla a) 0,1 Pn ja 0,3 Pn vlill and b) yli 0,9 Pn. Kaksi perkkist testi tehdnkussakin taulukon tapauksessa.

Taulukko 5. Jnnitekuoppien mrittely. Jnnitetaso, kuopan kesto ja muoto [38].

Tapaus Pjnnite(verrattuna

jnnitearvoon juuriennen kuopan

syntymist) [pu]

Jnnitteenmytkomponentti

(verrattunajnnitearvoon juuri

ennen kuopansyntymist) [pu]

Kesto[s]

Muoto

VD1 symmetrinen 3-vaiheinen jnnitekuoppa

0,90 0,05 0,90 0,05 0,5 0,02

VD2 symmetrinen 3-vaiheinen jnnitekuoppa

0,50 0,05 0,50 0,05 0,5 0,02

VD3 2-vaiheinenjnnitekuoppa

0,20 0,05 0,20 0,05 0,2 0,02


0,90 0,05 0,95 0,05 0,5 0,02


0,50 0,05 0,75 0,05 0,5 0,02


0,20 0,05 0,60 0,05 0,2 0,02

HUOM 1. Jnnitekuoppa voi pudottaa voimalan verkosta monesta syyst, ei yksin shkiseenvoimansiirtoketjuun liittyen, vaan mys mekaanisten vrhtelyjen tai apujrjestelmien alijnnitekestontakia. Sen vuoksi on trke tehd testit tydellisell voimalalla, kuin luottaa pelkn voimansiirtoketjuntestaamiseen.

HUOM 2. Tapausten VD1 ja VD3 perustarkoituksena on testata voimalat, joilla ei ole verkkovian sieto -ominaisuutta (fault ride-through) syvn jnnitekuopan tapauksessa. Nill testeill on yleensmerkityst numeeristen simulointimallien validoinnin perustana.


34 (75)

Maksimiteho ilmoitetaan 600, 60 ja 0,2 sekunnin keskiarvoina P600, P60 and P0,2.Tuulivoimalan kyky seurata muutosnopeuden rajoitusta on osoitettava graafisesti.Graafisessa esityksess pit nytt saatavissa oleva ja mitattu ptteho 10 minaikana, kun muutosnopeudeksi on asetettu 10 % nimellistehosta minuutissa. Tuloksetraportoidaan 0,2 s keskitehoina.

Mys asetusarvosdn toiminnan testaustulos esitetn graafisesti. Asetusarvoasdetn 20 % portain kaksi minuuttia kullakin tasolla, ensin portaittain 100 %arvosta 20 % arvoon ja tst takaisin 100 arvoon.Tuulivoimalan kyky tuottaa induktiivista ja kapasitiivista loistehoa ilmoitetaan yhdenminuutin keskiarvoina tasoilla 0, 10, 20, 100 % nimellistehostaTuulivoimalan verkonsuojausjrjestelmn toiminta testataan. Tuulivoimalantodelliset yli- ja alijnnite- sek yli- ja alitaajuussuojaustasot sek erotusajat mitataanannetuilla asetusarvoilla. Verkkovian kestoa 10 s, 1 min ja 10 min vastaavattakaisinkytkentajat kirjataan testaustuloksiin.

4.3.6.2 Testausmenetelmt

Mittauksilla pyritn mrittmn shknlaatusuureet koko toiminta-alueelle,mittauksia ei kuitenkaan vaadita tuulennopeuksille yli 15 m/s. Alla on lueteltumittauksia, joihin taajuusmuuttajan ominaisuudet lhinn vaikuttavat.Standardin [38] vaatimat tuulivoimalan testausehdot ovat:

- suora kytkent keskijnniteverkkoon standardimuuntajan kautta- jnnitteen THD-arvon sislten kaikki yliaallot 50 harmoniseen asti pit olla

alle 5 % mitattuna 10 min keskiarvona tuulivoimalan liittimist, kun voimala eituota energiaa

- verkon taajuuden mitattuna 0,2 s keskiarvona tulee olla nimellistaajuus 1 %- jnnitteen (10 min keskiarvo) tulee olla nimellisjnnite 10 %- jnnitteen epsymmetrian pit olla alle 2 % mitattuna 10 min keskiarvona- ympristolosuhteiden pit olla valmistajan vaatimusten mukaiset.

Nm mittaukset tehdn tuulivoimalan liittimist. Mittauksissa tuulen turbulenssilleja shkverkon oikosulkuteholle ei ole asetettu vaatimuksia, mutta kyseiset arvot onkirjattava. Digitaalisen tiedonkeruujrjestelmn oletetaan kervn, laskevan jatallettavan tulokset. Jnnitteen ja virran mittauksilta edellytetn kaistanleveytt 2kHz pt- ja loistehon laskentaan. Harmonisten komponenttien mittaus edellyttvhintn 20 kHz nytteenottotaajuutta kanavaa kohti. Tuulennopeussignaalinnytteenottotaajuuden pit olla vhintn 1 Hz. Tuulimittarin sijainnin aiheuttamaepvarmuus ei saa ylitt 1 m/s. Mittamuuntajilta edellytetn tarkkuusluokkaa 1,0ja suodatin - A/D-muunnin - datankeruu -ketjulta tarkkuusluokkaa 1 % tydestnyttmst.

Verkkojnnitteen vaihtelu keskijnniteverkossa voi johtua muistakin vaihteluaaiheuttavista kuormista. Lisksi verkon ominaisuudet saattavat vaikuttaajnnitevaihteluihin. Tss standardin osassa mritetn menetelm, jossa kytetnvirran ja jnnitteen aikasarjoja ja fiktiivist verkkoa jnnitevaihteluidensimuloimiseksi. Standardissa IEC 61000-4-15 [40] on kuvattu vlkynnnmittausmenetelm. Mittaukset tehdn sek jatkuvassa tilassa ettkytkenttapauksissa.


35 (75)

Virran harmonisia, epharmonisia ja suurempia taajuuskomponentteja mitataanjatkuvassa tilassa. 10 min jaksot mitataan eri tehoportaissa. Mittausmenetelmkuvataan standardissa IEC 61000-4-7 [39]. Alle 0,1 % harmonisia yliaaltojanimellisvirrasta ei tarvitse raportoida. Virran srt (THD ja Partial WeightedHarmonic Distortion, PWHD) lasketaan nimellisvirran suhteen. Mys jnnitteenharmoniset yliaallot raportoidaan.Tuulivoimalan vaste jnnitekuopille mitataan kyttmll oikosulkuemulaattoria,jolla voidaan kytke vaiheet impedanssin kautta maahan. Niden impedanssien arvotvalitaan niin, ett saadaan haluttu taulukon 5 mukainen jnnitekuoppa. Jnnitekuopantoleranssit annetaan standardissa.Verkkovikojen kestoaikoja 10 s, 1 min ja 10 min vastaavat takaisinkytkeytymisajatmitataan. Keskimrisen tuulennopeuden pit olla takaisinkytkeytymisaikana yli10 m/s. Verkko kytketn irti ja takaisin tavallisimmin keskijnnitekatkaisijalla.Vika-aika on katkaisijan auki- ja kiinnikytkentjen vli. Takaisinkytkeytymisaikamitataan siit hetkest, kun verkko on kytettviss, siihen kun voimala alkaa tuottaatehoa.Shknlaadun mittaustulokset arvioidaan joko standardeissa mainittujen rajojen,verkonhaltijan tai jrjestelmvastaavan vaatimusten mukaisesti. Tuulivoimaloidenerityisvaatimukset kuvataan standardissa IEC 61400-21 [38].

4.4 Ympristvaatimukset

Asennukset tulee suunnitella ja toteuttaa turvallisuus- ja muiden sdstenmukaisesti. Standardien noudattamisella pyritn varmistamaan, ett laite toimiioikein mritellyss ympristss. Standardien tyttyminen todetaan testein.Tarkastelukohteita vaatimuslistalla ovat mm.:

- Hiriiden pst ja sieto (EMC)- Harmoniset virrat ja jnnitteet- Pienjnnitedirektiivi- Konedirektiivi- Kotelointiluokka (IP-luokka)- FI-, CE-, UL-, C-UL- ja muut hyvksynnt

Taajuusmuuttaja vie oman tilansa ja laitteiston massakin on otettava huomioonsilloin, kun laitteisto sijoitetaan paikoilleen. Taajuusmuuttaja tarvitsee vielapushkjrjestelmi, joilla laitteiston ohjaus ja tiedonsiirto hoidetaan. Ohjauksen,sdn ja tiedonkeruun on oltava mahdollista sek paikan pll ett kaukokyttn.Koska nm toiminnot ovat elintrkeit, asetetaan niille hiriintymismielesserityisvaatimuksia, joiden varmistamiseksi on olemassa lukuisia ns.hiritestausstandardeja (avainsanapari on shkmagneettinen yhteensopivuus,EMC, electromagnetic compatibility).

Viitteess [41], ABB Tekninen opas nro 2, on esitetty miten erilaiset EU-neuvostondirektiivit vaikuttavat PDS-kyttjen (Power Drive Systems) hankintaan ja kyttn.Oppaan nro 2 sislt perustuu ABB Industry Oy:n marraskuussa 1999 tekemntilannekatsaukseen. Oppaassa on esitetty mm. PDS-kyttjen ostoperusteita,standardien ja direktiivien tai muunlaisen teknisen rakennetiedoston vaatimuksia.Lopuksi on tuotu esiin vaatimuksenmukaisia asennustapoja, erityisesti hiriidenkurissapitmiseksi.


36 (75)

Standardissa SFS-EN/IEC 61800-3 [42] esitetn nopeussdettyjen kyttjen EMC-hirin sieto- ja pstvaatimukset. Vaatimukset mrytyvt kyttympristn 1. tai2. sek luokituksen C1C4 mukaisesti. 1. ymprist tarkoittaa kotitalouksia ja muitakohteita, jotka on liitetty pienjnniteverkkoon. 2. ympristn kuuluvat muut kuinsuoraan pienjnniteverkkoon liitetyt kohteet, esimerkiksi teollisuus ja tekniset alueet,joita sytetn muuntajan kautta. Sallitut sieto- ja pstrajat sek niidenmittausmenetelmt on kuvattu luokittain standardissa [42]. Nopeussdetyt kyttluokitellaan seuraavasti:

C1 alle 1000 V laitteistot, 1. ympristC2 alle 1000 V kiintet laitteistot, ainoastaan ammattihenkiln kytkettviksi ja

tarkastettaviksi tarkoitetut laitteet, jos kytetn 1. ympristssC3 alle 1000 V laitteistot, jotka on tarkoitettu kytettviksi 2. ympristss,

mutta ei 1. ympristss.C4 laitteistot, joiden jnnite 1000 V tai virta 400 A ja joita kytetn

monimutkaisissa jrjestelmiss 2. ympristss.

Kuvassa 14 on esimerkki suuren tuulivoimalan viestinsiirrosta [43].Kosteutta ja ply vastaan voidaan suojautua suuressa tuulivoimalassa esimerkiksikuivaamalla ja suodattamalla sisn otettu ilma ja pitmll ohjaus- ja stkaapitpuhtaalla ilmalla jonkin verran ylipaineistettuna ympristn nhden.

Seuraavassa on esimerkkin ern taajuusmuuttajan [44] ympristolosuhteidenrajoja ja standarditestien testauskohteita:

- Ympristlmptila toiminnassa: 10 50 C tai -10 40C; ei jtymist- Varastointilmptila: -40 70C- Suhteellinen kosteus: 0 95% RH, ei kondensaatiota, ei korroosiota, ei

tippuvaa vett- Ilman laatu: kemialliset hyryt ja mekaaniset hiukkaset, menetelmt

standardissa IEC 60721-3-3, laite toiminnassa- Kyttpaikan korkeus:100 %:n kuormitettavuus 1000 m asti ja 1 % tehon

alennus jokaista 100 m kohti yli 1000 m korkeudessa; enintn 3000 m- Trin: EN50178, EN60068-2-6 mukaiset mittaukset alueella 5 150 Hz:

vrhtelyn amplitudi runkokoon mukaan 1 mm taajuusalueella 5 15,8 Hz tai0,25 mm taajuusalueella 531 Hz; vastaavasti maksimikiihtyvyysamplitudi 1 Gtaajuusalueella 15,8 150 Hz ja 1 G taajuusalueella 31 150 Hz

- Iskut: EN50178, EN60068-2-27 pudotuskoe sek varastointi ja kuljetus: maks.15 G, 11 ms (pakkauksessa)


37 (75)

Kuva 14. Esimerkki tiedonsiirron jrjestelyist suuressa voimalassa, ote artikkelista [43].

Kun taajuusmuuttajan kyttymprist on tunnettu ja taajuusmuuttajan hvittiedetn, voidaan jhdytysjrjestelm valita. Suuret hvit merkitsevttaajuusmuuttajan huonoa hytysuhdetta. Suurilla hviill ilmajhdytteinenjrjestelm ei ehk riit ja niin joudutaan valitsemaan nestejhdytys.Taajuusmuuttajissa syntyvien hviiden laskemiseksi on esitetty kaavoja viitteiss[45], [46] ja [47].

Standardin IEC 61800-4 liitteiss on esitetty yksittisten tehopuolijohteitten(tyristori, diodi, GTO/GCT thyristor (Gate Turn-off, Gate Commutated Turn-off) jaIGBT) hviiden laskemiskaavoja. Mys RC-suojapiirin (Thyristor Shunt Snubber)hviiden laskentakaavat on esitetty. Nit helpompaa lienee kytt edellistenviitteiden ja mahdollisesti mys taajuusmuuttajien valmistajien ehdottamialaskentakaavoja.


38 (75)

4.5 Rajaukset

Taajuusmuuttajista tss raportissa tarkastellaan vain tehoelektroniikkaratkaisuja jaohitetaan pyrivien koneiden avulla saatavat taajuusmuuttajat.Tehoelektroniikan taajuusmuuttajatarkasteluista mainitaan ns. suorat muuttajat elimatriisimuuttajat mukaan luettuna syklokonvertterit (verkkokommutoivat suorattaajuusmuuttajat). Matriisimuuttaja on suuntaaja, jossa tulo- ja lhtvaiheetyhdistyvt suoraan kytkimien avulla toisiinsa ilman vlipiiri.Jljelle jvist tehoelektroniikan ns. epsuorista taajuusmuuttajista mysvirtalhdetaajuusmuuttajat (CSC, Current Source Converter) ohitetaan vhinmaininnoin, koska niiden kytt on erittin vhist tarkastelluissa tapauksissa.Jljelle jvt siten en jnnitelhdetaajuusmuuttajat (VSC, Voltage SourceConverter), joissa vlijnnitepiirin tunnusomaisin komponentti on (tasajnnite-)kondensaattori.

5 Taajuusmuuttajan tekniset ominaisuudet

5.1 Taajuusmuuttajatyypit, toimintaperiaatteet ja rakenne

5.1.1 Taajuusmuuttajatyypit

Taajuusmuuttajat voidaan jakaa vlipiirittmiin ja vlipiirillisiin muuttajiin.Vlipiirittmiss eli suorissa muuttajissa, joihin kuuluvat syklo- jamatriisikonvertterit, vaihtoshkst muodostetaan suoraan uutta vaihtoshk ilmantasasuuntausta. Suorista muuttajista ainoastaan syklokonvertterilla on kaupallisiasovelluksia ja sit kytetn yli megawatin suuruisilla tehoilla oikosulku- jatahtikoneiden syttn silloin, kun pyrimisnopeus on alle 1000 1500 1/min.Kytkimin syklokonvertterissa kytetn vastarinnankytkettyj tyristoreita. Suoriamuuttajia ei ole yleisesti kytetty tuulivoima- tai hajautetun tuotannon sovelluksissa,joten jatkossa keskitytn tarkastelemaan vlipiirillisten taajuusmuuttajienominaisuuksia [48],[49]. Kuvasta 15 nhdn suoran muuttajan periaatteellinenrakenne.

Kuva 15. Suoran taajuusmuuttajan periaate [48].

Vlipiirillisiss taajuusmuuttajissa vaihtoshkst muodostetaan ensin joko tasavirtaatai tasajnnitett, joka sitten muutetaan halutun suuruiseksi ja taajuiseksivaihtojnnitteeksi. Vlipiirilliset muuttajat voidaan jakaa kahteen ryhmn: virta- jajnnitevlipiirillisiin muuttajiin.

Virtavlipiirillinen taajuusmuuttaja koostuu tasa- ja vaihtosuuntausyksikst sekvlipiirin kuristimesta. Kuristimen tarkoitus on toimia energiavarastona pitenvlipiirin virta tasaisena. Jos kuristin on mitoitettu riittvn suureksi, niin


39 (75)

virtavlipiirillinen taajuusmuuttaja kyttytyy syttverkon suuntaanvakiovirtalhteen tavoin.Virtavlipiirillisi muuttajia kytetn usein nopeakyntisten tahtimoottoreidenohjaukseen, jolloin kyseess on kuormakommutoitu taajuusmuuttaja (LCI, LoadCommutated Inverter). Kytkinkomponentteina kuormakommutoidussataajuusmuuttajassa kytetn tasa- ja vaihtosuuntauspuolella tyypillisesti tyristoreita(SCR, Silicon Controlled Rectifier). Tyristorisilta tarvitsee ohjausloistehoa jaeptahtikone tarvitsee loistehoa magnetointiin sek moottori- ettgeneraattorikytss. Tmn takia tyristoreita ei voida kytt eptahtikoneenpuoleisen sillan kytkinkomponentteina. Oikosulkukoneelle mahdollistava kyttsaadaan, kun koneen puoleinen silta korvataan pakko-ohjatuilla kytkimill (esim.IGBT), jotka pystyvt tuottamaan koneen tarvitseman loistehon. Tuuli- tai muussahajautetussa tuotannossa virtavlipiirillisten taajuusmuuttajien kytt ei ole yleist[48],[49]. Kuvassa 16 on virtavlipiirillisen muuttajan periaatteellinen rakenne.

Kuva 16. Virtavlipiirillisen taajuusmuuttajan periaate [48].

Jnnitevlipiirillinen taajuusmuuttaja koostuu tasa- ja vaihtosuuntausyksikst,vlipiirin kondensaattorista ja mahdollisesti mys suodatinkuristimesta,jarrukatkojasta ja siihen liittyvst vastuksesta. Vlipiirin kondensaattorin tarkoituson toimia hetkellisen energiavarastona piten tasajnnitteen suuruus vakaana. Josjnnitevlipiirin kondensaattori on mitoitettu riittvn suureksi, niin muuttajakyttytyy syttverkon suuntaan vakiojnnitelhteen tavoin. Kuvasta 17 nhdnjnnitevlipiirillisen muuttajan periaatteellinen rakenne.

Kuva 17. Jnnitevlipiirillisen taajuusmuuttajan periaate [48].

Jnnitevlipiirilliset taajuusmuuttajat voidaan jakaa kytettyjen tasajnnitteidenlukumrn mukaan. Kaksitasoinen topologia on tyypillinen ratkaisu pienjnnitteellja se on yleinen ratkaisu sek kaksoissytetyss DFIG-kytss etttystehotaajuusmuuttajalla varustetussa tuulivoimalassa. Tystehotaajuusmuuttajantakana olevissa tuulivoimaloissa, joiden nimellisteho on yli 500 kVA, yleenskytetn rinnakkaisia taajuusmuuttajamoduuleja tyttmn tekniset vaatimukset.Kaksoissytetyiss tuulivoimaloissa riitt nykyisill tehotasoilla (1 5 MW) yksikaksitasoinen taajuusmuuttajamoduuli. Kaksitasoisia taajuusmuuttajia kyttvtkytnnss kaikki suuret tuulivoimavalmistajat. Molemmissatuulivoimasovelluskohteissa kytkimin vaihtosuuntauspuolella kytetn tyypillisestiIGBT-komponentteja. Tasasuuntauspuolella kytetyt kytkimet ovat pasiassaIGBT-komponentteja, mutta esimerkiksi joissakin Enerconintystehotaajuusmuuttajalla varustetuissa voimaloissa kytetn mys diodeja. ABB:npienjnnitetaajuusmuuttajien ers jnnitetaso on 690 V ja tehoalue ulottuuvakiomalleissa 3300 kilowattiin. Mys hajautetussa tuotannossa jnnitevlipiirillinentaajuusmuuttaja on laajasti kytetty vaihtoehto. Kuvassa 18 on generaattori- tai


40 (75)

verkkoon jarrutusenergian syttvn moottorikyttn tarkoitetun kaksitasoisen 4-kvadranttisen (4Q) jnnitevlipiirillisen taajuusmuuttajan peruskytkent [50].

Kuva 18. 4Q-kytn mahdollistava kaksitasoisen jnnitevlipiirillisen taajuusmuuttajanperuskytkent [50].

Kolmi- tai useampitasoisia topologioita kytetn pasiassa keskijnnitteell janiss kytkinkomponentteina tuulivoimasovelluksissa kytetn ABB:ll tyypillisestiIGCT-komponentteja. Tuulivoimasovelluksissa keskijnnitealue alkaa ABB:nmritelmiss 1 kV:sta pttyen 5 kV:iin. Tehoalue ABB:nkeskijnnitetaajuusmuuttaja-yksikss ulottuu 7 MVA:iin [48], [8]. Kuvasta 19nhdn kaksi- ja kolmetasoisen jnnitevlipiirillisten taajuusmuuttajienvaihtosuuntausosien periaatekytkennt. Kuvassa 19 on oikeidenpuolijohdekomponenttien sijaan piirretty mekaaniset kytkimet.

Kuva 19. Kaksi- ja kolmitasoisen taajuusmuuttajien periaatekytkennt [48].

5.1.2 Taajuusmuuttajan toimintaperiaate

Taajuusmuuttajan toiminta perustuu puolijohdekomponenttien kytkenttilanohjaukseen virran johto- ja estotilan vlill. Verkkokommutoivien (externalcommutation, line-commutation, AC line commutation, natural commutation, phasecommutation, load-commutation) puolijohteiden, esimerkiksi diodien, kytkenttilamrytyy verkon jnnitteist. Diodeilla toteutetun tasasuuntaajan ylemmn haaranjohtovuorossa on kytkin, jonka vaihejnnite on suurin ja alemman haaran kytkimistjohtaa vastaavasti se, jonka vaihejnnite on pienin. Kyseist siltaa kutsutaan 6-pulssisillaksi, koska se synnytt tasajnnitepiiriin kuusinkertaisellaverkkotaajuudella sykkivn vaihtojnnitekomponentin. Kuvassa 20 on diodeillatoteutettu 6-pulssisilta.


41 (75)

Kuva 20. Kolmivaiheisen dioditasasuuntaajan peruskytkent.

Tasajnnitteen keskiarvoksi saadaan ideaalisessa tapauksessa kaavan 5 mukaan:

taajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja säätö generaattorikäytöissä

Documents