vindforskiii slurapport 2013 webbversion

1

VINDFORSKS l u t r a p p o r t f ö r p e r i o d e n 2 0 0 9 – 2 0 1 2

2

Vindforsk III är till hälften finansierat av Energimyndigheten och till hälften av 28 kunder till programmet. Kunderna är 26 företag med intresse inom vindkraftsområdet, den svenska stamnätsoperatören

Svenska Kraftnät samt den norska branschföreningen Energi Norge.

De 28 kunderna till Vindforsk III är:

ABB, Arise Windpower, AQ System, E.ON Elnät, E.ON Vind Sverige, Energi Norge, Falkenberg Energi, Fortum, Fred. Olsen Renewables, Gothia Vind, Göteborg Energi, Jämtkraft,

Karlstads Energi, Luleå Energi, Mälarenergi, O2 Vindkompaniet, Rabbalshede Kraft, Skellefteå Kraft, Statkraft, Stena Renewable, Svenska kraftnät, Tekniska Verken i Linköping, Triventus, Wallenstam

Naturenergi, Varberg Energi, Vattenfall Vindkraft, Vestas Northern Europe, Öresundskraft.

Elforsk har utgjort kansli för programmet.

Produktion: Kreativ Media AB, www.krem.seGrafisk form: Gabriella Lindgren

Tryck: Planograf

3

denna rapport beskriver verksamheten för Vind-forsk iii under perioden 2009 till och med 2012. rapportens syfte är att på ett översiktligt sätt be-skriva programmets projekt och resultat. informa-tionen bygger på rapporter och andra underlag som projektledarna bidragit med i samband med utgivningen av programmets nyhetsbrev. detta material har sedan bearbetats journalistiskt av lars Magnell, Kreativ Media aB.

utförare av projekten är universitet och forsk-ningsinstitut, konsulter och även vindkraftsaktörer som projektörer, tillverkare och kraftföretag.

en viktig uppgift för Vindforskprogrammet, utöver att öka kunskapen inom vindkraften som teknikområde, är att bidra med kompetens. det sker dels genom att ovan nämnda konsulter och vindkraftsaktörer deltar i forskningsprojekten, dels genom den kompetensuppbyggnad som sker i dok-torandprojekt. inom Vindforsk iii har tio doktoran-der arbetat. av dessa har tre avlagt doktorsexamen och fyra sin licentiatexamen inom programmet. de som avlagt sin doktorsexamen arbetar nu med sin kunskap på högskolan, Svenska Kraftnät och på ett kraftföretag.

totalt under programetappen har 47 forsknings-projekt genomförts. därtill har sex stycken syntes-rapporter som beskriver forskningsresultaten samt trender och framtida forskningsbehov för delområ-den inom programmet tagits fram.forskningsprojekten har delats upp i fyra huvudområden:• Vindresursen, etablering och projektering• drift och underhåll• Vindkraft i kraftsystemet• Standardisering och omvärldsbevakning

Utbyggnaden av vindkraft i Sverige har varit framgångsrik. Mycket tack vare den kunskap och kompetens som mångårig vindkraftsforskning bidragit med. Vi utnyttjar hela tiden forskningsresultaten.

VINDFORSK– FORSKNINg SOm KOmmeR tIll Nytta

under programperioden har nyhetsbrev getts ut. Vindforsk har tillsammans med de andra svens-ka forskningsprogrammen tre gånger arrangerat forskningskonferensen ”Vindkraftsforskning i fokus” – den senaste 2012 med 370 deltagare – samt arrangerat mindre seminarier. nyhetsbreven, dokumentation från konferenser samt rapporter från programmets projekt finns tillgängliga via programmets hemsida www.vindforsk.se. elforsk aB har utgjort kansli för programmet.Jag vill här passa på att tacka energimyndigheten, kunderna till programmet och alla utförare som har gjort det möjligt att ta fram alla spännande forskningsresultat. det är min förhoppning att resultaten ska göra nytta i företagens arbete med projektering och drift och att programmets kun-skap och kompetens underlättar integrationen av en ökande andel vindkraft i kraftsystemet

Trevlig läsning!

Anders Björck, Elforsk AB, programledare för Vindforsk

Foto

: Lar

s M

agne

ll

5

INNeHÅll

VINDReSURSeN, etaBleRINg OCH PROJeKteRINg 6att projektera – bygga och styra verken för bra lönsamhet 7 Turbulenta vindar över skogen 8 Fjärrmätning av vind 10 Normalårskorrigering av vindmätningar 11 Effektiva vindkraftsparker 12 Snabbare CFD-metoder för optimering av vindraftsparker 14 Svårt att beräkna nedisning 15 Mätmaster borde inte haverera 17 Högre torn kräver ny teknik 18 Inga sprickproblem med rätt konstruktion 20 Prefabricerade fundament kan korta byggprocessen 21

DRIFt OCH UNDeRHÅll 22Rätt underhåll sänker kostnaderna 23 Stor besparingspotential med underhållsplanering 24 Jakten på låg vikt = klena växellådor 25 Termisk övervakning 26 Att undvika skador... 27 …genom tillgång till tillförlitliga data 27 Vindkraftverken klarar inte besiktningen 28 Oljans renhet avgörande för livslängden 29 Lovande ny övervakningsmetod 30 Felorsaker i omriktare till vindkraftverksgeneratorer 31

VINDKRaFt I KRaFtSyStemet 32 Vindkraften som del i kraftsystemet 33 GENERATORER OCH ELSySTEM 34 Ny generator kan ge lägre kostnader och bättre tillförlitlighet 35 Så upptäcks fel i det interna elnätet 36 Smarta lösningar för likströmsnät 37 Att skydda eller dimensionera för störningar 38 Vindkraft och felbortkoppling 40 ELKVALITET OCH KRAFTSySTEMSTABILITET 41 Så mycket toner tål näten 42 Lillgrund håller elkvalitetsmåttet 43 Risken för subsynkron resonans 44 Vindkraft avvärjer kraftsystemsvängningar 45 Anslutning relativt problemfritt 45 Vindkraft till havs – banar väg för supernät 46 Vindkraft kan bidra till kraftsystemets stabilitet 48 REGLERKRAFT 50 Ny metod för val av reglerkraft 51 Vad kostar vindkraftens prognosfel? 52 Frekvensreglerande vindkraft klarar ö-drift 54 Saknas standardiserade modeller 55

StaNDaRDISeRINg OCH OmVÄRlDSBeVaKNINg 56 Nytt och trendigt inom vindkraften 58 Standarder stimulerar tillväxten 59

lISta PÅ SlUtRaPPORteR FRÅN PROJeKteN 60

6

Vindresursen etablering & Projektering

6

7

projekten, som beskrivs i det här kapitlet, har till syfte att öka förutsätt-ningarna för att sänka kostnaderna för vindkraftsel.

Med bättre kunskap om byiga, turbulenta vindar över skogen, nedis-ningsförhållanden och hur vindkraftverkens vakar i parker påverkar var-andra, kan man bättre förutse energiproduktion hos ett visst vindkraftverk och de laster som det kommer att utsättas för. därmed ökar förutsättning-arna för val av rätt plats och rätt vindkraftverk. på så sätt kan kostnaderna för vindkraftselen sänkas.

Kunskapen från projekten syftar även till att öka säkerheten i bedöm-ningar av energiproduktionen och om vindkraftveken kommer att hålla sin förväntade livslängd. det gör att lönsamheten ökar genom att den finan-siella kostnaden för osäkerhet minskar.

att styra vindkraften smart i en vindkraftspark för att sänka laster och kanske även öka den totala energiproduktionen är också ett sätt som stu-deras för att öka lönsamheten.

Forsknings- och utvecklingsläget samt framtida forskningsbehovinom området har två underlagsrapporter tagits fram. en för delområdet Vindkraft i kallt klimat och en för Vindresursen och vakar. Båda rapporter-na beskriver vindforskprojekten inom sina respektive områden. rappor-terna har även varsitt kapitel som redovisar status inom området och vad som pågår forskningsmässigt i vår omvärld samt ett kapitel där framtida forskningsbehov och lämplig forskningsinriktning diskuteras.

för båda rapporterna är slutsatsen att den forskningsinriktning som be-drivits inom Vindforsk är relevant även för en fortsättning.

när det gäller området Vindkraft i kallt klimat behöver forsknings- och utvecklingsinsatser ökas på i stort sett alla områden som har med is att göra, till exempel kunskap om när is uppstår, isens påverkan på vindkraft-verken, metoder för att förhindra is på bladen samt metoder för att kunna mäta isen

för området Vindresursen och vakar är slutsatsen att forskning kring vindarna i skog är ett område där mer forskning behövs. Med hänsyn till Sveriges speciella förutsättningar med just skog, beskrivs det särskilt moti-verat med fortsatt forskning på just det området i Sverige.

rapporterna nedan beskriver forsknings- och utvecklingsläget samt framtida forskningsbehov.

Elforsk report 12:13, Icing of Wind turbines, Vindforsk projects, a survey of the development and research needsElforsk report 12:38, Wind Resources and wakes. Vindforsk projects, a survey of the development and research needsRapporterna kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

att PROJeKteRa – bygga och styra verken för bra lönsamhetInom området Vindresursen, etablering och projektering har sammanlagt 16 projekt bedrivits och fyra forskare påbörjat sina forskarstudier.

7

Foto

: Mas

is U

senm

ez/G

WEC

8

Vinden över skog är generellt ojämnare, turbulen-tare, än över öppen mark. detta genererar ytterli-gare lastvariationer för vindkraftverken. det bety-der ökad utmattning, vilket principiellt innebär att konstruktionerna måste anpassas för att klara den avsedda livslängden. de turbulenta vindarna är särskilt tydliga på måttlig höjd över trädtopparna och minskar sedan med höjden, vilket är ett starkt argument för att använda höga torn.

Både hög och låg turbulensi projektet Vindkraft i skogen har modeller för den turbulenta vindens egenskaper tagits fram. Mätningar med ultraljudsanemometrar från sam-manlagt sex höjder mellan 40 meter och 140 me-ter ovan mark ligger till grund för modellerna. den omfattande databasen, med observationer

Projektet Vindkraft i skogen har som mål att öka kunskapen om vilken elproduktion vindkraftverk kan uppnå i skogsmiljö samt vilka laster de utsätts för. Över skogen tilltar vinden snabbare med höjden än över öppen mark. Det innebär möjligheter till god elproduktion, förutsatt att verken är tillräckligt höga.

tURBUleNta VINDaR öVeR SKOgeN

under mer än 1,5 år, har analyserats för att ge en beskrivning av de turbulenta vindarna över skog för ett höjdintervall som sträcker sig över hela ro-tordisken för vindturbiner av en storlek som ty-piskt används idag.

Även om modellutvecklingen framförallt ut-nyttjat nya mätningar i projektet har också data från andra platser där vindenergiprojekt pågår eller har pågått utnyttjats. dessa mätningar har framförallt använts för att ge en bild av variatio-nerna hos de turbulenta vindprofilerna över skog beroende främst på olikheter i vegetation och to-pografi. förutom instrument som placerats i mas-ter har data från fjärranalystekniker med sodar och lidar utnyttjats. det är tekniker som bygger på att ljud- respektive laserpulser reflekteras mot partiklar och strukturer i luften.

Generering av virvlar bland trädtopparna

Virvlarna ger upphov till större turbulenta strukturer

z=26m

z=40m

z=138m

z=121m

z=96m

z=80m

z=61m

Mätningarna bekräftar bilden av en turbulentare vindmiljö ovan skogen. Men redan på 100-140 meters höjd kan vinden vara mycket jämn, närmast liknande förhållandena över ett hav.

VINDRESURSEN, ETABLERING OCH PROJEKTERING

9

Även mätningar i vindtunnel har genomförts. Syftet med mätningarna, som gjorts vid KTH i Stockholm, är att studera

ideala skogsförhållanden med hyggen av olika storlek och effekter av skogskanter. Lägg märke till den simulerade

skogen i nederdelen av vindtunneln.

lasterna kan bli högaKunskapen om vindarna över skogen har använts för att ta fram den typ av tidsvarierande vindfält som används när man beräknar lasterna på vind-kraftverk. i projektet har man tagit fram modeller över turbulens och vindgradient över en typskog. dessa vindfält har använts för att beräkna laster-na för ett 2,5 MW vindkraftverk. Motsvarande beräkningar är också gjorda med de vindfält som används i ieC:s standardklasser. Studien visar att utmattningslasterna för blad och torn typiskt blir 35 procent högre vid lika medelvind.

ökad turbulens närmast trädeni projektet har man funnit att det av skogen på-verkade gränsskiktet i form av ökad turbulens och större gradient begränsas i höjd och kan vara ganska tunt. över skogen avtar turbulensen ofta snabbare med höjden än över slät mark.

en slutsats från projektet är att det är viktigt med platsspecifika studier för att kunna bedöma vindkraftverkens laster. Kunskapen om att den värsta skogsturbulensen ofta är begränsad till skiktet upp till 4–5 trädhöjder, och avtar snabbt med höjden, talar för att en höjning av navhöj-den, förutom att ge en högre vind och mer effekt, är ett effektivt sätt att minska på de turbulensini-tierade utmattningslasterna.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:09, Vindkraft i skogen, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Han

s Bl

ombe

rg

Projektet har haft tillgång till lastmätningar på ett skogsplacerat vindkraftverk med samtidig

detaljerad information om den turbulenta vinden. Därigenom har man kunnat studera sambandet mellan vindens egenskaper och

lasterna. I mätningarna ingår även simuleringar för att undersöka om det går att minska påfrest-

ningarna på vindkraftverket genom att ändra programvaran i kontrollsystemet.

Mätningarna bekräftar bilden av en turbulen-tare vindmiljö ovan skogen. Men redan på 100-140 meters höjd kan vinden vara mycket jämn,

närmast liknande förhållandena över ett hav.


10

det konstateras i rapporten “State of the art of wind remote sensing” där kunskapsläget kring fjärrmätning av vind redovisas. i Vindforskpro-jektet – inom vilket rapporten skrivits – ordnades också ett seminarium där användare av fjärrmät-ningsutrustning diskuterade sina erfarenheter. fö-redragen och slutsatser från seminariet redovisas i rapporten.

två teknikeri rapporten redovisas kunskapsläget för mätning av vinden med Sodar och lidar. Med So-dar-teknik (Sonic detection and ranging) mä-ter man vindhastigheten genom att sända ut ljud-pulser och från dess eko få fram vindhastigheten inom en mätvolym. Med lidar-teknik (light detection and ranging) mäter man vindhastighe-ten genom att sända ut laserljus och från dess eko få fram vindhastigheten.

Med konventionella skålkorsanemometrar mäts vinden i en liten volym, i stort sett i en punkt. Med fjärrmätning mäts vinden i stället inom en volym som beroende på teknik och avstånd till mätpunkten kan vara olika stor. inom en sådan volym är ju vinden sällan konstant. Vindhastig-heten varierar och vindfältet kan vara krökt på grund av terrängens inverkan. dessa faktorer gör det svårt att få fram rätt medelvärde för vinden i mätvolymen, det uppstår så kallade orografifel. Genom att vinden mäts i en volym så är det hel-ler inte samma sak som när man mäter med skål-korsanemometrar. i rapporten beskrivs skillnader mellan mätresultat som fås med fjärrmätning och sådana som fås med skålkorsanemometrar.

Snabb utvecklingen slutsats i rapporten är att fjärrmätning har stor potential att bidra till en högre projektkvalitet om metoden används på rätt sätt. de numeriska mo-deller för vindberäkningar som finns ger ofta fel-

FJÄRRmÄtNINg aV VINDFjärrmätning har stor potential att bidra till en högre projektkvalitet om metoden används på rätt sätt. Fjärrmätinstrument i kombination med vanliga mätmaster ger säkrare skattning av vindresursen, vilket ger bättre lönsamhet och lägre risk än vindmodellering.

skattningar av vindresursen. fjärrmätinstrument, i kombination med vanliga mätmaster, ger säkrare skattning av vindresursen, vilket ger bättre lön-samhet och lägre risk än vindmodellering.

det gäller att använda rätt instrument för rätt ändamål. Vid seminariet beskrev Vestas represen-tant hur de till exempel använder lidar för att kartlägga extrema skjuvningar och vindprofiler vid utvärderingar av specifika sajter där det redan byggts vindkraftverk och man behöver studera ef-fekt och laster och förstå hur de beror av vinden. att göra detta med master och anemometrar hade krävt många master och blivit väldigt kostsamt.

i rapporten beskrivs hur utvecklingen på om-rådet är snabb. lidar är en teknik som har re-lativt få år av teknikutveckling bakom sig. Även Sodar är under fortsatt utveckling. i rapporten framgår det att tillförlitlighet och enkel använd-ning är något som behöver utvecklas för fjärrmät-ningsutrustningar.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 11:20,State of the art of wind remote sensing, som kan laddasned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: DN

V


11

utmaningen när det gäller vindmätningar är att vindförhållandena på en plats växlar år från år, vissa är bra vindår medan andra är normala el-ler dåliga. Medelvindhastigheten under ett bra vindår kan vara upp till cirka 6 procent högre än normalt för platsen och tvärtom under ett sämre år. en sex procents avvikelse i vindhas-tigheten motsvarar cirka 15 procent i avvikelse i energiproduktion. att ta hänsyn till vindens na-turliga tidsvariationer är därför nödvändigt för en korrekt prospektering av vindförhållandena. denna process kallas för långtidskorrigering el-ler normalårskorrigering. för att långtidskorri-gera vindmätningarna behövs en lång tidsserie av vindhastighet och vindriktning som täcker en vald referensperiod

NORmalÅRSKORRIgeRINg aV VINDmÄtNINgaRLönsamheten för en vindkraftspark är direkt relaterad till de vindförhållanden som råder där parken ska anläggas. Det är därför viktigt att kunna uppskatta parkens medelvind med god noggrannhet.

Riktlinjeri projektet har problematiken kring de olika val som en analytiker konfronteras med under lång-tidskorrigeringsprocessen studerats. i projektrap-porten redogörs för olika långtidsdataset som analyserats ur ett tidskonsistensperspektiv. olika sensitivitetstester har utförs för att kunna upp-skatta osäkerheten förknippad med valet av lång-tidsdata, referensperiod och korrigeringsmetod. i rapporten föreslås även riktlinjer för uppskattning av osäkerheten i långtidskorrigering.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:18, Long-term correction of wind Measurements State-of-the-art, guide lines and future work. Rapporten kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: AW

S Sk

ytec

h


12

Ju längre ifrån varandra de står, desto mindre stör de varandra. Samtidigt vill man av ekonomiska skäl få in så många som möjligt på ett givet område.

forskning om vindförhållanden bakom en vind-turbin har behandlats inom Nordiskt konsortium: Optimering och styrning av vindkraftsparker med deltagare från Sverige, norge och danmark. i pro-jektet har två doktorander samt seniora forskare varit finansierade av Vindforsk. totalt har sex dok-torander arbetat i projektet.

Konsortiets mål är att utveckla och förbättra kunskapen om vakarna i vindkraftsparker. Speciellt kunskap och rutiner för hur stora vindkraftspar-ker kan styras, både för att få en högre produktion men även så att förslitningslaster minskas så att underhållskostnader minimeras och livslängden på turbinerna förlängs. för att kunna utveckla denna typ av styr- och kontrollsystem krävs en förbättrad grundläggande förståelse om hur turbiner påverkar varandra, det vill säga hur vakar interagerar med varandra. Vaken definieras som det område bakom en turbin inom vilket vindhastigheten är lägre jäm-fört med hastigheten framför turbinen.

CFD-beräkningarför att få en grundläggande förståelse för hur en vak ser ut genomförs studier med hjälp av Com-putational fluid dynamic (Cfd) simuleringar. Med hjälp av dessa studeras hur olika parametrar

eFFeKtIVa VINDKRaFtSPaRKeRVid projektering av vindkraftsparker är det av stor vikt att bedöma hur avstånden mellan vindkraftverken påverkar energiproduktion, laster och ekonomi. En typisk frågeställning är hur långt ifrån varandra man behöver ställa vindkraftverken i en vindkraftspark.

påverkar vakens struktur och utbredning. Viktiga parametrar är den specifika layouten, d v s hur landskapet ser ut med höjdskillnader, våghöjder råhet (skog, öppna fält etc.).

Med grundläggande förståelse av individuella vakar kan sedan flera turbiner sättas samman till parker. Med hjälp av Cfd simuleras strömningen i parkerna där hela vindfält tas fram och kan utvär-deras. Även turbinernas produktion och hur den varierar beroende på vindriktning, turbulens och parkens styrning beräknas. figur ovan till höger visar ett exempel på en simulering av lillgrund. den här typen av simuleringar kräver mycket stor datorkapacitet då en körning tar flera dagar på hundratalet datorer. resultaten ger en bild av flödet från till exempel olika vindriktningar och olika turbulensnivåer.

god överensstämmelse Jämförelse av turbinernas effekt enligt mätningar i vindkraftsparken lillgrund och beräkningar med Cfd-metoderna i projektet visar mycket god över-ensstämmelse. i beräkningarna har aerodynamiska data för en ostörd vindturbin i parken som input till Cfd-beräkningarna tagits fram så att dess ef-fektkurva stämmer väl överens med mätningar. när dessa data används för turbinerna i hela parken – där de bakre turbinerna i parken blir skuggade av de främre – visar Cfd-beräkningarna mycket god

CFD simulering av vindkraftspark.Illustration av vakens utseende bakom en vindturbin skapad med CFD.


13

överensstämmelse med motsvarande mätningar.för en given placering av turbinerna i parken,

där turbinerna för vissa vindriktningar ”skuggar” varandra, är frågan om man kan öka produktio-nen totalt i parken genom intelligent styrning rele-vant. om man låter den främre raden ta ut mindre energi ur vinden – genom att bladen flöjlas för att släppa mer vind till bakomliggande turbiner – skul-le man kanske totalt kunna får mer effekt ur hela parken. detta har undersökts genom beräkningar med Cfd-modellerna. inledande studier i projektet visar dock att det endast har en marginell påverkan på den samlade parkeffekten; ökningen i effekt för de bakre turbinerna blev inte högre än den man tappat i den främre raden. en vinst kan dock vara att summan av utmattningslaster skulle kunna bli mindre. Genom att styra parkerna rätt kan man alltså ändå uppnå vinster i livslängd.

Kräver anpassade och snabba metoderVid optimering av vindkraftsparker krävs ett mycket stort antal simuleringar för att studera flera parametrar samtidigt. då behövs förenklade modeller för vaktransport och storskaliga vind-fluktuationer i parken. i projektet har man där-för även arbetat med traditionella meteorologiska beskrivningar av de storskaliga turbulenta varia-tionerna i parken, i kombination med semi-empi-riska modeller för vakarnas utbredning, transport och samverkan. tidigare har de turbulensmodel-ler man använder för analyser av enskilda vind-kraftverk inte använts för hela vindkraftsparker. Simuleringarna har blivit så datorkrävande – be-räkningstider i timmar – att fördelarna jämfört med Cfd inte varit tillräckligt stora. därför har man i projektet arbetat med nya algoritmer. Med dessa kan motsvarande flödesberäkningar utföras betydligt snabbare – beräkningstider i minuter –

med ett kraftigt reducerat behov av mellanlagring av data. dessa metoder bygger också på mer fysi-kaliskt riktiga förenklingar av vindens variationer i tid och rum.

Banar väg för parkoptimeringen viktig del i det nordiska konsortiet är delta-gande i arbetsgrupper inom iea. i sådana arbets-grupper har man i projektet tillsammans med andra internationella forskargrupper analyserat vindtunnelmätningar och man jämför resultat av olika sätt att modellera vakar och strömningen i parker. Genom nya delmodeller och ny kunskap som tas fram i det nordiska konsortiet så kan vindkraftstillverkare, konsulter och institut samt även certifieringsföretag utveckla sina verktyg för att beräkna effekt och laster i parker. på så sätt bidrar projektet till att dimensionering och kon-struktion av turbiner och parker – inklusive olika parkstyrningsmetodiker – görs på ett sätt så att verkligt beteende och verkliga laster motsvarar det man beräknar.

Som en skogen stor vindkraftspark blir som en skog och i lä om parken blir vinden uppbromsad och turbu-lent en lång sträcka. när man ska bygga större etableringar som flera grupper av parker gäller det därför att förstå hur parkerna påverkar var-andra. en del i det nordiska konsortiet är därför tillägnat att förstå hur vindstörningarna ser ut från en hel park.

Projektets resultat redovisas i rapporten Elforsk rapport 13:12 The Nordic Consortium, Optimization of Large Wind Farms, Activity report 2009–2012, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Om ORDet VaK

När ett vindkraftverk tar ut energin ur vinden uppstår ett ”vindhål” bakom

vindkraftverket. Man tar ju energi ur vinden och det innebär att luften

bromsas upp. På engelska kallas detta vindhål för wake vilket borde

översättas med ordet kölvatten (som till exempel det uppbromsade vatten

som uppstår bakom stenar i ström-mande vatten). Den vanligt använda

termen på svenska för kölvattnet bakom ett vindkraftverk är emel-

lertid ordet vak. Förutom att vinden bromsas upp så uppstår det turbulens

i luften i vaken. Ju längre bak efter vindkraftverket ju mer utslätad blir vaken för att väldigt långt bak helt mixas med den omgivande luften

så att man inte längre kan uppleva någon uppbromsning.

Foto: Vattenfall


14

Strömningen enligt den reducerade modellen i tre beräkningsdomäner kombinerade till ett strömningsfält.

Förenklad metodnär man bygger en vinkraftspark vill man att vind-kraftverkens vakar ska störa de andra vindkraftver-ken i parken så lite som möjligt. Man vill ha hög total effekt och låga laster. Samtidigt vill man att de ska stå nära varandra för att minska behov av elledningar i parken. för att hitta ett optimum måste man kunna räkna på många olika placeringskombinationer.

den bästa prediktionen av vakarna och de olika verkens effekt får man genom att använda olika typer av Cfd-metoder som ”large eddy Simula-tion” eller ”reynolds averaged navier Stokes”. att genomföra sådana beräkningar kräver dock alltför stora beräkningsresurser för att kunna användas i optimeringar och interaktiva beräkningar för park-design. då måste förenklade modeller användas.

i projektet instant Wind har man studerat en för-enklad modell som kombinerar snabbhet med att strömningen runt turbinerna och vindhastigheten i vakarna genereras med Cfd-beräkningar.

metoden går ut på att:1) Göra beräkningar med Cfd för olika typfall av placering av vindkraftverken.2) ta dessa Cfd-beräkningar och göra en så kal-lad modellreduktion där man matematiskt behål-ler den viktigaste informationen för flödet i vaken efter vindkraftverken för ett ental ”bas-fall”.3) Matematiskt koppla ihop dessa bas-fall för godtyckliga placeringar av vindkraftverken. i projektet har man visat att denna teknik reduce-rar modellens matematiska storlek tiotusentals gånger. Skillnad i beräknad effekt för de olika vindkraftver-

SNaBBaRe CFD-metODeR FöR OPtImeRINg aV VINDRaFtSPaRKeR

ken skiljer sig dock endast någon till några få procent från resultat med Cfd-beräkningarna. Snabbheten i modellen gör att den är möjlig att använda för opti-meringsberäkningar av vindkraftsparker.

på webbsidan www.instantwind.com visas ex-empel på hur metoden kan användas. Via denna sida kan man även ladda ned programkod som använts så att den kan användas vid utveckling i olika fortsättningsprojekt.

Projektets resultat redovisas i rapporten Elforsk rapport 12:72, Instant Wind, Model reduction for fast CFD compu-tations, som kan laddas ned från www.elforsk.se, www.vindforsk.se eller www.instantwind.com

modellreduktionen går ut på att skapa basvektorer från CFD-beräkningar med hjälp av Proper Ortogonal Decom-position, så kallad POD-teknik. Det görs för strömningen i utskurna domäner av hela parken där en domän täcker en kub runt ett vindkraftverk. Sådana strömningsbilder beskrivna av den reducerade modellen kopplas sedan ihop på ett sätt så att randvillkoren, det vill säga strömningen i kopplingen mellan de olika domänlösningarna, blir så bra som möjligt.

Att kunna räkna på hur vindkraftverken i en park påverkar varandra är, som beskrivits i föregående artikel (Nordiskt konsortium: Optimering och styrning av vindkraftsparker), viktigt. I projektet ”Instant Wind” har man utvecklat metoder för snabba beräkningar av vakarna i en park med utgångspunkt från CFD-beräkningar.


15

Beräkningsmetoder för nedisning ger underlag för intäktskalkyler, val av vindkraftverk och vilka sys-tem för avisning som är ekonomiska.

i det övergipande projektet Vindkraft i kallt kli-mat (V-313) har forskarna fokuserat på att förbättra beräkningsmetodiken för nedisning. projektet har skett i samarbete mellan uppsala universitet, SMHi och Weathertech Scandinavia. Mycket av arbetet har kretsat kring mätningar. Värden på meteorolo-giska data behövs för att utveckla modeller och för att kunna visa att modellerna ger relevanta svar.

i projektet har data från ett antal master samlats in. det vill säga uppgifter om observerad isbild-ning tillsammans med meteorologiska data som vind, temperatur, fuktighet, lufttryck, sikt och molnbas. Även data om isbildning från vindkraft-verk som ingår i energimyndighetens Vindpilot-projekt har använts. Mätdata har sedan jämförts med hur ett antal meteorologiska prognosmodel-ler beräknar isbildningen.

alternativa metoderett syfte med projektet är att utveckla tekniker att bestämma isklimatet. Men steget från att modellera nedisning under en tidsperiod, som en vintersäsong, till att ta fram en klimatologi är långt ifrån själv-klart. Med klimatologi menas medelvädret under en lång period som är representativ för många vintrar. Vanligt inom meteorologin är att grunda denna på en 30-års period. att med hög upplösning i beräk-ningarna – till exempel i ett rutnät på kilometerskala – modellera 30 år skulle vara mycket kostsamt när det gäller datortid. därför har flera alternativa meto-der analyserats i projektet. dels en metod som byg-ger på att välja ut vissa perioder som representativa för klimatet. Man kan med den metoden ta fram klimatologin grundat enbart på resultat för cirka 5 år i stället för 30 år. dels metoder som bygger på nedskalning från en grov upplösning – med vilken 30 år kan modelleras – till en hög upplösning där de småskaliga terrängvariationerna får driva nedskal-ningen. Båda metoderna ger realistiska resultat, men som naturligtvis i viss mån kommer att avvika från en sann 30-års klimatologi. iskartor för de tre vin-

SVÅRt att BeRÄKNa NeDISNINgNedisning av vindkraftverk leder till produktionsbortfall. Att finna metoder för att avgöra när och var nedisningsförhållanden uppstår är därför av stor vikt. Det gäller att förstå hur svår nedisningen kommer att bli på olika platser.

tersäsonger och de delar av Sverige för vilka resultat finns redovisas i projektet.

isbildningen mäts normalt med en isdetektor, som jämfört med ett vindkraftverk har en obetydlig ut-sträckning. därför är det ett stort steg att överföra data om isens tillväxt och smältning på en isdetektor till förhållandena på ett helt vindkraftverk. emel-lertid visar jämförelserna i projektet att det går att modellera dynamiken i hur isen faktiskt växer och smälter även i den stora skalan. en slutsats är att modellerna i allmänhet klarar att korrekt påvisa förekomst av isbildning, men att det är svårare att avgöra hur omfattande den är.

Men man måste ju veta att beräkningar ger rim-liga resultat. att finna robusta och bra metoder för att mäta nedisningen har visat sig vara svårt. därför genomfördes tre parallella delprojekt kring just is-mätning

test av flera isgivarei delprojektet V-363 testades fyra kommersiellt till-gängliga givare under samma förhållanden. projek-tet har även testat en ny typ av givarprincip under utveckling. Genom att alla givarna testats under

Foto

: Vat

tenf

all


16

Iea-aRBeteN KRINg NeDISNINg Inom IEA pågår arbeten i Wind Task 19, Vindkraft i kallt klimat. I denna arbetsgrupp ingår Sverige, med delfinansiering från Vindforsk. Det finns mycket att göra på området och det nätverk som arbetsgruppen erbjuder är viktigt för att föra utvecklingen framåt. Vad är då kallt klimat? Ja, faktiskt inte enbart kyla. En definition som gruppen använder gör gällande att det är ”platser med signifikanta nedisningsperioder el-ler perioder med temperaturer lägre än driftsgränser-na för standardturbiner” (fritt översatt från engelska).

ReKOmmeNDatIONeRI maj 2012 gavs rapporten ”Expert group study on Recommended Practices for wind energy projects in cold climate” ut. Denna inne-håller som namnet antyder rekommendationer för att minska risker och problem vid projektering och drift av Vindkraft I kallt klimat.Bland annat har gruppen tagit fram ett klassificeringssystem för hur allvarlig nedisning en sajt har. Klassificeringen ska användas för att välja rätt instrument och rätt turbiner. I en arbetsgrupp inom standardiseringsorganet IEC arbetar man på att få in kriterier för kallt klimat. Detta genom att uppdatera standarden för konstruk-tionskrav, IEC 61400-1 ”design requirements”.

samma förhållanden i samma mast har mycket er-farenhet samlats som kan användas för utveckling av metodik för att erhålla bästa resultat genom att kombinera mätresultat från olika typer av givare. den nya metoden som utvecklats bygger på en prin-cip som utnyttjar tre uppvärmda skålkorsanemome-trar. när en skålkorsanemometer blir nedisad visar den inte rätt vindhastighet. Genom att hela tiden ha en av anemometrarna uppvärmd, en som aldrig värms och för den tredje värma den när dess mätta vindhastighet skiljer från den uppvärmda så kan man bestämma perioder av aktiv nedisning.

Vindhastigheten störst betydelsede modeller som används för att beräkna nedisning utgår från en empirisk modell, den så kallade Mak-konens formel. Genom den beräknas intensiteten i påfrysning som funktion av vindhastigheten och luftens vatteninnehåll. Mätningar i det större pro-jektet ”vindkraft i kallt klimat” bygger till stor del på mätningar av påfrysning. de meteorologiska modellerna ger parametrar som vindhastighet och luftens vatteninnehåll. för att jämföra beräkningsre-sultat och mätningar är man därför beroende av att Makkonens formel verkligen stämmer. Bättre vore om man direkt kunde mäta luftens vatteninnehåll och även droppstorlek som har betydelse enligt for-meln. Målsättningen i projekt V-359 var att finna intressanta metoder för att mer direkt mäta vatten-innehåll och droppstorlek. undersökningen visade

emellertid att den typen av mätningar är tämligen dyra och komplicerade och något förslag på lämplig utrustning i meningen billig och tillförlitlig kunde man inte finna. i projektet har även en känslighets-analys över vilka faktorer som har störst betydelse för beräknad påfrysning genomförts. Studien visar att det är vindhastigheten som har störst betydelse.

Is ändrar optiska egenskaperföretaget Holoptics har i tidigare vindkraftsprojekt utvecklat en givare, som utgår från det faktum att en ytas optiska egenskaper ändras då den täcks av is. om givaren värms när nedisning uppstått och indikeras så smälter isen och indikeringen upphör. om man då avslutar uppvärmningen nedisas den på nytt. Hur snabbt den åter nedisas är ett mått på hur kraftig nedisningen är. i projektet V-303 har denna metod studerats i en isvindtunnel under oli-ka simulerade nedisningsförhållanden. proven visar att principen fungerar och att givaren har en hög känslighet vid lätt istillväxt men att den vid kraftig istillväxt blir mättad och indikerar konstant.

Projektens resultat redovisas i följande Elforskrapporter:10:05, Kalibrering av Givare som mäter istillväxt13:10, Wind power in cold climates, Ice mapping methods 13:14, Sensitivity study of important parameters for icing modeling and measurements 13:15, Experiences of different ice measuerments metodsSamtliga kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindfrosk.se

Bilderna visar hur instrumenten kan te sig i olika vädersituationer. Den högra bilden visar NRG-anemometrarna före montage i masten.


17

en undersökning i projektet visar att det bör finnas ungefär 400 till 500 stagade fackverks-master för vindmätning i Sverige. projektet fann underlag kring två haverier. i båda fal-len har nedisning bidragit till haverierna. Man kunde dock inte få fram den direkta orsaken till haverierna.

Färre framtida haverierStatistiskt är underlaget litet och det är svårt att dra generella slutsatser. i projektet görs via enkätsvar och intervjuer en uppskattning att fyra stagade master havererat de senaste 5 till 10 åren. Med antagandet att det sker ett masthaveri vart annat år och 450 master så ger det, med tillämpning av gällande standarder, en haveririsk som är tio gånger högre än vad den borde vara. Med rätt vind- och isunderlag, rätt konstruktion och rätt utförande borde vi se färre masthaverier de närmaste åren.

i de enkäter som genomfördes i projektet framfördes önskningar om bättre underlag kring dimensionerande islaster.

projektets rapport innehåller förutom re-sultat av undersökningen en diskussion kring sådant man bör tänka på när man köper eller bygger master.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 11:57, Masts for wind measurements, Experience feedback from failures and collapses, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

mÄtmaSteR BORDe INte HaVeReRa

Inom Vindforsk genomfördes under 2011 ett projekt för att kartlägga hur vanliga mätmasthaverier är och för att se om det fanns några gemen-samma orsaker till haverierna.

Foto

: Win

dene

rgyn

etw

ork


18

problemet med svetsade stålrörstorn vid högre höjder är att bottensektionens diameter blir så stor, omkring 4,5 meter, att den inte kan trans-porteras på vanliga vägar.

– ett sätt att komma runt problemet är att sät-ta samman tornet av plåtar som enbart förenas med skruvförband. då tillkommer kostnaden för dessa, men flänsarna bortfaller. de utmattnings-begränsande svetsarna försvinner också, och man kan använda bättre plåtkvaliteter, säger projekt-ledare Staffan engström och tillägger att sådana hopskruvade torn nu erbjuds av bland andra tur-

HögRe tORN KRÄVeR Ny teKNIKHittills har svetsade stålrörstorn använts på de flesta vindkraftverk. Tekniken är ekonomisk upp till 100–125 meters höjd. Om man vill bygga högre torn bör man pröva andra konstruktioner. Det framhålls i rapporten ”Höga torn för vindkraftverk” (V-342).

bintillverkaren Siemens för höjder upp till 140 meter.

Man kan också använda sig av hybridtorn för att lösa transportproblemen. i ett sådant torn består nedre delen av betong och överdelen av stålrör.

Betongtornförspända betongtorn har länge varit en annan alternativ teknik. till en början alltid glidforms-gjutna, på senare år oftare sammansatta av be-tongelement tillverkade i fabrik, vilket gör det lät-tare att få kontrollerade förhållanden.


Foto: Terex

19

– tekniskt fungerar bägge alternativen på sam-ma sätt, eftersom det är förspänningen med stål-kablar som ger dragstyrkan, säger Staffan eng-ström.

Mycket höga torn, upp till 150 meters höjd, till-verkas idag i tyskland. ofta som fackverkstorn, vilka till utseendet liknar kraftledningsstolpar. en svårighet med sådana torn i vårt klimat är dock risken för nedisning, som tidvis kan förhindra till-träde till maskinhuset, upplyser Staffan engström.

trätornpå senare tid har torn även byggts i trä, vilket i relation till styrkan är ett ekonomiskt konstruk-tionsmaterial. i Sverige finns lång erfarenhet av limträ och av de korslimmade träpaneler som an-vänds i trätorn.

– under 2012 har ett 100 meters trätorn byggts i tyskland och serietillverkning planeras av 140 meter höga torn, säger Staffan engström som menar att alla de ovan nämnda torntyperna är konkurrenskraftiga mot svetsade stålrörstorn vid högre navhöjder. det går dock inte att nu dra nå-gon slutsats om att en viss torntyp blir ledande i framtiden.

Höga torn är särskilt intressanta i skog, därför att vinden där tilltar snabbare med höjden än i öppen terräng och att man för att begränsa ut-

mattningslasterna bör komma upp över den tur-bulenta vinden på lägre höjd. rapporten visar att ett 3 MW verk i skog bör ha en navhöjd på upp till 150 meter. efter rapportens tillkomst har det tillkommit nya krantyper, som kan klara höga lyft med en lättare och billigare kran. dessutom krävs inte så stora uthuggningar i skogen.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 10:48, Tall towers for large wind turbines, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Staffan Engström


Foto: Timber Tower Foto: Timber Tower

Foto

: Lar

s M

agne

ll

20

Foto

: Sve

vind

Studien visar att anslutningen mellan torn och fun-dament med en ingjuten stålring kan ge upphov till sprickbildning i betongen och bilda ett mellanrum mellan betong och stålringen. trots att skadorna inte medför några omedelbara konsekvenser vad gäller bärförmåga kan de på lång sikt äventyra konstruktionens egenskaper och funktionsduglig-het. Men med rätt utförande av undergjutningar och med bättre lämpade konstruktioner kommer

INga SPRICKPROBlem meD RÄtt KONStRUKtIONNyhetsartiklar från Tyskland har pekat på problem med skadlig sprickbildning i betongfundament för vindkraftverk. För att undersöka hur vanlig denna typ av problem är och för att finna orsaker till att de uppstår utfördes en förstudie inom Vindforsk.

Armeringen till ett fundament där tornet spänns in via förspända bultar i en korg. En konstruktion som inte leder till de problem som en ingjuten stålring kan ge.

fundamenten att uppfylla krav på stabilitet och livslängd, lyder slutsatsen i projektet.

i studien har olika fundament, i huvudsak så-dana som används i Sverige, gåtts igenom.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 11:56, Cracks in onshore wind power foundations, Causes and consequences, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se


21

Stora vindkraftsparker med fler än 10-talet verk kan i fjäll- eller fjällnära områden knappast upp-föras under en sommarsäsong med dagens utfö-rande och teknik. för detta ändamål krävs vida-reutveckling och nya tekniker.

prefabricerade gravitationsfundament är en ny-ligen etablerad vidareutveckling av befintlig an-läggningsteknik. fundamenten består av på plats sammanfogade vertikala triangulära väggar och horisontella triangulära plattor, som täcks med lokala schaktmassor. Man kan kombinera denna teknik med så kallad cellarmering av band i hög-hållfast stål med runda hål. detta skulle kunna leda till kortare bygg- och monteringstid och där-med göra byggprocessen mera kostnadseffektiv.

Inte stark nogför att i ett första steg pröva den nya typen av armering har statiska och dynamiska hållfast-hetsegenskaper för betongelement armerade med cellarmering undersökts. i de prov som utförts i projektet uppvisade den cellarmerade betongen inte den önskvärda hållfastheten.

det kan finnas flera orsaker till det. i rap-porten diskuteras vikten av att betong- och stålkvaliteten matchas väl. Vid dragbelastning av en enhet av cellarmering kommer betongen i hålen att motverka deformation av cellarme-ringen. om betongen är för stark kommer den inte att krossas och all deformation kommer att lokaliseras till några få ställen, vilket innebär höga lokala spänningar i armeringen som kan resultera i brott. Val av annan stålkvalitet för cellarmeringen skulle kunna vara ett sätt att nå bättre hållfasthet. likaså framförs vikten av att cellarmeringens dimensioner måste anpassas till den omgivande betongens kvalitet för att de två materialen ska fungera tillsammans.

Mer forskning behövs för att hitta konstruk-tionsmodeller för cellarmerad betong. frågan

PReFaBRICeRaDe FUNDameNt KaN KORta ByggPROCeSSeNGoda vindlägen betyder ofta svåra bygglägen, som till exempel i fjällen där kylan och snön begränsar byggsäsongen. Genom att i förväg färdigställa delar av vindkraftverkens fundament skulle monteringstiden kunna förkortas.

om cellarmering är en signifikant mera kostnads-effektiv teknik jämfört med traditionella arme-ringsmetoder kan inte riktigt besvaras i nuläget.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:06, Prefabricerade gravitationsfundament med cellarmering för landbaserade vindkraftverk, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se


Foto

: Sjis

jka

Vind

22

Drift &UNDErHÅLL

22

23

Drift &UNDErHÅLL

inom området drift och underhåll har sammanlagt 9 projekt bedrivits. detta för att öka kunskapen kring tillståndsövervak-ning och beslutsmetoder för underhåll och för att finna svaren på varför fel uppstår i vindkraftverkens komponenter.

Forsknings- och utvecklingsläget samt framtida forskningsbehovinom området har en underlagsrapport som beskriver vind-forskprojekten inom underhållsområdet tagits fram. rapporten innehåller också ett kapitel som redovisar trender inom områ-det, vad som pågår forskningsmässigt i vår omvärld samt ett kapitel där framtida forskningsbehov och lämplig forsknings-inriktning diskuteras.

i rapporten framhålls att en vidareutveckling av metoder för underhållsstyrning är angelägen. i diskussionen kring hur såda-na ska kunna bli framgångsrika nämns behovet av att utveckla befintliga metoder för tillståndsövervakning, prognostisering och upptäckt av fel.

för att kunna optimera underhållet mot låga livscykelkost-nader behövs kunskap om förväntad tillförlitlighet för olika komponenter. det påpekas att tillgång till sådana data är en kritisk faktor och rapportförfattarna föreslår därför insatser för strukturerad insamling av sådant som felfrekvens, felorsak och reparationstider.

Elforsk rapport 12:41, Operation and Maintenance. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

RÄtt UNDeRHÅll SÄNKeR KOStNaDeRNaAtt hålla koll på skicket på komponenterna i ett vindkraftverk är viktigt. Det ger förutsättningar för tillståndsbaserat underhåll på ett optimalt sätt.

23

Foto

: Sky

prof

f

24

underhållskostnaderna för ett vindkraftverk kan minskas avsevärt genom optimering av strategier för underhåll, organisationer för underhåll och underhållsplaner.

detta gäller speciellt för havsbaserade vind-kraftverk där dåligt väder kan fördröja möjlighe-ten att rätta till fel, vilket kan leda till höga stil-leståndskostnader.

Underhållsstrategier i avrapporteringen från detta projekt presenteras två modeller för analys av ekonomisk vinst av tillståndskontrollbaserade underhållsstrategier för drivlina och turbinblad. resultaten visar att till-ståndskontroll för drivlinan kan reducera total kostnad för underhåll och produktionskostnader upp till 26 procent över livstiden, och minska ris-ken för höga kostnader för underhåll. Kostnaden för tillståndskontrollmetoder eller för kontinuer-lig övervakning för blad är starkt beroende av fel-intensitet och försämringsintensitet. resultat visar att tillståndskontrollövervakning som sker online är en optimal lösning i fall med hög felintensitet eller kort försämringsintensitet.

Underhållssupportorganisationtvå modeller föreslås för kostnadsanalys för

DRIFT OCH UNDERHÅLL

StOR BeSPaRINgSPOteNtIal meD UNDeRHÅllSPlaNeRINgKostnader för vindkraftens drift och underhåll kan minskas markant genom att använda systematiska metoder för underhållsplanering. Det framkommer i projekt V-327.

underhållssupportorganisationer genom att stu-dera inverkan av: placering av bas för under-hållsverksamheten, logistik och tillgänglighet av personal. resultat från en fallstudie för en vindkraftspark med 100 vindturbiner med ka-pacitet av 5 MW indikerar att en ekonomisk vinst kring 0.6 till 5.2 miljoner euro per år kan erhållas genom att optimera organisationen för underhåll. detta motsvarar 4–30 procent be-sparingar i kostnader för logistik och bortfall i produktion.

Underhållsplaneringen modell föreslås för att optimera underhålls-planeringen för underhållsaktiviteter genom att utnyttja situationer vid låg vind, eller när av-hjälpande underhållsaktiviteter är nödvändiga. resultat från en fallstudie visar en möjlig kost-nadsbesparing på 32 procent för kostnader för transport och produktionsbortfall. detta jäm-fört med en klassiskt schemalagd underhållspla-nering.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:11, On maintenance optimization for offshore wind farms, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

projektet på Chalmers ledde fram till doktorsexamen för françois Besnard i mars 2013. Hans avhandling On maintenance optimization for offshore wind farms kan laddas ned från www.vindforsk.se

Foto

: Sie

men

s

25


ett grundproblem tycks vara jakten på låg vikt och låga tillverkningskostnader i kombination med en snabb utveckling mot större verk. detta kan sammantaget vara en orsak till att lådorna inte håller måttet. den snabba utvecklingen mot nya verk har helt enkelt gjort att konstruktioner-na för en given storlek inte kunnat förfinas, menar rapportförfattaren andreas Horste, som pekar på ett antal åtgärder som borde resultera i längre livslängd:

– det är till exempel viktigt att välja rätt typ av olja för växellådorna. Smörjningen av högvarviga delar i lagren och kuggar på den högbelastade lågvarvssidan i växellådan skulle i teorin fungera bäst om olika oljor med olika viskositet (tjocklek) kunde används. Men eftersom detta (ännu) inte är möjligt måste man kompromissa och välja en olja vars egenskaper klarar de olika belastningarna på ett acceptabelt sätt. i kallt klimat och vid kallstar-ter är det därtill extra viktigt att se till att oljan håller rätt temperatur eftersom oljans viskositet ökar med kylan, framhåller andreas Horste.

– det är också viktigt med rätt filtrering av ol-jan, framhåller andreas Horste, som även under-stryker vikten av rätt övervakning av vindkraft-verken så att man kan stoppa och åtgärda skador innan de leder till haveri eller följdskador.

förstudien visar en erfarenhetsmässig livslängd för växellådor på 8–10 år. utsatta delar i växel-lådan, till exempel lager till HS-axeln, bör dock kontrolleras och bytas ut tidigare på grund av det höga slitaget. Vid upphandling av vindkraftverk bör därför inköp av ny växellåda eller renovering av befintlig växellåda inbegripas i kalkylen.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 10:50, Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

JaKteN PÅ lÅg VIKt = KleNa VÄxellÅDORDet är ett välkänt faktum att vindkraftverkens växellådor i många fall havererar långt före förväntad livslängd. I en studie har möjliga orsaker till haverierna undersökts. I avrapporteringen ges också förslag på hur växellådornas livslängd ska kunna förlängas.

Vindkraftverkens växellådor är känsliga. Här syns den blåmålade växellådan bakom maskinaxeln.

Foto

: Lar

s C

heun

gFo

to: S

iem

ens

26

termografi, även kallad värmefotografering, är en metod där man omvandlar ett objekts ir-strål-ning till en synlig värmebild. Vid termografering används en så kallad värmekamera som registre-rar infrarött ljus för att ”se” och ”mäta” den in-fraröda strålning som ett objekt avger.

i en Vindforskstudie från 2011 har termogra-fins möjligheter att användas för övervakning av komponenter i vindkraftverk undersökts.

Slutsatsen är att termografi i första hand är lämpligt för övervakning av elsystem och trans-formatorer samt för tidig brandindikering och styrning av släckningsinsatser.

Men när utrustningen är på plats kan även andra komponenter och system, till exempel elmotorer, växellåda, mekaniska bromsar, övervakas.

Ser dolda utrymmentermografin kan användas såväl för kontinuerlig övervakning som vid service och underhåll. Vid kontinuerlig övervakning kan ir-kameran mon-

teRmISK öVeRVaKNINgI takt med att vindkraftverken blir allt större ökar också kostnaderna för stillestånd och reparationer. Därmed ökar behoven av tillförlitliga och kostnadseffektiva övervakningssystem. En lämplig övervakningsmetod kan vara så kallad termografering.

Vid termografering används en så kallad värmekamera som registrerar infrarött ljus för att ”se” och ”mäta” den infraröda strålning som ett objekt avger.

teras på ett vridbord som möjliggör 360 graders synfält över anläggningen och där man med hjälp av speglar och gallerdörrar även ”ser” dolda ut-rymmen. en annan viktig applikation är vid drift-sättning av nya verk/komponenter eller efter re-paration.

redan idag genomförs termografi manuellt vid kontroll av elektriska system, men det i rappor-ten beskrivna systemet möjliggör även kontinu-erlig övervakning och avancerad bildbehandling som stöd för korrekta beslut kring service och underhåll.

ekonomiskt ligger termografilösningen på sam-ma prisnivå som existerande övervakningssystem, konstateras i rapporten.

Projektets resultat redovisas i rapporten 11:19, Feasibility study of thermal condition monitoring and condition based maintenance in wind turbines. Den kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se


Foto: Flir Systems

27

i etapp 1 undersöktes status och kvalitet hos till-gänglig information när det gäller tillförlitlighet och skador. projektet visar att det finns en påtaglig brist på data, varför det är svårt att dra några slut-satser om skador och tillförlitligheten hos kompo-nenterna.

i etapp 2 har ett inspektionsföretag utvärderat möjligheterna att uppnå och dokumentera hög sä-kerhet hos de mest kritiska mekaniska komponen-terna i ett vindkraftverk. detta med hjälp av åter-kommande oförstörande provning och inspektion.

i projektrapporten redovisas förslag på hur åter-kommande provning och inspektion väsentligt bi-drar till hög säkerhet för de mest kritiska meka-niska komponenterna i ett vindkraftverk.

delar som studerats är till exempel bladen, driv-

att UNDVIKa SKaDOR...Vindforskprojektet Damage preventing measures syftar till att utvärdera skadeförebyggande åtgärder för vindkraftverk. Projektet har drivits i två etapper.

för att planera för underhåll av vindkraftsanlägg-ningar med låga kostnader och korta stillestånds-tider krävs en god kännedom om delarnas förvän-tade tid till fel och förväntade reparationstider.

en raMS-databas kan ge information som kan användas som underlag för underhållsplanering, de-signförbättringar, riskanalyser och förbättrade drift- och underhållskontrakt med mera. Slutsatsen i ovan nämnda projekt är att liknande databaser lämpar sig väl även för vindkraften. Men, för att en databas ska vara till nytta för underhållsplanering och beslut om investeringar i ombyggnader krävs att den inne-håller data om tillförlitlighet på komponentnivå. Samtidigt bör den vara upplagd så att indata kan

…geNOm tIllgÅNg tIll tIllFöRlItlIga DataData om felhändelser som samlas i en väl fungerande driftsäkerhetsdatabas, används inom kärnkraftsindustrin och oljeindustrin. I projektet RAMS*- databas för vindkraft undersöks möjligheten att upprätta en liknande databas för vindkraften.

linans axlar och lager, bultförband och svetsar. i rapporten diskuteras skadetillväxt och det förs en diskussion om hur skador ska kunna upptäckas. för delar som växellådans snabbroterande axlar växer en skada mycket snabbt och dessa delar krä-ver metoder med kontinuerlig övervakning. för andra delar som huvudaxeln, växer inte skador till lika snabbt och det är möjligt att upptäcka skador med olika typer av så kallad oförstörande provning och visuella inspektioner. för flera delar kan ska-dor förhindras genom inspektionsintervall på ett eller några år. förslag till metoder ges i rapporten.

Projektens resultat redovisas i rapporterna 10:68 (etapp 1) och 11:18 (etapp 2) som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

skapas enkelt och automatiskt via andra inrapporte-ringssystem som vindkraftsbolagen använder sig av, framhålls bland annat i rapporten.

det kan tilläggas att det nu finns en arbetsgrupp inom iea Wind energy med uppgift att ta fram statistik kring tillgänglighet och tillförlitlighet (task 33 reliability data: Standardization of data Collection for Wind turbine reliability and Main-tenance analyses. se: http://www.ieawind.org/sum-mary_page_33.html).

Projektens resultat redovisas i rapporten 10:67, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

*raMS: reliability, availability, Maintainability and Safety


28

i detta projekt har 174 entreprenadbesiktningar av nyligen uppförda vindkraftverk studerats, vilket motsvarar cirka en tredjedel av de verk som byggts under perioden. av dessa ledde 52 besiktningar till underkännanden, det vill säga hela 30 procent underkändes. underkännande beror oftast på att summan av brister anses vara för stor.

Vad ligger då bakom de nedslående resultaten? – till stor del tror jag att det handlar om att vind-kraftsbranschen fortfarande är en omogen bransch. Beställarna är inte vana att ställa krav och leveran-törerna har också haft ett övertag genom den stora efterfrågan på vindkraftverk, menar Bertil anders-son, energo retea, som tillsammans med kollegan rikard Holmberg genomfört studien.

i studiens avrapportering konstateras att vanligt förekommande fel rör tornens ytskikt.

– Ser man på ytskyddet i sin helhet och lägger samman anmärkningarna som är registrerade som korrosion och skador på ytskyddet är det faktiskt den vanligaste anmärkningstypen, säger Bertil an-dersson.

Bristfällig smörjning en annan relativt vanlig anmärkning rör verkens girsystem, vars uppgift är att styra maskinhuset att följa vindriktningen. inte sällan är smörjningen av kuggkrans och drev bristfällig, vilket ger förkortad livslängd och leder till stora kostnader när delarna ska bytas ut.

Även växellådan får anmärkningar. en mycket

VINDKRaFtVeRKeN KlaRaR INte BeSIKtNINgeNMånga vindkraftsentreprenader klarar inte besiktningen. Det konstateras i rapporten Erfarenhetsåterföring från entreprenadbesiktningar.

Foto

: Sie

men

s

vanlig sådan rör låg olje-nivå, ett visserligen lättåt-gärdat problem men som skulle vara mycket allvarligt om det inte åtgärdades. det händer även att metallpar-tiklar påträffas i oljan som ska smörja växellådorna, vilket förstås är anmärk-ningsvärt med tanke på den ökade risk för haverier som detta medför.

Sammanfattningsvis är de flesta anmärkning-arna inte allvarliga eller svåra att åtgärda utan verkar snarast bero på leverantörens vilja att så snabbt som möjligt överlämna entreprenaden, menar Bertil andersson.

några vanliga anmärkningar kan dock inte för-klaras med tidspress. när det gäller dokumentation så har ofta beställare och leverantör helt skilda åsik-ter om vad man har rätt att kräva och även vad till exempel Ce- märkningen kräver. leverantörerna vill skydda sina kunskapsfördelar och beställaren vill vara säker på att de har tillräcklig dokumentation för drift, underhåll och slutligen även demontering.

Vad är då lösningen på dessa problem? – Ja, det handlar nog helt enkelt om att ingå kon-trakt som innebär att slutbetalningen inte sker förr-än alla fel är åtgärdade, säger Bertil andersson.

Projektets resultat redovisas i rapporten 10:51, Erfaren-hetsåterföring från entreprenadbesiktningar, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Bertil Andersson

Foto

: Lar

s M

agne

ll


29

den vanligaste vindkraftsturbindesignen använ-der växellåda i drivlinan för att anpassa varvtal från turbin till generator. fokus på växellådornas livslängd har ökat de senaste åren i takt med att maskinernas effekt och storlek växt. en påver-kande livslängdsfaktor är växellådsoljans renhet. i rapporten oil cleanliness in Wind power Gear-boxes behandlas betydelsen av ren olja och filter-metoder. därtill ges rekommendationer för hur man ska uppnå god oljerenhet.

antal partiklaroljerenhet kvantifieras vanligen genom att räk-na antalet partiklar per milliliter vätska varefter partiklarna sorteras i gruppvisa storlekar större än 4, 6 och 14 mikrometer. nästan alla räknade partiklar enligt metoden är större än smörjfil-men i växellådornas kontakter, som normalt är 0,1–1,5 mikrometer i minsta film. dessa partik-lar har därför, trots sin ringa storlek i absoluta tal, en påverkan på smörjningen. Som jämförelse kan nämnas att ett hår på människan är 17–180 mikrometer tjockt. Gränsen för urskiljning i ett bra ljusmikroskop är 0,5 mikrometer.

en laboratorieundersökning om noggrann-het vid partikelräkning med olika metoder, och blandningar av olja och utspädningsvätskor ge-nomfördes. för några, av de åtta insamlade väx-ellådsoljorna, visade automatisk partikelräkning variationer på upp till 16 gånger för räknade antal partiklar beroende på vald utspädningsvät-ska. Jämfört med mikroskopiräkning av filtre-rade partiklar var skillnaden ibland ändå större. undersökningen i projektet påvisar betydelsen att beakta hur prov är analyserade och utförda vid jämförelse av olika provresultat.

OlJaNS ReNHet aVgöRaNDe FöR lIVSlÄNgDeNOljans renhet har stor påverkan på växellådornas högt belastade lager och kuggar. Graden av renhet kan öka eller minska livslängden med så mycket som 50 procent. Livslängd i vindkraftsväxellådor är vanligen beräknat till 20 år eller mer.

Bra renhetfristående filtertester på två olika filtertyper vi-sade att de hade olika genomströmmande flö-den. den ena hade högre flöde och renade oljan snabbare. tester i verklig applikation, som inte genomfördes här, är nödvändiga för att bedöma verklig skillnad mellan filtertyper och dess lämp-lighet för vindkraftsväxellådor.

Värden på oljerenhet från turbiner i drift med bra oljereningssystem, som studerats i projektet, visar att renheten motsvarar eller överträffar re-kommenderade värden funna i publika material och handböcker. riktigt ren olja är bra för väx-ellådan, bra för oljan själv och ger bättre för-utsättningar för lyckosamma felorsaksanalyser och diskussioner. ren olja driver utvecklingen framåt. full inverkan av ren olja har ännu inte setts i vindkraft för att dessa inte varit i drift till-räckligt länge.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 12:52, Oil cleanliness in Wind Power Gearboxes, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se


Foto

: Mat

ton

30

tillståndsövervakning för diagnos av och för un-derhåll av vindturbiner kan ske på olika sätt. de vanligaste metoderna är övervakning med vibra-tionsacceleration och stötpulser. i projekt V-365 har en för vindkraften ny metod testats: akustisk emission. denna metod bygger på mätningar i ul-traljudsområdet. Metoden har visats ge resultat jämförbara med de beprövade metoderna som använder vibrationsacceleration och stötpulser. Men tillämpningar med akustisk emission har po-tential att vara mer kostnadseffektiva, enklare och mer pålitliga.

en varnings- eller meddelandetjänst har utveck-lats i projektet. ett referens- och ett störningsmått visas kontinuerligt och jämförs med normal-, varnings- och alarmnivåer i notifieringssystemet. Varningsnivån är satt till tre gånger standardav-vikelsen för signalen och alarmnivån är satt till fem gånger standardavvikelsen. när man fått er-farenhet av signalerna jämfört med observerade fysiska skador, kan varnings- och alarmnivåerna justeras.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:16, Acoustic Emission Stethoscope Measurements with Acous-tic Emission on Wind Turbines, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

lOVaNDe Ny öVeRVaKNINgSmetODTillståndsövervakning med hjälp av akustisk emission kan vara mer kostnadseffektiv, enklare och mer pålitlig än övervakning med vibrationsacceleration och stötpulser. Det beskrivs i projekt V-365.


Foto

: Bild

akut

en

31

en omfattande analys av omriktarspecifika fel- och alarmdata har genomförts i detta projekt (V-375). analysen har kompletterats med en litte-raturstudie med fokus på de mest drabbade kom-ponenterna, felmekanismerna och felorsakerna i omvandlare i vindkraftverk. Vidare har driftsför-hållanden av omriktarna på enstaka turbiner ana-lyserats. Slutligen har även ett antal utbytta om-riktarmoduler undersökts med hjälp av elektriska mätningar och metoder för forensisk analys.

lossnande anslutningar resultaten visar att det klassiska förslitningsfe-nomenet med anslutningar som lossnar från iG-Bt-transistorerna* inte är ett problem. testerna visade att dessa satt väl förankrade. Speciellt för dubbelmattade induktionsgeneratorer (där denna typ av transistorer kan utsättas för kraftig termisk cykling vid drift nära synkront varvtal) har detta förut beskrivit som ett möjligt problem.

av de kraftverk som undersöktes i studien så var havsbaserade vindkraftverk inte överrepre-senterade felmässigt.

en tydlig korrelation mellan blixtnedslag och omriktarfel kunde observeras. detta understöd-des i en en analys av moduler som uppvisade just denna problemorsak och där omriktarna under-söktes genom dissikering. döda insekter kunde upptäckas i närheten till modulerna. Huruvida dessa kan orsaka överslag är dock osäkert, men det rekommenderas likväl att åtgärder vidtas i kraftverk där insektsmängden är stor.

Kondensation misstänktes också vara en felor-sak. rekommendationen här är att kontrollera att förvärmning fungerar på avsett vis då risk för kondensation vid ett stillestånd finns.

Saltavlagringardataloggning av temperaturen genomfördes april till juni 2012. denna visade inte på några förhöjda

FelORSaKeR I OmRIKtaRe tIll VINDKRaFtVeRKS-geNeRatOReRFörslitningsfenomenet med anslutningar som lossar från transistorer är inte, som man skulle kunna tro, ett problem när det gäller felorsakerna i vindkraftverkens omvandlare. Däremot finns andra felorsaker som till exempel en tydlig korrelation mellan blixtnedslag och omriktarfel.

temperaturer, och därmed ansågs förhöjd tempe-ratur i omriktarskåpen inte vara en felorsak. det var dock inte möjligt att avgöra om den termiska pastan mellan iGBt-transistorerna och omriktar-modulernas kylfläns hade degraderats, vilket i så fall likväl hade kunnat ge en förhöjd temperatur i transistorerna.

en undersökt modul uppvisade avlagringar av salt och tillhörande korrosion. Huruvida detta salt hamnat där under transporten eller driften är okänt. en rekommendation är att åtgärder vidtas så att salt inte hamnar på modulerna.

detta arbete har gett indikationer på felorsaker. för att mera statistiskt säkerställt kunna presen-tera felorsakerna, föreslås att dokumentation vid omriktarfel förbättras och analyseras tillsammans med SCada-data. Vidare föreslås en mer omfat-tande forensisk analys, helst med mera bakgrunds-information om driftsituationen för den specifika felande komponenten. Slutligen föreslås en mer omfattande loggning av situationen i omriktarskåp ute i turbinerna.

Projektets resultat redovisas i rapporten 12:58, Investiga-tion of converter failure in wind turbines – A pre-study, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

*iGBt eller insulated-gate bipolar transistor (bipolär transistor med isolerat styre) är en typ av transistor

som är en vanlig komponent i modern kraftelektronik.

Foto

: Sie

men

s


32

VINDKRAFT I KRAFT-SYSTMET

32

33

Utmaningarna inom området är mångaVindkraftverken ska aktivt kunna bidra med att säker-

ställa stabil drift och stötta kraftsystemet vid olika typer av störningar för att minska risken att stjälpa systemet.

en annan viktig frågeställning rör upptäckt och bortkopp-ling vid fel i elsystemet som kan orsaka personskada eller skador på utrustning, antingen i vindkraftverken eller i el-nätet. att förstå vilka olika störningar som kan uppstå, och som vindkraftverken och dess elsystem ska kunna motstå el-ler undvika, utgör också en av utmaningarna.

en ytterligare utmaning är frågan om hur man i elmarkna-den överlag ska hantera produktionen från vindkraft, efter-som dess produktionskälla är vinden som är både variabel och svår att prognostisera.

den typen av frågeställningarna har utgjort drivkraften för sammanlagt 17 Vindforskprojekt. resultaten redovisas i fö-religgande slutrapport under följande rubriker:

• Generatorer och elsystem

• elkvalitet och kraftsystemstablitet

• reGlerkraft

Forskningsprojekten inom Vindkraft i kraftsystemet har som övergripande mål att bidra till lösningar som kan ge så låg kostnad som möjligt för vindkraftselen. I målet ingår även att lösningarna ska bidra till att kraftsystemet fortsatt kan leverera el med rätt spänning och frekvens på ett tillförlitligt sätt.

VINDKRaFteN SOm Del I KRaFtSyStemet

33

Foto

: Sta

tkra

ft

34

i ett forskningsprojekt på KtH har man studerat hur minskade underhållskostnader och förbättrad tillförlitlighet kan uppnås med en ny typ av borstlös dubbelmatad induktions-generator. doktoranden har under 2012 avlagt sin licentiatexamen inom projektet.

två av projekten har behandlat skydd av såväl nätet som elsystemen i vindkraftverken och i vindparkerna. detta genom smarta sätt till felupptäckt och bortkoppling. i ett pro-jekt har en vägledning för konstruktion av felbortkopplingssystem upprättats

på Chalmers och aBB har forskarna samarbetet i två projekt i syfte att undersöka och karaktärisera högfrekventa spänningsstörningar i kabelnät. inom projektet på Chalmers har en doktorand avlagt sin doktorsexamen.

Forsknings- och utvecklingsläget samt framtida forskningsbehovinom området har även en underlagsrapport tagits fram. rapporten beskriver Vind-forskprojekten inom området. rapporten innehåller också ett kapitel som redovisar trender inom området och vad som pågår forskningsmässigt i vår omvärld samt ett kapitel där framtida forskningsbehov och lämplig forskningsinriktning diskuteras.

i rapporten redovisas hur utvecklingen av drivlinesystem och generatorer sker på tämli-gen bred front. författaren uttrycker att det förefaller finnas spelrum för flera olika kon-cept och att det i dagsläget är svårt att utpeka enskilda koncept som framtida vinnare.

när det gäller motiv för framtida forskning så beskriver författaren att dessa till stor del är kopplade till produkter och tjänster från tillverkare av elsystemkomponenter för vindkraftverk och parker.

Elforsk rapport 12:40, Generators and internal electrical systems. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Inom delområdet har sex projekt genomförts.

geNeRatOReR & elSyStem

Foto

: Sta

tkra

ft

34

35

VINDKRAFT I KRAFTSySTEMET – GENERATORER OCH ELSySTEM

i projektet har principen för dubbelmatad induk-tionsgenerator för variabelt varvtal, där släpringar-na och kolborstarna har ersatts med en roterande kraftelektronisk strömriktare och en roterande ma-tare, undersökts. därtill har stationära och dyna-miska modeller för generatorn, tillsammans med en återkopplad reglering, utvecklats och tillämpats.

resultatet från modellkörningarna visar att ge-neratorn arbetar stabilt i både under- och över-synkron drift.

Vidare har generatorns beteende för både sym-metriska och osymmetriska felfall på nätet under-sökts. resultaten visar att generatorn har kapa-citet att motstå stora spänningsdippar. en stabil drift kan därtill uppnås även vid osymmetriska felfall vilket kraftigt reducerar pendlingar i effekt, ström, moment och dC-spänning.

Reaktiv effektforskarna i projektet har visat att den roterande mataren tillsammans med den kraftelektroniska strömriktaren är kapabel att mata reaktiv effekt till nätet genom rotorlindningen och att den där-med kan förbättra effektfaktorn; möjligheten att uppnå effektfaktor = 1 är demonstrerad.

i projektet har även en stationär modell för en enkelmatad asynkrongenerator utvecklats och studerats. i denna har den roterande mataren ta-gits bort och rotorlindningarna kortslutits genom de två roterande strömriktarna. Genom denna konstruktion kan eftersläpningseffekten cirkulera i rotorlindningen och med hjälp av de två rote-rande kraftelektroniska strömriktarna kan ro-torströmmen användas för att magnetisera asyn-kronmaskinen. därmed kan generatorn styras så

Ny geNeRatOR KaN ge lÄgRe KOStNaDeR OCH BÄttRe tIllFöRlItlIgHetMinskade underhållskostnader och förbättrad tillförlitlighet kan uppnås med en ny typ av borstlös dubbelmatad induktionsgenerator. Det visar projekt V-308.

att önskad effektfaktor uppnås.den övergripande slutsatsen från projektet, en-

ligt rapportförfattarna, är att generatorn kan ut-göra ett konkurrenskraftigt och kostnadseffektivt alternativ, speciellt för havsbaserade vindkraft-verk där minskat underhållsbehov och hög tillför-litlighet är extra viktigt.

Projektets resultat redovisas i rapporten 12:67, Analysis and Control Aspects of Brushless Induction Machines with Rotating Power Electronic Converters, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Gam

esa

win

d en

ergy

cor

pora

tion

geNeRatOReR & elSyStem

36


den bakomliggande studien visar att en felbehäf-tad anläggningsdel kan detekteras genom att mäta maxströmmen vid uppsamlingspunkten. ett kon-ventionellt överströmsrelä kan användas för detta ändamål.

en felbehäftad sektion i en linje kan upptäckas genom att jämföra strömmens amplitud vid sek-tionens båda ändar. detta görs lämpligen med ett strömdifferensrelä. detta kräver dock kommuni-kation mellan sektionens ändar.

överströmsskyddför växelströmsbaserade uppsamlingsnät med vindkraftverk med fulleffektomriktare kan den felbehäftade anläggningsdelen detekteras genom att kombinera information om aktiv effektrikt-ning och maxström vid uppsamlingspunkten. för detta kan riktningskänsliga överströmsskydd an-vändas.

i studien undersöktes tre olika metoder för upp-täckt av felbehäftade sektioner. den första meto-den bygger på att man jämför strömamplitud vid sektionens ändar, den andra på att man jämför

SÅ UPPtÄCKS Fel I Det INteRNa elNÄtetDenna rapport beskriver hur felbehäftade anläggningsdelar i två typer av växelströmsbaserade uppsamlingsnät för vindkraftsparker som ansluts via en likströmslänk kan detekteras.

(aktiva) effektriktningen vid sektionens ändar och den tredje på att man jämför pulsföljdsim-pedanser vid sektionens ändar. dessa tre metoder kräver alla kommunikation mellan sektionernas ändar. feldetekteringen kan åstadkommas med strömdifferensreläer, effektriktningsreläer och im-pedansreläer.

förenklade modeller har utvecklats för simule-ringsprogramvaran. ett typsystem bestående av 9 vindkraftverk anslutna till tre linjer (tre verk per linje) implementerades för studien. trefasig kortslutning har studerats vid ett antal positioner i uppsamlingsnätet. Kortslutningsbidraget från HVdC-länken och vindkraftverk med fulleffekt-omriktare begränsades till 10 procent över märk-ström. i projektet har en skyddslogik för detekte-ring och bortkoppling av fel tagits fram.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 11:69 Protection of AC Wind Collection Grid with HVDC Transmission, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Sie

men

s

37

i en vindkraftspark samlas effekten från alla tur-binerna upp i ett så kallat internt uppsamlingsnät. i ena änden av detta finns en gemensam plattform från vilken strömmen sänds mot land.

det interna nätet behöver då inte vara synkront med elnätet i land; man behöver inte ha just 50 herz i det interna nätet. då kan ett likströmsnät vara intressant. det finns flera skäl till att det kan vara en intressant lösning, ett är att effektförlus-terna i det interna nätet kan minskas.

Skyddssystem inte så utvecklatnär ett fel, som till exempel en lokal kortslut-ning, inträffar någonstans i det interna nätet mås-te denna del snabbt kopplas bort för att skydda andra delar. utrustning, koncept och kunskap kring felbortkoppling i likströmsnät är inte så utvecklat som för växelströmsnät. i projektet V-323 har man därför studerat olika koncept för felbortkoppling. i studien har man utgått från en park med 80 turbiner och en spänningsnivå på 50 kilovolt i likströmsnätet*. i huvudsak har tre alternativ för brytarkonfigurationer studerats, med både likströms- och konventionella växel-strömsbrytare. likströmsbrytare som finns idag är utrymmeskrävande och det kan leda till plats-brist i vindkraftverken.

Växelströmsbrytare möjlig lösning intressant nog har man därför i projektet visat på


SmaRta löSNINgaR FöR lIKStRömSNÄtNär vindkraftsparkerna blir stora och hamnar långt från land blir högspänd likström, HVDC, en intressant lösning för överföringen från plattformen till land.

* resultaten är generella och antalet turbiner eller spänningsnivå är inte det kritiska.

ett koncept då konventionella – och mindre – väx-elströmsbrytare kan användas i turbinerna för att bryta likströmmen. i projektrapporten redovisas för- och nackdelar med de olika koncepten.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 12:02 Protection system design for MVDC collection grids for off-shore wind farms, som kan laddas ner från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Sta

tkra

ft

38


likaså kan man minska de störningar de ger upphov till. allt kostar dock pengar och det gäl-ler att hitta avvägningar i syfte att minimera den totala livscykelkostnaden för elsystemet. för att göra det är det viktigt att förstå hur störningar uppstår, hur de sprids i elsystemet och vad de har för effekter när de når de objekt som utsätts för störningarna.

för att få bättre kunskap om hur snabba spän-ningsstörningar uppstår och sprids i uppsamlings-nätet för en vindkraftspark startades två projekt under Vindforsk ii. dessa har haft sin fortsättning som projekt V-325 och V-326 i Vindforsk iii:

Ny förståelseaBB Corporate research i Västerås har byggt upp delar av ett kabelbaserat 20 kV uppsamlingsnät med brytare och transformatorer i laboratorie-miljö. på Chalmers har forskare i en nedskalad anläggning gjort detaljerade mätningar av hur spänningarna fördelar sig över varven i en trans-formatorlindning när den utsätts för högfrekventa spänningsstörningar. i projekten har också, som en del i ett doktorandarbete*, teoretiska modeller för brytare, kablar och transformatorer tagits fram. Genom att använda dessa modeller i simulerings-modeller för uppsamlingsnät och jämföra med tes-ter i labben har en ny förståelse för förloppen och hur transienterna sprider sig i systemet erhållits.

att SKyDDa elleR DImeNSIONeRa FöR StöRNINgaRI elsystemet i en vindkraftspark finns komponenter som både ger upphov till spänningsstörningar och som måste skyddas mot störningar. Det finns olika sätt att skydda komponenterna, men de kan också konstrueras för att tåla vissa nivåer på störningar.

Underhållsfri vakuumbrytareModellering av brytare och experiment har foku-serats på vanligt förekommande vakuumbrytare. när denna brytare öppnas eller stängs så uppstår mycket snabba spänningsstörningar med korta stigtider på spänningen. i ett kabelsystem sprids dessa störningar som vågfronter så att de reflek-teras i olika delar av kabelsystemet och ändrar karaktär på sin väg till olika komponenter i sys-temet som utsätts för störningen, till exempel en transformator.

Värre än blixtnedslagden högsta belastningen i form av snabba spän-ningsförlopp som transformatorer idag konstru-eras och testas för är de som uppstår vid blixt-nedslag. Standarden för dessa tester anger pulser med 1,2 mikrosekunder (μs) stigtid. i Vindforsk-projekten visas emellertid att de transienter som uppstår vid repetitiva återtändningar i brytaren ger störningar med stigtider som är 25 gånger kortare. i doktorandprojektet visas också att de spänningar som uppstår mellan lindningsvarven i transformatorn kraftigt ökar när stigtiden på störningen minskar.

i en transformator ger dessa snabba störningar upphov till spänningar mellan lindningsvarven som kan vara betydligt större än de som fås med test en-ligt ieee:s standard för test för blixtnedslag.

39

*projektet på Chalmers ledde fram till doktorsexamen för tarik abdulahovic i december 2011. Hans avhandling Analysis of High-Frequency Electrical Transients in Off shore Wind Parks kan laddas ned från www.vindforsk.se

I vindkraftsparken Horns Rev har ägaren Vattenfall haft stora problem med att transformatorerna havererat. En av flera orsaker till det torde vara mycket snabba spänningsstörningar, snabba transienter, som uppstår vid brytarmanövrering.

Uppdatering av standardKunskapen som tas fram i projektet används nu för att uppdatera standarden för transformator-tester genom Cigré och ieee. i framtiden kom-mer det därför att ingå tester med specifikation för störningar med stigtider betydligt kortare än 1,2 mikrosekunder.

Skydd kan hjälpa, men inte alla skyddför att skydda transformatorer mot överspänning-ar används så kallade ventilavledare som leder bort snabba överspänningar. det har i projektet emel-lertid konstaterats att en ventilavledare inte klarar av att begränsa de mycket snabba störningar med stigtider på delar av mikrosekunder som det är fråga om. andra skydd har modellerats och testats i experimenten och det har visat sig att ett så kallat rC-skydd hjälper till att minska störningarna.


Framtida arbetei projektet har studerats vilka transienter och spänningsstörningar som uppstår i transforma-torn. att bedöma hur skadliga dessa är och hur de påverkas av olika isolationsmaterial är en fram-tida forskningsuppgift.

Huruvida det är mest ekonomiskt att utveckla skydd mot störningar eller att utveckla transfor-matorer som klarar störningarna får framtiden utvisa. projektet har gett ökad kunskap om hög-frekventa transienter så att förutsättningarna för ett kommande utvecklingsarbete har förbättrats.

Projektens resultat redovisas i den sammanfattande rapporten 12:03, High Frequency Transients in Large Offshore Wind Farms. Se även Elforsk rapporter 12:04, 12:05. Samtliga rapporter kan laddas ned från www.vindforsk.se eller www.elforsk.se

Foto

: Hei

di L

unds

gaar

d

40

felbortkopplingssystemet ska uppfylla anslut-ningskraven för elnätet, som bestäms av nätope-ratörerna och nätägarna, likväl som de generella säkerhetskraven. Kraven handlar om personsä-kerhet, driftsäkerhet och ekonomisk försäkring. det vill säga ett skydd mot de ekonomiska förlus-ter som fel kan ge upphov till.

för att gå igenom kraven på felbortkoppling och ge vägledning för konstruktion av felbort-kopplingssystem har Vindforsk låtit Gothia po-wer genomföra projektet V-310,

Vindkraft och felbortkoppling.projektet delades upp i två delar vilka redovisas i två rapporter. i den första delen (10:59) behandlas nuvarande praxis. den andra delen (10:99) utgör ett vägledande dokument angående konstruktion av felbortkopplingssystem.

projektets resultat redovisas i huvudsak i den slutliga rapporten.


VINDKRaFt OCH FelBORtKOPPlINgUtbyggnaden av vindkraft medför ett ökat behov av en tydlig vägledning när det gäller utformningen och kraven på felbortkopplingssystem och på felbortkoppling i elnäten.

rapporten belyser till exempel sådant där kon-flikter kan uppkomma. ett exempel är felbort-koppling vid kortslutning eller jordfel. det måste finnas system som kopplar ifrån matningen till och från vindkraftverken. ett sådant innehål-ler till del en frånkoppling som sker vid under-spänning med viss varaktighet. Samtidigt finns det genom föreskrifter från systemoperatören Svenska Kraftnät regler för att vindkraftverken ska kunna stanna kvar i produktion vid kortare spänningsbortfall, på engelska så kallad ”fault ride through”. Hur felbortkopplingssystem kon-strueras för att uppfylla sådana ”dubbla” typer av krav är exempel på sådant som behandlats i projektet.

Projektets resultat redovisas i rapporterna 10:50, Wind Power and Fault Clearance och 10:99, Wind Power and Fault Clearance, Final Report, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Han

s Bl

ombe

rg

41

Hur mycket distorsion som vindkraften orsakar och hur denna distorsion ska kunna beräknas i olika delar av nätet har varit fokus för två projekt.

i ett projekt har risken för att vindkraftverken kan orsaka så kallad subsynkron reso-nans (SSr) studerats. ett annat visar hur vindkraftverken kan styras för att dämpa kraft-systemoscillationer. i ett projekt har de problem som uppstått vid anslutningar kartlagts. ett projekt redovisar forsknings- och utvecklingsfronten för offshorenät. Slutligen har effektpendlingar, frekvenshållningsstöd och spänningsåterhämtning efter fel i kraftsyste-met studerats.

två av projekten har bedrivits som doktorandprojekt, där en doktorand nått licentiat-examen och en har nått doktorsexamen under perioden.


i rapporten beskriver författarna därtill den stora mängd forskningsprojekt som finns internationellt på området. de beskriver hur en parallell utveckling av smarta elnät och ökande andel vindkraft skapar många intressanta frågeställningar där forskningen behö-ver bidra. flera av frågeställningarna är intressanta ur svensk synvinkel.

Elforsk rapport 12:39, Power quality and system stability. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

elKValItet & KRaFtSyStem-StaBIlItetInom delområdet har sju projekt genomförts.

41

42

Vad man idag vet är att över- och mellantoner kan ge upphov till skador eller förkortad livslängd på utrustning. de kan även medföra att skydd i nätet inte fungerar som tänkt. det finns fall då skyddsreläer utlöst då de kanske inte borde lösa ut och där orsaken misstänks vara övertoner.

– Men vi behöver veta mer. över- och mellan-toner från vindkraftverken är relativt outforska-de, säger professor Math Bollen, som handleder ett doktorandprojekt inom Vindforsk för att öka kunskapen på området.

Både låga och höga nivåerMätningar inom projektet visar att nivån på övertoner är relativt låg i jämförelse med de ni-våer som redan finns i elnätet och i jämförelse med gränsvärden i standarden för övertonsni-våer. däremot är nivån på mellantonerna relativt sett hög. nivån på dessa toner är i mätningarna av samma storlek som övertonerna.

– att mellantoner uppstår är en relativt ny fö-reteelse i och med införandet av transistorstyrda frekvensomriktare, till exempel i vindkraftverken. i jämförelse med övertoner är krav och riktlinjer för mellantoner inte lika tydliga. olika elnätsfö-retag tillämpar olika riktlinjer eller inga riktlinjer alls för mellantoner, säger Math Bollen.

de teoretiska studierna i projektet visar hur övertonerna i allmänhet dämpas, men visar också att resonanser i nätet för vissa fall ger förstärk-ningar som kan ha betydelse.

Mätningarna i fält, en park med 14 vindturbi-ner, visar att den mätta distortionen vid anslut-ningspunkten i allmänhet är lägre än den som fås om man adderar distortionen från de 14 turbi-nerna. för vissa frekvenser runt 625–675 hertz finner man emellertid att distortionen i ström är väsentligt högre än den som fås om distortionen från 14 vindturbiner skulle läggas ihop. förkla-ring till detta är rimligen en resonans i uppsam-lingsnätet och visar att sådana kan vara väsent-liga att ta hänsyn till.

– en fortsättning av projektet kommer ytter-

SÅ myCKet tONeR tÅl NÄteNHur mycket vindkraft ett elnät kan hantera bestäms av flera faktorer. Förmågan att hantera felfall eller att hålla spänningsnivåer är exempel på begränsande faktorer. Men även andelen så kallade över- och mellantoner kan inverka på elnätens möjligheter att härbärgera vindkraft.

ligare att öka kunskapen om emissioner av över- och mellantoner och deras karaktär och i olika delar av nätet. en slutsats är att det är viktigt med arbete som gynnar framtagande av tydliga riktlin-jer för mellantoner, säger elforsks anders Björck.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 12:51, Harmonics and Wind Power. A forgotten aspect of the interaction between wind-power installations and the grid, som kan laddas ned från www. elforsk.se eller www.vindforsk.se

VINDKRAFT I KRAFTSySTEMET – ELKVALITET OCH KRAFTSySTEMSTABILITET

I PROJeKtet HaR: Emissionen vid anslutningen av fyra vindkraftverk av olika typ mätts. Modeller för hur störningarna förstärks och dämpas i elnätet i en vindkraftspark tagits fram. Emissionen i en park med 14 vindturbiner, dels vid ett av vindkraftverken och dels vid parkens transformator mot det överliggande nätet mätts.

elKValItetNär man talar om god elkvalitet syftar man bland annat på de nivåer som spänningen ska hålla sig inom och hur ström och spänning får avvika från den ideala formen av en sinusvåg. I realiteten har inte strömmen i våra elnät denna ideala sinusvåg. Strömmen är förvrängd (distorderad) med små variationer i tillägg till sinusformen.

Ett sätt att beskriva förvrängningen är att beskriva den som bestående av olika andelar övertoner av grundtonen 50 hertz. Det vill säga delar av strömmen med frekvenser som är multiplar av 50 hertz. Strömmen – och spänningen – innehåller även förvrängningar av vågformen som kan beskrivas som signaler med frekvenser som inte är heltals-multiplar av grundfrekvensen. Dessa förvrängningar kallas mellantoner.

Ett exempel på en överton är 7x50 hertz= 350 hertz. Ett exempel på en mellanton är 12,5x50 hertz= 625 hertz. Att strömmen får dessa förvrängningar beror på flera saker. Den generas inte som med perfekt sinusform, utrustning i nätet påverkar vågformen och utrustning hos elanvändarna alstrar störningar.

43

lillgrund i likhet med alla anslutna elkunder mås-te uppfylla ett antal uppställda krav av elkvalitets-karaktär från nätägaren och Svenska Kraftnät.

för att undersöka om vindkraftsparken uppfyl-ler dessa har mätningar utförts i projekt V-354. den övergripande slutsatsen från mätningarna är att lillgrund uppfyller ställda krav: anslutnings-punkten Bunkeflo (130 kV) har ett högt kortslut-ningsförhållande av cirka 24 vilket är en viktig faktor för att upprätthålla hög spänningsgodhet.

Behövs riktlinjerde ställda elkvalitetskraven innebär att mätdata, rådata, måste behandlas med matematiska meto-der. Men denna bearbetning är normalt inte defi-nierad i de tekniska kraven från nätägarna eller i standarder. det innebär att de framräknade värde-na i värsta fall kan bli olika trots att samma data använts. författarna till projektrapporten rekom-menderar därför att till exempel Svensk energi tit-tar på denna fråga med mål att ta fram riktlinjer för definition och val av beräkningsmetodik.

projektet har visat att regionnätet i Bunkeflo har mycket låga störnivåer i frekvensinterval-let 3–150 kHz. en allmän diskussion har funnits kring oro för att modern utrustning med kraft-elektronik, till exempel omriktare, ska kunna skapa störningar i det frekvensområdet. Mätning-arna i projektet visar att dessa inte, om de funnits för lägre spänningsnivåer i nätet, transporterats upp till högre spänningsnivåer där mätningarna i projektet skett.

enkla att användaför att mäta elkvalitet upp till 3 kHz kan kon-


Den första svenska vindkraftsparken till havs, Lillgrund, uppfyller ställda mätbara krav från E.ON Elnät och Svenska Kraftnät. Men det saknas branschgemensamma riktlinjer för definition och val av beräkningsmetodik när det gäller elkvalitet.

Foto

: Han

s Bl

ombe

rg

ventionella induktiva mättransformatorer an-vändas. regionnätsägare använder denna typ av mättransformatorer i sina anläggningar. rapportförfattarna rekommenderar att branschen efterfrågar typprov av konventionella induktiva mättransformatorer så att frekvenskarakteristi-ken, amplitud och fasvinkel, kan fastställas i frek-vensintervallet 0 Hz till 3 kHz före installation.

i projektrapporten konstateras att mätinstru-ment som erbjuder ett urval av färdiga analyser i vissa fall kan vara enkla och behändiga att an-vända. eftersom det saknas branschgemensamma riktlinjer för beräkning av elkvalitetsmått så följer inte mät- eller analysmetodiken alltid de krav som uppställts av nätägaren, åtminstone inte för samt-liga parametrar som ska analyseras. Slutsatsen är att analysen kräver tillgång till rådata från mätin-strumentet. rapportförfattarnas rekommendation är därför att åtminstone välja ett mätinstrument som levererar rådata utan någon som helst före-gående bearbetning trots att detta utan undantag medför hantering av mycket stora datamängder.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:13, Power quality analysis of a 110 MW wind farm in a 130 kV switchyard, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

lIllgRUND HÅlleR elKValItetSmÅttet

Lillgrund, den första svenska vindkraftsparken till havs.

44


det blir allt viktigare att studera hur den stora vindkraftsexpansionen påverkar dynamiken i kraftsystemet, speciellt då vindkraftverken kopp-las samman i större vindkraftsparker.

i en förstudie har Vindforsk undersökt om vind-kraftverk kan orsaka subsynkron resonans när de är kopplade till en seriekompenserad transmis-sionsledning. projekt har fokuserat på vindkraft-verk med variabelt varvtal (fulleffektomformare och dubbelmatade asynkrongeneratorer, så kal-lade dfiG).

Som beskrivs i rapporten verkar vindkraftverk med variabelt varvtal och fulleffektomformare vara immuna mot subsynkron resonans eftersom generatorn och transmissionsledningarna blir sär-kopplade av omformarna. detta gäller även för vindkraftsparker kopplade till kraftsystemet med hjälp av en HVdC-länk, under förutsättningen att HVdC-länken har ett lämpligt reglersystem.

RISKeN FöR SUBSyNKRON ReSONaNSVindkraftverk med variabelt varvtal och fulleffektomformare verkar vara immuna mot subsynkron resonans. Detta eftersom generatorn och transmissionsledningarna blir särkopplade av omformarna. Så lyder en av slutsatserna i projekt V-309.

för dfiG-systemen blir det dock annorlunda. Genom frekvensskanningsanalys, framkommer att denna typ av turbiner kan ha en resonansfrekvens som ligger under den synkrona frekvensen 50 Hz. om en matchande frekvens finns i transmissions-systemet, på grund av en seriekompensering, kan systemet bli instabilt med en växande subsynkron oscillation. dfiG-systemets resonansfrekvens be-ror på omformarnas (både rotor- och nätomfor-maren) reglerparametrar och dess driftområde. detta beroende leder till ett ganska stort område som resonansfrekvensen kan variera inom, vilket innebär att resonans kan inträffa för flera olika seriekompenseringsnivåer.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 11:29 The Impact of Wind Farms on Subsynchronous Resonance in Power Systems, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Han

s Bl

ombe

rg

45

normalt används synkrongeneratorer vid kraftge-nerering. Vindkraftverk skiljer sig dock från den konventionella tekniken då generatorn ansluts delvis eller helt via kraftelektronik till elnätet. det är därför viktigt att förstå hur kraftsystemet upp-för sig när stora mängder vindkraft ansluts.

i Katherine elkingtons doktorsavhandling framkommer hur vindkraftsparker kan dämpa kraftsystemsoscillationer. Hennes avhandling vi-sar att man med rätt styrning kan åstadkomma samma dämpning som annars bara kan uppnås med särskild utrustning.

i projektet har Katherine elkington inte bara ta-


VINDKRaFt aVVÄRJeR KRaFt-SyStemSVÄNgNINgaRI ett doktorandprojekt inom ramen för Vindforsk II och III har modeller utvecklats för beräkning av hur effektpendlingar påverkas av vindkraftverk. Detta främst när det gäller så kallade dubbelmatade asynkrongeneratorer.*

* på engelska double fed induction Generator, dfiG.

git fram modeller för kraftsystemet med dubbel-matade asynkrongeneratorer, hon lanserar även en ny metod för styrning av vindparker och en metod för koordinering av styrning för flera par-ker fördelade i ett kraftsystem.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 12:06, Ana-lysis of the dynamic impact of large wind parks in power systems samt Katherine Elkingtons doktorsavhandling med samma namn. Båda kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Genom att tillfråga vindkraftsoperatörer och nätägare via enkäter har man i projektet för-sökt identifiera olika problem och fenomen som skulle behöva forskningsinsatser för att lösas på bästa sätt.

Sammantaget kan sägas att de flesta problem som anmälts är sådana som går att komma till rätta med genom rätt koordinering mellan de oli-ka parterna. det vill säga vindkraftverkssägare, tillverkare och nätägare. detta till exempel när det gäller reläskyddskoordinering.

problemområden som författarna, daniel Wall och Christer liljegren, föreslår bör utredas är:

aNSlUtNINg RelatIVt PROBlemFRIttI projektet ”Problem vid anslutning av vindkraft till kraftsystemet” har problem och fenomen som kan uppstå vid nätanslutning av vindkraft undersökts.

• Detekteringavö-drift,detvillsäganärvind- kraftverk har blivit frånkopplade från det övriga elnätet • Nollföljdsspänningochspänningsstyva omriktare (två utredningar inom detta område) • Systemjordning,problemkoppladetill övertoner, mellantoner och resonans i elnätet.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 10:47, Problems in the power system related to wind power, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

46


nyutvecklade omvandlarkoncept kan komma att utgöra den tekniska grunden för ett kommande ”supernät”, som länkar vindkraftsparkerna och europas elsystem med varandra.

det menar Hans-peter nee och lennart Äng-quist som i en teknikbevakningsrapport samman-ställt en redogörelse för den tekniska utvecklingen på området elnät för havsbaserad vindkraft.

– Jag tror att utvecklingen går mot stora sam-manlänkade vindkraftsparker, långt ut till havs men det handlar samtidigt om att man måste satsa ofantligt stora pengar om ett havsbaserat trans-missionsnät ska kunna byggas, och det kan därför komma att ta tid, säger Hans-peter nee.

enorm potentialde tekniska lösningarna för omvandlarkoncept finns redan, konstateras i rapporten, och det är främst Siemens och aBB som har färdiga koncept att kommersialisera.

fram till för några år sedan var aBB den enda tillverkaren av transistorbaserad teknik för överföring av högspänd likström, så kallad HVdC-light. Men år 2007 lanserade Siemens en utvecklad och effektivare variant av samma tek-niklösning, som de valt att kalla HVdC plus. nu har även aBB lyckats utveckla en egen variant av detta koncept. Även alstom har hakat på denna trend, men ligger senare i utvecklingen och be-dömningen är att de behöver tid för att komma ikapp sina konkurrenter.

99 procents verkningsgradden nya typen av likströmsomvandlare är av en modulär typ, på engelska kallade ”modular mul-tilevel converter” förkortat M2C. i rapporten be-

VINDKRaFt tIll HaVS– BaNaR VÄg FöR SUPeRNÄtDet planeras för allt större vindkraftsparker allt längre ut till havs. Vid avstånd på över 5–10 mil blir tekniken med högspänd likström en intressant lösning för anslutning till elnätet på land. De senaste åren har den högspända likströmstekniken utvecklats i takt med utvecklingen av nya kraftelektroniska komponenter.

skrivs att dessa omvandlare har en verkningsgrad på över 99 procent, och att de genom sin uppbygg-nad bidrar till ökad tillförlitlighet. Moduluppbygg-naden gör att en godtycklig spänningsnivå och överföringskapacitet erhålls genom att addera mo-duler. en fördel med M2C är att fel på någon eller några moduler endast leder till en lägre spännings-nivå. tillförlitligheten kan ökas genom att välja ett extra antal moduler.

– Jag skulle tro att det är den här tekniklös-ningen som kommer att väljas för att koppla ihop

Hans-Peter Nee

Foto

: Lar

s M

agne

ll

47


SuPERGRID I NoRDSjöN oCH öSTERSjöNEn vision som rönt stort intresse är uppförandet av ett ”supergrid” för sammankoppling och nätanslutning av havsbaserad vindkraft. Det vill säga enorma likströmsnät som sammanbinder länderna kring östersjön Nordsjön och Medelhavet.

Den intresserade kan läsa mer på till exempel www.friendsofthesupergrid.eu/ eller http://www.desertec.org/

vindkraftsparker som ligger långt från kusten. Vi-sionen är ett sammanhängande nät som sträcker sig från östersjön över nordsjön och vidare över Biscaya och den iberiska halvön till Medelhavet, säger Hans-peter nee som menar att den kanske största fördelen med ett sådant nät vore möjlig-heten att kompensera för vindkraftens intermit-tenta karaktär. Kan man täcka in ett mycket stort område med vindkraftverk som länkas samman kan elen distribueras i förhållande till var och hur det blåser. ett sammanhängande transmissionsnät till havs, ett supernät, skulle också kunna komma till rätta med de flaskhalsar i elöverföringen som finns på land och därmed också underlätta för el-handeln mellan europas länder.

– de potentiella fördelarna är enorma, säger Hans-peter nee som dock inte tror att likströms-tekniken kommer att slå igenom för vindkraft

närmare land.– överföringen av el från vindkraftsparker som

inte ligger längre än 50 kilometer från kusten kommer fortsatt ske via växelströmskablar, åt-minstone så länge som den tekniken dominerar för den landbaserade vindkraften.

– detta skulle kunna förändras om nya typer av vindkraftverk utvecklas för vindkraft till havs men det lär inte ske så länge som den marknaden är så pass mycket mindre än marknaden för land-baserad vindkraft. Bara tre procent av europas vindkraft är idag havsbaserad, konstaterar Hans-peter nee.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 10:96, Perspectives on Power Electronics and Grid Solutions for Offshore Wind Farms, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Frie

nds

of s

uper

grid

48


i Vindforsk iii har ett projekt bedrivits i syfte att se över hur kraven för vindparksbeteende i kraft-systemet kan uppdateras. projektet, som genom-förts med stöd från de nordiska systemoperatö-rerna fingrid, Statnett och Svenska Kraftnät, har studerat tre olika delar:

1) Reaktiv effekt och effektpendlingari projektet framkommer att man kan bidra till att dämpa effektpendlingar i kraftsystemet genom att reglera reaktiv effekt med hjälp av vindturbi-nerna. Studieresultaten visar att regulatorn kan hantera en frekvensförändring på 0,1 Hz på ett godtagbart sätt.

en slutsats är också att påverkan är liten från vindkraftsparker som är kopplade till kraftsys-temets sändande och mottagande ände, så länge lastflödet hålls konstant.

Vid sådan placering av parkerna påverkar regu-latorns parameterinställning dämpningen endast marginellt.

Studien visar att det spelar stor roll var i sys-temet vindkraftsparkerna med denna reglering placeras. då vindkraftsparken placeras närmare kraftsystemets huvudledning blir resultatet att ef-fektpendlingarna ökar. Med en sådan placering ökar också påverkan av eventuell justering av re-gulatorns parametervärden.

2) Utnyttjandet av tröghetsmomentet Kraftgenerering sker normalt med synkrongene-ratorer kopplade direkt mot elnätet. om syste-met tappar en produktionsenhet så kommer det uppstå obalans mellan produktion och förbruk-ning vilket leder till att frekvensen sjunker. när frekvensen sjunker så bidrar emellertid trögheten i synkrongeneratorerna och turbinerna till att in-jicera effekt via sin tröghet, vilket minskar frek-vensminskningen. för vindturbiner med variabelt varvtal är rotorns tröghet helt eller delvis frikopp-lad från nätet eftersom generatorn ansluts med

VINDKRaFt KaN BIDRa tIll KRaFtSyStemetS StaBIlItetNär andelen vindkraft ökar i kraftsystemet måste vindkraften, likt andra produktionskällor, bidra till reglering av spänning och frekvens.

omriktare.Genom styrning av kraftelektroniken för vind-

kraftverkens omriktare kan man emellertid se till att efterlikna rotorns tröghet mot nätet, för att uppnå så kallad syntetisk tröghet.

i projektet har forskarna studerat effekten i nä-tet av denna styrning. de har i en modell av det nordiska elsystemet studerat flera fall. Modellen över det nordiska elsystemet innehåller i studierna 22 procent vindkraft. Vindkraftverken modelleras som dubbelmatade induktionsgeneratorer (dfiG) med styrning för att ge syntetisk tröghet.

Studierna visar att användandet vindkraftsge-neratorerna med ”synthetic inertia” skulle bidra till att minska det inledande tappet i frekvens som sker under ett par sekunder. en bortkoppling av 4,3 procent av produktionen, ger en lägsta frek-vens på 49,45 hertz med syntetisk tröghet, i jäm-förelse med 49,30 hertz utan.

Studier har också utförts för att hitta optimal inställning för regulatorn. att försöka hitta den mest optimala regulatorinställningen innebär att man får kompromissa mellan att kunna få ett maximalt bidrag under de första sekunderna efter en förlust av en produktionsenhet och be-hovet av kraft för att återställa nätfrekvensen till nominell frekvens.

3) Stöd till spänningsåterhämtning förutom dämpning av effektpendlingar används reglering av reaktiv effekt för att stödja spän-ningsåterhämtningen efter att fel i systemet upp-stått, genom så kallad reaktiv ströminjektion. när vindkraftverk inte är utrustade med någon spänningsreglering, kan det resultera i brist på reaktiv effekt och därmed försvåra spänningså-terhämtningen. detta gäller framförallt för in-duktionsgeneratorer och dubbelmatade induk-tionsgeneratorer.

Simuleringar visar att genom en spänningsre-gulator kan en dubbelmatad induktionsgenerator

49


användas som en källa för reaktiv ströminjek-tion. på det sättet kan spänningsdippar lindras, men det kan resultera i andra instabiliteter.

Simuleringar av spänningsåterhämtning efter fel (130–kV och 400–kV) nära stora vindkrafts-parker visar att den använda spänningsregula-torn möjliggör en stabil återhämtning även för ett svagt system.

däremot kan överspänningar uppstå efter ett fel. överspänningarna kan minskas genom att begränsa reglersystemet, men det i sin tur be-gränsar möjligheten för reglering i normaldrift. Simuleringarna visar också svängningar i spän-ningens amplitud cirka 400 millisekunder efter

bortkoppling av ett fel. dessa svängningar är inte ett bekymmer i sig, men de kunde peka på po-tentiell instabilitet från växelverkningen mellan spänningsregleringen av vindkraftsparken och de konventionella produktionsenheterna. det vi-sas att dessa svängningar kan dämpas genom att ändra värdena hos vissa reglerparametrar eller genom att sänka den tröskel vid vilken överspän-ningsstyrning av omvandlaren aktiveras.

Projektens resultat redovisas i rapporten 13:04, On some aspects of power system stability and grid code require-ments relevant for large scale wind power, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: EU

50


i rapporten beskriver författarna flera utmaningar där forskning behövs för att hantera vindkraftens variabilitet. de nämner behov av att studera såväl tekniska som marknadsmässiga aspekter. insamling och utnyttjande av realtidsdata och prognos-metodik nämns som viktiga delar för att uppnå väl fungerande system.

Elforsk rapport 12:42, Reserve requirements, balancing and market issues, Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

RegleRKRaFtInom delområdet har fyra projekt genomförts där olika aspekter på behovet av reglerkraft och hur vindkraften ska integreras i elsystemet och elmarknaden studerats. En doktorand har avlagt sin licentiatexamen under perioden.

50

51

Metoder som kan möta dessa utmaningar är nå-got som forskarna på avdelningen för elektriska energisystem på KtH arbetar med. arbetet leds av professor lennart Söder.

i projekt V-305 har effekter på primär- och se-kundärregleringen vid stora mängder vindkraft i norden studerats med koppling till forskningen inom KtH. arbetet har skett i en internationell miljö. Bland annat har forskarna deltagit i en ar-betsgrupp inom iea, task 25, ”power Systems with large amounts of Wind power”. Samarbe-tet* består i att internationella experter träffas och presenterar egna resultat för varandra samt förfat-tar skrifter som beskriver gemensamma slutsatser. arbetet presenteras i en slutrapport för den senaste etappen av task 25 och publiceras på www.ieawind.org våren 2013.

möjliga komponentfelen del av projektet V-305 har varit arbetet med en ny metod för att optimera vilken reglerkraft som bäst används vid olika tillfällen. Metoden tar hän-syn till osäkerheter i systemparametrar (såsom el-förbrukning och vindkraftsproduktion). Metoden utgår från en uppsättning möjliga komponentfel, som till exempel fel i elnätet, och beräknar den fördelning av produktionen som ger lägst kostnad samtidigt som den håller sannolikheten för system-fel under en viss given nivå. denna sannolikhet för systemfel motsvarar en viss tillförlitlighetsnivå.

Metoden kan användas av systemoperatören för att optimalt aktivera de billigaste reglerbud som säkerställer att systemet drivs på ett tillförlitligt sätt. Genom att ta hänsyn till osäkerheter i be-slutsfattandet öppnar den nya metoden för ett mer flexibelt och optimalt nyttjande av systemet än ge-nom att använda dagens deterministiska metoder. Metoden löser ett stokastiskt optimalt kraftflödes-beräkningsproblem som kan ses som ett optime-ringsproblem med probabilistiska bivillkor. dessa bivillkor säkerställer att sannolikheten att systemet befinner sig innanför stabilitetsytor (ytor bortom vilka systemet förlorar stabilitet) är tillräckligt stor. en av utmaningarna med att lösa problemet är att

VINDKRAFT I KRAFTSySTEMET – REGLERKRAFT

Ny metOD FöR Val aV RegleRKRaFtEn ökande andel vindkraft, med dess osäkerhet i förväntad produktion, medför nya utmaningar för en kostnadseffektiv och tillförlitlig drift av kraftsystemet.

kunskapen om de exakta stabilitetsytorna kräver om-fattande beräkningar samti-digt som de förväntade stora mängderna vindkraft kräver kunskap om större delar av dessa ytor.

Förenklingaratt ge en exakt lösning på detta problem med en rim-lig beräkningstid är bara möjligt för mycket enkla system. i projektet har man därför utvecklat för-enklingar som påskyndar beräkningstiden. Man använder till exempel andragradsapproximationer av stabilitetsytorna och en serieutvecklingsmetod för att beräkna sannolikheten för systemfel.

den nya metodens beräknade resultat har jäm-förts med Monte-Carlo-simuleringar – där man genomför ett stort antal simuleringar för en slump-artad process för att få fram det troligaste värdet – för att utvärdera inverkan av de använda approxi-mationerna. Jämförelsen visar att trots nödvändiga förenklingar för att snabba upp beräkningshastig-heten så säkerställer den approximerade optimala produktionsomfördelningen en tillförlitlighetsnivå väldigt nära den som sattes i optimeringsproblemet. en fortsättning av projektet kommer att jämföra de resultat som metoden ger med det sätt som systemet idag drivs på för att utvärdera fördelarna att inklu-dera osäkerheterna i optimeringsproblemet.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 13:43, Pow-er balance regulation at large amounts of wind power, Frequency control and international experience, som kan laddas ner från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

* Deltagare i samarbetet representerar olika länder. Deltagande länder är för närvarande Kanada, Danmark, Finland, Tyskland, Irland, Italien, Japan, Norge, Nederländerna, Portugal, Spanien, Sverige, Storbritannien och USA.

Lennart Söder

Foto

: Lar

s M

agne

ll

ORDFöRKlaRINgaR

Deterministisk: En deterministisk process är när man vet exakt vad som händer i en process vid en viss åtgärd.

Stokastisk: En Stokastisk process innebär att man inte säkert vet utfallet av en åtgärd. Bara vad man sannolikt ska få, till exempel att det i snitt blir en sexa var sjätte gång man kastar en tärning.

52

att väderleks- och vindprognoser inte är helt till-förlitliga känner alla till. det betyder att den mängd el som ett vindkraftverk producerar en viss timme sällan helt motsvaras av den volym som ägaren till kraftverket bjudit in till spotmarknaden. det vill säga det finns för det mesta en obalans mellan uppskattad eller prognostiserad produktion och verkligt utfall, ett så kallat balansfel.

Hur stora är då prognosfelen och vad kommer det att kosta?– frågan är förstås komplex och i rapporten re-dovisas olika svar för olika antaganden. Med en ökande andel vindkraft kan man dock förvänta sig att balanskostnaderna, räknat som öre per produ-cerad kWh, kommer att öka när vindkraftens an-del ökar, säger rapportförfattaren fredrik Carlsson vid Vattenfall research and development.

att det förhåller sig så beror på flera saker. en av


VaD KOStaR VINDKRaFteNS PROgNOSFel?I Vindforskprojektet ”Prognosfelens storlek och kostnad vid en storskalig utbyggnad av vindkraften” har kostnaderna för de så kallade balansfelen undersökts. Studiens övergripande slutsats är att kostnaderna för balansfelen ökar i takt med att vindkraften byggs ut.

de viktigaste är att en större andel vindkraft – som ju är svårare att prognostisera än annan reglerbar kraft – ger ett sammantaget större balansfel. det i sin tur innebär en ökad efterfrågan på reglerkraft som leder till att reglerkraftpriserna stiger.

en annan viktig orsak är att den ökade volymen prognosfel från vindkraften också resulterar i att det allt oftare är just vindkraften som är orsak till den totala volymen prognosfel. det innebär att det blir fler timmar som vindkraftsägarna måste betala för, eftersom man betalar när man ökar systemets prognosfel.

elområden spär påför att studera kostnaden för framtida prognos-fel har ett antal scenarier med 10 till 55 tWh ny vindkraft i det svenska systemet utvecklats och un-dersökts. Scenarierna bygger på existerande planer på nya vindkraftsparker, detta för att göra dem så

Figur 1) (bildtext figur 1): Jämfört med referensscenariot (siffror från år 2009 och en årlig vindkraftproduktion på cirka 1,5 TWh) och utan elområden kommer aktörernas kostnader för balansfel att öka med omkring 1 öre per kWh som mest. Med införandet av elområden kommer kostnaderna att öka ytterligare till upp emot 3,5 öre per kWh för den aktör i studien som får de högsta kostnaderna. Att kostnaden ökar när elområden införs beror inte på att behovet av reglerkraft för balansering ökar utan på att kostnaden kommer att belasta aktörerna på ett annat sätt. Förut skötte systemoperatören flaskhalshanteringen med hjälp av så kallade motköp. Kostnaden hamnade på systemoperatörens elnätstariffer. Dessa kostnader kommer, nu när systemet med elområden införs, att fördelades på aktörerna på ett annat sätt. I rapporten redovisas även andra scenarier med mer vindkraft och hur balanskostanden ser ut med olika antaganden om produktionens förutsägbarhet, alltså beroende på hur bra prognoser som kan göras. Projektens resultat redovisas i rapporten 11:01, Wind power forecast errors Future volumes and costs,

som kan laddas ned från www.vindforsk.se eller www.elforsk.se .

Fakta balansfel Balansfel beror på brist på förutsägbarhet. En aktör som kl 12.00 på tisdagen bjuder in en viss mängd elproduktion till elbörsen Nord Pool för leverans mellan exempelvis klockan fyra och fem dagen därpå förväntas också kunna leverera denna volym. Men att så lång i förväg veta att man kan leverera uppgiven mängd är svårt med tanke på vindkraftens relativt oförutsebara elproduktion. För att systemet ändå ska fungera köper systemoperatören Svenska Kraftnät in reglerkraft för att i varje stund hålla systemet i balans. I efterhand blir sedan de aktörer som inte hållit sin balans fakturerade för ”sin del” av kostnaderna som köp av reglerkraften. En detalj i sammanhanget är att en aktör inte behöver betala för prognosfel som går åt ”rätt håll” så att det hjälper systemet . Bildtext: En ökande andel vindkraft leder till ökade balanskostnader, räknat som öre per producerad kWh. Foto: Siemens

jämfört med referensscenariot (siffror från år 2009 och en årlig vindkraftsproduktion på cirka 1,5 TWh) och utan elområden kommer aktö-rernas kostnader för balansfel att öka med omkring 1 öre per kWh som mest. Med införandet av elområden kommer kostnaderna att öka ytterligare till upp emot 3,5 öre per kWh för den aktör i studien som får de högsta kostnaderna. Att kostnaden ökar när elområden införs beror inte på att behovet av reglerkraft för balansering ökar utan på att kostnaden kommer att belasta aktörerna på ett annat sätt. Förut skötte systemoperatören flaskhalshanteringen med hjälp av så kallade motköp. Kostnaden hamnade på systemoperatörens elnätstariffer. Dessa kostnader kommer, nu när systemet med elområden införts, att fördelas på aktörerna på ett annat sätt.

53


Foto

: Sie

men

s

realistiska som möjligt. för att få olika perspektiv har åtta balansansvariga aktörer skapats med olika ägande. aktörerna äger all ny vindkraft i scenari-erna och aktörerna skiljer sig från varandra genom att äga vindkraft med olika geografisk placering och spridning. tanken med detta är att ge vind-kraftsinvesterare en möjlighet att i studien hitta någon aktör att jämföra sig med som stämmer med de egna investeringsplanerna.

aktörerna har dessutom sina vindkraftverk olika fördelade i de elområden som Sverige delades in i från november 2011.

– detta har betydelse då balans kommer att räk-nas i vart och ett av dessa områden. ett plusfel i område 1 kan inte längre kvittas mot ett minusfel i ett annat område, konstaterar fredrik Carlsson.

figuren på föregående sida visar resultaten för ett scenario med 5 GW vindkraft (ca 10–15 tWh produktion per år).

i rapporten redovisas även andra scenarier med mer vindkraft och hur balanskostnaden ser ut med olika antaganden om produktionens förut-sägbarhet, alltså beroende på hur bra prognoser som kan göras.

Projektens resultat redovisas i rapporten 11:01, Wind power forecast errors Future volumes and costs, som kan laddas ned från www.vindforsk.se eller www.elforsk.se

En ökande andel vindkraft leder till ökade balanskostnader, räknat som öre per producerad kWh.

BalaNSFelBalansfel beror på brist på förut-sägbarhet. En aktör som kl 12.00 på tisdagen bjuder in en viss mängd elproduktion till elbörsen Nord Pool för leverans mellan exempelvis klockan fyra och fem dagen därpå förväntas också kunna leverera denna volym.

Men att så långt i förväg veta att man kan leverera uppgiven mängd är svårt med tanke på vindkraftens relativt oförutsebara elproduktion.

För att systemet ändå ska fungera köper systemoperatören Svenska Kraftnät in reglerkraft för att i varje stund hålla systemet i balans. I efterhand blir sedan de aktörer som inte hållit sin balans fakture-rade för ”sin del” av kostnaderna som köp av reglerkraften.

En detalj i sammanhanget är att en aktör inte behöver betala för prognosfel som går åt ”rätt håll” så att det hjälper systemet.

54

Åf har tidigare, för Svenska Kraftnät, studerat ett ö-system med 240 MW synkron vattenkraft. Studien visade bland annat att vindkraft kunde samköras med vattenkraft i ö-driftområdet men även att en större andel vindkraft i området gav upphov till kontinuerliga frekvenspendlingar på grund av varierande vindtillgång.

i det nu aktuella projektet (V-358) har Åf tagit fram olika modeller för frekvensreglering av vind-kraftverk, som är anslutna till nätet via så kallade fulleffektomriktare.

resultaten visar betydande nätprestandaför-bättringar för frekvensreglerande vindkraft jäm-fört med konventionell energioptimerande vind-kraft. Samtidigt påverkas inte vindkraftverkens varvtal i speciellt stor utsträckning i något frek-vensreglerande fall.

faktum är att vindkraft med frekvensreglering förbättrar systemstabiliteten avsevärt i ö-nätet och förbättringen ökar med mängden installerad vindkraftseffekt. implementeringen av frekvens-regleringen verkar vara enkel med justeringar i


FReKVeNSRegleRaNDe VINDKRaFt KlaRaR ö-DRIFtVid fel i elnätet kan delar av nätet behöva kopplas bort från andra delar och drivas i så kallad ö-drift. Men även i ett sådant system måste kraftverken regleras så att nätfrekvensen hålls stabil kring 50 hertz. En ny studie visar att även vindkraftverk kan bidra till att klara denna uppgift.

befintlig mjukvara och möjlig att genomföra utan ändringar av hårdvaran i vindkraftverken.

Projektets resultat redovisas i rapporten 12:43, Frequency Controlling Wind Power Modeling of control strategies, som kan laddas ner från www.vindforsk.se eller www.elforsk.se

Resultaten visar att maximala vindinducerade nätfrekvensvariationer sänks från 0,3 hertz till mindre än 0,1 hertz med frekvensreglerande vindkraft vid normal vind och från 0,4 hertz till mindre än 0,2 hertz vid extrem vind.

Maximala frekvensutslag efter belastningssteg förbättrades från 48,3 och 51,4 hertz till 49,2 och 50,5 hertz.

Den maximala frekvensderivatan reducerades samtidigt från 0,62 hertz per sekund till 0,48 hertz per sekund, och varaktigheten av en frekvensderivata större än 0,3 hertz per sekund reducerades från 1,9 till 0,8 sekunder för belastningsinkoppling och från 2,1 till 0,6 sekunder för belastningsfrånkoppling.

Det genomsnittliga frekvensderivatavärdet för en 200-sekundersperiod, inklusive de två belastnings-stegen, reducerades från 0,08 hertz per sekund till 0,03 hertz per sekund.

Foto

: Lar

s M

agne

ll

55

i projekt V-379 sammanfattas användningen av modeller för vindkraftsanläggningar och behovet av standardiserade och generiska modeller. fokus ligger på styrbarhet av storskaliga vindkraftan-läggningar bestående av många vindkraftverk*.

Vindkraftverk kategoriseras i allmänhet i fyra olika typer. användbarheten av modellerna av-seende övergripande styrbarhet och tillhörande systemdrifttjänster utvärderas i projektrapporten. detta görs genom att sammanfatta andra pro-jekt i området och via frågeformulär till några utvalda intressenter i branschen. Svaren på frå-geformuläret indikerade ett behov av standardi-serade modeller. den allmänna slutsatsen är att modeller för vindkraftverk med dubbelmatade asynkrongeneratorer respektive fulleffektsom-vandlare kommer att vara de viktigaste typerna att modellera.

modelicafördelarna med att använda ett generellt model-leringsspråk som till exempel Modelica beskrivs.


SaKNaS StaNDaRDISeRaDe mODelleRElproduktion från vindkraft ökar snabbt världen över och de enskilda installationerna blir allt större. Det innebär ett ökat behov av lättillgängliga simuleringsmodeller och standardiserade och generiska modeller för vindkraftsanläggningar.

de vanligaste komponenterna i modeller av vind-kraftsanläggningar beskrivs för de olika typerna av vindkraftverk. instationär aerodynamik (dy-namic inflow) är troligen ett viktigt fenomen vid modellering av styrbarhet, vilket ofta saknas i vindkraftsmodellerna för kraftsystemstudier.

inga generiska modeller som lämpar sig för modellering av kompletta vindkraftsanläggningar och som inkluderar både elektriska och aerodyna-miska modeller hittades. Sådana modeller behövs för att modellera den överordnade styrningen av stora vindkraftsanläggningar och förmågan att le-verera olika typer av systemdrifttjänster. överlag har lite standardiseringsarbete gjorts med avseen-de på modellering av överordnade styrsystem för vindkraftsanläggningar samt styrbarheten av och interaktioner inom en vindkraftsanläggning.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 12:47, Genearic models for Wind Power Plants Needs and previ-ous work, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

* Det mesta av tidigare arbete med standardiserade och generiska modeller omfattar transient stabilitet och enstaka vindkraftverk. De båda standardiseringsorganisationerna International Electrotechnical Commission (IEC) och Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) har pågående arbeten med standardisering av sådana modeller. Western Electricity Coordinating Council (WECC) har tagit fram riktlinjer för modellering av vindkraftsgenerering, vilka har haft stort inflytande.

Foto

: Sie

men

s

56

Foto: Adelino O

liveira

56

57

standaRd-iseRing & omväRlds-bevakning

57

58

flera av de traditionellt stora europeiska vindkrafts-tillverkarna förefaller ha stagnerat i sin tillväxt. den stora ökningen har i stället skett hos kinesiska leve-rantörer, där det idag finns flera företag bland de tio största i världen. det innebär att Kina nu också är det största tillverkarlandet för vindkraftverk.

teknikgenombrottförskjutningen av marknad och tillverkning gör att även det tekniska initiativet påverkas. ett på-tagligt utslag är ett genombrott för direktdrivna generatorer, dessutom med en modernare teknik med permanentmagneter än den som tidigare varit i stort sett ensam på marknaden. för västvärlden kan det bli bekymmersamt, på grund av att kinesis-ka intressen äger merparten av världens gruvor där man bryter sällsynta jordartsmetaller som ingår i magneterna, vilka även används i elbilar.

relativt sett allt billigare turbinblad leder till att optimeringen av verken förändras, med generellt allt större turbiner för en viss generatoreffekt. för användaren leder det till att utnyttjningstiderna blir allt större. i ett exempel från en tillverkare ökar utnyttjningstiden på en plats med måttliga vindför-hållanden från omkring 2 000 timmar för en tio år gammal konstruktion till närmare 3 500 timmar för ett nytt verk.

ett pånyttfött intresse för vertikalaxlade vindtur-biner har uppkommit bland annat i Sverige, men har inte resulterat i någon kommersiell produkt.

den dominerande tekniken för att tillverka torn för vindkraftverk har länge varit svetsade stålrörstorn. för att utnyttja materialet på bästa sätt bör de vara koniska. Vid omkring 100 meters höjd uppnår man 4,5 meters bottendiameter för ett vindkraftverk i MW-storlek, vilket sätter grän-sen för vägtransporter. alternativa tekniker är att foga samman plåtarna i tornen helt med skruvför-band, torn av förspänd betong, hybrider av stål och betong, fackverkstorn samt även torn av trä.

STANDARDISERING OCH OMVäRLDSBEVAKNING

Nytt OCH tReNDIgt INOm VINDKRaFteNUtvecklingen av vindkraftstekniken har huvudsakligen skett i Europa och USA. Drivkraften har varit det energipolitiska intresset att öka andelen förnybar elproduktion. Under de senaste åren har det i Kina utvecklats allt större maskiner, i MW-klassen, som marknadsförs framgångsrikt nationellt och internationellt.

Synkrona generatorerutvecklingen av vindkraftverkens elsystem drivs till stor del av de ökande kraven på reglerbarhet och tålighet mot störningar, som följer av vindkraf-tens allt större andel av elproduktionen. detta har lett till en utveckling mot användning av synkrona generatorer, antingen högvarviga i kombination med en kuggväxel, eller direktdrivna. i båda fallen kombineras de med en elektrisk omriktare, som di-mensioneras för kraftverkets hela effekt.

Projektets resultat redovisas i Elforsk rapport 10:49, Nytt och trendigt inom vindkraften.Omvärldsbevakning 2010, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: GW

EC

59

arbetet drivs i ett stort antal arbetsgrupper inom ieC tC88, international electrotechnical Com-mission och i europa inom CeneleC, european Committee for electrotechnical Standardization. Huvudman för det svenska standardiseringsarbe-tet är SeK, Svensk elstandard. de svenska intres-senterna finns samlade i SeK:s tekniska kommitté tK 88, säkerhet för vindgeneratorer. det svenska deltagandet har varit aktivt i tK88 samt ett urval av tekniska kommittéer. Som exempel kan nämnas arbetet med prestanda, säkerhet och kommunika-tion. Sveriges deltagande har varit relativt begrän-sat i jämförelse med de stora vindkraftsländerna. trots detta har svenskt deltagande gett både möj-lighet att påverka standarderna samt sprida kun-skaperna om existerande standarder i landet.

KommunikationsstandardSverige tog tidigt initiativ till att ta fram en kom-munikationsstandard för övervakning och kontroll av vindkraftverk. den första delen av standarden blev färdig 2006. därefter har standarden utveck-

STANDARDISERING OCH OMVäRLDSBEVAKNING

StaNDaRDeR StImUleRaR tIllVÄxteNDet internationella standardiseringsarbetet inom vindkraftsområdet startade redan 1987. Den första internationella standarden publicerades 1995. Sedan dess har intensiteten i standardiseringsarbetet ökat avsevärt. Målet med arbetet är att ta fram standarder för designkrav, kvalitetssäkring och certifiering.

lats och har underlättat för kraftföretag att kom-municera med vindkraftverk från olika leverantörer på ett standardiserat sätt.

Standardiseringsarbetet har på ett avgörande sätt påverkat den storskaliga introduktionen av vind-kraften genom att skapa ramverk som stöttar den kommersiella introduktionen av tekniken. det hade inte varit möjligt att vara där vi är i dag om det inte funnits standarder för prestanda, ljud emission, tur-binklasser och elektriska system med mera.

under den gångna fyraårsperioden har flera nya standarder sett dagens ljus: design requirements for offshore wind turbines, Conformity testing and certification, lightning protection och time-based availability for wind turbine generating systems.

arbetet i de tekniska kommittéerna förväntas fortskrida på bred front i framtiden.

Projektets resultat redovisas i rapporterna 10:42, 11:17, 12:07, 13:08, som kan laddas ned från www.elforsk.se eller www.vindforsk.se

Foto

: Sie

men

s

60

PROJEKT RAPPORT

V-302 Standardisering inom vindkraftområdet 2009, Jan Blix, Vattenfall, June, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:42

V-302 SEK TK 88 Annual Report 2010, Swedish participation in standardisation work in wind energy 2010, Bengt Göransson, Vattenfall Power Consultant, March, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:17

V-302 SEK TK 88 Annual Report 2011, Swedish participation in standardisation work in wind energy 2011, Bengt Göransson, Grontmij, June, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:07

V-302 SEK TK 88 Annual Report 2012, Swedish participation in standardisation work in wind energy 2012, Bengt Göransson, Grontmij, December, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 13:08

V-303 Kalibrering av Givare som mäter istillväxt, Rolf Westerlund, HoloOptics, October, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:05

V-305 On Frequency Control Schemes in Power Systems with Large Amounts of Wind Power, Camile Hamon, KTH, December, 2012, Royal Institute of Technology, School of Electrical Engineering, Sweden, Licentiate thesis, ISBN 978-91-7501-585-9

V-305 Power balance regulation at large amounts of wind power, Frequency control and international experience, Lennart Söder and Camille Hamon, March, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:43

V-305 Design and operation of power systems with large amounts of wind power, Hannele Holttinen et al, 2013, IEA Wind, IEA Wind Task 25 report, ISBN 978-951-38-7910-5 (URL: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp)

V-306 Harmonics and Wind Power - A forgotten aspect of the interaction between wind-power installations and the grid, Math Bollen, Kai yang, LTU, August, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:51

V-306 Wind-Turbine Harmonics and Propagation through a Wind Farm, Kai yang, LTU, June, 2012, Luleå University of Technology, Sweden, Licentiate Thesis, ISBN 978-91-7439-442-9

V-308 Analysis and Control Aspects of Brushless Induction Machines with Rotating Power Electronic Converters, Naveed ur Rehman Malik, KTH, August, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:67

V-308 Analysis and Control Aspects of Brushless Induction Machines with Rotating Power Electronic Converters, Naveed ur Rehman Malik, KTH, September, 2012, Royal Institute of Technology, School of Electrical Engineering, Sweden, Licentiate thesis, ISBN 978-91-7501-466-1

V-309 The impact of Wind Farms on Subsynchronous Resonance in Power Systems, Masssimo Bongiorno, Andreas Petersson and Evert Agneholm, April, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:29

V-310 Wind Power and Fault Clearance, Report from phase 1, present praxis, Johnny Vikesjö, Lars Messing, Gothia Power, June, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:52

V-310 Wind Power and Fault Clearance. Final report, Johnny Vikesjö, Lars Messing, Gothia Power, April, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 10:99

V-311 Analysis of the dynamic impact of large wind parks in power systems, Katherine Elkington, KTH, January, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:06

V-311 The Dynamic Impact of Large Wind Farms on Power System Stability, Katherine Elkington, KTH, April, 2012, Royal Institute of Technology, School of Electrical Engineering, Sweden, Doctoral Thesis, ISBN 978-91-7501-316-9

V-312 Wind power in forests, measurements and modeling of wind characteristics, Hans Bergström et al, March, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:09

V-313 Wind power in cold climates, Ice mapping methods, Hans Bergström et al, March, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:10

V-315 Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk, Andreas Horste och Idriss El-Thalji, March, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 10:50

V-316 Damage preventing measures for wind turbines, Phase 1 – Reliability data, Fredrik Carlsson, Emil Eriksson, Magnus Dahlberg, August, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:68

V-316 Damage preventing measures for wind turbines, Phase 2 - Recommended measures, Erik Isaksson, Magnus Dahlberg, Inspecta AB, July, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:18

RAPPORTLISTA FRÅN PROJEKTEN I VINDFORSK III

Rapporter från Vindforsk III – och äldre Vindforskprogram – som nämns i listan nedan, finns att ladda ner från programmets webbplats www.vindforsk.se

RaPPORtlISta

61

PROJEKT RAPPORT

V-317 Wind power forecast errors. Future volumes and costs, Fredrik Carlsson, May, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:01

V-321 Protection of AC Wind Collection Grid with HVDC Transmission, G. Velotto, R. Irnawan, M. Moccia, K. Srivastava, M. Reza, May, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 11:69

V-323 Protection system design for MVDC collection grids for off-shore wind farms, Jimmy Ehnberg och Thomas Nordlander, December, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 12:02

V-325 and V-326 High Frequency Transients in Large Off Shore Wind Farms, Common summarizing report for V-325 and V-326, T. Abdulahovi¢, T. Thiringer, M. Reza, May, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:03

V-325 Analysis of High-Frequency Electrical Transients in Offshore Wind Parks, T. Abdulahovi¢, Chalmers, December, 2011, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Sweden, Doctoral Thesis, ISBN 978-91-7385-598-3

V-326 High Frequency Transients in Large Wind Farm, Advanced Measurement and Characterization, M. Reza, K. Srivastava, T. Abdulahovic, A. Marinopoulos, H.Breder, April. 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:04

V-326 High Frequency Transients in Large Wind Farm, Advanced Measurement and Characterization, Supplement to report to Elforsk report 12:04, M. Reza, K. Srivastava, T. Abdulahovic, A. Marinopoulos, H.Breder, April, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:05

V-327 On maintenance optimization for offshore wind farms, François Besnard. March, 2013, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Sweden, Doctoral Thesis, ISBN 978-91-7385-822-9

V-327 On maintenance optimization for offshore wind farms, Francois Besnard, Chalmers, February 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:11

V-331 Erfarenhetsåterföring från entreprenadbesiktningar, Bertil Andersson och Rikard Holmberg, August, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:51

V-333, V-355 The Nordic Consortium, Optimization of Large Wind Farms, Activity report 2009-2012, Stefan Ivanell et al, and V-370 March, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:12

V-333 Numerical computations of wind turbine wakes and wake interaction - Optimization and control, Karl Nilsson, KTH, December, 2012, Royal Institute of Technology, Sweden, Licentiate Thesis

V-338 Recommended Practices for wind energy projects in cold climate. edition 2011, Ian Baring-Gould et al, May 2012, IEA Wind, IEA Wind Task 19 report, www.ieawind.org

V-338 State-of-the-Art of Wind Energy in Cold Climates, report 2012, Göran Ronsten et al, October, 2012, IEA Wind, IEA Wind Task 19 report, www.ieawind.org

V-339 Problems in the power system related to wind power, an inventory, Daniel Wall, Christer Liljegren, May, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:47

V-340 Perspectives on Power Electronics and Grid Solutions for Offshore Wind farms, Hans-Peter Nee and Lennart ängquist, November, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:96

V-342 Tall towers for large wind turbines, Staffan Engström et al, July, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:48

V-344 RAMS-database for Wind Turbines, Pre-study, Lasse Petterson et al, August, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 10:67

V-345 Feasibility study of thermal condition monitoring and condition based maintenance in wind turbines, Bodil Anjar, Mats Dalberg, Magnus Uppsäll, May, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:19

V-348 Nytt och trendigt inom vindkraften, Staffan Engström, August, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:49

V-348 Trends and development in wind power technology, Staffan Engström, August, 2010, Elforsk, Elforsk rapport 10:79

V-349 Masts for wind measurements. Experience feedback from failures and collapses, Claes Fahleson, January, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 11:57

V-351 Cracks in onshore wind power foundations, Causes and consequences, Manouchehr Hassanzadeh, January, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 11:56

V-352 State of the art of wind remote sensing, Johansson, Johan Hansson, Jenny Lundén, June, 2011, Elforsk, Elforsk rapport 11:20

V-354 Power quality analysis of a 110 MW windfarm in a 130 kV switchyard, My Näslund, Elisabeth Lindberg, Annette Larsson and Urban Axelsson, January 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:13

V-358 Frequency Controlling Wind Power. Modeling of control strategies, Mats Wang-Hansen. Robert Josefsson and Haris Mehmedovic. June, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:43

V-359 Sensitivity study of important parameters for icing modeling and measurements, Peter Schelander, Grontmij, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:14


62

PROJEKT RAPPORT

V-363 Experiences of different ice measuerments methods, Helena Wickman, Uppsala Universitet, Jan-Åke Dahlberg Vattenfall Vindkraft AB, Peter Krohn Vattenfall Research and Development, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:15

V-365 Acoustic Emission Stethoscope, Measurements with Acoustic Emission on Wind Turbines, Krystof Kryniski, ÅF Industry, February, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:16

V-366 Instant Wind, Model reduction for fast CFD computation of Wind Farms, Klaus Vogstad et al, November, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:72

V-367 Oil cleanliness in Wind Power, Jan Ukonsaari, Hans Möller, October 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:52

V-369 The effect of voltage control response characteristics of wind plants on damping of inter-area power oscillations, (Part 1 Report of Vindforsk Project V-369), Nayeem R. Ullah, Math Bollen, STRI, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:01

V-369 The utilization of synthetic inertia from wind farms and its impact on existing speed governors and system performance, (Part 2 Report of Vindforsk Project V-369), Mohammad Seyedi, Math Bollen, STRI, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:02

V-369 Towards the development of a set of grid code requirements for wind farms: Transient reactive power requirements (Part 3 Report of Vindforsk Project V-369), Seon Gu Kim, Math Bollen, STRI, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:03

V-369 On some aspects of power system stability and grid code requirements relevant for large scale wind power integration. Summary Report of Vindforsk project V-369, Seon Gu Kim, Math Bollen, STRI, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:04

V-374 Prefabricated foundations with cell reinforcement for land-based wind turbines, Martin Nilsson, LTU, October 2012, Elforsk, Elforsk rapport 13:06

V-375 Investigation of converter failures in wind turbines, Katharina Fischer, Thomas Stalin, Hans Ramberg, Torbjörn Thiringer, Jan Wenske, Robert Karlsson, November, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:58

V-377 Long-term correction of wind measurements, State-of-the-art, guidelines and future work, Sónia Liléo, Erik Berge, Ove Undheim, Rickard Klinkert and Rolv E. Bredesen, Kjeller Vindteknikk, January, 2013, Elforsk, Elforsk rapport 13:18

V-379 Generic models for Wind Power Plants, Needs and previous work, Lars Lindgren, Jörgen Svensson and Lars Gertmar, LTH, July, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:47

Survey 1 Icing of Wind Turbines. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, René Cattin, April, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:13

Survey 2 Wind resource and wakes. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, René Cattin, Meteotest, April, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:38

Survey 3 Operation and Maintenance. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, Lina Bertling Tjernberg and Peter Wennerhag, Chalmers, December, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:41

Survey 4 Reserve requirements, balancing and market issues. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, Johan Claesson and Per Wingårdh SWECO, December, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:42

Survey 5 Generators and internal electrical system. Vindforsk projects, a survey of the development and research needs, Paul Garnder, GL Garrad Hassan, April, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:40

Survey 6 Power quality and system stability. Vindforsk projects, survey of the development and research needs, Morten Hemmingsson and Daniel Karlsson, Gothia Power, April, 2012, Elforsk, Elforsk rapport 12:39


64

SVENSKA ELFÖRETAGENS FORSKNINGS- OCH UTVECKLINGS – ELFORSK AB

Elforsk AB, 101 53 Stockholm Besöksadress: Olof Palmes Gata 31Telefon: 08-667 25 30, Telefax: 08-677 25 35

www.elforsk.se

vindforskiii slurapport 2013 webbversion

Documents