Comparison of partial power and full power wind turbine converters´ effect on levelized cost of electricity
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2017-08-28
Department
Major/Subject
Energiteknik
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
78 + 8
Series
Abstract
The wind industry is currently experiencing a transition from conventional support methods, such as fixed feed-in tariffs, towards capacity auctions. This puts pressure on all parties involved to reduce the levelized cost of electricity (LCOE). The wind turbine converter is an expensive component that is known for its high failure rate, leading to both repair costs and lost revenue caused by turbine downtime. Today, there are two main converter concepts available on the market – the partial power converter (PPC) and the full power converter (FPC). The two concepts differ significantly in both electrical drivetrain design and wind turbine operation, but how these differences reflect on LCOE has not yet been studied. The purpose of this thesis work is to investigate the impact of the converter selection on the profitability of a wind power project. Three turbine configurations were included in the study: one with a PPC and a doubly-fed induction generator (DFIG), one with an FPC and a squirrel-cage induction generator (SCIG), and one with an FPC and a permanent magnet synchronous generator (PMSG). All of them were modeled as 2.5 MW onshore turbines. Information on costs, maintenance requirements, reliability, and efficiency was gathered and used to identify concept differences. The turbine with the SCIG proved to have the lowest investment and maintenance costs thanks to a simple, robust construction. The PMSG variant on the other hand caused high upfront costs as well as high repair costs due to its expensive generator. It did however have a high efficiency, particularly at low wind speeds. The DFIG option showed top performance at high speeds, but it suffered from great losses at subsynchronous speeds. Moreover, its high cabling costs undermined the benefit of a less expensive converter to some extent. Due to insufficient data, the most profitable turbine design could not be identified with certainty. However, the major differences in LCOE suggest that an FPC with an SCIG might be the most cost-effective alternative.Vindkraftsindustrin genomgår som bäst en övergång från konventionella stödmetoder, såsom fasta inmatningstariffer, till kapacitetsauktioner. Detta sätter press på alla inblandade parter att reducera elproduktionskostnaderna. Omriktaren är en dyr komponent som är känd för sin höga felintensitet, som leder till både reparationskostnader och förlorad inkomst på grund av driftstopp. I nuläget finns det två huvudsakliga omriktarkoncept på marknaden – deleffekt-omriktaren och fulleffektomriktaren. Koncepten skiljer sig markant i fråga om såväl elektrisk drivlinedesign som vindturbindrift, men hur dessa skillnader återspeglas i elproduktionskostna-derna har inte undersökts tidigare. Syftet med detta diplomarbete är att studera hur valet av om-riktarkoncept inverkar på lönsamheten för ett vindkraftsprojekt. Studien omfattade tre turbinkonfigurationer: en med deleffektomriktare och dubbelmatad asynkrongenerator, en med fulleffektomriktare och asynkrongenerator, samt en med fulleffekt-omriktare och synkrongenerator. Alla tre utformades som landbaserade turbiner med en effekt på 2.5 MW. Information om kostnader, underhållsbehov, pålitlighet och verkningsgrad samla-des in och användes för att identifiera skillnader mellan koncepten. Turbinen med fulleffektomriktare och asynkrongenerator visade sig ha lägst investerings- och underhållskostnader tack vare dess enkla och robusta konstruktion. Synkrongeneratorvarianten å andra sidan innebar höga initiala kostnader och reparationskostnader på grund av dess dyra generator. Denna variant hade dock hög verkningsgrad, speciellt vid låga vindhastigheter. Dubbelmatarkonceptet visade sig ha enastående prestanda vid höga hastigheter, men orsakade stora förluster vid subsynkrona hastigheter. Dessutom minskade de höga kabelkostnaderna fördelarna med en förmånligare omriktare till en viss grad. På grund av otillräckliga uppgifter kunde den mest lönsamma turbindesignen inte fastställas med säkerhet. De stora skillnaderna i elproduktionskostnader tyder emellertid på att en fullomriktare med en asynkrongenerator skulle kunna vara det mest kostnadseffektiva alternativet.Description
Supervisor
Järvinen, MikaThesis advisor
Manninen, VesaKeywords
wind power, converters, electrical drivetrains, levelized cost of electricity