Large offshore wind farm modeling and grid code compliance

Abstract

Wind power has a great potential to rise its share of energy production in Finland to significantly in forthcoming years. Nordel and Fingrid have published a specific grid code section for wind power. The main issue is to ensure the power system's secure and reliable usage in the case of large amount of wind power connected to the power system. This thesis is inspecting the grid code for wind power, the similarity of Finnish grid code to benchmark European grid codes, and the ability of a large offshore wind farm to fulfil the grid code requirements of reactive power flow and fault ride through.

Different grid codes are observed to have several structural and detail differences, making the comparison between the grid codes difficult. It is nevertheless discovered that the requirements for wind power are roughly similar in any grid code, including the Finnish grid code. From the grid code requirements, reactive power low between grid and wind farm and fault ride though are considered to be the most interesting topics and studied in the simulations in this thesis.

The wind farm studied is a large offshore wind farm, including 144 variable speed full converter wind turbines. In the simulations, effects of wind turbines and the wind farm's internal network at the point of common coupling are studied, without taking the transmission grid dynamics into account.

Reactive power requirements are examined with load flow calculations. It is shown that varying active power production of wind farm causes reactive power flow at the point of common coupling to vary as well. As this is an unwanted operation, reactive power compensation is needed to fulfil the grid code requirements. It is shown that a combination of wind turbine reactive power production or consumption and additional compensation unit connected to tertiary winding of the main transformer is a technically feasible solution to fulfil grid code requirements for reactive power.

Fault ride through is examined with dynamic simulations, where electromechanical dynamics of (he wind farm are modelled. It is tested with three phase short circuit at the point of common coupling, and various tests are made with different active power production, grid short circuit capacity and fault impedance. In all tests, the wind farm stays connected to the grid and can be said to meet the fault ride through requirement. In the test with fault impedance, oscillations at several quantities are nevertheless observed at the beginning of a fault, possibly risking the fault ride through survival of the wind farm. As it is not clear, if this is a real or a modelling problem, suspicions fail on the dynamic simulations' reliability.

Tuulivoimalla on tulevina vuosina suuri potentiaali kasvattaa osuutensa Suomen energiantuotannosta mitättömästä merkittäväksi. Nordel ja Fingrid ovat varautuneet tähän julkaisemalla verkkoehtoihinsa tuulivoimaosion. Näin varmistetaan voimansiirtojärjestelmän luotettava ja. turvallinen käyttö myös kun merkittävä määrä tuulivoimaa on liitetty siihen. Tässä työssä tutkitaan tuulivoiman verkkoehtoja ja niiden vaatimuksia suhteessa muihin eurooppalaisiin tuulivoiman verkkoehtoihin, sekä suuren merituulipuiston kykyä täyttää verkkoehtojen vaatimukset loistehon tuotannolle ja tuulipuiston vasteelle verkon mitoittavan vian aikana.

Eri maiden verkkoehtojen havaitaan olevan hankalasti vertailtavissa, niissä on eroavaisuuksia rakenteessa, laajuudessa ja yksityiskohdissa. Kuitenkin vaatimukset tuulivoimalle ovat pohjimmiltaan samat, näin myös Suomen verkkoehdoissa tuulivoimalle. Vaatimukset loistehokapasiteetille ja tuulipuiston vasteelle verkon mitoittavan vian aikana katsotaan olevan verkkoehtojen mielenkiintoisimmat osat. Näitä vaatimuksia tutkitaan työn kokeellisessa osuudessa.

Tutkittava tuulipuisto on suuri merituulipuisto. joka koostuu 144:stä muuttuvanopeuksisesta täystaajuusmuuttaja tuuliturbiinista. Kokeellisessa osuudessa selvitetään tuuliturbiinien ja tuulipuiston sisäisen sähköverkon vaikutuksia liityntäpisteeseen, ottamatta voimansiirtoverkon dynamiikkaa huomioon.

Loistehovaatimuksia on tutkittu tehonjakolaskelmilla. Ne osoittavat, että tuulipuiston loistehon tuotanto ja kulutus vaihtelee sen tuottaman pätötehon mukana merkittävästi. Loistehon kompensointia tarvitaan tämän vaihtelun kumoamiseen, jotta verkkoehdot voidaan täyttää. Tehonjakolaskelmat edelleen osoittavat, että yhdistelmä tuuliturbiinien loistehotuotantoa ja ylimääräinen kompensointilaitteisto asennettuna tuulipuiston päämuuntajan tertiäärikäämiin on teknisesti järkevä ratkaisu loistehovaatimusten täyttämiseksi.

Dynaamisilla simuloinneilla on tutkittu tuulipuiston käyttäytymistä liityntäpisteen oikosulun aikana. Käytetty tuulivoimalamalli mallintaa täystaajuusmuuttaja-käyttöisen tuulivoimalan sähkömekaaniset ilmiöt. Useita testejä on tehty, muuttaen taustaverkon oikosulkutehoa, tuulipuiston pätötehon tuotantoa ja oikosulun impedanssia. Kaikissa testeissä tuulipuisto pysyy liitettynä verkkoon, ja voidaan tältä osin sanoa täyttävän verkkoehtojen vaatimukset vasteelle verkon mitoittavan vian aikana. Kuitenkin tutkittaessa oikosulkua, jolla on vikaimpedanssia, havaitaan useissa sähköisissä suureissa voimakasta värähtelyä vian alkuhetkillä, mikä voi vaarantaa tuulipuiston verkossa pysymisen vian aikana. Koska ei ole selvää, onko tämä todellinen ongelma vai virhe käytetyssä tuulivoimalamallissa, vaarantavat nämä värähtelyt koko tehtyjen dynaamisten simulointien luotettavuuden.