= Technische Hogeschool Eindhoven

Transcriptie

1 = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Eteklromechanica en Vermogenselektronica rapport nr. EMV AFSTUDEERVERSLAG TECHNSCHE HOGESCHOOL EiNDHOVEN,.'." ',l<j; STUDTE6!BLlOTHEEK.. ELEKTHOTECHNEK... f Onderzoek naar de mogelijkheden om in een autonoom wind-dieselsysteem een accubatterij als energiebuffer op te nemen. EMV W.G. Traa. Hooglera(a)r(en): Prof. ir. J.A. Schot Mentor(en): r. W.J. de Zeeuw, ir. J.A.N. de Bonte Eindhoven, februari De van de Technische Hogeschool Eindhoven aanvaardt geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van stage- en afstudeerverslagen.

2 Afdeling rapport Technische Hogeschool Eindhoven der Elektrotechniek Vakgroep Elektrome::hanica en Vermogenselektronica nr. EMV nhoud. Samenvatting Summary Voorwoord V De belangrijkste gebruikte symbolen V 1. Beschrijving van een autonome windenergiecentrale 1 2. Modelopstelling van een autonoom wind/dieselsysteem 2.1 Beschrijving van een autonome windenergiecentrale 2.2 Systeemkeuze 2.3 De laboratoriumopstelling waarmee een autonoom wind/dieselsysteem met een accubatterij als energiebuffer gesimuleerd wordt De accubatterij als energiebuffer 3.1 Enkele belangrijke aspekten met betrekking tot toepassing van een accubatterij als energiebuffer in een autonoom wind/dieselsysteem 3.2 Keuze van het type accu 3.3 Vereenvoudigde bepaling van de capaciteit van de accubatterij en het aantal accu's 3.4 Gevolgen voor de bedrijfstoestand van de generator van de windturbine De wissel richter 4.1 De werking en de sturing van de wisselrichter 4.2 Het ontstaan en de gevolgen van de 47 47

3 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica rapport nr.emv commutati everstor i ngen Toegepaste filters voor de mutatorsturing 4.4 nvloed van de commutatieverstoringen op de ontsteekhoek De chopper 5.1 De werking en de sturing van de chopper 5.2 Wijzigingen aan de chopper 5.3 Dimensionering van de chopper 5.4 De chopper als elektronische stroombeveiliging 5.5 Wijzigingen aan de choppersturing De frekwentiemeting en de vermogensregeling 6.1 nleiding 6.2 De frekwentiemeetschakeling 6.3 De F'D-regelaar 6.4 Het. proces 6.5 Het instellen van de F'D-regelaar Metingen en meetresultaten De invloed van de chopper op de gelijkspanning UB en de gelijkstroom B De invloed van de commutatiezelfinduktie en de chopperwerking op de netspanning en de fasestroom De invloed van het in- en uitschakelen van een ohmse netbelasting op de netfrekwentie De invloed van variaties van het door de windturbine geleverde vermogen op de netfrekwentie Conclusies en aanbevelingen 8.1 Conclusies 8.2 Aanbevelingen

4 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronlca rapport nremv Liter-atuur- 152 Bijlage 1. De wer-king en de elektr-ische eigenschappen van de lood-accl Bijlage 2. Het laadgedr-ag van lood-accu's Bijlaqe 3. Enkele gegevens van de toegepaste accu~s Bijlage 4. Ber-ekening van de gr-ondhar-monische component van het stoor-signaal ten gevolge van de commutatie Bi.j 1. age 5. Enkele ber-ekeningen voor- een windtur-bine Bijlage 6. Beschr-ijving van de invloed van enkele filter-s op de mutator-stur-ing Bijlage 7. De complete stuur-schakeling voor- de toegepaste chopper- Bijlage 8. De snelschakelaar- als elektr-onische beveiliging Bijlage 9. Beschr-ijving van de wer-king van een chopper- met een ter-ug aadt.ak

5 -.--.ow= Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. 1 rapport nremv Samenvatting. n het afstudeerverslag wordt een autonome windenergiecentrale beschreven. Hierbij wordt via een omzetter een autonoom draaistroomnet gevoed door een synchrone machine die door een windturbine wordt aangedreven. n de omzetter wordt een driefasendiodenbrug, een chopper, een driefasenbrugmutator en een tweede synchrone machine gebruikt. Deze laatste synchrone machine levert het blindvermogen voor het draaistroomnet en de als wisselrichter werkende mutator. Tevens bestaat de mogelijkheid om deze machine met behulp van een diesel motor aan te drijven in het geval er onvoldoende wind is. Het door de windturbine geleverde vermogen zal in het algemeen niet in overeenstemming zijn met het door het autonome net gevraagde vermogen. Het verschil dient gecompenseerd te kunnen worden. Daarom zijn de mogelijkheden onderzocht om een energiebuffer toe te passen. Een tweede reden om een energiebuffer toe te passen is de mogelijkheid om brandstof te besparen en de slijtage aan de dieselmotor te beperken, omdat de dieselmotor gedurende langere tijd losgekoppeld en uitgeschakeld kan worden dan zonder de energiebuffer. De autonome windenergiecentrale is nagebootst met een proefopstelling waarin als energiebuffer een accubatterij opgenomen is. Met behulp van een chopper kan het te transporteren vermogen ingesteld worden. De accubatterij neemt het overschot op of vult het tekort aan. ndien het getransporteerde vermogen afwijkt van het gevraaqde vermogen, zal een ongewenste frekwentieafwijking van de netspanning ontstaan. Met behulp van een frekwentiemeetschakeling en een PD-regelaar wordt de choppersturing zodanig beinvloed, dat de frekwentieafwijking zo gering mogelijk is. Door middel van metingen, waarbij het door de windturbine geleverde vermogen gevarieerd werd en een bepaalde netbelasting in- en uitgeschakeld werd, is aangetoond dat de frekwentieafwijking gering en slechts ~an korte duur is. Ook is aangetoond dat

6 -..- Afdeling = der Elektrotechniek biz. Technische Hogeschool Etndhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogenselektronica rapport nremv het in de praktijk mogelijk zal zijn om de accubatterij als energiebuffer te gebruiken.

7 = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Eleklromechanlca en Vermogenseleklronica biz rapport nr EMV Summary n this report an autonomous wind energy power system is described. By means of a converter an autonomous three phase grid is supplied by a synchronous machine~ driven by a wind turbine. The converter consists of a three phase diode bridge, a chopper~ a three phase machine commutated current fed bridge inverter and a second synchronous machine. The latter machine supplies the reactive power needed by the load of the autonomous grid and the inverter. t is also possible to drive this machine by a diesel engine in case of shortage of wind power. Mostly the power supplied by the wind turbine does not match the power needed by the autonomous grid. The difference has to be compensated. For that reason the possibilities are e>:amined to apply an energy buffer. A second reason to apply an energy buffer is the possibility of fuel saving and limitation of engine wear~ because in this situation the diesel engine can be disconnected and switched off for a longer time than without an energy buffer. The autonomous wind energy power plant is simulated in an experimental set-up in which a battery bank is used as an energy buffer. By means of a chopper the power that has to be transported can be controlled. The battery bank takes the surplus or supplies the shortage. f the power that has to be transported~ differs from the power demand an undesirable grid frequency deviation will appear. By means of a frequency measurement circuit and a PD-controller the chopper is influenced in such a way that the frequency deviation is as small as possible. During the measurements the power of the wind turbine was varied and a certain load was switched off and on. Hereby the frequency deviations were small and of short duration. The results of this research prove that it is possible to apply a battery bank as an energy buffer in a wind energy plant.

8 \-.= Technische Hogeschool Eindhoven i. - Vakgroep Eleklromechanica en Vermogenseleklronica biz V rapport nremv Voorwoord. Bij mijn afstudeerwerkzaamheden heb ik me verdiept in verschillende facetten van de elektrotechniek. Het afstudeeronderwerp maakte dat ook mogelijk. Het was hierbij zelfs gewenst. Oat dit zo is, moge blijken uit de diverse onderwerpen die in dit verslag aan de orde komen. n de inleidende hoofdstukken wordt een beschrijving gegeven van een autonoom windenergiesysteem en waarom het wenselijk is om hierin een energiebuffer op te nemen. Vervolgens wordt, uitgaande van de praktijksituatie op het testveld te Petten, een geschikte spanning en capaciteit voor deze buffer bepaald. Oak de konsekwenties hiervan voor het werkgebied van de windturbine en de generator komen aan de orde. Daarna worden twee typen omzetters (de chopper en de wisselrichter) en de sturing hiervoor beschreven. Omdat het door de windturbine(s) geleverde vermogen en het door de verbruikers gevraagde vermogen in het algemeen niet aan elkaar gelijk zijn en ook niet constant zijn, wordt een vermogensregeling toegepast. Oeze wordt gerealiseerd met behulp van een frekwentiemeetschakeling en een PD-regelaar. De invloed van de vermogensvariaties op het systeem en de werking van de PO-regelaar komen in hoofdstuk 5 en 6 aan de orde. n de afsluitende hoofdstukken worden de meetresultaten en de belangrijkste conclusies en aanbevelingen vermeld. Verder zijn nog een aantal bijlagen toegevoegd waarin op de diverse onderwerpen nog nader ingegaan wordt. k heb het onderzoek als zeer boeiend ervaren. Mede dankzij de hulp van mijn afstudeerhoogleraar prof. ira J.A. Schot en mijn begeleiders ira W.J. de Zeeuw en ira J.A.N. de Bonte zijn vele moeilijkheden overwonnen en was het mogelijk een goed funktionerende proefopstelling te realiseren. Ook bij het schrijven van dit verslag kwamen hun adviezen en kritiek geed van pas. Een woord van dank is hier zeker op zijn plaats. Verder wil ik ook nog mijn dank betuigen aan mej. dr. W. Visscher van de afdeling Technologie en dhr. ing B. Breman

9 .- 1= hnische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. V rapport nremv die met behulp van vele raadgevingen het onderzoek ook in de goede richting stuurden. Tevens bedank ik ook nog ale andere medewerkers van de vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica voor hun medewerking. Tot slot wil ik nog benadrukken dat ik kan terugblikken op een leerzame en plezierige tijd. w. G. Traa. Eindhoven~ feb

10 -..- Afdeling = der Elektrotechniek biz V Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechantca en Vermogenselektronlca rapport nr. EMV De belangrijkste gebruikte svmbolen. symbool omsc:hrijving 21. AM b c c co D D y ES f FF J GM i i i begin eind f G gem 1< ~.. 5 constante asynchrone machine constante constante capaciteit constante comparator diode vrijloopdiode elektronische schakelaar frekwentie f 1 i p-f 1op massatraagheidsmoment gelijkstroommachine stroom gemiddelde waarde van de stroom amplitude van de stroom uitgangsstroom van de chopper ingangsstroom van de chopper ingangsstroom van de wisselrichter gemiddelde waarde van de stroom ankerstroom effektieve waarde van de fasestroom van de generator van de windturbine stroom aan het begin van de ontlading stroom aan het einde van de ontlading bekrachtigingsstroom gemiddelde waarde van de stroom in de gelijk~trooomverbinding gemiddelde waarde van de ontlaadstroom c:onstante capaciteit van een accu bij een 5-urige

11 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. V rapport nr E MV L w MMV n OA P F' F'V F' aggr F'. accu F'bat F'bel F'cu p E F'extra P i j P mech F' net F' over F'tekort F'Th F' veri F' wind F' wind q ontlading zelfinduktie zelfinduktie in de gelijkstroomtussentrap zelfinduktie, van belang zijnde voor de commutatie zelfinduktie in de gelijkstroomtussentrap monostabiele multi vibrator toerental operationele versterker poolpaartal gemiddelde vermogen potentiometer triggerpuls pulsversterker door de diesel motor geleverde vermogen door de accubatterij geleverde vermogen door de accubatterij geleverde vermogen door de verbruikers gevraagde vermogen koperverliezen door de generator van de windturbine afgegeven vermogen vermogen dat toegevoerd wordt aan de extra regelbare belasting ijzerverl iezen mechanische vermogen door het openbare net geleverde vermogen aan het autonome net geleverde vermogen overschot aan vermogen tekort aan vermogen ontsteekpuls voor een thyristor verliesvermogen door de omzetter geleverde vermogen gemiddelde waarde van het door de om:zetter geleverde vermogen ontladingsgraad met q = G!/K s ' <zie bijlage 1) maximale ontladingsgraad veilige ontladingsgraad

12 = biz Afdeling Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogenselektronica rapport nr. EMV der Elektrotechniek V Q aggr Q bel Qwind R R s s 5 t T aan T at T İn T rnax bl i ndvermo(~en hoeveelheid lading door het dieselaggregaat geleverde blindvermogen door de verbruikers gevraagde blindvermogen door het openbare net geleverde blindvermogen door het autonome net opgenomen blindvermogen door de omzetter geleverde blindvermogen weerstand schijnbare weerstand schakelaar variabele (in Laplace-domein) synchrone machine die door de windturbine aangedreven wordt synchrone machine die aan het autonome net gekoppeld is en meedraait tijd vrijwaartijd hersteltijd van de thyristor transistor periodetijd tijdconstante aantijd van een schakelaar uitschakeltijd van een schakelaar intijd van de chopper tijd die benodigd is om bij een bepaalde constante ontlaadstroom de bijbehorende maximale ontladingsgraad te bereiken T om T uit T vw Th TR u omslingertijd uittijd van de chopper vrijwaartijd thyristor transformator spanning genormeerde spanning (u = U/2V)

13 .-.=- echnische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. X rapport nr. E MV L' U AK LB U B u begin L ch u u: G U ch Ubegln u e U eind U G U ' G U gem l ref Ue( v V "schone" machinespanning amplitude van de spanning anode-kathodespanning spanning over de vrijloopdiode D y gemi ddel de van u _ B genormeerde beginspanning uitgangsspaning van de chopper gemiddelde waarde van de uitgangsspaning van de chopper spanning aan de gelijkspanningszijde van de wisselrichter (tussen spoel en wisselrichter) gemiddelde spanning aan de gelijkspanningszijde van de wisselrichter gemiddelde waarde van de spanning gelijkspanning effektieve waarde van een wisselspanning spanning van de accubatterij effektieve waarde van de fasespanning van de generator van de windturbine celspanning aan het begin van de ontlading spanning over een condensator celspanning op het eind van de ontlading gemiddelde spanning aan de.9~ijkspanningszijde van de wissel richter spanning van de gelijkspanningsbron in het vervangingsschema van de wisselrichter gemiddelde celspanning tijdens het ontladen referentiespanning regelspanning voor de instelling van de ontsteekhoe~( (X spanning windsnelheid gel i j kspanni nl~ uitgangsspanning van de frekwentiemeetschakeling uitgangsspanning van de spanningsbron waarmee de gewenste frekwentie ingesteld wordt spanning die een maat is voor de stroom G

14 -..- Afdeling = der Elektrotechniek biz. Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep EJektromechanica en Vermogenselektronica rapport nr.emv X V reg (J( J.. Q ingangsspanning voor de PD-regelaar is uitgangsspanning van de frekwentievergelijker regelbare spanning (voor sturing) uitg~ngsspanning van de PD-regelaar stoorsi gnaal impedantie van spoel La parallel aan weerstand R a ontsteekhoek van de wisselrichter verschil commutatiehoek statische afwijking tijdconstante fasehoek rendement cirkelfrekwentie van de netspanning hoeksnelheid van de rotor van de meedraaiende synchrone machine

15 -. =- Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogenselektronica biz. X rapport nr.emv 85~Ot Veel gebruikte indices. index a A bel c d i is mech max min nom p R S t T Th n L ver wens omschrijving de accubatterij betreffend de generator van de windturbine betreffend betreffende de belasting commutatie betreffende de D-regelaar ingang betreffende de -regelaar werkeijke waarde mechanisch ma>:imaal minimaal nominaal betreffende het proces betreffende de regelaar de R-fase betreffend de S-fase betreffend totaal de T-fase betreffend betreffende thyristor Th n (n = 1. 6) uitgang Lli terste waarde betr~ffende het verlies de gewenste waarde

16 Afdeling der Elektrotechniek biz. 1 Technlsche Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogensefektronica rapport nr EMV Hoofdstuk 1. Beschrijving van een autono_e windenergiecentrale. Afgelegen plaatsen kunnen meestal om economische en/of technische redenen niet aangesloten worden op een openbaar elektriciteitsnet. ndien men op deze plaatsen toch over elektrische energie wil beschikken moet deze over het algemeen ter plaatse met behulp van bijvoorbeeld een dieselaggregaat opgewekt worden. De prijs van de hiervoor benodigde brandstof is de laatse jaren sterk gestegen en zal soms voor deze afgelegen gebieden nog extra verhoogd worden door de (eveneens sterk gestegen) transportkosten. Voor verbruikers in windrijke gebieden die niet op het openbare elektriciteitsnet aangesloten kunnen worden, zou het daarom rendabel kunnen zijn om de elektrische energie zo veel mogelijk met behulp van windenergie op te wekken. De met behulp van een windturbine uit de bewegende lucht onttrokken kinetische energie kan (eventueel via een tandwielkast) met behulp van een elektrische mathine omgezet worden in elektrische energie. Deze energie kan vervolgens aan het (autonome) elektriciteitsnet geleverd worden. ndien een windturbine met een omzetter aan het openbare elektriciteitsnet gekoppeld is (zie fig )

17 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogensetektronica biz. 2 rapport nr E MV OMZETTER QWind VERBRUlKERS WND TURBNE OPENBAAR NET Fig Een voorbeeld van een windturbinesysteem dat gekoppeld is aan het openbare elektriciteitsnet. zullen de vermogensfluktuaties ten gevolge van de varierende windsnelheid door het openbare net "opgevangen" worden. De vermogensbalans ziet er dan als vogt uit: arbeidsvermogen: + ~ t ne = fbe'. (1.1> bl indvermogen: Q.,.,jnd + Q net = Qbel <1.2) Al s P Wind ). P ' bel dan zal P net < 0, dus het net neemt het overschot aan vermogen op. Al s P wind < P ' bel dan zal ~et > 0, dus het net levert het tekort aan vermogen. Bij veel omzetters zal QWind negatief zijn. Bij toepassi ng van een asynct'irone machi ne zal Qwlnd mi nder varieren dan bij toepassing van een synchro~e machine. Een Een wisselrichter die gevoed wordt uit een synchrone machine via een gelijkrichter, heeft (bij ~en vaste ontsteekhoek) een constante arbeidsfaktor. Bestaat de omzetter uit een rechtstreeks met het net gekoppelde synchrone machine, dan is de omzetter in staat om zowel blindvermogen op te nemen

18 -4- = biz. 3 Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Eleklromechanica en Vermogenseleklronica rapport nr EMV als te leveren. Als de windturbines via een sterke verbinding met het openbare net gekoppeld zijn, dan zullen de netfrekwentie en de netspanning nauwelijks varieren ten gevolge van de fluktuaties van het door de windturbines geleverde vermogen. ndien men met behulp van een windturbine elektrische energie wil opwekken zonder de hulp van het openbare elektriciteitsnet, dus bij de zogenaamde autonome windenergiesystemen, dan zal met andere middelen de vermogensbalans in evenwicht gehouden moeten worden en de frekwentie en netspanning op de gewpnste waarden gehouden moeten worden. Het autonome windenergiesysteem wordt als vogt gedefinieerd: autonome windenergiesystemen zijn systemen die tot doel hebben de voeding van een onafhankelijk (autonoom) driefasennet te verzorgen met behulp van een of meer windturbines die elektrische generatoren aandrijven, al dan niet in combinatie met een of meer brandstofunits en/of opslagunits. De spanning en de frekwentie dienen nagenoeg constant te zijn. Omdat het door de verbruikers gevraagde vermogen en het door de windturbine(s) geleverde vermogen zullen fluktueren, dienen er voorzieningen getroffen te zijn zodat het tekort aan vermogen aangevuld kan worden en een overschot aan vermogen opgenomen kan worden. Een autonoom windenergiesysteem bestaande uit een of meer windturbines, een of meer dieselaggregaten en een of meer opslagunits wordt een autonoom wind/dieselsysteem (A.W.D.S.) genoemd. n tegenstelling tot de situatie waarbij de omzetter aan het openbare net gekoppeld is, kunnen in geval van koppeling aan een autonoom net de spanning en frekwentie we varieren als gevolg van fluktuaties in het door de windturbines geleverde vermogen en/of het belastingsvermogen. De invloed van fluktuaties van het blindvermogen op de spanning (indien een spanningsregelaar is toegepast) en frekwentie is gering en wordt hier buiten beschouwing gelaten. Omdat er door andere energiebronnen niet aan het autonome net gevoed wordt (zoals

19 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. 4 rapport nr EMY bij het openbare elektriciteitsnet) kan er via dit net geen energieoverschot opgenomen of een energietekort geleverd worden. n fig is het principe afgebeeld van een autonoom wind/dieselsysteem (zander opslagunits), waarbij voor de brandstofunit een dieselaggregaat genomen is. OMZETTER AUTONOOM NET WND TURBNE SPANNNGS REGELNG t---il~~ YERBRUKERS DESEL MOTOR Fig Het principe van een autonoom wind/dieselsysteem. Omdat verandering van de kinetische energie van de roterende delen van het dieselaggregaat oak een aandeel heeft in de energiehuishouding, ziet de vermogensbalans er nu als vogt uit: arbeidsvermogen: ~ind Jc.J n1 d~'dt + ~ggr + Pyer' + <1.3) bl indvermogen: QWind + Glaggr <1.4) Hierbij is de term J~.d~/dt de verandering per tijdseenheid van de kinetische energie van de rotor van de meedraaiende synchrone machine en ale hiermee mechanisch verbonden roterende delen (de koppeling bepaald het aantal roterende

20 -_-.=..!!!! Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogenselektronica biz 5 rapport nr. E MV del en) met traaghei dsmoment J en Pverl het verliesvermogen van de synchrone machine. ~el bevat tevens de verandering per tijdseenheid van de kinetische energie van de roterende delen van de machines die tot de verbruikersbelasting behoren voor zover deze van invloed zijn op fbel Uit (1. 3) vol gt al s P wind + ~ = e + p 899r bel veri dat de term J"ln- dc.tj'dt ;l!: 0, met andere woorden het toerental en dus ook de netfrekwentie is dan niet constant. Deze situatie treedt in de praktijk aleen op als ~ind )- F{,el + ~erl Hi erbi j gaat men ervanui t dat de di esel motor geen energie gedurende lange tijd mag mechanische problemen kunnen ontstaan. Om opnemen omdat er dan de frekwentie constant te houden dient de term J~.d~dt gelijk te zijn aan O. Men kan de vermogensbalans in evenwicht brengen zonder dat de frekwentie verandert door: 1. fbej F';"ind 2. F';"ind Py"jnd Enkele zodani 9 te vergroten dat ~erl 0i; 99r - = 0 = JWmdc.l m ' dt ) zodanig te verkleinen dat P Veri + fbel = (~ggr = () = Jc.J nr dc.j.,( d t) methoden om fbe' te vergroten zijn: la. door middel van een extra belasting, waarmee het overschot aan vermogen vernietigd kan worden, door dissipatie in weerstanden = bijvoorbeeld lb. door middel van een extra regelbare belasting, waarmee "verbruikers" gevoed kunnen" worden die geen behoefte hebben aan continue energie, maar die we energie kunnen opnemen zoals voor verwarming, oppompen van drinkwater, ontzilten etc. te allen tijde koeling, lc. door middel van opslag van energie in bijvoorbeeld een vliegwiel of accu's, zodat het op momenten van een tekort weer teruggewonnen kan worden. De tweede methode van regeling van de vermogensbalans (aanpassen van F,;,ind ) is ni et zo el egant omdat dan de windturbine niet optimaal benut zal worden. mogelijkheden zijn: Enkele 2a. door middel van aanpassing van de belasting van de

21 -.=i! Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenseleklronica biz. 6 rapport nr.emv windturbine met behulp van de regeling van de omzetter, zodat de windturbine niet meer bedrijfspunten werkt in de optimale 2b. door middel van regeling van de windturbine bijvoorbeeld met behulp van bladhoekverstelling, remkleppen of uit de wind draaien van de windturbine. Als de windturbine te weinig vermogen levert zal dit tekort door het dieselaggregaat aangevuld worden. toerentalregeling van de dieselmotor ervoor dat het toe~ental De (regulateur) zorgt nagenoeg onafhankelijk is (vaak wordt een bepaalde statiek toelaatbaar geacht) van het afgegeven vermogen P wind Ook (1.4) moet gelden. Als de omzetter en/of de belasting blindvermogen vragen moet dat door het dieselaggregaat geleverd worden. Als de omzetter een synchrone machine is kan deze ook blindvermogen leveren ten bate van de belasting. Ook is het mogelijk een extra blindvermogensbron condensatorbatterij of een synchrone condensator) driefasennet op te nemen. (bijvoorbeeeid een in het De spanning van het autonome net kan geregeld worden met behulp van de spanningsregeling van de synchrone machine van het dieselaggregaat of met behulp van de spanningsregeling van de synchrone machine van het windturbinesysteem (indien deze toegepast wordt en direkt met het autonome net gekoppeld is).

22 -. = Technische Hogeschool Endhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz 7 rapport nr. EMV Hoofdstuk 2. Modelopstelling van een autonoom wind/dieselsysteem. 2.1 Beschrijving van een autonome windenergjecentrale n [L3J is een aantal mogelijkheden beschreven hoe de energieomzetting tussen de windturbine-as en het (eventueel autonome> net kan plaatsvinden. Ook de voor- en nadelen van de diverse systemen worden hierin vermeld. Hierin wordt ook melding gemaakt van het aan de T.H.E. ontwikkelde windenergiesysteem. Bij dit systeem wordt gebruik gemaakt van een synchrone machine die via een gelijkrichter en een wisselrichter aan het autonome net gekoppeld is. Aan dit omzettingssysteem zi3n verder nog een dieselaggregaat en een extra regelbare belasting toegevoegd die het verschil tussen WND TURBNE DESEL MOTOR GELlJKRCHTER 1 : n L R Pextra EXTRA Fig Het autonome wind/dieselsysteem van de T.H.E. het door de windturbine<s> geleverde vermogen en het door de

23 -. = Technlsche Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanlca en Vermogenselektronica biz. 8 rapport nr.emv verbruikers gevraagde vermogen (incl. het verliesvermogen) kunnen compenseren. Dit aan de T.H.E. ontwikkelde systeem is afgebeeld in fig De rotor van de windturbine drijft via een tandwielkast de synchrone machine SM 1 aan. De elektrische omzetter is opgebouwd Llit een gelijkrichter en een wisselrichter die met elkaar gekoppeld zijn via een smoorspoel. Ais gelijkrichter wordt een driefasendiodenbrug gebrllikt. Ais wisselrichter wordt een driefasenthyristorbrug gebruikt. Deze wordt verderop nader besproken. Een combinatie van een driefasenthyristorbrug met een ohms(indllktteve) belasting dient als extra regelbare belasting. De regeling van deze extra regelbare belasting geschiedt door middel van variatie van de ontsteekhoek ~. Het dieselaggregaat bestaat Llit een dieselmotor die via een Llitschakelbare koppeling de synchrone machine 8M 2 aandrijft. Dit systeem wordt momenteel op het testveld van het E.C.N. te Petten beproefd. Hierbij worden echter 2 windturbines toegepast. Bij het hierboven vermelde systeem is een extra regelbare belasting aangesloten op het autonome net. Deze extra regelbare belasting dient om een eventueel vermogensoverschot op te nemen. ndien er een vermogenstekort is, wordt dit door het dieselaggregaat aangevllld. n [Lll, [L21 en [L41 worden enkele methoden beschreven hoe met een extra regelbare belasting bij constante frekwentie en netspanning de vermogensbalans in evenwicht gehouden kan worden. Het doel van het in dit verslag beschreven onderzoek is om na te gaan of accll's als energiebllffer gebruikt kllnnen worden zoals bij lcin hoofdstllk 1 wordt aangedllid. Een belangrijk voordeel van dit systeem is dat als er een overschot aan vermogen is, dan de dieselmotor in principe losgekoppeld en uitgeschakeld kan worden. Dit is echter pas zinvol als de motor voor lange tijd uitgeschakeld kan worden. Ais het minimaal door de windturbine(s) geleverde vermogen kleiner is dan het gevraagde vermogen, zal bij voldoende opslagcapaciteit van de buffer de dieselmotor langdllrig losgekoppeld en Llitgeschakeld kllnnen blijven (zolang de bllffer het tekort kan aanvullen). Dit zal dan een

24 -. = Technische Hogeschool Eindhoven Vakgroep Elektromechanica en Vermogenselektronica biz. 9 rapport nr. EMV extra brandstofbesparing opleveren t.o.v. de andere mogelijkheden waarbij slechts een extra regelbare belasting toegepast wordt en de dieselmotor pas uitgeschakeld kan worden als het minimale door de windturbine(s) geleverde vermogen groter is dan het gevraagde vermogen. Aangezien het door de windturbine(s) geleverde vermogen een grillig verloop heeft, zal de dieselmotor in de praktijk pas gestopt kunnen worden als het qemiddelde van het door de windturbine(s) geleverde vermogen veel groter is dan het gevraagde vermogen. Door het grillige verloop van het door de windturbine(s) geleverde vermogen is het niet eenvoudig het moment van starten en stoppen van de diesel motor op een verantwoorde wijze te bepalen. ndien men echter een energiebuffer (bijvoorbeeld een vliegwiel of een accubatterij) met een geschikte opslagcapacitiet in het systeem opneemt, dan kan een eventueel overschot aan energie hierin opgeslagen worden en een tekort hieruit onttrokken worden. Zolang als deze buffer nog voldoende energie bevat kan de diesel motor in principe uitgeschakeld zijn. De capaciteit moet dan zodanig gekozen zijn dat uitschakelen van de dieselmotor mogelijk en zinvol is en dat de besparing aan brandstof dan duidelijk groter is dan de extra Kosten. n plaats van de extra regelbare belasting zal in het systeem van fig een accubatterij als energiebuffer opgenomen worden.