Kartläggning av krav för anslutning av stora vindparker till elnätet

$SULO 9,1' 5$)7± Kartläggning av krav för anslutning av stora vindparker till elnätet Föreliggande rapport som ingår i Elforsks vindkraftprogram, projekt 2172, utgör en kartläggning av krav för anslutning av stora vindparker till elnätet. Rapporten har utarbetats av Åke Larsson, ÅF-Elprojekt AB i Göteborg. 6DPPDQIDWWQLQJ Planeringen och uppförandet av vindkraft ändrar karaktär. Tidigare uppfördes i huvudsak enstaka verk eller mindre grupper av verk, idag planeras och byggs stora grupper av verk. Till havs planeras oftast för grupper om minst 50 stycken verk där varje verk har en märkeffekt om 2-3 MW. Detta innebär att planerade vindparker till havs kommer att få en maxeffekt på 100-150 MW. I takt med att den installerade effekten i planerade vindparker ökar och penetrationen av vindkraft i nätet ökar uppstår frågeställningar om vilka krav som bör ställas på anslutningen. Vid anslutning av enstaka verk eller små vindparker behöver endast hänsyn tas till elkvaliteten i anslutningspunkten så att närliggande abonnenter inte störs. Anslutning av stora vindparker med märkeffekter över 100 MW ställer däremot andra krav för att säkerställa en säker drift av elnätet med avseende på leveranssäkerhet, tillförlitlighet och elkvalitet. I Danmark har ELTRA tagit fram krav för anslutning av vindparker till nätet vid en spänning över 100 kv och i Sverige har Svenska Kraftnät utarbetat ett förslag för anslutning av grupper av vindkraftverk. I till exempel Danmark fördelas kravet på primär och sekundär styrning samt reaktiv effekt lika mellan alla typer av produktionsanläggningar. Detta innebär att stora vindparker måste delta i regleringen. I andra länder som till exempel England och Belgien ligger reglerkravet på vissa utvalda produktionsanläggningar. I dessa länder behöver inte stora vindparker delta i regleringen. Det finns skillnader mellan de föreslagna kraven i Sverige och kraven i Danmark. Ett av skälen till skillnader i krav kan vara att Sverige och delar av Danmark tillhör olika växelströmsnät. Sverige tillhör Nordelnätet medan Danmark består av två olika växelströmsnät. Östra Danmark (Elkrafts nät) är en del av Nordelnätet medan Jylland och Fyn (ELTRAs nät) är en del av det Europeiska UCTEnätet. -DQXDUL

Enligt Nordel är krav på styrning och reglering av vindkraftverk en viktig parameter. Stora mängder vindkraft bedöms i viss mån att ersätta konventionella kraftverk i framtiden. I och med detta måste vindkraftverken utvecklas från att vara passiva produktionsanläggningar anslutna till det lokala nätet till att bli aktiva produktionsanläggningar anslutna till transmissionsnätet som kan bidra till att stabilisera elnätet i kritiska driftsituationer. I de föreslagna svenska föreskiften ställs framför allt krav på spänningsreglering, effektreglering, störningstålighet och dynamisk stabilitet. De föreslagna svenska kraven på störningstålighet kan vara svåra att uppfylla för många av dagens vindkraftverk. Detta gäller framförallt kravet på reducerad drift i frekvensområdet mellan 51-55 Hz. Den dynamiska nätstabiliteten kan utgöra en begränsande faktor vid storskalig utbyggnad av havsbaserad vindkraft. Stora vindparker måste klara störningar utan bortkoppling. Vindkraftverk som har direktansluten asynkrongenerator är mycket känsliga för spänningsfall som uppstår i samband med fel på nätet. I svaga nät kan det krävas en SVC med samma märkeffekt i MVAr som asynkrongeneratorernas totala märkeffekt i MW för att klara en trefasig kortslutning utan att en spänningskollaps inträffar.

,QQHKnOO 1. INLEDNING...3 2. ANSLUTNINGSKRAV...4 3. SPÄNNINGSREGLERING...5 4. EFFEKTREGLERING...5 6. STÖRNINGSTÅLIGHET...7 7. ELKVALITET...8 7.1 Långsamma spänningsvariationer... 8 7.2 Flicker... 8 7.3 Övertoner och mellantoner... 9 8. DYNAMISK STABILITET...9 9. SLUTSATSER...11 10. REFERENSER...13 Bilaga 1 Kraftnätet i Norvästeuropa 2

,1/('1,1* Planeringen och uppförandet av vindkraft ändrar karaktär. Potentialen för vindkraft i Norden är god. Den uppskattas till mer än 250 TWh/år, så mycket är inte realistiskt att bygga ut med tanke på acceptansfrågor och ekonomi. Den realiserbara potentialen ligger i storleksordningen 75 150 TWh/år vilket motsvarar en installerad effekt på 25 000 50 000 MW [1]. Med dagens nationella målsättningar tyder allt på att Nordel har minst 10 000 MW vindkraft år 2020. Om utbyggnaden forceras i förhållande till dagens målsättning kan andelen vindkraft uppgå till 21 000 MW år 2020. Idag finns mer än 7 000 vindkraftverk inom Nordel med en samlad effekt på cirka 2 000 MW. Merparten av dessa vindkraftverk är mindre än 250 kw. Tidigare uppfördes i huvudsak enstaka verk eller mindre grupper av verk, idag planeras och byggs stora grupper av verk. Till havs planeras oftast för grupper om minst 50 stycken verk där varje verk har en märkeffekt om 2-3 MW. Detta innebär att planerade vindparker till havs kommer att få en maxeffekt på 100-150 MW. Den effekten kommer med all sannolikhet att öka när effekten på varje enskilt verk ökar, bland tillverkarna av vindkraftverk görs ingen hemlighet att man idag arbetar med prototyper om 5 MW. I takt med att den installerade effekten i planerade vindparker ökar och penetrationen av vindkraft i nätet ökar uppstår frågeställningar om vilka krav som bör ställas på anslutningen. Vid anslutning av enstaka verk eller små vindparker behöver endast hänsyn tas till elkvaliteten i anslutningspunkten så att närliggande abonnenter inte störs. Om ett fel uppstår i ett enstaka verk eller en mindre vindpark kan dessa brytas bort utan fara för effektobalans eller spänningskollaps. Anslutning av stora vindparker med märkeffekter över 100 MW ställer däremot andra krav för att säkerställa en säker drift av elnätet med avseende på leveranssäkerhet, tillförlitlighet och elkvalitet. Erfarenheterna från Gotland visar att stora grupper av vindkraftverk har en stor påverkan på det överliggande nätet. I Danmark har ELTRA tagit fram specifikationer för anslutning av vindparker till transmissionsnätet. Framtagandet av dessa specifikationer är en direkt följd av det danska energiministeriets beslut från den 13 februari 1998 att bygga fem vindparker om 150 MW styck som demonstrationsprojekt. Specifikationerna syftar även till att möjliggöra en ökad penetration av vindkraft i det danska elnätet. Syftet med denna utredning är att kartlägga vilka krav som är relevanta att ställa vid anslutning av stora vindparker till det svenska elnätet. Utgångspunkten utgörs av ELTRAs Specifications for Connecting Wind Farms to the Transmission Network och Planning Criteria for the Transmission System. Under arbetets gång har det framkommit att Svenska Kraftnät utarbetat ett förslag som även omfattar grupper av vindkraftverk. Detta förslag har titeln Föreskrifter om driftteknisk dimensionering av produktionsanläggningar. I denna rapport beskrivs den inverkan stora vindparker har på det överliggande nätet samt de krav som stora vindparker bör uppfylla för att kunna anslutas till det överliggande nätet. I redogörelsen görs även jämförelse mellan de föreslagna svenska kraven och de danska kraven. 3

$16/871,1*6 5$9 Enligt [2] skiljer anslutningskraven för stora vindparker mellan olika länder, kraven kan dock delas upp i två huvudgrupper: 1. I vissa länder (tex. Danmark) fördelas kravet på primär och sekundär kontroll samt reaktiv effektproduktion lika mellan alla typer av produktionsanläggningar. I dessa länder måste stora vindparker delta i regleringen. 2. I andra länder (tex. England och Belgien) ligger reglerkravet på vissa utvalda produktionsanläggningar. Dessa produktionsanläggningar erhåller ekonomisk ersättning för reglerstyrkan. I dessa fall råder en fri marknad för hjälptjänster i form av reglerstyrka jämte en fri marknad för energi (kwh). Detta innebär att stora vindparker inte tvingas delta i regleringen, därmed inte uteslutet att de deltar i regleringen av ekonomiska skäl. Det finns skillnader mellan de föreslagna kraven i Sverige och kraven i Danmark. Ett av skälen kan vara att Sverige och delar av Danmark tillhör olika växelströmsnät. Sverige tillhör Nordelnätet. Nordelnätet är det växelströmsnät som förbinder Sverige, Norge, Finland och östra Danmark med varandra, se bilaga 1. Inom Nordel är bland annat frekvensen densamma. Likströmsförbindelser till Danmark finns genom Konti-Skan mellan Sverige och Jylland och Skagerrak mellan Norge och Jylland. Till Tyskland finns likströmsförbindelsen Baltic Cable. I Sverige har Svenska Kraftnät utarbetat ett förslag som heter Föreskrifter om driftteknisk dimensionering av produktionsanläggningar. De föreslagna svenska kraven delar upp produktionsanläggningar i stora, medelstora och små anläggningar. Till stora anläggningar hör vindparker över 100 MW, till medelstora anläggningar hör vindparker mellan 20 MW och 100 MW och till små anläggningar vindparker mindre än 20 MW. Danmark består av två olika växelströmsnät. Östra Danmark (Elkrafts nät) är en del av Nordelnätet medan Jylland och Fyn (ELTRAs nät) är en del av det Europeiska UCTE-nätet. Jylland och Fyn har sedan 1965 utgjort en bro mellan vattenkraften i Norge och Sverige och de stora energisystemen på kontinenten. Jylland och Fyn har 400 kv och 220 kv växelströmsförbindelser med Tyskland och likströmsförbindelser med Norge och Sverige. I Danmark har ELTRA tagit fram krav för anslutning av vindparker till transmissionsnätet vid spänningsnivåer över 100 kv. Dessa krav heter Specifications for Connecting Wind Farms to the Transmission Network. Enligt Nordel är krav på styrning och reglering av vindkraftverk en viktig parameter. Stora mängder vindkraft bedöms i viss mån att ersätta konventionella kraftverk i framtiden. I och med detta måste vindkraftverken utvecklas från att vara passiva produktionsanläggningar anslutna till det lokala nätet till att bli aktiva produktionsanläggningar anslutna till transmissionsnätet som kan bidra till att stabilisera elnätet i kritiska driftsituationer. Styrning och reglering av vindkraftverk sett från ett överordnat systemperspektiv är ett outforskat område men teknikutvecklingen ger nya möjligheter. Detta tvingar Nordel att skriva krav som skapar incitament för fabrikanterna att utveckla vindkraftverkens regleregenskaper [1]. 4

63b11,1*65(*/(5,1* Det övergripande driftkriteriet för ett elkraftsystem är att hålla spänning och frekvens inom tillåtna gränser. För att upprätthålla spänningskvaliteten och undvika spänningskollaps måste spänningen hållas inom givna gränser. I ett elkraftsystem styrs spänningen genom spänningsregulatorer och styrning av reaktiv effekt i generatorernas anslutningspunkter. Anslutningskraven för generatorer är därför specificerade i denna punkt. Om vindkraft skall utgöra en betydande del av elkraftproduktionen måste vindparker kunna bidra till regleringen av spänningen. Av det skälet ställs krav på regleringen av reaktiv effekt från vindparker. I Sverige gäller de föreslagna kraven endast stora och medelstora anläggningar, det vill säga vindparker över 20 MW. 6YHQVNDNUDY Stora och medelstora vindparker skall kunna drivas med automatisk reglering av den reaktiva effekten med spänning som börvärde. Börvärdet skall vara inställbart inom minst ± 10 % av nominell driftspänning. Stora och medelstora vindparker skall dimensioneras med möjlighet till reaktiv produktion vid samtidig maximal aktiv effektproduktion enligt följande minimikrav: Inom intervallet 95 % till 100 % av nominell driftspänning skall reaktiv effekt motsvarande 1/3 av maximal aktiv effekt kunna produceras (cosϕ=0.95). Inom intervallet 100 % till 105 % av nominell driftspänning tillåts en linjär reduktion från faktorn 1/3 till 1/4 (cosϕ=0.97). Skall kunna konsumera reaktiv effekt motsvarande minst 1/6 av maximal aktiv effekt (cosϕ=0.99). 'DQVNDNUDY Vindparken skall ha en reaktiv effektkompensering så att den, oavsett produktion, inte drar någon reaktiv effekt vid spänningar inom området 146-170 kv vid en nominell spänning om 150 kv och 360-420 kv vid en nominell spänning om 400 kv. Koppling och styrning av den reaktiva effekten skall kunna ske med en ändring på högst 10% av maxeffekten i stationärtillstånd. Om vindparken har en stor kompenseringutrustning skall denna, efter särskild överenskommelse, kunna utgöra en del av den reaktiva effektregleringen i nätet.. ())( 75(*/(5,1* Frekvensen i ett elkraftsystem återspeglar balansen mellan produktion och belastning. Frekvensen bör inte avvika nämnvärt från nominellt värde. Detta kräver styrmöjlighet hos produktionskällor för att kompensera för naturliga lastvariationer och oväntade lastvariationer samt momentan reserv för bortfall eller felbortkoppling av produktionsanläggningar. För att kompensera för avvikelserna mellan prognostiserad och aktuell last används primär och sekundär styrning. Regleringen hos en styrd enhet används för att automatiskt minska produktionen vid en frekvensökning och öka produktionen vid en frekvensminskning. Detta kallas primär styrning, tidskonstanten för den primära kontrollen är i storleksordningen 1 sekund. Den sekundära styrningen är långsam och avser att styra effektproduktionen så att frekvensen 5

hålls inom nominellt värde. Tidskonstanten för den sekundära styrningen ligger grovt på 10-15 minuter. I ett fåtal fall sker den sekundära styrningen automatiskt. I alla andra fall sker den sekundära styrningen manuellt vid produktionsenheten på begäran av den regionala driftcentralen [2]. Stora vindparker, baserade på dagens teknik, bidrar varken till den primära eller den sekundära styrningen. Vid normal drift kan vinden förorsaka effektgradienter i storleksordningen 10-15% av märkeffekten inom loppet av 15 minuter. Eftersom storskaliga havsbaserade vindparker koncentrerar vindproduktionen (dvs. större andelar av den totala vindproduktionen koncentreras på några platser) kan det befaras att utbyggnaden av havsbaserad vindkraft ökar obalansen mellan produktion och konsumtion. Denna obalans kommer delvis att utjämnas genom en geografisk spridning av vindparkerna ute till havs. En studie av effektutjämning i Europa visar att det inte finns någon korrelation mellan parker med 1500 km avstånd [1]. Detta innebär att en storskalig utbyggnad av havsbaserad vindkraft i Europa skulle leda till en utjämning av effektproduktionen från vindkraft. Betydligt större effektgradienter kan förekomma under extrema vindförhållanden då snabbt passerande väderfronter eller stormbyar nästan simultant kan stoppa alla vindkraftverk i en stor park. I länder som har stora produktionsenheter (som tex. Sverige där den största produktionsenheten är Forsmark block 3 med en effekt om 1100 MW) finns redan en momentan störningsreserv för att täcka bortfall av produktionsenheter. Denna redan existerande momentana störningsreserv kan då vara tillräcklig för att täcka de effektgradienter som stora vindparker kan åstadkomma. Syftet med krav på effektreglering är att vindparker skall bidra till den sekundära styrningen. Som tidigare nämnts sker i de flesta fall den sekundära styrningen manuellt vid produktionsenheten på begäran av den regionala driftcentralen. ) UHVODJQDVYHQVNDNUDY För vindparker över 20 MW skall realtidsinformation rörande spänning, aktiv och reaktiv effekt, driftstatus och reglerförmåga tillhandahållas för systemansvarig myndighet (Svenska Kraftnät). Vindparker över 20 MW skall inom 15 minuter kunna styras manuellt för anslutning till elnätet, bortkoppling samt reglering av aktiv och reaktiv effekt. Efter störningar, med eller utan bortkoppling från yttre nät, skall anslutning och reglering kunna ske manuellt. 'DQVNDNUDY I de danska kraven föreskrivs att det skall vara möjligt att styra produktionen från vindparken så att ett bestämt MW-värde ej överskrids: produktionsgräns. Produktionen mätt som ett 1- minuts medelvärde får aldrig överstiga produktionsgränsen mer än 5% av vindparken maxeffekt. Styrningen skall äga rum på varje enskild turbin och det skall vara möjligt att styra produktionen ner till 20% av den maxeffekten på mindre än 2 sekunder. Det skall vara möjligt att styra produktionsgränsen med en central signal. 6

67g51,1*67c/,*+(7 Det skall vara möjligt att upprätthålla driften hos vindparker även vid frekvens- och spänningsavvikelser. Normalt är frekvensen stabil. I UCTE-nätet förekommer frekvenser under 49 Hz och över 50,3 Hz endast under ett fåtal tillfällen per år. Vanligtvis ligger frekvensen inom intervallet 50±0,1 Hz, detsamma gäller för Nordelnätet. ) UHVODJQDVYHQVNDNUDY Vindparker >20 MW: Frekvens [Hz] Spänning [%] Effekt Drifttid 47,5 49,0 95 105 < 5% reduktion > 30 minuter 49,0 49,7 90 105 bibehållen kontinuerlig 85 90 < 10% reduktion > 1 timme 49,7 51,0 90 105 bibehållen kontinuerlig 105 110 < 10% reduktion > 1 timme 51,0 55,0 95-105 reducerad > 30 minuter Vindparker <20 MW: Frekvens [Hz] Spänning [%] Effekt Drifttid 47,5 49,0 < 5% reduktion > 30 minuter 49,0 51,0 90-105 bibehållen kontinuerlig 51,0 55,0 reducerad > 30 minuter De svenska kraven på störningstålighet kan vara svåra att uppfylla för många av dagens vindkraftverk. Detta gäller framförallt kravet på reducerad drift i frekvensområdet mellan 51-55 Hz. Vestas, som har semivariabelt varvtal med hjälp av rotorkaskad, uppger att vindkraftverken kan köras med spänningsvariationer på max ± 10% och vid frekvenser mellan 47 Hz och 51 Hz. Drift vid märkeffekt kan dock inte garanteras under alla driftförhållanden (som tex. hög vindhastighet i kombination med hög temperatur osv.) eftersom belastningarna på generator och växellåda måste hållas inom vissa specifikationer. Bonus, som har direktdriven asynkrongenerator, uppger i princip samma driftegenskaper som Vestas, spänningsvariationer på max ± 10% och vid frekvenser mellan 47 Hz och 51 Hz. 'DQVNDNUDY Vindparker anslutna till spänningar över 100 kv: Frekvens [Hz] Spänning [%] Effekt Drifttid < 47,0 bibehållen < 0,3 sekunder 47,0 47,5 bibehållen > 10 sekunder 47,5 48,0 bibehållen >5 minuter 48,0 49,0 90-105 bibehållen > 25 minuter 49,0 50,3 bibehållen kontinuerlig 50,3 51,0 bibehållen > 1 minut > 53,0 bibehållen < 0,3 sekunder Som framgår är de danska kraven lägre än de föreslagna svenska kraven både med avseende på kortare drifttider vid frekvensavvikelser och krav på drift vid frekvenser över 53 Hz. 7

(/ 9$/,7(7 Elektriciteten skall uppfylla en viss kvalitet som bland annat brukar uttryckas i termer av: långsamma spänningsvariationer snabba spänningsvariationer (flicker) övertoner /nqjvdppdvslqqlqjvyduldwlrqhu Långsamma spänningsvariationer kan begränsas med lindningskopplare på transformatorn och/eller reglering av reaktiv effekt. Krav på styrning av reaktiv effekt finns så den långsamma spänningsvariationer bör därför inte utgöra någon begränsande faktor vid storskalig utbyggnad av vindkraft. En speciell egenskap hos havsbaserad vindkraft jämfört med landbaserad är inverkan från de långa kablarna mellan vindparken och nätanslutningspunkten. Kablarna genererar reaktiv effekt, denna reaktiva effekt kan behöva kompenseras bort vid låg produktion. Kablarna kan även ge upphov till spänningstransienter tex. vid inkoppling av transformatorer. )OLFNHU Erfarenheterna från vindparker på land visar på ett stort bidrag till flickernivån på nät med låg kortslutningseffekt. Flicker befaras dock inte utgöra en begränsning vid utbyggnad av stora vindparker [2]. Anledningen till detta är följande: Flickeremissionen från ett enskilt verk är till stor del beroende på tekniken. Moderna verk med variabelt eller semivariabelt varvtal ger relativt låga flickervärden. Flickeremissionen från vindkraftverk är inte korrelerad, vilket innebär en utjämning av flicker från stora vindparker. Stora havsbaserade vindparker kräver anslutning till en hög spänningsnivå för att begränsa överföringsförlusterna. På höga spänningsnivåer är kortslutningseffekten hög vilket gör att en större emission av flicker kan accepteras. ) UHVODJQD6YHQVNDNUDY I de föreslagna svenska föreskrifterna finns inga krav på nivåer för flicker. 'DQVNDNUDY Snabba spänningsändringar definierade som snabba ändringar av spänningens RMS-värde kan uppstå vid in- och urkopplingar i en vindpark. Dessa får ej överstiga följande värden: Generell gräns < 3.0% Upp till 10 ändringar per timme < 2,5% Upp till 100 ändringar per timme < 1,5% Flickerbidraget från en vindpark skall begränsas så att det i anslutningspunkten ej överstiger: P st <0.30 beräknat som ett viktat medelvärde av flickret under 10 minuter P lt <0.20 beräknat som ett viktat medelvärde av flickret under 2 timmar 8

gyhuwrqhurfkphoodqwrqhu Övertoner och mellantoner bedöms inte utgöra något hinder för utbyggnaden av stora havsbaserade vindparker [2]. Även om verken utrustas med omriktare eller om parken ansluts via en HVDC så kan övertonerna och mellantonerna begränsas till acceptabla nivåer med hjälp av filter. ) UHVODJQD6YHQVNDNUDY I de föreslagna svenska föreskrifterna finns inget nämnt om övertoner. 'DQVNDNUDY Enskild övertoner ton av ordning 1<n<51 skall vara mindre än 1% i anslutningspunken. Den totala harmoniska distorsionen, THD, skall vara mindre än 1,5%. '<1$0,6 67$%,/,7(7 Den dynamiska nätstabiliteten kan utgöra en begränsande faktor vid storskalig utbyggnad av vindkraft. Kravet på studier av den dynamiska stabiliteten beror till stor del på anslutningsföreskrifterna. De flesta av dagens föreskrifter är avsedda och utformade för mindre grupper av vindkraftverk anslutna till distributionsnätet. Dessa föreskriver att vindkraftverken kopplas bort vid händelse av ett fel i nätet, vilket inte är relevant för stora vindparker. Vid en storskalig utbyggnad av vindkraft innebär bortfall eller felbortkoppling av vindkraftsanläggningar att effektbalansen störs vilket kan leda till störningar i frekvensen och spänningskollaps. Stora vindparker måste klara störningar utan bortkoppling. Om till exempel ett fel uppstår i ledningen till en vindpark skall vindparken kopplas bort, men om vindparken tillhör den felfria delen av nätet så skall vindparken vara inkopplad under den tid det tar att kopplas bort den felbehäftade delen. Så fort som den felbehäftade delen kopplats bort skall vindparken återgå till normal drift, detta för att nätet inte skall kollapsa. Vindkraftverk som har direktansluten asynkrongenerator är mycket känsliga för spänningsfall som uppstår i samband med fel på nätet. Detta beror på att asynkrongeneratorn avmagnetiseras vid spänningsfall, den avger då reaktiv effekt och bidrar initialt till felströmmen i felstället. Under tiden som felet kvarstår förmår inte generatorn avge aktiv effekt samtidigt som rotorn accelereras av det mekaniska moment som turbinen producerar. Följden blir att när felet kopplats bort och spänningen återvänder drar asynkrongeneratorn en mycket stor ström för att både magnetiseras och bromsa upp rotorn. Om nätet är svagt i förhållande till den installerad generatoreffekten kan en spänningskollaps inträffa [3]. Vindkraftverk som har en omriktare mellan generatorn och nätet kan, inom vissa gränser, producera effekt även vid låga spänningar och under kortvariga spänningsfall. Reläskydden och skyddfilosfin är olika mellan transmissionssystem (400 och 220 kv) och distributionssystem (mindre än 100 kv). Spänningsnivån i anslutningspunken är således avgörande för vilka krav som bör ställas. Felfall som bör undersökas är följande [2]: statisk stabilitet eller stabilitetsrelaterad prestanda vid små störningar stabilitet vid stora störningar som enfas och trefas kortslutning eller spänningsdippar uppförande under långsamma spänningskollapser 9

ELTRA kräver bland annat att vindparker skall klara ett trefasigt nätfel utan att kopplas bort. Dessa krav kan komma att kräva modifieringar i vindkraftverkens styrsystem och kräva ingående dynamiska simuleringar för att visa att vindparken klarar dessa felfall. Enligt [3] kan det i svaga nät krävas en SVC med samma märkeffekt i MVAr som asynkrongeneratorernas totala märkeffekt i MW för att klara en trefasig kortslutning utan att en spänningskollaps inträffar. 6YHQVNDNUDY Vindparker över 100 MW skall klara variationer i spänningen i det anslutande nätet ner till 0% under 0,25 sekunder följt av ett språng på 25% och sedan linjärt ökande spänning under 0,5 sekunder upp till 90% spänning som därefter består. Vindparker under 100 MW skall klara variationer i spänningen ner till 25% under 0,25 sekunder och sedan 90% spänning som därefter består. 'DQVNDNUDY Vindparken skall klara följande felfall utan att kopplas bort (gäller dock ej fel på en radiell matning): Trefasfel på en ledning eller transformator. En typisk felsekvens är ett fel följt av felbortkoppling av felbehäftad ledning/transformator, ingen återinkoppling. Felbortkoppling sker normalt inom 0,10 sekunder. Tvåfasfel på en ledning med misslyckad återinkoppling. En typisk felsekvens är fel åtföljt av felbortkoppling av felbehäftad ledning. Efter misslyckad avjonisering återinkopplas ledningen med en definitiv felbortkoppling som följd. Tiden för felbortkopplingen sker normalt inom 0,10 sekunder, avjoniseringen 0,30 sekunder och felbortkopplingen efter den misslyckade återinkopplingen 0,10 0,15 sekunder. Under normaldrift skall vindparken klara tre fel inom två minuter utan att bortkopplas. Huvudsyftet med detta krav är att säkerställa en tillräckligt robust manöverspänning till vindkraftverken. Möjligheterna till styrning av vindparken får ej begränsas eller upphöra vid spänningsdippar eller låg spänning. Omedelbart efter att ett fel uppstått skall vindparken kunna begränsa produktionen ner till under 20% av maxeffekt på mindre än 2 sekunder samt med stabilisering av driften vid spänningssänkningar ner till 70% av den ursprungliga spänningen vid vindkraftverken. Totaltiden från feltillfälle till normal spänning uppnåtts kan vara upp till 10 sekunder. Fel som är mer utdragna i tiden kan förekomma. Långa spänningsfall omedelbart efter fel (2-10 sekunder, spänning under 60-80%) kan indikera att vindkraftverken har accelererat så mycket under feltillfället att elnätet inte förmår dra dem tillbaka till normal hastighet. För att minska konsekvenserna under dylika situationer bör följande åtgärder prövas: 1. En snabb reduktion av den aktiva effekten och en snabb ökning av den reaktiva effektproduktionen. Denna åtgärd bör vidtagas inom några sekunder. 2. Om inte spänningen återhämtar sig efter 1) skall vindparken kopplas bort för att förhindra att ledningar kopplas bort. Vid stora störningar, tex. om alla kraftledningar kopplas bort eller om vindparken och en del av nätet isoleras från det övriga nätet skall vindparken medverka i frekvensregleringen. Det 10

skall alltid vara möjligt för vindparken att bidra med en effektbegränsning vid överfrekvenser. På samma sätt bör en effektökning kunna vidtagas vid underfrekvens. Vid felbortkoppling i elnätet kan stora strömmar från vindparker förekomma. Dessa strömmar härrör från avsaknad av reaktiv effekt för magnetisering av asynkrongeneratorerna. Magnetiseringsströmmen till vindparken vid felbortkoppling får inte leda till frånkoppling av andra ledningar i transmissionsnätet. Förutsättningarna måste utredas för varje enskild vindpark. 6/876$76(5 Med dagens nationella målsättningar tyder allt på att Nordel har minst 10 000 MW vindkraft år 2020. Om utbyggnaden forceras i förhållande till dagens målsättning kan andelen vindkraft uppgå till 21 000 MW år 2020. Tidigare uppfördes i huvudsak enstaka verk eller mindre grupper av verk, idag planeras och byggs stora grupper av verk. Till havs planeras oftast för grupper om minst 50 stycken verk där varje verk har en märkeffekt om 2-3 MW. Detta innebär att planerade vindparker till havs kommer att få en maxeffekt på 100-150 MW. Den effekten kommer med all sannolikhet att öka när effekten på varje enskilt verk ökar. I takt med att den installerade effekten i planerade vindparker ökar och penetrationen av vindkraft i nätet ökar uppstår frågeställningar om vilka krav som bör ställas på anslutningen. Vid anslutning av enstaka verk eller små vindparker behöver endast hänsyn tas till elkvaliteten i anslutningspunkten så att närliggande abonnenter inte störs. Om ett fel uppstår i ett enstaka verk eller en mindre vindpark kan dessa brytas bort utan fara för effektobalans eller spänningskollaps. Anslutning av stora vindparker med märkeffekter över 100 MW ställer däremot andra krav för att säkerställa en säker drift av elnätet med avseende på leveranssäkerhet, tillförlitlighet och elkvalitet. I Danmark har ELTRA tagit fram krav för anslutning av vindparker till nätet vid en spänning över 100 kv och i Sverige har Svenska Kraftnät utarbetat ett förslag för anslutning av grupper av vindkraftverk. I till exempel Danmark fördelas kravet på primär och sekundär styrning samt reaktiv effekt lika mellan alla typer av produktionsanläggningar. Detta innebär att stora vindparker måste delta i regleringen. I andra länder som till exempel England och Belgien ligger reglerkravet på vissa utvalda produktionsanläggningar. I dessa länder behöver inte stora vindparker delta i regleringen. Det finns skillnader mellan de föreslagna kraven i Sverige och kraven i Danmark. Ett av skälen kan vara att Sverige och delar av Danmark tillhör olika växelströmsnät. Sverige tillhör Nordelnätet medan Danmark består av två olika växelströmsnät. Östra Danmark (Elkrafts nät) är en del av Nordelnätet medan Jylland och Fyn (ELTRAs nät) är en del av det Europeiska UCTE-nätet. Enligt Nordel är krav på styrning och reglering av vindkraftverk en viktig parameter. Stora mängder vindkraft bedöms i viss mån att ersätta konventionella kraftverk i framtiden. I och med detta måste vindkraftverken utvecklas från att vara passiva produktionsanläggningar anslutna till det lokala nätet till att bli aktiva produktionsanläggningar anslutna till transmissionsnätet som kan bidra till att stabilisera elnätet i kritiska driftsituationer. I de föreslagna svenska föreskiften ställs framför allt krav på spänningsreglering, effektreglering, störningstålighet och dynamisk stabilitet. I ett elkraftsystem styrs spänningen genom spänningsregulatorer och styrning av reaktiv effekt i generatorernas anslutnings-punkter. An- 11

slutningskraven för generatorer är därför specificerade i denna punkt. Vindparker över 20 MW skall kunna drivas med automatisk reglering av den reaktiva effekten med spänning som börvärde. Börvärdet skall vara inställbart inom minst ± 10 % av nominell driftspänning. Den reaktiva effekten skall kunna styras så att en effektfaktor mellan 0,95 (kap.) och 0,99 (ind.) kan erhållas. Frekvensen i ett elkraftsystem återspeglar balansen mellan produktion och belastning. Frekvensen bör inte avvika nämnvärt från nominellt värde. Detta kräver styrmöjlighet hos produktionskällor för att kompensera för naturliga och oväntade lastvariationer samt momentan reserv för bortfall eller felbortkoppling av produktionsanläggningar. För att kompensera för avvikelserna mellan prognostiserad och aktuell last används primär och sekundär styrning. Stora vindparker, baserade på dagens teknik, bidrar varken till den primära eller den sekundära styrningen. Vid normal drift kan vinden förorsaka effektgradienter i storleksordningen 10-15% av märkeffekten inom loppet av 15 minuter. Betydligt större effektgradienter kan förekomma under extrema vindförhållanden då snabbt passerande väderfronter eller stormbyar nästan simultant kan stoppa alla vindkraftverk i en stor park. Syftet med krav på effektreglering är att vindparker skall bidra till den sekundära styrningen. För vindparker över 20 MW skall realtidsinformation rörande spänning, aktiv och reaktiv effekt, driftstatus och reglerförmåga tillhandahållas för systemansvarig myndighet, Svenska Kraftnät. Vindparker över 20 MW skall inom 15 minuter kunna styras manuellt för anslutning till elnätet, bortkoppling samt reglering av aktiv och reaktiv effekt. Det skall vara möjligt att upprätthålla driften hos vindparker även vid frekvens- och spänningsavvikelser. Normalt är frekvensen stabil, vanligtvis ligger frekvensen i Nordelnätet inom intervallet 50±0,1 Hz. De svenska kraven på störningstålighet kan vara svåra att uppfylla för många av dagens vindkraftverk. Detta gäller framförallt kravet på reducerad drift i frekvensområdet mellan 51-55 Hz. Både Vestas, som har semivariabelt varvtal, och Bonus, som har direktdriven asynkrongenerator, uppger att vindkraftverken kan köras med spänningsvariationer på max ± 10% och vid frekvenser mellan 47 Hz och 51 Hz. Drift vid märkeffekt kan dock inte garanteras. Den dynamiska nätstabiliteten kan utgöra en begränsande faktor vid storskalig utbyggnad av havsbaserad vindkraft. Stora vindparker måste klara störningar utan bortkoppling. Om till exempel ett fel uppstår i ledningen till en vindpark skall vindparken kopplas bort, men om vindparken tillhör den felfria delen av nätet så skall vindparken vara inkopplad under den tid det tar att kopplas bort den felbehäftade delen. Så fort som den felbehäftade delen kopplats bort skall vindparken återgå till normal drift. Detta för att nätet inte skall kollapsa. Vindkraftverk som har direktansluten asynkrongenerator är mycket känsliga för spänningsfall som uppstår i samband med fel på nätet. I svaga nät kan det krävas en SVC med samma märkeffekt i MVAr som asynkrongeneratorernas totala märkeffekt i MW för att klara en trefasig kortslutning utan att en spänningskollaps inträffar. Vindkraftverk som har en omriktare mellan generatorn och nätet kan, inom vissa gränser, producera effekt även vid låga spänningar och under kortvariga spänningsfall. Stora vindparker över 100 MW skall klara variationer i spänningen i det anslutande nätet ner till 0% under 0,25 sekunder följt av ett språng på 25% och sedan linjärt ökande spänning under 0,5 sekunder upp till 90% spänning som därefter består. Vindparker under 100 MW skall klara variationer i spänningen ner till 25% under 0,25 sekunder och sedan 90% spänning som därefter består. 12

5()(5(16(5 [1] Nordels Netgruppe, Ikke-regulerbar produktion i Nordel-systemet, Nordels Årsmøde 2000. [2] Dewind (co-ordinator), Offshore Wind Energy ready to Power a Sustainable Europe Final Report Concerned Action on Offshore Wind Energy in Europe, Report Ref.: Duwind 2001.006, december 2001. [3] Grünbaum R., Halvarsson P., Ängquist L., Grid Connection of Large Windfarms Utilising Induction Generators, European Wind Energy Conference and Exhibition 2001, Bella Center, Copenhagen, Denmark, 2-6 July 2001. 13

%LODJD± UDIWQlWHWLQRUGYlVWHXURSD