Minivindkraftverks inverkan på lågspänningsnät

Högskolan i Halmstad Sektionen för ekonomi och teknik Minivindkraftverks inverkan på lågspänningsnät Low power wind turbines influence on utility network Rapport av examensarbete 22.5 hp. 180 hp. högskoleingenjörsutbildning i Energi Vårterminen 2008 Halmstad

Rapport av examensarbete: Högskolan i Halmstad Examensarbete 22.5 hp. Vårterminen 2008 Titel: Minivindkraftverkets inverkan på lågspänningsnät Student: Jonas Eriksson. Handledare: Jonny Hylander, HH/SET. Kontaktperson: Alexander Örning, Halmstad Energi och Miljö Nät AB. Examinator: Sven Werner, HH/SET. Datum: 2008-04-16 II

Abstract Micro-power wind energy convertors have recently increased in popularity. The reasons for this are among other things the increasing cost of electric energy and enviromental concern. In this thesis the connection of these micro-power wind energy convertors to the utility network is discussed. Electric standards for the connection of small production units is presented. Finally some calculations and measurements of electric quality are also presented. The utility network used in the calculations is part of Halmstad Energi och Miljö network. III

Sammanfattning I och med stigande elpriser och ökad miljödebatt har minivindkraftverk blivit mer attraktiva för privatpersoner. Intresset av detta område har skapat oro hos energibolagen som gör det nödvändigt att analysera vindkraftverkens inverkan på deras elnät. Rapporten ger en översiktlig beskrivning av hur minivindkraftverkets elektriska anslutningar till elnätet bör behandlas. Beräkningarna bygger framförallt på modeller hämtade från skriften Anslutningar av mindre produktionsanläggningar. Rapporten ger även en kort beskrivning av hur svenska elnätets uppbyggnad ser ut samt teoretiska bakgrunder. Ett annat viktigt område som behandlas är elkvalitet, där olika begrepp förklaras samt vilka standarder och normer som bör följas. Dessutom belyses för- och nackdelar med hur olika elsystem kan vara uppbyggda i vindkraftverk. Den avslutande delen ger en översikt av hur beräkningsmodellerna kan användas och resultat vid olika anslutningspunkter presenteras. Dessa resultat används för att jämföra vilken teoretisk inverkan ett minivindkraftverk har i ett lågspänningsnäts olika anslutningspunkter. Anslutningspunkterna är hämtade från Halmstads Energi och Miljö AB:s elnät. IV

Förord Rapporten är ett examensarbete på 22.5 hp som har tillkommit som ett obligatoriskt moment i programmet energiingenjör vid Högskolan i Halmstad. Jag som utfört arbetet har valt att inrikta mitt sista år av studierna åt ämnena elkraft- samt vindkraftsteknik. Examensarbetet har utförts i samarbete med energiföretaget Halmstad Energi och Miljö Nät AB. Ett stort tack till: Sven-Åke Hannevind för givande studiebesök och möjlighet till mätning av hans minivindkraftverk. Robert Bagge, Unipower AB för lån av mätinstrument samt god support av produkterna. Alexander Örning, Halmstad Energi och Miljö Nät AB för lån av skrifterna Svenskstandard och Anslutning av mindreproduktionsanläggningar samt utbyte av idéer och funderingar. Handledare Jonny Hylander för goda råd och vägledning på resan fram till färdig rapport. Göran Sidén för inspiration inom vindkraftsområdet samt tips och råd. Lars Åkesson Pitchwind för diverse material. Jonas Eriksson Halmstad 2008-04-16 V

Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 METOD... 1 1.3 SYFTE OCH MÅL... 1 1.4 AVGRÄNSNINGAR... 1 2 ELNÄT... 2 2.1 SVENSKA ELNÄTET... 2 2.1.1 Teoretiska grunder... 2 2.2 ANSLUTNING AV VINDKRAFT... 4 2.2.1 Introduktion... 4 2.3 ELKVALITET... 5 2.3.1 Kvalitetsansvar... 6 2.3.2 Maximal produktion av aktiv effekt... 6 2.3.3 Långsamma spänningsändringar... 7 2.3.4 Snabba spänningsändringar... 8 2.3.5 Övertoner och mellantoner... 9 2.3.6 Transienter... 10 2.3.7 Normer och standarder... 10 2.3.8 Viktiga parametrar... 12 2.3.9 Skydd (Reläskydd)... 13 3 MINIVINDKRAFTVERK... 14 3.1 ELSYSTEM I VINDKRAFTVERK... 14 3.1.1 Konstantvarvtalsturbin... 14 3.1.2 Variabelvarvtalsturbin... 15 3.2 EFFEKTREGLERING AV VINDRAFTVERK... 17 4 BERÄKNINGSMETODER... 19 5 ELKVALITATIVA BERÄKNINGAR... 23 5.1 SIMULERAD ANSLUTNINGSPUNKT MED FASTVARVTALSTURBIN... 23 5.2 BERÄKNINGAR MED ETT VINDKRAFTVERK I PUNKTEN 2... 26 5.3 BERÄKNING MED FLER VINDKRAFTVERK I PUNKT 2... 28 5.4 BERÄKNINGAR MED ETT VINDKRAFTVERK I PUNKT 4.... 30 5.5 BERÄKNING MED FLER VINDKRAFTVERK I PUNKT 4.... 33 5.6 VARIABELVARVTALSTURBIN MED KRAFTELEKTRONIK... 35 6 MÄTNINGAR AV KONSTANTVARVTALSTURBIN... 36 6.1 INTRODUKTION... 36 6.2 SPÄNNINGSNIVÅER... 37 6.3 EFFEKT... 37 6.4 SNABBA SPÄNNINGSÄNDRINGAR... 37 6.5 ÖVERTONER... 38 7 DISKUSSION... 39 8 SLUTSATS... 39 9 REFERENSER... 41 VI

1 Inledning 1.1 Bakgrund I dag finns det möjlighet för villaägare att installera ett eget vindkraftverk på tomten. Intresset för detta ökar då stigande energipriser och miljöfrågor blivit mer aktuella under senare tid. Elnätsägare är intresserade av att veta hur dessa enheter påverkar deras nät, då det finns krav på att elleveransen skall upprätthålla en viss kvalitet till kund. Man vill därför veta vilka möjliga konsekvenser, som kan uppstå vid inkoppling av mindre vindkraftverk till näten. Genom den kunskapen kan man därefter förbereda åtgärder för att förhindra eventuell negativ påverkan på elkvaliteten. Rutinerna kring anslutningar av förnyelsebara energiproducenter till lågspänningsnät är under utveckling och vid mer kunskap om hur vindkraftverken påverkar nätet, kan bättre rutiner för anslutningsmöjligheter komma till stånd. Då kan mindre vindkraftverk bli mer aktuellt att investera i. 1.2 Metod Examensprojektet utförs vid Halmstads högskola, sektionen för ekonomi och teknik under perioden januari - maj 2008 i samarbete med Halmstad Energi och Miljö Nät AB. Arbetet kommer att behandla lämplig teori och beräkningar samt mätningar som sedan jämförs med normer och standarder. Skriften Anslutningar av mindre produktionsanläggningar är ett viktigt underlag för beräkningarna. 1.3 Syfte och mål Detta examensarbete är en undersökning om hur minivindkraftverk inverkar på lågspänningsnät. Genom att använda lämpliga beräkningsmetoder utförs beräkningar för att se hur minivindkraftverk samarbetar med olika anslutningspunkter i Halmstad Energi och Miljös nät. Genom att jämföra de olika beräkningarna är målet att försöka analysera hur elkvaliteten i nätet påverkas. Examensarbetet syftar till att genom beräkningar med angiven data från vindkraftstillverkaren kunna avgöra om minivindkraftverken har någon avgörande inverkan på lågspänningsnätet. 1.4 Avgränsningar Beräkningarna utförs i ett fåtal utvalda punkter och gör det därför svårt att skapa en generell bild av hur minivindkraftverken påverkar lågspänningsnätet vid anslutning. Jämförelse mellan olika vindkraftverk kommer inte genomföras då antal timmar för arbetet inte är tillräckliga. Mätningarna utfördes under en veckas tid och bör därför noteras då man normalt använder sig av längre tidsperioder. Rapporten ska vara klar och redovisad i maj månads utgång 2008. 1

2 Elnät I detta avsnitt beskrivs kortfattat hur det svenska elnätet är uppbyggt samt förklarar de viktigaste begreppen inom systemets olika indelningar för att ge en god förståelse inför fortsatt läsning. I fig. 2.12 illustreras en översikt av de olika nätens uppbyggnad och sammankoppling med olika begrepp. 2.1 Svenska elnätet Den del i svenska elnätet där alla längre transporter av el äger rum brukar benämnas som transmissions- eller stamlinjenätet och beräknas vara uppbyggt av sammanlagt 1500 mil 400- och 220 kv-ledningar från norr till söder. Transmissionsnätet har till uppgift att knyta ihop alla större kraftverk och regioners elnät samt att möjliggöra reglering mellan kraftverken. Längs transmissionsnätet fördelas elkraften inom olika regioner till så kallade regionstationer. Avstånden för leveranser inom regionnätet ligger i storleksordning runt 100 km och spänningsnivån ligger oftast på 130, 50 eller 70 kv. Transmissionsnätet samt regionnäten benämns ofta under begreppet överföringsnät och utgörs av högspänningsledningar. Regionnäten fördelas därefter till mindre lokala områden där spänningen normalt transformeras ner till 10 kv. Det lokala elnätet benämns som distributionsnät och har inte mer än 10 km i transportsträckor och effekten på ledningarna är på ett par MW. I tätorter och liknande bebyggelse består oftast nätet av nedgrävda kablar. Nedtransformeringen från distributionsnätet till lågspänningen 0.4 kv, äger rum i nätstationer. Lågspänningsnätet har till uppgift att distribuera elkraft till elkonsumenter, och utgörs av matarkablar som förbinder så kallad servisledning, som utgår från kabelskåpet. Produktionsanläggningar som vindkraftverk ansluts vanligtvis direkt till distributionsnätet med egna transformatorer som matar ut 10 kv. Minivindkraftverken som detta examensarbete berör ansluts dock till 0.4kV. 2.1.1 Teoretiska grunder Elnäten får olika karaktär beroende på val av ledningar, transformatorer samt vilket effektuttag som tillämpas. Kortslutningseffekten i anslutningspunkten för vindkraftverket är viktig och avgörande för hur stor inverkan vindkraftverket kommer ha på elnätet. Beroende på anslutningspunktens karaktär kan det uppstå olika fenomen som kan bidra med både positiva och negativa följder. Normalt uppstår det spänningsfall utmed ledningarna i elnätet. Dessa spänningsfall förändras beroende på vilket effektuttag som belastningarna längst ledningen har samt ledningsförlusterna. Om det uppstår stora spänningsfall i nätet kan klen dimensionering eller för stort nät med långa ledningar vara orsaken. 2

Figur 2.1 1: Elkraftsschema Figur 2.1 2: Del av elnätets uppbyggnad 3

2.2 Anslutning av vindkraft Meningen med detta avsnitt är att ge förståelse för hur vindkraftsanläggningar kan anslutas till elnätet samt vilka begrepp och parametrar som bör behandlas för att kunna avgöra hur vindkraftsanläggningen påverkar elnätet. 2.2.1 Introduktion Beroende på vindkraftverkens storlek ansluter man dem till olika spänningsnivåer i elnätet. Den vanligaste anslutningsformen är till distributionsnätet med spänningsnivån 10 kv. Tendenserna till ökad storlek på senare modeller av vindkraftverk, gör att behovet av anslutning till högre spänningsnivåer ökar. Detta arbete kommer dock att rikta in sig mot minivindkraftverk med effekter runt 5-20 kw, som ansluts till spänningsnivån 0.4 kv. Exempel på hur en anslutning av ett mindre vindkraftverk kan se ut illustreras i fig. 2.2.1 1. Inom snar framtid kommer diskussioner om nettomätning att öka eftersom Lennart Söder på KTH på uppdrag av Statens offentliga utredningar lagt fram en rapport kring detta [9]. Förhoppningarna är att det kommer leda till att det blir lättare att ansluta förnyelsebara produktionsanläggningar till elnätet samt att det kan bli möjligt för privatperson att sälja överskotet av producerad el till nätägaren. Figur 2.2.1 1: Exempel på hur en vindkraftsanslutning kan se ut schematiskt För att förtydliga vissa begrepp som ofta förekommer vid nätuppbyggnadsfasen illustreras detta i fig. 2.2.1 2. Den punkt där vindkraftverket ansluts till nätet definieras som anslutningspunkt, där elektrisk energi förs över till någon form av installation från vindkraftverket. Sammankopplingspunkten är den punkt i elnätet där ledningen från vindkraftverket ansluts till en nätdel, till vilket andra installationer är eller kommer anslutas. Installationen tillåts både att tillföra eller konsumera elektricitet. Figur 2.2.1 2: Översikt av nätanslutning av vindkraftverk [1] 4

2.3 Elkvalitet Vid inkoppling av olika apparater till elnätet måste hänsyn tas till att inte annan utrustning störs samt att nätets elkvalitet inte försämras i allt för hög grad. Vindkraft är ofta förknippat med dålig elkvalitet, vilket gör att man bör behandla elkvalitetsfrågan redan i tidigt skede i projekteringen. Innebörden av begreppet elkvalitet kan beskrivas som en form av kvalitetsmätning, där man valt att sätta upp kriterier för att det skall bli möjligt att bedöma kvaliteten som elleverans har. Dålig elkvalitet kan t.ex. innebära att elleveransen har avvikelser från ideal sinus spänning med 50 Hz och att den spänningsnivå man valt inte uppfylls. Vid misstanke om försämring av elkvaliteten brukar spännings-, frekvensstabilitet samt fasbalans blir viktiga faktorer att ta hänsyn till. Vid beskrivning av elektriska egenskaper brukar man dela in dessa fenomen i olika grupper som bygger på olika tidsintervall [5]. Stationära förlopp kan t.ex. innebära att vindkraftverket producerar märkeffekt under lämpliga vindförhållanden, men kan även vara när vindkraftverket konsumerar reaktiv effekt samt bidrar till långsamma spänningsvariationer och övertoner. Dynamiska förlopp beror på mekaniska egenskaper hos vindkraftverkens komponenter som t.ex. växellåda, vingar och huvudaxel. Vid elkvalitativa benämningar bruka de samlas under begreppen snabba spänningsändringar och flimmer. Transienta förlopp härleds från kopplingstransienter som uppstår vi starter och omkopplingar av generatorer samt vid inkoppling av kondensatorbatterier. Det är framför allt hos vindkraftverk med konstant varvtal som dessa fenomen uppstår. Vilken nivå man får på elkvalitet från vindkraftverken i ett elnät beror i allra högsta grad på hur elektriskt kopplade vindkraftverket och elnätet är. Det är framförallt de elektriska egenskaperna som spelar in och beroende på vilket vindkraftverk man väljer att använda sig av varierar förutsättningarna kraftigt. Även elnätet som vindkraftverket skall anslutas till har olika egenskaper, det är framförallt kortslutningseffekten i anslutningspunkten som är av stor betydelse. För att kunna bedöma vilken inverkan ett vindkraftverk har på ett nät måste både vindkraftverkets och nätets egenskaper beaktas [6]. Enligt AMP [1] är det nödvändigt vid dimensioneringen att både betrakta produktionskällan med avseende på långsamma och dynamiska egenskaper och nätets med avseende på kortslutningseffekt och kortslutningsvinkel, se fig. 2.3.1 1. För att uppnå så god elkvalitet som möjligt i ett elnät krävs det att samverkan finns mellan nätägare och elanvändare [14]. 5

Figur. 2.3.1 1: Minska kortslutningsförhållande vid olika kortslutningsvinklar för att undvika störningar på elnätet från vindkraftverk [6]. 2.3.1 Kvalitetsansvar Elnätsägaren anses för det mesta ha ansvaret för att kvaliteten i det nät han förvaltar och driver motsvarar de riktlinjer för elkvalitet som finns. Elnätsägaren är således ansvarig för att elkvaliteten i anslutningspunkten till kund är den rätta [14]. 2.3.2 Maximal produktion av aktiv effekt Vindkraftverkets maximala produktion av aktiv effekt kan variera beroende på en rad olika faktorer som t.ex. effektreglering, lufttryck, vindens variation och temperatur. Dessa aspekter bör man beakta då det vid allt för hög produktion kan leda till problem. De ökade effektvärdet är oönskat både hos elnätet samt hos vindkraftverket där det kan orsaka skador i form av generatorhaveri samt mekanisk åverkan. Vid beräkningar av långsamma spänningsvariationer är det därför viktigt att använda värdet för maximal aktiv effekt. Mätningarna bygger på ett medelvärde under en 10 minuters mätperiod. En annan vikig detalj är att en asynkrongenerator ökar den reaktiva effektkonsumtionen när den aktiva effektproduktionen ökar [1]. 6

2.3.3 Långsamma spänningsändringar I och med att vindens styrka och riktning ständigt förändras, uppstår variationer i effektproduktionen hos vindkraftverket. Om man t.ex. kopplar en stor asynkronmotor till nätet och belastar den tungt, får man en spänningssänkning på nätet. Om belastningen därefter minskas kommer nätets spänning att öka igen. Dessa variationer förekommer hos alla typer av vindkraftverk och får enligt SS 421 18 11 [2] maximalt bidra till ändringar av spänningens effektivvärde med 2.5 %. Man måste dock tänka på att belastningarna som är kopplade till nätet varierar beroende på årstid samt tid på dygnet. Enligt SS EN 50 160 skall spänningens effektivvärde ligga inom intervallet - 10 % och +6 % från nominell spänning, det vill säga mellan 207V och 244V. Så stor variation får dock inte vindkraftverket orsaka, den stora variationen skall även täcka lastvariationer och de spänningsfall som uppstår längs en radialmatad ledning [6]. Ett vindkraftverk med konstant varvtal kan bidra till en spänningsökning i nätet genom hög produktion av aktiv effekt. Den konsumerade reaktiva effekten kan däremot bidra till en spänningssänkning. Det vanligaste fallet är att man får en spänningsökning på nätet när vindkraftverket producerar hög effekt, man bör dock tänka på att vid reaktiv effektförbrukning i kombination med hög nätinduktans istället orsakar spänningssänkningar [6]. Förhållandet mellan nätets resistans och reaktans är grunden till hur långsamma spänningsvariationer uppstår [7]. Använder man sig istället av ett vindkraftverk med variabelt varvtal är kraftelektronik kopplad mot elnätet. Detta gör att man får möjlighet till att automatiskt reglera den reaktiva effekten. Med dessa vindkraftverk går det att reglera den reaktiva effekten mot önskat värde, t.ex. effektfaktor ett eller att reglera spänningsnivån vid vindkraftverket. En fördel jämfört med systemet med kondensatorer som kopplas in och ur är att kunna reglera den reaktiva effekten utan kopplingstransienter [7]. Figur 2.4 1: Spännings variationen som ett vindkraftverk förorsakar vid olika kortslutningsvinklar, på nätet och konstant kortslutningseffekt, S k [6]. 7

2.3.4 Snabba spänningsändringar Om en produktionsanläggning har en ojämn effektinmatning kan snabba spänningsändringar förekomma. Det är därför viktigt att ta hänsyn till detta vid anslutning av anläggningen till elnätet. Snabba spänningsändringar är förknippat med vindkraft och uppstår framförallt när vindkraftverk startar eller är i normal drift. Under drift är det tornskuggor och vindgradienten som bidrar till uppkomsten av de snabba spänningsändringarna. Det är vid spänningens lägre frekvenser som störningarna förekommer och uppfattas av det mänskliga ögat som variationer i ljusintensitet hos glödlampor. Man kallar detta för flimmer eller flicker och brukar beskrivas i hur spänningsvariationerna uppfattas av människan. Dessa fenomen förekommer endast hos vindkraftverk som använder sig av konstant varvtal. Vindkraftverk med variabelt varvtal kan genom rätt styrning jämna ut de oönskade störningarna. Anledningen till detta är att man kan låta rotorn ta upp inkommande effektvariationer genom att variera varvtalet. Av fig. 2.3.2 1 kan slutsatsen dras att det mänskliga ögat är känsligast för 17 ändringar per sekund [1]. P st står för short-term flicker severity och beräknas normalt över 10 minuters perioder. P lt står för long-term flicker severity probability och beräknas normalt utifrån 12 st p st värden, vilket ger 2 timmars intervall. Vid normala driftförhållanden bör medelvärdet av elnätets P lt orsakat av variationer i spänningen högst vara 1.0 under 95 % av tiden per vecka [3]. Vid ett genomsnitt av 10 minuter får inte P st överstiga 0.35 eller alternativt får inte P lt överstiga 0.25 under ett 2 timmars intervall från enskild källa [8]. Gränsvärden för snabba spänningsändringar ges i normen SS EN 61000-3-7. I fig. 2.3.2 1 visas en kurva för maximalt tillåtna regelbundet återkommande ändringar av spänningens effektivvärde. Enligt SS-EN 61 000-2-2 är kompatibilitetsnivårena: P st =1, P lt =0.8. Om att ett vindkraftverk har tre blad och roterar med 30 varv per minut, uppstår tre ändringar per sekund. Man bör tänka på att en spänningsdipp räknas som två ändringar. Enligt fig. 2.3.2 1 får då inte spänningsändringen överstiga 0.65% [6]. Figur 2.3.2 1: Flicker-kurvan, AMP [1] 8

2.3.5 Övertoner och mellantoner Övertoner är ofta förekommande på elnätet och har sina källor från icke linjära laster, kraftelektroniska laster, likriktare och växelriktare för olika drifter. Man kan beskriva övertoner som kontinuerliga störningar med oönskade resultat. Övertoner kan finnas på strömmar samt spänningar och kan orsaka allvarliga problem. De kan t.ex. utlösa överspänningsskydd, medföra överhettning i transformatorer, neutralledare och motorer, samt fel i kondensatorer. Övertoner kan orsaka problem som är lätta att upptäcka men svåra att åtgärda. I och med att apparater innehållande kraftelektronik är mer vanligt i dagens läge, måste beräkningar kring övertoner finnas med redan vid projekteringsstadiet för olika produktionsanläggningar. Om man ser till vindkraftverk, är det först och främst turbiner med variabelt varvtal det berör, då de är utrustade med någon form av frekvensomriktare. Det händer att vindkraftverken placeras på platser där distributionsnätet är svagt, det vill säga att det är en låg kortslutningseffekt i anslutningspunkten. Detta leder till att vindkraftverket bidrar med strömövertoner som i sin tur resulterar i spänningsövertoner, vilket kan medföra obehagliga problem för elkonsumenterna samt nätägaren. Det kan förekomma övertoner, med högre frekvens än grundtonen (nätets frekvens), i spänningen och strömmen. För övertoner finns det ett allmänt sätt att räkna, TDH (Total Harmonics Distortion), den totala övertonshalten ekv. 1 [12]. THD i = 2 " % ) $ ', THD u = # & h(1 I sh I s1 2 " % ) $ ' (1) # & U sh h(1 U s1 Man skiljer på övertoner i ström och spänning. THD räknas fram för både strömövertoner och spänningsövertoner. Övertoner beskrivs enligt Svensk Standard SS 421 18 11 [2] som periodiska ström- eller spänningskomponenter med en frekvens som en heltalsmultipel av grundtonsfrekvensen. I standarden finns även nivåer över spänningens relativa över- och mellantonshalt, uppmätta som medelvärden under 3 sek tabell 3.1.3 1. Mellantoner ingår inte i THD. I svensk standard definieras att det är spänningsövertoner som mäts och regleras. Utöver de toner av spänningen som är multiplar av spänningens grundfrekvens finns mellantoner, vilka har en frekvens som inte är multiplar av spänningens grundfrekvens och mäts därför oftast inte. Mellantonerna ger sällan upphov till samma problem som multiplarna av grundtonen eftersom effektinnehållet brukar vara lägre. Det finns inga normer för vilken nätpåverkan en anläggning får lov att ha [7], däremot har man utformat rekommendationer om vilken kvalitet som nätägaren bör hålla vid sina nät. Hur stora överströmmar nätet kan acceptera beror på hur starkt det är, det vill säga vilken kortslutningseffekt det har. Ju högre kortslutningseffekt desto mer strömövertoner kan det tåla innan nätspänningskvaliteten blir för låg. Udda enskild ton 4 % Jämn enskild ton 1 % Total THD (n=1-40) 6 % Mellantoner 0,3 % Tabell. 2.3.3 1: Spänningsövertoner mätta som medelvärden under 3 sek enligt SS 421 18 11 9

Tabell. 2.3.3 2: Spänningsövertoner i anslutningspunkten enligt SS-EN 50 160 Mätprincipen och 95 % värdena enligt standarden SS-EN 50 160 skiljer sig från SS 421 18 11. Under normala driftförhållanden skall, under varje period av en vecka, 95 % av antalet 10-minuters medelvärden av effektivvärdet för varje enskild överton i spänningen vara mindre än eller lika med värdena i tabell 2.3.3 2. Dessutom skall den totala övertonshalten (THD) hos matningsspänningen (inklusive alla övertoner upp till och med den 40:e) vara mindre än eller lika med 8 % [3]. 2.3.6 Transienter En transient beskrivs ofta som en ström- eller spänningsspik på grund av att dess kurvform. I själva verket är en transient en kortvarig ändring av strömmen eller spänningen. Uppkomsten sker framförallt vid in- och urkoppling av vindturbiner med konstant varvtal, då det är kondensatorbatteriet som används för reaktivkompensering som är källan. Strömtransienterna ger upphov till spänningstransienter som i sin tur kan ge upphov till störningar i elnätet och förstöra känslig elektronikutrustning. 2.3.7 Normer och standarder I Sverige finns det ännu inte någon standard som enbart behandlar anslutningar av vindkraftverk, däremot finns det normer som behandlar elkvalitet t.ex. SS-EN 50160 och SS 421 18 11 som ersatts av SS-EN 61 000-2-2. SS-EN 50-160 [3] beskriver egenskaperna hos spänningen i kundens anslutningspunkt i ett allmänt distributionsnät för låg och mellanspänning under normala driftförhållanden. Standarden anger gränser eller värden mellan vilka alla elanvändare kan förvänta sig att spänningens egenskaper bibehålls i hela Europa [14]. SS 421 18 11 [2] och SS-EN 61000-2-2 [4] är miljöbeskrivande EMC-standarder. Enligt SIS (Swedish Standards Institute) har SS 421 18 11 ersatts av SS-EN 61000-2- 2 men AMP [1] hänvisar fortfarande till standarden SS 421 18 11. 10

Skriften AMP [1] från Svensk Energi, innehåller de standarder och normer som berörs vid anslutning av mindre produktionsanläggningar mindre än 1.5 kw i installerad effekt. Skriften ger även vägledning för elnätsägare som skall ansluta någon form av vindkraftsproduktion till befintliga elnät. Dessutom presenteras viktiga parametrar och rekommendationer i hur projekteringen bör skötas presenteras. Vid inmatning av elkraft på det svenska elnätet från en produktionsanläggning måste man följa vissa bestämmelser där man satt upp vissa krav för att kunna uppnå rätt kvalitet hos den spänning som kommer levereras. Svenska Standarden SS-EN 50 160 och SS-EN 61000-2-2 anger vilka krav som gäller för produktionsanläggningar på lågspänningsnätet. Som ägare av en produktionsanläggning är man skyldig att se till att den inmatade spänningen uppfyller dessa krav. Vid granskning av SS 437 01 40 (Anslutning av lågspänninginstallationer) står det även att det bör ske en särskild överenskommelse med nätägaren för utmatning av kraft till nätet. Denna norm hänvisar till AMP [1] vid installation av produktionsanläggningar. 11

2.3.8 Viktiga parametrar AMP [1] tar upp några parametrar som är viktiga för kommande beräkningsexempel. Filmmer, Flicker Den mänskliga hjärnans uppfattade snabba spänningsvariationer i elnätet genom t.ex. intensitetsvariationer hos ljuset i glödljus, vilka uppfattas av ögat. Flickerstegsfaktor c f (Ψ k ) Koefficient som används för att beräkna flickernivå i en given punkt i elnätet vid en given kortslutningsvinkel. Värdet på faktorn måste uppmätas i ett referensnät med känd kortslutningsvinkel. Flickerkoefficienten k f (Ψ k ) Faktor som används vid beräkning av flickernivån inom vindkraftområdet där flicker framförallt kommer från generatorkopplingar. Värdet på faktorn måste uppmätas i ett referensnät med känd kortslutningsvinkel. Kortslutningseffekt S k Kortslutningseffekten vid en punkt i elnätet motsvarar den elektriska effekt som uppstår vid normal driftspänning innan en kortslutning inträffat och med kortslutningsströmmen I k sedan felet inträffat. Kortslutningsvinkel Ψ k Vinkeln mellan nätets kortslutningsimpedans Z k och kortslutningsresistans R k. Dödband hos lindningskopplare För att reglera långsamma spänningsvariationer som uppstår i samband med lastvariationer i elnätet, brukar omsättningen på transformatorns lindningskopplare ändras. Detta sker automatiskt genom att man lägger till eller tar bort lindningsvarv i transformatorn. Dödbandet anger den tillåtna procentuella avvikelsen från normal driftspänning innan lindningskopplaren börjar reglera. Spänningsändringsfaktor k u (Ψ k ) Faktor som används vid beräkning av största spänningsändringen som uppkommer vid inkoppling av en vindkraftgenerator. Värdet på faktorn måste uppmätas i ett referensnät med känd kortslutningsvinkel. Inkopplingsfaktor k i (Ψ k ) Faktor som används vid beräkning av största spänningsändringen som uppkommer vid inkoppling av en vindkraftgenerator. Värdet på faktorn måste uppmätas i ett referensnät med känd kortslutningsvinkel. Detta är ett grovt verktyg som inte alltid är rättvisande vid svagare elnät och används därför väldigt sällan. 12

2.3.9 Skydd (Reläskydd) Enligt AMP [1] skall varje produktionsanläggning som är kopplad till elnätet inneha en rad olika skyddsfunktioner: Över- och underfrekvensskydd För att förhindra oönskad ö-nätsdrift samt förhindra förvärrandet av uppkomna systemfel i nätet tillämpas över- och underfrekvensskydd. Meningen med detta är framförallt att skydda elnätet men kommer även att fungerar som ett internt skydd för vindkraftverket. Det rekommenderas att skyddet ska bryta aggregatets förbindelse med nätet vid 48 respektive 51 Hz med en halv sekunds fördröjning. Trefasigt över- och underspänningsskydd Skyddar mot över- och underspänning i elnätet samt minskar påverkan på vindkraftverket vid fel i elnätet. Det har även till uppgift att skydda mot överström i vissa lägen. Det rekommenderas att det finns minst två olika nivåer med separat tidsfördröjning för under- och överspänning. Ett långsamt skydd med 60 sekunders tidsfördröjning för frånkoppling vid spänningsförändringar under -10 och över +6 % av nominell spänning samt ett snabbt skydd som frånkopplar anläggningen inom 0,2 sekunder vid spänningsförändring ± 20 %. Effektriktrelä (bakeffektskydd) Skydd mot negativa effekter i elnätet samt mekaniska påfrestningar i vindkraftverket. Det rekommenderas att frånkoppling sker inom 5 sekunder efter att generatorn börjat gå i motordrift. Osymmetriskydd Ska vid bortfall av en eller flera faser frånkoppla aggregatet från nätet innan fördelningsstationens ledningsskydd löser ut. Överströmskydd Smältsäkringar, maximalströmbrytare eller effektbrytare i kombination med reläutrustning rekommenderas. Det står även att när aggregattransformatorn är under 1MVA kan smältsäkring användas som överströmskydd. Jordfelsskydd Om risk för ö-drift finns skall ett jordfelsksydd installeras som mäter nollpunktsspänningen i nätägarens nät, monteras i anslutningspunkten. Det rekommenderas att anläggningen skall frånkopplas inom 5 sekunder. Skydd för oönskad ö-drift Ö-drift innebär att man får obalans mellan producerad och uttagen aktiv eller reaktiv effekt med nominella spännings- eller frekvensavvikelse som följd. Detta skydd finnas för att förhindra att kraftverket fortsätter att gå, även när överliggande elnät är frånkopplat. 13

3 Minivindkraftverk Det finns en rad olika fabrikat av minivindkraftverk på dagens marknad. Beroende på fabrikat skiftar konstruktion och tekniska lösningar på vindkraftverken. Det är den aerodynamiska utformning samt den elektriska utrustningen som skiljer vindkraftverken åt. I detta avsnitt kommer olika konstruktioner samt tekniker för minivindkraftverk att belysas. 3.1 Elsystem i vindkraftverk Vid det elektriska systemet är det framför allt den producerade aktiva, reaktiva effekten samt strömmen som beskriver de elektriska egenskaperna [8]. Vindkraftverkens elsystem brukar delas in i två huvudgrupper: Konstantvavtalsturbin Variabeltvarvtalsturbin 3.1.1 Konstantvarvtalsturbin Vid konstat varvtal används oftast asynkrongeneratorn som då kopplas direkt till nätet, vilket illustreras i fig. 3.3.1 1. Andra komponenter som används i samband med konstantvarvtalsturbin är växellåda, mjukstarter samt kondensatorer. Växellådan används för att man skall få rätt frekvens på elleveransen till nätet. Mjukstartern lindrar de transienter som uppstår vid start. Kondensatorerna används till att kompensera för den reaktiva effekten som uppstår vid tomgång och i vissa fall vid högre vindhastigheter. Vindkraftverk med fastvarvtalsturbin kan bidra till effektvariationer på elnätet vid snabba vindvariationer. Asynkrongenerator Plus Minus Enkel och billig att tillverka, driftsäker då den ej innehåller några släpringar som skall leda spänning. Kräver reaktiv effekt vid start, detta kan kompenseras med att kondensatorer kopplas in. x x Figur 3.3.1 1: Elsystem för ett vindkraftverk med asynkrongenerator 14

Figur 3.3.1 2: Ekvivalent Y-fas för asynkronmaskin 3.1.2 Variabelvarvtalsturbin I minivindkraftverk som använder sig av variabelvarvtalsturbin styrs generatorn av kraftelektronik. Den formen av styrning gör det möjligt att omvandla effektvariationerna från vinden till rörelseenergi i rotorn [6]. Vid större vidkraftverk används både asynkron- samt synkrongeneratorer vid variabelt varvtal. Vid användning av asynkrongeneratorn brukar man ändra eftersläpningen för att kunna plocka upp effektvariationerna i vinden. Det finns en rad olika tekniker som utvecklats inom branschen, t.ex. Vestas använder sig av två system som benämns Optislip och Optispeed. Synkrongeneratorn finns i två olika utföranden när det gäller magnetiseringen. I ena fallet används elektromagnet och i andra fallet används permanentmagneter, se figur 3.1.2 1. Minivindkraftverk som använder sig av synkrongenerator är i regel utrustade med permanentmagnetisering. Detta görs på grund av att möjligheten till drift utan koppling till elnätet är möjlig. Synkrongenerator Plus Minus Kan användas utan nät om den har permanentmagneter eller tillgång till magnetiserings ström. x Genererar reaktiv effekt (kan även förbruka beroende på spänning i magnetiseringen). x Kan inte ta upp vindvariationer i generatorn. x Elektromagneter: Spänningen/flödet kan styras, kräver separat likströms källa eller likriktare av nätströmmen sämre effektivitet. x x Permanentmagneter: Kan ej ändra flöde, dyra, hög effektivitet. x x Figur. 3.1.2 1: Elsystem för ett vindkraftverk med asynkrongenerator 15

Figur. 3.1.2 2: Ekvivalent Y-fas för permanentmagnetiserad synkronmaskin Figur. 3.1.2 3: Uppbyggnad av permanentmagnet i synkrongeneratorn 3.1.2.1 Kraftelektronik I Figur 3.1.2 1 illustreras hur en omriktare till en variabelvarvtalsturbin kan vara uppbyggd. Det första blocket som benämns som maskinomriktare styr generatorn samt likriktar strömmen från generatorn. Likspänningsomriktaren har samma funktion som en transformator, man vill genom den höja likspänningsnivån för att få möjlighet att fasa in den producerade effekten mot nätet. Nätomriktaren har till uppgift att styra ut den producerade effekten till nätet. Vid permanentmagnetiserad synkron- samt asynkrongenerator används i regel tvångskommuterade växelriktare eller transistorväxelriktare som den även benämns. Med denna teknik får man möjlighet att styra effektfaktorn. Det finns olika tekniker för att styra växelriktarna, en modern teknik är PWM (Pulse Width Modulation). Genom denna teknik ges det möjlighet att utesluta övertoner av lägre frekvens. Figur 3.1.2.1 1: Transistor Figur. 3.1.2.1 2: Transistoromriktare 16

3.2 Effektreglering av vindraftverk För att kunna reglera den effekt som produceras hos ett vindkraftverk måste man använda sig av någon form av styrsystem. Det är framförallt två system som är vanligt förekommande på dagens vindkraftverk, de benämns bladvinkelsreglering samt överstegsreglering. Bladvinkelregleringen är den mest avancerade formen av styrning, vilken går ut på att man begränsar effekten genom att justera bladvinkeln. Vid låga vindhastigheter ställs bladen på ett sådant sätt att man kan utvinna maximal energi ur vinden. När istället vindhastigheten är hög justerar styrsystemet bladen så att en begränsad mängd vindenergi träffar bladen med maximal attackvinkel. Om man ser till minivindkraftverk är detta system både för avancerat och dyrt för att välja. Överstegsregleringen är en passiv regleringsform baserat på aerodynamik där man valt att tillverka bladen med en fast vinkel. Vid för höga vindhastigheter bildas det turbulens vilket gör att man kan begränsa effekten som turbinen kan utvinna ur vinden, se fig. 3.2 1. I och med att inte styrsystem är lika avancerat som vid bladvinkelreglering blir det mer lämpat för minivindkraftverk. Vindkraftverken kan därför tillverkas både kostnadseffektivt och med mindre avancerad teknik. Det finns även andra enklare styrsystem för effektreglering. Den spanska vindkraftstillverkaren Bornay använder sig av ett system där turbinen lyfter när vindhastigheten är olämplig och genom denna enkla teknik begränsas effekten. Figur 3.2 1: Hur vinden attackerar bladen 17

Fig. 3.2.1 2 illustrerar skillnaderna i hur de olika styrsystemens arbetssätt påverkar effektbegränsningen. En generator som arbetar ihop med överstegsreglering kommer snabbt upp i märkvarvtal och måste därför kopplas in fort för att inte övervarva. Detta syns tydligt då man får en överproduktion vid lägre vindhastighet samt underproduktion vid hög vindhastighet. Bladvinkelregleringen är mer stabil och man kan därför följa börvärdet och där med regleras även momentet aktivt. Figur. 3.2.1 2: Skillnad i effekt mellan bladvinkel- och överstegsreglering 18

4 Beräkningsmetoder Fig. 2.4 1: Impedanstriangel Viktiga förhållanden ur impedanstriangeln Z 2 = R 2 + X 2 (2) R = Z * cos(") (3) X = Z * sin(") (4) # " = arctan X & % ( $ R ' (5) Varje punkt i elnätet har en bestämd kortslutningseffekt S k som bestäms av driftspänningen U i punkten samt kortslutningsströmmen I k. Kortslutningsströmmen uppkommer vid fel i kretsen. Omskrivning S k = 3 *U * I K (6) S k = U 2 Z K (7) Kortslutningsvinkeln " K är den fasvinken man får vid direkt kortslutning. För beräkning gäller samma förhållande som beskrevs tidigare i impedanstriangeln [13]. # " K = arctan X & K % ( (8) $ ' R K S kt är kortslutningseffekten genom transformatorn, S n är skenbar märkeffekt och U k anges i procent av märkspänningen. S kt = Sn U K (9) 19

För beräkning av resulterande kortslutningseffekt i en punkt i ett elnät behöver man veta de olika delkortslutningseffekterna S k1, S k2. S kn. Om dessa ligger i serie är det lämpligt att använda nedanstående formel. 1 = 1 + 1 +...+ 1 (10) S ktot S k1 S k 2 S k n Vindkraftverkets referenseffekt S ref får genom P ref och Q ref som är vindkraftverkets aktiva respektive reaktiva referenseffekt. S ref = P 2 2 ref + Q ref (11) Maximal avgiven aktiv effekt AMP [1] beskriver tydligt att vindkraftstillverkaren skall ange värden för övre gräns för aktiv effekt. Faktorn bör anges i form av en konstant som skall gå att multiplicera med verkets referenseffekt för att få fram lämpligt max effekt. Konstanten skall vara omräknad sådant att väderlek på platsen behandlas [1]. S max = k * S ref (12) Långsamma spänningsändringar Enligt AMP [1] kan man tänka sig att nedanstående bild är en modell av en ledning mellan två punkter. U 1 är spänningen i punkt 1 samt U 2 är spänningen i punkt 2. Impedansen Z L får man genom vektoraddition mellan resistansen R L och reaktansen X L mellan punkterna. Figur 2.4 2: Impedansmodell för beräkning av långsamma spänningsvariationer Vid beräkningar av långsamma spänningsvariationer kan man tänka sig att punkten 1 i fig. 2.4 2 är fördelningsstationen i elnätet. Punkt 2 blir sammankopplingspunkten för vindkraftverket. "U = U 1 #U 2 (13) "U = R L P 2 U 2 + X L Q 2 U 2 (14) "U U = R L * P 2 + X L * Q 2 U 2 (15) 20

Spänningsregulatorns dödband Dödband = Sp.reg *1.2 2 = ±1.67*1.2 2 (16) Bestäms av storleken på stegen i transformatorns lindningskopplare. En transformator där lindningskopplaren har stegen ± 1,67 % är dödbandet ± 1 %. ±1.67*1.2 2 = ±1% För att slippa kontinuerlig reglering av lidningskopplaren har man valt en säkerhetsfaktor på 1.2 [1]. Snabba spänningsändringar Flickeremissionen P lt från ett vindkraftverk beräknas med hjälp av flickerkoefficienten C f (" k ) som anges av vindkraftstillverkaren, referenseffekten hos generatorn S ref samt kortslutningseffekten S k. P lt = C f (" k ) * S ref S k (17) Sammanlagda flickeremissionen i en punkt från flera vindkraftverk. Start " 2 P lt,tot = 2 (18) k P lt,k S k,anslut " 25* k u ( ) * S ref (19) # k S k,anslut " 25* k i * S ref (20) Drift S k,anslut " C f (# k ) * S ref = { P lt,max = 0.25} = 4 * C f (# k ) * S ref (21) P lt,max Vid anslutning av fler likadana vindkraftverk till samma punkt i nätet beräknas kortslutningseffekten enligt: K = antal vindkraftverk S k,anslut ( ) * S ref * k ( n) = C f " k (22) P lt,max 21

Vid upprepade starter # 1 & % 3.2 ' S k,anslut " 8 * 1 ( $ * N 120 * k f ) k P lt ( ) * S ref (23) Sammanlagda flickeremissionen förorsakad av start från olika vindkraftverk anslutna till samma punkt. Där P lt,k är flicker emissionen från vindkraftverk k. " 3.2 P lt,tot = 3.2 (24) k P lt,k Spänningsövertoner Enligt AMP [1] skall tillverkaren av vindkraftverket upplysa om vilken grad av övertoner och mellantoner som förekommer i spänningen hos produkten. För att kunna beräkna hur övertonerna sprider sig i nätet måste impedansen för respektive övertonsfrekvens vara känd, vilket den normalt inte är [12]. AMP anger istället ett approximativt sätt att bestämma nätimpedansen för överton med ordningstal n enligt [ekvation 22]. X k är transformatorns kortslutningsreaktans för grundtonen, X l är reaktansen i ledningarna för grundtonen och n är övertonens ordningstal. Transformatorn som avses är inte vindkraftverkets transformator utan överliggande näts transformator. Z n " n( X k + X l ) (25) För ett enstaka vindkraftverk används [ekv. 23] för beräkning av övertoner. När fler än ett vindkraftverk är anslutet till en anslutningspunkt används [ekv. 24] för övertonsberäkningen. Där in är tillåten amplitud på strömövertoner, u n är tillåten spänning för övertoner av ordning n, U är nominell nätspänning, S max är vindkraftverkets maximala skenbara effekt och Z n nätimpedansen för övertoner av ordning n. i n = u n U 2 Z n S max (26) " i n = a i a n,k (27) k Exponenten a väljs från tabell 4.1 utifrån övertonsnumret, i n,k är överton av ordning n från vindkraftverk k. Tabell 4.1: a övertonsnummer n 1 n < 5 1.4 5 n 10 2 n > 10 22

5 Elkvalitativa beräkningar I detta kapitel kommer beräkningsmetoder hämtade från skriften AMP [1] att användas på olika elnätsmodeller, för att skapa en uppfattning om hur minivindkraftverket inverkar vid de olika alternativen. Första exemplet 5.1 är en simulerad modell där alla värden är antagna. Exempel 5.2-5.5 är anslutningspunkter hämtade från Halmstad Energi och Miljö Nät AB, samtliga anslutningspunkter finns i bilaga 2 i form av ett nätschema. Beräkningarna kommer att utföras dels med anslutning av endast ett vindkraftverk samt med fler vindkraftverk vid Halmstad Energi och Miljö Näts anslutningspunkter. Vindkraftverket som används i beräkningarna arbetar med konstant varvtal och har en märkeffekt på 11kW. Datablad för vindkraftverket finns i bilaga 1. 5.1 Simulerad anslutningspunkt med fastvarvtalsturbin Nät S kn = 400MVA cos" n = 0,4 #" n = 66.42 Trafo S kt = 100 Uk * Sn 100 * 0.6MVA =12MVA 5 Kabel Fkkj 3x35/16mm 2 Enligt tabell R kabel = 0.524"/Km X kabel = 0.075"/Km Figur 5.1 1: Simulerat elnät R kabel = 0.524 * 0.1 = 52.4m" X kabel = 0.075 * 0.1 = 7.5m" Z kabel = R kabel 2 + X kabel 2 = 52.4 2 + 7.5 2 = 52.93m" Kortslutningseffekt för kabel S k,kabel = uh 2 0.4 2 = Z kabel 52.93m"# $ 8.154 = 3.02MVA#8.154 23

Seriekoppling av apparater 1 = 1 + 1 1 + = S k,anslutning S k,nät S k,t S k,kabel 1 400"66.42 + 1 12 + 1 3.02 = 0.376" # 20 [ 1 MVA ] = S k,anslutning = 2.66"20 MVA Vindkraftverkets data Vindkraftverkets referenseffekt [P ref ] = 11kW Referenseffekt med kompensering 2.8kVar Skenbar referenseffekt S ref = P ref 2 + Q ref 2 = (11*10 3 ) 2 + ("2.8 *10 3 ) 2 =11.35KVA Långsamma spänningsvariationer "u = u 1 # u 2 "u = R Ledning P 2 u 1 + X Ledning Q 2 u 1 = "u u 1 = R Ledning * P ref 2 + X Ledning *Q ref 2 u 1 2 *100 = 52.4 *10 #3 *11*10 3 + 7.5*10 #3 * (#2.8 *10 3 ) 400 2 = 0.34% 0.34% av u 1 0.0034*400=1.38V Detta ger en maximal spänningsvariation i anslutningspunkten på 1.38V Snabba spänningsändringar Vid Start S k,anslutning " 25* ku(# k ) * S ref Enligt vindkraftstillverkare ku(20 )=0.3 S k,anslutning " 25 * 0.3*11.35 2.66MVA " 85KVA 24

I värsta fall Enligt tillverkare är maximalt antal generatorinkopplingar under 2h = 3st S k,anslutning " 8 * 1 p lt * kf (# k ) * N 120 1 3.2 * S ref p lt $ 8 * 0.3* 3 1 3.2 * 11.35 *103 2.66 *10 6 = 0.0144 Störst flickeremission vid start ger 0.0144 tillåtet värde är 0.25 Vid Drift S k,anslutning " 1 p lt * cf (# k ) * S ref P lt $ 0.3* 11.35*103 2.66*10 6 = 0.00128 Största flickeremissionen som kan förekomma vid drift är 0.00128 tillåtet värde är 0.25 enligt AMP[1]. Viktiga resultat i beräkningarna Kortslutningseffekt Vindkraftverk S k,vindkraftverk =85kVA Nätet S k,snslutning =2.66 920 MVA Snabba spänningsändringar Flickeremission p lt -=0.00128 Gräns från AMP p lt =0.25 Långsamma spänningsändringar Vindkraftverket bidrar med 0.34 % Dödband på transformatorn 1 % (Antaget värde) Sammanlagt ger detta 1.34 % Maximalt tillåtet enligt AMP [1] 2.5 % 25

5.2 Beräkningar med ett vindkraftverk i punkten 2. Vid granskning av anslutningspunkten 3 i bilaga 2, ser man att det används både luftledning och kablar. Anslutningspunkten är den svagaste av de fyra som finns med i nätschemat och blir därför intressant att jämföra med t.ex. den anslutningspunkt som har högst kortslutningseffekt. Anslutningspunktens data I k3 =460A Z k =0.5ohm R k =0.4938ohm X k =0.0825ohm u 2 h S k,anslut = = 4002 Z k,anslut 0.5 = 320kVA Kabel Serviceledning: 5x10N1XV 100m Kabel resistans samt kabelreaktans hämtat från Nexans R f =1.83ohm /km, fas X f = 0.087ohm /km, fas R Ledning =1.83* 0.1= 0.183ohm X Ledning = 0.087*0.1= 0,0087ohm Vindkraftverkets data Hannevind 11kW bilaga 1 Vindkraftverkets referenseffekt P ref = 11kW Referenseffekt med kompensering Q ref = 2.8kVar Skenbar referenseffekt = S ref = P ref 2 + Q ref 2 = (11*10 3 ) 2 + ("2.8 *10 3 ) 2 =11.35KVA Långsamma spänningsvariationer "u = u 1 # u 2 "u = R Ledning P 2 u 1 + X Ledning Q 2 u 1 = "u u 1 = R Ledning * P ref 2 + X Ledning *Q ref 2 u 1 2 *100 = 0.183*11*10 3 + 0.0087*(#2.8 *10 3 ) 400 2 *100 =1.24% 1.24 % av u 1 0.0124*400=4.97V Detta ger en maximal spänningsvariation i anslutningspunkten på 4.97V 26

Snabba spänningsändringar Vid Start S k,anslutning " 25* ku(# k ) * S ref Enligt vindkraftstillverkare ku(9.5 )=0.3 S k,anslutning " 25 * 0.3*11.35 320kVA " 85.125KVA I värsta fall Enligt tillverkare är maximalt antal generatorinkopplingar under 2h = 3st S k,anslutning " 8 * 1 p lt * kf (# k ) * N 120 1 3.2 * S ref p lt $ 8 * 0,3* 3 1 3.2 * 11.35 *103 2.66 *10 6 = 0.0144 Störst flickeremission vid start ger 0.0144 tillåtet värde är 0.25 Vid Drift S k,anslutning " 1 p lt * cf (# k ) * S ref 11.35 *103 P lt $ 0.3* = 0.0106 320*10 3 Största flickeremissionen som kan förekomma vid drift är 0.0106 tillåtet värde är 0.25 enligt AMP[1]. Viktiga resultat i beräkningarna Kortslutningseffekt Vindkraftverk S k,vindkraftverk = 85.125KVA Nätet S k,snslutning =320 9.5 KVA Snabba spänningsändringar Flickeremission p lt -= 0.0144 Rekommenderat värde från AMP p lt = 0.25 Långsamma spänningsändringar Vindkraftverket bidrar med 1.24 % Dödband på transformatorn 1 % (Antaget värde) Sammanlagt ger detta 2.24 % Maximalt tillåtet enligt AMP [1] 2.5 % 27

5.3 Beräkning med fler vindkraftverk i punkt 2 I detta räkneexempel kommer fyra stycken vindkraftverk att appliceras i samma punkt som i föregående exempel. Långsamma spänningsvariationer "u u 1 = R Ledning * 4 * P ref 2 0.183* 4 *11*10 3 ( ) + X Ledning * ( 4 * Q ref 2 ) u 1 2 *100 = ( ) + 0.0087*(4 *#2.8 *10 3 ) 400 2 *100 = 4.97% 4.97% av u 1 0.0497*400=19.44V Detta ger en maximal spänningsvariation i anslutningspunkten på 19.88V Snabba spänningsändringar Vid Start S k,anslutning " 25* ku(# k ) * S ref Enligt vindkraftstillverkare ku(9.5 )=0.3 S k,anslutning " 25 * 0.3*11.35 320kVA " 85.125KVA I värsta fall Enligt tillverkare är maximalt antal generatorinkopplingar under 2h = 3st S k,anslutning " 8* 1 p lt * kf (# k ) * N 120 1 3.2 * S ref % 1 ( 3.2 p lt $ 8*0,3* ' 4 * 3 ** 11.35*103 & ) 2.66*10 = 0.0577 6 Vid användning av fler olika vindkraftverk måste använda följande formel för summering. P lt = 3.2 " k 3.2 P lt,k Störst flickeremission vid start ger 0.0577 tillåtet värde är 0.25 Vid Drift S k,anslutning " 1 p lt * cf (# k ) * S ref * k P lt $ 0.3* 11.35 *103 320 *10 3 * 4 = 0.0213 28

Största flickeremissionen som kan förekomma vid drift är 0.0213 tillåtet värde är 0.25 enligt AMP[1]. Om beräkningsresultatet skulle överstiga rekommenderade värden kan vissa åtgärder vidtas. T.ex. skulle antal starter hos vindkraftverket per timme gå att justeras eller stärka nätet. Viktiga resultat i beräkningarna Kortslutningseffekt Vindkraftverk S k,vindkraftverk =85.125KVA Nätet S k,snslutning =320 9.5 KVA Snabba spänningsändringar Flickeremission p lt -=0.057 Gräns från AMP p lt =0.25 Långsamma spänningsändringar Vindkraftverket bidrar med 4.97% Dödband på transformatorn 1 % (Antaget värde) Sammanlagt ger detta 5.97 % Maximalt tillåtet enligt AMP [1] 2.5 % 29

5.4 Beräkningar med ett vindkraftverk i Punkt 4. Anslutningspunkt I k3 =17444A Z k =0.013ohm R k =0.0071ohm X k =0.0111ohm " k = arcsin* X k Z k = arcsin* 0.0111 0.013 = 58.632 S k,anslut = u 2 h = 4002 Z k,anslut 0.013 =12.307MVA Kabel Service 90m, 2//(3x340/72 AKKJ). Kabel resistans samt kabelreaktans hämtat från www.nexans.se R f = 0.306ohm /km, fas X f = 0.075ohm /km, fas R Ledning = 0.306 *0.09 = 0.02754ohm X Ledning = 0.075 *0.09 = 0,00675ohm Två parallella ledningar ger: 1 1 = R Ledning,tot 0.02754 + 1 0.02754 " R Ledning,tot = 0.0137ohm 1 1 = X Ledning,tot 0,00675 + 1 0,00675 " X Ledning.tot = 0.003375ohm Vindkraftverkets data Hannevind 11kW Bilaga 1 Vindkraftverkets referenseffekt [P ref ] = 11kW Referenseffekt med kompensering 2.8kVar Skenbar referenseffekt S ref = P ref 2 + Q ref 2 = (11*10 3 ) 2 + ("2.8 *10 3 ) 2 =11.35KVA 30

Långsamma spänningsvariationer "u = u 1 # u 2 "u = R Ledning P 2 u 1 + X Ledning Q 2 u 1 = "u u 1 = R Ledning * P ref 2 + X Ledning * Q ref 2 u 1 2 *100 = 13.7*10 #3 *11*10 3 + 6.75 *10 #3 *(#2.8 *10 3 ) 400 2 *100 = 0.106% 0.106 % av u 1 1.06*10-3 *400=0.35V Detta ger en maximal spänningsvariation i anslutningspunkten på 0.424V Snabba spänningsändringar Vid Start S k,anslutning " 25* ku(# k ) * S ref Enligt vindkraftstillverkare ku(9.5 )=0.3 S k,anslutning " 25 * 0.3*11.35 320kVA " 85.125KVA I värsta fall Enligt tillverkare är maximalt antal generatorinkopplingar under 2h = 3st S k,anslutning " 8 * 1 p lt * kf (# k ) * N 120 1 3.2 * S ref p lt $ 8 * 0,3* 3 1 3.2 * 11.35 *103 2.66 *10 6 = 0.0144 Störst flickeremission vid start ger 0.0144 tillåtet värde är 0.25 Vid Drift S k,anslutning " 1 p lt * cf (# k ) * S ref P lt $ 0.3* 11.35*103 = 0.27667 *10%3 6 12.307*10 Största flickeremissionen som kan förekomma vid drift är 0.27667*10-3 tillåtet värde är 0.25 enligt AMP[1]. 31