De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari 2007 - Joris Soens.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari 2007 - Joris Soens."— Transcript van de presentatie:

1 Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari Joris Soens

2 2/90 DEEL I: ELEKTROTECHNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE  Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”)  Windenergie: basistypes windturbines DEEL II: WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE  Overheidssteun: groenestroomcertificaten in Vlaanderen  Waarde van windenergie Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet: inhoud

3 3/90 DEEL I ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE

4 4/90 Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”)

5 5/90 Van ‘top-down supply’ naar ‘embedded generation’

6 6/90 Verspreide Generatie: Motivaties Productie uit hernieuwbare energiebronnen en warmtekrachtkoppeling wordt sterk aangemoedigd  overheidssteun  meestal kleinschalige installaties (uitzonderingen: offshore windpark, STEG...) Belang van ononderbroken elektriciteitslevering (ziekenhuizen...) Liberalisering van de energiemarkt

7 7/90 Verspreide generatie: definities – eigenschappen geen centrale planning geen centrale dispatching netgekoppeld op laag- of middenspanning (ca. 400V tot 36 kV) relatief laag vermogen (1 kW  10 MW) types:  fotovoltaïsch  wind  biogas/stortgas  WKK op fossiele of hernieuwbare brandstoffen

8 8/90 Netbelasting Netuitbating en netondersteuning Netveiligheid Power Quality & Communicatie Invloed van DG op werking van het net

9 9/90 Invloed van DG op werking van het net Netbelasting  Lijnverliezen  Thermische grenzen van geleiders en transformatoren

10 10/90Lijnverliezen HS-post gelijkmatige belasting langs distributiekabel stroom afstand tot HS-post

11 11/90Lijnverliezen HS-post gelijkmatige belasting langs distributiekabel DG stroom afstand tot HS-post

12 12/90Lijnverliezen Lijnverliezen ongeveer kwadratisch evenredig met getransporteerd schijnbaar vermogen Theoretisch optimum voor 1 generator (bij gelijkmatige lijnbelasting):  generator op 2/3 van de kabellengte, en  generatorvermogen = 2/3 van de totale last aan distributiekabel Werkelijke lijnverliezen sterk afhankelijk van ogenblikkelijke lastverdeling

13 13/90 Thermische grenzen van geleiders en transformatoren Op distributienet-niveau  DG vermindert meestal thermische belasting van geleiders en transformatoren in normaal bedrijf  Maar dimensionering van geleiders wordt bepaald door extreme scenario’s: o volle belasting en lage productie van DG o lage belasting en hoge productie van DG

14 14/90 Op transmissienet-niveau  Gevalstudie: Offshore Wind in de Belgische Noordzee  Lijnbelasting afhankelijk van o productie- en belastingsverdeling in België o internationale vermogensstromen o injectie van offshore windenergie  Overbelasting van transmissienet mogelijk tot diep in binnenland Thermische grenzen van geleiders en transformatoren

15 15/90 Belgisch Hoogspanningsnet 150 kV 220 kV 400 kV

16 16/90 Belgische Elektriciteitscentrales

17 17/90 Overbelasting (‘congestion’) door off-shore windenergie

18 18/90 Netuitbating en netondersteuning  Impact van DG op stationaire netspanning  Spanningscontrole en reactieve- energiecompensatie  Dynamisch gedrag bij netstoringen Invloed van DG op werking van het net

19 19/90 Wat is ‘netondersteuning’? Netondersteuning of ‘ancillary services’  = diensten die netgebruikers (producenten & verbruikers) leveren voor o veilige o betrouwbare o stabiele (technisch en economisch) werking van het net  Gecoördineerd door netbeheerder  Omvat: o spanningscontrole o frequentiecontrole o ‘black-start‘-mogelijkheid o ondersteuning voor financiële transacties en economische dispatch

20 20/90 Enkele netbeheerders in Europa met specifieke richtlijnen voor netondersteuning door gedecentraliseerde productie-eenheden Energinet.dk (Denemarken) E.ON (deel van Duitsland) Svk (Zweden) ESBNG (Ierland) Scottish Power (Schotland)

21 21/90 Impact van DG op stationaire spanning: theoretische beschouwing Z GRID ~ I load - I DG I load I DG U PCC U GRID PCC meest eenvoudig netmodel ‘point of common coupling’ spanning U PCC op point of common coupling: belasting aan PCC gedecentraliseerde generatie aan PCC

22 22/90 Kortsluitvermogen aan PCC (vóór installatie DG) Z GRID ~ I sc = U GRID / Z GRID U GRID kortsluiting PCC (point of common coupling) Kortsluitvermogen (1 - fasig): Gebruikelijke waarden in België (3-fasig): 2,5 GVA (70 kV); 1,3 GVA (30 kV); 500 MVA (15 kV); 400 MVA (10 kV)

23 23/90 Kortsluitvermogen - Netsterkte groot kortsluitvermogen aan PCC (i.e. Z GRID klein) betekent dus: weinig impact van DG op U PCC vuistregel: netsterkte moet > 50 met P DG = totaal vermogen aan gedecentraliseerde productie op PCC

24 24/90 Vuistregel: netsterkte > kV30 kV15 kV10 kV 50 MW26 MW10 MW8 MW richtwaarden voor maximaal geïnstalleerd vermogen op radiale lijnen verbonden met PCC, afhankelijk van spanningsniveau - d.i. bovengrens i.v.m. stationaire impact op spanningsprofiel - veronderstelt voldoende stroombeschikbaarheid in alle leidingen Vuistregel gecombineerd met typische waardes voor kortsluitvermogens leidt tot:

25 25/90 Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie RX P + j · Q U1U1 U2U2 Spanningsval langs stroomvoerende geleider: R = lijnweerstand X = lijnreactantie P = getransporteerd actief vermogen Q = getransporteerd reactief vermogen

26 26/90 Spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Openluchtlijnen (HS-netten):  X >> R  doeltreffende spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Q Ondergrondse kabels (MS-en LS-netten)  X ≈ R  spanningscontrole d.m.v. reactieve energie minder doeltreffend  veroorzaakt bovendien extra joule-verliezen in lijn  Q-controle nuttig voor compensatie van reactieve belastingen  Sommige netbeheerders schrijven bereik voor waarbinnen reactieve energie van DG-eenheden regelbaar moet zijn

27 27/90 Voorschriften i.v.m. reactieve-energiebereik DK (Eltra&Elkraft, nu Energinet.dk) DE (E.ON) Schotland (voor 2003) Schotland (voor 2007) Schotland (na 2007) IE (ESBNG) power factor Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004; (anno 2004)

28 28/90 Gedrag van generatoren bij netstoringen (1) ongecontroleerd versnellen van generator voorbeeld: gedrag van windturbine met inductiegenerator, in geval van spanningsdip: generator wordt losgekoppeld (‘tripped’) van het net door eigen beveiliging spanningsdip (op t = 4s)

29 29/90 Vroeger: elke generator kon willekeurig vroeg uitschakelen bij netstoring om eigen veiligheid te waarborgen Nu: stijgend aandeel aan gedecentraliseerde productie:  Netstoring (spanning, frequentie…) leidt tot uitschakeling van een generator  Dit veroorzaakt nieuwe spanningsdip bij nabije generatoren…  Cascade-effect met mogelijk groot verlies van productie Netbeheerder legt ‘ride-through capability’ op aan DG- eenheden, voor spannings- en frequentiestoringen Gedrag van generatoren bij netstoringen (2)

30 30/90 Ride-through bij spanningsdips (1) 1)Elke spanningsdip boven rode lijn mag niet leiden tot uitschakeling van generator 2)In grijze zone moet generator extra reactieve energie leveren voor spanningsondersteuning vb. E.ON spanningsdip-curve (E.ON = een netbeheerder in Duitsland) -oorspronkelijk: specifieke curve voor windturbines -nu voor alle generatoren met lage bijdrage tot netkortsluitvermogen

31 31/90 Ride-through bij spanningsdips (2) SE (Svk) ( > 100 MW) SE (Svk) ( < 100 MW) Schotland IE (ESBNG) DE (E.ON) DK (Eltra) DK (Elkraft) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004; (anno 2004)

32 32/90 Ride-through by frequentie-storingen Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1- 2, 2004;

33 33/90 Netveiligheid  Werking van beveiligingsrelais  Foutstromen en detectie Invloed van DG op werking van het net

34 34/90 Werking van beveiligingsrelais Selectiviteit:  Beveiliging dichts bij netfout reageert eerst  Als beveiliging faalt: volgende beveiliging op hoger niveau reageert net Wees waakzaam met gedecentraliseerde productie- installaties

35 35/90 net wordt foutstroom gedetecteerd? Foutstromen en detectie Foutdetectie:  Kortsluitstroom wordt gedetecteerd door alle beveiligingsrelais  Met DG: kortsluitstroom wordt geleverd door lokale generatoren  Kortsluiting wordt niet meer gedetecteerd door alle relais

36 36/90 Power quality  Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen  Flikker en spanningsvariaties Invloed van DG op werking van het net

37 37/90 Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen Overgangsverschijnselen afhankelijk van generatortype Netgekoppelde inductiegenerator (WKK, windturbines):  grote aanloopstromen  machine werkt als motor tijdens aanloop: verbruikt energie Koppeling via omvormer (PV, wind, WKK…)  overgangsverschijnselen kunnen gecontroleerd en beperkt worden

38 38/90 Voorbeeld: windturbine in distributienet van Haasrode HS-post Heverlee 70kV – 10 kV Windturbine Onderzochte generatortypes voor windturbine: -inductiegenerator met kooirotor (squirrel cage) -dubbelgevoede inductiegenerator

39 39/90 Gesimuleerde windsnelheid en generatortoerental

40 40/90 Actief en reactief generatorvermogen

41 41/90 Spanning op knopen 408 en 2 overgangsverschijnsel na inschakeling

42 42/90 Flikker en snelle spanningsvariaties Gedecentraliseerde productie (zon, wind, WKK) fluctueert en kan niet gepland worden Snelle vermogenfluctuaties veroorzaken ‘flikker’: kleine periodische spanningsvariaties (0,5 … 25 Hz) Typisch geval: ‘tower effect’ bij windturbines  vóór de mast van windturbine is windsnelheid lager  dip in generatorkoppel, telkens als turbineblad voor mast komt Flikker is zelden schadelijk voor apparatuur, maar veroorzaakt irritatie bij mens wanneer gloeilamp met flikkerende spanning gevoed wordt

43 43/90 Kwantisatie van flikker Gestandaardiseerd: IEC Gewogen gemiddelde van laagfrekwente spanningscomponenten over 10 minuten (Pst) of 2 uur (Plt) Ponderatiefactoren gebaseerd op irritatiegevoel bij mensen spanningsfluctuatie van 8 – 9 Hz is meest storend

44 44/90 Flikker en DG Gebruikelijk flikkerniveau op middenspanning:  0.35 Pst  0.25 Plt Plt moet < 1 Impact van gedecentraliseerde generator op flikker wordt gemeten en berekend volgens standaardprocedures  vb voor windturbines: IEC

45 45/90Besluit Wat is bovengrens voor DG?  geen éénduidig antwoord mogelijk  afhankelijk van: o beschikbare netinfrastructuur o gewenste power quality en betrouwbaarheid o hoe streng zijn aansluitingsvoorwaarden door netbeheerder  Richtwaarden: o P DG < 2/3 van lastvermogen op één radiale lijn (voor minimalisatie netverliezen) o netsterkte > 50 o Plt < 1

46 46/90 Windenergie: basistypes windturbines

47 47/90 Geïnstalleerd windvermogen in Europa Geïnstalleerd [MW] eind 2005 Niew [MW] 2006 Geïnstalleerd [MW] eind 2006 Duitsland Spanje Denemarken Nederland België Europa (EU25)

48 48/90 Controle-opties voor wind turbines Toerentalregeling  vast toerental  variabel toerental beperkt bereik  variabel toerental breed bereik Controle op reactief vermogen Controle op bladhoek en actief vermogen  vaste bladhoek  verstelbare bladhoek (“pitch”) Kruien (“yaw”) sterk afhankelijk van type generator

49 49/90 Generatortypes voor windturbines (I) inductiegenerator met kooirotor  (bijna) constante toerental  altijd inductieve belasting Turbine Net shaft & gearbox wind generator ~

50 50/90 Turbine generator types (II) dubbelgevoede inductiegenerator  regelbaar toerental – beperkt bereik  reactief vermogen is regelbaar shaft & gearbox generator Converter ~ Net Crowbar Turbine

51 51/90 Turbine generator types (III) synchrone generator, “direct drive”  variabel toerental – breed bereik → geen tandwielkast  reactief vermogen is regelbaar Introduction SG Turbine Converter ~ Grid Permanent Magnet OR Field Winding

52 52/90 Dynamische modellering van windturbines voor ‘power system simulation software’ voor gebruik in software voor dynamische simulatie van elektriciteitsnetten (vb Eurostag, Digsilent...):  simulatie van kortsluitingen, belastingsstrappen, schakelmanoeuvres...  interactie windturbine-model en net-modelm grid controlled wind turbine grid dispatch & control wind speed injected current voltage at turbine node reference P and Q controlled grid parameters

53 53/90 Voorbeeld: dynamisch model van windturbine met dubbelgevoede inductiegenerator v wind u turb q ref p ref i turb

54 54/90 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen stapsgewijze toename van windsnelheid spanningsstoring aan de turbinegenerator

55 55/90 input voor simulatie: stapsgewijs toenemende windsnelheid wind speed at hub height time [s] Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid

56 56/ time [s] 0,5 1 power [p.u.] variable speed & pitch control fixed speed & pitch control fixed speed & no pitch control turbine power for increasing wind speed Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid

57 57/ time [s] 0,5 1 speed [p.u.] turbine speed for increasing wind speed variable speed turbine constant speed turbine Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid

58 58/90 zoom on turbine speed variable speed: propeller speed variable speed: generator speed fixed speed: propeller speed fixed speed: generator speed ,05 time [s] speed [p.u.] Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid

59 59/ voltage at turbine generator time [s] Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring input voor simulatie: spanningsdip aan generator van winturbine

60 60/ time [s] speed [p.u.] propeller speed generator speed propeller and generator speed during voltage dip, for fixed-speed turbine with induction generator Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring

61 61/90 Detailed turbine model: simulation example II (3) propeller and generator speed during voltage dip, for variable-speed turbine with doubly fed induction generator time [s] speed [p.u.] propeller speed generator speed

62 62/90 DEEL II WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE

63 63/90 Overheidsondersteuning voor productie van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen - Groenestroomcertificaten in Vlaanderen

64 64/90 Overheidsondersteuning voor hernieuwbare energieprojecten Europese Richtlijn 2001/77/EC Richtlijn 2001/77/EG van het Europees Parlement en de Raad van 27 september 2001 betreffende de bevordering van elektriciteitsopwekking uit hernieuwbare energiebronnen op de interne elektriciteitsmarkt Legt doelstellingen vast voor elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen, per lidstaat Manier om doelstellingen te bereiken via ondersteuningsmechanismen: lidstaten hebben keuze

65 65/90 Doelstellingen elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen

66 66/90 Verschillende types overheidsondersteuning

67 67/90 Het systeem van groenestroomcertificaten (1) Producenten van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen krijgen groenestroomcertificaten toegekend  1 groenestroomcertificaat per netto MWh elektriciteit uit HEB  uitreiking gebeurt in Vlaanderen door VREG Leveranciers van elektriciteit hebben verplichting om een hoeveelheid groenestroomcertificaten in te leveren bij de VREG  hoeveelheid = % van totale elektriciteitslevering  boete per certificaat tekort: 125 euro

68 68/90 Het systeem van groenestroomcertificaten (2) Leveranciers moeten voldoen aan verplichting  door zelf groene elektriciteit te produceren  door groenestroomcertificaten te kopen van andere producenten  handel in certificaten gebeurt op vrije markt: marktprijs functie van o boetewaarde (125 euro) o aantal beschikbare certificaten op de markt Producenten hebben twee bronnen van inkomsten:  verkoop van elektriciteit (aan gewone marktprijs)  verkoop van groenestroomcertificaten  handel in certificaten en elektriciteit is volledig apart

69 69/90 Groenestroomcertificaten: de quotumverplichting Aantal in te leveren groenestroomcertificaten als % van totale elektriciteitslevering in dat jaar  0,80% in 2002  1,20% in 2003  2,00% in 2004  2,50% in 2005  3,00% in 2006  3,75% in 2007  4,50% in 2008  5,25% in 2009  6,00% in 2010

70 70/90 Het systeem van groenestroomcertificaten Meer uitleg over groenestroomcertificaten  actuele marktprijs van groenestroomcertificaten  wordt het quotum gehaald?  groenestroomcertificaten en garantie van oorsprong  groene stroom

71 71/90 De waarde van windenergie

72 72/90 De waarde van windenergie vier referentiescenario’s (voor eigen berekeningen) capaciteitsfactor capaciteitskrediet enkele bedenkingen

73 73/90 Scenario I Gelijk verspreid

74 74/90 Scenario II Geconcentreerd

75 75/90 Scenario III Eén windpark in zee

76 76/90 Scenario IV Scen. II + Scen. III

77 77/90Capaciteitsfactor Voor afzonderlijke windturbines of voor grotere gebieden Belangrijke waardemeter voor projectontwikkelaars, wanneer inkomsten ~ totaal geproduceerde energie capaciteitsfactor = jaarlijkse energieproductie [MWh] geïnstalleerd vermogen [MW] x 8760 [h] Scenario capaciteitsfactor [%] equivalent aantal vollasturen I II III IV292540

78 78/90 Capaciteitskrediet: definitie betrouwbare capaciteit de hoeveelheid geïnstalleerde capaciteit in een energiesysteem die met een gegeven betrouwbaarheid ogenblikkelijk beschikbaar is om de totale energievraag te dekken; loss of load probability (LOLP) de waarschijnlijkheid dat de totale energievraag groter is dan de betrouwbare capaciteit; capaciteitskrediet van windenergie de hoeveelheid conventionele generators die kunnen vervangen worden door windturbines, zonder dat de LOLP toeneemt.

79 79/90 Capaciteitskrediet: berekening H( 0 ) = LOLP = 4 h/year Aanname: waarschijnlijkheid dat Totale energievraag > (betrouwbare capaciteit + D MW ) Invloed van bijkomende generator, met productiewaarschijnlijkheid p( P plant )

80 80/90 LOLP grafisch D (Demand not served) [MW] [hour/year] = 30 Q peak = 13.5 GW H(0) = 4 h/year LOLP H (D )

81 81/90 Capaciteitskrediet grafisch D (Demand not served) [MW] H (D ) & H 2 (D) [hour/year]

82 82/90 Capaciteitskrediet voor windenergie in België Installed wind power [MW] Capacity credit [MW]

83 83/90 C-power offshore windpark (Thorntonbank) op vinden we volgende gegevens terug:www.c-power.be  300 MW geïnstalleerd vermogen (eindfase)  1000 GWh/jaar  ton/jaar vermindering van CO2-emissies (in vergelijking met de milieuvriendelijkste gascentrales) hieruit leiden we af:  capaciteitsfactor: 38% of 3333 equivalente vollastuen  capaciteitskrediet ca. 100 MW  CO2-uitstoot van milieuvriendelijkste gascentrales: 450 kg/MWh

84 84/90 Enkele bedenkingen bij capaciteitsfactor en capaciteitskrediet als waardemeter Capaciteitsfactor en –krediet gebaseerd op jaartotalen Veronderstellen steady-state van elektriciteitssysteem MAAR Elektriciteit is moeilijk stockeerbaar Elektriciteitsproductie beantwoordt aan vraag a.d.h.v. base- load en peak-load centrales Rendement, CO2-emissies en kosten van elektriciteitsproductie zijn tijdsafhankelijk !!

85 85/90 Tijdsafhankelijkheid van elektriciteitsproductie Tijdsafhankelijkheid van  CO2-emissies  kosten ... van elektriciteitsproductie wordt geïllustreerd door twee voorbeelden  simulatie PROMIX (K.U.Leuven)  BELPEX - energieprijs

86 86/90 Gemiddelde elektriciteitsproductie en CO2- emissie in België

87 87/90 BELPEX – elektriciteitsprijs/MWh

88 88/90 De echte waarde van windenergie Hoofddoel moet zijn:  niet: een zo groot mogelijk aandeel groene stroom (dit is een middel !!)  maar wel maximum besparing op grondstoffen en emissies een juiste meting van de waarde van windenergie is quasi onmogelijk vereist perfecte kennis van  totale elektriciteitssysteem inclusief marktwerking (nationaal en internationaal)  energievraag  andere bepalende parameters

89 89/90Slotbeschouwingen Kan “creatieve marktwerking” windenergie opwaarderen?  integratie van windenergie in elektriciteitsbeurzen (bvb BELPEX)  controle van de elektrische verbruiken ifv ogenblikkelijk aanbod windenergie  dag- en nachttarief voor eindverbruikers  “windtarief”? vele marktspelers zijn samen inventiever dan één overheid

90 90/90Slotbeschouwingen Aspecten die waarde van windenergie beïnvloeden  besparing op fossiele brandstoffen  reductie CO2-emissies maar ook...  economisch exportproduct: windturbines + alle know-how  tewerkstelling  toerisme  invloed op fauna en flora op land en zee


Download ppt "Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari 2007 - Joris Soens."

Verwante presentaties


Ads door Google