Table of Contents

Het ontwerpen en berekenen van elektrische systemen voor windenergiecentrales is een complexe technische discipline die een uitgebreid begrip vereist van de elektrische engineering principes, windenergie conversie, integratie van het net, en veiligheidsnormen. Een installatie bestaat uit de systemen die nodig zijn om de wind energie te vangen, de turbine in de wind te wijzen, mechanische rotatie om te zetten in elektrische stroom, en andere systemen om de turbine te starten, stoppen en controleren. Deze uitgebreide gids onderzoekt de fundamentele aspecten van het ontwerp van het elektrische systeem voor windkrachtinstallaties, van individuele turbinecomponenten tot volledige integratie van windmolenparken.

Begrijpen Wind Power Electrical System Architectuur

De elektrische architectuur van een windkrachtcentrale omvat meerdere onderling verbonden systemen die samenwerken om kinetische windenergie om te zetten in elektrische stroom van het netkwaliteit. In het centrum van elke windturbine ligt een ingewikkeld elektrisch systeem dat is ontworpen om windenergie te vangen, omzetten en overbrengen, met windturbines uitgerust met generatoren die elektrische stroom produceren wanneer de wind de turbinebladen draait. Het complete elektrische systeem strekt zich uit van de generator die in elke turbinegondel is ondergebracht via inzamelingssystemen, transformatoren, schakelapparatuur, beschermingsmiddelen, en uiteindelijk naar het netverbindingspunt.

Moderne windcentrales maken gebruik van geavanceerde elektrische ontwerpen die efficiëntie, betrouwbaarheid, kosteneffectiviteit en net compliance moeten balanceren. Windenergie engineering benadrukt de noodzaak van zeer efficiënte elektrische componenten zoals generatoren, transformatoren en stroomelektronica. Het elektrische systeem moet omgaan met variabele stroom uit te voeren als gevolg van fluctuerende windomstandigheden met behoud van stabiele spanning en frequentie parameters vereist door de netbeheerders.

Primaire elektrische componenten

Het elektrische systeem van een windkrachtcentrale bestaat uit verschillende kritische componenten die in coördinatie werken. De generator zet mechanische rotatie om in elektrische energie, meestal producerend vermogen bij relatief lage spanningen. Een moderne windturbine is vaak uitgerust met een transformator die de generator terminal spanning, meestal een spanning onder 1 kV (E.G. 575 of 690 V), op een gemiddelde spanning rond 20-30 kV, voor de lokale elektrische aansluiting binnen een windmolenpark. Deze spanning transformatie is essentieel voor een efficiënte transmissie van het vermogen binnen het windpark collectiesysteem.

Naast de generator en transformator omvat het elektrische systeem stroomomvormers voor turbines met variabele snelheid, beveiligingsrelais, stroomonderbrekers, schakelschakelaars, bewakingssystemen en regelapparatuur. Elk onderdeel moet op de juiste grootte en coördinatie worden afgestemd om een veilige en betrouwbare werking te garanderen onder alle bedrijfsomstandigheden, inclusief normale werking, netwerkstoringen en storingsomstandigheden.

Windturbine Generator Technologieën en Configuraties

De keuze van de generatortechnologie heeft een aanzienlijke invloed op het ontwerp van het elektrische systeem en de prestaties van een windturbine. Verschillende generatortypes bieden duidelijke voordelen op het gebied van efficiëntie, kosten, netcompatibiliteit en controlemogelijkheden.

Vaste-zee-inductiegeneratoren

De constante of vaste snelheid gecontroleerde windturbine maakt gebruik van een asynchrone eekhoornkooi inductie generator (SCIG) direct aangesloten op het elektrische net met behulp van een stap-up power transformator, en aangezien de eekhoornkooi inductie generator altijd trekt reactieve vermogen uit het AC-netwerk, dit concept vereist een reactieve vermogen compensator, zoals een condensator bank. Deze traditionele configuratie biedt eenvoud en lagere initiële kosten, maar heeft beperkingen in termen van de stroomkwaliteit en netwerk ondersteuning mogelijkheden.

De systemen voor vaste snelheden hebben het voordeel van eenvoud en lage kosten; de belangrijkste nadelen van dit concept zijn echter het onvermogen van ondersteuning van snelheidsregeling, de eis van een stijf net (vaste spanning en frequentie), en de noodzaak van een robuuste mechanische structuur om de hoge mechanische belasting veroorzaakt door windstoten te ondersteunen. Deze systemen zijn minder gebruikelijk in moderne installaties, maar blijven in gebruik op vele bestaande windparken.

Generatorsystemen met variabele snelheid

Moderne windturbines maken voornamelijk gebruik van variabele snelheden die superieure prestaties en compatibiliteit met het net bieden. De rotor verbindt zich met de generator, hetzij direct (als het een directe aandrijfturbine is) of via een as en een reeks versnellingen (een versnellingsbak) die de rotatie versnellen en een fysiek kleinere generator mogelijk maken. Variable-speed systemen gebruiken stroom elektronische converters om de elektrische frequentie van de generator te ontkoppelen van de rasterfrequentie, waardoor de turbine kan werken met optimale rotatiesnelheden over een breed scala van windomstandigheden.

Direct-drive turbines vereenvoudigen de nacelle systemen en kunnen de efficiëntie en betrouwbaarheid verhogen door problemen met de versnellingsbak te vermijden, door de rotor direct aan te sluiten op de generator om elektriciteit te genereren. Deze systemen elimineren de versnellingsbak, die een van de meest onderhoudsintensieve componenten is, hoewel ze grotere, duurdere generatoren nodig hebben om de lage rotatiesnelheden van de rotor te verwerken.

Consideraties met betrekking tot het ontwerp van het elektrisch systeem

Het ontwerpen van een elektrisch systeem voor een windkrachtcentrale vereist een zorgvuldige analyse van meerdere technische, economische en regelgevende factoren. Het ontwerpproces moet rekening houden met site-specifieke omstandigheden, uitrustingsmogelijkheden, neteisen en operationele doelstellingen.

Beoordeling van de windkracht

De basis van elk ontwerp van een windkracht elektrisch systeem is een grondig begrip van de beschikbare windbron. De beschikbare energie voor een windturbine is gebaseerd op de dichtheid van de lucht (gewoonlijk ongeveer 1,2 kg/m3), het veegoppervlak van de turbinebladen, en de snelheid van de wind, met windsnelheid is de meest variabele input. Ingenieurs moeten de windsnelheid verdelingen, richtingspatronen, turbulentie kenmerken, en seizoensvariaties te analyseren om elektrische componenten goed te grootte en energieproductie voorspellen.

Windbrongegevens direct invloed op turbine selectie, elektrische capaciteit ratings, en verwachte capaciteit factoren. Capaciteitsfactor geeft aan hoeveel energie wordt gegenereerd door een bron ten opzichte van de maximale hoeveelheid energie die het zou kunnen leveren, uitgedrukt in een percentage, en wordt meestal bepaald in de loop van een jaar. Begrip van de capaciteit factor helpt ingenieurs grootte transformatoren, kabels en bescherming apparatuur op de juiste wijze.

Vereisten voor rasterverbinding

Effectieve elektrische ontwerp is essentieel in windpark lay-outs en interconnectie met het elektrische net, met windenergie engineering professionals rekening houdend met factoren zoals de transmissie van stroom, spanningsregeling, en netstabiliteit bij het ontwerpen van de elektrische systemen. Rasterbeheerders eisen strenge technische eisen die windcentrales moeten voldoen aan, waaronder spanning en frequentieregeling, power factor controle, storing rit-door mogelijkheden, en harmonische beperkingen.

De strenge specificaties voor de regulering van de kwaliteit van het vermogen op het net hebben betrekking op aspecten zoals flikkering en spanningsverandering, steady state-besturing en besturingssystemen om een betrouwbare verbinding te garanderen. Naleving van rastercodes is verplicht en vereist vaak geavanceerde besturingssystemen en extra apparatuur zoals statische VAR-compensatoren of synchrone condensatoren.

Laden Stroom en Systeem grootte

Een goede grootte van elektrische componenten is van cruciaal belang voor een veilige, efficiënte werking en economische levensvatbaarheid. Ingenieurs moeten de verwachte stroomstromen berekenen onder verschillende bedrijfsscenario's, waaronder minimale opwekking, maximale opwekking en noodomstandigheden. Deze berekeningen bepalen de vereiste capaciteit van transformatoren, stroom-dragende capaciteit van kabels, en ratings van schakelapparatuur en beschermingsmiddelen.

Het elektrische ontwerp moet rekening houden met het maximale verwachte vermogen en verliezen minimaliseren tijdens de typische bedrijfsomstandigheden. Een windkrachtcentrale zal een stap-up transformator gebruiken om de spanning te verhogen (dus het verminderen van de vereiste stroom), die de stroomverliezen vermindert die optreden bij het verzenden van grote hoeveelheden stroom over lange afstanden met transmissielijnen. Spanning transformatie strategie significant invloed op de algehele systeemefficiëntie en economie.

Berekening van elektrische parameters voor Windenergiesystemen

Nauwkeurige elektrische berekeningen zijn essentieel voor een goed systeemontwerp, de keuze van de apparatuur en de prestatiesvoorspelling. Ingenieurs moeten spanningsniveaus, stroomstromen, stroomverliezen, kortsluitingsstromen en beveiligingsinstellingen bepalen door middel van systematische analyse.

Berekeningen van de vermogensuitvoer

De fundamentele berekening van het vermogen voor windturbines heeft betrekking op windsnelheid met elektrische uitgang. Het berekenen van het vermogen van een turbine impliceert het toepassen van de formule P = 0,5 * ρ * A * Cp * v^3, waarbij P het vermogen in watt is, ρ de luchtdichtheid, A het veegoppervlak in vierkante meter, Cp is de vermogenscoëfficiënt, en v is de windsnelheid in meters per seconde. Dit theoretische vermogen moet worden aangepast voor generatorefficiëntie, stroomconverter verliezen, en andere systeem inefficiënties om de werkelijke elektrische uitgang te bepalen.

Windturbines kunnen nooit beter zijn dan 59,3% efficiënt door de wet van Betz, met de Betz-limiet op 59,3%. Deze fundamentele aerodynamische beperking betekent dat zelfs perfect ontworpen turbines niet alle kinetische energie uit de wind kunnen halen. Praktische turbines bereiken meestal 75-80% van de Betz-limiet onder optimale omstandigheden.

Spanning en huidige berekeningen

Het bepalen van spanning en stroomniveaus in het gehele elektrische systeem is van fundamenteel belang voor de componentenkeuze en systeemontwerp. Om de stroomopbrengst van de windturbine te berekenen, gebruik je de formule: Vermogen (W) = Voltage (V) × Current (A), het omzetten van de stroomwaarde van milliampères (mA) naar ampères (A) door de waarde te delen door 1000. Voor driefasesystemen, die standaard zijn in windenergietoepassingen, wordt de relatie complexer.

Voor driefasenvermogen: P = √3 × V line × I line × pf. Deze formule is verantwoordelijk voor de faserelaties in driefasensystemen en omvat de vermogensfactor, die de fasehoek tussen spanning en stroom weergeeft. Moderne windturbines met stroom-elektronische converters kunnen doorgaans vermogensfactoren in de buurt van eenheid handhaven, maar dit moet worden gecontroleerd in berekeningen.

De generator van een turbine van 5 MW produceert vaak intern een middelhoogspanning (690 V of 3,3 kV); een transformator die op het terrein trapt tot aan de spanning van de windpark-opvang (vaak 33 kV) en vervolgens op transmissiespanning (bv. 110.220 kV). Ingenieurs moeten stroom op elk spanningsniveau berekenen tot de juiste grootte geleiders, transformatoren en beschermingsapparatuur.

Berekeningen van het stroomverlies

Het minimaliseren van elektrische verliezen is cruciaal voor het maximaliseren van energieproductie en economische rendement. Stroomverliezen optreden in generatoren, transformatoren, kabels en stroom elektronische converters. Kabelverliezen zijn vooral belangrijk in windparken als gevolg van de afstanden die betrokken zijn bij het verzamelen van stroom uit gedistribueerde turbines.

Kabelverliezen kunnen worden berekend met behulp van de formule: P loss = I2 × R, waar I de stroom is en R de kabelweerstand is. Aangezien de weerstand toeneemt met kabellengte en afneemt met geleiderdoorsnede, moeten ingenieurs de kosten van grotere geleiders in evenwicht brengen met de waarde van verminderde verliezen gedurende de levensduur van het project. Temperatuur, geleidermateriaal en installatiemethode beïnvloeden alle de kabelweerstand en moeten in berekeningen worden meegenomen.

Transformatorverliezen omvatten zowel no-loadverliezen (kernverliezen) als belastingverliezen (koperverliezen). Bij een stroominval van de transformator ontstaan er continu geen belastingverliezen, terwijl de belastingsverliezen variëren met het kwadraat van de belastingstroom. Het selecteren van hoogefficiënte transformatoren kan de levensduur van energieverliezen aanzienlijk verminderen, hoewel dit tegen hogere initiële kosten moet worden afgewogen.

Korte-cyclus huidige berekeningen

De korte-circuit analyse bepaalt de maximale foutstromen die kunnen stromen tijdens elektrische storingen. Deze berekeningen zijn essentieel voor het selecteren van stroomonderbrekers, zekeringen en andere beschermende apparaten met een voldoende onderbrekingscapaciteit. De kortsluitstroom is afhankelijk van de impedantie van de bron (rooster), transformatoren, kabels en generatoren.

Windturbinegeneratoren dragen bij tot kortsluitstromen, afhankelijk van hun technologie. Synchroongeneratoren en generatoren met full-scale stroomomvormers hebben andere storingsstroomeigenschappen dan direct aangesloten inductiegeneratoren. Moderne netcodes geven vaak minimale en maximale kortsluitbijdragevereisten aan waaraan windkrachtcentrales moeten voldoen.

Transformatorontwerp en -selectie

Transformers zijn kritieke componenten in windenergie elektrische systemen, het verhogen van de spanning van generator niveaus naar inzameling systeem niveaus en uiteindelijk naar transmissie spanningen. Goede transformator selectie en grootte significant impact op de prestaties van het systeem, betrouwbaarheid en economie.

Turbinetransformatoren

Elke windturbine omvat meestal een speciale transformator die zich in de torenbasis bevindt of op een pad-mount naast de toren. Deze transformatoren verhogen de generatorspanning tot het niveau van het mediumspanningsopvangsysteem. De transformator moet worden aangepast om het nominale vermogen van de turbine te verwerken en eventuele hulpbelastingen.

De selectie van turbinetransformator moet rekening houden met de spanningsverhouding, impedantie, koelmethode, isolatieklasse en milieubescherming. Offshore windturbines vereisen transformatoren met een verbeterde corrosiebescherming en het vermogen om bestand te zijn tegen een harde mariene omgeving. De impedantie van de transformator beïnvloedt de spanningsregeling en kortsluitstromen, wat een zorgvuldige selectie vereist om aan de eisen van het systeem te voldoen.

Transformatoren voor substation

Windpark substations bevatten grotere transformatoren die de spanning van het opvangsysteem naar transmissieniveaus opvoeren. In een utility-schaal windcentrale genereert elke turbine elektriciteit die naar een substation loopt waar het vervolgens naar het net overschakelt, met een substation dat het transmissiesysteem koppelt aan het distributiesysteem dat elektriciteit levert aan de gemeenschap. Deze transformatoren moeten de gecombineerde output van meerdere turbines verwerken en zijn meestal gesitueerd met enige marge voor toekomstige uitbreiding.

De specificaties van de transformator zijn onder meer: vermogensclassificatie (MVA), spanningsverhoudingen, impedantie, type kraanwisselaar (on-load of offload), koelsysteem en beveiligingsfuncties. Grote windparken kunnen meerdere substationtransformatoren gebruiken voor redundantie en voor de geleidelijke constructie. De impedantie van de transformator moet worden gecoördineerd met systeembeschermingssystemen en spanningsreguleringseisen.

Transformatorbelasting en thermische overwegingen

Transformers kunnen meestal overbelasting op korte termijn verwerken buiten hun naamplaatclassificatie, maar langdurige overbelasting vermindert de isolatieduur. Windkrachttoepassingen bieden unieke laadpatronen als gevolg van variabele windomstandigheden. Ingenieurs moeten de verwachte laadprofielen analyseren om ervoor te zorgen dat transformatoren binnen thermische grenzen werken terwijl ze de energieopname maximaliseren tijdens perioden met hoge wind.

Transformer koelsystemen moeten geschikt zijn voor de installatieomgeving en de laadomstandigheden. Gemeenschappelijke koelmethoden zijn onder meer olie-ondergedompelde natuurlijke lucht (ONAN), olie-onderdompelde geforceerde lucht (ONAF) en droog-type ontwerpen. De keuze is afhankelijk van de vermogensgraad, milieuomstandigheden, brandveiligheidseisen en onderhoudsoverwegingen.

Ontwerp en berekening van kabelsystemen

Het kabelsysteem in een windkrachtcentrale verzamelt stroom van individuele turbines en zendt het naar het substation en uiteindelijk naar het netaansluitingspunt. Kabelontwerp omvat het selecteren van geschikte geleidersgroottes, isolatietypes, installatiemethoden en routing om een veilige, betrouwbare en zuinige transmissie van energie te garanderen.

Kabelgroottemethode

Kabelafmeting moet voldoen aan meerdere criteria, waaronder stroomdoorvoercapaciteit (ampacity), spanningsdalingsbeperkingen, kortsluitingsweerstand en mechanische sterkte. De ampaciteit is afhankelijk van geleidermateriaal (koper of aluminium), dwarsdoorsnede, isolatietype, installatiemethode, omgevingstemperatuur en bodemthermale weerstand voor begraven kabels.

De spanningsdaling bij elke turbine blijft onder alle belastingsomstandigheden binnen aanvaardbare grenzen. Overmatige spanningsdaling kan turbines offline laten struikelen of inefficiënt werken. De spanningsdaling in een kabel wordt berekend als: ΔV = I × (R × cos(φ) + X × sin(φ) × L, waar ik stroom is, R is weerstand per lengte eenheid, X is reactie per lengte eenheid, φ is de vermogensfactorhoek, en L is kabellengte.

Architectuur van het collectiesysteem

Windpark collectiesystemen gebruiken meestal radiaal- of loopconfiguraties. Radiaalsystemen verbinden strings van turbines in series terug naar het substation, wat eenvoud en lagere kosten biedt, maar met een verminderde redundantie. Loop configuraties bieden alternatieve stroompaden, verbeteren de betrouwbaarheid maar tegen hogere kosten en complexiteit.

De spanning van het opvangsysteem ligt doorgaans tussen 11 kV en 36 kV, waarbij 33 kV gebruikelijk is voor grotere windparken. Hogere inzamelingsspanningen verminderen stroom en daarmee samenhangende verliezen, maar vereisen duurdere apparatuur. De optimale spanning is afhankelijk van de grootte van het windpark, de turbine en de afstanden.

Consideraties met betrekking tot kabelinstallatie

Installatiemethode heeft een significante invloed op de prestaties van de kabel en de kosten. Opties zijn directe begraving, installatie in leidingen of leidingen, kabelgoten en bovenleidingen. Direct begraven is gebruikelijk voor windpark inzamelingssystemen, biedt goede thermische prestaties en bescherming tegen het weer, terwijl het minimaliseren van visuele impact.

De begraving moet een adequate mechanische bescherming bieden, terwijl een aanvaardbare thermische dissipatie mogelijk is. Diepere begraving biedt een betere bescherming maar verhoogt de thermische weerstand, waardoor de ampaciteit wordt verminderd. De thermische weerstand van de bodem varieert aanzienlijk met het bodemtype en het vochtgehalte, wat een locatiespecifiek onderzoek vereist voor nauwkeurige ampaciteitsberekeningen.

Schakel- en beveiligingssystemen

Schakel- en beveiligingssystemen zijn essentieel voor een veilige werking, beveiliging van de apparatuur en betrouwbaarheid van het systeem. Deze systemen moeten storingen snel detecteren en isoleren terwijl ze de service op onaangetaste delen van het windpark handhaven.

Typen en toepassingen van schakelapparatuur

Windenergiecentrales maken gebruik van verschillende typen schakelapparatuur afhankelijk van het spanningsniveau en de toepassing. Middelhoogspanningsschakelaar bij de turbine en het substation gebruikt doorgaans vacuüm- of SF6-schakelingsschakelaars. Deze apparaten moeten een voldoende voltagevermogen hebben, een continustroomvermogen, kortsluitingscapaciteit en passende werkingsmechanismen.

Schakelapparatuur configuraties omvatten metalen-gelaste, metalen-ingesloten, en pad-gemonteerde ontwerpen. Metalen-gelaste schakelapparatuur biedt maximale veiligheid en betrouwbaarheid, maar tegen hogere kosten. Pad-gemonteerde schakelapparatuur is gebruikelijk voor turbine-niveau toepassingen, die weerbescherming en redelijke kosten. De keuze is afhankelijk van spanningsniveau, milieuomstandigheden, veiligheidseisen en budget.

Beschermingsherroepingsregelingen

De beveiligingsrelais bewaken de elektrische parameters en starten de werking van de stroomonderbreker wanneer abnormale omstandigheden worden gedetecteerd. Windkrachtbeschermingssystemen moeten betrekking hebben op overstroming, overspanning, onderspanning, frequentieafwijkingen, grondfouten, differentiële beveiliging en verlies van synchronisme.

Moderne beveiligingssystemen gebruiken microprocessor-relais met meerdere beveiligingsfuncties, communicatiemogelijkheden, gebeurtenisregistratie en geavanceerde diagnostiek. De beveiligingsinstellingen moeten zorgvuldig worden gecoördineerd om een selectieve werking te garanderen, waarbij de bescherming die het dichtst bij een storing ligt eerst functioneert, waardoor de mate van uitval wordt beperkt.

Naleving van rastercode

De beheerders van het net specificeren de eisen inzake bescherming waaraan windkrachtcentrales moeten voldoen. Deze omvatten doorgaans anti-eilandbescherming om te voorkomen dat het windpark een energieloos netwerk blijft voeden, de doorstroomcapaciteit van storingen in het net en de specifieke spannings- en frequentieritinstellingen.

De eisen voor de doorstroming van de wind zijn steeds strenger geworden naarmate de penetratie van de windkracht is toegenomen. Moderne windturbines moeten worden aangesloten en het net ondersteunen tijdens spanningszakjes en frequentie-excursies die eerder ontwerpen zouden hebben veroorzaakt om offline te struikelen. Dit vereist geavanceerde controlesystemen en kan extra apparatuur zoals dynamische spanningsondersteuningsapparatuur vereisen.

Energiekwaliteit en integratie van het net

Windenergiecentrales moeten hoogwaardige elektrische stroom leveren die voldoet aan de eisen van de netbeheerder. De stroomkwaliteit omvat spanningsregulering, frequentiestabiliteit, harmonische vervorming en flikkeren.

Spanningsregeling

Het handhaven van spanning binnen bepaalde grenzen is essentieel voor de stabiliteit van het net en de bescherming van de apparatuur. Windenergiecentrales kunnen spanningsschommelingen veroorzaken door het variabele vermogen en reactief stroomverbruik of -opwekking. Moderne windturbines met stroom-elektronische converters kunnen dynamische spanningsondersteuning bieden door middel van snelle reactieve stroomregeling.

De keuze is afhankelijk van de grootte en snelheid van spanningsvariaties, rastersterkte en economische overwegingen. Een goede coördinatie van spanningsregelaars is essentieel om instabiliteit te voorkomen.

Harmonische vervorming

De elektrische converters in moderne windturbines genereren harmonische stromen die de spanningsgolfvormen kunnen verstoren. Overmatige harmonische vervorming kan apparatuur oververhitting, communicatiestoring en storing van het beveiligingsrelais veroorzaken. Rastercodes specificeren maximaal toelaatbare harmonische niveaus, meestal uitgedrukt als totale harmonische vervorming (THD) grenzen.

Harmonische analyse omvat het berekenen van harmonische stromen van elke turbine, gezien hun voortplanting door het inzamelingssysteem en transformatoren, en het bepalen van spanningsvervorming op het punt van de gemeenschappelijke koppeling. Harmonische filters kunnen worden vereist als berekende vervorming de grenzen overschrijdt. Moderne stroomconverters met geavanceerde controlealgoritmen kunnen harmonische generatie minimaliseren, vaak elimineren van de behoefte aan filters.

Reactieve energiebeheer

Reactieve stroom beïnvloedt spanningsniveaus en transmissiecapaciteit. Rasterbeheerders eisen doorgaans dat windkrachtcentrales binnen een bepaald vermogensfactorbereik werken of een bepaald reactievermogen bieden. Moderne windturbines kunnen reactief vermogen genereren of absorberen via hun stroom-elektronische converters, wat waardevolle ondersteuning biedt aan het net.

De reactieve vermogenscapaciteit van een windpark is afhankelijk van individuele turbinecapaciteiten, impedanties van transformators, kabelcapaciteit en eventuele aanvullende reactieve compensatieapparatuur. Ingenieurs moeten het netto reactieve vermogen op het interconnectiepunt berekenen in verschillende bedrijfsscenario's om na te gaan of aan de netvereisten wordt voldaan.

Controle- en controlesystemen

Geavanceerde besturings- en monitoringsystemen zijn essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van windparken, het garanderen van een veilige werking en het voldoen aan de eisen van de netbeheerders. Deze systemen variëren van individuele turbinecontrollers tot toezichtsystemen voor het beheer van volledige windparken en gegevensovernamesystemen (SCADA).

Turbinebesturingssystemen

Het toonhoogtesysteem past de hoek van de windturbinebladen aan met betrekking tot de wind, regelt de rotorsnelheid, en door de hoek van de messen van een turbine aan te passen, bepaalt het toonhoogtesysteem hoeveel energie de messen kunnen winnen. Turbine controllers beheren ook het generatorkoppel, de gierpositie en de beschermingsfuncties. Deze controllers moeten snel reageren op veranderende windomstandigheden en tegelijkertijd een stabiele werking behouden en apparatuur beschermen tegen schade.

Moderne turbine controllers bevatten geavanceerde algoritmen voor maximale power point tracking, belastingsreductie en netwerk ondersteuning functies. Ze communiceren met het windpark SCADA systeem, het verstrekken van operationele gegevens en het ontvangen van commando's voor stroombeperking of andere operationele modi.

SCADA-systemen

SCADA-systemen richten zich op communicatie tussen componenten en actoren van windenergiecentrales, zoals windturbines, het definiëren van informatiemodellen voor windenergiecentrales en een model voor informatie-uitwisseling. Het SCADA-systeem bewaakt de prestaties van turbines, milieuomstandigheden, elektrische parameters en de status van apparatuur. Het biedt exploitanten realtime zichtbaarheid in windparken en maakt afstandsbediening van turbines en substationsapparatuur mogelijk.

SCADA systemen verzamelen enorme hoeveelheden gegevens die geanalyseerd kunnen worden om de prestaties te optimaliseren, onderhoudsbehoeften te voorspellen en problemen te diagnostiseren. Geavanceerde analyses en machine learning algoritmes worden steeds vaker gebruikt om inzichten uit deze gegevens te halen, de beschikbaarheid te verbeteren en de operationele kosten te verlagen.

Rasterinterface en communicatie

Windenergiecentrales moeten met de netbeheerders communiceren om instructies voor verzending te ontvangen, operationele status te rapporteren en tijdens storingen van het net te coördineren. Communicatieprotocollen en gegevensuitwisselingseisen worden meestal gespecificeerd in netwerkverbindingsovereenkomsten. Betrouwbare, veilige communicatiesystemen zijn essentieel om aan deze eisen te voldoen.

De centrale controller interfaces tussen het windpark SCADA systeem en het energiebeheersysteem van de netbeheerder. Het implementeert actieve stroomregeling om verzending instructies te volgen, beheert reactieve vermogen om spanning of vermogensfactor setpoints te handhaven, en coördineert turbine response tijdens raster gebeurtenissen.

Veiligheidssystemen en grondgebruik

Elektrische veiligheid is van het grootste belang in windkrachtcentrale ontwerp. Veiligheidssystemen beschermen personeel en apparatuur tegen elektrische gevaren, waaronder schok, boogflits, en bliksemaanvallen.

Ontwerp van het aardsysteem

Een uitgebreid aardsysteem biedt een lage impedantie pad voor storingsstromen, stabiliseert spanning tijdens normale werking, en beschermt tegen bliksemaanvallen. Het aarding systeem omvat apparatuur aardingsgeleiders, aarding elektroden, en de onderlinge verbinding van alle metalen structuren.

Windturbine torens moeten effectief worden geaard om bliksemstromen veilig te verwijderen. De aardweerstand moet zo laag als praktisch haalbaar zijn, meestal onder 10 ohm. Het bereiken van lage aardingsweerstand kan uitgebreide elektrodesystemen vereisen, vooral in gebieden met een hoge bodemweerstand. Grondweerstand testen moet worden uitgevoerd om te controleren of ontwerpdoelstellingen worden bereikt.

Bescherming van de bliksem

Windturbines zijn bijzonder kwetsbaar voor bliksemaanvallen vanwege hun hoogte en blootgestelde locaties. Bliksembeschermingssystemen omvatten luchtterminals op bladpunten, down geleiders door de messen en toren, en aarding systemen om bliksem energie veilig te verwijderen in de aarde.

Chirurgische bescherming apparaten beschermen gevoelige elektronische apparatuur tegen spanningspieken veroorzaakt door bliksem of schakeloperaties. Deze apparaten moeten goed worden beoordeeld en gecoördineerd om effectieve bescherming te bieden zonder overlast trippen. Meerdere niveaus van golfbeveiliging worden meestal gebruikt, met geleidelijk lagere beschermingsniveaus als afstand tot het punt van binnenkomst stijgt.

Analyse van de gevaren van de boogflits

De gevaren van een boogflits vormen ernstige risico's voor het personeel dat werkt aan elektrische apparatuur. De Arc-flitsanalyse berekent de invallende energie die tijdens een boogfout kan worden afgegeven, waardoor een goede selectie van persoonlijke beschermingsmiddelen en de vaststelling van veilige werkpraktijken mogelijk is.

De energie van het incident is afhankelijk van de beschikbare kortsluitstroom, de tijd voor het opruimen van de beschermingsmiddelen en de afstand tot de boog. Het verminderen van de energie van het incident kan worden bereikt door de storingsstroom (door stroombeperkende voorzieningen), het verminderen van de tijd (door snellere bescherming) of het vergroten van de werkafstand.

Offshore Wind Elektrische overwegingen

Offshore windcentrales bieden unieke elektrische ontwerp uitdagingen als gevolg van het mariene milieu, grotere afstanden van de kust, en de moeilijkheid van de toegang voor onderhoud en reparaties.

Kabelsystemen voor onderzeese kabels

Offshore windparken vereisen onderzeese kabels om stroom van offshore turbines naar onshore onderstations over te dragen. Deze kabels moeten bestand zijn tegen harde zeeomstandigheden, waaronder waterdruk, stromingen, visserijactiviteiten en scheepsankers. Kabelontwerp moet voldoen aan elektrische, mechanische en milieueisen.

Onderzeese kabels gebruiken meestal drie-core constructie met pantsering voor mechanische bescherming. De kabelroute moet zorgvuldig worden onderzocht om obstakels te voorkomen en de lengte te minimaliseren. Kabelbegraving biedt bescherming tegen externe schade, maar verhoogt de installatiekosten en complexiteit. Goede kabel leggen technieken zijn essentieel om te voorkomen dat overmatige spanning of buigen die de kabel kan beschadigen.

Substations op zee

Grote offshore windparken omvatten vaak offshore-onderstations die stroom verzamelen van turbines en de spanning verhogen tot hoge niveaus voor transmissie naar de wal. Deze onderstations moeten ontworpen zijn voor onbemande exploitatie in een harde mariene omgeving, met hoge betrouwbaarheid en een hoge controlecapaciteit op afstand.

De offshore-substationplatforms moeten een stabiele basis bieden voor zware elektrische apparatuur, bescherming tegen golven en weersomstandigheden en accommodatie voor onderhoudspersoneel tijdens bezoeken aan de dienst. De elektrische apparatuur moet geschikt zijn voor mariene omgevingen met een verbeterde corrosiebescherming en milieuafdichting. Reundantie wordt vaak ingebouwd om de betrouwbaarheid te verbeteren gezien de moeilijkheid en kosten van reparaties.

HVDC-transmissie

Voor offshore windparken ver van de wal gelegen, kan de transmissie van hoogspanningsstroom (HVDC) voordeliger zijn dan de transmissie van wisselstroom. HVDC elimineert de reactieve stroomverliezen in verband met lange wisselstroomkabels en maakt het mogelijk om verbinding te maken met zwakke wisselstroomnetten. HVDC-systemen hebben echter dure converterstations nodig aan beide uiteinden van de transmissieverbinding.

HVDC-convertertechnologie voor offshorewindenergie omvat lijngecommitteerde converters (LCC) en voltage-source converters (VSC). VSC-technologie heeft over het algemeen de voorkeur voor offshorewindtoepassingen vanwege zijn vermogen om actief en reactief vermogen onafhankelijk te regelen, de black-startcapaciteit en de verminderde harmonische vervorming. De keuze tussen AC- en HVDC-transmissie is afhankelijk van afstand, vermogensniveau en rastereigenschappen.

Economische Optimalisatie van elektrische systemen

Het ontwerp van een elektrisch systeem brengt tal van afwegingen tussen kapitaalkosten, bedrijfskosten, energieverliezen en betrouwbaarheid met zich mee. Economische optimalisatie streeft ernaar de levenscycluskosten te minimaliseren terwijl voldaan wordt aan technische en wettelijke eisen.

Overwegingen betreffende de kapitaalkosten

Belangrijke kapitaalkosten componenten omvatten turbines, transformatoren, kabels, schakelapparatuur, onderstations en netwerkverbinding infrastructuur. Rasterverbinding Kosten (d.w.z., tielijn, nieuw of verbeterd substation, en interconnectiekosten) zijn inbegrepen in CAPEX. De kosten van apparatuur variëren met ratings, specificaties en marktomstandigheden. Economieën van schaal voor grotere projecten, maar transmissiebeperkingen en netwerkcapaciteit kunnen de projectgrootte beperken.

Designkeuzes hebben een significant effect op de kapitaalkosten. Hogere inzamelsysteemspanningen verminderen de kabelkosten, maar verhogen de kosten van schakelapparatuur en transformator. Redundante apparatuur verbetert de betrouwbaarheid maar verhoogt de investeringen. Ingenieurs moeten deze compromissen evalueren om het meest zuinige ontwerp te identificeren dat aan de projecteisen voldoet.

Waarde van het energieverlies

Elektrische verliezen vertegenwoordigen energie die verkocht had kunnen worden, waardoor verliesreductie economisch waardevol was. De waarde van verliesreductie is afhankelijk van de elektriciteitsprijzen, die kunnen variëren naar tijd van dag en seizoen. Hogere elektriciteitsprijzen rechtvaardigen grotere investeringen in verliesreductiemaatregelen zoals grotere kabels of efficiëntere transformatoren.

De verliezen moeten worden beoordeeld op de tijd-variëteit van zowel verliezen als elektriciteitsprijzen. Verliezen zijn het grootst tijdens windstoten waarbij turbines maximaal vermogen produceren, wat kan samenvallen met hoge elektriciteitsprijzen. Gedetailleerde productiemodellering en prijsprognoses verbeteren de nauwkeurigheid van de verlieswaardering en optimalisatie.

Betrouwbaarheid en beschikbaarheid

De betrouwbaarheid van het elektrische systeem beïnvloedt de energieproductie en de inkomsten. De apparatuurstoringen veroorzaken verloren productie totdat reparaties zijn voltooid. De kosten van stilstand zijn afhankelijk van de elektriciteitsprijzen en de duur van de onderbrekingen. Investeren in hoogwaardige apparatuur, redundantie en conditiebewaking kan de storingsfrequentie verminderen en de beschikbaarheid verbeteren.

Betrouwbaarheidsanalyse moet rekening houden met de storing van onderdelen, reparatietijden en de impact van storingen op de energieproductie. Redundante configuraties kunnen gerechtvaardigd zijn voor kritieke onderdelen waar storingen uitgebreide uitval veroorzaken of grote delen van het windpark beïnvloeden. Offshore windparken vereisen meestal een hogere betrouwbaarheid vanwege de moeilijkheid en kosten van de toegang tot apparatuur voor reparaties.

Windenergie elektrische systemen blijven evolueren met geavanceerde technologie, veranderende netwerkeisen, en toenemende projectschaal. Verschillende opkomende trends zijn het vormgeven van de toekomst van windenergie elektrische ontwerp.

Grotere turbines en hogere spanningen

Moderne turbines zijn nu meer dan 15 MW per eenheid, waardoor offshore windparken met minder turbines in staat zijn om enorme hoeveelheden elektriciteit te produceren. Grotere turbines verminderen het aantal eenheden dat nodig is voor een bepaalde capaciteit, mogelijkerwijs vereenvoudigen inzamelingssystemen en kosten verlagen. Ze hebben echter ook elektrische apparatuur met een hogere capaciteit nodig en kunnen hogere spanning van het opvangsysteem vereisen.

De trend naar grotere turbines is vooral uitgesproken in offshore toepassingen waar de installatiekosten voor minder, grotere eenheden. Turbine generatoren worden ontworpen voor hogere vermogens en spanningen, het verminderen van transformatie eisen en het verbeteren van efficiëntie. Inzameling systeem spanningen stijgen tot 66 kV en verder voor grote offshore windparken.

Integratie van energieopslag

Koppelturbines met grote lithium-ion- of stroombatterijen zorgen voor continue stroomvoorziening, zelfs tijdens windstilte. Energieopslag kan de productie van windenergie verschuiven naar perioden van hogere vraag en prijzen, netdiensten zoals frequentieregulering bieden en de capaciteitswaarde van windenergie verbeteren.

Het integreren van energieopslag met windenergiecentrales vereist een zorgvuldig ontwerp van het elektrische systeem om een bidirectionele stroomstroom te kunnen verwerken, de laad- en ontlaadcycli te beheren en de opslag te coördineren met de eisen van de turbine-output en het net. De economische aspecten van de integratie van de opslag zijn afhankelijk van de verschillen in elektriciteitsprijzen, de inkomsten uit de netdienst en de dalende batterijkosten.

Geavanceerde rasterdiensten

Moderne windenergiecentrales worden steeds vaker verwacht om netdiensten te leveren buiten de energieproductie. Deze diensten omvatten frequentierespons, spanningsondersteuning, traagheidsrespons en zwartstartcapaciteit. Deze diensten vereisen geavanceerde besturingssystemen en kunnen extra apparatuur vereisen, zoals synchrone condensatoren of netvormende omvormers.

Windenergie engineering blijft doorgaan met een constante impuls voor innovatie in elektrisch ontwerp, met onderzoek en ontwikkeling inspanningen gericht op het verbeteren van de efficiëntie van elektrische componenten, het optimaliseren van energieconversie processen, en het verkennen van geavanceerde netwerk integratie technieken. Deze innovaties zijn essentieel voor het integreren van hoge niveaus van windenergie in elektrische netwerken, terwijl de betrouwbaarheid en stabiliteit behouden.

Digitalisering en slimme windparken

Windturbines zijn nu uitgerust met sensoren die prestaties, weersomstandigheden en mechanische gezondheid in real time monitoren, en deze gegevens verbeteren het onderhoud en verlengen de levensduur van turbines. Digitale technologieën, waaronder kunstmatige intelligentie, machine learning en digitale tweeling transformeren windpark operaties en onderhoud.

Slimme windparken gebruiken geavanceerde analyses om de prestaties te optimaliseren, storingen te voorspellen voordat ze optreden, en turbinebewerking te coördineren om de energieproductie te maximaliseren en de belasting te minimaliseren. Deze mogelijkheden vereisen geavanceerde elektrische en communicatiesystemen om grote hoeveelheden data in real time te verzamelen, verzenden en verwerken.

Normen en codes voor Windenergie Elektrische Systemen

De opzet van het elektriciteitssysteem voor windenergie moet voldoen aan talrijke normen en codes die veiligheid, betrouwbaarheid en interoperabiliteit garanderen. Deze normen worden ontwikkeld door internationale organisaties, nationale instanties en branchegroepen.

Internationale normen

De IEC 61400 norm specificeert essentiële ontwerpvereisten om de technische integriteit van windturbines te waarborgen en is relevant voor alle subsystemen van windturbines, zoals structurele onderdelen, besturings- en beschermingsmechanismen, elektrische systemen en mechanische systemen. Deze uitgebreide standaardserie omvat ontwerpeisen, testprocedures, stroomkwaliteit, akoestische geluiden en andere aspecten van windturbinetechnologie.

Andere relevante internationale normen zijn IEC 61000 voor elektromagnetische compatibiliteit, IEC 60076 voor vermogenstransformatoren en IEC 62271 voor hoogspanningsschakelapparatuur. De naleving van deze normen garandeert dat apparatuur voldoet aan minimale prestatie- en veiligheidseisen en vergemakkelijkt de internationale handel in windenergieapparatuur.

Nationale en regionale codes

Nationale elektrische codes specificeren eisen voor elektrische installaties om mensen en eigendommen te beschermen tegen elektrische gevaren. In de Verenigde Staten, de National Electrical Code (NEC) biedt uitgebreide eisen voor het ontwerp en de installatie van elektrische systemen. Andere landen hebben soortgelijke codes die moeten worden gevolgd.

De rasteraansluitingscodes geven technische eisen aan waaraan generatoren moeten voldoen om verbinding te maken met het elektriciteitsnet. Deze codes variëren per land en netbeheerder, maar hebben in het algemeen betrekking op spannings- en frequentielimieten, stroomkwaliteit, storingsritten en controlemogelijkheden.

Beste praktijken in de industrie

Naast verplichte normen en codes, de industrie beste praktijken bieden richtsnoeren over het ontwerp, de installatie en de werking van windenergie elektrische systemen. Organisaties zoals de American Wind Energy Association (AWEA), European Wind Energy Association, en de International Electrotechnical Commission publiceren aanbevolen praktijken op basis van ervaring in de industrie.

Na de industrie best practices helpt ervoor te zorgen dat windenergie projecten te bereiken verwachte prestaties, betrouwbaarheid en veiligheid. Deze praktijken evolueren naarmate de industrie oploopt ervaring en technologie vordert, waardoor het belangrijk voor ingenieurs om te blijven actueel met de nieuwste ontwikkelingen.

Praktische ontwerpvoorbeelden en berekeningen

Om de toepassing van de principes van elektrisch ontwerp te illustreren, moet u een praktisch voorbeeld van een middelgrote windmolenpark op de wal bekijken. Dit voorbeeld toont de belangrijkste berekeningen en ontwerpbeslissingen die bij de ontwikkeling van een elektrisch systeem zijn betrokken.

Projectparameters

Stel dat een windpark met 20 turbines, elk met een vermogen van 3 MW, voor een totale capaciteit van 60 MW. De turbines zijn gerangschikt in vier strings van vijf turbines elk. De generatorspanning is 690 V, en de opvang systeem spanning is 33 kV. De afstand van het windpark substation tot het net interconnectiepunt is 5 km, en de transmissie spanning is 132 kV.

Turbine Transformer Size

Elke turbine vereist een transformator om van 690 V naar 33 kV te stijgen. De transformator moet het nominale vermogen van de turbine plus hulplast verwerken. Ervan uitgaande dat 50 kW hulplast, is de vereiste transformatorcapaciteit ongeveer 3,05 MVA. Een standaard 3,15 MVA transformator zou worden geselecteerd, wat een kleine marge voor overbelasting mogelijk maakt.

De impedantie van de transformator beïnvloedt de spanningsregulering en kortsluitstromen. Een typische impedantie voor deze groottetransformator is 6%. Deze impedantie beperkt kortsluitstromen en zorgt voor een aanvaardbare spanningsregeling. De transformator moet een ONAN koelsysteem hebben dat geschikt is voor buiteninstallatie.

Collectie systeem Cable Size

Voor de kabels van het opvangsysteem wordt de stroom van 33 kV berekend voor een turbine van 3 MW: I = P / (√3 × V × pf) = 3.000.000 / (√3 × 33.000 × 0,95) ≈ 55 A. Dit is de stroom van een turbine. De kabel die de vijfde turbine in een streng verbindt met de vierde turbine moet stroom van alle vijf turbines dragen, of ongeveer 275 A.

Het selecteren van een kabel met voldoende ampaciteit vereist rekening houdend met installatiemethode, omgevingstemperatuur en bodemomstandigheden. Voor direct-begraven installatie in typische bodem, een 95 mm2 aluminium geleider kabel kan een ampaciteit van ongeveer 300 A, het verstrekken van voldoende capaciteit met een redelijke marge. Spanning daling moet worden berekend om te controleren of het binnen aanvaardbare grenzen blijft, typisch 2-3% van de nominale spanning.

Transformatorgrootte van het substation

De substation transformator stapt voltage van 33 kV naar 132 kV voor transmissie naar het net. De transformator moet de volledige windmolenproductie van 60 MW verwerken. Rekening houdend met de verliezen van transformator en de hulplast, zou een 63 MVA transformator geschikt zijn. Dit zorgt voor enige marge voor toekomstige uitbreiding of tijdelijke overbelasting tijdens hoge windomstandigheden.

De transformator moet een kraanwisselaar hebben die de spanning regelt. Een typisch kraanbereik is ±10% in stappen van 1,25%, waardoor de spanning kan worden aangepast om de verschillende belastingsomstandigheden en spanningsvariaties te compenseren. De impedantie van de transformator moet worden gecoördineerd met de eisen inzake systeembescherming, meestal in het bereik van 10-15% voor deze transformator.

Schatting van het vermogenverlies

De berekening van de jaarlijkse energieverliezen helpt de efficiëntie en de economie van het systeem te evalueren. Transformerverliezen omvatten verliezen zonder belasting (continue belasting) en belastingsverliezen (variërend van belasting). Voor de turbinetransformatoren, neem geen-lastverliezen van 5 kW en vollastverliezen van 25 kW per transformator. Met 20 transformatoren die werken met een gemiddelde capaciteitsfactor van 35%, zouden jaarlijkse transformatorverliezen ongeveer: (20 × 5 kW × 8760 uur) + (20 × 25 kW × 0,352 × 8760 uur) dienen te zijn: ≈ 1.414.000 kWh.

Voor een vereenvoudigde schatting wordt uitgegaan van een gemiddelde kabellengte van 500 m per turbine en een weerstand van 0,32 ohm/km voor 95 mm2 kabel. Gemiddelde stroom bij 35% capaciteitsfactor is ongeveer 55 A × 0,35 = 19,25 A. Kabelverliezen per turbine: I2 × R × uren = 19,252 × 0,32 × 0,5 × 8760 ≈ 520 kWh. Totale kabelverliezen voor 20 turbines: ongeveer 10400 kWh per jaar.

Deze verliesberekeningen tonen aan dat de verliezen van transformator domineren in dit voorbeeld. Het selecteren van hogere efficiëntie transformatoren zou de levensduur van energie verliezen aanzienlijk kunnen verminderen, hoewel dit moet worden afgewogen tegen hogere initiële kosten.

Onderhoud en beproeving van elektrische systemen

Goed onderhoud en testen zijn essentieel voor een continue veilige, betrouwbare werking van windenergie elektrische systemen. Onderhoudsprogramma's moeten gebaseerd zijn op aanbevelingen van de fabrikant, industrienormen, en operationele ervaring.

Preventief onderhoud

Preventief onderhoud omvat regelmatige inspecties, testen en onderhoud van elektrische apparatuur om storingen te voorkomen en de levensduur van de apparatuur te verlengen. Typische activiteiten zijn visuele inspecties op tekenen van beschadiging of verslechtering, thermografische onderzoeken om hot spots te detecteren die wijzen op losse verbindingen of overbelaste componenten, en olie bemonstering en analyse voor transformatoren.

De elektrische aansluitingen moeten worden gecontroleerd en versterkt, indien nodig, omdat losse verbindingen oververhitting en storingen kunnen veroorzaken. Schakelapparatuur moet worden gecontroleerd op tekenen van boogvorming, verontreiniging of mechanische slijtage. Bescherming relais moeten periodiek worden getest om de juiste werking en instellingen te controleren. De frequentie van deze activiteiten is afhankelijk van het type apparatuur, de bedrijfsomgeving en de aanbevelingen van de fabrikant.

Controle van de toestand

Conditiebewaking maakt gebruik van sensoren en diagnosetechnieken om de gezondheid van apparatuur te beoordelen en problemen op te sporen voordat ze storingen veroorzaken. Gemeenschappelijke conditiebewakingstechnieken voor elektrische apparatuur omvatten gedeeltelijke ontladingsbewaking voor hoogspanningsapparatuur, analyse van opgeloste gas voor olie-gevulde transformatoren en trillingsbewaking voor roterende apparatuur.

Geavanceerde systemen voor conditiebewaking kunnen zorgen voor vroegtijdige waarschuwing voor het ontwikkelen van problemen, waardoor onderhoud tijdens geplande uitval kan worden gepland in plaats van te reageren op onverwachte storingen. Deze voorspellende onderhoudsbenadering kan de beschikbaarheid aanzienlijk verbeteren en de onderhoudskosten verminderen in vergelijking met het traditionele tijdgebonden onderhoud.

Inbedrijfstelling en acceptatietest

Voordat een windkrachtcentrale in bedrijf wordt genomen, moeten uitgebreide inbedrijfstelling en tests worden uitgevoerd om na te gaan of alle systemen correct functioneren en voldoen aan de ontwerpspecificaties. Testen omvat verificatie van de instellingen en werking van het beveiligingsrelais, de draaiverhouding van de transformator en de impedantiemetingen, de weerstand van de kabelisolatie en de hoge potentiaaltest en de weerstand van het aardingssysteem.

De metingen van de stroomkwaliteit moeten worden uitgevoerd om na te gaan of aan de eisen inzake de rastercode voor harmonischen, flikkeren en spanningsvariaties is voldaan. Het systeem voor de besturing van de installatie moet worden getest om de juiste respons op de commando's van de netbeheerder en de storingen van het net te verifiëren. Alle veiligheidssystemen, inclusief nooduitschakeling en brandbeveiliging, moeten worden getest en gecontroleerd.

Milieuoverwegingen in het ontwerp van het elektrisch systeem

Milieufactoren beïnvloeden het ontwerp van het elektrische systeem en moeten zorgvuldig worden overwogen om een betrouwbare werking te waarborgen en de milieueffecten te minimaliseren.

Klimaat- en weereffecten

De elektrische apparatuur moet worden beoordeeld voor de omgevingsomstandigheden op de installatielocatie. De temperatuur is extreem van invloed op de prestaties en de prestaties van de apparatuur. Hoge omgevingstemperaturen verminderen de stroomdoorvoercapaciteit van kabels en transformatoren, terwijl lage temperaturen de isolatieeigenschappen en mechanische werking van schakelapparatuur kunnen beïnvloeden.

Vochtigheid, zoutspray in kustgebieden en industriële vervuiling kunnen corrosie en verontreiniging van elektrische apparatuur veroorzaken. Apparatuur voor harde omgevingen moet beschikken over passende milieubeschermings- en corrosiebestendige materialen. Offshore-installaties vereisen de hoogste niveaus van milieubescherming als gevolg van het corrosieve mariene milieu.

Elektromagnetische velden

Elektrische apparatuur genereert elektromagnetische velden (EMF) die aan wettelijke beperkingen kunnen worden onderworpen om de menselijke gezondheid te beschermen en interferentie met andere apparatuur te minimaliseren. Transformatoren, kabels en onderstations produceren allemaal EMF, met veldsterkte snel afnemen met afstand van de bron.

Als de berekende niveaus de grenswaarden overschrijden, kunnen mitigatiemaatregelen zoals grotere scheidingsafstanden, kabelafschermende of fase-opstellingsoptimalisatie nodig zijn. De publieke bezorgdheid over EMF moet worden aangepakt door middel van transparante communicatie over veldniveaus en toepasselijke veiligheidsnormen.

Geluidsemissies

Elektrische apparatuur, waaronder transformatoren en schakelapparatuur, kan hoorbaar geluid produceren dat aan wettelijke beperkingen kan worden onderworpen, met name voor installaties in de buurt van woonwijken. Transformatorlawaai wordt veroorzaakt door magnetostrictie in de kern en kan worden verminderd door een zorgvuldig ontwerp, geluiddempende behuizingen of grotere scheidingsafstanden.

Bij het ontwerp en in vergelijking met de toepasselijke grenswaarden moeten de geluidsniveaus worden voorspeld. Indien de voorspelde niveaus de grenswaarden overschrijden, kunnen mitigatiemaatregelen zoals akoestische barrières, behuizingen van apparatuur of selectie van alternatieve apparatuur nodig zijn.

Samenvatting van de belangrijkste elektrische parameters

Succesvol ontwerp van elektrische systemen voor windkrachtcentrales vereist een zorgvuldige afweging van talrijke parameters en hun interacties. De volgende lijst geeft een overzicht van de kritische elektrische parameters die moeten worden berekend en gespecificeerd:

  • Krachtwaardering van turbines - De naamplaatcapaciteit van elke windturbinegenerator, meestal variërend van 1,5 MW tot meer dan 15 MW voor moderne machines op gebruiksschaal
  • Generatorspanning en frequentie - De door de generator geproduceerde spanning, typisch 690V of 3,3 kV, en de elektrische frequentie, meestal 50 of 60 Hz, afhankelijk van het raster
  • Transformerende capaciteit en spanningsverhoudingen - De MVA-rating- en spanningstransformatieratio's voor turbinetransformatoren en substationtransformatoren
  • spanning van het opvangsysteem - het gemiddelde spanningsniveau dat wordt gebruikt voor het opvangsysteem van de windparken, meestal 11 kV tot 36 kV
  • Cable stroom-dragende capaciteit - De ampacity van het inzamelingssysteem en transmissiekabels onder gespecificeerde installatieomstandigheden
  • Lijnimpedantie - De weerstand en reactie van kabels en bovenleidingen, die de spanningsdaling en stroomverliezen beïnvloeden
  • Korte stroomniveaus - De maximale storingsstromen die kunnen stromen tijdens elektrische storingen, waarbij de vereiste onderbrekingscapaciteit van de beschermingsmiddelen wordt bepaald
  • Beschermingsdevice ratings - De spanning, stroom en onderbrekingsvermogen van stroomonderbrekers, zekeringen en andere beschermingsmiddelen
  • Spanningsregelingseisen - De aanvaardbare spanningsvariaties op het interconnectiepunt en in het gehele inzamelingssysteem
  • Power factor en reactief vermogen - De verhouding van reëel tot schijnbaar vermogen en de mogelijkheid om reactief vermogen voor spanningsondersteuning te genereren of te absorberen
  • Harmonische vervormingslimieten - De maximaal toegestane niveaus van harmonische stromen en spanningen om de stroomkwaliteit te garanderen
  • Capaciteitsfactor - De verhouding tussen de werkelijke energieproductie en de theoretische maximale productie, die het gebruik van apparatuur en de economie beïnvloedt
  • Systeemverliezen - De elektrische energie verloren in transformatoren, kabels en andere apparatuur, vermindering van de netto-energielevering
  • Rechtheid van het rondingssysteem - De weerstand tegen de aarde van het aardsysteem, die de veiligheid en de effectiviteit van de bliksembescherming beïnvloedt

Conclusie

Het ontwerpen en berekenen van elektrische systemen voor windcentrales is een veelzijdige technische uitdaging die integratie van elektrische engineering principes, windenergie technologie, neteisen, en economische optimalisatie vereist. Succes is afhankelijk van een grondige analyse van de locatieomstandigheden, zorgvuldige selectie en grootte van apparatuur, nauwkeurige berekeningen van elektrische parameters, en naleving van de toepasselijke normen en codes.

Het elektrische systeem moet op efficiënte wijze variabele windenergie omzetten in elektrische stroom van netkwaliteit en tegelijkertijd de veiligheid, betrouwbaarheid en economische levensvatbaarheid garanderen. Naarmate windenergietechnologie verder gaat met grotere turbines, hogere spanning en meer geavanceerde besturingssystemen, moeten elektrotechnici op de hoogte blijven van de ontwikkeling van beste praktijken en opkomende technologieën.

Een goed ontwerp van een elektrisch systeem is van fundamenteel belang voor het succes van windenergieprojecten. Goed ontworpen systemen maximaliseren de energieproductie, minimaliseren verliezen, zorgen voor een veilige werking en bieden de netwerkondersteuningsdiensten die steeds meer nodig zijn voor systeembeheerders. Naarmate windenergie snel groeit als een belangrijke bron van hernieuwbare energie, zal het belang van een uitstekend ontwerp van een elektrisch systeem alleen maar toenemen.

Voor degenen die meer willen leren over windenergiesystemen en elektrotechniek, zijn er middelen beschikbaar van organisaties zoals het V.S. Department of Energy Wind Energy Technologies Office, het National Renewable Energy Laboratory[, en het IEEE Power and Energy Society. Deze organisaties leveren technische publicaties, normen, trainingsprogramma's en onderzoeksresultaten die de verdere ontwikkeling van windenergie elektrische systemen ondersteunen.