Harmoniske svingninger i store havmølleparker

This time Danish abstract of the PhD report entitled "Harmonics in Large Offshore Wind Farms (Harmoniske Svingninger i Store Havmølleparker)". The project was defended on the 2nd of February in 2012 at Aalborg University, Denmark.
 

Antallet af vindmøller med frekvensomformer til nominel effekt i mw-klassen, der anvendes til store havmølleparker, er stærkt stigende. De er tilsluttet et udbredt og forgrenet mellemspændingskabelnet stort set uden egetforbrug og er tilsluttet transmissionsnettet ved hjælp af lange højspændingskabler. Det stiller vindmølleindustrien og netselskaberne over for nye udfordringer i forhold til at forstå harmoniske svingningers  karakter, udbredelse og virkning. Vindmøllebranchen udvikler sig hastigt. Det stiller branchen over for nye udfordringer, hvilket har medført gennemførelse af flere og flere forskningsprojekter, der omhandler analyse af harmoniske svingninger med særligt fokus på vindenergi, og det er grunden til, at dette projekt blev påbegyndt og gennemført med et positivt resultat. Virksomhedens erfaring fra tidligere havmølleprojekter i forbindelse med forskellige harmoniske aspekter har medført et behov for at udføre omfattende undersøgelser af harmoniske svingninger.

Forskningsprojektet blev til på branchens foranledning, og blev gennemført i et  i samarbejde med institut for Energiteknik, Aalborg Universitet.  I forbindelse med planlægningen af projektforløbet blev rammerne for projektet lagt ud fra en traditionel rationalistisk tilgang for at kunne levere viden og en dybere forståelse for forskellige aspekter (f.eks. målinger, databehandling, dataanalyse, modellering, modelanvendelse) i studier af harmoniske svingninger. På baggrund af disse rammer, blev rapportens opbygning fastlagt. Læseren kan dermed følge alle projektforløbets stadier startende med målinger, databehandling og –analyse og sluttende med modellering og modelanvendelse. Forskellige aspekter af tidsdomænevalidering, frekvensdomæne og af brugen af statistiske metoder nævnes i forbindelse med specifikke problemer.

Målinger udgør en vigtig del af industriel forskning. Derfor er dette projekt unikt samtidig med, at det tilfører den akademiske verden vigtig praksis-orienteret indsigt og vice versa. Det er bevist, at analyse af systemer som store havmølleparker indebærer mange aspekter, der omhandler udvidede og mere præcise modeller, komplekse målekampagner og selvfølgelig bedre og mere anvendelige databehandlingsmodeller. Før de ovennævnte aspekter kan behandles, er det nødvendigt at have et pålideligt og robust målesystem til rådighed. Dette opnås gennem grundigt design af målesystemets hardware- og softwarelag.

I rapporten forklares det, at det er meget vigtigt at kende typen af de harmoniske svingninger, der genereres i store havmølleparker for at kunne anvende de rigtige databehandlingsteknikker. Tids-/frekvensanalyse baseret på multiresolution wavelettransformation bruges til at udføre tids-/frekvensdomæneanalyser, som kan bidrage til at definere de harmoniske svingningers oprindelse og observere korttidsvariationer. Ikke-parametrisk spektralanalyse anvendes på interpolerede signaler tilpasset de varierende elsystemfrekvenser. Forskellige databehandlingsteknikker er præsenteret og anvendt afhængig af signalet (dvs. om det er stationært eller ikke-stationært) eller typen af harmoniske svingninger (dvs. spline resampling eller direkte spektralanalyse). På baggrund af grundig analyse af målinger ses det, at visse harmoniske komponenter, der dannes på netsiden af omformeren i vindmøllen påvirkes af to faste frekvenser, dvs. af elsystemets grundfrekvens og basisbærefrekvenssignalet. Derfor er målinger af harmoniske svingninger udført primært med kommercielle spændingskvalitetsmålere i nogen grad utilstrækkelige, og den efterfølgende vurdering af resultaterne kan derfor være misvisende.

Forskellige statistiske værktøjer er anvendt til at analysere oprindelsen og karakteren af forskellige harmoniske komponenter. En omfattende sammenligning af harmoniske spændinger og strømme baseret på en vurdering af den sandsynlige fordeling samt passende statistiske beregninger (f.eks. middel, varians, sandsynlig tæthedsfunktion mv.) anvendes. En sådan tilgang giver et bedre overblik og en bedre sammenligning af harmoniske komponenters variationer og forekomst.

Flere frekvensdomænemetoder til beskrivelse af vindmølleparker bestående af flere komponenter såsom vindmøller, transformere, kabler mv. beskrives og sammenlignes. Det forklares, at store havmølleparker kan producere yderligere uønskede resonanser i lavfrekvensområdet. Dette kan have en betydelig indflydelse på systemets generelle stabilitet. Derfor er analyse og designoptimering af store havmølleparker mere komplekst end analyse og designoptimering af små landmølleparker.

I dag er vindmøller komplekse anlæg udstyret med den nyeste teknologi. Derfor er analyse af harmoniske svingninger i sådanne anlæg ikke så ligetil. På grund af vindmøllernes kompleksitet kan man ved studier af harmoniske svingninger fokusere på flere forskellige aspekter såsom reguleringsstrategi, moduleringsteknik, omformerdesign og hardwareimplementering.

Forskellige reguleringsstrategier er blevet overvejet sammen med deres indflydelse på dannelsen af harmoniske svingninger og generel systemstabilitet. Analyser er hovedsaglig udført i frekvensdomænet. En analyse går ud på at finde ud af, hvordan forskellige komponenter i reguleringskonceptet (f.eks. filtre, kontrolenheder mv.) kan påvirke styringen og dens evne til at udkompensere harmoniske svingninger. Reguleringsstrategiernes indflydelse på mølleparkens generelle stabilitet er ligeledes blevet grundigt undersøgt. Egnede stabilitetsindeks er foreslået og anvendt i flere konkrete cases.

Omhyggeligt modelerede ækvivalenter af store vindmølleparker i frekvensdomænet sammen med møllernes frekvensrespons giver et godt overblik over, hvordan store havmølleparker reagerer ved forskellige frekvenser. En sådan tilgang har vist gode resultater i forbindelse med studier af eksisterende mølleparker.

Da harmoniske svingninger i vindmøller og vindmølleparker har forskellig oprindelse og er af forskellige typer, kan det være problematisk at sammenligne dem. Derfor er selektiv validering af specifikke frekvenskomponenter til tider mere anvendelig. Det blev observeret, at sammenligning af resultater i frekvensdomænet og tidsdomænet og anvendelse af statistiske metoder er nøglen til forståelse af resultaterne.

På baggrund af de præsenterede studier kan det ses, at store havmølleparker sammenlignet med typiske landmølleparker kan generere flere uønskede resonansscenarier. Uønskede resonanser kan påvirke mølleparkens generelle stabilitet og ydelse (f.eks. kan harmonisk resonans anslåsog forstærkes). Derfor er det meget vigtigt at analysere mølleparker grundigt, især store havmølleparker, også ud fra et harmonisk perspektiv.

Denne erhvervsPhD fokuserer på at finde frem til de bedst mulige metoder til at gennemføre forskellige harmoniske studier af havmølleparker, herunder en række forhold som ikke før er blevet overvejet. Anvendelse af nye metoder og en udvidelse af rækken af modeller bidrager til at opnå den højere rådighed, der er nødvendig på havmøllerparker, hvis de skal fungere som store kraftværker i det elektriske system.

This entry was posted in Harmonics, Wind Farms and tagged , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *