Nettilknytning og systemintegrasjon av store vindparker

Transkript

1 Nettilknytning og systemintegrasjon av store vindparker Gruppe 36 Svein Valle Ørjan Ramskjell Øyvind Frønum Kjell Vegard Birkeland Ole Martin Rypestøl HiST / AFT Program for elektro- og datateknikk Våren 2005

2

3 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk TRONDHEIM Hovedprosjekt Oppgavens tittel: Gitt dato: Nettilknytning og systemintegrasjon av store vindparker Innleveringsdato: Project title: Grid connection and systems integration of large-scaled wind farms Gruppedeltakere: Ørjan Ramskjell, Øyvind Frønum, Svein Valle, Ole Martin Rypestøl, Kjell V Birkeland Institutt/studieretning: Program for elektro- og datateknikk Antall sider/vedlegg 129/12 Veileder Pål Glimen (PG) E-post: pal.glimen@hist.no Telefon: Prosjektnummer: 36 Oppdragsgiver: Statkraft v/terje Gjengedal Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Terje Gjengedal Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver X Rapporten frigitt etter avtale

4

5 Sammendrag En stadig økende utbygging av vindkraft i Norge og Europa de siste 20 år har ført til et behov for egne regler og forskrifter for vindparker. Spesielt gjelder dette forskrifter for nettilknytning og systemintegrasjon av store vindparker. Vindkraft er på full fart inn i kraftsystemene, og kommer til å bli en betydelig faktor i nasjonal kraftforsyning. Vindkraft egner seg best på steder hvor det blåser mye, og som samtidig har tilgjengelig landareal for utbygging. Problemet er at disse områdene stort sett er steder med begrenset populasjon og relativt svake nett. Når store mengder vindkraft kobles til svake nett, settes det store krav til reguleringmessige og tekniske løsninger. Dette kommer av at kraftsystemene ofte består av store og sentralplasserte kraftproduksjonsenheter med forholdsvis trege reguleringssløyfer. Dette prosjektet ser nærmere på hvilke regelverk land med mye vindkraft har implementert for å regulere tilknytninger av vindparker til et overliggende nett. Slike regelverk og retningslinjer (ofte benevnt med fellesbetegnelsen grid codes) finnes for alle energiproduserende enheter i de fleste land, men et fåtall har laget egne for vindkraft. Det vil bli nødvendig å spesifisere egne regler for vindparker, da effektproduksjonen fra en vindturbin vil variere stokastisk med vindhastigheten. Dette representerer store utfordringer da det er viktig at kraftforsyningen beholder korrekt spenning og frekvens under enhver situasjon. Rapporten inneholder en oversikt over regelverkene i forskjellige europeiske land, og en matrise hvor disse sammenlignes. Videre tar rapporten for seg hvilke konfigurasjoner som eksisterer på generatorsiden i en vindturbin. Innholdet dekker også en enkel innføring i ulike forhold som berøres ved utbygging og konstruksjon av en vindpark. Utfordringer og generelle betraktninger for vindsektorens fremtidsutsikt drøftes også med utgangspunkt i et økonomisk perspektiv. Side i

6 Forord Hovedoppgaven Nettilknytning og systemintegrasjon av store vindparker er gitt av Statkraft, ved Terje Gjengedal. Vi var 5 studenter som umiddelbart fattet interesse for oppgaven, som vi nå har jobbet med hele dette siste semesteret av 3.klasse. Ingen av gruppens deltagere hadde noen særlig kjennskap til vindkraft fra før, så vi regnet med en utfordrende og lærerik oppgave. I ettertid må vi kunne si at det stemte, og at lærerik er kanskje det ordet som best beskriver vårt arbeide. Prosjektet har hatt en varighet på ca 18 uker og begynte i januar med varighet til midten av mai. Prosjektet har i hovedtrekk vært innsamling, systematisering og bearbeiding av litteratur, så størsteparten av prosjektet har vi oppholdt oss på prosjektkontoret og biblioteket. Vi har i tillegg vært på to ekskursjoner til Statkrafts vindparker på Hitra og Smøla. Prosjektets hovedtema er grid codes i Europa, og da land som har bygd ut en viss mengde vindkraft. Den tar i tillegg for seg vindturbiners oppbygning og ulike teknologier som benyttes i turbinene. Oppgaven kan derfor være interessant som en generell innføring i og oversikt over vindkraft, men den krever noen forkunnskaper innen elkraft. Trondheim Kjell Vegard Birkeland Svein Valle Ørjan Ramskjell Øyvind Frønum Ole Martin Rypestøl Side ii

7 Takk Prosjektgruppen ønsker å rette en spesiell takk til oppdragsgiver Terje Gjengedal fra Statkraft/NTNU og veileder Pål Glimen ved HiST. Vi vil i tillegg rette stor takk til følgende personer som har bidratt med hjelp til prosjektet: I alfabetisk rekkefølge: Ceña, Alberto Director Tècnico Plataforma Empresarial Eolica Eek, Jarle PhD-student NTNU Fosso, Olav Bjarte Professor NTNU Giæver Tande, John Olav Forsker SINTEF Gonzàlez, Camilo José Carrillo Professor Universidade de Vigo Hansen, Oddbjørn Høgskolelektor HIST Hofstad, Arnfinn Førstelektor HIST Idsøe Næss, Bjarne PhD-student NTNU Ilskov, Hans Otto Eltra Iversen, Ingar Byggeleder Statkraft Larsen, Esben Lektor DTU Lorenzo, Andrés Elías Feijóo Professor Universidade de Vigo Meyerjürgens, Tim E.ON Netz GmbH Sand, Kjell Seniorforsker SINTEF Söder, Lennart Professor KTH Vognild, Inge Statnett Wennberg, Rolf Wennbergs trykkeri Vi ønsker også å takke Høgskolen i Sør-Trøndelag, Avdeling for Teknologi, for tre fine år på ingeniørutdanningen. Side iii

8 Innholdsfortegnelse Sammendrag... i Forord...ii Takk...iii Innholdsfortegnelse... iv 1 Innledning Bakgrunn Målsetning Vind og vindkraft Effekten i vinden Vindhastigheten Vingearealet Luftens massetetthet Vindgradient og tårnskygge Variasjoner i vinden Betz lov Plassering av vindturbiner i vindpark Oppbygning Rotor Nacelle Hovedaksling Gir Sekundæraksling Brems Generator Krøjemekanismen Andre komponenter Tårn og fundament Turbinteknologi og nettpåvirkning Generatorer Asynkronmaskinen Synkronmaskinen Kraftelektroniske omformere Strømventiler Likeretteren Vekselretteren Frekvensomformeren Teknologisk oppbygning Turbinteknologi Generatorteknologier Nettpåvirkning og produksjon Reaktiv- og aktiv effekt Spenningskvalitet Spenningens frekvens Spenningens effektivverdi Spenningens kurveform Vindkraft i framtiden Bakgrunn for grønne sertifikater Situasjonen for grønne sertifikater i Norge Side iv

9 5.3 Grønne sertifikater i Norden og Europa Grid codes Innledning Sverige Strømnettet i Sverige Vindkraft i Sverige Den svenske grid code Tyskland Strømnettet i Tyskland Vindkraft i Tyskland Den tyske grid code Irland Strømnettet i Irland Vindkraft i Irland Den irske grid code Danmark Strømnettet i Danmark Vindkraft i Danmark Den danske grid code Spania Strømnettet i Spania Vindkraft i Spania Den spanske grid code Storbritannia Vindkraft i Storbritannia Vindkraft i Skottland Strømnettet i Skottland Vindkraft i England og Wales Strømnettet i England og Wales Grid coden for Storbritannia Matrise med sammenligning av ulike lands grid code Kort Sammenligning av kravene i matrisen Konklusjon Referanser Internett Personer Litteratur Vedlegg... Side v

10 1 Innledning 1.1 Bakgrunn Energien som ligger i vind har mennesket utnyttet i tusenvis av år. Den første praktiske utnyttelsen kom sannsynligvis da en eller annen monterte et seil på båten sin. Senere bygde man vindmøller, som malte korn, pumpet vann eller løftet tunge bører. Vinden er sterk, uhyggelig sterk, og klarer du å fange og utnytte den har du store ressurser til disposisjon. Etter oppfinnelsen av elektrisitet var det naturlig å bruke vinden til produksjon. Fridtjof Nansen hadde faktisk med seg en liten vindturbin med DC-generator som produserte strøm til lys på sin Fram -ekspedisjon i Norges første vindkraftverk på land var Dahles Vindkraftverk på Andøya, satt i drift i Dette leverte strøm til 16 abonnenter. De siste årene har det kommet teknologi, både mekanisk og elektrisk/elektronisk som gjør det mulig å utnytte vindenergien til storskala kommersiell kraftproduksjon. Etter oljekrisen i 1973 ble det fart på utbyggingen i mange land. Vindkraft har siden da blitt en av de ledende fornybare kraftkilder på verdensbasis. I Norge har det ikke vært noen utbygging å snakke om, da vi har hatt all den kraften vi har klart å bruke og litt til fra vannkraft. Økende forbruk og verning av gjenværende vassdrag har fått også oss her i Norge til å satse på vind. Regjeringen har en uttalt målsetning om 3TWh årlig produksjon fra vindkraft innen Dette vil tilsvare noe i underkant av 3 % av det totale forbruket. Pr. i dag finnes det konkrete planer for installasjon av ca.600mw, noe som vil gjøre at vindparker i Norge kommer opp i en produksjon på rundt 2TWh. Norges første vindpark ble påbegynt i NTE Nord Trøndelag Elektrisitetsverk satte opp 5 turbiner på Vikna, 3 på 400kW og 2 på 500kW. Etter det skjedde det lite før det i 1997 ble gitt konsesjon til Fjeldskår vindpark ved Lindesnes. Denne hadde 5 turbiner på 750kW[13]. Disse pionerparkene er siden blitt stilt i skyggen av store utbygginger de siste 5 år. Parkene på Hitra og Smøla er de største og de mest kjente i Norge. Norge hadde ved utgangen av MW installert effekt vindkraft, hvor det meste kommer fra de store utbyggingene på Hitra og Smøla. Dette utgjør ca. 0,48TWh produksjon i året, noe som er nok for å levere strøm til rundt husstander. Hitra består av 24 turbiner på 2,3MW, og Smøla vil, når 2.byggetrinn står ferdig senere i år, bestå av 68 turbiner på 2-2,3MW. Til sammen vil disse parkene da produsere 0,6TWh pr. år. Dette tilsvarer nesten 0,5 % av Norges totale energiforbruk. I Norge har vi et meget stort potensial for storskala utbygging av vindkraft. Institutt for Energiteknikk har gjort beregninger på hvor stort dette potensialet er, og kommet fram til ca. 32TWh langs kysten av Norge. Men pga ulike interessekonflikter i mange av disse kystområdene som er aktuelle for vindkraft, må dette tallet reduseres til ca. 13TWh. I tillegg til dette vil det komme andre områder, for eksempel i fjellet og innlandet[21]. Det er også et faktum at vindkraft passer godt sammen med vannkraften vi allerede har her i landet. Om sommeren når tilsiget av vann er størst, blåser det lite og om vinteren når tilsiget av vann er lavt, blåser det mye. På den måten utfyller vindkraften og vannkraften hverandre på en meget gunstig måte. Side 1

11 De siste årene er det gitt mange konsesjoner for vindparker i Norge, og flere er i søknadsfasen. Både private og statlige aktører har sett at det kan være lønnsomhet i vindkraftproduksjon, og relativt store utbygginger er under planlegging flere steder i landet. Den best egnede plasseringen for disse parkene vil naturlig nok være langs kysten og i høyereliggende strøk der det blåser mye, og der det samtidig er god plass. Finnmarkskysten vil være et egnet sted for vindparker, og flere prosjekter er under planlegging/bygging der. En vindturbin i Finnmark vil produsere 1,5 ganger det en tilsvarende vindturbin i Tyskland vil gjøre. På slike avsidesliggende strøk langt unna annen infrastruktur, er som regel strømnettet svakt og relativt dårlig utbygd. Dette fører til at det blir en utfordring og frakte effekten fra vindparkene og ut der forbrukerne befinner seg. I mange tilfeller betyr dette at relativt store utvidelser av nettet vil være nødvendig. I forbindelse med dette problemet vil det være nødvendig å spesifisere tekniske og reguleringsmessige krav til vindparkene for å få lov å tilkoble seg nettet. Dette har flere land med stor andel vindkraft tatt tak i, og begynt å utarbeide egne regler for nettilknytning av vindparker. Her kan det nevnes at blant annet Danmark og Tyskland er foregangsland som har kommet langt i dette arbeidet. Arbeidet med å utarbeide slike regler for det norske nettet pågår nå for fullt. Side 2

12 1.2 Målsetning Da dette hovedprosjektet ble gitt av Statkraft ved Terje Gjengedal var utgangspunktet for oppgaven grid codes; regler for nettilknytning av energiproduserende enheter. Oppgavebeskrivelsen var i utgangspunktet noe rund, men intensjonen bak var at det skulle gjøres et ekstensivt litteratursøk. Dette søket skulle omfatte de ulike lands grid codes hvor vindkraft eksisterer i en viss skala. I tillegg var det et punkt i oppgaven som forutsatte simuleringer og beregninger med formål å se hvilke konsekvenser kravene i de ulike grid codes har for nettets stabilitet samt valg av teknologi. Hovedmålet med prosjektet har på denne bakgrunn vært å se på problematikken rundt nettilknytning for vindparker i Norge. Ulike lands grid codes skulle sammenlignes og settes inn i en matrise for å synliggjøre de forskjellige lands krav på de respektive områder. I tillegg var det ønskelig med en vurdering av de ulike teknologiene som brukes innen vindkraft. Det ble også bestemt at nettsituasjon og vindkraftutbygging i de forskjellige land skulle omhandles i prosjektet. Det viste seg vanskelig å få gjort simuleringer da gjennomføring av disse forutsatte et simuleringsprogram, eventuelt med tilhørende matematiske modeller. Det var dessverre umulig å fremskaffe lisens på et brukbart simuleringsprogram tidsnok. I samråd med veileder og oppdragsgiver ble det bestemt å utelate dette punktet mot å utvide arbeidet med generatorteknologier og nettpåvirkninger(hovedsakelig i forhold til spenningskvalitet ifm med NVEs forslag til forskrift om leveringskvalitet i kraftsystem) til å bli mer omfattende enn opprinnelig planlagt. Ved endt prosjektperiode var det ønskelig at gruppemedlemmene opparbeidet seg kompetanse om vindkraft generelt, generatorteknologier, status for utbyggingen i flere land og retningslinjer som gjelder for nettilknytning av vindparker i disse landene. Målsettingen kan da oppsummeres til følgende delmål: Sammenligning av ulike nasjoners grid codes, samt utarbeide en matrise der de ulike krav og retningslinjer blir synliggjort Vurdering av forskjellige generatorteknologier, nettpåvirkning og spenningskvalitet Gjøre seg kjent med vindkraftutbyggingen i Norge og andre land Opparbeide kompetanse om vindkraft generelt, men særlig med hensyn på nettilknytning Oppnå erfaring innen prosjektarbeid og administrasjon Side 3

13 2 Vind og vindkraft Norge har et svært godt potensial for utbygging av vindkraft. Forutsetningene karakteriseres faktisk som noen av Europas beste. Vindforholdene er gode langs kysten og i enkelte fjellområder. I tillegg har vannkraftanleggene egenskaper til å undertrykke uheldige spenningskarakteristikker som oppstår ved kraftproduksjon fra vindturbiner. Hvor mye som vil bygges ut, vil være avhengig av prisutviklingen på kraft, statlige støttebevilgninger og befolkningens holdning til vindparker i områdene som blir berørt. Allerede nå oppleves en stigende kraftpris og Norge har blitt avhengig av å importere elektrisk kraft. Man kan ane konjunkturene av et marked hvor det er slutt på den billige og stabile strømleveransen norsk vannkraft har gitt. Politisk er det enighet om at epoken med store vannkraftutbygginger er over. Likevel er det ønskelig med økt produksjonskapasitet og vindkraft er p.t. den mest aktuelle fornybare energikilden for elektrisitetsproduksjon, i følge NVE. [106] Data fra vindmålinger i Norge viser at potensialet for vindkraftproduksjon vil fordele seg over året slik at den blir størst om vinteren og lavest om sommeren. Med andre ord vil vindkraften ha størst produksjon i den delen av året hvor forbruket er høyest. Vindkraften kommer dermed i motfase med tilsiget av vann for produksjon av vannkraft og solenergipotensialet. Ved en storskala utbygning av vindkraft er det vesentlig at det utvikles metoder for å utnytte denne positive effekten best mulig. [107] [9] Figur 1 Vindkraft følger effektkonsumet [107] Side 4

14 2.1 Effekten i vinden En vindturbin har som oppgave å gjøre kinetisk energi fra luft i bevegelse, til mekanisk energi gjennom vingene og videre til nyttbar elektrisk energi. Denne omformingen skjer i de aller fleste tilfellene gjennom en turbinaksling, gir og generator. Mengden av energi som overføres til vingene er avhengig av luftens massetetthet, vingearealet og vindhastigheten Vindhastigheten Effekten fra et vindkraftverk varierer avhengig av vindhastigheten. Ved en fordobling av vindhastigheten vil effektinnholdet i vinden øke med 3. potens. Dette er illustrert i figur Vingearealet Hvor mye energi vi nyttiggjør oss bestemmes av det arealet vingene dekker (og naturligvis også vindhastigheten). Fordobles diameteren oppnås et sveipareal som er 4 ganger større og mulighet for å hente ut 4 ganger mer effekt av vingene. Figur 2 Effekt pr. m2 i Tidligere vindturbiner med kapasitet på 600kW var typisk forhold til vindhastigheten [7] dimensjonert med en vingediameter på omkring 40 meter. Statkrafts vindpark på Smøla benytter turbiner med en rotordiameter på ca 80 meter. Disse har en kapasitet på 2,3MW. [7] [8] Luftens massetetthet Det mer luften veier, desto mer effekt kan overføres til vindturbinen. Ved 15 grader under normalt atmosfæretrykk veier luften ca 1,225 kg pr. kubikkmeter. Massetettheten blir mindre ved stigende luftfuktighet, oppvarming og høyde.[7] Smøla vindpark bruker turbiner hvor sveiparealet dekker ca 5000 kvadratmeter. En luftsirkel med tykkelse på en meter som treffer vingene, vil dermed veie nærmere 6 tonn Vindgradient og tårnskygge Vindhastigheten vil avta når den kommer nærmere jordoverflaten. Vindgradienten beskriver sammenhengen mellom høyden på turbinen og vindhastigheten. Det fremkommer av figur 3 at det skiller flere m/s i forhold til vingens høyeste punkt mot vingens laveste punkt. Tårnskygge er et annet fenomen verdt å merke seg. Tårnskygge oppstår idet vingene passerer tårnet hvor de vil oppleve en redusert vindhastighet. Disse faktorene resulterer i ulik og skjev belastning på de roterende vingene. Figur 3 Eksempel på vindgradienten [252] Side 5

15 2.1.5 Variasjoner i vinden Vindhastigheten varierer i løpet av dagen, gjennom sesongen og fra år til år. Tas det utgangspunkt i vindmålinger fra samme sted over en gitt tid, vil vindhastigheten følge en stokastisk fordeling som heter Weibullfordelingen. Denne brukes til å finne gjennomsnittlig vindhastighet, hvor mye vinden varierer og sannsynligheten for vindhastigheten. Figur 4 viser en Weibullfordeling for en gitt serie med vinddata. Arealet i slike sannsynlighetsfordelinger er alltid lik 1. Den markerte linjen ved 6,6 m/s indikerer medianen. Halvparten av tiden blåser det mindre enn 6,6 m/s, mens resten av tiden blåser det mer. Modalverdien er fordelingens toppunkt som i dette tilfellet er 5,5 m/s. Den gir uttrykk for den hyppigst målte vindhastigheten. Figur 4 Weibullfordeling[43] Gjennomsnitthastigheten finnes ved å gange hvert enkelt vindhastighetsintervall med sannsynligheten for at den hastigheten forekommer. Summen av disse tallene gir gjennomsnittshastigheten som her er lik 7 m/s. For vindkraftindustrien er slike beskrivelser av vindhastighetsvariasjoner viktige. Opplysningene brukes til å minimere produksjonskostnadene ved å optimere vindturbinens design. Utbyggere bruker opplysningene til å beregne inntektene fra elektrisitetsproduksjonen Betz lov Ideelt sett ville det være optimalt om en vindturbin kunne utnytte all energi i vinden. Dette er imidlertid ikke mulig. En fullstendig utnyttelse av vindens energi ville ført til at vinden på baksiden av turbinen hadde stanset opp og ikke gitt rom for ny vind. Den tyske fysikeren Alfred Betz utformet allerede i 1919 en lov som gjelder for alle skiveformede rotorer. Betz lov går kort ut på at den teoretisk høyeste maksimale virkningsgrad for slike turbiner er på 59 % (16/27). Kurven til høyre kan brukes til en grafisk fremstilling av Betz lov. Den grå kurven viser maksimal effekt i vinden ned ulike vindhastigheter, den blå viser teoretisk utnyttbar andel, som er 59 % (jfr. Betz lov). Dagens vingeteknologi gir en virkningsgrad på rundt 50 % (den røde kurven), men på grunn av tap i lager, gir og generator oppnås en elektrisk Figur 5 Fremstilling av virkningsgraden ved hjelp av effekttetthetskurve [7] virkningsgrad på %[43]. Det forskes imidlertid på å forbedre denne virkningsgraden slik at turbinens avgitte effekt vil nærme seg Betz teoretiske potensial. Foreløpig er det usikkert om dette er hensiktsmessig med tanke på kost- nytteforholdet. Side 6

16 2.2 Plassering av vindturbiner i vindpark Det finnes en rekke faktorer utbygger må ta hensyn til ved plassering av flere vindturbiner i en vindpark. En vindturbin fungerer slik at den trekker energi ut av vinden ved å bremse den. En for tett plassering vil resultere i at en vindturbin plassert oppstrøms, vil ta ut energi av vinden som passerer en turbin plassert nedstrøms. Dette vil medføre en lav virkningsgrad. Ideelt sett burde derfor vindturbiner plasseres lengst mulig bort fra hverandre, men det må ofte tas hensyn til forbruk av landareal samt kostnadene med å knytte parken sammen elektrisk. I en vindpark vil man vanligvis plassere turbinene på rekker normalt på den herskende vindretningen. Herskende vindretning betyr i den vindretningen det normalt blåser. En generell regel tilsier at avstanden mellom to turbiner på en rekke bør være minst 3 til 5 ganger vingediameteren. Avstanden mellom rekkene bør være minst 5 til 10 ganger diameteren. [7][43] Dette har sammenheng med hvordan vinden oppfører seg når den blir bremset av en rotorformet turbin. Masseloven gir at den luftmengden som passerer vingearealet pr. sekund, er nødt til å være den samme som forlater vingearealet på baksiden. Den reduserte hastigheten fører til luftmengden må beslaglegge et større tverrsnitt på baksiden. Se figur 6. Videre vil vinden bevege seg som en spiral bak turbinen som en motkraft (i motsatt retning av vingene) på luftstrømmen som utøver momentet på vingene. [7][9] Figur 6 Vindens strømningsrør over en vindturbin[43] Side 7

17 3 Oppbygning En moderne vindturbin kan grovt sett deles inn i følgende deler: - Rotor - Nacelle - Tårn og fundament 3.1 Rotor De aller fleste vindturbiner i dag er såkalte tvangskrøjete trebladede forløpere, eller klassiske danske turbiner. Det betyr at de har tre vinger, med 120 grader i mellom, montert slik at de vender mot vinden. At de er tvangskrøjet, betyr at en elektrisk motor dreier vindturbinen mot vinden til enhver tid. Moderne vindturbiner bygges i dag (nesten) utelukkende med et ulikt antall blader. Grunnen til dette er stabilitetshensyn. Hvis det skulle vært et likt antall blader, ville et blad ha passert tårnskyggen(lesonen) foran masten akkurat i det et av de andre bladene hadde stått rett opp og således fått maksimal effekt fra vinden. Eksperimenter med ett- og toblads turbiner har vært utført med varierende mellomrom, men med liten kommersiell suksess. I dag er det slik at i de fleste tilfeller blir treblads turbiner valgt. Det dominerende materialet for selve vingen er i dag glassfiber. Eksperimenter med stål, tre, aluminium, og forskjellige blandinger av disse har ikke ført fram. Bladene må være stive, lette og slitesterke, og nærmest opp til dette er dagens glassfiberblader. Bladene settes sammen av to støpte halvdeler, som limes sammen. Til forsterkning inni legges en eller flere bjelker av et lett og stivt materiale(stålforsterket de første meterne), like lang som vingen selv. Denne består vanligvis av polyester, men andre materialer har også vært utprøvd, som for eksempel balsatre. Figur 7 - Inni en rotorvinge(foto: Ole M. Rypestøl) Vingene produseres etter samme prinsipper som en fly- eller helikoptervinge. Luften beveger seg hurtigere på oversiden av vingen enn på undersiden av vingen. På denne måten skapes et høyere trykk på undersiden, og vi får oppdrift. Vi får dermed en kraft som presser vingen oppover. Vinkelen på vingen bestemmer hvor stor kraft som presser vingen oppover. Ved brattere vinkel får en større oppdrift. Ved en bestemt vinkel minsker trykket for mye på oversiden, og dermed opphører oppdriften. Dette fenomenet Figur 8 - Prinsipp for oppdrift Side 8

18 kalles i flymiljøer for stall. Ordet benyttes også i vindkraftindustrien, og prinsippet brukes for å regulere vingene på en vindturbin. For å kompensere for at vindens angrepsvinkel ikke blir lik på hele vingebladets lengde har vingene på en vindturbin en vridning i lengderetning samt at de krummer noe. Dette gir bedre stabilitet og høyere grad av utnyttelse av vinden. En vinge må ha en helt glatt overflate. Det betyr at det legges mye ressurser ned i pussing og polering av vingen før den monteres. Dette har sammenheng med at ujevnheter kan skape turbulens og dermed ustabilitet i rotoren under drift. Størrelsen på vingene på vindturbiner har økt sterkt de siste årene. De største vingene på markedet produseres av danske LM Glasfiber A/S og er 61,5 meter lange[3]. Dette gir en rotordiameter på over 125 m. Arealet som dekkes av rotoren (sveiparealet) blir da A=πr 2 =12568m 2, eller omtrent to fotballbaner. Slike vinger benyttes i vindparker offshore, til 5 MW turbiner. Figur 9 - Vi ser her krumningen og vridningen av vingebladet(foto: Ole M. Rypestøl) 3.2 Nacelle Nacellen er selve møllehatten, eller hodet til vindturbinen. De fleste komponentene sitter inne i nacellen, slik som generator, gir, brems osv. Rotoren er også festet til nacellen. De viktigste komponentene som sitter i nacellen: Hovedaksling Girkasse Sekundæraksling Brems Generator Krøjesystem Figur 10 - Oppbygning av nacelle[10] Side 9

19 3.2.1 Hovedaksling Hovedakslingen kalles også lavhastighetsaksling, og er den akslingen som er montert direkte på rotoren. Rotoren går som tidligere nevnt forholdsvis sakte rundt, ca o/min er vanlig. Med de enorme rotorene som bygges blir akslingen påført et voldsomt moment, og må derfor konstrueres deretter Gir Hovedakslingen går inn i girkassen. Giret skiller mellom høy- og lavhastighetssiden i turbinen, det utveksler hastigheten mellom rotor og generator. For å generere en sinusformet spenning med frekvens på 50 Hz som er det ønskelige i Norge, kreves et turtall på mange hundre omdreininger pr. minutt(da en generator normalt har et polpartall på 1-6). Det kan vises med formelen: 60si50Hz n = (1) pp n = turtall pp = generatorens polpartall Skulle rotoren på en vindturbin rotert med flere hundre omdreininger pr. minutt, ville vingetippen hatt en kolossal hastighet. Det kan vi se av formelen: 2 π r vvingetipp = i i (2) tomløp v = banefarten til vingetippen t = tiden rotoren bruker på et omløp Med 750 o/min (tilsvarer 8-polt generator) ville vingetippen på en rotor med 40m radius hatt en fart på 3141,6 m/s, eller 10 ganger lydens hastighet. Det sier vel seg selv at dette ikke er mulig uten katastrofale følger. Derfor er giret en absolutt nødvendighet(bortsett fra ved turbiner med direct drive, mer om det i kapittel 4.3.2). De fleste vindturbiner i dag bruker generatorer som opererer med o/min på høyhastighetssiden og o/min på lavhastighetssiden. Da må giret ha en utveksling på omtrent 88:1. Dette løses i praksis ved å ha et tredelt gir. Det vil si at farten gires opp i tre omganger, som til sammen gir den ønskede utvekslingen. På denne måten slipper en så store momentforskjeller.[20] Sekundæraksling Kalles også høyhastighetsaksling eller lilleaksling. Denne akslingen forbinder giret med generatoren. Den trenger ikke dimensjoneres etter så høyt moment som hovedakslingen, og blir derfor mye tynnere. Den går derimot med mye høyere hastighet, opp i 1500 o /min Brems Bremsen sitter på sekundærakslingen, og består i de fleste tilfeller av en bremseskive med en eller flere bremsekalipere med klosser som tar i bremseskiven. Dette er ett av to bremsesystem på en vindturbin. Den andre er den aerodynamiske, som utgjøres av pitchreguleringen, mer om det i kapittel Side 10

20 3.2.5 Generator Hvis selve idéen med en vindturbin er å produsere elektrisk energi, er det nødvendig med en generator. Denne er plassert i nacellen, koblet på sekundærakslingen. Generatoren er vanligvis en asynkronmaskin, eller induksjonsmaskin som det også kalles. Dette er i prinsippet en vanlig asynkron kortslutningsmotor som blir kjørt oversynkront, dvs. over synkront turtall. En asynkronmaskin har som oftest kortsluttet rotor(kortslutningsmaskin). Det betyr at rotorviklingen består av staver som er kortsluttet i hver ende med en kortslutningsring(se figur 11). Det er slike som benyttes i dagens vindturbiner. Les mer om asynkronmaskiner i kapittel 4.1.1, og om forskjellige generatorteknologier i kapittel Krøjemekanismen Ordet krøje er et uttrykk hentet fra gammel dansk vindmølletradisjon. Det betyr simpelthen dreining av møllehatten, og stammer fra de gamle vindmøllene som malte mel og knuste korn. Figur 11 - Burvikling asynkron kortslutningsmaskin(foto: Alper Ucar) Krøjemekanismen (engelsk yaw drive) består av en krøjekrans, det store tannhjulet som gjør det mulig for vindturbinen å dreie. I tillegg er det en eller flere krøjemotorer og gir, som dreier turbinen etter vinden. Styresystemet i hver enkelt turbin regulerer til en hver tid hvilken vinkel turbinen bør ha for å få maksimal utnyttelse av vinden. Dette systemet holder også rede på hvor mange omdreininger nacellen har gjort. Det er nødvendig for at ikke kablene som henger nedover tårnet skal bli for mye vridd. Hvis turbinen skulle ha snurret for mange ganger i en retning, vil den rett og slett snurre seg helt tilbake. Derfor kan en av og til se en vindturbin som bare snurrer flere ganger rundt og rundt før den stiller seg inn igjen. Krøjefeil kalles det hvis en turbin av en eller annen grunn ikke er stilt rett mot vinden. Den Figur 12 Krøjekrans[7] vil ikke være i stand til å utnytte all energien i vinden. Andelen utnyttbar energi vil falle med cosinus til vinkelen mellom vindretningen og turbinen[7]. Side 11

21 3.2.7 Andre komponenter Nacellen inneholder en del andre komponenter i tillegg til hovedkomponentene nevnt over. Her gis en kort omtale av disse mindre, men like fullt viktige delene av en moderne vindturbin. Værstasjon. Består av anemometer(vindmåler) og vindfane. Førstnevnte måler vindhastigheten, og sender dette til styreenheten. Denne avgjør så om turbinen skal startes, stoppes, eller gå. De fleste vindturbiner startes ved vindhastighet på 2-4 m/s. Ved liten storm til storm(20-25 m/s) pitches turbinene ut av vinden for å unngå unødig slitasje og skade på rotor og drivverk. Vindfanen registrerer vindretningen, slik at turbinen kan krøjes opp mot vinden. Styresystem. En moderne vindturbin har et svært avansert og sofistikert styresystem. Dette overvåker og samler inn data fra alle aktuelle parametere(opptil i moderne turbiner). Disse blir sendt til og behandlet av et datastyrt program som regulerer dreiningen av turbinen, vinkelen på bladene, frekvensen levert til rotoren(dfig) med mer. Kjølesystem. For å sikre generator og girkasse mot unødig slitasje pga overoppheting er det i alle vindturbiner et innebygget kjølesystem. En moderne vindturbin er enten luft- eller væskekjølt. Større turbiner er som oftest væskekjølt, de har en krets hvor et flytende kjølemedium sirkulerer. Dette kjøles så i en slags radiator, som oftest på nacellens bakside. En del av kjølesystemet må også kjøle giroljen. 3.3 Tårn og fundament Før en vindturbin kan reises, må det støpes et fundament, som kan holde tårnet oppreist og stå i mot de voldsomme kreftene og momentet som påføres. Det første som skjer når et slikt fundament støpes, er at det bores svært dype hull ned i grunnfjellet under turbinen. Så støpes det ned forankringsstag, som settes i spenn og festes i betongtoppen av fundamentet. Disse stagene kan være opptil 20 meter lange, og strammes opp med flere hundre tonns kraft. På denne måten holdes fundamentet på plass. Det går gjerne med m 3 betong og tonn armeringsjern for å få et fundament som er solid nok. På toppen Figur 13 - Støping av fundament(foto: Freiamt Windmühlen GmbH & Co) av fundamentet støpes en ring med bolter som tårnet festes i. Denne ringen har en diameter på ca 5m på moderne vindturbiner, noe som tilsvarer diameteren på tårnet helt nederst. Når boltene plasseres ned i fundamentet har en svært lite feilmargin, bare ca 3 mm. Hvis noen av boltene støpes ned feil, vil det ikke passe når den første tårnseksjonen monteres på fundamentet. Høyden på tårnet til en vindturbin tilsvarer vanligvis omtrent diameteren på rotoren. Når rotordiameteren kommer opp i nærmere 100 meter på store turbiner sier det seg selv at tårnene rager ganske høyt etter hvert. Grunnen til at en vil ha så høye tårn som mulig er at vindhastigheten er høyere lengre opp, og dermed får en mer energi ut av turbinen. Det blir ganske fort et kost/nytte-spørsmål, da tårn er svært kostbart å bygge. Tårn til vindturbiner Side 12

22 bygges nesten utelukkende av stål, åpne gitterkonstruksjoner på lavere turbiner, og lukkede rørtårn på høyere. Tårnene bygges i moduler på meter hver, og et vanlig tårn i dag består av 2-4 moduler. Tårnene smalner jo høyere de blir, fra 4-5 meter i diameter helt nederst og ned til 2-3 meter helt ved nacellen. Tårnene bygges med innvendig stige for adkomst til nacellen. Helt nederst i tårnet er vanligvis transformatoren plassert. Generatoren produserer gjerne 690 V og denne transformeres her opp til 11 eller 22kV, og igjen opp til 132kV på en sentral transformator for hele parken. Enkelte vindturbinprodusenter plasserer trafoen i nacellen for å unngå tap i lavvolts-strekket i tårnet, men det betyr at en må ut med kran til vindturbinen hvis denne må byttes, noe som kan være svært kostbart og ressurskrevende. Side 13

23 4 Turbinteknologi og nettpåvirkning Utviklingen innen vindturbiner går stadig fremover. Vindturbinene blir større og stadig mer avanserte. Fra å være mer eller mindre enkeltstående enheter i kraftsystemene, samles nå turbinene i store vindparker med høy installert effekt. Dette fører til påvirkninger for hvordan turbinene og det omliggende kraftsystemet må utformes for å håndtere den økte utbyggingen av vindkraft. Dette kapittel gir en innføring om generatorer, kraftelektroniske omformere, turbin- og generatorteknologier, påvirkninger i kraftnettet, produksjon og spenningskvalitet. 4.1 Generatorer Det finnes tre typer generatorer som benyttes til vindkraft, likestrøm-, asynkron- og synkrongeneratoren. Likestrømsgeneratoren er uaktuell ved store vindturbiner og vil derfor ikke bli omhandlet i dette kapittelet Asynkronmaskinen Hovedkilden for denne artikkelen er Wildi - Electrical machines, drives, and power systems [41], dersom annet ikke er angitt. Asynkronmaskinen kan brukes både som generator og motor og er ofte omtalt som asynkron kortslutningsmaskin. At ca en tredjedel av verdens strømforbruk går med til å drive asynkronmotorer[7], gir et godt bilde på hvor utbredt denne maskinen er. Siden asynkronmaskinen er så mye brukt, blir den masseprodusert av produsenter verden rundt og er derfor relativt billig. Asynkronmaskinen består hovedsaklig av to deler, stator og rotor. Det er i tillegg en vifte for kjøling og to endelokk for å holde rotoren på plass. Stator utgjør huset på maskinen. Huset har et sylinderhull bestående av sammenpresset blikk oppdelt i seksjoner der statorviklingene ligger plassert. Viklingene er plassert i seksjoner slik at de elektrisk ligger 120 grader i forhold til hverandre, og slik at når det blir satt på vekselspenning roterer et magnetfelt rundt statoren. Figur 14 viser hvordan en asynkronmotor ser ut i deler. Figur 14 - Oppbygningen av asynkronmaskin [41] Side 14

24 Rotoren er en sylinder med aksling som skal passe i statorhuset med så lite avstand til stator som mulig, dette for å redusere reaktiv effekt til magnetisering. Den består også av sammenpresset blikk oppdelt i seksjoner. Rotoren er hovedsaklig utført på to forskjellige måter, som kortslutningsrotor eller som sleperingsrotor. I kortslutningsrotoren er det presset inn elektrisk ledende staver i seksjonene, ofte kopper eller aluminium, som er kortsluttet i endene, derav navnet. Motoren i figur 14 er utstyrt med en kortslutningsrotor. I sleperingsrotoren er det viklinger på lik linje med statoren, som ligger fordelt i seksjonene. I stedet for at viklingene er kortsluttet, er tilkoblingen til viklingene i rotoren tilgjengelig via børster og sleperinger på terminaler på toppen av maskinen. Figur 15 viser hvordan en sleperingsrotor kan se ut. For å kunne bruke DFIG-systemer i vindturbiner er en avhengig av sleperingsrotor. Figur 15 - Sleperingsrotor [41] Asynkronmaskinen kan brukes både som generator og som motor. Når den går som motor blir spenning satt på viklingene i stator, vi får da et magnetfelt som roterer rundt i statorhuset. Rotasjonshastigheten er avhengig av antall sett med viklinger (polpar) og frekvensen til vekselspenningen. Når en har et roterende magnetfelt med en leder (rotor) som krysser dette, får en indusert en spenning i rotoren på grunn av kuttingen av magnetiske flukslinjer. Den induserte spenningen fører til en strøm i den kortsluttede rotoren. Når det er en strømførende leder i et magnetfelt fører dette til en mekanisk kraft som får rotoren til å rotere i samme retning som magnetfeltet. Rotoren vil aldri oppnå farten på det roterende magnetfeltet, men ligge ganske nært avhengig av hvor tungt belastet motoren er. Dette er omtalt som sakking og angir differansen på hastigheten til statorfeltet i forhold til hastigheten på rotoren. Hastigheten til statorfeltet omtales som synkron hastighet eller synkront turtall. Følgende formler benyttes for å beregne synkront turtall og sakking eller rotorhastighet. n s f = 60 (3) p p s n n n s = (4) Side 15

25 n s n = (5) 1 + s hvor - n s er synkront turtall i omdreininger per minutt - f er nettfrekvensen - p p er antall polpar til motoren - s er sakkingen - n er hastigheten til rotoren i omdreininger per minutt Det som nå er skjedd er at elektrisitet er omdannet til magnetisme som igjen blir omdannet til mekanisk effekt ut på motorakslingen. Hele denne prosessen fører til tap av effekt i stator og rotor, slik at den effekten som kan nyttegjøres på akslingen er mindre en det som ble tilført i statoren. Figur 16 viser effektflyten i en motor. En asynkronmaskin må også få tilført reaktiv effekt for å kunne sette opp det roterende magnetfeltet Figur 16 - Effekttap i en asynkronmotor [41] Hvor de forskjellige tapene på motoren er: - Ρ e - Ρ js - Ρ f - Ρ r - Ρ jr - Ρ m - Ρ v - Ρ L er totalt aktiv effekt tilført stator er varmetap i statorviklingene pga resistansen i viklingene er jerntap i statoren pga hysterese er aktiv effekt overført til rotoren er varmetap i rotorviklingene pga resistansen i viklingene er mekanisk effekt ut på akslingen er viftetap og friksjonstap i lagre er mekanisk effekt på akslingen som kan nyttegjøres Når en asynkronmaskin blir benyttet som generator, må rotoren kjøres oversynkront. Det vil si fortere enn det roterende magnetfeltet i statoren. Da overføres det ikke noen aktiv effekt til rotoren, men det føres aktiv effekt tilbake på nettet. Effektflyten vil da bli som på høyre side i figur 17 på neste side. Nå blir altså mekanisk effekt omdannet til elektrisk effekt, og den Side 16

26 mekaniske effekten som tilføres rotoren blir nå den drivende kraften som må overvinne tapene i maskinen. Som i det tilfelle der asynkronmaskinen går som motor må den må også nå få tilført reaktiv effekt for magnetiseringen i statorviklingene. Figur 17 Moment - hastighets kurve for en asynkronmaskin [41] Synkronmaskinen Hovedkilde for dette kapittelet er [41], dersom annet ikke er angitt. Synkronmaskinen brukes både som generator og som motor. Den krever ekstra startutrustning og er dyrere enn en asynkronmotor. Av denne grunn er den ikke så mye brukt som motor unntatt når motorens unike elektriske egenskaper er nødvendige. Den benyttes som oftest som generator i kraftverk over en viss størrelse. Da den ikke masseproduseres på lik linje med asynkronmaskinen er den dyrere. Her behandles synkronmaskinen utelukkende som generator. Synkronmaskinen består av samme hoveddeler som asynkronmaskinen, forskjellen ligger i prinsippet. Med synkron menes her hastighet proporsjonal med nettfrekvensen, det vil si at rotoren roterer rundt med en hastighet lik et multiplum av nettfrekvensen avhengig av antall poler. Generatoren kommer i tre forskjellige utførelser, stasjonært magnetfelt i stator, roterende magnetfelt med sleperinger og roterende magnetfelt med permanentmagnet. De to nevnte rotortypene kommer videre i to utførelser, utpregede poler og sylinder. Utpregete poler er beregnet for lave hastigheter mens sylinderutførelsen er beregnet for store hastigheter. I forbindelse med vindkraft er det bare brukt roterende magnetfelt med sleperinger og permanentmagnet, og det er de typene som omtales. Den største forskjellen mellom synkrongeneratoren og asynkrongeneratoren er at førstnevnte kan både produsere og levere reaktiv effekt. I synkrongeneratorene som her omtales, er der et roterende magnetfelt festet til rotoren(dvs. det skapes av enten likestrøm tilført rotor eller permanentmagneter). Spenning blir indusert i statorviklingene på grunn av det roterende magnetfeltet. Statorviklingene er mekanisk forlagt slik at en får ut tre spenninger som er 120 Side 17

27 grader faseforskjøvet i forhold til hverandre. Reguleringen av synkrongeneratoren foregår ved å justere pådraget på rotoren og styrken på magnetfeltet og justeringene påvirker på forskjellig vis avhengig av om generatoren er tilsluttet strømnettet eller ikke. Når synkrongeneratoren ikke er tilsluttet nett, ofte omtalt som tomgang, må generatoren fases inn mot nettet når den skal tilkobles. Det vil si at generatorens frekvens, fasefølge og spenningsnivå må være likt med nettets frekvens, fasefølge og spenningsnivå for å kunne kobles sammen. Her vil da pådraget på rotorakslingen avgjøre generatorfrekvensen og styrken på magnetfeltet avgjøre spenningsnivået på generatoren. Når generatoren og nettet har samme verdier på frekvens, fasefølge og spenning kan de kobles sammen, og da forandres reguleringsegenskapene for generatoren. Ved å regulere pådraget på rotorakslingen øker eller minker produksjonen av aktiv effekt, såfremt pådraget ikke blir for høyt eller for lavt i forhold til generatorens belastning. Ved å justere på magnetiseringsstrømmen reguleres den reaktive effekten, enten ved å kjøre over- eller undermagnetisert. Kjører en undermagnetisert trekkes reaktiv effekt fra nettet til generatoren, ved å kjøre overmagnetisert leverer en reaktiv effekt fra generatoren til nettet. Hvis rotoren har med permanente magneter er det nødvendig med ekstra utstyr for å regulere forbruk og produksjon av reaktiveffekt[44]. 4.2 Kraftelektroniske omformere Stoffet er hentet fra [44] hvis ikke annet er angitt. Kraftelektroniske omformeres hovedoppgave er å omforme elektrisk energi med minimum tap[42]. Med frekvensomformere ønsker vi å omforme en spenning med gitt frekvens til en annen eller lik spenning med ny frekvens. Dette kan nyttes til å hastighetsstyre vekselstrømsmaskiner eller omforme spenningen og frekvensen fra vekslestrømsgeneratorer tilbake på nettet. Det siste er aktuelt ved vindkraft der generatorhastigheten varierer med vindforholdene. Det finnes flere forskjellige typer frekvensomformere brukt til vindgeneratorer, ofte kategorisert som nettkommuterende og selvkommuterende omformere. En frekvensomformer benyttet til vindgeneratorer er oftest oppbygd av en likeretter og en vekselretter, som igjen hovedsakelig er oppbygget rundt strømventiler. En strømventil er en diode, tyristor eller krafttransistor, og omformerens bruksområde varierer etter hvilke strømventiler som blir brukt. Side 18

28 4.2.1 Strømventiler Strømventiler er halvledere som slår på eller av strømmen av seg selv eller når det blir gitt et styresignal. De deles inn i to klasser, selvkommuterende og nettkommuterende. Selvkommuterende ventiler kan fritt skrues av og på innenfor en periode[43], mens nettkommuterende ventiler skrues av når nettstrømmen forandrer retning[42]. En diode er den enkleste formen for strømventil, den leder strømmen i en retning mens den blokkerer strømmen i den andre retningen, avhengig av spenningen over dioden sin polaritet. Det er ingen mulighet for å bestemme når dioden skal begynne å lede, og det er en nettkommuterende strømventil. Tyristorer kan ved hjelp av et styresignal begynne å lede strøm i en retning. Slukkingen avgjøres avhengig av om den er en selv- eller nettkommutert ventil. Selvkommuterende tyristorer er de som er mest brukt til veksleretting og da hovedsakelig GTO- (Gate Turn-Off) og IGCT- (Integrated Gate Commutated Thyristor) tyristorer. Krafttransistorer er i likhet med tyristorer en styrt strømventil og den kommer også som selvog nettkommuterende. De mest brukte selvkommuterende krafttransistorene er BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) og IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Avhengig av generatorteknologi, nettkrav, pris og tekniske spesifikasjoner velges strømventiler. Det som er mest avgjørende er nok generatorteknologi da eksempelvis nettkommuterende tyristorer bare kan regulere aktiv effekt mens selvkommuterende tyristorer og krafttransistorer kan regulere både aktiv og reaktiv effekt. I tabell 1 vises en sammenligning mellom de forskjellige strømventilene med deres spenning, strøm og brytefrekvens. Med brytefrekvens menes hvor fort strømventilen kan skrus av og på. Tabell 1 Sammenligning av strømventiler [43],[44] Strømventil Diode Tyristor GTO IGCT BJT MOSFET IGBT Maks 2 kv 10 kv 6 kv 6 kv 1,7 kv 1 kv 6 kv spenning 6 kv Maks strøm 6000 A 6000 A 4000 A 2000 A 1000 A 28 A 1200 A 1000 A Brytefrekvens [khz] Nett frekvens Nett frekvens 0, , Likeretteren Likeretteren kan klassifiseres i tre forskjellige kategorier: diode-, tyristor- og selvkommuterende likerettere[43]. Diodelikeretteren er den billigste og enkleste av likeretterne. Spenningene på DC-siden er gitt av spenningen på AC-siden. Diodelikeretteren er passiv og kan ikke mate spenning på ACsiden, derfor kan den kun benyttes sammen med en synkrongenerator[43]. Figur 18 på neste side viser en diodelikeretter. Side 19

29 Figur 18 Prinsippskisse for 3-fase diodelikeretter [43] Tyristorlikeretteren er oppbygget på samme måten som en diodelikeretter, forskjellen er at diodene er byttet ut med tyristorer som er nettkommuterte. Spenningen på DC-siden kan reguleres avhengig av når tyristoren blir slått på. Den kan virke både som en vekselretter eller likeretter avhengig av hvilken tenningsvinkel tyristoren blir styrt etter og polariteten på spenningen på DC-siden. I likhet med diodelikeretteren kan tyristorlikeretteren bare brukes sammen med en asynkrongenerator siden den ikke kan støtte AC-spenning med reaktiv effekt[43]. Selvkommuterende likeretter, også omtalt som aktiv likeretter, benytter selvkommuterende tyristorer eller krafttransistorer, eksempelvis GTO eller IGBT. Figur 19 viser en tonivå konfigurasjon som er mest aktuell ved en typisk vindkraftapplikasjon[43]. Figur 19 Aktiv likeretter, tonivå konfigurasjon [43] Alt etter hvordan strømventilene skrus av og på, styres spenningen på DC-siden. Den aktive likeretteren kan styre både aktiv og reaktiv effekt begge veier, og den kan styre spenningen på AC-siden av likeretteren. Derfor kalles denne topologien også for VSC (Voltage Source Converter)[43]. Denne topologien kan benyttes sammen med asynkrongeneratorer siden den kan levere reaktiv effekt til generatoren. Side 20

30 4.2.3 Vekselretteren Som nevnt tidligere kan vekselretteren kategoriseres som selvkommuterende og nettkommuterende. Den nettkommuterte vekselretteren er tyristorvekselretteren. Den er oppbygget på samme måte som tyristorlikeretteren, bare at effekten går fra DC til AC. Den er billig og vel utprøvd, men den trekker reaktiv effekt og genererer harmoniske strømmer som er vanskelig å filtrere ut. Selvkommuterende vekselrettere består av tyristorer eller krafttransistorer, typisk GTO eller IBGT, avhengig av bruksområde og tekniske spesifikasjoner, se tabell 1. Selvkommuterende vekselrettere deles inn i to typer, VSC eller CSC (eng. Current Source Converter). I en VSC er DC-spenningen holdt konstant med en stor kondensator og ved CSC blir strømmen i DCleddet holdt konstant med en stor induktans. Begge typer leverer variabel spenning og frekvens. Vekselretteren klassifiseres etter brytemetoden(modulasjonen) på ventilene, seks steg, pulsbreddemodulert (PWM) og pulsamplitudemodulert (PAM). En VSC kan være realisert på samme måte som den aktive likeretteren i figur Frekvensomformeren Avhengig av bruksområdet blir likeretter og vekselretter satt sammen til en frekvensomformer. Måten like- og vekselretteren kombineres på avgjør kategoriseringen av frekvensomformeren i fem forskjellige teknologier[44]: Back-to-back converters Multilevel converters Tandem converters Matrix converters Resonans converters Som nevnt tidligere kan en ikke benytte en diode- eller tyristorlikeretter sammen med en asynkrongenerator, så det er generatortype som avgjør likeretteren. Ved valg av vekselretter er selvkommuterende å foretrekke, fordi reaktiv effektflyt kan styres. Den har også mulighet til å regulere harmoniske mot nettet og den kan nyttes til stabilisering mot svake nett[43]. Figur 20 viser ulike omformeralternativer for asynkron- og synkrongeneratorer i et back-toback link system. Side 21