Fault Behavior of Wind Turbines

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Andelen vindkraft i elnätet har ständigt ökat under de senaste åren. I många länder utgör idag vindkraften en betydande del av den totala elproduktionen. Detta gäller även vid störningar då vindkraftverk – precis som vattenkraftverk och kärnkraftverk – måste fortsätta bidra till balansen mellan elproduktion och förbrukning. De nya reglerna för anslutning av vindkraft till elnätet föreskriver att vindkraftverk måste klara specifika fel i elnätet med bibehållen nätanslutning, så kallad Grid Fault Ride Through (GFRT). En vanlig typ av fel är kortslutningar. Under ett sådant fel levererar ett vindkraftverk kortslutningsströmmar och efter bortkopplingen av felet kan vindkraftverket hjälpa till för att snabbt återhämta spänningen i nätet. Denna avhandling handlar om beteendet av vindkraftverk under just sådana fel. Ett fel kan orsaka höga kortslutningsströmmar som måste kopplas bort snabbt av reläskyddssystemet för att garantera personsäkerheten och skydda utrustning. Traditionellt ställs dessa reläskydd in med antagandet att all kortslutningsström levereras av synkrongeneratorer i stora kraftverk. Kortslutningsströmmar från vindkraftverk ser annorlunda ut och beror dessutom på typen av vindkraftverk. Detta kan påverka korrekt funktion hos reläskyddssystemet. I denna avhandling studeras ingående felströmmarna från vindkraftverk med dubbelmatade asynkrongeneratorer, DFIG, som finns i majoriteten av de vindkraftverk som installeras idag. En analytisk metod för att beräkna felströmmarna presenteras. En fördel med metoden är att den kan användas med mycket enkla datorprogram. Felströmmen från en vindkraftanläggning bestående av många enskilda vindkraftverk har också studerats. Det visar sig att en modell av ett enskilt vindkraftverk med rätt storlek kan användas i en kortslutningsstudie istället för den detaljerade modellen av vindkraftanläggningen med många vindkraftverk. Detta sparar beräkningstid och bidrar till att förenkla beräkningsmodellerna. Kraven för GFRT i Sverige gäller för alla vindkraftverk under ett fel i stamnätet. När ett fel inträffar i det regionala elnätet eller i mellanspänningsnätet blir felbortkopplingstiderna ofta längre. Under särskilda förhållanden med hög motorbelastning och felfunktion i reläskyddssystemet, medför detta att vindkraftverk geografiskt nära felet kan kopplas bort. Efter felbortkopplingen kan en kortvarig period med låg spänning uppstå innan den spänningsnivån normaliserats. Detta gäller särskilt för svaga nät med lång kabelanslutning. Moderna vindkraftverk kan skynda på återhämtningen av spänningen i nätet genom att oberoende styra aktiv och reaktiv effekt. I några länder utgör detta ett GFRT-krav i form av en reaktiv ström-spänningskurva när spänningen sjunker under en viss nivå. I svaga nät är de minimala kraven om reaktiv effekt dock inte tillräckliga för en snabb spänningsåterhämtning. För att vindkraftverk ska prestera lika bra som synkrongeneratorer, ska matningen av aktiv och reaktiv effekt under felet samordnas. Efter felet ska aktiv effekten snabbt återställas till värdet den hade före felet och reaktiv effekten levereras kontinuerligt som funktion av spänningen.