Vindkraft, flimmer og stabilitet
Flere norske vindparker har de siste årene hatt utfordringer med flimmer. Energiteknikk hadde nylig en sak hvor de oppsummerte flere tilfeller. I mange av disse sakene er det begrenset med offentlig informasjon om hva som var årsak til problemene, men en gjenganger er (som artikkelen også skriver) problemer med regulatortuning.
Hvorfor blir regulatortuning et problem?
Veldig forenklet kan vi se på stabilitet ved å analysere responsen til en PID-regulator. Responsen til PID-regulator avhenger av regulator-tuning og systemet den regulerer. For en vindturbinregulator er vindturbinen konstant, mens kraftnettet har varierende impedans avhengig av lokasjonen til vindparken, koblingsbilde, bruk av kompenseringsanlegg, varierende kortslutningsytelse og andre vindturbiner.
Ideelt sett vil responsen til en regulator ha så raskt innsving som mulig, og så lite som mulig oscillasjoner. Under vises responsen til en PID regulator med ulik forsterkning. Vi ser her at ettersom reguleringsstyrken økes, økes også oscillasjonene ved en endring i referansen. Den beste responsen i dette tilfellet tilsvarer K lik 1,1.
Men, etter hvert som nettstyrken endrer seg, endrer også responsen til hele systemet seg. Om nettstyrken blir lavere enn forventet tilsvarer responsen å øke reguleringsstyrken. Dermed vil en få en mer oscillerende respons fra vindparken enn en hadde forventet (dette er forenklet, og før vi begynner å analysere subsynkrone resonansfrekvenser).
Konsekvensene kan bli betydelige
En ofte svært merkbar konsekvens av for aggressiv regulatortuning er pendlinger. Pendlinger kan oppstå mellom vindparken og nettet generelt, men også mellom vindparken, andre kraftverk eller andre større industrikunder. Disse pendlingene kan gi opphav til spenningsvariasjoner. Avhengig av frekvensen på pendlingene kan dette bli svært synlig som flimmer. Det menneskelige øyet er mest sensitiv for spenningsendringer nær 8 Hz, som betyr at pendlinger nær denne frekvensen raskt vil gi utslag på flimmermålinger.
Dette er imidlertid ikke det største problemet med pendlinger. Pendlinger kan være et tegn på stabilitetsproblemer – eller mer spesifikt: Pendlinger kan være et tegn på et marginalt stabilt system. Ved større spenningsendringer kan resonansfrekvenser eksiteres så systemet bli ustabilt, med konsekvens at vindparken blir utkoblet.
Strømbruddet i Storbritannia august 2019
9. august 2019 mistet over en million briter strømmen da et lynnedslag gjorde at kraftverket Little Barford og vindparken Hornsea 1 ble frakoblet. I den offentlige årsaksanalyserapporten til Ofgem, ble det klart at Hornsea frakoblet 740 MW under feilen (total produksjon på tidspunktet var 800 MW). Dette skjedde selv om vindparken skulle ha forblitt tilkoblet og produsert som normalt. Årsaken til utkoblingen var store oscillasjoner i spenningen og reaktiv effekt i vindparken, som gjorde at de individuelle vindturbinene ble koblet ut på overstrøm.
I tilfellet med Hornsea viste det seg at koblingsbildet i nettet var annerledes enn normalt, med konsekvens at kortslutningsytelsen sett fra vindparken var lav. Det var kraftig oscillerende oppførsel i vindparken selv ved små spenningsendringer før feilen. Ti minutter før feilen hadde en 2 % stor spenningsendring ført til pendlinger på 200 MVAr peak to peak.
Eieren av vindparken har i ettertid oppdatert programvaren (muligens kontrollsystemet for reaktiv effekt i kompenseringsstasjonen offshore). De skrev i sin rapport om hendelsen at de allerede var klar over utfordringene, og at det hadde vært planlagt å adressere dem ved oppdateringen som ble gjort i etterkant av feilen.
Bekymringsfullt også i Norge
Norsk vind- og nettbransje begynner å bli klar over problemstillingen etter erfaringer fra flere enkeltcase. Opp til nå er det PQAs inntrykk at det ikke har vært vanlig å gjøre stabilitetsanalyser ved tilknytning av vindparker. Nettselskapene spør ikke etter slike analyser, og det virker ikke som vindparkutbyggerne gjør dem selv. Konsekvensen er utstrakt bruk av standardinnstillinger fra leverandører, ev. tuning til oppgitt maks og min kortslutningsytelse fra nettselskapet.
For å få diskutert problemstillingen med bransjen inviterer derfor SINTEF, REN, Statnett og PQA til en fagdag om vindkraft og flimmer. Fagdagen blir 13. april – mer informasjon om program og påmelding kommer.