Til hovedinnhold

Norge har store vindressurser som kan utnyttes til produksjon av elektrisitet. Det offisielle målet om 3 TWh årlig vindkraftproduksjon i Norge innen 2010 kan nås ved installasjon av vindparker med en samlet ytelse på ca 1000 MW. Potensialet for vindkraft i Norge er imidlertid langt større, og representerer også en mulighet for norsk industri til å delta både som underleverandører og fabrikanter av hele vindkraftverk.

SINTEF Energiforskning, Institutt for energiteknikk (IFE) og Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) samarbeider om vindkraftforskning og utvikling. Samarbeidet sikrer nødvendig ekspertise innenfor berørte fagfelt og en koordinert forsknings- og utviklingsinnsats, herunder gjennomføres større prosjekt for norsk industri og Norges forskningsråd (NFR), samt oppbygging av en teststasjon for vindkraftverk på Valsneset i Bjugn kommune. Innenfor satsningen vil NTNU utdanne mer enn 10 PhD’er i løpet av de neste 5 årene med tema varierende fra politikk og planlegging, struktur- og aerodynamikk til mikroskala strømninger og elektroteknikk. IFE fokuserer på bladdesign og vindforhold, og SINTEF Energiforskning har innpassing av vindparker i kraftsystemet som hovedtema.

Effektiv håndtering av vindkraft
En vindkraftutbygging som gir 3 TWh årlig produksjon i Norge kan uten videre innpasses i det eksisterende kraftsystemet uten at det vil ha vesentlige konsekvenser for den overordnete driften av dette. Utfordringene ligger snarere på lokalt nivå i forhold til hvordan planlagte vindkraftverk skal tilsluttes nettet.

De fleste store vindparkene er planlagt lokalisert til områder langs kysten av Midt-Norge og i Nord-Norge, hvor nettet er relativt svakt. Det svake nettet kan dermed utgjøre en begrensning for hvor mye vindkraft som kan tilsluttes. Nettet må ha termisk kapasitet til å overføre produksjonen, samtidig som stabilitet og spenningskvalitet må opprettholdes. Analyser utført av SINTEF Energiforskning viser at til et gitt nett kan akseptabel maksimal ytelse for en vindpark variere fra 50 MW og opp til termisk grenselast på 200 MW avhengig av anvendt vindpark-teknologi og kontrollsystem.

Vindparkteknologi og kontrollsystem
Tidlig på åttitallet var typisk ytelse for en vindturbin ca 50 kW. Rent visuelt ligner dagens store vindturbiner på disse med tre rotorblader og maskinhus på toppen av et tårn. Designet er imidlertid blitt vesentlig raffinert med tanke på å oppnå lavest mulig kWh-kostnad, slik at store vindparker i Norge i dag kan installeres og drives til en kostnad på 25-35 øre/kWh.

Vindturbiner med fast turtall, dvs vindturbiner med gir og asynkronmaskin direkte tilsluttet nettet, dominer markedet. Smøla vindpark (installert i 2002) består av 20 vindturbiner av denne typen hver med merkeytelse på 2 MW. Slike vindturbiner leveres normalt med kondensatorbatteri for kompensering av reaktivt forbruk, og soft-starter for begrensning av innkoblingsstrøm. Kontrollsystem og vern sikrer ubemannet drift med automatisk oppstart ved tilstrekkelig vindhastighet og stans i tilfelle av feil på vindturbin eller uakseptable nettforhold. Produksjonen varierer avhengig av vindforhold med start omkring 4 m/s og merkeeffekt ved ca 14 m/s. Effekten reguleres enten ved naturlig aerodynamisk stall (eng. stall control) eller ved aktiv endring av bladvinkel (eng. pitch control). Betydelige effektfluktuasjoner kan imidlertid oppleves, spesielt med frekvens tilsvarende tre ganger bladenes rotasjonshastighet (3p), typisk omkring 1 Hz. Produksjonen stoppes normalt ved vindhastigheter over 25 m/s. Dette gjøres for å begrense de strukturelle belastningene, og medfører normalt kun ubetydelig tap i årlig produksjon.

I dag leveres i økende omfang vindturbiner med variabelt turtall. Aktuelle løsninger er:

  • Vindturbin med dobbeltmatet asynkronmaskin (DFIG) hvor rotorkretsen mates via en nettilkoblet frekvensomformer. Havøygavlen vindpark (installert i 2002) består av 16 vindturbiner med DFIG hver med merkeytelse på 2,5 MW.
  • Vindturbin med direkte drevet mangepolt synkronmaskin (MPSG) med mating av all effekt gjennom en nettilkoblet frekvensomformer. Norske ScanWind har nylig installert en 3 MW prototyp vindturbin med MPSG på Hundhammerfjellet.

Både vindturbiner med DFIG og MPSG gir mulighet for dynamisk reaktiv støtte, myk innkobling og reduserte effektfluktuasjoner sammenlignet med vindturbiner med fast turtall.

SINTEF Energiforskning benytter dynamiske simuleringsprogram som SIMPOW og PSS/E for å beregne innvirkning på spenningskvalitet og stabilitet av en gitt vindpark. Slike program har gjerne verifiserte modeller av nett, synkrongeneratorer osv, mens tilsvarende for forskjellige typer vindkraftverk ikke er standard. SINTEF Energiforskning arbeider derfor med å utvikle og verifisere modeller av ulike typer vindkraftverk til bruk i dynamiske simuleringsprogram for gjennomføring av nettanalyser.

Internasjonalt samarbeid
Utveksling av erfaringer, måledata og ikke minst test av modeller for dynamisk simulering av vindkraftverk, er hovedmål for et nylig startet internasjonalt samarbeid i regi av International Energy Agency (IEA) med deltagelse fra Danmark, Sverige, Finland, England, Holland, Portugal og USA og med SINTEF Energiforskning som ”operating agent”. Utfordringene er betydelige og arbeidet involverer flere fagfelt fra f eks karakterisering av vindforhold til modellering av kontrollsystem og generator.

Det internasjonale samarbeidet forventes imidlertid å bidra til effektiv ressursbruk og kvalitetssikring av modeller.

Utfordringer
Ved økende grad av storskala integrasjon av vindkraft i det norske elkraftsystemet, vil det bli stadig viktigere å få belyst tekniske spørsmål som:

  • Hvilken innvirkning har ulike vindkraftteknologier på spenningskvaliteten?
  • Hvilke tekniske løsninger bør velges for å kunne tilkoble mest mulig vindkraft?
  • Kan vindparker bidra med systemytelser (reaktiv effekt, spenningsregulering oa)?
  • Bør vindkraftverk designes slik at de kan forbli innkoblet ved kortvarige nettfeil?
  • Hvilken innvirkning har vindparker på transient stabilitet, systemdemping osv?
  • Hvilken nettkonfigurasjon er den mest optimale for store vindparker?

Utvikling av modeller av ulike typer vindkraftverk til bruk i dynamiske simuleringsprogram gir grunnlag for gjennomføring av aktuelle analyser. Arbeidet pågår ved SINTEF Energiforskning og gjennom PhD-studier ved NTNU med felles sikte på å finne løsninger for effektiv innpassing av vindparker i kraftsystemet.

Fig 1: Målt aktiv effekt fra vindpark med 5 vindturbiner og fra en vindturbin i parken (illustrasjon SINTEF Energiforskning).

Fig 2: Samlet installert vindkraftytelse i verden (illustrasjon SINTEF Energiforskning).

Fig 3: Kostnad for vindkraft som funksjon av årlig middelvind (illustrasjon SINTEF Energiforskning).

Fig 4: Vindturbin med fast turtall (a), dobbeltmatet asynkrongenerator (b) og mangepolet synkrongenerator (c)
(illustrasjon SINTEF Energiforskning).

 


Tekst: John Olav Giæver Tande og

Foto: Harald Danielsen