Συμβολή στην ανάπτυξη ολοκληρωμένης μεθοδολογίας εκτίμησης εκπομπών αρμονικών από ανεμογεννήτριες

Abstract

Η παρούσα διατριβή έχει αντικείμενο την ανάλυση των αρμονικών εκπομπών ανεμογεννητριών και επικεντρώνεται σε τρία ειδικότερα θέματα: - Τη συστηματική μελέτη και ανάλυση των φασματικών χαρακτηριστικών του ρεύματος ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών, βασισμένη σε μετρήσεις πεδίου, με εφαρμογή της μεθοδολογίας που προτείνεται από τα ισχύοντα διεθνή πρότυπα (IEC 61400-21 και IEC 61000-4-7) και ακολουθείται κατά τη διαδικασία πιστοποίησης των εμπορικών μηχανών. - Τη μελέτη και εφαρμογή προηγμένων μεθόδων ανάλυσης αρμονικών σε μετρήσεις ανεμογεννητριών, με στόχο τη συμπλήρωση της μεθοδολογίας του προτύπου IEC 61000-4-7. - Τη μελέτη και αξιολόγηση αρμονικών εκπομπών αιολικού πάρκου για την αναγνώριση της συμβολής των επιμέρους πηγών στη διαμόρφωση του συνολικού ρεύματος και την αξιολόγηση των βασικών παραδοχών του προτύπου IEC 61000-3-6. Αναλυτικότερα, η διατριβή ξεκινά με την επιστάμενη μελέτη των φασματικών χαρακτηριστικών των ανεμογεννητριών μοντέρνας τεχνολογίας ακολουθώντας τη μεθοδολογία του προτύπου IEC 61400-21. Αξιοποιώντας μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε εμπορικές ανεμογεννήτριες διαφόρων τύπων, μελετάται η επίδραση των διαφόρων καταστάσεων λειτουργίας και υπολογιστικών παραμέτρων στο επίπεδο και τα χαρακτηριστικά των αρμονικών του ρεύματος εξόδου και εξάγονται συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των αρμονικών εκπομπών των ανεμογεννητριών και την ακρίβεια υπολογισμού τους. Λαμβάνοντας υπόψη τα συμπεράσματα αυτά, πραγματοποιείται στη συνέχεια διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής προηγμένων μεθόδων αρμονικής ανάλυσης, εναλλακτικών του μετασχηματισμού Fourier, που χρησιμοποιούνται ολοένα και συχνότερα τα τελευταία χρόνια για την ανάλυση αρμονικών στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, όχι όμως ακόμη στις ανεμογεννήτριες. Διερευνώντας ένα ευρύ φάσμα μεθόδων επιλέγονται οι επικρατέστερες για περαιτέρω μελέτη που είναι ο μετασχηματισμός Wavelets, η μέθοδος Hilbert-Huang και η μέθοδος Prony. Οι μέθοδοι αυτές, αφού επαληθευθούν μέσω δοκιμών σε επιλεγμένα συνθετικά σήματα και αποτελέσματα προσομοίωσης, εφαρμόζονται σε πραγματικά σήματα μετρήσεων ανεμογεννητριών για την τεκμηρίωση, κριτική αξιολόγηση και συμπλήρωση της καθιερωμένης μεθοδολογίας των προτύπων IEC 61000-4-7 και IEC 61400-21 βοηθώντας στη εξαγωγή συμπερασμάτων, όχι μόνο για την αποτελεσματικότητα τους στην ακριβέστερη εκτίμηση των αρμονικών εκπομπών, αλλά και σχετικά με ιδιαίτερα φασματικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών που δεν προκύπτουν άμεσα από την εφαρμογή του μετασχηματισμού Fourier. Τέλος, ως Παράρτημα της διατριβής, η μεθοδολογία μελέτης των αρμονικών μεμονωμένων ανεμογεννητριών επεκτείνεται στην ανάλυση πραγματικών μετρήσεων αιολικών πάρκων, από την οποία προκύπτουν χρήσιμες διαπιστώσεις σχετικά με τα χαρακτηριστικά των αρμονικών εκπομπών των αιολικών εγκαταστάσεων.

Τhe state of the art in the calculation of wind turbine (WT) harmonic emissions, according to IEC Standard 61400-21, is based on the requirements of IEC 61000-4-7, which covers harmonic measurement and assessment in all power supply systems. The fundamental approach of IEC 61000-4-7 consists in the application of the Fast Fourier Transform (FFT) with specific assumptions for the window type and duration reflecting a compromise between accuracy and computational burden. To cope with spectral leakage due to imperfect frequency resolution of the FFT and the non-stationarity of the examined signals, the Standard recommends the use of Phase Locked Loop (PLL) devices in the measurement stage and the application of the methodology of “grouping” in the assessment stage. Although IEC 61000-4-7 is adopted by all measuring institutes involved in PQ certification of commercial WTs, several aspects are still open to further investigation. This Phd Thesis deals with evaluation of the current methodology of the measurement and assessment of WT harmonics according to IEC 61400-21 and IEC 61000-4-7 standards, based on field measurements, and the study and application of alternative harmonic analysis methodologies more suitable for non-stationary signals. As part of the study, harmonic emissions of a wind farm (WF) are also investigated, aiming at the identification of contribution of individual harmonic sources (i.e. WTs) to the formation of the aggregate wind farm current, for the discussion of the basic hypotheses of IEC 61000-3-6. The thesis begins with the study of the most significant harmonic analysis methods, in terms of WT current and voltage processing. Then, the FFT-based grouping methodology, introduced by the IEC 61000-4-7, is presented and discussed. Based on field measurements, a thorough investigation of WT harmonic emissions is performed, including the effect of the WT operating point and the selection of calculation parameters. The examined WTs represent a variety of configurations regarding the electrical system and important results are drawn concerning the spectral characteristics and the statistical behavior of harmonic currents, applying the IEC 61000-4-7 methodology. Next, the Wavelet Transform, the Hilbert-Huang Transform and Prony methods are applied, first to selected synthetic signals and then to real WT signals, in order to evaluate their suitability and identify particular advantages, drawbacks and limitations in their applicability in the assessment of WT harmonics. Finally, the analysis of real WF measurements is included, from which useful conclusions are drawn about the contribution of single WTs to the total harmonic current emissions of wind installations.