Integration Wind Energy intothe Grid

GE Energy

Product Line 2.5Stefan HartgeCustomer Value Manager

2 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Network systems require that wind power plants:› Provide Controlled and Predictable Power Response From

Variations in Wind, Turbine and Grid Frequency

› Must remain connected to the grid following disturbances –inshort, they must remain stable

Good locations for wind plants often entail connectionto relatively weak transmission systems

As Wind Power Plants increase in size andcontribution …

Wind plants must performlike a conventional power plant

§ Does not trip during Faults and other SystemDisturbances … ride through capability

What makes a Wind Plant “Grid Friendly”?

4 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Grid Fault Ride­Through Requirements

OEM Response: Standard Ride­ThroughRequirement That Covers Most Cases

Challenge:

• Requirements vary considerably bycountry/utility/voltage level

• Does not often distinguishbetween single phase vs threephase faults

• Voltage level specified at Point ofInterconnection (POI) … levels ateach at turbine terminals isdifferent depending upon plantdesign

• Assumes single fault eventsfollowed by recovery

0

20

40

60

80

100

120

140

0.1 1 10

Time (s)

Volta

ge (%

)

France Umax France HVB1France HVA NGETNGET HVRT PortugalSpain Ireland >110 KVIreland<110 KV Ireland UmaxItaly Italy HVRTPoland eon

5 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Ride­Thru Capabilities• Remain on­line and feed reactive power

through system disturbances• Meets present and emerging grid

requirement with Low/Zero Voltage RideThrough (LVRT/ZVRT) capability

• Meets transmission reliability standardssimilar to thermal generators

Fault Recovery• Voltage recovery better than

conventional generator

Active Power

Reactive Power

Voltage

Apparent Power

ZeroVoltageEvent

Synchronous generatorswings dramatically

Testing & Validation Results

7 /GE Renewable Energy

2/19/2009

3­Phase, 200ms, Zero Voltage Fault

Power recovers to pre­disturbance level in <200ms

Active Power (delivered to Medium Voltage bus)

Medium voltagebus drops to 0.0

Voltage Level

§ Does not trip during Faults and other SystemDisturbances … ride through capability

§ Regulates Plant Voltage and Power

§ Limits the Rate of Change of Power from Variations inWind Speed … Ramp Rate Control

§ Reacts to Changes in Grid Frequency … FrequencyDroop Control

What makes a Wind Plant “Grid Friendly”?

9 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Voltage at POI

Wind Plant Power Output

Voltage RegulationActual measurements from a

162MW wind plant

Wind Plant Voltage

• Regulates Grid Voltage atPoint of Interconnection

• Minimizes Grid VoltageFluctuations Even UnderVarying Wind Conditions

Average Wind Speed

Voltage RegulationLike A Conventional Power Plant

Average Wind Speed

Generator

Transformer

MainTransformer

72 km34.5kV

POI

ConverterControl WFMS

WindTurbine kW

kVAR

230kV

Substation

10 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Active Power Controls

Typical Grid Requirements> Ramp rates> Power curtailment> Power droop w/ frequency

Power Droop Test

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

Available Power

Actual Power

Curtailment Example

2% Frequency Increase

50% Power Reduction

Pow

er (k

W)

Freq

uenc

y (H

z)

Pavail

PoutRamp Rate

Pow

er

Power Ramp Rates

§ Does not trip during Faults and other SystemDisturbances … ride through capability

§ Regulates Plant Voltage and Power

§ Limits the Rate of Change of Power from Variations inWind Speed … Ramp Rate Control

§ Reacts to Changes in Grid Frequency … FrequencyDroop

§ Controls the Insertion and Removal of Large PowerBlocks … Startup and Shutdown Control

What makes a Wind Plant “Grid Friendly”?

12 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Wind Plant Startup

Settings:

Turbines SequencedOn at 20 secondIntervals

Desired Ramp RateLimit 3MW/Min

Wind Plant PowerRamping at less than 3MW/Min

1 MinuteAverage RampRate (kW/sec)

Turbinestransitioning

Online

Pow

er (k

W)

Num

ber 

of T

urbi

nes 

Onl

ine

Wind Plant Output Controlled During Startup Conditions

13 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Wind Plant ShutdownSettings:

Shutdown Interval Setto 5 Minutes

Wind PlantPower

Ramping toZero in 5 Mins N

umbe

r of

 Tur

bine

s O

nlin

eTurbinestransitioning

Off­line

Pow

er (k

W)

Wind Plant Output Controlled During Shutdown Conditions

§ Does not trip during Faults and other SystemDisturbances … ride through capability

§ Regulates Plant Voltage and Power

§ Limits the Rate of Change of Power from Variations inWind Speed … Ramp Rate Control

§ Reacts to Changes in Grid Frequency … FrequencyDroop

§ Controls the Insertion and Removal of Large PowerBlocks … Startup and Shutdown Control

§ Provides Reactive Power When Needed … Wind FreeReactive Power

What makes a Wind Plant “Grid Friendly”?

15 /GE Renewable Energy

2/19/2009

WindFREE Reactive Power

• Wind Turbine converter can deliverreactive power (kVAR) without wind (kW)

• Benefits weak grids and systems with highwind penetration

• Voltage support continues without activepower generation…even following trips

Reactive Power ­ even without wind

16 /GE Renewable Energy

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2.5 WTG Reactive Power Capability

Cos 0.95

Cos 0.90

Available VARWindFREEReactive Power

§ Does not trip during Faults and other System Disturbances …ride through capability

§ Regulates Plant Voltage and Power

§ Limits the Rate of Change of Power from Variations in WindSpeed … Ramp Rate Control

§ Reacts to Changes in Grid Frequency … Frequency Droop

§ Controls the Insertion and Removal of Large Power Blocks …Startup and Shutdown Control

§ Provides Reactive Power When Needed … Wind Free ReactivePower

§ Provides inertial response to address under­frequency events …WindINERTIA

What makes a Wind Plant “Grid Friendly”?

18 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Why Inertial Response:  System Needs> Increasing Dependence on Wind Power

– Large Grids with Significant Penetration of Wind Power> Modern variable speed wind turbine­generators do not contribute to

system inertia> System inertia declines as wind generation displaces  synchronous

generators (which are de­committed)> Result is deeper frequency excursions for system disturbances> Increased risk of

– Under­frequency load shedding (UFLS)– Cascading outages

Inertial response will increase system security andaid large scale integration of wind power

19 /GE Renewable Energy

2/19/2009

58.0

58.5

59.0

59.5

60.0

60.5

0 10 20 30Time (Seconds)

Win

d Pl

ant P

OI B

us F

requ

ency

 (Hz)

1000 MW Synchronous Machine

1000 MW Wind without WindINERTIA

1000 MW Wind with WindINERTIA

An Example:14GW, mostly hydro system, for trip of a large generator

Reference Case

Without WindINERTIA frequencyexcursion is ~4% worse

With WindINERTIAfrequency excursion is

~9% better

20 /GE Renewable Energy

2/19/2009

Making a Wind Plant “Grid Friendly”

ü Regulates Plant Voltage and Power

ü Reactive power regulation to meet grid needs …Dynamic VAR Control

ü Limits the Rate of Change of Power from Variations inWind Speed … Ramp Rate Control

ü Reacts to Changes in Grid Frequency … FrequencyDroop, Inertial Response

ü Controls the Insertion and Removal of Large PowerBlocks … Startup and Shutdown Control

Integration WindEnergy into the Grid

GE’s 2.5xl

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