the parts of a wind turbine, construction and integration

Óbuda UniversityPower System Department

The Parts of a Wind turbine, Construction and Integration

Dr. Péter KádárÓbuda University, Power System Department, Hungary

[email protected]


Wind Turbine Construction - Wind energy integration - Patra, 2012

Draft

• The elements of a wind turbine• The construction of the wind power plant• The building procedure• Integration of wind energy into bulk power

systems

2



Growing unit performance

Today:120-160 m 3,5-5 MW

3


Limits: the sky


4



Parts of a wind turbine

5

Low-med. volt. transformer

cable

steel tower

power electronics

gearbox

rotorblades

anemometer

generator

turning generator house

grid



Foundation

6


Transportation


7


Transportation


8



Craning

9



Nacelle

10


Trends


11

traditional up-to-date

Tower steel concrete

Height low high

Rpmsemi fixed

speedvariable speed

Cut in 3m/s 2,5m/s


E-40 – E-82


12



New control paradigm: wind priority

Traditional control: Load demand -> generation control on the base of the demand

Wind priority: we let generate all the wind plant, and we produce some more by the request

Future: intelligent generation and load harmonisation (Demand Side Management)

13



New control paradigm: wind priority

Traditional:Control by the demand• E.g. steam

generation• Turbine• Generator

Wind:Control by the wind

speed and demand• rotor blades• generator

14



Indirect and direct driving

15



Connection of the generator to the grid

30 Hz 50 Hz

20 Hz 50 Hz

Appr. RPM900-1000changing

Fixed frequency (RPM)

16



Control: pitch, P,Q

17



Electrical connection: compact substation

18



Connection to 20 kV

19



Single line scheme

20



More details…

21



Protection, measurements, settling, RTU

22



Connection between the tower and the compact substation

23


Power, voltage level and topology

• 1 unit: cca. 2 MW (0,8 – 3,5 MW)• 20 kV for transmission 3-8 MW• Wind park: 20-30 units -> 110/120 kV• Special topologies: ring, tree, quadratic, meshed, etc.• Security – geography – economy – ecology


24


Wind speed changesby Jensen


25


„Wind shadow” – Wake effect decreasig speed – decreasing energy

(work of Javier Serrano)


26


Micrositing - optimisation(work of Javier Serrano)


27


Quadratic displacement, Burgenland, Austria


28


Line on the hill edge


29


Molina moderna de Aragón


30


Wind metering tower


31


Atienza, Spain


32


Near Calatayud, Spain


33


Near Calatayud, Spain


34


Near Calatayud, Spain150 towers on this picture!


35


Kefalonia, Greece


36



MeasurementsCharacteristics, RPM, output power

Szélerőmű karakterisztika - induló szakasz

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6 7

szélsebesség m/s

kW Szélerőmű kiadott teljesítménye

0

50

100

150

200

14:03:50 14:06:43 14:09:36 14:12:29 14:15:22 14:18:14 14:21:07

időkW

A szabályozott rotor fordulatszám

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150 200

kiadott teljesítmény kW

n / p

erc

37

Cut in

RPM

Power out



Niederland , Cabo Verde, Burgenland (A), Portugal

38



Windpower plants in Hungary, 2006

39



V90

40



Characteristics

41



Rotor blade

V90 (~44 m) MD 77 (37,5 m)6,5 t!

Glassfiber – epoxiGrafit fiber

42



FL MD77

43



MD 77

44



E 48

45



E 48

46



E82

47



Characteristics measurements

48



„Storm control”

49



Comparison

50



Bükkaranyos

51



Erk

52



Inota

53



Kulcs

54



Mezőtúr

55



Mosonmagyaróvár -Levél

56



Mosonszolnok

57



Szápár

58



Törökszentmiklós

59



System load <–> wind production

A hazai villamosenergia-rendszer terhelése 2005.12.14.

01000200030004000500060007000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

óra

MW

Szélerőmű kiadott teljesítménye

0

50

100

150

200

14:03:50 14:06:43 14:09:36 14:12:29 14:15:22 14:18:14 14:21:07

idő

kW

60



Balancing with CO2

61



Feel the measure!

V27 – 225 kW E-40 600 kW E-48 800 kW

62



Feel the measure!

MD-77 1,5 MW V-90 1,8 MW E-70 2 MW 63



How many tower represents 1000 MW?

• V27 225 kW 4444 pcs• E-40 600 kW 1666 pcs• E-48 800 kW 1250 pcs• MD-77 1,5 MW 666 pcs• V-90 1,8 MW 555 pcs• E-70 2 MW 500 pcs

A lot.

64


Wind energy integration


65



Energy production calculation

• If 1000 MW built in capacity operates in 1 year with 20 % usage ratio

• 365 days x 24 hours x 1000 MW x 0,2 % = 1.752.000 [MWh] = 1,752 TWh

• In Hungary it is only 4,47 % of the total consumption

• Not too much

66



Power ratio

It is much!Forrás: A magyar villamosenergia-rendszer 2005. évi statisztikai adatai, MVM Zrt., 2006

67


How the wind blows

• BEWAG experiences: gradient 60 MW/h• 3 areas - 3 different wind blows• Local autobalancing in the windpark• Balancing between different areas


68

A kimenő teljesítmény 10 perc múlva történő megváltozásának napi maximuma 330 MW beépített szélerőmű teljesítmény esetén

0

20

40

60

80

100

120

140

218 200 182 163 145 127 109 91 73 54 36 18 0

MW

Napo

k sz

áma

(éve

nte)

Koncentrált

Szétszórt

http://www.vrbpower.com/



69

Sudden stop of wind power plants

• Too strong wind (over 25-30 m/s)• Network faults• Frequency problems

Is it really problem to loose 200 MW? – daily eventsThe network flexibility must be raised!

• Diversification• Forecast



70

• Fault in Spain

• 2006.11.04.

• Storm in Denmark


2008. 04.01. operation - BEWAG

Wind Turbine Construction - Wind energy integration - Patra, 2012 71



72

The UTSIRA project


73

Hydrogen generation

On-site hidrogén előállító eszköz

Szélerőmű

Közlekedési felhasználás

Hidrogén kút

On-site hidrogén előállító eszköz

Szélerőmű

Szállítás

Szállítás




74

Központi hidrogén előállító eszköz

Szélerőműpark

Szélerőmű

KÖF eloszt

ó hálóza

t

120 kV-os főelos

ztó hálóza

t Rendszerirányítói

szabályozás

Rendszerirányítói szabályozás

-4-3-2-10123456

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Szél össztermelés

Rendszerirányítói többlet =Hidrogén átalakító fogyasztása

Hidrogén kút

Közlekedési felhasználás

Central hydrogen generation – system operatior control

Rendszerirányítói szabályozás

-4-3-2-10123456

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Szél össztermelés

Rendszerirányítói többlet =Hidrogén átalakító fogyasztása


Where to find the control capacities?


75Hotel Benczúr 2008.04.02.

Unused controllable capacities

Uncontrolled gas fired capacities



76

Co-control of gas engines and wind turbines



77

Wind generation + gas engine generation + balancing

Szélerőmű + gázmotor + tervezett kiegyenlítés

0

500

1000

1500

2000

2500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

óra

kW

Előrejelzett szél termelésTényleges széltermelésTervezett kiegyenlítésGázmotor kiegyenlítésTermelési összeg



78

Load of the gas engine

A gázmotor terhelése

-20-10

0102030405060708090

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

óra

%

Csoport hiba %Gázmotor eltérés %Gázmotor tervezett % Gázmotor tényleges %



79

Control Center for Renewable Energy (CORE)

• Iberdrola• Toledo, Spain• Virtual power plant• Connection to the ISO• On-line control of the wind towers • Maitenance control


What helps the integration?

• Control of the windpark output• Diversification• Local control centers• Intraday power exchange


81Szélenergia integrálás - aukciós szempontokGKM konzultáció 2008.04.16.


American plans…


82

source: Ed DeMeo, Renewable Energy Consulting Services, Inc. UWIG techn. Workshop, 24 July, 2007, Anchorage, Alaska


Conclusion

• The wind technology is cleared, this is the high time of the application

• The hot topics are the off shore plants• The integration of the wind energy is the question of

decision• The present network structures was not planned and

implemented for the trade and renewable generation

Have a good work!


83



Thanks for the attention!

84

the parts of a wind turbine, construction and integration

Documents

wind turbinethe construction

wind speed

wind plant

wind power plantthe

demand wind priority

new control paradigm

load harmonisation demand

bulk power systems