Wind Energy Systems for Electric Power Generation
1 Role of Wind as a Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Renewable Energies and Their Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Sources of Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Sources of Electrical Energy Production . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Wind and Solar Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Wind Energy Contribution to Electrical Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Installed Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Technical Standardization and Local issues . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Governmental Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Wind Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Basics of Wind Energy Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Power Conversion and Power Coef?cient . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Forces and Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Wind Regime and Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Wind Velocity Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Power Distribution and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Power and Torque Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Power Characteristics and Energy Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1 Control and Power Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Wind Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3 System Power Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Annual Energy Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Asynchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Principles of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Performance Equations and Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 Reactive Power Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4 Self-Excited Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Principles of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2 Performance Equations and Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . 44
3.3.3 Unconventional Machine Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Generator Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Electrical Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Conventional Electrical Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Power Electronic Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 External-Commutated Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.3 Self-Commutated Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4 Converters with Intermediate Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.5 D.c./d.c. Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.6 A.c. Power Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Energy Storage Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.2 Electrochemical Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.3 Electrical Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.4 Mechanical Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Wind Energy Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Systems Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.2 Systems Feeding into the Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.3 Systems for Island Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.4 Wind Pumping Systems with Electrical Power Transmission 84
5.3 Systems for Feeding into the Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Induction Generators for Direct Grid Coupling . . . . . . . . . . . 85
5.3.3 Asynchronous Generators in Static Cascades . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.4 Synchronous Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.5 Examples of Commercial Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4 Systems for Island Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.1 Systems in Combined Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.2 Stand-Alone Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6 Performance and Operation Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2 System Component Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.1 Model Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.2 Asynchronous Machine Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.3 Synchronous Machine Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.2.4 Converter Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.5 Modeling the Drive Train . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3 System Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3.2 Control of Systems Feeding into the Grid . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.4 Basics of Operation Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4.2 States of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4.3 Grid Fault Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7 Grid Integration and Power Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1 Basics of Grid Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.2 Permissible Power Ratings for Grid Connection . . . . . . . . . . . 147
7.1.3 Power Variation and Grid Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.2 Standard Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.1 Safety-Relevant Set Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.2 Reactive Power Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.3 Lightning Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.3 System Operator Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3.2 Active Power and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3.3 Reactive Power and Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.3.4 Short-Circuit and Fault Ride-Through . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4 Power Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4.1 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4.2 Voltage Deviations and Flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.4.3 Audio Frequency Transmission Compatibility . . . . . . . . . . . . 165
7.5 Noise Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5.2 Sound Emission by WES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8 Future of Wind Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1 Off-Shore Wind Energy Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1.2 Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1.3 Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.1.4 Speci?c Issues and Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.2 Power Integration and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2.1 Wind Energy in Power Generation Mix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2.2 Integration in Supranational Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2.3 Outlook on 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Annex A – List of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Annex B – List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
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