Offshore Wind Power Plants (OWPPS)

Hertem, Dirk Van; Gomis‐Bellmunt, Oriol; Liang, Jun

doi:10.1002/9781119115243.ch6

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“…The same occurs for wind power plants. For example, the study developed by Mikel de Prada et al [21], explains the technology used in large scale offshore wind power plants together with the ac collection grid topologies. These basis have helped to study future configuration under the premise of land reduction size, lower cost and power efficiency [22].…”

Section: System Integrationmentioning

confidence: 99%

Large scale photovoltaic power plants: configuration, integration and control

Tobar¹

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This thesis focuses on the operation and control of Large Scale Photovoltaic Power Plants (LS-PVPPs) according to grid code requirements with a special focus on the basic unit: the PV generator. The aim of this thesis is to study to what extent a PV generator can be controlled to comply with the plant operators requirements considering the capability curves under variable solar irradiance and temperature. In this sense, four challenges were identified: system integration, technical limitations and capability curves, dynamic modelling, and control. These challenges are addressed by a comprehensive literature review, mathematical analysis, and a series of detailed simulations. A thorough literature review of the current technology and topologies used in LS-PVPPs is performed, concluding that the central topology and radial configuration are the layouts most widely used. Additionally, grid codes presented by Germany, Puerto Rico, South Africa, Romania, and China are deeply analysed. A comparison of these grid codes is developed considering: fault ride through capability, frequency and voltage stability supprt as well as active and reactive power management. In addition a broad discussion about the challenges that the LS-PVPPs have to overcome is pesented together with the compliant technology and future trend.According to this review, one of the challenges to overcome is the understanding of the PV generator’s operation in LS- PVPPs. Thus, an analysis of its technical limitations and capability curves is essential in order to improve its control. In this thesis, a mathematical analysis to extract the PV generator’s capability curves is developed. These curves are characterized by four main parameters: solar irradiance, ambient temperature, dc voltage and modulation index. These values are dependent on each other in order to obtain the complete curve. In the case where the dc voltage is equal to a single value, the point of operation is limited by the solar irradiance and temperature. However, when the dc voltage varies in a safe range, the PV generator can work in a wider area for the same solar irradiance and temperature. The validation of these curves is tested in steady state under variable solar irradiance, ambient temperature, dc voltage and modulation index. In addition, this thesis analyses how the dynamic response of a PV generator is affected by its capability curves under quick variations of solar irradiance and different temperature values.Taking into consideration the capability curves and the photovoltaic power plant operation’s requirements, the PV generator’s control of active and reactive power is addressed. In this thesis, power curtailment and the control of power reserves are addressed under variable solar irradiance and temperature. Additionally, the control of reactive power is developed by the variation of the dc voltage and the modulation index value according to the instantaneous capability curve under the specific ambient conditions. The validation of the different studies is developed in DIgSILENT Power Factory. The simulations consider the PV generator performance under variable solar conditions and different references of active and reactive power. The results showed that an adequate control of the active and the reactive power of the PV generator taking into account the capability curves could help to comply with the power plant operator’s requirements. Esta tesis se centra en la operación y el control de plantas fotovoltaicas de gran escala de acuerdo con los requisitos del código de red con un enfoque especial en su unidad básica: el generador fotovoltaico. El objetivo de esta tesis es estudiar en qué medida se puede controlar un generador fotovoltaico para cumplir con los requisitos del operador de la planta considerando las curvas de capacidad bajo irradiación solar variable y temperatura. En este sentido, se identificaron cuatro desafíos: integración del sistema, limitaciones técnicas y curvas de capacidad, modelado dinámico y control. Estos desafíos se abordan mediante una revisión exhaustiva de la literatura, un análisis matemático y una serie de simulaciones detalladas. Se realiza una revisión exhaustiva de la literatura de la tecnología actual y las topologías utilizadas en estas plantas fotovoltaicas, concluyendo que la topología central y la configuración radial son los diseños más utilizados. Además, los códigos de red presentados por Alemania, Puerto Rico, Sudáfrica, Rumania y China específicos para plantas fotovoltaicas a gran escala se analizan en profundidad. Se desarrolla una comparación de estos códigos de red considerando: respuesta a fallas eléctricas, soporte de frecuencia y voltaje, así como control de potencia activa y reactiva. Además, se presenta una amplia discusión sobre los desafíos que las plantas fotovoltaicas deben superar junto con la tecnología compatible y la tendencia futura. Según el estudio del arte, uno de los desafíos a superar es la comprensión del funcionamiento del generador fotovoltaico en estas plantas a gran escala de potencia. Por lo tanto, un análisis de sus limitaciones técnicas y curvas de capacidad es esencial para mejorar su control. En esta tesis, se desarrolla un análisis matemático para extraer las curvas de capacidad del generador fotovoltaico. Estas curvas se caracterizan por cuatro parámetros principales: irradiancia solar, temperatura ambiente, voltaje de continua e índice de modulación. Estos valores dependen uno del otro para obtener la curva completa. En el caso donde la tensión de continua es igual a un valor único, el punto de operación está limitado por la radiación solar y la temperatura. Sin embargo, cuando el voltaje de continua varía en un rango seguro, el generador fotovoltaico puede trabajar en un área más amplia para la misma irradiancia solar y temperatura. La validación de estas curvas se prueba en estado estable bajo irradiación solar variable, temperatura ambiente, voltaje de continua e índice de modulación. Además, esta tesis analiza cómo la respuesta dinámica de un generador fotovoltaico se ve afectada por sus curvas de capacidad bajo variaciones rápidas de radiación solar y diferentes valores de temperatura. Teniendo en cuenta las curvas de capacidad y los requisitos de operación de la planta de energía fotovoltaica, se aborda el control del generador fotovoltaico de la potencia activa y reactiva. En esta tesis, la reducción de potencia y el control de las reservas de potencia se abordan bajo una irradiación y temperatura solar variables. Además, el control de la potencia reactiva se desarrolla mediante la variación del voltaje de continua y el valor del índice de modulación de acuerdo con la curva de capacidad instantánea en las condiciones ambientales específicas. La validación de los diferentes estudios se desarrolla en DIgSILENT PowerFactory. Las simulaciones consideran el rendimiento del generador fotovoltaico en condiciones solares variables y diferentes referencias de potencia activa y reactiva. Los resultados mostraron que un control adecuado de la potencia activa y reactiva del generador fotovoltaico teniendo en cuenta las curvas de capacidad podría ayudar a cumplir con los requisitos del operador de la central eléctrica.

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Section: System Integrationmentioning

confidence: 99%

Large scale photovoltaic power plants: configuration, integration and control

Tobar¹

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“…However, adding more cables increases also the investment and the cost for operation and maintenance [46]. Moreover, some of the cables need to be oversized in order to allow a power flow in case of a failure [53].…”

Section: Ring Connectionmentioning

confidence: 99%

“…The reliability of this configuration is the highest, but it involves also the highest redundancy and cost of cables. Besides that, since each wind turbine will be connected separately the cable length increases and, therefore, the power losses as well [53]. In practice, redundancy has not been considered as priority in the design of the collection grid.…”

Section: Star Connectionmentioning

confidence: 99%

Technical-economic analysis, modeling and optimization of floating offshore wind farms

Lerch

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The offshore wind sector has grown significantly during the last decades driven by the increasing demand for clean energy and to reach defined energy targets based on renewable energies. As the wind speeds tend to be faster and steadier offshore, wind farms at sea can reach higher capacity factors compared to their onshore counterparts. Furthermore, fewer restrictions regarding land use, visual impact, and noise favors the application of this technology. However, most of today's offshore wind farms use bottom-fixed foundations that limit their feasible application to shallow water depths. Floating substructures for offshore wind turbines are a suitable solution to harness the full potential of offshore wind as they have less constraints to water depths and soil conditions and can be applied from shallow to deep waters. As several floating offshore wind turbine (FOWT) concepts have been successfully tested in wave tanks and prototypes have been proven in open seas, floating offshore wind is now moving towards the commercial phase with the first floating offshore wind farm (FOWF) commissioned in 2017 and several more are projected to be constructed in 2020. This transition increases the need for comprehensive tools that allow to model the complete system and to predict its behavior as well as to assess the performance for different locations. The aim of this thesis is to analyze from a technical and economic perspective commercial scale FOWFs. This includes the modeling of FOWTs and the study of their dynamic behavior as well as the economic assessment of different FOWT concepts. The optimization of the electrical layout is also addressed in this thesis. The first model developed is applied to analyze the performance of a Spar type FOWT. The model is tested with different load cases and compared to a reference model. The results of both models show an overall good agreement. Afterwards, the developed model is applied to study the behavior of the FOWT with respect to three different offshore sites. Even at the site with the harshest conditions and largest motions, no significant loss in energy generation is measured, which demonstrates the good performance of this concept. The second model is used to perform a technical-economic assessment of commercial scale FOWFs. It includes a comprehensive LCOE methodology based on a life cycle cost estimation as well as the computation of the energy yield. The model is applied to three FOWT concepts located at three different sites and considering a 500MW wind farm configuration. The findings indicate that FOWTs are a high competitive solution and energy can be produced at an equal or lower LCOE compared to bottom-fixed offshore wind or ocean energy technologies. Furthermore, a sensitivity analysis is performed to identify the key parameters that have a significant influence on the LCOE and which can be essential for further cost reductions. The last model is aimed to optimize the electrical layout of FOWFs based on the particle swarm optimization theory. The model is validated against a reference model at first and is then used to optimize the inter-array cable routing of a 500MW FOWF. The obtained electrical layout results in a reduction of the power cable costs and a decrease of the energy losses. Finally, the use of different power cable configurations is studied and it is shown that the use of solely dynamic power cables in comparison to combined dynamic and static cables results in decreased acquisition and installation costs due to the avoidance of cost-intensive submarine joints and additional installation activities. El sector eólico marino ha crecido significativamente durante las últimas décadas impulsado por la creciente demanda de energía limpia. Los parques eólicos en el mar pueden alcanzar factores de capacidad más altos en comparación a los parques eólicos en la tierra debido a que las velocidades del viento tienden a ser más altas y constantes en el mar. Ademas, existen menos restricciones con respecto al uso de la tierra, el impacto visual y el ruido. Sin embargo, la mayoría de los parques eólicos actuales utilizan subestructuras fijas que limitan su aplicación factible a aguas poco profundas. Las subestructuras flotantes para turbinas eólicas marinas (FOWTs en inglés) son una solución adecuada para aprovechar todo el potencial de la energía eólica, ya que tienen menos restricciones para las profundidades del agua y el fondo marino. Dado que varios prototipos de FOWTs se han probado con éxito en el mar, la industria ahora esta entrando a la fase comercial con el primer parque eólico flotante (FOWF en inglés) operativo y se proyecta que se pondrán en marcha más en los próximos anos. Esta transición aumenta la necesidad de herramientas integrales que permitan modelar el sistema completo y predecir su comportamiento, así como evaluar el rendimiento para diferentes lugares. El objetivo de esta tesis es analizar desde una perspectiva técnica y económica los FOWFs a escala comercial. Esto incluye el modelado de FOWTs, el estudio de su comportamiento dinámico, y la evaluación económica de diferentes conceptos. La optimización del diseño eléctrico también se aborda en esta tesis. El primer modelo desarrollado se aplica para analizar el rendimiento de un FOWT tipo Spar. El modelo se prueba con diferentes tipos de carga y se compara con un modelo de referencia. Los resultados de ambos modelos muestran una buena concordancia. Posteriormente, el modelo se aplica para estudiar el comportamiento con respecto a tres lugares diferentes. Los resultados muestran que incluso en el sitio con las condiciones más severas, no se mide ninguna pérdida significativa en la generación de energía, lo que demuestra el buen rendimiento de este concepto. El segundo modelo se utiliza para realizar una evaluación técnico-económica de los FOWF a escala comercial. Esto incluye una metodología integral del costo nivelado de energía (LCOE en ingles). El modelo se aplica a tres conceptos de FOWTs ubicados en tres lugares diferentes y considerando un parque eólico de 500MW. Los resultados indican que los FOWTs son una solución altamente competitiva y que la energía se puede producir con un LCOE igual o inferior en comparación con los parques eólicos con subestructuras fijas o las tecnologías de energía oceánica. Asimismo, se realiza un análisis de sensibilidad para identificar los parámetros claves que tienen una influencia significativa en el LCOE y que pueden ser esenciales para reducciones de costos. El último modelo se aplica para optimizar el diseño eléctrico en función de la teoría de optimización por enjambre de partículas. Inicialmente el modelo se valida contra un modelo de referencia y luego se utiliza para optimizar la conexión de los cables entre los FOWTs. El diseño eléctrico obtenido da como resultado una reducción de los costos de cables y una disminución de las pérdidas de energía. Finalmente, se estudia el uso de diferentes configuraciones de cables y se demuestra que el uso de cables únicamente dinámicos en comparación con los cables dinámicos y estáticos combinados da como resultado una disminución de los costos de adquisición e instalación debido a que evitan la necesidad de juntas submarinas costosas y costos adicionales de instalación.

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Large scale photovoltaic power plants: configuration, integration and control

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