I Danmark har vi en markant ambition om at nedbringe CO2-udledningen med 70 % allerede i 2030, og i 2050 forventes det, at vi er helt neutrale. En meget vigtig brik i realiseringen af denne ambition er, at vi elektrificerer vores samfund langt mere end, det er i dag.

Groft sagt kan energiforbruget i Danmark deles i tre kategorier: en til varme, en til transport og en til elektricitet. Energiforbruget til varme og transport baserer sig meget på fossile brændsler, og det skal vi derfor ændre til at basere sig på andre energikilder. Sol og vind er nogle af de mest oplagte, da de kan udnyttes til at producere el uden at udlede CO2. I de seneste årtier er teknologiudviklingen for disse gået hastigt fremad, og indenfor de seneste 5 år er både vind- og solenergi blevet billigere end konventionelle ressourcer som kul og olie – hvorfor de to teknologier er blevet meget attraktive at bruge globalt.

Der er i dag installeret mere end 1100 GW vind- og solenergi i verden (svarende til 14% af verdens totale el-kapacitet), og tallet stiger betydeligt hvert år med nye installationer. Også i Danmark forventes en stor tilvækst i installeret effekt for både sol og vind. Graden af succes i implementeringen vil afhænge af, om tilslutningen til el-nettet foregår forsvarligt, og om el-nettet er i stand til at håndtere så store mængder tilsluttet el-kapacitet.

El-nettet er etableret ved en trefaset vekselspænding, der er defineret ved en amplitude, en faseforskydning og en frekvens (se boks). Det betyder, at vi kan bruge elektromagnetiske transformere til at transformere spændingen op og ned på el-nettet alt efter behov. Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen for 200 år siden er helt afgørende for, at dette kan lade sig gøre. .

For at optimere udbyttet fra vindmøllen drives vindmølle-generatoren med en variabel frekvens afhængig af vindhastigheden. Denne strøm med variabel frekvens ensrettes herefter til en jævn­strøm, hvorefter den nettilsluttede vekselretter omformer jævnstrømmen til vekselstrøm med en fast frekvens, nemlig netfrekvensen (typisk 50 Hz). For at sikre, at rene sinus-formede strømme leveres til nettet, bruges en elektromagnetisk filter-spole og -kondensator til at udglatte strøm og spænding.

I moderne vindmøller er styring og stabilitet af den net-tilsluttede vekselretter altafgørende for, at vindmøllerne kan indfri deres fulde potentiale.

Synkronisering og styring med el-nettet

At styre vekselretteren i en moderne vindmølle er en krævende opgave. Målet er at sørge for, at vekselretterens udgangsspænding er synkroniseret med de sinusformede spændinger, der er i el-nettet. For at dette kan lade sig gøre, er det nødvendigt at kende fasen og frekvensen på spændingen i el-nettet. Men det er ikke bare noget, man kan slå op i en tabel, som man måske kunne tro. Disse parametre er dynamiske og ændrer sig afhængig af den øjeblikkelige tilstand af el-nettet. Det er derfor nødvendigt, at man hele tiden holder øje med ændringer i frekvens og fase for at sikre, at vindmøllen leverer strøm ind i el-nettet på en stabil og pålidelig måde.

For at opnå viden omkring disse parametre bruger man typisk en strategi kaldet faseregulering. Denne strategi går ud på at beregne fasen og frekvensen ud fra en løbende måling af spændingen i elnettet (se boks), hvilket man derefter bruger som udgangspunkt for at beskrive hele vindmøllestyringen relativt til den målte netspænding. Det er en kritisk operation, idet kvaliteten af den strøm, vindmøllen leverer ind på el-nettet, stærkt afhænger af, om man har bestemt fasen i elnettet korrekt. Hvis ikke fasen bliver bestemt korrekt, kan hele vindmøllens styring blive ustabil, og det kan forårsage ufrivillig nedlukning af vindmøllen, tab af produceret vedvarende energi og i værste fald strømafbrydelser i el-nettet.

Disse problemstillinger er blandt dem vi på Institut for Energiteknik arbejder målrettet på at finde gode løsninger til i fremtidens el-net. Således har vi eksempelvis bidraget med matematiske modeller, som kan beskrive de ustabiliteter der kan opstå i fasereguleringen, og vi har udviklet metoder, som gør vindmøllestyringen mere robust overfor kortslutningsfejl.

Udfordringer med styringer mod el-nettet

Den elektriske energi er på mange måder fordelagtig og derfor også en velvalgt energibærer i fremtidens energisystem. Elektricitet er effektivt at transportere, den er nem at skalere, og den kan nemt transformeres op og ned. Elektrisk energi har dog den klare ulempe, at hvis et el-system altid skal fungere som ønsket, er der nødt til at være balance imellem produceret og forbrugt effekt. Det bliver en udfordring i fremtidens el-system baseret på vedvarende energikilder, da sol og vind er vejrafhængige, og der skal derfor indgå elementer til energilagring i fremtidens energisystem. Denne nødvendige balance betyder også, at vindmøllernes synkronisering med nettet er særdeles vigtig, da driften af el-nettet forudsætter, at der altid er effekt-produktion.

Ukorrekt eller forvrænget bestemmelse af synkroniseringsfasen kan ofte ske under to af følgende scenarier:

1) Når vindmøllen er tilkoblet el-nettet igennem en stor elektrisk impedans (modstand). Eksempler på dette er store havmølleparker, som er placeret geografisk langt fra det primære el-net.

2) Når netspændingen er lav. En lav netspænding forekommer især under netfejl som ved kortslutninger og lynnedslag.

Da kortslutninger og lynnedslag må forventes med jævne mellemrum og flere og flere effektelektronik-baserede vindmøller bliver tilkoblet el-nettet igennem lange elektriske kabler med en høj impedans, er det desværre umuligt at opnå en 100% stabil synkroniseringskontrol i vindmøllen. Men for at minimere ustabiliteter er det vigtig at sikre, at synkroniserings-enhederne er så robuste som muligt.

Dette forhold er reguleret via nettilslutningskrav fra elselskaberne, hvor et af kravene er, at vindmøllerne (og også solcelle-anlæg) skal forblive tilsluttet el-nettet selv om spændingen er 0 eller er meget reduceret i en kort periode (se figur). Hvis spændingen derimod falder til under 25 % i en længere periode (i Danmark over 150 ms), har man lov til at koble vindmøllerne fra el-nettet, indtil spændingen returnerer. Når spændingen returnerer efter en fejl, skal omformerne øjeblikkeligt være i stand til at synkronisere med det tilbagevendende el-net.

Fasereguleringen og styringen af vindmøllen er derfor nødt til at kunne håndtere sådanne situationer – ellers vil man ikke få lov til at slutte sol- og vind-energi til el-nettet.