Possibilities for balancing wind generators´output power

إنجليزي. The importance of renewable energy is growing. More and more windparks, CHP-s and biogas stations are being erected and connected tothe electrical grid. Of the range of different renewable resources, theproportion and growth of wind generated electricity is the highest. Dueto the stochastic nature of wind, the output of wind generators changesquickly, but the production and consumption in the energy system mustbe in balance. The actual production from wind generators and theforecasted energy are usually different and this energy must be obtainedsomewhere else, which means extra expense. Wind generator outputpower is harder to forecast than for example heat power plant output.Errors in forecasting should be minimized.The aim of the research was to fi nd ways to balance wind generators’output power. Wind generators with greater power must forecast theirproduction and send information to TSO. To reduce errors on forecasting,wind generators production chart peaks could be cut. To balance smallwind generators, PV panels and batteries could be added to systems.List of the tasks to be solved to achieve the aim were:1. Overview of wind data analysis methods (I, II).2. Analysis of different wind parks’ data, to fi nd ways to correctforecast errors (I, II).3. Analysis of ways to balance power curves, using wind-solar hybridsystems (III, IV).Data from Pakri and Aulepa wind park was collected and analysed fromdifferent angles. At the beginning of the research the data series wereshorter. Then methodology and hypotheses were developed, which werealso confi rmed on long data series. Forecast errors were calculated and theresults compared with wind parks in Estonia, Germany and Denmark.Single wind park results are comparable with Estonian wind parks total.Wind data was also collected form Tiirikoja (EMHI), solar irradiation datawas collected from Tõravere (EMHI) and annual electricity consumptiondata from an Estonian typical countryside dwelling (E. Jõgi). Data havebeen used in a system, where a wind generator, PV panel and battery are54added. Different parts of the system and their sizes, also their production,are explored and analysed, so that the system would be optimal to theunit consumer.Results and conclusions:1. The forecast error is estimated by three methods: Root MeanSquare Error (RMSE), Mean Absolute Percentage Error (MAPE)and Mean Percentage Error (MPE).2. The biggest forecast errors could be observed when the windpark output power was in the range of 0.5–0.8. The higher thewind park output power, the lower is MAPE, and vice versa. Theforecast error increases as the wind park output power increases.the forecast error decreases as the production chart peaks arecut off. MAPE and MPE do not change signifi cantly.3. Nowadays PV-wind hybrid systems are used in two ways:autonomous and grid connected. It is important for a gridconnectedsystem to minimize energy from the grid and to havethe highest share of renewable fraction possible, while having anoptimal confi guration and not using other fuels. It is important,since by doing so energy dependence is decreased and thereforeenergy security is increased. When batteries are added to thegrid-connected wind-PV system, the renewable fraction is thehighest at the standard deviation is δ = 0.25 ± 0.05 kW of theconsumption curve. If the value is higher or lower, the renewablefraction decreases. Therefore the consumption curve should notbe too fl at.

Taastuvenergia tähtsus on kasvamas. Järjest enam tuuleparke,koostootmisjaamasid ja biogaasijaamasid ehitatakse ning ühendatakseelektrivõrku. Erinevatest taastuvenergia liikidest on kõige kiireminikasvanud tuule osatähtsus ja toodetud energia hulk. Tuulegeneraatoriteväljundvõimsus muutub tuule stohhastilise iseloomu tõttu kiirelt,aga energiasüsteemis peab tootmine ja tarbimine tasakaalus olema.Tuulegeneraatorite poolt tegelikult toodetud ja ennustatud võimsusepuudujääk tuleb võrgu tasakaalus püsimiseks hankida kusagilt mujalt, mistoob kaasa lisakulutusi. Tuulegeneraatoritelt saadavat võimsust on paljuraskem ennustada, kui näiteks soojuselektrijaama puhul. Ennustamiseltekkivaid vigu tuleks minimaliseerida.Selle töö eesmärgiks oli leida viise tuulegeneraatorite väljundvõimsustebalansseerimiseks. Suurema võimsusega tuulegeneraatorid peavadoma toodangut prognoosima ning seda võrgu operaatorile edastama.Ennustamisel tekkivate vigade vähendamiseks võiks tuulegeneraatoritoodangu tippe lõigata. Väiksemate tuulegeneraatorite puhul võiksbalansseerimiseks lisada neile päikesepaneeli ning aku.Töö eesmärgi saavutamiseks olid ette nähtud järgmised tegevused:1. Uurida tuuleandmete analüüsi meetodeid (I, II).2. Analüüsida erinevate tuuleparkide andmeid, et leida viisevähendada ennustamise vigu (I, II).3. Analüüsida viise, et balansseerida toodangu kõveraid, kasutadestuule-päikese hübriid süsteemi (III, IV).Töö käigus on kogutud Pakri ja Aulepa tuulepargi andmeid ning neidanalüüsitud erinevate nurkade alt. Uurimustöö alguses olid andmereadlühemad ning siis sai välja töötatud metodoloogiad ning püstitatudhüpoteesid, mis leidsid pikkade andmeridade puhul ka tõestust. Andmetepõhjal on arvutatud ennustamise vead ning võrreldud neid kogu Eestining Saksamaa ja Taani tulemustega. Üksiku tuulepargi tulemused onsuurusjärkudes võrreldavad kogu Eesti tuuleparkide tendentsidega.Töö käigus on kogutud ka tuule andmeid Tiirikojast (EMHI), päikesekiirguse andmeid Tõraverest (EMHI) ning elektri tarbimise andmeid56tüüpilisest Eestimaa maakoha elamust (E. Jõgi). Andmeid on käsitletudsüsteemis, kus on tuulegeneraator ja päikesepaneel ning lisatud on kaaku. Vaadeldud ja analüüsitud on süsteemi osade erinevaid suuruseid ningnende toodangumahtusid, et optimeerides neid kasutades ühiktarbijat.Tulemused ja järeldused:1. Prognoosi viga hinnatakse peamiselt kolme meetodi abil:Ruutkeskmine viga (RMSE), keskmine absoluutne protsentuaalneviga (MAPE) ja keskmine protsentuaalne viga (MPE).2. Kõige rohkem ja kõige suuremad ennustamise vead on tuulepargiväljundvõimsuse vahemikus 0.5 – 0.8 pu (suhtelist ühikut).Mida suurem on tuulepargi väljundvõimsus, seda väiksem tulebMAPE (keskmine absoluutne protsentuaalne viga) ja vastupidi.Ruutkeskmine viga (RMSE) suureneb tuulepargi väljundvõimsusesuurenemisega. Tuulepargi tootmisgraafi ku tippude lõikamiselruutkeskmine viga väheneb, keskmine absoluutne protsentuaalneviga (MAPE) ja keskmine protsentuaalne viga (MPE) ei muutuväga palju.3. Tänapäeval kasutatakse tuule-päikese hübriidsüsteemi kahelviisil: autonoomselt ja võrku ühendatuna. On väga oluline võrkuühendatud süsteemis, et minimaalselt kasutatakse energiat võrgustja saavutada niimoodi võimalikult suur taastuvenergia osakaal,samas saavutatakse optimaalne konfi guratsioon ja välditakseteiste kütuste kasutamist. Samuti energia sõltuvus väheneb ningseega energia julgeolek suureneb. Kui akud on lisatud võrkuühendatud tuule-päikese süsteemi, siis taastuvenergia osa onsuurim standardhälbega δ = 0.25 ± 0.05 kW tootmiskõverast. Kuiväärtus on suurem või väiksem, siis taastuvenergia osa väheneb.Seega tarbimiskõver ei tohiks olla liiga lame.