Kraftelektronikk i pumpekraftverk - Institutt for elkraftteknikk
PROSJEKTRAPPORT PROSJEKTOPPGAVE - TET 4190 KRAFTELEKTRONIKK FOR FORNYBAR ENERGI Kraftelektronikk i pumpekraftverk NTNU, høsten 2010 Prosjektdeltagere: Roger Enes Trond Sliper Trygve Tønnesen Veileder: Jon Are Wold Suul Faglærer: Tore Marvin Undeland Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Forord Denne prosjektrapporten, i tillegg til en presentasjonsplakat, er sluttresultatet av et miniprosjekt i faget TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi ved Norges teknisknaturvitenskapelige universitet (NTNU) høsten 2010. Formålet med prosjektet, er å sette seg inn i et tema innenfor fagområdet kraftelektronikk med fokus på fornybar energi. I tillegg skal miniprosjektet presenteres for representanter fra ulike bedrifter med en plakat som i korte trekk viser hovedelementene i prosjektet. Jon Are Wold Suul, stipendiat ved institutt for elkraftteknikk NTNU, har vært prosjektets veileder. I tillegg har faglærer, professor Tore Undeland vært involvert i arbeidet med definering og utforming av prosjektets innhold. Prosjektdeltakerne ønsker å rette en takk til alle som har bidratt med veiledning under gjennomføringen av prosjektet. NTNU, 29. oktober 2010 Roger Enes Trond Sliper Trygve Tønnesen II Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Sammendrag Rapporten starter med en generell beskrivelse av virkemåten og hensikten med pumpekraftverk, og hvorfor det er aktuelt med turtallsregulering i pumpedrift. Videre er det en oversikt over ulike maskintyper, metoder for oppstart og turtallsregulering, og hvordan kraftelektronikk benyttes for å oppnå disse egenskapene. Til slutt er det en enkel prinsippbeskrivelse av ulike omformertopologier. III Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Innhold Forord ........................................................................................................................................ II Sammendrag ............................................................................................................................. III Innhold ..................................................................................................................................... IV 1. Innledning........................................................................................................................... 1 2. Generelt om pumpekraftverk ............................................................................................. 2 3. 4. 2.1 Pumpekraftverkets virkemåte ...................................................................................... 2 2.2 Hensikten med pumpekraftverk ................................................................................... 3 Elektriske maskiner i pumpekraftverk ............................................................................... 6 3.1 Induksjonsmaskiner ..................................................................................................... 6 3.2 Synkronmaskin ............................................................................................................ 7 3.3 Oppstart av elektriske maskiner .................................................................................. 7 3.3.1 Direktestart ........................................................................................................... 7 3.3.2 Konvensjonell oppstart med hjelpemotor............................................................. 7 3.3.3 Mykstart og drift ved hjelp av kraftelektronikk ................................................... 7 Kraftelektronikk i pumpekraftverk ..................................................................................... 8 4.1 Fullskala frekvensomformer ........................................................................................ 9 4.2 Tyristorstyrt frekvensomformer ................................................................................ 10 4.3 Syklo-omformer......................................................................................................... 12 4.4 Transistorstyrt frekvensomformer ............................................................................. 14 4.5 Transistorstyrt trenivåomformer ................................................................................ 16 4.6 Dobbelmatet induksjonsmotor (sleperingsmotor) ..................................................... 18 5. Konklusjon ....................................................................................................................... 20 6. Referanser......................................................................................................................... 21 IV Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 1. Innledning Pumpekraftverk har stor samfunnsmessig betydning og blir stadig mer aktuelt i forbindelse med fornybar energiproduksjon. Det er behov for en viss reguleringsevne fordi det alltid må være balanse i kraftsystemet mellom produksjon og forbruk. Variasjoner i kraftpris gjør det samfunnsøkonomisk lønnsomt å kunne lagre energi for å produsere kraft når prisen er høy. Denne rapporten tar for seg en grunnleggende innføring i prinsippet for pumpekraftverk og hvordan kraftelektronikk i ulike omformertopologier benyttes for turtallsregulering. De ulike løsningene diskuteres og vurderes i forhold til hverandre. Rapporten er begrenset til kun å ta med de grunnleggende prinsippene uten å beskrive virkemåten i detalj. 1 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 2. Generelt om pumpekraftverk Et pumpekraftverk er et vannkraftverk som både kan produsere elektrisk energi og pumpe vann tilbake til magasinet. På den måten er det mulig å lagre energi. 2.1 Pumpekraftverkets virkemåte Figur 2.1 viser prinsippet for et pumpekraftverk. Fra øvre magasin går det en rørgate med stor fallhøyde ned til turbinen. Turbinen produserer elektrisk energi når vannet går fra øvre til nedre magasin. For å øke vannmengden i øvre magasin, pumpes vann fra nedre magasin ved hjelp av turbinen (i pumpedrift), opp gjennom rørgaten, og ut i øvre magasin. [1] Øvre magasin Dam Rørgate Generatordrift Pumpedrift Turbin/ pumpe Nedre magasin Figur 2.1: Prinsippet for et pumpekraftverk [2] Det finnes pumpekraftverk med separat turbin for pumpe- og generatordrift, men det vanligste er å benytte samme turbin både i generator- og pumpedrift. Dette kan gjøres ved å snu dreieretningen på generatoren. Ulempen med felles turbin, er lavere virkningsgrad. Francisturbinen er et typisk eksempel på en turbintype som også egner seg i pumpedrift fordi den har en utforming som gjør det mulig å reversere vannstrømretningen. [4] 2 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 2.2 Hensikten med pumpekraftverk I Norge er pumpekraftverk mest aktuelt for sesonglagring av energi. Dette er for å utnytte store nedbørsmengder på høsten og smeltevann på våren. I land med mindre sesongvariasjoner produseres energi på dagen og vann pumpes opp om natten, fordi etterspørsel og pris er lavere (døgnregulering). Japan er et typisk eksempel på et land med store pumpekraftutbygginger. Nygard kraftverk i Modalen er et eksempel på et nyere norsk pumpekraftverk. I tillegg ligger det konsesjonssøknader hos NVE for ytterligere utbygging. [3] Det norske vannkraftsystemet har store utviklingsmuligheter for levering av reguleringsfleksibilitet til det europeiske kraftsystemet. Dette kan realiseres med utbygging av maskinkapasitet i vannkraftverkene eller installasjon av reversible enheter med pumpemulighet. For at dette skal kunne realiseres, kreves etablering av nødvendig overføringskapasitet mellom Norge og Europa (det kontinentale overføringsnettet). Et eksempel på dette er installasjonen av en 700 MW HVDC-kabel mellom Norge og Nederland (NorNed). Sammen med vindkraftutbygging, både offshore og onshore, gir dette Norge en stor mulighet med tanke på landets reguleringspotensial. Norge har alene tilnærmet 50 % av total magasinkapasitet i Europa. [11] I Tyskland domineres kraftproduksjonen av kull og kjernekraft (figur 2.2). På grunn av dårlige reguleringsegenskaper i disse kraftverkene, er dette en produksjonsform som kun egner seg til grunnlast. Av den grunn ønsker kraftprodusentene å selge kraften til Norge i lavlastperioder. I Nederland er det også stor andel kraftproduksjon fra kull (figur 2.3). Kraften Norge importerer kan da videre brukes til å pumpe vann opp i magasinene for lagring av potensiell energi til en lav pris. Når prisene igjen blir høye på dagtid, på grunn av økt etterspørsel, kjøres det samme vannet ned gjennom samme turbin og kraft med en høyere pris produseres. [12] 3 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Figur 2.2: Kraftproduksjon i Tyskland [12] Figur 2.3: Kraftproduksjon i Nederland [12] Vindmøller har de samme dårlige reguleringsegenskapene. Dette er fordi produsert effekt er proporsjonal med vindhastigheten i tredje potens, og vindhastigheten varierer veldig. For å utnytte vindhastigheten er det best at vindmøller er tilkoblet et nett med gode reguleringsegenskaper. Dette forsvarer utbygging av pumpekraftverk. Kraftutveksling i Norge 14. oktober 2010 450,00 440,00 430,00 0 420,00 410,00 -1000 400,00 -2000 390,00 380,00 -3000 370,00 360,00 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24 -4000 Timenummer i døgnet Sverige Danmark Finland Nederland Netto utveksling Pris Figur 2.4: Kraftutveksling i Norge 14.10.10 [13] 4 Russland Pris [kr/MWh] Import (+) og eksport (-) [MWh] 1000 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Figur 2.4 viser kraftutvekslingen i Norge over et døgn (data fra 14.oktober 2010). Horisontal akse viser timene i døgnet, mens de to vertikale aksene viser kraftflyt og kraftpris. Det er mange faktorer som påvirker kraftprisen i Norge, men enkelt sagt er det to faktorer; etterspørsel og vannbeholdning. Sett på årsbasis styres prisene mer eller mindre av vannbeholdningen. Det kommer tydelig fram av figur 2.4 at Norge importerer kraft om natten. Dette gjelder særlig fra Nederland og Danmark, som er hovedforbindelsen til Europa. Fra time 5 til 8 øker kraftprisen kraftig pga økende etterspørsel og påfølgende går kraftflyten gradvis over fra netto import til netto eksport. Norge importerer ikke kraft om natten fordi etterspørselen i landet er høy, men fordi Europa har overflødig kraft på grunn av dårlig reguleringsevne. På den måten har Norge netto import om natten og netto eksport om dagen. Konklusjonen må derfor bli at ved større grad av installert reguleringsevne gjennom pumpekraft, kan det importeres mer kraft om natten, for så å pumpe denne opp i høytliggende magasiner. 5 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 3. Elektriske maskiner i pumpekraftverk Elektriske maskiner kan brukes både som motor og generator. Dette defineres ut i fra retningen på effekten. Hastigheten på maskinen er avhengige antall poler i maskinen og hastigheten på akslingen. Det betyr at endring av frekvensen på tilført spenning er nøkkelen til hastighetsregulering, siden antall poler er noe fysisk som er låst av konstruksjonen. I hovedsak kan vekselstrømsmaskiner deles inn i to hovedgrupper. De to forskjellige typene kategoriseres ut i fra hvordan rotoren er bygd opp, induksjonsmaskiner og synkronmaskiner. Induksjonsmaskiner er også kalt asynkronmaskiner fordi turtallet ikke er låst til et synkront turtall. [6] 3.1 Induksjonsmaskiner En induksjonsmaskin består i hovedsak av to hovedkomponenter, stator og rotor. Statoren består av en sylindrisk jernkjerne bygd opp av laminert blikk (trafoblikk). Elektrisk sett består statoren av tre viklinger som er 120° forskjøvet i forhold til hverandre, derav kommer trefasebegrepet inn. Rotoren består også av en jernkjerne med laminerte blikkplater. Elektrisk sett kan rotoren være kortsluttet eller viklet med utlagte viklinger. Dette gir grunnlaget for det som kalles kortslutningsmaskin (asynkronmaskin) og sleperingsmaskin. I en kortslutningsmaskin er viklingene kortsluttet i hver ende av rotoren. Det engelske ordet for en slik rotor er ”squirrel-cage” (burvikling) og kommer av at rotoren er formet som et bur. Slike maskiner er veldige mye brukt i industrien. I en sleperingsmaskin har rotoren tre viklinger som er stjernekoblet og lagt ut via sleperinger for ekstern tilkobling. Dette gir mulighet for å tilkoble eksterne motstander. Disse blir i hovedsak brukt under oppstart. Ved normal drift brukes maskinen med kortsluttede sleperinger og oppfører seg da som en kortslutningsmaskin. [6] 6 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 3.2 Synkronmaskin Synkronmaskiner er de som utelukket blir brukt i store vannkraftverk. Statoren på en slik maskin er lik den vi finner i en induksjonsmaskin, men rotoren er annerledes. Den er viklet med en lang serievinkling (feltvikling), der hver ende er lagt ut på hver sin slepering. Denne tilføres en DC-spenning under drift. Den store fordelen med en slik maskin kontra en induksjonsmaskin, er dens egenskaper for regulering av reaktiv effekt. [6] 3.3 Oppstart av elektriske maskiner Ved å kjøre en synkronmaskin som motor, er turtallet låst av nettfrekvensen og antall poler i maskinen. I begrepet synkronmaskin menes det at feltet i rotor og stator har samme rotasjonshastighet, altså ingen sakking. Det betyr at turtall og effekt er konstant ved bruk av en slik maskin. [6] 3.3.1 Direktestart En synkronmaskin kan ikke startes opp uten videre. Rotoren er derfor på en synkronmaskin ustyrt med en dempevinkling slik at den kan startes som en kortslutningsmotor. Sleperingene kortsluttes eller tilkobles en ekstern hjelpemotstand for å skape et stort nok moment under oppstart. [5] 3.3.2 Konvensjonell oppstart med hjelpemotor Hvis det på en annen side er snakk om litt større maskiner, benyttes en hjelpemotor (ponymotor) til oppstart av synkronmaskiner. Dette for å hjelpe maskinen opp i turtall før den magnetiseres og ”går av seg selv”. [6] 3.3.3 Mykstart og drift ved hjelp av kraftelektronikk Den siste varianten er oppstart ved hjelp av frekvensomformer. Dette er en mye brukt metode som gir store fordeler med tanke på turtallsregulering, laststyring og optimalt moment under oppstart. I store pumpekraftverk benyttes det kraftelektronikk i de fleste tilfeller. Videre i neste hovedkapittel er de grunnleggende topologiene til de mest brukte frekvensomformerne forklart og diskutert. 7 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4. Kraftelektronikk i pumpekraftverk Som tidligere nevnt, snur et pumpekraftverk rotasjonsretningen på turbinen og pumper vann opp til et høyere nivå. Dermed tilføres vannet potensiell energi (stillingsenergi). For å kunne starte opp elektriske maskiner i størrelsen kW-MW, benyttes en eller annen form for mykstarter. Kraftelektronikk brukes ofte til å løse dette problemet energieffektivt og elegant. I tillegg er kraftelektronikk godt egnet til turtallsregulering under drift. [5] For best mulig virkningsgrad og dermed også energiutnyttelse, er det viktig å finne optimalt turtall. Dette turtallet vil være noe forskjellig i pumpe- og generatordrift. I pumpedrift vil en synkronmaskin gå med konstant turtall når den er koblet til nettet. Det er derfor aktuelt å benytte turtallsregulering for å oppnå høyest mulig virkningsgrad. For turtallsregulering, benyttes ulike former for kraftelektroniske omformere. [4] Figur 4.1 viser hvorfor det er viktig med turtallregulering for å oppnå best mulig virkningsgrad. Hvis løftehøyden varierer mye, er det viktig å kunne regulere effekten. Figur 4.1 viser løftehøyden på horisontal akse og effektområdet på vertikal akse. Det betyr at for en bestemt løftehøyde kan effekten som trekkes fra nettet variere. Dette betyr at operatøren av kraftverket kan tilby frekvensregulering på nettet selv i pumpemodus ved høy virkningsgrad. Pumpe-effekt [MW] Område for optimal virkningsgrad Løftehøyde[m] Figur 4.1: Sammenheng mellom pumpe-effekt og løftehøyde for optimal virkningsgrad [14] 8 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.1 Fullskala frekvensomformer Frekvensomformere benyttet innen elkraftteknikk kan regulere spenningens frekvens og amplitude, og er derfor meget godt egnet til å drive elektriske maskiner. Frekvensomformere anvender kraftelektronikk på forskjellige måter for å oppnå mykstart, turtallsregulering og effektregulering av elektrisk maskiner. Fullskala frekvensomformere kan behandle effektflyt i begge retninger, som kan være gunstig når en elektrisk maskin skal drives som motor og generator i samme system. Det er i hovedsak to typer fullskala frekvensomformere; transistorstyrt og tyristorstyrt. Prinsipiell moduloppbygging er lik og består av en likeretter, DC-link og vekselretter (figur 4.2 og 4.3). Tyristorstyrte frekvensomformere har en spole i DC-linken og har derfor den karakteristiske egenskapen, konstant strøm (figur 4.2). Transistorstyrte frekvensomformere har en kondensator koblet mellom pluss og minus i DC-linken, og har derfor den karakteristiske egenskapen, konstant spenning (figur 4.3). Det finnes mange varianter som kombinerer både transistorer og tyristorer, men de blir ikke omtalt her. Videre er de grunnlegende topologiene til tyristor - og transistorstyrte fullskala frekvensomformere forklart. [5] SM Figur 4.2: Konstant strøm [8] Figur 4.3: Konstant spenning [8] 9 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.2 Tyristorstyrt frekvensomformer Tyristorbru 1 DC – link Tyristorbru 2 Figur 4.4: Tyristorstyrt frekvensomformer [8] Figur 4.4 viser topologien til en fullskala tyristorstyrt frekvensomformer. Som figuren viser, er forsyningsnettet tilkoblet likerettermodulen (tyristorbru 1), kommuteringen til tyristorlikeretteren er derfor styrt av linjefrekvensen (nettfrekvensen). DC–linken mellom likeretter og vekselretter har en induktans Ld som er så stor at DC-linken blir en tilnærmet konstant strømkilde. Forenklet kan det da sies at vekselretteren er forsynt fra en strømkilde. Vekselretteren (tyristorbru 2), merket som ”load inverter” i figur 4.4, er lastkommutert (LoadCommutated Inverter, LCI). Det vil si at det er den elektriske synkronmaskinen som bestemmer frekvensen på kommuteringen, og dermed frekvensen på spenningen. For å forklare enkelt hvordan turtallet i en motordrift reguleres, settes slukkevinkelen (γ) på vekselretteren og magnetiseringsstrømmen til konstante verdier. Turtallsregulering under synkront turtall styres nå ved å heve eller senke spenningen på DC-linken. Dette er mulig fordi økt spenning på DC-linken gir økt klemmespenning på motoren og dermed øker også statorstrømmen. Siden statorstrømmen og det elektromagnetiske momentet (Tem) er proporsjonale med hverandre (formel 4.1), vil en større statorstrøm gi økt tilført moment på rotoren og dermed høyere turtall. Tem Pem s kT I s P d Tem Tload kT I s Tload em Tload dt s (4.1) 10 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Når turtallet skal reguleres over synkront turtall, må magnetiseringsstrømmen reduseres i rotoren. Dette resulterer i redusert momentevne, men frekvensomformeren kan levere nominelle verdier. Hvordan hele reguleringen foregår med tilbakekobling er vist på figur 4.5. I generatordrift så vil tyristorbru 2, nærmest generatoren, fungere som en likeretter der kommuteringen er styrt av generatorfrekvensen. Tyristorbru 1 tilkoblet nettet vil operere som vekselretter og kommuteringen vil følge nettfrekvensen. Figur 4.5: Blokkdiagram over reguleringskretsen [8] Fullskala tyristorstyrte frekvensomformere er mest brukt sammen med større elektriske maskiner (>1 MW), der virkningsgraden kan overstige 95 %. Dette er fordi virkningsgraden stiger med effekten. Fordelen med tyristorer er at en kan koble de i serie for å redusere effekten over hver tyristor, dette gjør store frekvensomformere rimelige. Ulempen med en slik omformer ligger i oppstartsekvensen. Når turtallet er under omtrent ti prosent av nominelt turtall, må driften av frekvensomformeren tilpasses for å få tyristorene til å kommutere. Motordriften under slike forhold er ”hakkete”. Tyristorstyrte omformere forårsaker en stor andel overharmoniske komponenter og har derfor behov for overharmonisk filter. [8] Denne typen omformer blir brukt til kontinuerlig drift av pumpekraftverk eller kun som en del av et oppstartsystem (SFC). 11 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.3 Syklo-omformer Dette er en omformer beregnet for turtallsregulering av induksjonsmotorer og synkronmaskiner med høy effekt og lavt turtall. Det er både amplituden og frekvensen på ACspenningen som kan reguleres ved hjelp av et nettverk av tyristorer. Omformeren kan forsyne belastninger med forksjellig effektfaktor (kapasitiv og induktiv eller ”lag og ”lead”) uten at effektfaktoren på inngangssiden går fra ”lag” til ”lead”. Det er også muligheter for firekvadrant-drift. [9] En helbro trefase omformer består av to linjeførte omformere koblet ”rygg-mot-rygg” for hver fase, en for positiv og en for negativ halvperiode. Hver av disse linjeførte omformerne består av 6 tyristorer slik at det til sammen blir 36 tyristorer i en fullbro omformer, som vist på figur 4.6. Figuren viser også at det er en skilletrafo per fase som sørger for et galvanisk skille mellom nettet på tilførselssiden og omformeren/motoren. [8] Figur 4.6: Syklo-omformer [7] 12 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Denne typen omformer er en 6-puls omformer. I hver fase er det en av de to omformerne som leder sekvensielt, styrt av en tennvinkel for positiv og negativ omformer. Når spenningen skifter polaritet, går den ene omformeren fra på til av og den andre omformeren fra av til på. For å hindre uønsket spenningsfall i overgangen mellom de to omformerne, er det viktig at gjennomsnittsverdien av spenningen er lik for begge omformerne. Figur 4.7 viser kurveformen på utgangen til en av de tre fasene (regulert med tennvinkelen). Her fremgår det tydelig at frekvensen på utgangsspenning- og strøm er lavere enn frekvensen på inngangsspenningen. Omformeren opererer som likeretter eller vekselretter avhengig av om belastningsstrømmen er positiv eller negativ. [7] Figur 4.7: Kurveformer for syklo-omformer [8] Frekvensen på utgangsspenningen må bli mindre enn omtrent en tredel av frekvensen på inngangen for å unngå for stor andel harmoniske komponenter, og for å oppnå tilfredsstillende utgangseffekt og virkningsgrad. Total harmonisk forvrengning (%THD) øker med økende frekvens på utgangen fordi kurveformen er satt sammen fra færre enheter av tilførselsspenningen. [8] 13 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.4 Transistorstyrt frekvensomformer Nett Generator /motor Transistorbru 1 DC – link Transistorbru 2 Figur 4.8:Topologien til en transistorstyrt frekvensomformer [15] Transistorstyrte frekvensomformere er ikke avhengige av nettfrekvensen eller elektriske maskiner som hjelper med kommutering, slik som tyristorstyrte frekvensomformere. Topologien til den mest vanlige transistorstyrte frekvensomformeren er vist i figur 4.8. Tyristorene er nå byttet ut med transistorer og dioder. I tillegg er spolen i DC-linken byttet ut med en kondensator. Kondensatoren hjelper til med å holde spenningen konstant på DClinken. Derfor kan det sies at vekselretteren (transistorbru 2) er forsynt av en spenningskilde. Vekselretteren (transistorbru 2) gjør om likespenningen fra DC-linken til vekselspenning med ønsket amplitude og frekvens. Dette er mulig ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM), som kan utnyttes på flere måter for å skape trefase vekselspenning. I hovedsak går det ut på å lage spenningspulser som variere i bredde over en periode. Transistorene slipper gjennom spenningspulsene på kommando fra en styrekrets. Komparatoren er den komponenten i styrekretsen som bestemmer om transistoren skal være av eller på. Den gjør som navet tilsier, sammenligner en trekantspenning (Vtri) med et sinusformet kontrollsignal (VControl,A i figur 4.9 a). For å lage trefase vekselspenning, er det nødvendig med tre kontrollsignal (VControl,A, VControl,B, VControl,C, forskjøvet 120° i forholdt til hverandre). Den grunnharmoniske spenningskomponenten til VAB har frekvensen VControl,A +30° og en amplitude som er proporsjonal med amplituden til kontrollsignalet (figur 4.9 b). 14 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Figur 4.9: Pulsbreddemodulering [8] Fordelen med transistorstyrte frekvensomformere er fleksibiliteten i frekvensregulering. Med en fullskala transistorstyrt frekvensomformer kan en uten problemer med ”hakking” kjøre en elektrisk maskin ned i turtall under ti prosent. En annen fordel er at det ikke er nødvendig med harmonisk filter i samme grad som ved transistoromformere. Ved overgang fra generatordrift til motordrift, er det ikke nødvendig å legge om styresystemet. Ulempene er høye investeringskostnader og utfordringer når det skal omformes store effekter. 15 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.5 Transistorstyrt trenivåomformer Den tradisjonelle frekvensomformeren er en to-nivå-omfomrer. Det betyr at utgangsspenningen formes ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM) med to mulige spenningsverdier. I en tre-nivå-omformer har utgangsspenningen tre mulige verdier. Det gir en jevnere utgangsspenning (nærmere en ren sinusformet spenning, figur 4.10) som fører til mindre andel harmoniske komponenter. Det er også mindre svitsjetap fordi svitsjefrekvensen kan være lavere enn i en to-nivå-omformer. Ulempen er at det er nødvendig med flere komponenter og en mer avansert styrekrets. Vreferans 2-nivå PWM 3-nivå PWM e Vkontroll PWM Vut Iut Figur 4.10: Sammenligning av 2-nivå PWM og 3-nivå PWM [15] En av de vanligste trenivåomformertopologiene kalles 3L-NPC (neutral point clamped multilevel inverter) og går også under betegnelsen ”diode clamped multilevel inverter” (figur 4.11). Spenningen deles opp i tre nivåer ved hjelp av de to kondensatorene. Diodene sørger for å låse svitsjespenningen til det halve av DC-spenningen. Det er da tre mulige spenningsnivå: +VDC/2, -VDC/2 og 0V. [10] 16 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Figur 4.11: Trenivå NPC-omformer [10] 17 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 4.6 Dobbelmatet induksjonsmotor (sleperingsmotor) Når stator og rotor i en induksjonsmotor tilkobles to separate AC-kilder, kalles den for en dobbelmatet maskin (figur 4.12). I realiteten er det en sleperingsmotor med utlagte rotorklemmer, stjernekoblet, for tilkobling av en AC-spenning. På den måten kan det tilføres en variabel AC-spenning med ulike frekvenser, som igjen gir mulighet for turtallsregulering. Det er en sammenheng mellom størrelsen (effekten) på omformeren og turtallsområdet det reguleres over. I forbindelse med et pumpekraftverk er det ikke stor forskjell mellom optimalt turtall i generator- og pumpedrift. DC – link Figur 4.12: Dobbelmatet omformer [17] Motoren kan enten kjøres i supersynkron eller subsynkron drift. Dette er avhengig av om feltet i rotoren virker med eller motsatt vei av feltet i statoren. Dette kan reguleres ved å endre faserekkefølgen, enten inn på stator eller inn på rotor. Frekvensen inn på stator er regulert etter nettfrekvensen. Derfor gjøres turtallsreguleringen ved å regulere rotorfrekvensen på følgende måte: Subsynkron: n 120 ( f f2 ) p (3.2) 120 ( f f2 ) p n = rotorhastighet [r/min] p = antall poler f = nettfrekvens [Hz] f2 = rotorfrekvens [Hz] Supersynkron: n (3.3) 18 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi Formel 3.2 og 3.3 viser at ved subsynkron drift er det turtallregulering under synkront turtall, men for supersynkron drift er det regulering over synkront turtall. Hensikten med å regulere turtallet på maskinen, er at den også indirekte regulerer effekten. Dette er en stor fordel der det er store forskjeller i vannmengde og løftehøyde ut i fra når på året pumpingen skal utføres. Effekten ut på akslingen reguleres gjennom frekvensen og på den måten gjennom sakkingen (formel 3.4). [5] Put (1 f2 ) Protor (1 s ) Protor f (3.4) Put = effekt ut på akslingen [W] f2 = rotorfrekvens [Hz] Protor = effekt tilfør rotor[W] f = nettfrekvens [Hz] s = sakking 19 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 5. Konklusjon Prosjektrapporten omhandler pumpekraftverk og kraftelektronikk brukt i forbindelse med slike anlegg. I rapporten beskrives virkemåten av slike kraftverk, hvordan disse kan integreres i det norske kraftmarkedet og hvordan kraftelektronikk kan benyttes i forbindelse med oppstart og drift av kraftverket. Pumpekraftverk har en god reguleringsegenskap i forhold til å utligne lastvariasjoner gjennom året. Det betyr at slike kraftverk kan gå som generator i høylastperioder og pumpe i lavlastperioder. På den måten kan kraftsystemet utnyttes bedre både globalt og nasjonalt. Ved å innføre turtallsregulering i pumpekraftverket, utnyttes driften på en bedre måte sammenlignet med drift ved konstant turtall. Dette fordi turtallet er proporsjonalt med effekten som igjen er proporsjonal med løftehøyden. I magasiner der reguleringshøyden er stor, vil det derfor være gunstig med turtallregulering for å oppnå en best mulig virkningsgrad. Turtallregulering kan realiseres gjennom bruk av kraftelektronikk i AC-AC omformere. De ulike topologiene for de forskjellige omformerne er beskrevet i kapittel 3. Her drøftes det fordeler og ulemper ut i fra forskjellige faktorer. Disse faktorene er i hovedsak: pris, effekt, spenningsnivå, reguleringsområde og motorløsning. På et generelt grunnlag vil en dobbel-matet løsning være gunstig på grunn av at omformeren kan dimensjoneres etter omtrent 30 % av total effekt. Ulempen er at det må benyttes en sleperingsmotor som er dyrere sammenlignet med en synkronmaskin. Dersom selve omformeren skal vurderes, vil en transistorvariant være gunstig ved lave effekter på grunn av virkningsgraden. I tillegg vil det ikke være behov for harmoniske filter og fasekompensering. Ved høye effekter, vil tyristorvarianten være mest gunstig på grunn av virkningsgraden og dens egenskaper til å håndtere store effekter. I tillegg er en tyristor billigere enn en transistor for samme effekt. Ulempen her er faseforskyvningen og overharmoniske forstyrrelser på nettet. 20 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi 6. Referanser [1] Fonrybar.no – informasjonsressurs for fremtidens energisystemer, www.fornybar.no, 1. oktober 2010 [2] Renewbl www.renewbl.com, 1. oktober 2010 [3] Energilink, teknisk ukeblad www.energilink.tu.no, 1. oktober 2010 [4] Suul, Jon Are: Variable speed pumped storage hydropower plants for integration of wind power in isolated power system, NTNU [5] Wildi, Theodore: Electrical machines, drives and power systems 6th edition, Pearson Education 2006 [6] Dalva, Magnus og Thorsen, Olav Vaag: Elektriske maskiner og omformere, Gyldendal 1. utgave 2001 [7] AC to AC voltage converters, National programme on technonolgy enhanced learning, www.nptel.iitm.ac.in, 17. oktober 2010 [8] Mohan, Ned, Undeland, Tore, Robbins, William: Power electronics – converters, applications and design, John Wiley & Sons, third edition [9] ABB AC Drives: Cycloconverters for high performance speed and torque control of synchronous motors. [10] European journal of scientific research: NPC Multilevel inverter www.eurojournals.com/ejsr.html, 17. oktober 2010 21 Kraftelektronikk i pumpekraftverk Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi [11] Fodstad, Lars Audun: Vindkraft i europeisk perspektiv, Midtskandia årsmøtekonferanse, Mo i Rana 2009, www.statkraft.no, 19. oktober 2010 [12] Olje- og energidepartementet www.regjeringen.no, 12. oktober 2010 [13] Nord pool www.nordpool.com/marketinfo/powersystemdata, 14. oktober 2010 [14] Janning, Jörg og Alexander Schwery: Next generation variable speed pump-storage power stations www.converterteam.com, 20. oktober 2010 [15] Gecko Research www.gecko-research.com/index.html, 14. oktober 2010 [16] Ikonen Mika, Laakkonen Ossi, Marko Kettunen: Two-level and three-level converter comparison in wind power application www.elkraft.ntnu.no/smola2005, 20. oktober 2010 [17] National Instruments www.ni.com , 26.oktober 2010 22
© Copyright 2024