SPENNINGSREGULERING I DISTRIBUSJONSNETTET. Av Reidar Tjeldhorn og Linda Røssland, Magtech AS

Transkript

1 SPENNINGSREGULERING I DISTRIBUSJONSNETTET Av Reidar Tjeldhorn og Linda Røssland, Magtech AS Sammendrag Det forventes betydelige endringer i kraftproduksjon og forbruk over de neste tiårene. Endret forbruksmønster og innføring av mer distribuert kraft påvirker spenningskvaliteten, og vil kreve til dels store oppgraderinger i eksisterende nett. Investeringene kan reduseres en god del med aktive nett og moderne planleggingsmetoder. Denne rapporten tar for seg aktive komponenter med ulike prinsipper for spenningsregulering i distribusjonsnettet som alternativ til tradisjonell nettutbygging og kabelforsterkning. 1. INNLEDNING Distribuert kraftproduksjon og økning i antall el-biler og andre høyeffekts-komponenter, vil gi økt belastning i distribusjonsnettet. Selv med tiltak for energieffektivisering vil en måtte regne med problemer med blant annet spenningskvaliteten i nettet. Dette vil medføre betydelige investeringer. Større variasjon i forbruk fører til økt kompleksitet og mindre forutsigbart grunnlag for nettplanlegging. Som følge av de omfattende tekniske og økonomiske utfordringene som omlegging til desentralisert fornybar energi og forventet økning av elbiler i nettet vil gi i Tyskland, har Forschungsstelle für Energiewirtschaft gjort en teknisk og økonomisk analyse av alternativer for utbedring av spenningskvalitet i eksisterende nett [1]. Rapporten konkluderer med at ulike aktive komponenter for spenningsregulering i mange tilfeller kan tilby gode og langt rimeligere alternativer til tradisjonell linjeoppgradering. Rapporten "Moderne Verteilernetze für Deutschland" [7] forteller at nettinvesteringer kan reduseres med mer enn 5% ved ulik anvendelse av smart teknologi. 2. ENDREDE BETINGELSER FOR NETTPLANLEGGING Kompleksiteten i fremtidens nett påvirkes av større variasjon i strømforbruket og flere andre faktorer, uten at disse behandles i detalj her. Det finnes ulike drivere både for økning og reduksjon i energiforbruket, samtidig som integrering av distribuert kraftproduksjon medfører krav til at nettet håndterer to-veis energiflyt.

2 2.1 Drivere for endring i strømforbruk Energibruksrapporten 213 fra NVE [2] peker på energieffektivisering gjennom byggeforskrifter, bygging av passivhus og rehabilitering av eksisterende bygg som drivere for lavere energiforbruk. Befolkningsvekst, økonomisk vekst og overgang fra oljefyring til elektrisk oppvarming er drivere for økt energiforbruk. Innføring av AMS vil gjøre det enklere for sluttbrukere å styre og eventuelt redusere bruk av elektrisitet, og forbruksmønsteret kan påvirkes gjennom ulike incentiver (EDM - Energy Demand Management). Forventet økning av el-biler forventes å gi en del utfordringer knyttet til kapasitet og spenningsproblemer, spesielt i områder med svake nett, ref. NVEs rapport Hva betyr el-biler for strømnettet [3]. Innføring av AMS fra 219 vil kunne gi bedre datagrunnlag for nettplanlegging enn dagens beregningssystem, særlig for lavspentnettet, men også for dimensjonering av komponenter i distribusjonsnettet [4]. 2.2 Økonomiske drivere Energi Norge viser i sin presentasjon Investeringer i strømnettet [5] til at de samlede nettinvesteringene i denne perioden er estimert til 14,1 mrd. Av disse utgjør 31% investeringer i distribusjonsnettet. Strømforbruket vil øke i den samme perioden. Gjennomsnittlig nettleie forventes å øke med 8,6% frem til 223, for deretter å falle til under 217-nivå mot slutten av perioden. En kan altså ikke lenger basere dagens investeringer på en fremtidig sikker inntektsøkning. Denne endringen i rammebetingelser, sammen med uforutsigbarhet i fremtidig belastning, gjør at det i flere tilfeller vil være lønnsomt å forlenge levetiden på eksisterende nett ved å velge aktive smarte komponenter for spenningsregulering i stedet for tradisjonell linjeoppgradering. Vi vil derfor se på noen alternative løsninger for håndtering av spenningsproblemer i distribusjonsnettet.

3 3. ALTERNATIVE LØSNINGER FOR SPENNINGSPROBLEMER I DIS- TRIBUSJONSNETT Når kravet til spenningskvalitet FOL (Forskrift om leveringskvalitet fra NVE) for en sluttkunde brytes, plikter nettselskapet å gjøre noe for å utbedre dette. De vanligste områdene dette skjer er hvor en har lange lavspenningslinjer, ofte med dårlig tverrsnitt. Tradisjonelle metoder for å løse spenningsproblemer i distribusjonsnettet er opplistet i Tabell 1 under. Tabell 1: Tradisjonelle metoder for å løse spenningsproblem Tiltak Kommentar 23 V Øke tverrsnitt i luftnett eller kabelnett. 4 V Oppgradere IT-nett til 4 V TN-nett. Medfører skifte til enten 3-viklingstransformator eller helt ny nettstasjon. Alternativet omfatter også ombygging av installasjon hos kunde. Krever 4-leder kabel eller linje. 1 V Krever installasjon av enten 2 stk trafoer, eller 1 stk trafo og bytte av eksisterende distribusjonstrafo med 3-viklingstransformator. Kortslutningsnivå heves i liten grad. Hos noen nettselskap, gjerne nær kysten med mye sand og salt ifm. hardt klima, kan det være at ny ekstraisolert luftledning bør vurderes. Dette på grunn av spenningsnivået som nå ligger tett opp mot kabelens isolasjonsnivå på 1 kv, og påfølgende fare for isolasjonssvikt kv Ny høyspentlinje eller kabel føres frem til ny nettstasjon nær kunden. Teknisk sett den beste løsningen, spesielt mht. bedring av kortslutningsytelse, men er også den dyreste og mest permanente løsningen. 3.1 Spenningsregulering i distribusjonsnett Alternativ til tradisjonelle oppgraderinger listet i Tabell 1 ovenfor, er bruk av aktive smarte komponenter, som spenningsregulatorer. Det finnes flere forskjellige teknologier og tilnærminger til spenningsregulering i lavspent distribusjonsnett.

4 Allikevel er ikke spenningsregulering veldig utbredt som alternativ til tradisjonelle metoder. Det finnes flere grunner til dette, men ønsket om pålitelighet og konservativ tankegang er trolig de vesentligste årsakene til at mange nettselskap fremdeles velger tradisjonelt. Tyskland er - sett ut fra tiden der all energi ble produsert sentralt og distribuert nedover til kundene - et land med bra distribusjonsnett og lite spenningsproblemer. I dag er imidlertid situasjonen snudd på hodet, og kraftproduksjon blir i økende grad flyttet og desentralisert ut i distribusjonsnettet. Rapporten Moderne Verteilernetze für Deutschland [7] konkluderer langt på vei med at de fleste problemene som oppstår på grunn av distribuert kraftproduksjon er spenningsrelaterte. Den største utviklingen av alternativ teknologi ser vi derfor nå i Tyskland. I de tilfellene hvor problemene er termisk relatert, er kun tradisjonell kabeloppgradering mulig løsning på problemet. For spenningsregulering i lavspent distribusjonsnett er det to hovedgrupper produkter på markedet: 1) regulerbar distribusjonstransformator og 2) serieregulator plassert et stykke ut i radielle nett. Disse blir behandlet i avsnittene 3.2 og 3.3. Rapporten Smart Grid Controller [1] drøfter bruk av regulerbar distribusjonstransformator og serieregulator som alternativ til tradisjonell kabelforsterkning, og konkluderer langt på vei med at serieregulator passer best i landlige nett, mens regulerbar distribusjonstrafo passer bedre i mer bynære strøk. 3.2 Regulerbar distribusjonstransformator I Europa, og i Tyskland spesielt, har ulike teknologier for selvregulerende distribusjonstransformator blitt utviklet og testet de siste 6-7 årene. Se illustrasjon i Figur 1 under. 22 kv,4 kv Selvregulerende distribusjonstrafo Figur 1: Selvregulerende distribusjonstransformator Utviklingen er etter ønske fra markedet, som et hjelpemiddel for rimeligere oppgradering av nettet. Dette for å kunne kompensere for spenningsvariasjoner grunnet store mengder distribuert kraftproduksjon fra fornybare kraftkilder spesielt solceller og vind. Det er hovedsakelig tre teknologier for spenningsregulering i distribusjonstrafo som er under evaluering hos nettselskapene i Europa. Teknologiene er alle tre basert på trinning med bevegelige deler, enten på høy- eller lavspentside.

5 Den enkleste av de tre, vist i Figur 2 under, baserer seg på tre store vakuumkontaktorer på lavspentsiden av trafoen. Med sine 3 aktive trinn, i tillegg til trafoens egen no-load trinnkobler, gir det 8 forskjellige posisjoner: 2U Transformator lavspentviklinger 8 trinn 2V 2W Regulator MS No load LS On load N Figur 2: Lavspente store vakuumkontaktorer for trinning av utgang Neste teknologi, vist nedenfor i Figur 3, har en ekstra boostertrafo innebygget, som trinnes med små lavspente kontaktorer. Kontaktorene skal ikke ta hele laststrømmen, og er dermed relativt sett små og enkle å bytte ut. Med no-load trinnkobler tatt med i regnestykket kan trafoen regulere 9 eller 13 trinn, avhengig av hvor mange kontaktorer trafoen utstyres med. Transformator 9 eller 13 trinn Boostertrafo MS No load LS On load Figur 3: Boostertrafo med små kontaktorer for trinning av lavspentside Tredje teknologi under evaluering, vist i Figur 4, er den som hittil har fått størst utbredelse. Det er en automatisk trinnkobler på høyspentsiden av trafoen. Ved hjelp av en preventive auto transformer muliggjøres dobbelt antall tappinger i forhold til selve kobleren, og løsningen har med det 9 trinn.

6 9 trinn MS On load LS Figur 4: ON-LOAD trinnkobler I tillegg til de første 3 teknologiene denne rapporten omtaler, finnes det en fjerde teknologi som har vært evaluert: trinnløs spenningssenking basert på justerbare induktorer. Denne ble introdusert og testet av Magtech i samarbeid med blant andre nettselskapet E.ON Mitte i Tyskland [6]. Trafoen er utstyrt med 2 sett lavspentutganger: en aktivt regulert utgang for avganger med mye distribuert kraftproduksjon, og en utgang for avganger med normalt forbruk. Se illustrasjon i Figur 5 under. Dette gir stor frihet for nettplanleggerne når det kommer til trinnvis utbygging av distribuert kraft. Teknologien regulerer uten bevegelige deler, er fri for halvlederteknologi i kraftkretsen, og er med det i praksis vedlikeholdsfri. Dette gjør teknologien meget interessant for nettselskapene, men ulempen er at den har høyere tap i forhold til alternativene nevnt tidligere i dette kapitelet. 4 Regulert 4 V Normal 4 V Regulert 4 V Normal 4 V Trinnløs selvregulerende distribusjonstrafo Trinnløs selvregulerende distribusjonstrafo Figur 5: Trinnløs selvregulerende distribusjonstrafo med 2 LS-utganger I markedet finnes det også eksempler på forsøk med mer rene elektronikkbaserte styringer for distribusjonstrafoer (tyristor, IGBT etc.), uten at disse foreløpig har fått den store utbredelsen.

7 3.3 Serieregulator plassert ute i lavspentnettet En serieregulator er plassert et stykke ut i lavspentnettet, gjerne nært kunden(e) som har problem. Se illustrasjon i Figur kv,4 kv Serieregulator Figur 6: serieregulator i lavspentnett Regulatoren benyttes i utgangspunktet som en midlertidig løsning for å utsette en større investering, eller i caser hvor en er usikker på det fremtidige behovet. Investeringen som en spenningsregulator utgjør, kan enkelt flyttes videre til neste case om behovet skulle endre seg. Om investeringen er en ny nettstasjon, lar den vanskelig flytte på seg etter at den er installert. Dette gjør en serieregulator til et fleksibelt og praktisk verktøy for raskt å imøtekomme en spenningsklage i påvente av noe mer permanent. I noen tilfeller er spenningsregulator det langt rimeligste alternativet, og planlegges inn som en mer permanent løsning. Under har vi nevnt noen typiske teknologier som anvendes av europeiske nettselskap. En av de enkleste teknologiene på markedet i dag, vist i Figur 7 under, er en 3- trinnsregulator for å heve spenningen. En autotrafo trinnes i 3 trinn, avhengig av hvor mye spenningsløft som trengs. inngang Utgang Figur 7: 3-trinns spenningsløfter En litt mer komplisert utgave av teknologien over er å trinne en ekstra trafo. Se illustrasjon i Figur 8. Teknologien muliggjør både spenningssenking og spenningsløft. inngang Utgang

8 Figur 8: Trinning vha. kontaktor / rele En av de mest kompliserte og kostbare teknologiene på markedet anvender frekvensomformerteknologi med likeretting og vekselretting for full kontroll av en innskutt seriespenning på linja. Se illustrasjon i Figur 9 under. Teknologien muliggjør kontroll helt ned til deler av sinuskurven, og er meget nøyaktig. inngang AC DC DC AC Utgang Figur 9: Fullstyrt serieregulator med frekvensomformer En litt enklere variant er basert på trinning av et antall autotrafoer vha. tyristorer. Se illustrasjon i Figur 1 under. Produsentenes valg av antall trafoer og forskjellig omsetningsforhold gir fleksibilitet, men kompleksiteten vokser med antallet. inngang Utgang Figur 1: trinning av et antall autotrafoer vha. tyristor Spenningsregulatoren Magtech Voltage Booster er trolig den mest anvendte i det nordiske markedet i dag. Teknologien er basert på et trinnløst justerbart induktordesign. Se illustrasjon og bilde i Figur 11 under. autotrafo Utgang autotrafoer inngang Justerbar induktor Justerbare induktorer Figur 11: trinnløs spenningsheving vha. justerbare induktorer Den største fordelen teknologien har i forhold til andre løsninger, er meget høy robusthet gjennom bruk av kun kobber og jern i kraftførende krets, samt trinnløs

9 regulering. Teknologien har i tillegg innebygget en deltavikling som betydelig øker den enpolte kortslutningsytelsen i lange svake TN-nett. Diskusjon rundt anvendelse av spenningsregulerende utstyr i nett, som alternativ til konvensjonelle metoder for oppgradering, møtes ofte med argumenter om økt tap. I neste avsnitt har vi sett på et eksempel på tap i nett med og uten spenningsregulator. 4. EKSEMPEL PÅ TAP I NETT VED BRUK AV SPENNINGSREGULA- TOR Ved anvendelse av serieregulator i nettet innføres en ekstra tapskomponent. For å sammenligne med og uten spenningsregulator er det viktig å sammenligne like størrelser levert effekt. I Figur 12 under belastes huset i enden av linja med ca. 24 kw. Linjen er det mange norske nettselskap kaller en typisk lang linje i IT-nettet: 6 meter EX3x ,3 kw 21 V 1 kva 23 V IT 6 m EX 3x95,234 + j,45ω 24 kw 69 A Figur 12: 24 kw levert effekt i nett uten regulering Tapet i linja er ca. 3,3 kw, og linjespenningsfallet frem til abonnenten er på ca. 3V. I eksemplet er belastning (lastimpedans) økt slik at levert effekt er 24 kw, og strømmen blir da ca. 3 x 69 A. I Figur 13 under ser vi på samme nett, men nå med spenningsbooster foran kunden. 3 3,9 kw ~1,4 kw 197 V 23 V 1 kva 23 V IT 6 m EX 3x95,234 + j,45ω 24 kw 6 A Figur 13: 24 kw levert effekt i nett med spenningsbooster Tapet i linja øker fra 3,3 til 3,9 kw for samme leverte effekt i huset, samt et tilleggstap i regulatoren på ca. 1,4 kw totalt et tilleggstap i nettet på ca. 2 kw. Men nå er spenningen hos kunde økt til 23 V, og strømmen levert er redusert til ca. 3 x 6 A. En interessant sammenligning kan nå være å regne tilbake til et nett uten booster, og se hva levert effekt blir for samme lastimpedans som er anvendt ved bruk av booster. Dette regneeksemplet vises i Figur 14.

10 3 2, kw 27 V 1 kva 23 V IT 6 m EX 3x95,234 + j,45ω 19,4 kw 54 A Figur 14: Lavere effekt levert uten bruk av spenningsbooster Vi ser nå at levert effekt til kunde kun er 19,4 kw, sammenlignet med 24 kw om det hadde vært booster installert. Dette er i praksis den reduserte effekten kunder opplever i det daglige, ved at produkter som for eksempel komfyr og vaskemaskin bruker lengre tid på å varme opp. 5. KONKLUSJON/OPPSUMMERING Der nettselskapet må gjøre tiltak på grunn av spenningsvariasjon, bør alternative teknologier vurderes, både ut fra tekniske og ikke minst økonomiske hensyn. Bruk av aktive smarte komponenter gir i mange tilfeller en rimeligere løsning og større fleksibilitet, og vil være et viktig verktøy for nettplanleggere i fremtiden. Løsningen som velges bør være så robust og god som mulig, så valg av teknologi ved alternativ løsning er viktig. Frem mot 225 er det planlagt investeringer på over 43 milliarder i distribusjonsnettet. Norske nettselskap bør ha mulighet til å spare over 4 milliarder ved å investere alternativt der det er hensiktsmessig. 6. REFERANSER [1] FFE Forschungssteller für Energiewirtschaft e.v: Smart Grid Controller (216). [2] NVE, Benedicte Langseth, Ingrid H. Magnussen og Dag Spilde. Energibruksrapporten 213, Fremtidens energibruk i bygninger. Rapport nr. 11/ [3] NVE, Christer Heen Skotland, Eirik Eggum og Dag Spilde: Hva betyr elbiler for strømnettet? Rapport nr. 74/ [4] Davik Karlsen, NTNU, Erling Tønne og Jan A. Foosnæs, NTE Nett AS/NTNU (NEF Teknisk Møte 214). Optimal anvendelse av AMS-data

11 ved nettplanlegging. [5] EnergiNorge: Investeringer i strømnettet , Prognose per november tassets/fbffb222cb14261a2ea131e6eb71/investeringer-i-stromnettet pdf [6] Fagbladet Energiteknikk, nr.8 des [7] "Moderne Verteilernetze für Deutschland" (Verteilernetzstudie).