BRUK AV FORDELINGSTRANSFORMATOR MED AUTOMA- TISK TRINNKOBLER

Transkript

1 BRUK AV FORDELINGSTRANSFORMATOR MED AUTOMA- TISK TRINNKOBLER Av Magne Lorentzen Kolstad, SINTEF Energi Sammendrag Begrensninger i nettkapasitet er i dag én av hovedutfordringene mot integrasjon av ny fornybar kraft i distribusjonsnettet. Tradisjonelt har begrensninger i tilknytningskapasitet i all hovedsak blitt løst ved bygging av nytt nett eller oppgradering av ledertverrsnitt, noe som ofte er svært kostbart. Denne artikkelen beskriver potensiale for å øke tilknytningskapasiteten i nettet ved bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler som alternativ til nettoppgraderinger. Artikkelen viser også driftserfaringer fra bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler i et nett med stort innslag distribuert produksjon i Norge. 1. INNLEDNING I Norge har vi sett en voldsom utbygging av distribuert produksjon (DG) i form av små vannkraftverk (<10 MW) de siste tiårene. Fremdeles er det er stort potensiale for videre utbygging. Ved utgangen av tredje kvartal 2016 var 357 konsesjonssøknader inne til behandling hos NVE, mens 429 prosjekter har fått konsesjon men har enda ikke blitt bygd [1]. I flere tilfeller vil utbygging av distribuert produksjon utløse investeringsbehov grunnet begrenset tilknytningskapasitet i nettet. Tradisjonelt har begrensninger i tilknytningskapasitet i all hovedsak blitt løst ved bygging av nytt nett eller oppgradering av ledertverrsnitt. I de seneste årene har flere alternative løsninger for å øke tilknytningskapasiteten i nettet bli foreslått, men disse har av forskjellige grunner i liten grad blitt tatt i bruk i Norge. Denne rapporten beskriver bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler som alternativ til nettoppgraderinger. Hovedbegrensningene ved tilknytning av distribuert produksjon blir gjennomgått. Deretter følger en kort beskrivelse av fordelingstransformatorer med automatisk trinnkobler, hvordan bruk slike transformatorer kan øke tilknytningskapasiteten i nettet og et kostnadseksempel som sammenligner kostnader ved nettoppgradering med kostnader knyttet til

2 bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler. Erfaringer med en fordelingstransformator med automatisk trinnkobler i et nett med stort innslag distribuert produksjon i Norge blir også presentert. 2. TILKNYTNINGSKAPASITET Tilknytningskapasiteten i nettet beskriver hvor mye produksjon det er driftsmessig forsvarlig å tilknytte i et gitt punkt i nettet. Med driftsmessig forsvarlig menes at tilknytningen av produksjon ikke fører til uakseptable virkninger ut i fra en teknisk faglig vurdering av nettet. Det vil si at overføringsgrenser for komponenter i nettet inkludert tilgrensende og overliggende nett overholdes. I tillegg skal ikke tilknytningen føre til brudd på spenningsgrenser gitt av forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet (FoL) [2] i underliggende og tilgrensende nett. Begrepet tilknytningskapasitet er således nært knyttet til tilknytningsplikten [3]. Tilknytningskapasiteten i et punkt i nettet begrenses hovedsakelig av strømføringsevnen til komponentene i nettet og langsomme spenningsvariasjoner. I følge FoL skal langsomme variasjoner i spenningens effektivverdi være innenfor et intervall på ± 10 % av nominell spenning, målt som gjennomsnitt over ett minutt, i tilknytningspunkt i lavspenningsnettet. Figur 1 viser maksimal tilknytningskapasitet for Feral 95 som funksjon av avstand til transformatorstasjon med tillatt spenningsstigning lik 2,5 % av nominell spenning. Figuren viser at for avstander over 2,6 km fra transformator stasjonen vil spenningsstigning være den begrensende faktoren. For kabler med tilsvarende tverrsnitt vil spenningsstigning være den begrensende faktoren fra og med omkring 4 km.

3 40 35 Feral 95 Begrensning som følge av strømføringsevne Begrensning som følge av spenningsstigning 2,5 % Tilknytningskapasitet [MW] Avstand til transformatorstasjon [km] Figur 1 Maksimal tilknytningskapasitet for Feral 95 som funksjon av avstand til transformatorstasjon. 3. FORDELINGSTRANSFORMATOR MED AUTOMATISK TRINNKOBLER Transformatorer med automatisk trinnkobler er kjent teknologi og benyttes flere steder i kraftsystemet, fortrinnsvis i regional- og sentralnettet. Flere leverandører har nå begynt å levere fordelingstransformatorer med automatisk trinnkobler. I motsetning til tradisjonelle fordelingstransformatorer kan trinnkobleren opereres med last og endre omsetningsforholdet til transformatoren automatisk for på den måten kontrollere spenningen på sekundærsiden av transformatoren. Automatiske trinnkoblere kan i dag leveres til fordelingstransformatorer opp til 4,5 MVA. Det er vanlig med opptil 9 trinn som fritt kan arrangeres, for eksempel 6 trinn opp og 2 trinn ned, eller 4 trinn opp og 4 trinn ned. Størrelsen på trinnene kan også normalt bestemmes fritt innenfor 600 V. Normal størrelse på trinnene er mellom 1,5 % og 2,5 % noe som vil gi en reguleringsevne på >20 %. Det vil i praksis si at det i områder hvor det kun er fordelingstransformatorer med automatisk trinnkobler kan tillates spenninger i det høyspente distribusjonsnettet opp mot isolasjonsgrensen i nettet.

4 3.1 Spenningsregulering I de alle fleste tilfeller settes spenningsregulatoren til å regulere spenningen på sekundærsiden av transformatoren til et angitt setpunkt innenfor et angitt dødbånd. Det er også vanlig å sette en tidsforsinkelse for å hindre unødvendig trinning på grunn av hurtige forbigående spenningsvariasjoner i overliggende nett. Andre former for spenningsreguleringsstrategier er også mulig, som for eksempel lastkompensering eller spenningsregulering basert på distribuerte målinger, men dette er mer sjelden. 4. POTENSIALE FOR Å ØKE TILKNYTNINGSKAPASITET Figur 2 viser spenningsprofilen i et typisk distribusjonsnett med distribuert produksjon. Spenningsvariasjonen i et punkt i nettet vil være forskjellen mellom spenningen ved lett last høy produksjon, og tung last lav produksjon. Figur 2 Spenningsprofil i et typisk distribusjonsnett med distribuert produksjon. (VRDT: Voltage regulated distribution transformer) Bruk av fordelingstransformatoer med automatisk trinnkobler vil føre til at spenningsvariasjonen i det høyspente distribusjonsnettet ikke forplanter seg til lavspentnettet (så sant regulerings evnen til transformatoren er tilstrekkelig). Dette gjør at det kan tillates en større spenningsvariasjon i det høyspente distribusjonsnettet. Med andre ord: det kan tillates en større spenningsstigning som følge av innmating av distribuert produksjon.

5 Figur 3 viser maksimal tilknytningskapasitet for Feral 50 som funksjon av avstand til transformatorstasjon for 2,5 % og 5 % maksimal tillatt spenningsstigning, samt tillatt spenningsstigning opp til 24 kv. Figuren viser at 10 km fra transformatorstasjonen økes tilknytningskapasiteten fra 3,4 MW til 6,7 MW dersom maksimal tillatt spenningsstigning økes fra 2,5 % til 5 %, mens tilknytningskapasiteten er på hele 12,2 MW dersom det tillates spenningsstigning opp til 24 kv. Sammenlignet med Figur 1 er tilknytningskapasiteten for Feral km fra transformatorstasjonen med tillatt spenningsstigning 2,5 % 6,3 MW. Potensialet for å øke tilknytningskapasiteten ved å øke tillatt spenningssigning er dermed stort. Tilknytningskapasitet [MW] Feral 50 Begrensning som følge av strømføringsevne Begrensning som følge av spenningsstigning 2,5 % Begrensning som følge av spenningsstigning 5 % Begrensning som følge av max spenning 24 kv Avstand til transformatorstasjon [km] Figur 3 Maksimal tilknytningskapasitet for Feral 50 som funksjon av avstand til transformatorstasjon for 2,5 % og 5 % maksimal tillatt spenningsstigning, samt tillatt spenningsstigning opp til 24 kv. 5. KOSTNADER For å vurdere bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler opp mot oppgradering av nettet og andre tiltak for å øke tilknytningskapasiteten bør alle samfunnsøkonomiske nettkostnader vurderes: investeringskostnader, korrigert for ev. restverdi drifts- og vedlikeholdskostnader tapskostnader

6 avbruddskostnader flaskehalskostnader Ved vurdering av bruk av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler vil det være investeringskostnader og tapskostnader som vil være mest relevant. En fordelingstransformator med automatisk trinnkobler koster i dag to til fire ganger så mye som en tradisjonell fordelingstransformator uten automatisk trinnkobler. Siden kostnaden til selve trinnkobleren ofte er uavhengig av størrelsen til transformatoren, vil prisforskjellen være mindre for transformatorer med høyere ytelse. Som et eksempel koster en 200 kva transformator med automatisk trinnkobler omkring kr inkludert montering. Til sammenligning viser Tabell 1 beregnet investeringskostnad for utvalgte luftlinjer og kabelanlegg inkludert grøftekostnad i høyspent distribusjonsnett. Tabell 1: Investeringskostnader for utvalgte luftlinjer og kabelanlegg inkludert grøftekostnader for 24 kv nett [4]. Type Kostnad [kr/km] 80-AL1/13-ST1A (Feral nr /1) 111-AL1/19-ST1A (Feral nr /1) (Feral nr. 95 SP. 22/7) TSLE/TSLF 3x1x50 Al TSLE/TSLF 3x1x95 Al TSLE/TSLF 3x1x240 Al ) Lave grøftekostnader (Landsbygd), 2) Høye grøftekostnader (Byområde) Oppgradering av nett vil redusere tapskostnadene i nettet. Det finnes per i dag ingen god metodikk for beregning av tap i nett med last og distribuert produksjon. Det at det som regel heller ikke finnes detaljerte målinger av last gjør beregninger av tapskostander utfordrende. I mange tilfeller vil uansett investeringskostnadene for nettoppgradering være vesentlig større enn tapskostnadene. Som et eksempel vil forskjellen i tap mellom en 10 km lang Feral 50 linje og en Feral 95, ved overføring av 6,3 MW, være 121 kw. Dette vil gi en forskjell i akkumulerte tapskostnader over 30 år på 2,5 MNOK, gitt en brukstid for tap

7 på 4000 timer, kraftpris på 30 øre/kwh, og diskonteringsrente på 4,5 %. Til sammenligning vil investeringskostnaden for 10 km Feral 95 være 7,5 MNOK. Gitt en investeringskostnad på 290 knok for en fordelingstransformator med automatisk trinnkobler kan det dermed i dette tilfelle lønne seg å skifte ut opp til 17 fordelingstransformatorer fremfor å oppgradere linjen til Feral 95, avhengig av restlevetiden til linjen. 6. ERFARINGER Dette kapittelet viser målinger fra en fordelingstransformator med automatisk trinnkobler som ble installert i et område hvor blant annet produksjon fra et småkraftverk skapte problemer med stor spenningsvariasjon for kunder tilknyttet en nettstasjon på tampen av en lang radial. Transformatoren ble satt i drift Figur 4 viser spenningen på lavspenningssiden av transformatoren. Figuren viser relativt stor spenningsvariasjon i perioden før transformatoren med automatisk trinnkobler ble satt i drift. Det har også vært tilfeller hvor spenningen har vært over 253 V. Etter installasjonen av den nye transformatoren har spenningen være vesentlig mer stabil. Figuren er ment å illustrere reduksjon i spenningsvariasjon og viser et gjennomsnitt av fasespenningen. Det er derfor ikke mulig å lese av høyeste og laveste spenning i perioden fra figuren. Figur 4 Gjennomsnittlig fasespenning på sekundærsiden av fordelingstransformatoren før og etter installasjon av transformator med automatisk trinnkobler.

8 Figur 5 viser at spenningsregulatoren til transformatoren fungerer som tiltenkt. Transformatoren trinner dersom spenningen overskrider dødbåndet i regulatoren lenger enn den angitte tidsforsinkelsen. Figur 5 Opp- og nedtrinning av fordelingstransformator med automatisk trinnkobler. Spenningsregulatoren er stilt inn på 240 V +/- 2 %. 7. OPPSUMMERING Denne rapporten har tatt for seg bruk av fordelingstransformatorer med automatisk trinnkobler som alternativ til nettoppgraderinger for å øke tilknytningskapasiteten i distribusjonsnettet. Fordelingstransformatorer med automatisk trinnkolber kan være et godt alternativ i tilfeller hvor tilknytning av distribuert produksjon fører til stor spenningsvariasjon i høyspent distribusjonsnett og kun et begrenset antall nettstasjoner er berørt. 8. REFERANSER [1] NVE, "Ny kraft: Endelig tillatelser og utbygging - 3. kvartal 2016," [2] Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet [3] Olje- og energidepartementet, "Forskrift om produksjon, omforming, overføring, omsetning, fordeling og bruk av energi m.m. (energilovforskriften)," [4] SINTEF Energi. (2014). Planleggingsbok for kraftnett. Available: