Astrid Petterteig, Seniorforsker SINTEF Energiforskning AS

Transkript

1 Viktigheten av retningslinjer for tilknytning av småkraftverk i distribusjonsnettet. Forskningsbehov og forskningsaktiviteter innenfor distribuert produksjon. Astrid Petterteig, Seniorforsker SINTEF Energiforskning AS EBL konferanse Småkraft og nett - tekniske og økonomiske problemstillinger januar 2009, Clarion Hotel Royal Christiania, Oslo SINTEF Energiforskning AS 1

2 Prosjekt Distribusjonsnett 2020 SINTEF Energiforskning Forskningsrådet, ABB Skien, Hafslund, Agder Energi, Siemens HelgelandsKraft, Trondheim Energi, NTE, NVE, Nortroll Feilhåndtering i distribusjonsnettet Tekniske utfordringer i forbindelse med tilknytning av lokal produksjon i nettet Stasjonær spenningsvariasjon Vern Feildetektering Stabilitetsutfordringer Øydrift-detektering EKSEMPLER PÅ INNVIRKNING FOREBYGGENDE TILTAK for eksempel ved valg av generator TEKNISKE RETNINGSLINJER Feltmålinger Jordfeilmålinger Langtidsmålinger i nett med DG Laboratoriemodell av distribusjonsnett m/dg Current [A] P(MW) Faulty feeder Faulty feeder current Active Generator Power Time [ms] Effektpendlinger Tim e(seconds) SINTEF Energiforskning AS 2

3 Konsekvenser av lokal produksjon: Innvirkning på spenningen: Økte stasjonære spenningsnivåer i nettet i normal drift Redusert spenningskvalitet (spenningssprang) Innvirkning i feiltilfeller: Ukontrollert øydrift Endring i feilstrømmer Endrede forhold for linjevern Stabilitetsproblemer: Effektpendlinger kan forekomme Stabilitetsproblemer kan forekomme SINTEF Energiforskning AS 3

4 Spenningsmessige utfordringer: Stasjonær spenningsstigning Avhengig av nett, last, produksjon og plassering av DG enhet Spenningssprang Innkobling Frakobling Samtidig frakobling Spenningsregulering Type spenningsregulering Reaktiv effekt Flere produksjonsenheter på samme avgang Påvirker hverandres mulighet for aktiv effektproduksjon SINTEF Energiforskning AS 4

5 Eksempel spenningsmessig utfordringer ~ Stivt nett X Hoved transformatorstasjon 22,8 kv Avgang: 10 seksjoner á 3 km (50 mm 2 ) Naboavganger: 18 MW, cos = 0,98 R X Last: 10 stk á 6 kw og 1,2 kvar (cos = 0,98) Produksjon: 3 MW ~ 30 km SINTEF Energiforskning AS 5

6 Spenning utover avgangen - Høy last (6 MW) kv 24,0 23,6 23,2 22,8 22,4 22,0 21,6 21,2 20,8 20,4 Øvre spenningsgrense Nedre spenningsgrense Høylast Stasjon km fra stasjon 0 km Spenning i stasjonen: 22,8 kv Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning på enden av avgangen: 20,85 kv Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 6

7 Spenning utover avg. - Høy (6 MW) og lav (1,5 MW) last kv 24,0 23,6 23,2 Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer 22,8 22,4 Lavlast 22,0 21,6 21,2 20,8 20,4 Høylast Nedre spenningsgrense Stasjon km fra stasjon 0 km Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 7

8 Spenning utover avgangen Høy last m/u 3 MW prod. kv 24,0 23,6 23,2 22,8 22,4 Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer 22,0 21,6 Høylast, 3 MW produksjon 21,2 20,8 20,4 Nedre spenningsgrense Høylast, Uten produksjon Stasjon km fra stasjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 8

9 Spenning utover avgangen med 3 MW prod. i enden kv 24,0 23,6 23,2 Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Lavlast, 3 MW produksjon 22,8 22,4 22,0 21,6 Lavlast, uten produksjon Høylast, 3 MW produksjon 21,2 20,8 20,4 Nedre spenningsgrense Høylast, Uten produksjon Stasjon km fra stasjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 9

10 23,7 23,4 Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning i lavlast (1,5 MW) m/ 3 MW prod. i enden kv 3 MW v/ 30 km 23,1 22,8 22,5 Lav last, Ingen produksjon Stasjonær spenningsstigning: 1,33 kv (6 %) 22,2 Stasjon km fra stasjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 10

11 23,7 Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning utover avgangen 3 MW prod. i ulike punkt kv 3 MW v/ 30 km 23,4 3 MW v/ 18 km 23,1 22,8 22,5 22,2 Stasjon km fra stasjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 11

12 23,7 Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning utover avgangen 3 MW prod. i ulike punkt kv 3 MW v/ 30 km 23,4 3 MW v/ 18 km 23,1 3 MW v/ 6 km 22,8 22,5 22,2 Stasjon km fra stasjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 12

13 23,7 Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning utover avgangen 3 MW prod. i ulike punkt kv 3 MW v/ 30 km 23,4 3 MW v/ 18 km 23,1 22,8 3 MW v/ 6 km 1,33 kv (6 %) 22,5 Stasjonær spenningsstigning: Lav last, Ingen produksjon 22,2 Stasjon km fra stasjon 0 km 0,28 kv (1,2 %) ~ ~ ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 13

14 23,6 23,4 23,2 23,0 22,8 22,6 22,4 22,2 22,0 Samme maks.spenning ulik produksjon kv Stasjon km fra stasjon 0 km 18 MW v/ 3 km Høylast, Ingen produksjon ~ 4,9 MW v/ 15 km ~ Eksempel spenningsmessig utfordringer 2,5 MW v/ 30 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 14

15 kv 22,8 22,4 22,0 21,6 21,2 20,8 20,4 Sprang i spenning ved avslag av 3 MW i enden av avg. Stasj km fra stasjon 0 km Etter avslag svakt nett Avslag av produksjon Transient spenningssprang Trinning av stasjonstransformator Ny stasjonær spenningsprofil Eksempel spenningsmessig utfordringer Høylast full produksjon Etter avslag stivt nett ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 15

16 Spenningsregulering kv kv 24,0 23,8 Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Kun aktiv effekt: 0 MVAr 23,6 23,4 23,2 23,0 22,8 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km 4 MW v/ 27 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 16

17 Spenningsregulering kv kv 24,0 23,8 Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenningsreduksjon: 0,34 kv (1,4 %) Kun aktiv effekt: 0 MVAr 23,6 23,4 23,2 23,0 22,8 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km Reaktiv effekt: - 0,8 VAr Tan = - 0,2 Cos = 0,98 4 MW v/ 27 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 17

18 kv 23,8 Spenningsregulering med to DG-enheter Samme reaktive effekttrekk fra stasjonen kv Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer 23,4 Q = 0 MVAr 23,0 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 ~ 3 MW Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 18

19 kv 23,8 Spenningsregulering med to DG-enheter Samme reaktive effekttrekk fra stasjonen kv DG 2 prod. Q Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer 23,4 23,0 DG 1 trekker Q Q = 0 MVAr 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 ~ 3 MW Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 19

20 Spenningsregulering med to DG-enheter Samme reaktive effekttrekk fra stasjonen kv Eksempel spenningsmessig utfordringer 23,8 Øvre spenningsgrense 23,4 23,0 DG1 prod. Q Q = 0 MVAr DG 2 trekker Q 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 ~ 3 MW Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 20

21 kv Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenningsregulering med to DG-enheter DG1 reduserer DG2s mulighet for å levere aktiv effekt 23,8 23,4 23,0 Øvre spenningsgrense DG 1 prod. Q DG 2: Q =0 Q = 0 MVAr 22,6 Stasjon km fra stasjon 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 ~ 3 MW Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 21

22 Vernmessige utfordringer: Sikker frakobling ved feil på aktuell avgang Vern i DG-enhet Linjevern Vernselektivitet Vern mot ukontrollert øydrift Vern i DG enhet Gjeninnkobling Automatisk gjeninnkobling f.eks. ved jordfeil - tidsforsinkes Synkronisering linjevern Unngå unødvendige frakoblinger av produksjon eller last Utilsikta utkobling av hele avganger (sympatiutkobling) Utkobling av produksjon p.g.a. feil på naboavgang SINTEF Energiforskning AS 22

23 Vernmessige konsekvenser for linjevernet Ulike behovet for endring i nettets linjevern Avhengig av innvirkningen produksjonen har ved feil i nettet I. Behov for å endre verninnstillinger II. Behov for økt tidsforsinkelse III. Behov for retningsbestemt vern IV. Behov for ekstra effektbryter eller nye vernsystemer SINTEF Energiforskning AS 23

24 Eksempel vernmessig utfordringer Eksempel på vernmessige endringer Hoved transformatorstasjon Målinger DG: 3 MW eller 9 MW ~ Avgang med DG: 30 km 6 MW (konst. imp.) Cos = 0,95 Naboavgang: 25 km 5,5 MW (konst. imp.) Cos = 0,95 SINTEF Energiforskning AS 24

25 Eksempel vernmessig utfordringer Vern i tilknytningspunktet Liten margin mellom normal strøm og feilstrøm ved feil i enden av avgangen Samme strøm målt ved feil på naboavgang som ved feil på siste halvdel av tilknyttet avgang Kortslutning Normal drift 3 MW produksjon Nabo_ende Generatorstrøm målt i tilknytningspunktet Naboavgang Nabo_start Samleskin Avg_start Stasj. Gen Kortslutningssted Avgang m/ DG Avg_ende SINTEF Energiforskning AS 25

26 Eksempel vernmessig utfordringer Linjevern - Utfordring Utkobling ved kortslutning i enden av avgangen Uten å frakoble ved feil på naboavgangen Min. kortslutning uten DG 1000 Normal strøm i høylast 0 Nabo_ende Strøm målt på avgangen i stasjonen: Naboavgang Nabo_start Samleskin Avg_start Stasj. Gen Kortslutningssted Avgang m/ DG _ g_ Iavg_høylast Ik_utenDG Strøm ved kortslutning på naboavg... på egen avg. A vg_ende SINTEF Energiforskning AS 26

27 Linjevern - Endring av verninnstilling Utkobling ved kortslutning i enden av avgangen Uten å frakoble ved feil på naboavgangen Detaljer strøm målt på avgangen Kortslutning på nabo avg. Verninnstilling uten DG NY verninnstilling med 3 MW DG Eksempel vernmessig utfordringer Kortslutning m/ 3 MW DG Kortslutning uten DG Normal strøm høylast Nabo_ende Naboavgang Samleskinne Nabo_start Avg_start SSK Gen Avgang m/ DG Avg_ende Kortslutningssted SINTEF Energiforskning AS 27

28 Linjevern Behov for retningsbestemt vern Øker DG ytelsen fra 3 MW til 9 MW Unngå frakobling ved feil på naboavg. Retningsbestemt vern Detaljer strøm målt på avgangen Nabo_ende Kortslutning på nabo avg. Naboavgang Samleskinne Nabo_start Avg_start Stasj. Gen Kortslutningssted Kortslut. m/ 9 MW DG Verninnstilling med 3 MW DG NY verninnstilling med 9 MW DG Avgang m/ DG Eksempel vernmessig utfordringer Kortslutning uten DG Normal strøm høylast Avg_ende SINTEF Energiforskning AS 28

29 Eksempel vernmessig utfordringer Deteksjon av øydrift Vern som detekterer øydrift: Over/underspenning vern Over/underfrekvens vern LoM-vern (Loss of Mains protection) ROCOF (Rate of change of frequency) Vektorskift Utfordringer: Rask detektering Effektbalanse (last produksjon) Sikker detektering Normale endringer i frekvens Kan ønske å unngå frakobling ved spenningsdip (forbigående) SINTEF Energiforskning AS 29

30 Vanskelig detektering av øydrift Ikke bare ved perfekt effektbalanse. Eksempel frekvens og spenningsforløp ved overgang til øydrift: 22 % mer last enn produksjon før øydrift: Produksjon: 2,37 MW og 0 MVAr Verninnstilling (48 Hz) Last: 2,9 MW og cos =0,95 Konstant effekt last Kilde: Muggerud, 2007 NB! Ingen unødvendig tidsforsinkelse på over/underfrekvensvernet ROCOF og Vektorskiftvern reagerer i mange tilfeller raskere enn over/underfrekvens og over/underspenning SINTEF Energiforskning AS 30

31 Rask deteksjon og frakobling ved øydrift Viktig! Utkobling i stasjon fører i mange tilfeller til øydrift Eksempel vernmessig utfordringer Måling ute på avgangen i tilknytningspunkt for 1 MVA generator Målinger hos Helgelandskraft SINTEF Energiforskning AS 31

32 Stabilitets-utfordringer: Normale driftsendringer Små driftsforstyrrelser kan medføre stabilitetsproblemer Transient stabilitet Større forstyrrelser Generator mister synkronisme Effektpendlinger Spenningsregulering - parametervalg Type spenningsregulering Reaktiv effekt Flere produksjonsenheter på samme avgang Påvirker hverandres mulighet for aktiv effektproduksjon SINTEF Energiforskning AS 32

33 Synkrongenerator Driftsdiagram Må tilfredsstille ønsket drift av generatoren Eksempel spenningsmessig utfordringer 0,7 p.f. Capability Curve. 0,8 p.f. 0,9 p.f. 1 0,9 KW / rated KVA 0,9 p.f. 0,8 p.f. 0,7 p.f. 0,6 p.f. 0,8 0,7 0,6 p.f. 0,5 p.f. 0,6 0,5 p.f. 0,4 p.f. Shunt + Booster with R449 0,5 0,4 h 0,4 p.f. 0,3 p.f. 0,2 p.f. Shunt / PMG / AREP Shunt + Booster with R600 0,3 0,2 0,3 p.f. 0,2 p.f. 0,1 p.f. 0,1 KVAR / rated KVA ,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,1 p.f. SINTEF Energiforskning AS 33

34 Synkrongenerator Reaktans Eksempel stabilitets utfordringer Eksempel på at effektpendlinger kan oppstå i normal drift Ustabilitet under oppramping Oppnår ikke ønsket produksjon 15 MVA Power [MW / Mvar] Oppramping 16 MVA generator P[MW], (Qgen= -2MVAr) Q[Mvar] (Qgen= -2MVAr) Operating scenario: Machine model 1 Qgen= -2Mvar H=1.5s KP=250 Angle [degrees] Active Power [MW] Reactive Power [Mvar] Delta[deg] (Qgen= -2MVAr) Aktiv effekt Rotorvinkel Operating scenario: Machine model 1 Qgen= -2Mvar H=1.5s KP=250 P[MW] Q[Mvar] MVA Reaktiv effekt Time [s] Swing 300 MVA 20 MVA 16 MVA 16 MVA Time [s] 132 kv 2,3 km ca. 6 km ca. 7 km 132 kv 22 kv ca. 1 km 22 kv 6,6 kv HT 300 kv S k = 4000 MVA SINTEF Energiforskning AS 0,01 MW 0,6 MW 34

35 Synkrongenerator Regulering Eksempel på respons på kortvarig spenningsforstyrrelse Valg av generator med riktige parametre er viktige Gunstig regulatorinnstilling kan forbedre stabiliteten Eksempel stabilitets utfordringer Operating scenario: P = 10 MW Q = -2 Mvar Rektans [pu] Model No. 1 Model No. 2 Xd Xd' Xd'' Xq Xq'' Td0' Power [MW] Aktiv effekt Maskin 1 K p = 250 Machine 1 KP = 250 Maskin 1 K p = 120 Machine 1 KP = 120 Machine 2 KP = 250 Maskin 2 K p = 250 Swing MVA 20 MVA Time [s] 16 MVA 16 MVA 132 kv 2,3 km ca. 6 km ca. 7 km 132 kv 22 kv ca. 1 km 22 kv 6,6 kv HT 300 kv S k = 4000 MVA SINTEF Energiforskning AS 0,01 MW 0,6 MW 35

36 Eksempel stabilitets utfordringer Synkrongenerator - Demping Eksempel på respons på spenningdip Generatorens demping har betydning 2.5 Aktiv generator effekt Active Generator Power 60 Rotorvinkel Teta P(MW) Normal generator Teta (deg) Dårlig dempa generator Time(seconds) Time(seconds) SINTEF Energiforskning AS 36

37 Stabilitets utfordringer Konklusjoner og anbefalinger Forebyggende: Kartlegg driftsbetingelser og spesielle forhold Spør etter driftsdiagram og data for potensielle generatorer Foreta nødvendige systemanalyser på forhånd Stasjonære spenningsforhold Lastflyt Ev. Stabilitetsforhold Transiente analyser Velg generator med driftsdiagram og data som er tilfredsstiller ønsket drift Stasjonært og transient En generator med høye reaktanser kan bli ustabil med typiske regulatorinnstillinger og innenfor normalt driftsområde En billig maskin kan bli dyr.. Ved igangkjøring: Riktige regulatorinnstillinger Spenningsregulatorparametre Riktig verninnstilling Generator Linjevern SINTEF Energiforskning AS 37

38 Hva kan skje? Ukontrollert øydrift 40 min kr 5 min kr Full aktiv produksjon kan ikke oppnås/tillates For høy spenning i tilknytningspunktet Effektpendlinger Hyppige start og stopp Behov for utstyr for fjernstyrt innkobling Feil vernreaksjon Manglende reaksjon - Blinding Frakobling p.g.a. feil på naboavgang - Sympatiutkobling Behov for ombygging eller tilleggsutrustning Endringer i nettet Flere produksjonsenheter kobles til i samme nett SINTEF Energiforskning AS 38

39 TEKNISKE RETNINGSLINJER for tilknytning av DG i distribusjonsnettet FORSLAG TIL RETNINGSLINJER: INNHOLD: TEKNISKE FUNKSJONSKRAV: Krav til leveringskvalitet Krav til generatorutrustning Krav til vern, målinger m.m. Krav til annet utstyr ANDRE FORHOLD: Drift og vedlikehold Prosjektering, testing og idriftsettelse VEILEDNING: Tilknytningsprosessen Analyser Databehov SINTEF Energiforskning AS 39

40 Utfordringer for nettselskapet RESULTATET: Sikre god nok spenningskvaliteten for alle kunder i nettet Sikker vernutkobling Unngå overbelastning av komponent i nettet Unngå stabilitetsproblemer FØR TILKNYTNING: Godkjenning av nye tilknytninger Vurdering av enheters innvirkning på nettet Hvor mye produksjon kan nettet ta imot Vurdering av om produksjonsutstyr er godt nok Vurdering av tiltak for tilpasning (i nettet, i produksjonsenheten) VIKTIG: Effektive vurderinger Effektiv dialog med utbygger SINTEF Energiforskning AS 40

41 BEGRENSET INNVIRKNING IDÉ Sted & kw BETYDELIG INNVIRKNING TILKNYTNINGSPROSESSEN INFORMASJON - g jens idig PROSJEKTERING - u tbygger VURDERING - n ettselskap KONST RUKSJON - u tbygger GODKJENNING - n ettselskap Enkel vurdering av produksjonens innvirkning i nettet Retningslinjer & info Prosjektering Info og data Verninnstillinger Verninnstillinger Godkjenning prosjektering Ett år med normal drift Verninnstillinger og ev. dyn. analyser Innstillinger & tilpassninger Bestilling, bygging, oppgradering, prøving Dokumentasjon Nettilknytning Midlertidig driftsgodkjenning Retningslinjer, info, krav & restriksjoner Prosjektering og ev. analyser Info, data & ev. testresultater ENDELIG GODKJENNING SINTEF Energiforskning AS 41

42 Tenk framover Utstyr som installeres i dag skal stå i nettet i 2020 Det vil bli endringer i distribusjonsnettet Nye behov og utfordringer: Tilstandsmålinger og informasjonsflyt til nettsentral Registrering av feilhendelser (analyse, ansvar, erstatning) Feilhåndtering Mulighet for styring av DG-enheter fra nettsentral Sentral styring av effekt? Økt omfang av lokal produksjon (inkl. lavspenningsnettet) Nye teknologier for lokal produksjon Nye markeder og rammebetingelser SINTEF Energiforskning AS 42

43 UTFORDRING: Effektivisering av tilknytningsprosessen Effektiv vurdering av tilknytningens innvirkning på nettet Nødvendig informasjon mellom Utbygger og Nettselskap Nødvendige beregninger Hva Når Hvem Nødvendig dokumentasjon Nødvendige tester Veiledere / kunnskapsformidling Differensierte retningslinjer avhengig av ytelse, type produksjon og andre forhold SINTEF Energiforskning AS 43

44 Forskning på Distribuert Produksjon SINTEF Energiforskning Prosjekt Distribusjonsnett 2020: Tekniske utfordringer i forbindelse med tilknytning av DG Stabilitetsutfordringer Spenningsregulering Vern og selektivitet Feildetektering Øydrift-detektering Praktisk Langtidsmålinger i nett med DG Laboratoriemodell av distribusjonsnett m/dg RESULTATER: EKSEMPLER PÅ INNVIRKNING FOREBYGGENDE TILTAK TEKNISKE RETNINGSLINJER SINTEF Energiforskning AS 44

45 Nytt Forskningsprosjekt SINTEF Energiforskning OiDG - Optimal infrastruktur for sømløs integrasjon av distribuert produksjon Mål: Legge til rette for storskala sømløs integrasjon av DG i mellom- og lavspenningsnett gjennom utvikling av nye modeller og verktøy for planlegging av distribusjonsnett. Stikkord: Rammeverk for nettplanlegging som tillater DG Vann, vind, kombinert varme og el (CHP) Tilknyttet dagens mellom- og lavspenningsnett Arkitektur for fremtidens mellom- og lavspenningsnett Inkludert overgangsfasen Driftsplanlegging av mellom- og lavspenningsnett med en betydelig andel DG Teknologikrav for tilknytning av DG i mellom- og lavspenningsnett Hovedvekt på spenningskvalitet og leveringspålitelighet Kontaktperson: Gerd Kjølle, SINTEF Energiforskning SINTEF Energiforskning AS 45