Offshore vind.. offshore kraftnett..og kraftelektronikk Magnar Hernes SINTEF Energiforskning SINTEF Energiforskning AS 1
.du finner det over alt Fra mikrowatt til gigawatt SINTEF Energiforskning AS 2
Kraftelektronikk = foredling av elektrisk strøm f P Q V I f P Q I V p SINTEF Energiforskning AS 3
Typisk kraftelektronisk krets V 2-nivå AC/DC Voltage Source Converter (2L-VSC) Noen egenskaper: Hurtig dynamisk regulering av aktiv og reaktiv effekt Hurtig dynamisk regulering av strøm, spenning og frekvens Meget hurtig (nesten momentan) strømbegrensning ved feil Kan lett kombineres med energilager, eksempelvis batteri på DC-siden SINTEF Energiforskning AS 4
Komponenten som gjør alt Høyspent likestrøm på kabel (HVDC) Energilager SINTEF Energiforskning AS 5
Begrensninger i strøm og spenning Merkedata : ~2xVdc ~2xIfase Seriekobling for å oppnå høyere spenning Brogren 2L-VSC SINTEF Energiforskning AS 6
Flernivå-omfomere for høyere spenning 3L-VCS (en brogren) Enda høyere spenning gjennom seriekobling 5L-VCS (en brogren) SINTEF Energiforskning AS 7
Høyspent likestrøm - HVDC HVDC under bygging i Kina: ±800kVx4000A=6400MW Tyristor for HVDC: 8.5kV/4000A Klassisk HVDC med tyristorer og strømkilde DC-link LCC-HVDC SINTEF Energiforskning AS 8
Høyspent likestrøm - HVDC IGBT-transistor for HVDC-light (ABB): 2.5kV/2000A Kapasitet i dag: ~ ±320kVx1880A=1200MW HVDC med transistorer og spenningskilde DC-link VSC-HVDC SINTEF Energiforskning AS 9
Hva ABB ser for seg SINTEF Energiforskning AS 10
Hva Statnett ser for seg SINTEF Energiforskning AS 11
Vindpark med AC-nett og HVDC-transmisjon SINTEF Energiforskning AS 12
Vindpark med multiterminal HVDC SINTEF Energiforskning AS 13
Vindpark med seriekoblede DC-terminaler Høyfrekvens/ mellomfrekvens transformator SINTEF Energiforskning AS 14
Problemer begrensninger - utfordringer Begrenset strøm og spenningsevne Begrenset kortslutningsevne Utsatt for spenningstransienter Forandrer fullstendig karakteristikk i feilsituasjon kontrollutfordring Begrenset transient effektreserve Mangler roterende reserve Risiko for uheldig interaksjon mellom komponenter Harmoniske og elektromagnetisk interferens Risiko for resonans mellom komponenter Interaksjon mellom styresystem Tilleggstap i komponenter som følge av overharmoniske Bryting av likestrøm Skjør teknolog i tøffe omgivelser og med begrenset tilgjengelighet En del umodne, uprøvde teknologier Komponenter i grenseland effektmessig Komplekse systemløsninger Utfordringer volum og vekt Kostnader Sikkert mer SINTEF Energiforskning AS 15
Forskningsaktiviteter ved SINTEF/ NTNU Igangværende KMB-prosjekt (Renergi-programmet): "Power Electronics for Reliable and Energy efficient Renewable Energy Systems Fokus på virkningsgrad og pålitelighet for kraftelektronikk i vindparker Igangværende NOWITECH arbeidspakke 4 (Renergi-programmet): Grid connection and System Integration Flere PhD-studenter med tema innen omformerløsninger for offshore vindparker Igangværende NTNU SUP prosjekt (Renergi-programmet): Wind Energy in Norway: setting the basis PhD studenter på nye topologier for elektrisk energiomforming KMB prosjektforslag (Renergi-programmet): Offshore Power Grid System Assessment Fokus på systemløsninger for offshore transmisjonsnett KMB prosjektforslag (Renergi-programmet): Overvoltages in Offshore Grids Fokus på å forbedre numeriske modeller for kabler og transformatorer BIP prosjektforslag (Renergi-programmet): Offshore Substation Technology Feasibility Study Fokus på krav til offshore understasjoner (transformatorstasjoner), inkludert volum- og vektproblematikk Igangværende KMB-prosjekt (Petromaks-programmet) Subsea Power Systems Nummeriske verktøy for analyse og verifikasjon av subsea kraftsystem (olje- og gassutvinning) Igangværende KMB-prosjekt (Petromaks-programmet) Pressure tolerant Subsea Power Electronics Utvikling av ny kraftelektronikk som kan operer under omgivelsestrykk på havbunnen opp ned til 3000m SINTEF Energiforskning AS 16
Eksempel på simulering av IGBT-omformer Eksempel på fenomen som kan analyseres: Alle typer driftsmodi for komplette system inkl dynamisk og stasjonær effektregulering Spenningstransienter Kortslutning og andre feil Konsekvenser av effektsykling eks termisk som følge av vindvariasjoner Harmoniske, oscillasjoner, interaksjon mellom omformerstyringer mm Interharmonisk og annen lavfrekvent interaksjon som kan trikke mekaniske egenfrekvenser og skape destruktive vibrasjoner Kort sagt alt elektrisk, termisk og mekanisk SINTEF Energiforskning AS 17
..including future extensions SINTEF Energiforskning AS 18
SINTEF Energiforskning AS 19
Kraft + Elektronikk = Kraftelektronikk styring styrt kraft SINTEF Energiforskning AS 20
Enkel kraftelektronisk krets Passive komponenter f = 50Hz 10MHz Krafthalvledere V V Styreelektronikk SINTEF Energiforskning AS 21