BIDRAG FRA LOKAL ENERGILAGRING I FREMTIDENS ELSYSTEM Av Muhammad Usman, Tore Marvin Undeland, Ole-Morten Midtgård og Muhammad Shafiq, NTNU, Ole Jakob Sørdalen, Eltek AS Sammendrag Utslipp av drivhusgasser må reduseres samtidig som forventet el-bruk øker. Elverkene må forbedre nettdriften, introdusere mer distribuert generering fra sol- og vindkraft og bidra til mer energiøkonomisk forbruk. Det kan være teknisk/økonomisk nyttig ved intelligent kraftelektronikk å utnytte batteribankene som fins i telesystemet og i e-verkenes nett, som understasjoner, trafostasjoner og vannkraftverk. Videre kan man utnytte batteriene i de omtrent 20,000 elbilene og plugg-in hybridbilene som vi har i Norge pr desember 2013. Stort sett er disse bilene parkert i 95 % av tiden. Det er prognoser på at vi vil ha 200,000 elbiler i 2020. I denne rapporten analyserer vi virkningen av å modernisere alle disse laderne slik at de tillater toveis energiflyt. På den måten kan sikkerhet og kvalitet på levert effekt bedres og tap i nettet reduseres ved lastutjevning («peak shaving and valley filling»). 1. INNLEDNING OG BAKGRUNN Konvensjonelle, fossile kraftverk produserer en stor del av menneskeskapte CO 2 -utslipp til atmosfæren; slike utslipp forårsaker global oppvarming og bidrar negativt til miljø og helse [1]. Virkningsgraden på eksisterende kraftverk og infrastruktur kan bedres samt klimaendringene medfører at andelen av fordelte lokale fornybare energikilder øker og bedrer virkningsgraden i den tradisjonelle infrastrukturen. Et overslag viser at kostnadene for å forbedre virkningsgraden i kraftsystemet er mindre enn investeringene i nye kraftstasjoner og kostnadene for reduksjon av klimagassutslipp [2]. Fremtidens elektriske kraftsystem, også kjent som «Smart Grid», forbedrer effektiviteten i kraftsystemet, bidrar til å redusere den globale oppvarmingen, øker kapasiteten på transmisjons- og fordelingsnett i systemet, tilbyr støtte til tilleggstjenester og sikrer strømforsyningen ved topplast eller når det oppstår feil i selve kraftnettet [3]. AC distribusjonsnett har ulike kvalitetsutfordringer, som uønskede spenningsfall, overspenninger, overharmoniske strømmer, reaktivt effektforbruk, etc. [4]. Ved å bruke moderne kraftelektroniske grensesnitt kombinert med måling av strøm og spenning, kan vi kompen- 73
sere for uønskede harmoniske strømmer, samt gi mulighet for spenningsstøtte og reaktiv kompensering [5]. Batteribanker bestående av elektriske biler, telesystemer og transformatorstasjoner er over alt. Antallet el-biler og plugg-inn hybridbiler skal økes til mer enn 200,000 innen år 2020 i Norge, og de vil være parkert mer enn 95 % av tiden [6]. Dessuten kan elektrisk kraft fra fornybare energikilder, som f.eks. solenergi eller vindenergi som vist i Figur 1, utnyttes i fordelingsnett ved å bruke et toveis batterisystem. I denne rapporten er det vist at hvis de eksisterende grensesnittene mot kraftnettet blir erstattet med AC/DC toveis spenningskildeomformere (Voltage Source Converters VSC), så vil de kunne brukes som parallellkoblede aktive filtre (Shunt Active Filters SAF). Toveis batterisystemene kan også injisere overharmoniske strømmer og reaktiv effekt. Den store fordelen er at de kan støtte nettet med aktiv effekt under topplastsituasjoner. Figur 1: Moderne distribusjonsnett 2. DET KONVENSJONELLE ELKRAFTNETTET OG EF- FEKTTKVALITET Mesteparten av infrastrukturen og operasjonsprinsippene for de europeiske og nord-amerikanske kraftsystemene ble etablert før 1960, før etableringen av omfattende data- og kommunikasjonsnettverk [7]. Den gamle infrastrukturen trenger nå oppgradering, som krever store investeringer og faglig kompetanse. I mange tilfeller opererer transmisjons- og fordelingsnettet på sin maksimale ytelse, noe som fører til redusert levetid for utstyr og 74
økende feiltilfeller. Økt bruk av elektriske laster med kraftelektroniske grensesnitt mot nettet medfører også utfordringer for kraftforsyningen som ikke var der opprinnelig, dvs. for eksempel injeksjon av overharmoniske strømmer, nullederstrøm, og effekttopper, f.eks. ved bruk av induksjonskomfyrer, varmepumper eller ladere for elektriske biler. 2.1 Effektkvalitet Det engelske begrepet «power quality» kan oversettes til effektkvalitet på norsk. Noen ganger oversettes power quality til spenningskvalitet, men effektkvalitet er et mer dekkende uttrykk i og med at det peker på en rekke elektromagnetiske fenomener som karakteriserer både strøm og spenning på et gitt punkt i kraftsystemet. Generelle årsaker til problemer med effektkvalitet er [8]: Feil i kraftsystemet Inn- og utkobling av laster Ulineære laster og kilder Feil i kraftsystemet og inn- og utkoblinger av laster, f.eks. start av en asynkronmaskin, er de viktigste kildene for spenningsfall og spenningsstigninger. Konsekvenser av asymmetriske feil er mer alvorlige enn konsekvenser av symmetriske feil. Videre fører bruk av moderne elektriske laster styrt av kraftelektronikk til injeksjon av harmoniske strømmer, som er den viktigste kilden for støy, og lastenes forbruk av reaktiv effekt bidrar også negativt. 3. SMART GRID Med utviklingen av informasjons- og kommunikasjonsteknologi (IKT) samt større utbredelse av distribuerte, fornybare energiressurser, er det nå mulig både å redusere utslipp av CO 2 og modernisere overvåkning og styring av det eksisterende kraftsystemet til en realistisk kostnad. For eksempel kan kapasiteten til linjenettet økes ved å lede mer av effekten gjennom mindre belastede linjer; smarte løsninger for rekonfigurasjon ved feil kan bedre sikre kontinuitet av strømforsyningen; og smart bruk av elektrisitet ved bestemte tidspunkter gjennom laststyring hos kundene kan gi bedret spennings- og frekvensstabilitet. Smart Grid ses på som et miljøvennlig og kostnadseffektivt skritt mot grønn energi i hele verden. Myndighetene i mange land oppmuntrer denne teknologien ikke bare på grunn av mulighetene til å forbedre sikkerhet og pålitelighet i kraftforsyningen, men også som en økono- 75
misk/kommersiell mulighet for å utvikle nye produkter og tjenester. Hvert land har sine egne grunner for å utvikle sine eksisterende nett, og Norge vil ha sin spesielle dialekt av Smart Grid. 3.1 Norge Norge produserer elektrisitet nesten fullstendig fra vannkraftverk. Smartgridsenteret i Norge, The Norwegian Smartgrid Centre, har som visjon å modernisere det nasjonale kraftnettet. En skisse av et mulig fremtidig Smart Grid er foreslått i [9]: «Norge skal ta i bruk Smartgrid-teknologier som bidrar til et bærekraftig, robust, miljøvennlig og effektivt nasjonalt elektrisk energisystem samtidig som kraftsystemet støtter internasjonal utnyttelse av fornybare energikilder.» 4. ENERGILAGRINGSENHETER OG SMART GRID Distribuerte lagringsenheter og Smart Grid går hånd i hånd, noe som kan gjøre nettet mer pålitelig og effektivt. Varierende last og produksjon fra intermitterende kilder kan håndteres ved fleksibel, konvensjonell kraftgenerering, og automatisert effektflyt gjennom lagret energi. Intermitterende, fornybar energi kan på denne måten delvis oppgraderes til planlagt energi for elverkene. 4.1 Elbiler Elektrisk transport bidrar ikke bare til å redusere utslipp av CO 2, men lagrer også energi og muliggjør tilleggstjenester og dekning av topplast ved å levere energi tilbake til nettet gjennom teknologi kjent som «Vehicle to Grid» (V2G). Antall elbiler øker raskt, og Norge er det land i verden med den største andelen elbiler per innbygger. Salget av elektriske biler i 2013 var mer enn dobbelt så stort sammenlignet med salget i 2012, som vist i Figur 2 [10]. «Grønn bil» er et ambisiøst prosjekt som kan medføre over 200,000 elbiler og plugg-in hybridbiler på norske veier i år 2020. 76
10769 Antall el-biler 869 421 710 2240 4704 År Figur 2: Antall solgte el-biler i Norge de siste seks år [10] 4.2 Batteribanker i transformatorstasjoner og i teleinstallasjoner Teleinstallasjoner er utstyrt med batteribanker som brukes for å levere effekt til telekommunikasjonstjenester. Bare i Sør-Trøndelag finnes det mer enn 300 stasjoner som har disse batteribankene. Nettselskapene leverer strøm til kundene via transformatorstasjoner som kobler sammen lavspent- og høyspentnettene. Disse transformatorstasjonene er ofte utstyrt med batteribanker. Figur 3 illustrerer sammenkoblingen av lavspent- høyspent fordelingsnett, telesider og elbiler i nettet. Det er her vist et maskenett hvor mellomspenningsstasjoner transformerer mellom 132 kv og 12 kv, mens stasjoner lavere spenningsnivå transformerer mellom 12 kv og 415 V. Batteribankene i telekom- og nettstasjonene kan levere strøm i nødsituasjoner i 24-48 timer. Figur 3: Elbiler og telesider in mellomspennings-lavspent distribusjonsnett med mulighet for toveis effektflyt 77
Ladnings- og utladingssykluser påvirker batterienes levetid, men det likevel forsvarlig å anvende dem i spesielle tilfeller. Norge har for eksempel generelt god effektkvalitet, og forstyrrelser er dermed ofte kortvarige, hvilket kan forsvare bruk av batteribankene i slike tilfeller uten at dette påvirker levetiden vesentlig. 5. CASESTUDIE Figur 4 viser et blokkdiagram hvor en stasjon for telekommunikasjon er koblet til et lavspent fordelingsnett. PCC (Point of Common Coupling felles tilkoblingspunkt) er et punkt i kraftnettet hvor telekomstasjonen er tilkoblet. L f og R f er henholdsvis nettets induktans og resistans. En modell ble implementert i MATLAB/SIMULINK for å studere virkningen av effektflyt med forvrengt laststrøm og hvordan et nytt kraftelektronisk grensesnitt med en toveis VSC mellom batteribanken og PCC vil kunne forbedre forholdene. Figur 4: Batteribanken til en telekom-stasjon koblet til distribusjonsnettet via en VSC med toveis effektflyt Det nye elektriske grensesnittet er her ansvarlig både for å håndtere problemer med effektkvalitet, og for å sørge for at kapasiteten til batteribanken er tilstrekkelig til å ivareta teletjenestene. Forskjellige simuleringer ble utført. Ulineære og passive belastninger ble brukt i simuleringene. I Figur 5 vises en case hvor forsyningsspenningen er 398 V (linjespenning, rms), simuleringstiden er 1,5 s og omformeren begynner å levere strøm ved tidspunktet t = 0,4 s. Simuleringsresultatet vist i Figur 5 illustrerer endringen i strøm og reaktiv effekt som følge av innkoblingen av det aktive filteret ved t = 0,4 s. 78
Spenning [V] (a) Strøm [A] (b) 360 40-360 0.38 0.385 0.39 0.395 0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 20 10-5 -20 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 35 Strøm [A] (c) 15-10 P [kw], Q [kvar] (d) -35 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 15e3 5e3 0 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Tid [s] Figur 5: (a) Trefase kildespenning. (b) Referanse strøm og omformerstrøm til fase a. (c) Kildestrøm for fase a. (d) Aktiv og reaktiv effekt trukket fra kilden Figur 5 (a) viser den indre spenningen i kraftnettet ved PCC. Dette er en standard 3-fase kilde. Figur 5 (b) viser den strøm som kreves fra det aktive filteret for kompensasjon av harmoniske og reaktiv effekt. Amplituden på strømmen er 15 A, og etter noe innsving følger omformeren referansestrømmen nøyaktig. Dette fører til at kildestrømmen blir nøyaktig sinusformet, som vist i Figur 5 (c). På denne måten kan krav til harmonisk innhold i nettstrøm, som gitt av standarder fra IEEE, IEC og EN, opprettholdes til tross for forvrengt laststrøm. Figur 5 (d) viser aktiv og reaktiv effekt som dras fra kilden. Det fremkommer fra figuren at aktiv effekt er uendret før og etter tilkobling av toveis lader, mens reaktiv effekt er redusert til null. I denne simuleringen blir altså batteribanken hverken netto oppladet eller utladet, men den støtter nettet med 3,1 kvar reaktiv effekt og injisering av harmoniske strømmer som nøytraliserer lastens harmoniske. 6. KONKLUSJON Rapporten viser at en kan oppnå fordeler som økt pålitelighet og virkningsgrad samt bedret effektkvalitet i strømforsyningen ved å ta i bruk toveis lader-teknologi og samordnet drift av lagringsenheter i telekomog transformatorstasjoner; ved oppgradering av kapasiteten til lagringsenhetene; ved anvendelse av moderne kraftelektroniske grensesnitt basert på toveis lader teknologi med toveis effektflyt mellom lagrings- 79
enhetene og kraftnettet; og ved større grad av målinger av strøm og spenning ved viktige punkter i kraftsystemet. Dette kan realiseres hvis en også tar i bruk ny kommunikasjons- og informasjonsteknologi for å muliggjøre aggregering av elbilladning og koordinering og samordning av driften av energilagringsenhetene. 7. REFERANSER [1] Z. Liping, G. Ying og L. Ning, The Greenhouse Gas Emission Factors Study in Construction Industry, i Water Resource and Environmental Protection (ISWREP), Xi'an, mai 2011. [2] G.-J. v. d. Zanden, The Smart Grid in Europe: The Impact of Consumer Engagement on the Value of the European Smart Grid, M. S. Thesis, The international Institute for Industrial Enviornmental Economics (IIIEE), Lund, Sweden, 2011. [3] R. Belmans, Smart Grid; Strategic Deployment Document for Europe's Electricity Networks of the Future, SmartGrids ETP Forum, april 2010. [4] E. Styvaktakis, Automating Power Quality Analysis, P.hD. Dissertation, Department of Electric Power Engineering and department of signals and systems, Chalmers Universitet av Teknologi, Gåteborg, Sweden, 2002. [5] E. K. Hart, E. D. Stout og M. Z. Jacobson, The Potential of Intermittent Renewables to Meet Electric Power Demand: Current Methods and Emerging Analytical Techniques, IEEE, vol. 100, no. 2, side 322-334, feb. 2012. [6] N. S. Pearre, W. Kampton, R. L. Guensler og V. V. Elango, "Electric Vehicles: How much range is required for a day's driving?," ELSEVIER, side 1171-1184, 2011. [7] S. M. Amin and B. F. Wollenberg, Towards a smart grid: power delivery for the 21st century, IEEE, vol. 3, no. 5, side 31-41, sept.-okt. 2005. [8] I. S. C. C. 2. o. P. Quality, 1159-1995 - IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Standards Board, juni 1995. [9] Sand Kjell, Smartgrids.no; National Smart Grid Strategy Report, http://smartgrids.no/. [10] Grønnbil-Report for Elbiler i norge, http://www.gronnbil.no/. 80