Distribuert produksjon utfordrer spenningskvalitet, lokal stabilitet og reléplaner Brukermøte spenningskvalitet Kielfergen 13. 25. September 2009 Tarjei Solvang, SINTEF Energiforskning AS tarjei.solvang@sintef.no SINTEF Energiforskning AS 1
Innhold Teori Spenningsmessige utfordringer Vernmessige utfordringer Stabilitetsproblemer Målekampanje i regi av SINTEF Energiforskning Beskrivelse Noen utfordringer med distribuert produksjon vist gjennom måleresultater Spesielt eksempel Oppsummering og konklusjoner SINTEF Energiforskning AS 2
Konsekvenser av lokal produksjon: Innvirkning på spenningen: Økte stasjonære spenningsnivåer i nettet i normal drift Redusert spenningskvalitet (?) Innvirkning i feiltilfeller: Ukontrollert øydrift Endring i feilstrømmer Endrede forhold for linjevern Stabilitetsproblemer: Effektpendlinger kan forekomme Stabilitetsproblemer kan forekomme SINTEF Energiforskning AS 3
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
Eksempel spenningsmessig utfordringer ~ Stivt nett X Hoved transformatorstasjon 22,8 kv Avgang: 10 seksjoner á 3 km (50 mm 2 ) Naboavganger: 18 MW, cos ϕ = 0,98 Last: 10 stk á 6 kw og 1,2 kvar (cos ϕ = 0,98) R X Produksjon: 3 MW ~ 30 km SINTEF Energiforskning AS 5
Spenning utover avg. - Høy (6 MW) og lav (1,5 MW) last Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Lavlast Nedre spenningsgrense Høylast 0 km Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 6
Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning utover avgangen med 3 MW prod. i enden Øvre spenningsgrense Lavlast, 3 MW produksjon Lavlast, uten produksjon Høylast, 3 MW produksjon Nedre spenningsgrense Høylast, Uten produksjon 0 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 7
Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenning utover avgangen 3 MW prod. i ulike punkt 3 MW v/ 30 km 3 MW v/ 6 km 3 MW v/ 18 km 0 km ~ ~ ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 8
Samme maks.spenning ulik produksjon Eksempel spenningsmessig utfordringer 18 MW v/ 3 km 4,9 MW v/ 15 km 2,5 MW v/ 30 km Høylast, Ingen produksjon 0 km ~ ~ ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 9
Spenningsregulering kv Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Kun aktiv effekt: 0 MVAr 0 km 4 MW v/ 27 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 10
Spenningsregulering kv Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenningsreduksjon: 0,34 kv (1,4 %) Kun aktiv effekt: 0 MVAr Reaktiv effekt: - 0,8 MVAr Tan ϕ = - 0,2 Cos ϕ = 0,98 0 km 4 MW v/ 27 km ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 11
kv Spenningsregulering med to DG-enheter Samme reaktive effekttrekk fra stasjonen Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer DG 2 prod. Q DG 1 trekker Q Q = 0 MVAr 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 3 MW ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 12
Spenningsregulering med to DG-enheter Samme reaktive effekttrekk fra stasjonen Øvre spenningsgrense Eksempel spenningsmessig utfordringer Q = 0 MVAr DG1 prod. Q DG 2 trekker Q 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 3 MW ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 13
Eksempel spenningsmessig utfordringer Spenningsregulering med to DG-enheter DG1 reduserer DG2s mulighet for å levere aktiv effekt Øvre spenningsgrense DG 1 prod. Q DG 2: Q =0 Q = 0 MVAr 0 km DG 1 3 MW ~ DG2 3 MW ~ Stasjon 6 km 15 km 30 km SINTEF Energiforskning AS 14
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 Unngå unødvendige frakoblinger av produksjon eller last Utilsiktet utkobling av hele avganger (sympatiutkobling) Utkobling av produksjon p.g.a. feil på naboavgang SINTEF Energiforskning AS 15
Vernmessige konsekvenser for linjevernet Ulike behov 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 16
Stabilitetsutfordringer: 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 17
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 Aktiv effekt Maskin 1 K p = 250 Maskin 1 K p = 120 Maskin 2 K p = 250 SINTEF Energiforskning AS 18
Eksempel stabilitets utfordringer Synkrongenerator - Demping Eksempel på respons på spenningdip Generatorens demping har betydning Aktiv generator effekt Rotorvinkel Normal generator Dårlig dempa generator SINTEF Energiforskning AS 19
Utfordringer med distribuert produksjon Vist gjennom måleresultater fra målekampanje samt et spesielt eksempel SINTEF Energiforskning AS 20
Målekampanje SINTEF Energiforskning gjennomfører nå en rekke langtidsmålinger av strøm og spenning i forskjellige nett Målekampanjen er et samarbeid mellom de tre pågående KMBprosjekter: Deep Sea Offshore Wind Distribution 2020 The PQM Project Målet med målekampanjen er: Etablere database med måledata Lage nye modeller og metoder for lastmodellering Kartlegge spenningskvalitet i ulike nett Analysere hvordan forstyrrelser spres utover nettet Analysere spenningskvalitet i tilknytning til fluktuerende energikilder (for eksempel vindkraft) Analysere innvirkning fra distribuert produksjon på tilknyttet nett SINTEF Energiforskning AS 21
Plassering av måleinstrumenter 17 instumenter installert 7 er planlagt utplassert 2 instrumenter 66 kv og 22 kv Vindkraft 3 instrumenter 66 kv og 22 kv Vindkraft og småskala vannkraft 2 instrumenter 66 kv og 22 kv Vindkraft 1 instrumenter 22 kv Småskala vannkraft 1 instrument 22 kv Småskala vannkraft 2 instrumenter 22 kv Småskala vannkraft 1 instrument 132 kv Sentralnett 1 instrument 230 V Bynett 1 instrument 690 V Vindkraft Utplassert Planlagt 2 instrumenter 11 kv Bynett 2 instrumenter 22 kv Småskala vannkraft 2 instruments 22 kv Småskala vannkraft 1 instrument 300 kv Sentralnett 3 instrumenter 132 kv, 22 kv og 230 V Ingen DG SINTEF Energiforskning AS 22
Eksempel Nett med ulike utfordringer SINTEF Energiforskning AS 23
Effektflyt på avgang med DG kontra avgang uten DG Q P 20.apr 1.jun 08 SINTEF Energiforskning AS 24
Endring av effektflyt gjennom året Desember 08 Mai 09 SINTEF Energiforskning AS 25
Forskjell i produksjonsmønster SINTEF Energiforskning AS 26
Eksempel på ustabilitet - 1 SINTEF Energiforskning AS 27
Eksempel på ustabilitet - 2 SINTEF Energiforskning AS 28
Eksempel på ustabilitet - 2 SINTEF Energiforskning AS 29
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Casebeskrivelse: Vannkraftverk med synkrongenerator S N =3,31 MVA, U N =1,0 kv, cosφ N =0,8, f N =50 Hz Tilkoplet svakt 22 kv nett (høy impedans, 80 % belastet ved full produksjon) Svingmaskin 66 kv Måling Distribusjonsnett 22 kv Måling Kraftverk SINTEF Energiforskning AS 30
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Situasjonsbeskrivelse Før oppstart av målinger Det er utført både stasjonære og dynamiske analyser Det har vært flere avbrudd på linjen som følge av at linjevernet (impedansvern) i transformator opp mot regionalnett løser ut Det har i tillegg vært problemer med at overspenningsvern i generator løser ut Begge tilfellene inntreffer før produksjon i kraftverk når full produksjon Komplekst tilfelle med flere ulike netteiere og kraftprodusenter i samme område (store og små ) Situasjonsbeskrivelse Ved oppstart av målinger Innstillinger i impedansvernet endres forhindrer at dette løser feilaktig ut Generator settes til spenningsreguleringsmodus med settpunktsverdi lik 1,05 p.u. for å begrense reaktiv import (dette er i henhold til tidligere analyser gjort for lettlast og tunglast) Får ikke lov av nettselskapet til å kjøre med full effekt (max 85 % av 2,7 MW) Hva skjer? Kraftverket faller tidvis ut pga. at vernet for reaktiv import tripper (stilt på 1,6 MVar import) Den valgte settpunktsverdien for spenningsregulatoren gir (også) høye spenninger hos sluttbrukerne som er tilknyttet det lokale 22 kv nettet Hvorfor? SINTEF Energiforskning AS 31
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Måling SINTEF Energiforskning AS 32
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Det aktuelle distribusjonsnettet ligger under et regionalnett med til dels store spenningsvariasjoner (Vindpark) Spenningsvariasjonene er så raske at de ikke kompenseres av automatiske trinnkoblere Flere trinnkoblere i serie fører til økt kompleksitet Noen ganger fører trinning til at kraftverket berger seg Andre ganger er det trinning som fører til at kraftverket kobles fra nettet pga for høy reaktiv import SINTEF Energiforskning AS 33
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Trinning SINTEF Energiforskning AS 34
Spesielt eksempel Utfordringer med DG Oppsummering Generatoren har for liten reaktiv kapasitet til å takle de faktiske spenningsforholdene i den aktuelle 22 kv radialen Ville det vært en fornuftig løsning å velge en generator med større reaktiv kapasitet? Kraftverket synes å være for stort for tilknyttet nett med tanke på aktiv effekt Forutsetningene i den første analysen (konsulentrapporten) stemmer ikke med real-life Målinger utført i nettet indikerer store spenningsvariasjoner i aktuelt nett (regional og distribusjon) Hvor stor del av totalt tillatt bånd for spenningsvariasjon kan man godta at regionalnettet bruker? SINTEF Energiforskning AS 35
Oppsummering Konklusjoner Utfordringer for nettselskapet FORMÅLET: Sikre god nok spenningskvalitet for alle kunder i nettet Sikker vernutkobling Unngå overbelastning av komponenter i nettet Unngå stabilitetsproblemer FØR TILKNYTNING: Vurdering av enheters innvirkning på nettet Foreta nødvendige analyser Målinger Hvor mye produksjon kan nettet ta imot Vurdering av om produksjonsutstyr er godt nok Vurdering av tiltak for tilpasning (i nettet, i produksjonsenheten) Vurdering av driftsbetingelser og andre spesielle forhold VIKTIG: Effektive vurderinger Effektiv dialog med utbygger Skaffe tilgang på korrekte relevante data (generatorparametere, driftsdiagram og regulatorparametere) En billig maskin kan bli dyr.. Bør skaffes tidlig i prosessen Riktige verninnstillinger (generatorvern, linjevern) SINTEF Energiforskning AS 36