http://www.sintef.no/content/page1 6123.aspx (fra bladet Xergi 2004, nr. 3) Kraftsystem med kraftelektroniske omformere I eksisterende kraftsystem er det spesielle behov og utfordringer knyttet til integrering av nye fornybare energiressurser, som f eks vind og hydrogen. Anvendelser med behov for kraftelektroniske omformere og kompetanse på analyse av systemer der slike omformere inngår, er stadig økende. Tekst: Seniorforsker Magnar Hernes, forsker Kjell Ljøkelsøy, forsker Nils Arild Ringheim og forsker Olve Mo Foto: Mette Kjelstad Høiseth Dette er utfordringer som må løses ved bruk av kraftelektroniske omformere, eventuelt sammen med transiente energilager. Videre byr autonome kraftsystem, så som skip og oljeinstallasjoner, på spesielle utfordringer i forbindelse med økende andel kraftelektronisk last. For skip dreier det seg i første rekke om store turtallsregulerte motordrifter for elektrisk fremdrift og posisjonering. På oljeinstallasjoner utgjør store frekvensomformere for oljepumper og kompressordrifter en stadig økende andel av totallasten. For operatørene kan dette medføre helt nye og ukjente typer driftsproblem. Bakgrunn SINTEF Energiforskning søkte i 1999 Forskningsrådet om finansiering av et strategisk instituttprosjekt (SIP) kalt Power electronics and energy storage technologies for cost- and energy efficient power systems. Prosjektet startet opp i 2000, og ble avsluttet i september 2004. Bakgrunnen for prosjektsøknaden var at vi gjennom forutgående forsknings- og utviklingsprosjekter ved SINTEF Energiforskning så nye muligheter, men også potensielle problemer, i forbindelse med komplekse kraftsystemer med utstrakt bruk av kraftelektronikk. Internasjonal litteratur støttet denne oppfatningen. I løpet av prosjektperioden har det vært kraftig fokus og utvikling innen disse områdene. Dette har vi også merket ved SINTEF Energiforskning i form av økende etterspørsel etter denne type kompetanse. Hovedaktiviteter Fokus i prosjektet har spesielt vært rettet mot å opparbeide kunnskap om og erfaring med de problemstillinger som oppstår når energilager samt en økende andel av både produksjon og forbruk, kobles til nettet via kraftelektroniske omformere. Dette gir spesielt store utfordringer ved svake nett. Hovedaktivitetene har vært: Evaluering av metoder for energilagring samt tilkobling av disse mot kraftnettet. Dette har omfattet studier av alternative teknologier som batterier, svinghjul, superkondensator, kombinasjon brenselcelle/elektrolysør samt supraledende spoler - Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Etablering av et laboratorium for å teste energilagringskomponenter og hvordan omformere i system vil oppføre seg. Flere generelle omformere med styring som enkelt kan konfigureres for ulike typer anvendelser er bygget. Laboratoriet er også velegnet for uttesting av likestrøms distribusjonssystemer. Det jobbes nå med å tilrettelegge for samkjøring av energilagringslaboratoriet med andre laboratorier, hvor det foregår testing av ulike konsept for distribuert energiproduksjon, i første rekke vindkraft. Omformerdimensjonering og metoder for evaluering og verifisering av kraftsystemer med stor andel kraftelektroniske omformere (resonans og stabilitetsproblemer, spenningskvalitet, effektstyring, oppførsel ved feil, komponentbegrensninger). Det er testet ut simuleringsverktøy og modeller. Det er utført studier av hvordan kraftelektronikken virker inn på svake kraftsystemer (for eksempel i skip og offshorenett) Realisering av komplette omformerprototyper (ca 20 kw) for verifisering og demonstrasjon Omformere i kraftsystem Prosjektet har bidratt til etablering av kompetanse og erfaring på metodikk for analyse av komplekse kraftsystemer med utstrakt bruk av kraftelektronikk (energilager, laster og produksjon knyttet opp mot nettet via kraftelektronikk).
Prosjektet har gitt verdifull kunnskap og erfaring med bruk av numeriske simuleringsverktøy. Dette inkluderer også kunnskap om de begrensninger og utfordringer som er knyttet til bruk av disse. Valg av simuleringsverktøy falt ganske tidlig på PSCAD, begrunnet ut fra tidligere erfaringer med brukervennlighet og evne til simulering av kraftelektronikk med et tilstrekkelig detaljeringsnivå. Simuleringsverktøy er etter hvert blitt svært brukervennlige i den forstand at det er enkelt å sette opp en modell og få et svar. Utfordringene er imidlertid å vite hva som er hensiktsmessig detaljnivå i modeller samt det å kjenne forutsetninger og gyldighet for de modeller som benyttes. Den største utfordringen i slike analyser ligger erfaringsmessig i fremskaffelsen av data for komponenter som inngår samt å fremskaffe beskrivelser av omformerstyringen. Dette berører en av målsettingene med energilagringslaboratoriet, hvor ambisjonen har vært å fremskaffe parametre knyttet til dynamisk oppførsel i ulike energilager (elektrisk og elektrokjemisk osv) til bruk i simuleringsstudiene. Den allsidige omformeren Figur 1 viser fire AC/DC-omformere, hvorav tre er synkronisert mot AC-nettet, og den fjerde mot en vindmøllegenerator. Egentlig er dette identiske 3-fase pulsbreddemodulert transistoromformere, som ved tilpasninger i styresystemet kan konfigureres til å utføre en rekke funksjoner, eksempelvis aktiv likeretter, reaktiv effektkompensator (STATCOM), nettstabilisator, aktivt filter, eller en blanding av disse. En aktiv likeretter trekker aktiv effekt, men i motsetning til en passiv diodelikeretter som har strømkurveformer med stort innhold av overharmiske, kan den aktive likeretteren konfigureres til å trekke sinusformede strømmer. I tillegg kan effekten kjøres begge retninger, og endringen av effektretning kan om ønskelig foretas omtrent momentant. Dvs omformeren kan gå som elektronisk styrt resistiv last, eller som generator. Gjennom tilpasning av styresystemet, kan omformeren også konfigureres til å fremstå som en synkronmaskin. En STATCOM gjør det samme som en aktiv likeretter, bare at det nå er reaktiv effekt som utveksles. Retningsendring i reaktiv effektflyt (induktiv kapasitiv) kan foretas omtrent momentant. Se figur 2. Figur 1. Kraftelektroniske omformere integrert i kraftnett. Figur 2. Momentan endring i retning av reaktiv strøm (målinger på prototypen) ch1: Reaktiv strømreferanse ch2: Fasestrøm på nettsiden (50A/div.) ch3: Linjespenning på nettiden (200V/div.)
Når omformeren skal konfigureres som aktivt filter, er det viktig med hurtig respons. Den vil da kunne operere på momentanverdier av spenningsavvikene i AC-spenningen. Det betyr at det aktive filteret reparerer spenningskurveformene på nettet ved injisering av korrigerende strømovertoner. Nesten alt kan simuleres Tilgang til en trefase omformer med egenutviklet styresystem har gjort det mulig å få verifisert simuleringsmodeller og simuleringsverktøy. Resultatene har vist at det er mulig å gjenskape i detalj de fenomener en kan måle. Konklusjonen er derfor at simuleringer i mange tilfeller er bedre enn målinger både for omformerdesign og for studier av problemer knyttet til samspill mellom omformere og mellom omformer og nett. Nøyaktige resultat forutsetter imidlertid detaljert kjennskap til omformer og omformerstyring. Omformerprototyper Det er utviklet flere komplette omformerprototyper på ca 20 kw, som enkelt kan tilpasses for testing av alle funksjonene beskrevet ovenfor. Da er en robust og pålitelig referansegenerator for styresystemet nødvendig. En referansevektor som løper synkront med pluss-komponenten i grunnharmonisk nettspenning. Det er lagt vekt på implementering av et digitalt styresystem som enkelt kan tilpasses ønskede omformerfunksjoner. Kraftkretsen ble designet som en generell byggekloss for bruk i laboratorieoppsett og i prototyper. Den ble gjort robust ved å gi den raust dimensjonerte IGBT-transistorer (Insulated Gate Bipolar Transistor), og utruste transistordriverkretsene med et følsomt kortslutningsvern. Figur 3. Generell omformer for nettintegrasjon med kraftkrets og styreelektronikk. Styreelektronikken er heldigital. Den er bygd opp rundt en mikrokontroller og en stor FPGA-brikke. (Field Programmable Gate Array). Denne inneholder et stort antall konfigurerbare logiske celler, som kan brukes til å bygge opp logiske kretser og signalbehandlingssystem etter behov.
Figur 4: Elektronikk-kort med FPGA-brikke (blank). De mest tidskritiske delene av signalbehandlingene, som strømregulering og omregning fra DC-størrelser som aktiv og reaktiv strøm til fasestrømmer, gjøres i FPGA-brikken. Målte strømmer og spenninger mates inn via en hurtig AD-omformer, og signalbehandlingen gjøres av mange små blokker som er koblet sammen og arbeider parallelt, omtrent som et samlebånd. Signalbehandlingen blir dermed svært rask, med gjenomløpstider i området ett mikrosekund. Sammenlignet med transistorenes svitsjefrekvens, som er i området 3-10 khz, foregår nå signalbehandlingen bortimot kontinuerlig. En unngår dermed de begrensningene en ofte har i responstid i signalprosessorbaserte (DSP) styresystemer, der oppdateringshastigheten gjerne er låst til en eller to ganger svitsjefrekvensen til krafttransistorene. Energilagringslaboratoriet Høy fleksibilitet gjør energilagringslaboratoriet velegnet til så vel komponentundersøkelser som systemstudier. Her er det muligheter for å teste ut nye teknologier for produksjon, lagring og omforming av elektrisk energi. Dette inkluderer også undersøkelse av autonome eller nettilknyttede systemer for distribuert generering. I dag kan enkeltkomponenter opp til ca 20 kw undersøkes i laboratoriet. Sentrale stikkord for komponenttesting er virkningsgrad og levetidsforsøk. Identifisering og verifisering av komponentparametre for modellering er sentrale stikkord. På systemsiden er tilsvarende stikkord integrasjon og gjensidig påvirkning mellom komponenter, samt styring og regulering av overordnet system. Energilagringslaboratoriet er 18 m2 og av dette er ca 11 m2 ATEX-område hvor testing av eksplosjonsfarlig utstyr som f eks brenselcelle eller elektrolysør kan utføres forskriftsmessig. I tillegg kan større fysiske enheter eller systemer tilkoples laboratoriet fra et tilstøtende laboratorium (f eks en vindturbin-emulator). Laboratoriet kan forsynes med hydrogen fra flasker plassert i et utendørs gasslager (semi-automatisk system). Væskekjøling av komponenter (inntil 18,5 kw) samt eget klimaanlegg (5 kw), fjerner varmetap og sørger for stabile temperaturforhold under testene. Styringen av testoppsettet skjer fra en laboratorie-pc med en LabVIEW-basert programvare. Fra dette grensesnittet kan laboratorietestene forhåndsprogrammeres eller styres manuelt og målestørrelser som spenning, strøm og temperatur lagres fortløpende. Programvaren baserer seg på et objektorientert utviklingsverktøy, noe som gjør det fleksibelt og muliggjør raske tilpasninger til nye komponent- og systemkombinasjoner.
Figur 5: Energilaboratoriet ved SINTEF Energiforskning. Dagens anvendelse spenner bl a fra levetidstesting av energilager som batterier, til omfattende studier av komplette vind-hydrogen system. Sistnevnte prosjekt omfatter bl a testing av en elektrolysør som forsynes fra en vindturbin, der vindturbinen emuleres ved hjelp av et omformerstyrt motor-generatorsett. Andre aktuelle anvendelser av laboratoriet kan f eks være integrasjon av brenselcelle, eller emulering av en dieselgenerator i et skipselektrisk nett med høy andel av omformlast. Både brenselcelle og elektrolysør er nå på plass i laboratoriet. Muligheter for norsk industri og brukere av kraftelektronikk Krafthalvlederne er under stadig utvikling. Ytelsen vokser, robusthet og pålitelighet øker, svitsjeegenskapene øker og gir rom for økning av svitsjefrekvens. Styringen blir enklere, og produksjonskostnadene faller. Norsk industri består av relativt små selskaper. Rask teknologiutvikling og sterk vekst i antall nye anvendelser gjør det lettere for disse relativt små firmaene å erobre markedsandeler. Det åpner også mulighetene for nye foretak. Kraftnett med omformere krever helt ny kunnskap relatert til interaksjon mellom komponenter i nettet, spenningskvalitet, stabilitet og feilanalyser. Dimensjonering og analyser av slike nett krever et tett samspill mellom komponentleverandører, systemeiere, og systemkonstruktører. Slike analyseoppdrag er etter hvert blitt en stor aktivitet i kraftelektronikkmiljøet ved SINTEF Energiforskning. Også brukere av kraftelektronikk, andre utstyrsprodusenter og konsulentbransjen vil kunne dra nytte av denne kompetanse og av energilagringslaboratoriet. Spesielt vil vi trekke frem det økende behovet for detaljerte systemanalyser i nett med stor andel frekvensomformerlaster i svake nett. Dette gjelder spesielt skip og offshoreanlegg. Problemstillingene blir imidlertid de samme for industrianlegg tilknyttet svake punkt i nettet. Nettselskaper må regne med økende behov for kunnskap om samspill, og ikke minst mangel på samspill, mellom omformere og mellom omformere og nett som følge av økt utbredelse av energikilder koblet til via kraftelektronikk. Videre kan resultatene anvendes i utviklingsprosjekter for produsenter av omformere og da spesielt omformere beregnet for innmating av energi (tilkobling av nye energikilder) og energilager. Energilagringslaboratoriet gir muligheter for testing av så vel komponenter som systemer. Spesielt egnet er levetidstesting av ulike energilager. Dette bør være av interesse for utstyrprodusenter, men også for mulige brukere som ønsker en tredjeparts vurdering av teknologi eller produkter.
Spin-off fra prosjektet Resultater fra prosjektet har allerede kommet til nytte i avsluttede og pågående prosjekter ved SINTEF Energiforskning. Her kan nevnes flere større analyseprosjekter hvor en har erfart eller har vært redd for interaksjon mellom frekvensomformere og gassturbindrevne generatorer. Det første prosjektet var en omfattende simuleringsanalyse for kartlegging av mulige årsaker til vibrasjonsproblemer i roterende maskineri på oljeplattformen Visund. Analysen avslørte at vibrasjonsproblemene skyltes interaksjon mellom interharmoniske fra omformerregulerte kompressordrifter og mekaniske egenfrekvenser i generatorstrengene. En lignende studie ble gjennomført i forbindelse med prosjekteringen av Grane-plattformen. Det siste prosjektet (pågående) er en omfattende analyse av tilsvarende interaksjonsforhold i LNG-anlegget for Snøhvitgassen på Melkøya. Dette oppdraget utføres for Linde AG i München. Kompetansen har også blitt anvendt i utviklingsoppdrag for en industripartner i forbindelse med utviklingen av en ny generasjon høyeffekt frekvensomformer for fremdrift av skip. Resultater er videre anvendt i prosjekter for norsk industri hvor en har sammenlignet løsninger for energilagring, samt i studier som inkluderer bruk av hydrogen som energibærer / energilager. For tiden utføres et prosjekt for Statkraft hvor det etablerte energilagringslaboratoriet benyttes til forskning på problemstillinger knyttet til bruk av elektrolysør for produksjon av hydrogen fra vindkraft. Nye satsingsområder Resultatene viser at en kraftelektronisk omformer i kraftnettet kan konfigureres til å utføre nær sagt alle tenkelige oppgaver. Om omformeren lar seg produsere til en akseptabel kostnad og med tilstrekkelig driftspålitelighet, er avgjørende. Nå dreies fokus mer i retning av integrert design, omformertopologier for store effekter, og komponentanalyser for ekstreme anvendelser (trykk og temperatur). På integrert design er vi allerede i gang med et KMB-prosjekt (Kompetanseprosjekt med brukerfinansiering) som er støttet av Forskningsrådet sammen med en norsk industripartner. Prosjektet inneholder et bredt spekter av fagområder, hvor det er behov for sammensatt kunnskap fra materialteknologi, produksjonsteknologi, kjøleteknikk og mikroelektronikk, i tillegg til tradisjonell kraftelektronikk. André Büttner, utvekslingsstudent fra Technische Universitaet Ilmenau har hatt sin turnusperiode ved SINTEF Energiforskning. Han arbeidet med realisering av aktivt filter. Han vil være til bake i januar 2005, for oppstart på et dr.ing.-studium finansiert av KMB-prosjektet nevnt ovenfor. Forskningsaktiviteter på komponenter for ekstreme anvendelser vil primært rettes inn mot mulige nye omformeranvendelser på store havdyp og nede i oljebrønner. Vi vil da ta for oss de mest sårbare komponentene i en omformer, så som krafthalvledere, styreelektronikk og kondensatorer, og prøve å strekke grenser i forhold til trykk- og temperturbelastning. Kompakte og pålitelige løsinger vil stå i fokus. Resultatspredning Resultatene fra prosjektet er dokumentert i notater og rapporter og er presentert på internasjonale konferanser. (PCC- 2002 (Osaka), EPE 2003 (Toulouse). Flere resultater fra enkeltaktiviteter i prosjektet og resultater fra spin-off prosjekter vil bli presentert seinere. Mer informasjon om prosjektet finnes på: www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ Kontaktperson ved SINTEF Energiforskning: Magnar Hernes Publisert 13. juni 2005