Troms Kraft Nett AS Postadresse: Evjenvn 34 9291 Tromsø Nettundersøkelse i forbindelse med tilknytning av vannkraftverk ved Steinnes, Stordal og Skognesdalen i Ullsfjord, Tromsø kommune Besøksadresse: Evjenvn 34 Telefon: Telefaks: 77 60 11 00 77 60 13 66 HENDELSE DATO: DOKUMENTANSVARLIG: Internet: www.tromskraft.no Stein W. Bergli Arkiv: 462 Rapportnr: Antall sider: UTFØRT AV (navn/dato): SISTE REVISJON (navn/dato): 1 Stein W. Bergli 5.9.2008 Stein W. Bergli 5.9.2008 Avd: Nett GODKJENT (navn/dato): Dokumentet er elektronisk lagret som I:\nett-ut\Divisjon NettService\Felles NettService\2 Avsluttet\Kunder nettjenester\småkraftverk - Lokal produksjon\måsvik Vindkraft\Utredning-rapport nr.2\måsvik Vindkraft-Tromsø kommune_tkp AS.doc Side: 1 av 14
INNHOLDSFORTEGNELSE 1 INNLEDNING... 3 2 DAGENS DISTRIBUSJONSNETT... 4 3 ALTERNATIVE OPPGRADERINGER FOR LINJESTREKNINGEN... 5 3.1 FORUTSETNINGER... 5 3.2 KOSTNADER VED BYGGING AV NYTT NETTANLEGG... 6 3.3 SPENNINGSGRENSER... 7 3.4 FORSTERKNINGER I 22KV DISTRIBUSJONSNETT... 8 4 SIMULERING I OPPGRADERT NETTANLEGG... 9 4.1 BELASTNING PÅ STASJONSAVGANGER (UTEN DRIFT AV GENERATORER)... 9 4.2 SPENNINGSFORHOLD PÅ RADIALER (UTEN DRIFT AV GENERATORER)... 9 4.3 DRIFTSFORHOLD PÅ RADIALER (DRIFT AV GENERATORER)... 10 5 KRAV SOM MÅ SETTES FRA TROMS KRAFT NETT AS... 12 5.1 LANGSOMME SPENNINGSVARIASJONER... 12 5.2 SPENNINGSSPRANG... 12 5.3 FLIMMER... 12 5.4 SPENNINGSDIPP VED START OG STOPPFORLØP AV GENERATORER... 12 5.5 OVERHARMONISKE... 13 6 KONKLUSJON... 14 7 REFERANSER... 14 SIDE Side: 2 av 14
1 INNLEDNING Dette er rapport nr.1 etter at Troms Kraft Produksjon AS har signalisert interesse for utbygging av vannkraftverk i Ullsfjord, Tromsø kommune. Troms Kraft Produksjon AS ønsker innmating av produksjon tilsvarende 46,7 MW. Dette forstudiet ser på problematikken rundt tilknytning til distribusjonsnett og regionalnett. Til undersøkelsen modelleres nødvendig nett for tilknytningen. Undersøkelser kjøres ut fra stasjonære forhold som berører Troms Kraft Netts nettanlegg. Som bakgrunn for analysen benyttes rapport fra: EBL Kompetanse, TR A5329 Retningslinjer for nettilkobling av vindkraftverk. Rapporten tar for seg de fleste problemstillinger med vindkraft tilkoblet distribusjonsnett. SINTEF, TR A6343.01 Tekniske retningslinjer for tilknytning av produksjonsenheter, med maksimum aktiv effektproduksjon mindre enn 10 MW, til distribusjonsnettet. Den 1.1.2005 kom Norges vassdrags- og energidirektorat med en ny forskrift. Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet Denne forskriften skal bidra til å sikre en tilfredsstillende leveringskvalitet i det norske kraftsystemet. Denne forskriften erstatter tidligere gjeldende Europanorm, EN50160. Side: 3 av 14
2 DAGENS DISTRIBUSJONSNETT Distribusjonsnettet i området kraftverkene planlegges består av FeAl nr.16 og er ikke egnet til innmating av produksjon. Innmating direkte til eksisterende 22kV nett blir derfor ikke vurdert videre. Eksisterende 22kV nett vil ved en produksjon på ca 4 MW oppnå termisk grenselast. Side: 4 av 14
3 ALTERNATIVE OPPGRADERINGER FOR LINJESTREKNINGEN Undersøkelser tar utgangspunkt i at full planlagt produksjon skal kunne mates inn i nettet. For at dette skal være mulig er det nødvendig å bygge nytt regionalnett fra Ullsfjord Trafostasjon til Steinnes eller nærliggende område hvor det etableres en ny trafostasjon. Trafostasjon og ny 132kV linje vil bli et rent produksjonsnett/anlegg. 3.1 Forutsetninger Ny 132kV linje fra Ullsfjord Trafostasjon til ny trafostasjon ved Steinnes. Innmating av produksjon forutsettes tilknyttet 22kV nett der produksjon ved Steinnes og Skognesdalen tilknyttes egne separate avganger fra trafostasjonen ved Steinnes. Produksjon ved Stordal tilknyttes eksisterende 22kV nett som forlenges og forsterkes. Regulering av reaktiv effekt kan være nødvendig for å opprettholde ønsket spenningsnivå, herunder overholde krav i henhold til gjeldende forskrift om leveringskvalitet. Figur 1Prinsippskisse Side: 5 av 14
3.2 Kostnader ved bygging av nytt nettanlegg Grove overslag på kostnader ved etablering av nettilknytning for planlagt kraftverk i Ullsfjord. Prisindeksen i følge SSB er innen kraftbransjen på 306 per juli år 2008 i forhold til gjennomsnittet år 2000 (prisindeks 2000 = 100). KPI (konsumprisindeksen) er på 123 per juli 2008 i forhold til gjennomsnittet år 1998 (KPI 1998 = 100). Kostnader gjelder ved etablering av trafostasjon ved Stordal og ikke ved Steinnes. Felles dersom TKN skal bygge/eie stasjon ved kraftverk Objekt Andel av objekt Spenning Typebetegnelse Tverrsnitt, nr Lengde, antall [km, stk] Kostpris [mill kr] Planlegging 132 Admin 1 0,80 Stasjon 132 Bygning 1 2,89 Elektroteknisk 132 Kraftelektronikk 1 2,40 Trafo 132 50MVA 1 17,14 22kV felt 22 Innendørs 4 1,48 SUM 25 SUM + Margin 27 Alt 1 (ihht TKP alt) Østsiden av fjorden Objekt Andel av objekt Spenning Typebetegnelse Tverrsnitt, nr Lengde, antall [km, stk] Kostpris [mill kr] Luftlinje 132 * FeAl 150 19 16,59 Jordkabel 132 * TSLE 3x1x630 AQ (Al) 630 2,3 9,41 Sjøkabel Kabel 132 * TKZA 3x1x400 KQ (Cu) 400 12 33,05 Endeavslutninger 132 400 6 0,55 Utlegging 12 1,77 Gangtid skip/rigging 1 1,85 Sikring landtak 6 1,48 Dokumentasjon 4 0,15 Trasekarlegging 4 0,31 Skilting 2 0,03 Bryterfelt 132 Luftisolert/Utendørs 1 1,85 Bryterfelt 132 SF6/Innendørs 1 2,71 SUM 70 SUM + Margin 77 Side: 6 av 14
Kostnad på fjordspenn er ukjent, men antar rundt 1,8 mill NOK per km. Kan bli utfordringer med sjøkabel grunnet tidevannsstrøm. Alt 2 (ihht TKP alt) Vestsiden av fjorden Objekt Andel av objekt Spenning Typebetegnelse Tverrsnitt, nr Lengde, antall [km, stk] Kostpris [mill kr] Luftlinje 132 * FeAl 150 25 21,83 Jordkabel 132 * TSLE 3x1x630 AQ (Al) 630 0,3 1,23 Sjøkabel Kabel 132 * TKZA 3x1x400 KQ (Cu) 400 3,6 9,91 Endeavslutninger 132 400 6 0,55 Utlegging 3,6 0,53 Gangtid skip/rigging 1 1,85 Sikring landtak 6 1,48 Dokumentasjon 1,2 0,05 Trasekarlegging 1,2 0,09 Skilting 2 0,03 Bryterfelt 132 Luftisolert/Utendørs 1 1,85 Bryterfelt 132 SF6/Innendørs 1 2,71 SUM 42 SUM + Margin 46 Kostnader for bygging/forsterkning av 22kV nett er ikke behandlet og kommer som tillegg. *Ved valg av linedimensjon på 132kV nettet er dimensjonen valgt ut fra dimensjonen på resterende nett som inngår i sentralnettet i området. Valg av spenningsnivå er gjort ut fra at tilknytningspunktet driftes med 132kV og prisen på 132kV nett grovt sett koster omtrent det samme som 66kV nett. Ved å bygge 132kV nett unngår man også kostnaden ved å utvide Ullsfjord Trafostasjon med nytt traforom og sette inn ny trafo i trafostasjonen. 3.3 Spenningsgrenser Spenningen i 22kV nettet skal ikke variere mer enn ± 4,0 %. Dette kravet gjelder i 100 % av tiden. Spenningen i 132kV nettet skal ikke variere mer enn ± 2,0 %. Dette kravet gjelder i 100 % av tiden. Ved eventuelle undersøkelser av spenning betraktes verste tilfelle. Side: 7 av 14
3.4 Forsterkninger i 22kV distribusjonsnett 1 Objekt Fra Til Typebetegnelse Antall Jordkabel Ny trafostasjon/krv Linje 386 Skarmunken TSLE AL 3x1x240 1 Steinnes Jordkabel Ny trafostasjon /KRV Linje 386 Stordal TSLE AL 3x1x240 2 (Produksjonsrelatert) Steinnes Jordkabel Ny trafostasjon/krv KRV Skognesdalen TSLE AL 3x1x240 1 (Produksjonslinje) Steinnes Luftlinje Steinnes Eksisterende linjeende * FeAl nr.120 1 (Produksjonsrelatert) ved Stordal Luftlinje (Produksjonslinje) Eksisterende linjeende ved Stordal Stordal KRV * FeAl nr.120 1 * Minste mulige dimensjon på luftlinje. Dersom luftnettet skal bygges for dimensjonerende temperatur på 50 C må dimensjonen økes til FeAl nr.185. 1 Forutsetter trafostasjon ved Steinnes og at kraftverket ved Steinnes ligger i samme bygg som trafostasjonen. Side: 8 av 14
4 SIMULERING I OPPGRADERT NETTANLEGG Simulering i eksisterende nett vil ikke sammenlignes med simuleringer i oppgradert nett. Simulering vil derimot se på virkningen av ny produksjon i oppgradert nett. Belastningsdata i simuleringer er målt uttak for år 2007. 4.1 Belastning på stasjonsavganger (uten drift av generatorer) Tabell 1 Belastning på stasjonsavganger uten produksjon Stasjon Avgang Spenning [kv] Tunglast [A] Lettlast [A] Ullsfjord Trafostasjon Steinnes Trafostasjon 132 22,0 23,0 Steinnes Trafostasjon Skognesdalen 22 2,8 2,8 Steinnes Trafostasjon Skarmunken 22 16,0 4,4 Steinnes Trafostasjon Stordal 22 1,9 0,7 4.2 Spenningsforhold på radialer (uten drift av generatorer) Figur 2 Spenningsprofil uten produksjon på radial mot Stordal og Skarmunken Tabell 2 Spenning på utvalgte punkter i nettet (uten drift av generator) Sted Tunglast [kv] 2 Lettlast [kv] 3 Middelverdi Steinnes Trafostasjon (132kV nivå) 132,214 132,233 132,224 Steinnes Trafostasjon (22kV nivå) 22,032 22,041 22,037 Skarmunken 21,703 21,957 21,830 Stordal 22,031 22,041 22,036 Skognesdalen 22,033 22,042 22,038 2 Simulert spenningsnivå ved tunglast/vinter 3 Simulert spenningsnivå ved lettlast/sommer Side: 9 av 14
4.3 Driftsforhold på radialer (drift av generatorer) Figur 3 Produksjon ved tunglast, effektfaktor Cosφ 0,9 Figur 4 Produksjon ved lettglast, effektfaktor Cosφ 0,9 Tabell 3 Belastning på stasjonsavganger (drift av generatorer, effektfaktor Cosφ 0,9) Stasjon Avgang Spenning [kv] Tunglast [A] Lettlast [A] Ullsfjord Trafostasjon Steinnes Trafostasjon 132 216 218 Steinnes Trafostasjon Skognesdalen 22 295 295 Steinnes Trafostasjon Skarmunken 22 16 4,4 Steinnes Trafostasjon Stordal 22 471 471 Tabell 4 Spenning på utvalgte punkter i nettet (drift av generatorer, effektfaktor Cosφ 0,9) Sted Tunglast [kv] 4 Lettlast [kv] 5 Steinnes Trafostasjon (132kV nivå) 131,496 131,512 Steinnes Trafostasjon (22kV nivå) 22,327 22,335 Skarmunken 22,003 22,254 Stordal 22,246 22,255 Skognesdalen 22,412 22,420 4 Simulert spenningsnivå ved tunglast/vinter 5 Simulert spenningsnivå ved lettlast/sommer Side: 10 av 14
Tabell 5 Spenningsendring (ref. middelspenning u/prod) ved utfall av all produksjon, tunglast Sted Før feil (middel)* [kv] Etter feil [kv] U Steinnes Trafostasjon (132kV nivå) 132,224 132,215 1,000% Steinnes Trafostasjon (22kV nivå) 22,037 22,794 1,034% Skarmunken 21,830 22,795 1,044% Stordal 22,036 22,793 1,034% Skognesdalen 22,038 22,477 1,020% *Se tabell 2 side 9 Tabell 6 Spenningsendring (ref. middelspenning u/prod) ved utfall av all produksjon, lettlast Sted Før feil (middel)* [kv] Etter feil [kv] U Steinnes Trafostasjon (132kV nivå) 132,224 132,234 1,000% Steinnes Trafostasjon (22kV nivå) 22,037 22,802 1,035% Skarmunken 21,830 22,723 1,041% Stordal 22,036 22,802 1,035% Skognesdalen 22,038 22,803 1,035% *Se tabell 2 side 9 Tabell 5 og tabell 6 viser spenningsendring fra middelspenning ved feilhendelser i nettet som medfører utfall av all produksjon tilknyttet trafostasjonen ved Steinnes. Spenningsendring ved Skarmunken kommer utenfor grensen ved utfall av all produksjon. Årsaken til dette er at linjen fra Steinnes og nesten hele veien til Skarmunken består av FeAl nr.16. For å holde spenningen innenfor kravene til spenningskvalitet er det derfor nødvendig å forsterke denne linjestrekningen. Linjen fra Skarmunken mot Sandvika Trafostasjon består av FeAl nr.35 og kan bli en flaskehals ved endring av koblingsbildet i distribusjonsnettet. Det er ikke utført undersøkelser av distribusjonsnettet på strekningen i tilknytning til denne undersøkelsen av nettet. Generatorer må under normal drift kunne regulere for lavere Cosφ enn faktoren som er benyttet ved simuleringen. Regulator på trafoen i Steinnes Trafostasjon bør kunne trinne trafoen ved avvik på 1,5 % spenningsendring med reguleringspunkt på trafoens 22kV vikling der trinnstørrelsen ikke overstiger 1,67 %. Ved større trinnstørrelse eller der større spenningsendring tillates vil kraftverkene måtte regulere mer induktivt for å holde spenningen på tillatt spenningsnivå. Konsekvenser ved utfall av produksjon vil bli større der trafoens regulator settes med grovere trinning enn antatt. Her vil også kraftverkenes regulering i større grad gi bidrag til forhøyet spenning ved feilsituasjoner. Ved eventuell realisering av kraftverkene og nettilknytning må regulering av trafoer og generatorer optimaliseres siden det ved simuleringer er benyttet antatte verdier for impedanser i trafoer. Det foreligger heller ikke nøyaktige opplysninger om eventuelle generatorer slik at en endelig plan for samkjøring av nettanlegg og produksjon ikke er mulig per dags dato. 22kV distribusjonsnett som vil kunne forsynes fra Steinnes Trafostasjon kan per i dag forsynes fra to forskjellige trafostasjoner. En eventuell fremtidig gevinst for nettselskapet med tanke på KILE vil derfor være minimal. Nettap i distribusjonsnettet og regionalnettet vil ved tilknytning av produksjon øke som følge av større energitransport i nettet. Side: 11 av 14
5 KRAV SOM MÅ SETTES FRA TROMS KRAFT NETT AS Troms Kraft Nett AS må i forbindelse med nett-tilkobling av generator sette krav til utbygger for fortsatt å tilfredsstille kravene om leveringskvalitet, slik at nettet ikke blir forurenset av de planlagte generatorene. 1.1.2005 kom en ny forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet som setter strenge krav til nettselskapet når det gjelder hvilken kvalitet det er på den spenning og strøm som leveres til kundene. Nettet skal totalt sett drives innenfor Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet fastsatt av Norges vassdrags- og energidirektorat den 30. november 2003. Det viktigste punktet er 3-3, som sier at langsomme variasjoner i spenningens effektivverdi skal være innenfor +/- 10 % i leveringspunktet målt som gjennomsnitt over ett minutt. I tillegg gjelder 3-5 som beskriver spenningsprang som kan oppstå ved start og stopp av motorlast eller generatorlast. De andre kravene som forskriften beskriver finnes nærmere beskrevet i forskriften. I tillegg forholder Troms Kraft Nett AS seg til EBL Kompetanse sin utredning, EBL-K 17-2001 TR A5329 retningslinjer for nettilkobling av vindkraftverk. 5.1 Langsomme spenningsvariasjoner Generator skal ikke bidra med mer enn +/- 4 % spenningsendring ved langsomme spenningsvariasjoner. 5.2 Spenningssprang. I den nye forskriften til leveringskvalitet er det satt krav til spenningssprang. Det tillates ikke større spenningsprang en det som er beskrevet i forskriften 3-5 for spenninger med nettilknytning over 1 kv. 5.3 Flimmer Flimmer i levert spenning hos kundene må i henhold til Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet 3-6 ikke overstige P lt = 1,0. For å overholde dette kravet må hver installasjon tilkoblet nettet kun gi et begrenset flimmerbidrag. IEC 61000-3-7 [4] beskriver metoder for å fastsette maksimalt tillatt flimmerbidrag. Det anbefales i EBL-K 17-2001 TR A5329 Retningslinjer for tilkobling av vindkraftverk [1] at beregning av flimmerbidraget kan unnlates hvis flimmerbidraget fra vindkraftverket en mindre enn P lt = 0,5 for long term flimmer (2 timer) og P st =0,7 for short term flimmer (10 minutter). Dette er et forholdstall slik at det må dokumenteres av produsent av generatoren, at generatoren vil holde seg innenfor dette kravet. Krav til flimmer gjelder for vindkraftverk på lik linje med vindkraftverk. 5.4 Spenningsdipp ved start og stoppforløp av generatorer Start og stopp av generator kan forårsak spenningsdipp, årsaken til dette er magnetiseringen av maskinen. Starten foregår normalt med en frekvensomformer. For å unngå kritisk dipp anbefales det at tillatt negativ spenningsendring som følge av start begrenses til 4 % av nominell spenning (nominell spenning = 22kV). Dette betyr at hvis spenningen i utgangspunktet er 10 % under nominell verdi hos en kunde, vil den ved start maksimalt redusere spenningen til 100 % 10 % 4 % = 86 % av nominell verdi eller 18,9 kv i startforløpet. Anbefalte grenseverdier i EBL-K 17-2001 TR A5329 Retningslinjer for tilkobling av vindkraftverk ved start er 4 %. Grenseverdiene gjelder også for andre typer kraftverk. Side: 12 av 14
5.5 Overharmoniske De overharmoniske strømmene må begrenses slik at levert spenning hos kundene i nettet overholder grenseverdier for overharmoniske spenninger i henhold til Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet. For å overholde dette kravet må hver installasjon tilkoblet nettet kun gi ett begrenset bidrag. IEC 61000-3-6 [3] beskriver metoder for å fastsette det maksimalt tillatte bidraget av overharmoniske strømmer fra hver enkelt installasjon. Dette er først og fremst relevant for generatorer med frekvensomformer. Forenklet kan man si at si at veiledende grenseverdier for overharmoniske strømmer i henhold til IEC 61800-3 [4] kan frekvensomformere tilkoblet et relativt svakt tilknytningsnett slik som dette, finnes på følgende måte. Ved å benytte kortslutningsforholdet bedre enn (Kortslutningsytelse S k over omformerytelse S n ) S k / S n = 20. Dette resulterer i at de overharmoniske strømmene vil bli innenfor det som er beskrevet i de veiledende grenseverdenene. Dette er et forholdstall slik at det må dokumenteres av produsent av generatoren, at generatoren vil holde seg innenfor dette kravet. Veiledende grenseverdier for overharmoniske strømmer er ifølge EBL-K rapport Orden odde harmoniske I h (% av I n ) like harmoniske I h (% av I n ) 0<h<11 4,0 % 1,0 % 11<h<17 2,0 % 0,5 % 17<h<23 1,5 % 0,4 % Faktiske grenseverdier anbefales fastsatt ved bruk av metodene i IEC 61000-3-6 [3] Total overharmonisk skal i henhold til 3-8 i Forskrift om leveringskvalitet ikke være over 8 % som ti minutts middel, eller over 5 % som middel over en uke. Side: 13 av 14
6 KONKLUSJON Startstrøm på generatoren må begrenses til å holde seg innenfor de tillatte 4 % i spenningsfall. Generatorene skal ikke bidra til mer enn ±4 % spenningsendring i 22kV distribusjonsnett ved frakobling av produksjon. Generatorene skal ikke bidra til mer enn ± 2 % spenningsendring i 132kV regionalnett ved frakobling av produksjon. Generatorene skal ikke bidra til mer enn ±4 % spenningsendring i 22kV distribusjonsnett ved langsomme spenningsvariasjoner. Generatorene skal ikke bidra til mer enn ± 2 % spenningsendring i 132kV regionalnett ved langsomme spenningsvariasjoner. Overharmoniske skal ligge innenfor grensen ved bruk av tommelfingerregel, men produsent må dokumentere bidraget i overharmoniske fra generatoren. Flimmerbidraget fra generator skal være mindre enn P long term = 0,5 og P short term = 0,7 hvis ikke må produsent dokumentere bidraget nærmere. Kompensering skal driftes synkront med generator. Enhver tid gjeldende forskrifter til spenningskvalitet skal følges. Forhold som medfører brudd på leveringskvaliteten og kan henføres til produksjonsenhet, vil medføre frakobling inntil forholdet er utbedret av kraftverkets eier. Nettet må gjennomgå en dynamisk analyse for å belyse dynamiske problemstillinger før produksjonsenhetene tilknyttes nettet. Nytt nettanlegg vil bli et rent produksjonsnett/anlegg. 7 REFERANSER [1] EBL-Kompetanse EBL-K 17-2001 TR A5329 retningslinjer for nettilkobling av vindkraftverk [2] EBL Standardavtale for nettleie og vilkår for nettilknyting herunder Europanormen EN50160 [3] IEC 61000-3-6 (1996) Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems [4] IEC 61000-3-7 (1996) Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems [5] Forskrift om leveringskvalitetet i kraftsystemet gjeldende fra 1.1.2005 [6] Kraftsystemutredning for Troms [7] SINTEF, TR A6343.01 Tekniske retningslinjer for tilknytning av produksjonsenheter, med maksimum aktiv effektproduksjon mindre enn 10 MW, til distribusjonsnettet. Tromsø den 5.9.2008 Kraftsystemutreder Troms Kraft Nett AS Side: 14 av 14