Prosjektnummer: Prosjektperiode: Sluttrapport- Oppdateringsskjema Sendes ved prosjektslutt til Norges forskningsråd Vennligst kontroller at de forhåndsutfylte opplysningene på det tilsendte skjemaet stemmer. Ved feil og nye opplysninger krysser man av i korrekt boks og skriver inn den oppdaterte informasjonen i dette skjemaet, som returneres sammen med det forhåndsutfylte skjemaet til Forskningsrådet. A Grunnlagsopplysninger Dersom navn på prosjektmedarbeidere (det vil si faglige medarbeidere på prosjektet som helt eller delvis er finansiert av Forskningsrådet) ikke framgår av grunnlagsopplysningene på det tilsendte skjemaet, fylles opplysningene ut slik: Prosjektmedarbeidere: Navn, stilling, arbeidssted, finansieringsandel fra Forskningsrådet. Oppgi i tillegg om den ansatte er registrert som doktorgradsstudent. Det er ingen endringer i grunnlagsopplysningene Endringer og nye opplysninger følger nedenfor X (kryss av) (kryss av) Prosjektopplysninger (Fylles kun ut ved endringer) Prosjektansvarlig Sintef Energiforskning AS institusjon: Adm. ansvarlig Adm. dierktør Sverre Aam Prosjektleder (faglig Forsker Magnar Hernes ansvarlig): Prosjektmedarbeider(e): Nils Arild Ringheim, Kjell Ljøkelsøy, Olve Mo, Tormod Kleppa Veileder: Prosjekttittel: Power electronics and energy storage technologies for cost and energy efficient power systems Finansieringsplan: (Fylles kun ut ved endringer) 2000 2001 2002 2003 Sum Bevilgning/tilsagn fra 2.000,000 2,400,000 2,400,000 2,400,000 9,200,000 Forskningsrådet Egne midler Andre offentlige midler Andre private midler EU-midler Kostnader: (Fyll ut faktiske kostnader) 2000 2001 2002 2003 2004 Sum Personal og indirekte 1,409,148 2,152,440 1,897,046 1,638,638 744,753 7,842,025 kostnader Innkjøp av FoU-tjenester 76,931 76,931 Vitenskapelig utstyr Andre driftskostnader 171,663 531,814 199,801 255,406 82,431 1,241,115 SUM total 1,657,742 2,684,254 2,096,847 1,894,044 827,184 9,160,071 Resterende prosjektmidler (kr 39.929) er planlagt benyttet til resultatspredning/ publisering etter avsluttet prosjekt (ref punkt 3)
B Prosjektsammendrag Prosjektsammendraget skal kunne brukes i prosjektkataloger/-registre og som grunnlag for annen informasjon fra Forskningsrådet. Nytt prosjektsammendrag utarbeides ved endringer i prosjektets mål/delmål, som medfører at tidligere prosjektsammendrag ikke kan benyttes. Dersom det utarbeides nytt prosjektsammendrag, krysser man av i korrekt boks nedenfor og skriver inn oppdatert versjon nedenfor. Sammendraget skal inneholde informasjon om følgende elementer: Bakgrunn for prosjektet, problemstilling og betydning av forskningen. Sammendraget skal være på maksimalt 200 ord. For prosjekter finansiert av områdene Kultur og samfunn, Medisin og helse og Miljø og utvikling skal det også leveres engelsk sammendrag. Prosjektsammendrag Det er ingen endringer i prosjektsammendrag Nytt prosjektsammendrag følger nedenfor X (kryss av) (kryss av) Due to increasing concern of environmental impact from energy consumption, there will be an increasing demand for application of more cost- and energy-efficient systems for production, storage and conversion of electric energy. Major advances in technologies within these areas are giving prospects of cost- and energy-efficiency, as well as reliability of hybrid power system comprising the new technology. The main challenge of this research program is to obtain the required competence in order to be able to optimize the over all hybrid power system, taking into account the capabilities, limitations, efficiencies and cost of the single components. The main effort will be emphasized on the utilization of power electronic converters for optimization of controlled power flow. However, adequate knowledge of characteristics of prospective storage technologies like batteries, fuel cells, advanced flywheels, supercapacitors and superconducting storage elements (SMES), is imperative in the process of system optimization. The main building block for power conversion is the voltage source converter (VSC). The institute will use its long experience from development of such converters as platform in the searching for futureoriented solutions, as well as exploiting the results from the SUP at NTNU. New technology goals achieved will be demonstrated through the pilot installations. C Faglig rapport Den faglige rapporten skal skrives nedenfor. Vi gjør oppmerksom på at det også spørres etter periodiserte opplysninger i tiden fra siste framdriftsrapportering. Merk at tabellene under punkt 2 og 3 SKAL fylles ut. 1 Oppnådde faglige resultater Beskriv prosjektets oppnådde resultater i forhold til hovedmål, delmål og milepæler som er fastsatt i kontrakt og arbeidsplaner. Beskrivelsen skal også inneholde en samlet konklusjon/egen vurdering av prosjektgjennomføring og ressursbruk. Videre ønskes en vurdering av forholdet til Forskningsrådet i prosjektperioden. Se Ref 1: Achieved technical results (på engelsk) Se Ref 2: Prosjektomtale på norsk Gi i tillegg en kort populærvitenskapelig framstilling av de viktigste FoU-resultatene (dvs nye funn, nye problemstillinger, ny kunnskap) som er oppnådd i prosjektperioden, og gi en vurdering av resultatenes nyhetsverdi. Framstillingen vil blant annet bli benyttet som underlag for Forskningsrådets årsrapportering til departementene, eksempelsamling på internett mv. Side 2
Populærvitenskapelig framstilling: The objective of this project has been to gain new knowledge and to establish new laboratory facilities for future R&D projects on the design and use of power electronic converters in power systems. SINTEF has through this project gained the required expertise, competence and laboratory facilities for design of dedicated grid connected converters, and for optimization of hybrid power systems like renewable energy sources in combination with electric energy storage technology and power electronic converters. New skills and experience Design of power circuit and control electronics for grid-connected converters Control methods for grid connected converters Technologies for energy storage Fuel cells powered systems Interaction and power quality aspects of grid connected converters Numerical simulations including development of new models Experience from designing and testing of converter prototypes New facilities and prototypes Energy storage laboratory Data acquisition software General purpose converter unit 25 kw DC/DC converters 20 kw AC/DC converters Converter control electronics Electrolyzer Prospective projects owing to results from the SIP-project Development of dedicated grid connected converters and control electronics Design and verification of power systems Fault and interaction analysis of power systems containing grid connected converters Feasibility studies of energy storage and distributed generation systems (battery, wind, hydrogen, solar, etc.) While this project has been in progress, there has been a remarkable increase in focus on subjects related to the prioritized activities of this project. E.g. renewable energy sources, propulsion of ships, autonomous power systems, and hydrogen as energy carrier. This has also led to an increasing demand for projects related to these subjects at SINTEF Energy Research. E.g. several projects on analysis of converter dominated power systems, converter development projects, and projects involving the energy storage laboratory. This shows that the startup time for the project was optimum, and that we hit the mark as regards priority of subjects. For detailed project results, see the project wed page: http://www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ Side 3
2 Vitenskapelige utgivelser og annen publisering Gjør rede for vitenskapelige utgivelser og annen publisering (som er akseptert) fra prosjektet for hele prosjektperioden i en publikasjonsliste inndelt etter publikasjonstypene i tabellen nedenfor. Følgende opplysninger bes oppgitt i listen (Hvis flere publikasjoner kopier de aktuelle boksene før utfylling): Se også : http://www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ Project document list Bok/Artikkel i bok/rapport: Forfatter(e): Arbeidets tittel: Tittel på bok/artikkelsamling: Forlag/Utgiver: Redaktør: Flerbindsverk/serie: Sidenr.: Nr./Bind/År: ISSN/ISBN: Sted: Artikler: Forfatter(e): Arbeidets tittel: Tidsskrift/Avis: Atle Abelsen Energilagring i nettet Elektro Sidenr.: Nr./Vol./År: ISSN: 16 Nr. 2 Mars 2004 1502-6507 Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Magnar Hernes Risk for interaction between components in power grids with high a percentage of converter loads NIF/NITO-seminar: Elkraftoffshore-forsyning og anvendelse / 15. 16. September 2003/ Stavanger Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Olve Mo Kurs I bruk av EMTDC (skip/ offshore nett) Spesialkurs for Aker Elektro AS/ uke 42 2001/ Trondheim Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Nils Arild Ringheim, Magnar Hernes Energy Storage laboratory Presentasjon for Boeing/ mars 2004/ Trondheim Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Nils Arild Ringheim m. fl. Diverse SINTEF presentasjoner overfor norsk industri med tema rundt H 2 - aktiviteter EBL, Statnett, Statoil/ 2004 Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Magnar Hernes, Bjørn Gustavsen Investigation of possible Network Interaction between Turbine-generator Trains and Converters in the Power Grid at the Oil Platform Visund Konferanse: PCC-Osaka 2002 /2-5 april 2002/ Osaka Japan Side 4
Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Olve Mo, Magnar Hernes, Kjell Ljøkelsøy Active damping of oscillations in LC-filter for line connected, current controlled, PWM voltage source converters Konferanse: EPE 2003/ september 2003/ Toulouse Foredrag, presentasjon og lignende: Forfatter(e): Tittel:: Arrangement/dato/sted: Kjell Ljøkelsøy, Olve Mo Fast current controllers using FPGA s Konferanse: EPE 2003/ september 2003/ Toulouse Oppgi antall utgivelser etter publiseringstype i tabellen nedenfor. Publikasjonstyper: Artikler i vitenskapelige tidsskrifter med referee Artikler i andre vitenskapelige tidsskrifter og antologier Bøker (monografier, lærebøker, antologier (red.)) Publiserte foredrag fra internasjonale faglige møter Andre rapporter samt foredrag og presentasjoner fra vitenskapelige/faglige møter Antall siden forrige rapport Antall i hele prosjektperioden Antall planlagt etter prosjektavslutning 3 1 4 2 3 Annen forskningsformidling Gjør rede for andre formidlingstiltak enn publiseringsvirksomhet (dvs. deltakelse i vitenskapelige og allmennrettede/brukerrettede konferanser og møter, høringer, utstillinger og lignende) for hele prosjektperioden i en liste som skal inneholde følgende opplysninger: For deltakelse i arrangementer: Arrangement Arrangør Dato For innslag om prosjektet i massemedia: Mediets navn Type innslag Dato www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ Prosjektbeskrivelse og prosjektresultater 2004-09-30 Side 5
Oppgi antall formidlingstiltak etter tiltakstypene i tabellen nedenfor. Andre forskningsformidlingstiltak: Allmennrettede formidlingstiltak (populærvitenskapelige artikler/høringer/utstillinger) Brukerrettede formidlingstiltak (møter/seminarer i departementer, næringsliv, organisasjoner) Oppslag vedrørende prosjekter i massemedia Antall siden forrige rapport Antall i hele prosjektperioden 3 47 Antall planlagt etter prosjektavslutning 4 Andre resultater Gi en kort beskrivelse av andre resultater i prosjektperioden som: Veiledning, kurs, undervisning Forskernettverk Brukernytte, patenter Annet Veiledning, undervisning: André Büttner, en utvekslingsstudent fra Ilmenau Technical University, valgte å ta sin obligatoriske turnusperiode ved SINTEF. Han var engasjert i prosjektet i perioden 2002-04-15 til 2002-09-30. Hans oppgave var å realisere et aktivt filter (ref aktivitet A2 og A3 i prosjektet) Dr.ing. stipendiat Helge Kolstad ved NTNU var tett knyttet til prosjektet gjennom veiledning og samarbeid, i tilknytning til et av delprosjektene. Dr.ing stipendiat Helge Weydahl ved NTNU Institutt for Materialteknologi og Elektrokjemi har vært knyttet til prosjektet. SIP-midlene finansierte bl. a. veiledning og undervisning, samt at energilagringslaboratoriet som er bygd opp med SIP-midler står til disposisjon for ham. 5 Prosjektmedarbeidere finansiert av Forskningsrådet 5.1 Doktorgrads- og postdoktorstipendiaters virksomhet Gi opplysninger om avbrudd, permisjoner og fratredelser. Oppgi også tidspunkt for disputas for doktorgradsstipendiater. Ingen 5.2 Utenlandsopphold Oppgi utenlandsopphold av mer enn tre måneders varighet i siden forrige rapportering. Angi navn på prosjektmedarbeideren, perioden, utenlandsk institusjon og land. Det skal i tillegg redegjøres særskilt for utbytte av oppholdet. Ingen Side 6
Ref 1 Achieved technical results A detailed project presentation, including achieved technical results, implementations, publications spin-off projectc etc. is found on the project web page: http://www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ A summary of objectives and accomplishment, including own conclusions and relation to the Research Council is given below Summary of main results is given below (from the web Main page) Detailed summary of result related to sub-goals, spin off/related projects, students and intership is found on the web Main page/result summaries OBJECTIVES AND ACCOMPLISHMENT The following principal objective and sub goals were defined in the original project application to the Research Council. Principal objective: To gain the required expertise and competence for optimization of hybrid power systems comprising renewable energy sources in combination with prospective storage technology for electric power and power electronic converters. Technology developed in the programme will be demonstrated through the following pilot installations: Small power system (20 kw), applicable for drive systems, consisting of converter, electrical motor, fuel cell and battery or electrochemical capacitor A multi-mw converter adaptable for ship propulsion, large windmills and power system integration. Sub goals 1. Clarify characteristics of candidates of high power semiconductor devices, primarely IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in various applications - Development of gate drivers - Parallel/series coupling - Cooling characteristics - Cost topics. 2. Develop control and regulation methods for VSCs (Voltage Source Converter) in various power system applications. 3. Clarify feasibility of hybrid power systems comprising converters, storage devices and power sources. Pros and cons for various concepts. 4. Establish the required competence on prospective storage technologies like batteries, fuel-cells, advanced flywheels, electrochemical capacitor and superconducting magnetic energy storages (SMES), in order to be able to do system optimization and to realize proper converter interface. 5. Establish methods for testing of lifetime, reliability, operability, efficiency, and for calculating operating costs etc of prospective storage technology. Provide specimens of selected devices and perform laboratory test. 6. Clarify challenges and possibilities by applying power semiconductor circuit breakers. Development and test of breakers. Accomplishment As a main conclusion it can be stated that all sub-goals, except sub-goal 1 and 6 above, have been reached, in the sense that important results have been produced. Sub-goal 1 and 6 was taken out in an early phase of the project. The reasons were: Less funding than assumed in the project application form Changes in the scientific staff Activities were funded through other channels While this project has been in progress, there has been a remarkable increase in focus on subjects related to the prioritized activities of this project. E.g. renewable energy sources, propulsion of ships, autonomous power systems, and hydrogen as energy carrier. This has also led to an increasing demand for projects related to these subjects at SINTEF Energy Research. E.g, several projects on analysis of converter dominated power systems, converter development projects, and projects involving the energy storage laboratory. This shows that the startup time for the project was optimum, and that we hit the mark as regards priority of subjects. For this project the relation with the Research Council has been without problems. Especially mentioned is the high degree of flexibility shown from The Research Council, in periods when the projects suffered from shortage of personal resources. This has made it possible to do an overall optimal utilization of both resources and funding. Side 8
SUMMARY OF RESULTS Project abstract The objective of this project has been to gain new knowledge and to establish new laboratory facilities for future R&D projects on the design and use of power electronic converters in power systems. SINTEF has through this project gained the required expertise, competence and laboratory facilities for design of dedicated grid connected converters, and for optimization of hybrid power systems like renewable energy sources in combination with electric energy storage technology and power electronic converters. New skills and experience Design of power circuit and control electronics for grid-connected converters Control methods for grid connected converters Technologies for energy storage Fuel cells powered systems Interaction and power quality aspects of grid connected converters Numerical simulations including development of new models Experience from designing and testing of converter prototypes New facilities and prototypes Energy storage laboratory Data acquisition software General purpose converter unit 25 kw DC/DC converters 20 kw AC/DC converters Converter control electronics Electrolyzer Prospective projects owing to results from the SIP-project Development of dedicated grid connected converters and control electronics Design and verification of power system Fault and interaction analysis of power systems containing grid connected converters Feasibility studies of energy storage and distributed generation systems (battery, wind, hydrogen, solar, etc.) Side 9
Ref 2 Prosjektomtale på norsk Underlag for artikler i norske fagtidsskrift Kraftelektronikk for integrasjon av nye energikilder og energilager i kraftsystemer. - Et strategisk instituttprosjekt gjennomført ved SINTEF Energiforskning - Magnar Hernes, Kjell Ljøkelsøy, Nils Arild Ringheim, Olve Mo SINTEF Energiforskning AS Bakgrunn I 1999 søkte SINTEF Energiforskning 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 Anvendelser hvor der er behov for kraftelektroniske omformere, og kompetanse på analyse av systemer hvor slike omformere inngår, er stadig økende. For eksempel er det spesielle behov og utfordringer knyttet til integrering av nye fornybare energiressurser, så som vind og hydrogen, i eksisterende kraftsystem. 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. Bare i løpet av prosjektperioden har det vært en kraftig økende fokus og utvikling innen disse områdene. Dette har vi også merket ved SINTEF Energiforskning i form av økende oppdragsetterspørsel, noe som viser at vi traff blink når det gjaldt temavalg og tidspunkt for det strategiske instituttprosjektet. 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 kraftelektronikk omformere. Det har vært spesielt fokusert på svake nett siden utfordringene er størst her. En av hovedaktivitetene har vært evaluering av metoder for energilagring samt tilkobling av disse mot kraftnettet. Dette har omfattet studier av alternative teknologier som batterier, Side 10
svinghjul, superkondensator, kombinasjon brenselcelle/elektrolysør samt supraledende spoler (superconducting magnetic energy storage (SMES)). En annen hovedaktivitet har vært etableringen av et laboratorium for uttesting av energilagringskomponenter og for uttesting av hvordan omformere i system vil oppføre seg. Det har for dette formål blitt utviklet og bygget flere generelle omformere med styring som enkelt kan konfigureres avhengig av hva som skal testes ut. Laboratoriet er forøvrig også velegnet for uttesting av likestrøms distribusjonssystemer. Det jobbes nå med å tilrettelegge for samkjøring av energilagringslaboratoriet med andre laboratorier (nabolokaler), hvor det foregår testing av ulike konsept for distribuert energiproduksjon, i første rekke vindkraft. Prosjektet har videre fokusert på omformerdimensjonering, samt metoder for evaluering og verifisering av kraftsystemer med stor andel kraftelektronikk omformere (resonans og stabilitetsproblemer, spenningskvalitet, effektstyring, oppførsel ved feil, komponentbegrensninger). Arbeidet har også inkludert uttesting av simuleringsverktøy og modeller, samt studier av hvordan kraftelektronikken virker inn på svake kraftsystemer (for eksempel i skip og offshorenett). Resultater 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. Side 11
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 for 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) Industri aktivt filter/ STATCOM brenselcelle energilager Når omformeren skal konfigureres som aktivt filter er det viktig med høy respons. Den vil da kunne operere på momentanverdier av spenningsavvikene i AC-spenningen, dvs. det aktive filteret reparerer spenningskurveformene på nettet ved injisering av korrigerende strømovertoner. Figur 1: Kraftelektroniske omformere integrert i kraftnett Side 12
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.) Omformerprototyper I prosjektet er det utviklet flere komplette omformerprototyper på ca 20 kw, og som enkelt kan tilpasses for testing av alle funksjonene beskrevet ovenfor. For å få dette til, ble det nødvendig å realisere en robust og pålitelig referansegenerator for styresystemet, dvs en referansevektor som løper synkront med pluss-komponenten i grunnharmonisk nettspenning. Videre er det 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. Nett Filter IGBT krafttransistorer DC-krets C L PLL Fasevinkelreferanse Strømregulatorer Drivere DC spenningsregulator Nettspenningsregulator Reaktiv strømref Vinkelomregning Aktiv strømref. Figur 3: Generell omformer for nettintegrasjon med kraftkrets og styreelektronikk Side 13
Styreelektronikken er heldigital, og er bygd opp rundt en mikrokontroller og en stor FPGAbrikke. (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. 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. Figur 4: Elektronikk-kort med FPGA-brikke (blank) 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 1eller 2 ganger svitsjefrekvensen til krafttransistorene. Energilagringslaboratoriet Et laboratorium for testing av ulike typer energilager er bygd opp i prosjektet. Høy fleksibilitet gjør energilagringslaboratoriet velegnet til så vel komponentundersøkelser som systemstudier. Laboratoriet gir muligheter for uttesting av nye teknologier for produksjon, lagring og omforming av elektrisk energi. Dette inkluderer også undersøkelse av autonome eller nettilknyttede systemer for distribuert generering. Side 14
Figur 5: Energilagringslaboratoriet ved SINTEF Energiforskning I dag kan enkeltkomponenter opp til ca 20 kw undersøkes i laboratoriet. Sentrale stikkord for komponenttesting er virkningsgrad og levetidsforsøk. Videre er identifisering og verifisering av komponentparametre for modellering sentrale stikkord. På systemsiden er tilsvarende stikkord integrasjon og gjensidig påvirkning mellom komponenter, samt styring og regulering av overordnet system. Energilagringslaboratoriets ytre mål er 18 m 2. Av dette er ca 11 m 2 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). Videre kan laboratoriet 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. Dagens anvendelse spenner bl a fra levetidstesting av energilager som batterier, til omfattende studier av komplette vind-hydrogen system. Sistenevnte prosjekt omfatter bl a testing av en elektrolysør som forsynes fra en vindturbin, der vindturbinen emuleres vha et omformestyrt motor-generatorsett. Andre aktuelle anvendelser i laboratoriet kan f eks være integrasjon av brenselcelle, eller emulering av en dieselgenerator i et skipselektrisk nett med høy andel av omformlast. Side 15
Figur 6: Bilde av elektrolysør i energilagringslaboratoriet. Sideplater og topplate er fjernet for bedre innsyn. Elektrolysøren er plassert i et lukket kabinett. Publisering Resultatene fra prosjektet er dokumentert i notater og rapporter. Sammendrag av disse finnes på prosjektets web-sider. Prosjektresultater er også blitt presentert ved internasjonale konferanser. Dette omfatter blant annet beskrivelse av metoder for aktiv demping av filterresonanser samt beskrivelse av hvordan simuleringer ble benyttet til å finne årsaken til generator vibrasjonsproblemer forårsaket av kraftelektronikk omformere på en offshoreinstallasjon. Utdanning Dette prosjektet har ikke bidratt direkte med finansiering av studentarbeid, men SINTEFforskerne i prosjektet har bidratt med veiledning av flere mastergrads og dr.ing, studenter ved NTNU, innen tema som sammenfaller med aktiviteter i prosjektet. Videre har en utvekslingsstudent fra Technische Universitaet Ilmenau hatt sin turnusperiode ved SINTEF Energiforskning, hvor hans oppgave var realisering av aktivt filter. Nytteverdi 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. Side 16
Muligheter for norsk industri og andre aktører 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. Videre krever kraftnett med omformere 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, og i stor grad takket være kompetanse fra dette prosjektet. Også brukere av kraftelektronikk, andre utstyrprodusenter og konsulentbransjen vil kunne dra nytte av den etablerte kompetanse og av det etablerte 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 tilkoblet 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. Energilagringsaboratoriet 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. Side 17
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 den etablerte energilagringslaboratoriet benyttes til forskning på problemstillinger knyttet til bruk av elektrolysør for produksjon av hydrogen fra vindkraft. Nye satsingsområder ved SINTEF Energiforskning Resultater fra dette prosjektet sammenfaller med konklusjoner fra internasjonal litteratur på området, og demonstrere at en kraftelektronisk omformer i kraftnettet kan konfigureres til å utføre nær sagt alle tenkelige oppgaver. Det som fort blir avgjørende er om omformeren lar seg produsere til en akseptabel kostnad, og samtidig med tilstrekkelig driftspålitelighet. Ved SINTEF Energiforskning dreier vi derfor nå 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 Forskningsrådsstøttet KMBprosjekt (Kompetanseprosjekt med brukerfinansiering) sammen med en norsk industripartner. Dette er et prosjekt som krever samarbeid mellom et bredt spekter av fagområder. De vil bli behov for sammenspleising av kunnskap fra materialteknologi, produksjonsteknologi, kjøleteknikk og mikroelektronikk, i tillegg til tradisjonell kraftelektronikk. Forskningsaktiviteter på komponenter for ekstreme anvendelser vil primært rettes inn mot mulige nye omformeranvendelse 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 Mer informasjon Hensikten med denne presentasjonen har vært å gi et visst overblikk over prosjektet og resultatene, og det ville ført for langt å gå mer detaljert inn på enkeltaktivitetene. Resultater fra enkeltaktiviteter i prosjektet, samt resultater fra spin-off prosjekter vil derfor bli presentert seinere, som temaartikler i norske fagtidsskrift Mer informasjon om prosjektet finnes også på prosjektets hjemmeside: http://www.energy.sintef.no/prosjekt/ke/ Kontaktperson ved SINTEF Energiforskning: Magnar.Hernes@sintef.no Side 18