Kraftelektronikk i pumpekraftverk - Institutt for elkraftteknikk

Transcription

PROSJEKTRAPPORT
PROSJEKTOPPGAVE - TET 4190 KRAFTELEKTRONIKK FOR FORNYBAR ENERGI
Kraftelektronikk i pumpekraftverk
NTNU, høsten 2010
Prosjektdeltagere:
Roger Enes
Trond Sliper
Trygve Tønnesen
Veileder:
Jon Are Wold Suul
Faglærer:
Tore Marvin Undeland
Prosjektrapport NTNU høsten 2010, TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi
Forord
Denne prosjektrapporten, i tillegg til en presentasjonsplakat, er sluttresultatet av et miniprosjekt i faget TET4190 Kraftelektronikk for fornybar energi ved Norges teknisknaturvitenskapelige universitet (NTNU) høsten 2010. Formålet med prosjektet, er å sette seg
inn i et tema innenfor fagområdet kraftelektronikk med fokus på fornybar energi. I tillegg skal
miniprosjektet presenteres for representanter fra ulike bedrifter med en plakat som i korte
trekk viser hovedelementene i prosjektet.
Jon Are Wold Suul, stipendiat ved institutt for elkraftteknikk NTNU, har vært prosjektets
veileder. I tillegg har faglærer, professor Tore Undeland vært involvert i arbeidet med
definering og utforming av prosjektets innhold. Prosjektdeltakerne ønsker å rette en takk til
alle som har bidratt med veiledning under gjennomføringen av prosjektet.
NTNU, 29. oktober 2010
Roger Enes
Trond Sliper
Trygve Tønnesen
II
Sammendrag
Rapporten starter med en generell beskrivelse av virkemåten og hensikten med
pumpekraftverk, og hvorfor det er aktuelt med turtallsregulering i pumpedrift. Videre er det
en oversikt over ulike maskintyper, metoder for oppstart og turtallsregulering, og hvordan
kraftelektronikk benyttes for å oppnå disse egenskapene. Til slutt er det en enkel
prinsippbeskrivelse av ulike omformertopologier.
III
Innhold
Forord ........................................................................................................................................ II
Sammendrag ............................................................................................................................. III
Innhold ..................................................................................................................................... IV
1.
Innledning........................................................................................................................... 1
2.
Generelt om pumpekraftverk ............................................................................................. 2
3.
4.
2.1
Pumpekraftverkets virkemåte ...................................................................................... 2
2.2
Hensikten med pumpekraftverk ................................................................................... 3
Elektriske maskiner i pumpekraftverk ............................................................................... 6
3.1
Induksjonsmaskiner ..................................................................................................... 6
3.2
Synkronmaskin ............................................................................................................ 7
3.3
Oppstart av elektriske maskiner .................................................................................. 7
3.3.1
Direktestart ........................................................................................................... 7
3.3.2
Konvensjonell oppstart med hjelpemotor............................................................. 7
3.3.3
Mykstart og drift ved hjelp av kraftelektronikk ................................................... 7
Kraftelektronikk i pumpekraftverk ..................................................................................... 8
4.1
Fullskala frekvensomformer ........................................................................................ 9
4.2
Tyristorstyrt frekvensomformer ................................................................................ 10
4.3
Syklo-omformer......................................................................................................... 12
4.4
Transistorstyrt frekvensomformer ............................................................................. 14
4.5
Transistorstyrt trenivåomformer ................................................................................ 16
4.6
Dobbelmatet induksjonsmotor (sleperingsmotor) ..................................................... 18
5.
Konklusjon ....................................................................................................................... 20
6.
Referanser......................................................................................................................... 21
IV
1. Innledning
Pumpekraftverk har stor samfunnsmessig betydning og blir stadig mer aktuelt i forbindelse
med fornybar energiproduksjon. Det er behov for en viss reguleringsevne fordi det alltid må
være balanse i kraftsystemet mellom produksjon og forbruk. Variasjoner i kraftpris gjør det
samfunnsøkonomisk lønnsomt å kunne lagre energi for å produsere kraft når prisen er høy.
Denne rapporten tar for seg en grunnleggende innføring i prinsippet for pumpekraftverk og
hvordan kraftelektronikk i ulike omformertopologier benyttes for turtallsregulering. De ulike
løsningene diskuteres og vurderes i forhold til hverandre. Rapporten er begrenset til kun å ta
med de grunnleggende prinsippene uten å beskrive virkemåten i detalj.
1
2. Generelt om pumpekraftverk
Et pumpekraftverk er et vannkraftverk som både kan produsere elektrisk energi og pumpe
vann tilbake til magasinet. På den måten er det mulig å lagre energi.
2.1 Pumpekraftverkets virkemåte
Figur 2.1 viser prinsippet for et pumpekraftverk. Fra øvre magasin går det en rørgate med stor
fallhøyde ned til turbinen. Turbinen produserer elektrisk energi når vannet går fra øvre til
nedre magasin. For å øke vannmengden i øvre magasin, pumpes vann fra nedre magasin ved
hjelp av turbinen (i pumpedrift), opp gjennom rørgaten, og ut i øvre magasin. [1]
Øvre magasin
Dam
Rørgate
Generatordrift
Pumpedrift
Turbin/
pumpe
Nedre magasin
Figur 2.1: Prinsippet for et pumpekraftverk [2]
Det finnes pumpekraftverk med separat turbin for pumpe- og generatordrift, men det vanligste
er å benytte samme turbin både i generator- og pumpedrift. Dette kan gjøres ved å snu
dreieretningen på generatoren. Ulempen med felles turbin, er lavere virkningsgrad.
Francisturbinen er et typisk eksempel på en turbintype som også egner seg i pumpedrift fordi
den har en utforming som gjør det mulig å reversere vannstrømretningen. [4]
2
2.2 Hensikten med pumpekraftverk
I Norge er pumpekraftverk mest aktuelt for sesonglagring av energi. Dette er for å utnytte
store nedbørsmengder på høsten og smeltevann på våren. I land med mindre
sesongvariasjoner produseres energi på dagen og vann pumpes opp om natten, fordi
etterspørsel og pris er lavere (døgnregulering). Japan er et typisk eksempel på et land med
store pumpekraftutbygginger. Nygard kraftverk i Modalen er et eksempel på et nyere norsk
pumpekraftverk. I tillegg ligger det konsesjonssøknader hos NVE for ytterligere utbygging.
[3]
Det
norske
vannkraftsystemet
har
store
utviklingsmuligheter
for
levering
av
reguleringsfleksibilitet til det europeiske kraftsystemet. Dette kan realiseres med utbygging av
maskinkapasitet
i
vannkraftverkene
eller
installasjon
av
reversible
enheter
med
pumpemulighet. For at dette skal kunne realiseres, kreves etablering av nødvendig
overføringskapasitet mellom Norge og Europa (det kontinentale overføringsnettet). Et
eksempel på dette er installasjonen av en 700 MW HVDC-kabel mellom Norge og Nederland
(NorNed). Sammen med vindkraftutbygging, både offshore og onshore, gir dette Norge en
stor mulighet med tanke på landets reguleringspotensial. Norge har alene tilnærmet 50 % av
total magasinkapasitet i Europa. [11]
I Tyskland domineres kraftproduksjonen av kull og kjernekraft (figur 2.2). På grunn av
dårlige reguleringsegenskaper i disse kraftverkene, er dette en produksjonsform som kun
egner seg til grunnlast. Av den grunn ønsker kraftprodusentene å selge kraften til Norge i
lavlastperioder. I Nederland er det også stor andel kraftproduksjon fra kull (figur 2.3). Kraften
Norge importerer kan da videre brukes til å pumpe vann opp i magasinene for lagring av
potensiell energi til en lav pris. Når prisene igjen blir høye på dagtid, på grunn av økt
etterspørsel, kjøres det samme vannet ned gjennom samme turbin og kraft med en høyere pris
produseres. [12]
3
Figur 2.2: Kraftproduksjon i Tyskland [12]
Figur 2.3: Kraftproduksjon i Nederland [12]
Vindmøller har de samme dårlige reguleringsegenskapene. Dette er fordi produsert effekt er
proporsjonal med vindhastigheten i tredje potens, og vindhastigheten varierer veldig. For å
utnytte vindhastigheten er det best at vindmøller er tilkoblet et nett med gode
reguleringsegenskaper. Dette forsvarer utbygging av pumpekraftverk.
Kraftutveksling i Norge 14. oktober 2010
450,00
440,00
430,00
0
420,00
410,00
-1000
400,00
-2000
390,00
380,00
-3000
370,00
360,00
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
22-23
23-24
-4000
Timenummer i døgnet
Sverige
Danmark
Finland
Nederland
Netto utveksling
Pris
Figur 2.4: Kraftutveksling i Norge 14.10.10 [13]
4
Russland
Pris [kr/MWh]
Import (+) og eksport (-) [MWh]
1000
Figur 2.4 viser kraftutvekslingen i Norge over et døgn (data fra 14.oktober 2010). Horisontal
akse viser timene i døgnet, mens de to vertikale aksene viser kraftflyt og kraftpris. Det er
mange faktorer som påvirker kraftprisen i Norge, men enkelt sagt er det to faktorer;
etterspørsel og vannbeholdning. Sett på årsbasis styres prisene mer eller mindre av
vannbeholdningen.
Det kommer tydelig fram av figur 2.4 at Norge importerer kraft om natten. Dette gjelder
særlig fra Nederland og Danmark, som er hovedforbindelsen til Europa. Fra time 5 til 8 øker
kraftprisen kraftig pga økende etterspørsel og påfølgende går kraftflyten gradvis over fra netto
import til netto eksport. Norge importerer ikke kraft om natten fordi etterspørselen i landet er
høy, men fordi Europa har overflødig kraft på grunn av dårlig reguleringsevne. På den måten
har Norge netto import om natten og netto eksport om dagen. Konklusjonen må derfor bli at
ved større grad av installert reguleringsevne gjennom pumpekraft, kan det importeres mer
kraft om natten, for så å pumpe denne opp i høytliggende magasiner.
5
3. Elektriske maskiner i pumpekraftverk
Elektriske maskiner kan brukes både som motor og generator. Dette defineres ut i fra
retningen på effekten. Hastigheten på maskinen er avhengige antall poler i maskinen og
hastigheten på akslingen. Det betyr at endring av frekvensen på tilført spenning er nøkkelen til
hastighetsregulering, siden antall poler er noe fysisk som er låst av konstruksjonen. I
hovedsak kan vekselstrømsmaskiner deles inn i to hovedgrupper. De to forskjellige typene
kategoriseres ut i fra hvordan rotoren er bygd opp, induksjonsmaskiner og synkronmaskiner.
Induksjonsmaskiner er også kalt asynkronmaskiner fordi turtallet ikke er låst til et synkront
turtall. [6]
3.1
Induksjonsmaskiner
En induksjonsmaskin består i hovedsak av to hovedkomponenter, stator og rotor. Statoren
består av en sylindrisk jernkjerne bygd opp av laminert blikk (trafoblikk). Elektrisk sett består
statoren av tre viklinger som er 120° forskjøvet i forhold til hverandre, derav kommer trefasebegrepet inn. Rotoren består også av en jernkjerne med laminerte blikkplater. Elektrisk sett
kan rotoren være kortsluttet eller viklet med utlagte viklinger. Dette gir grunnlaget for det som
kalles kortslutningsmaskin (asynkronmaskin) og sleperingsmaskin.
I en kortslutningsmaskin er viklingene kortsluttet i hver ende av rotoren. Det engelske ordet
for en slik rotor er ”squirrel-cage” (burvikling) og kommer av at rotoren er formet som et bur.
Slike maskiner er veldige mye brukt i industrien.
I en sleperingsmaskin har rotoren tre viklinger som er stjernekoblet og lagt ut via sleperinger
for ekstern tilkobling. Dette gir mulighet for å tilkoble eksterne motstander. Disse blir i
hovedsak brukt under oppstart. Ved normal drift brukes maskinen med kortsluttede
sleperinger og oppfører seg da som en kortslutningsmaskin. [6]
6
3.2
Synkronmaskin
Synkronmaskiner er de som utelukket blir brukt i store vannkraftverk. Statoren på en slik
maskin er lik den vi finner i en induksjonsmaskin, men rotoren er annerledes. Den er viklet
med en lang serievinkling (feltvikling), der hver ende er lagt ut på hver sin slepering. Denne
tilføres en DC-spenning under drift. Den store fordelen med en slik maskin kontra en
induksjonsmaskin, er dens egenskaper for regulering av reaktiv effekt. [6]
3.3
Oppstart av elektriske maskiner
Ved å kjøre en synkronmaskin som motor, er turtallet låst av nettfrekvensen og antall poler i
maskinen. I begrepet synkronmaskin menes det at feltet i rotor og stator har samme rotasjonshastighet, altså ingen sakking. Det betyr at turtall og effekt er konstant ved bruk av en slik
maskin. [6]
3.3.1 Direktestart
En synkronmaskin kan ikke startes opp uten videre. Rotoren er derfor på en synkronmaskin
ustyrt med en dempevinkling slik at den kan startes som en kortslutningsmotor. Sleperingene
kortsluttes eller tilkobles en ekstern hjelpemotstand for å skape et stort nok moment under
oppstart. [5]
3.3.2 Konvensjonell oppstart med hjelpemotor
Hvis det på en annen side er snakk om litt større maskiner, benyttes en hjelpemotor
(ponymotor) til oppstart av synkronmaskiner. Dette for å hjelpe maskinen opp i turtall før den
magnetiseres og ”går av seg selv”. [6]
3.3.3 Mykstart og drift ved hjelp av kraftelektronikk
Den siste varianten er oppstart ved hjelp av frekvensomformer. Dette er en mye brukt metode
som gir store fordeler med tanke på turtallsregulering, laststyring og optimalt moment under
oppstart. I store pumpekraftverk benyttes det kraftelektronikk i de fleste tilfeller. Videre i
neste hovedkapittel er de grunnleggende topologiene til de mest brukte frekvensomformerne
forklart og diskutert.
7
4. Kraftelektronikk i pumpekraftverk
Som tidligere nevnt, snur et pumpekraftverk rotasjonsretningen på turbinen og pumper vann
opp til et høyere nivå. Dermed tilføres vannet potensiell energi (stillingsenergi). For å kunne
starte opp elektriske maskiner i størrelsen kW-MW, benyttes en eller annen form for
mykstarter. Kraftelektronikk brukes ofte til å løse dette problemet energieffektivt og elegant. I
tillegg er kraftelektronikk godt egnet til turtallsregulering under drift. [5]
For best mulig virkningsgrad og dermed også energiutnyttelse, er det viktig å finne optimalt
turtall. Dette turtallet vil være noe forskjellig i pumpe- og generatordrift. I pumpedrift vil en
synkronmaskin gå med konstant turtall når den er koblet til nettet. Det er derfor aktuelt å
benytte turtallsregulering for å oppnå høyest mulig virkningsgrad. For turtallsregulering,
benyttes ulike former for kraftelektroniske omformere. [4]
Figur 4.1 viser hvorfor det er viktig med turtallregulering for å oppnå best mulig
virkningsgrad. Hvis løftehøyden varierer mye, er det viktig å kunne regulere effekten. Figur
4.1 viser løftehøyden på horisontal akse og effektområdet på vertikal akse. Det betyr at for en
bestemt løftehøyde kan effekten som trekkes fra nettet variere. Dette betyr at operatøren av
kraftverket kan tilby frekvensregulering på nettet selv i pumpemodus ved høy virkningsgrad.
Pumpe-effekt [MW]
Område for optimal virkningsgrad
Løftehøyde[m]
Figur 4.1: Sammenheng mellom pumpe-effekt og løftehøyde for optimal virkningsgrad [14]
8
4.1 Fullskala frekvensomformer
Frekvensomformere benyttet innen elkraftteknikk kan regulere spenningens frekvens og
amplitude, og er derfor meget godt egnet til å drive elektriske maskiner. Frekvensomformere
anvender kraftelektronikk på forskjellige måter for å oppnå mykstart, turtallsregulering og
effektregulering av elektrisk maskiner.
Fullskala frekvensomformere kan behandle effektflyt i begge retninger, som kan være gunstig
når en elektrisk maskin skal drives som motor og generator i samme system. Det er i
hovedsak to typer fullskala frekvensomformere; transistorstyrt og tyristorstyrt. Prinsipiell
moduloppbygging er lik og består av en likeretter, DC-link og vekselretter (figur 4.2 og 4.3).
Tyristorstyrte frekvensomformere har en spole i DC-linken og har derfor den karakteristiske
egenskapen, konstant strøm (figur 4.2). Transistorstyrte frekvensomformere har en
kondensator koblet mellom pluss og minus i DC-linken, og har derfor den karakteristiske
egenskapen, konstant spenning (figur 4.3). Det finnes mange varianter som kombinerer både
transistorer og tyristorer, men de blir ikke omtalt her. Videre er de grunnlegende topologiene
til tyristor - og transistorstyrte fullskala frekvensomformere forklart. [5]
SM
Figur 4.2: Konstant strøm [8]
Figur 4.3: Konstant spenning [8]
9
4.2 Tyristorstyrt frekvensomformer
Tyristorbru 1
DC – link
Tyristorbru 2
Figur 4.4: Tyristorstyrt frekvensomformer [8]
Figur 4.4 viser topologien til en fullskala tyristorstyrt frekvensomformer. Som figuren viser,
er forsyningsnettet tilkoblet likerettermodulen (tyristorbru 1), kommuteringen til tyristorlikeretteren er derfor styrt av linjefrekvensen (nettfrekvensen). DC–linken mellom likeretter
og vekselretter har en induktans Ld som er så stor at DC-linken blir en tilnærmet konstant
strømkilde. Forenklet kan det da sies at vekselretteren er forsynt fra en strømkilde.
Vekselretteren (tyristorbru 2), merket som ”load inverter” i figur 4.4, er lastkommutert (LoadCommutated Inverter, LCI). Det vil si at det er den elektriske synkronmaskinen som
bestemmer frekvensen på kommuteringen, og dermed frekvensen på spenningen.
For å forklare enkelt hvordan turtallet i en motordrift reguleres, settes slukkevinkelen (γ) på
vekselretteren og magnetiseringsstrømmen til konstante verdier. Turtallsregulering under
synkront turtall styres nå ved å heve eller senke spenningen på DC-linken. Dette er mulig
fordi økt spenning på DC-linken gir økt klemmespenning på motoren og dermed øker også
statorstrømmen. Siden statorstrømmen og det elektromagnetiske momentet (Tem) er proporsjonale med hverandre (formel 4.1), vil en større statorstrøm gi økt tilført moment på rotoren
og dermed høyere turtall.
Tem 
Pem
s
 kT  I s
P
d
 Tem  Tload  kT  I s  Tload  em  Tload
dt
s
(4.1)
10
Når turtallet skal reguleres over synkront turtall, må magnetiseringsstrømmen reduseres i
rotoren. Dette resulterer i redusert momentevne, men frekvensomformeren kan levere
nominelle verdier. Hvordan hele reguleringen foregår med tilbakekobling er vist på figur 4.5.
I generatordrift så vil tyristorbru 2, nærmest generatoren, fungere som en likeretter der
kommuteringen er styrt av generatorfrekvensen. Tyristorbru 1 tilkoblet nettet vil operere som
vekselretter og kommuteringen vil følge nettfrekvensen.
Figur 4.5: Blokkdiagram over reguleringskretsen [8]
Fullskala tyristorstyrte frekvensomformere er mest brukt sammen med større elektriske
maskiner (>1 MW), der virkningsgraden kan overstige 95 %. Dette er fordi virkningsgraden
stiger med effekten. Fordelen med tyristorer er at en kan koble de i serie for å redusere
effekten over hver tyristor, dette gjør store frekvensomformere rimelige. Ulempen med en slik
omformer ligger i oppstartsekvensen. Når turtallet er under omtrent ti prosent av nominelt
turtall, må driften av frekvensomformeren tilpasses for å få tyristorene til å kommutere.
Motordriften under slike forhold er ”hakkete”. Tyristorstyrte omformere forårsaker en stor
andel overharmoniske komponenter og har derfor behov for overharmonisk filter. [8]
Denne typen omformer blir brukt til kontinuerlig drift av pumpekraftverk eller kun som en del
av et oppstartsystem (SFC).
11
4.3 Syklo-omformer
Dette er en omformer beregnet for turtallsregulering av induksjonsmotorer og synkronmaskiner med høy effekt og lavt turtall. Det er både amplituden og frekvensen på ACspenningen som kan reguleres ved hjelp av et nettverk av tyristorer. Omformeren kan forsyne
belastninger med forksjellig effektfaktor (kapasitiv og induktiv eller ”lag og ”lead”) uten at
effektfaktoren på inngangssiden går fra ”lag” til ”lead”. Det er også muligheter for
firekvadrant-drift. [9]
En helbro trefase omformer består av to linjeførte omformere koblet ”rygg-mot-rygg” for hver
fase, en for positiv og en for negativ halvperiode. Hver av disse linjeførte omformerne består
av 6 tyristorer slik at det til sammen blir 36 tyristorer i en fullbro omformer, som vist på figur
4.6. Figuren viser også at det er en skilletrafo per fase som sørger for et galvanisk skille
mellom nettet på tilførselssiden og omformeren/motoren. [8]
Figur 4.6: Syklo-omformer [7]
12
Denne typen omformer er en 6-puls omformer. I hver fase er det en av de to omformerne som
leder sekvensielt, styrt av en tennvinkel for positiv og negativ omformer. Når spenningen
skifter polaritet, går den ene omformeren fra på til av og den andre omformeren fra av til på.
For å hindre uønsket spenningsfall i overgangen mellom de to omformerne, er det viktig at
gjennomsnittsverdien av spenningen er lik for begge omformerne. Figur 4.7 viser kurveformen på utgangen til en av de tre fasene (regulert med tennvinkelen). Her fremgår det
tydelig at frekvensen på utgangsspenning- og strøm er lavere enn frekvensen på
inngangsspenningen. Omformeren opererer som likeretter eller vekselretter avhengig av om
belastningsstrømmen er positiv eller negativ. [7]
Figur 4.7: Kurveformer for syklo-omformer [8]
Frekvensen på utgangsspenningen må bli mindre enn omtrent en tredel av frekvensen på
inngangen for å unngå for stor andel harmoniske komponenter, og for å oppnå tilfredsstillende
utgangseffekt og virkningsgrad. Total harmonisk forvrengning (%THD) øker med økende
frekvens på utgangen fordi kurveformen er satt sammen fra færre enheter av
tilførselsspenningen. [8]
13
4.4 Transistorstyrt frekvensomformer
Nett
Generator /motor
Transistorbru 1
DC – link
Transistorbru 2
Figur 4.8:Topologien til en transistorstyrt frekvensomformer [15]
Transistorstyrte frekvensomformere er ikke avhengige av nettfrekvensen eller elektriske
maskiner som hjelper med kommutering, slik som tyristorstyrte frekvensomformere.
Topologien til den mest vanlige transistorstyrte frekvensomformeren er vist i figur 4.8.
Tyristorene er nå byttet ut med transistorer og dioder. I tillegg er spolen i DC-linken byttet ut
med en kondensator. Kondensatoren hjelper til med å holde spenningen konstant på DClinken. Derfor kan det sies at vekselretteren (transistorbru 2) er forsynt av en spenningskilde.
Vekselretteren (transistorbru 2) gjør om likespenningen fra DC-linken til vekselspenning med
ønsket amplitude og frekvens. Dette er mulig ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM),
som kan utnyttes på flere måter for å skape trefase vekselspenning. I hovedsak går det ut på å
lage spenningspulser som variere i bredde over en periode. Transistorene slipper gjennom
spenningspulsene på kommando fra en styrekrets. Komparatoren er den komponenten i
styrekretsen som bestemmer om transistoren skal være av eller på. Den gjør som navet tilsier,
sammenligner en trekantspenning (Vtri) med et sinusformet kontrollsignal (VControl,A i figur
4.9 a). For å lage trefase vekselspenning, er det nødvendig med tre kontrollsignal (VControl,A,
VControl,B, VControl,C, forskjøvet 120° i forholdt til hverandre). Den grunnharmoniske spenningskomponenten til VAB har frekvensen VControl,A +30° og en amplitude som er proporsjonal med
amplituden til kontrollsignalet (figur 4.9 b).
14
Figur 4.9: Pulsbreddemodulering [8]
Fordelen med transistorstyrte frekvensomformere er fleksibiliteten i frekvensregulering. Med
en fullskala transistorstyrt frekvensomformer kan en uten problemer med ”hakking” kjøre en
elektrisk maskin ned i turtall under ti prosent. En annen fordel er at det ikke er nødvendig med
harmonisk filter i samme grad som ved transistoromformere. Ved overgang fra generatordrift
til motordrift, er det ikke nødvendig å legge om styresystemet. Ulempene er høye
investeringskostnader og utfordringer når det skal omformes store effekter.
15
4.5 Transistorstyrt trenivåomformer
Den tradisjonelle frekvensomformeren er en to-nivå-omfomrer. Det betyr at utgangsspenningen formes ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM) med to mulige spenningsverdier. I en tre-nivå-omformer har utgangsspenningen tre mulige verdier. Det gir en jevnere
utgangsspenning (nærmere en ren sinusformet spenning, figur 4.10) som fører til mindre
andel harmoniske komponenter. Det er også mindre svitsjetap fordi svitsjefrekvensen kan
være lavere enn i en to-nivå-omformer. Ulempen er at det er nødvendig med flere
komponenter og en mer avansert styrekrets.
Vreferans
2-nivå PWM
3-nivå PWM
e
Vkontroll
PWM
Vut
Iut
Figur 4.10: Sammenligning av 2-nivå PWM og 3-nivå PWM [15]
En av de vanligste trenivåomformertopologiene kalles 3L-NPC (neutral point clamped
multilevel inverter) og går også under betegnelsen ”diode clamped multilevel inverter” (figur
4.11). Spenningen deles opp i tre nivåer ved hjelp av de to kondensatorene. Diodene sørger
for å låse svitsjespenningen til det halve av DC-spenningen. Det er da tre mulige
spenningsnivå: +VDC/2, -VDC/2 og 0V. [10]
16
Figur 4.11: Trenivå NPC-omformer [10]
17
4.6 Dobbelmatet induksjonsmotor (sleperingsmotor)
Når stator og rotor i en induksjonsmotor tilkobles to separate AC-kilder, kalles den for en
dobbelmatet maskin (figur 4.12). I realiteten er det en sleperingsmotor med utlagte rotorklemmer, stjernekoblet, for tilkobling av en AC-spenning. På den måten kan det tilføres en
variabel AC-spenning med ulike frekvenser, som igjen gir mulighet for turtallsregulering. Det
er en sammenheng mellom størrelsen (effekten) på omformeren og turtallsområdet det
reguleres over. I forbindelse med et pumpekraftverk er det ikke stor forskjell mellom optimalt
turtall i generator- og pumpedrift.
DC – link
Figur 4.12: Dobbelmatet omformer [17]
Motoren kan enten kjøres i supersynkron eller subsynkron drift. Dette er avhengig av om
feltet i rotoren virker med eller motsatt vei av feltet i statoren. Dette kan reguleres ved å endre
faserekkefølgen, enten inn på stator eller inn på rotor. Frekvensen inn på stator er regulert
etter nettfrekvensen. Derfor gjøres turtallsreguleringen ved å regulere rotorfrekvensen på
følgende måte:
Subsynkron:
n
120
( f  f2 )
p
(3.2)
120
( f  f2 )
p
n = rotorhastighet [r/min]
p = antall poler
f = nettfrekvens [Hz]
f2 = rotorfrekvens [Hz]
Supersynkron:
n
(3.3)
18
Formel 3.2 og 3.3 viser at ved subsynkron drift er det turtallregulering under synkront turtall,
men for supersynkron drift er det regulering over synkront turtall. Hensikten med å regulere
turtallet på maskinen, er at den også indirekte regulerer effekten. Dette er en stor fordel der
det er store forskjeller i vannmengde og løftehøyde ut i fra når på året pumpingen skal utføres.
Effekten ut på akslingen reguleres gjennom frekvensen og på den måten gjennom sakkingen
(formel 3.4). [5]
Put  (1 
f2
) Protor  (1  s ) Protor
f
(3.4)
Put = effekt ut på akslingen [W]
f2 = rotorfrekvens [Hz]
Protor = effekt tilfør rotor[W]
f = nettfrekvens [Hz]
s = sakking
19
5. Konklusjon
Prosjektrapporten omhandler pumpekraftverk og kraftelektronikk brukt i forbindelse med
slike anlegg. I rapporten beskrives virkemåten av slike kraftverk, hvordan disse kan integreres
i det norske kraftmarkedet og hvordan kraftelektronikk kan benyttes i forbindelse med
oppstart og drift av kraftverket.
Pumpekraftverk har en god reguleringsegenskap i forhold til å utligne lastvariasjoner gjennom
året. Det betyr at slike kraftverk kan gå som generator i høylastperioder og pumpe i
lavlastperioder. På den måten kan kraftsystemet utnyttes bedre både globalt og nasjonalt.
Ved å innføre turtallsregulering i pumpekraftverket, utnyttes driften på en bedre måte
sammenlignet med drift ved konstant turtall. Dette fordi turtallet er proporsjonalt med
effekten som igjen er proporsjonal med løftehøyden. I magasiner der reguleringshøyden er
stor, vil det derfor være gunstig med turtallregulering for å oppnå en best mulig
virkningsgrad.
Turtallregulering kan realiseres gjennom bruk av kraftelektronikk i AC-AC omformere. De
ulike topologiene for de forskjellige omformerne er beskrevet i kapittel 3. Her drøftes det
fordeler og ulemper ut i fra forskjellige faktorer. Disse faktorene er i hovedsak: pris, effekt,
spenningsnivå, reguleringsområde og motorløsning.
På et generelt grunnlag vil en dobbel-matet løsning være gunstig på grunn av at omformeren
kan dimensjoneres etter omtrent 30 % av total effekt. Ulempen er at det må benyttes en
sleperingsmotor som er dyrere sammenlignet med en synkronmaskin.
Dersom selve omformeren skal vurderes, vil en transistorvariant være gunstig ved lave
effekter på grunn av virkningsgraden. I tillegg vil det ikke være behov for harmoniske filter
og fasekompensering. Ved høye effekter, vil tyristorvarianten være mest gunstig på grunn av
virkningsgraden og dens egenskaper til å håndtere store effekter. I tillegg er en tyristor
billigere enn en transistor for samme effekt. Ulempen her er faseforskyvningen og
overharmoniske forstyrrelser på nettet.
20
6. Referanser
[1]
Fonrybar.no – informasjonsressurs for fremtidens energisystemer,
www.fornybar.no, 1. oktober 2010
[2]
Renewbl
www.renewbl.com, 1. oktober 2010
[3]
Energilink, teknisk ukeblad
www.energilink.tu.no, 1. oktober 2010
[4]
Suul, Jon Are: Variable speed pumped storage hydropower plants for integration of
wind power in isolated power system, NTNU
[5]
Wildi, Theodore: Electrical machines, drives and power systems 6th edition, Pearson
Education 2006
[6]
Dalva, Magnus og Thorsen, Olav Vaag: Elektriske maskiner og omformere,
Gyldendal 1. utgave 2001
[7]
AC to AC voltage converters, National programme on technonolgy enhanced learning,
www.nptel.iitm.ac.in, 17. oktober 2010
[8]
Mohan, Ned, Undeland, Tore, Robbins, William: Power electronics – converters,
applications and design, John Wiley & Sons, third edition
[9]
ABB AC Drives: Cycloconverters for high performance speed and torque control of
synchronous motors.
[10]
European journal of scientific research: NPC Multilevel inverter
www.eurojournals.com/ejsr.html, 17. oktober 2010
21
[11]
Fodstad, Lars Audun: Vindkraft i europeisk perspektiv, Midtskandia
årsmøtekonferanse,
Mo i Rana 2009, www.statkraft.no, 19. oktober 2010
[12]
Olje- og energidepartementet
www.regjeringen.no, 12. oktober 2010
[13]
Nord pool
www.nordpool.com/marketinfo/powersystemdata, 14. oktober 2010
[14]
Janning, Jörg og Alexander Schwery: Next generation variable speed pump-storage
power stations
www.converterteam.com, 20. oktober 2010
[15]
Gecko Research
www.gecko-research.com/index.html, 14. oktober 2010
[16]
Ikonen Mika, Laakkonen Ossi, Marko Kettunen: Two-level and three-level converter
comparison in wind power application
www.elkraft.ntnu.no/smola2005, 20. oktober 2010
[17]
National Instruments
www.ni.com , 26.oktober 2010
22

Kraftelektronikk i pumpekraftverk - Institutt for elkraftteknikk

Transcription

Similar documents

Ladelikeretter - siesenior.net

Tysk-norsk kraftinitiativ

Forprosjekt - Høgskulen i Sogn og Fjordane

Marianne Reime

Kunnskapsutvalget - Muligheter i omstilling.pdf

Memo NO - Tetra Pak

CITROËN C-ZERO TEKNISKE SPESIFIKASJONER OG UTSTYR

Nr 4 - Nrapp.no