Trender och utmaningar som påverkar elkraftsystemet. Carl Öhlen

Transkript

1 Trender och utmaningar som påverkar elkraftsystemet Carl Öhlen

2 Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar

3 STRI Din oberoende partner -Your independent partner - för högspänningsteknologi och tillämpningar

4 Vi finns i mitten av världen

5 En fortsättning på mer än 100 års erfarenhet! 1883 Belysning och generatorer! 1893 Den första 3-fasiga industriella kraftöverföringen (SE)! 1952 Världens första 400 kv-transmission (SE)! 1954 Världens första HVDC-transmission (SE)! 1965 Världens första 800 kv transmission (CA)! 1982 Världens första 600 kv HVDC-transmission (BR)! 2008 Världens första 800 kv HVDC-transmission (STRI) STRI en del av The High Voltage Valley

6 Vilka vi är och vad vi kan göra STRI Consulting Spetskompetens för direkt användbara lösningar STRI Software Omfattande verktygslåda för effektivitet och tillförlitlighet STRI Testing Ackrediterat högspänningslaboratorium

7 Organisation VD Dan Wikström E Ekonomi och Administration Lisa Berntsson Q Kvalitetsäkring Björn Engström R Tekniktjänster och Programvaror Ingvar Hagman M Marknad & Affärsutveckling Carl Öhlen Personal RK Kraftsystemanalys RA Underhåll & Diagnostik RT Provning MC Management Consulting Ludvika Västerås RI Isolation RL Ledningar & Stationer RE EMC & Elkvalitet RW IT & WEB Göteborg

8 Kunder! Kraftbolag, myndigheter och organisationer AEP, CEA, CSG, EdF, Elforsk, Eltra, Entergy, EPRI, ESB, ESKOM, VB, Fingrid, Forsmark, Fortum, OKG, PG & E, NTPC, Powerlink, Ringhals, Statnett, SvK, SwePol, E.ON, Tohoko, Vattenfall, FGC, Energinet.dk etc.! Tillverkare, entreprenörer och ingenjörsbolag ABB, AFL Focas, Alstom, Balfour Beatty Rail, BHEL, Bombardier, Cooper Power System, Lapp Insulators, Nexans, NGK, Nordtrafo, Siemens, Trench, Tyco, Zibo, Dow Corning, Eltel, Westinghouse etc.! Industrier Assi Domän, AvestaPolarit, AzoNobel, Billerud Paper, Holmen, Intel, LKAB, Ovako Steel, Solna Offset, Outokumpu, SSAB, SSG, StoraEnso, Volvo, etc.! Järnvägsbolag Banverket, Jernbaneverket

9 Kunder och ägare

10 Den Nordiska Elenergi Marknaden Russia Wind Heat Nuclear Hydro DK FI NO SE Netherland Germany Poland Cross border transmission with HVAC and HVDC TWh DK FI NO SE TOTAL Hydro Nuclear Heat Wind Production Consumption

11 Detta är vårt arbetsområde Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Elektrifiering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi

12 Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar

13 Kraven på tillförlitligehet, tillgänglighet och kvalitet ökar Europe 2006 Moscow Japan 2006 Northern Europe 2005 Dubai

14 Kraven på ren energi utan koldioxid är ett måste Idag! Published 12:00 GMT (10 am in Brasilia) 27 November 2007

15 Accelererande koldioxidutsläpp 9 +2 o C +4 o C +6 o C Fossil Fuel Emission (GtC/y Emissions : 1.3% /y : 3.3% /y

16 Vad hände egentligen de sista 50 åren? Energy consumption 4000 Oil consumption Hydro/Nuclear Wood Gas Oil % World Coal % Ex. Soviet % OECD % USA TWh

17 Vad händer nu? Utvecklingsländrena med Kina, Indien, Syd Afrika, Brasilien i spetsen kopierar vår livsstil med mer el och fler bilar. Med samma antal/capita som i USA skulle detta innebära en ökning av installerad elkraft samt bilar med sju gånger Million of cars Electricty GW Developing Industrialized Developing Industrialized Population % Pop %

18 Den stora utmaningen att ersätta oljan men också kol, gas, fissionskärnkraft...

19 Elenergi företagen har en plan

20 Hur kan svenskt kunnande hjälpa världen att minska CO2 utsläpp? = Effektiv integrering och överföring = Effektiv användning och lagring 9 Energy per capita consumption 8,0 Fossil Mtoe per capita 8 Hydro 7,0 7 6 Nuclear Coal Gas Oil 6,0 5,0 Kol/Coal Gas Olja/Oil 4,0 5 3,0 4 2,0 3 1,0 0,0 2 1 USA Canada Australia Russia Finland UK Japan Germany Italy Spain France Sweden World China India 0 US A S weden World Brazil

21 Hur mycket kan vinden ersätta? (Av elproduktionen) Electricity TWh Total Thermal Hydro Nuclear Wind Total Thermal Hydro Nuclear Wind Total Sweden Denmark Finland Norway Nordic Nordic % 100% 21% 55% 24% 0% 100% 23% 53% 23% 1% Russian Federation Russia% 67% 21% 12% 0% 66% 18% 16% 0% World World % 100% 64% 19% 17% 0% 100% 67% 16% 16% 1%

22 Gotland HVDC Light project Vindgenerering kräver ökad överföring av 50 MW Minimal miljöpåverkan Till Havs! HVDC classic 1983 Visby 70 km 65 MVA Gotland HVDC Light 50 MW 20 MW Näs 65 MVA

23 HVDC Light som generator & motor Omedelbar reglering av aktiv och reaktiv effekt

24 Norge satsar på Kablar, Vindkraft till havs, HVDC Light.och Olja/Gas

25 Sverige satsar på Kablar, Vindkraft till havs och land, HVDC Light... och modernisering av kärnkraften

26 Ett välkänt problem European Commission, Report Directorate-General for Energy 2000 It is by now well appreciated that one of the economic factors limiting the exploitation of Europe s wind resource is the predominantly weak existing public electricity network in those areas most attractive for installation of wind turbines. The basic problem is that the distribution systems were designed to distribute power to consumers and not to collect it. Metoder för miljövänliga och säkra uppsamlingsnät (med kabel)

27 EU-DEEP ram projekt för DER Distributed Energy Resources! Finansierat av EU med deltagande från många EU länder! Utveckla en metod för att bedöma lönsamhet av DER för olika sektorer.! Att hitta fast-track tillämpningar av DER.! hushåll! kommersiell! industriell! European Competence Group för att behålla och sprida kunskaper efter projektets slut. Benefits to the EU Fast-track option 1 Today Fast-track option 2 Fast-track option Benefits to the EU % of electricity produced by DER in Europe Today Without EU-DEEP EU-DEEP (Demand driven) Other FP6 projects (Advanced components, T&D networks approach) % of electricity produced by DER in Europe

28 R&D Exempel: EU deep Bo wman Pow e r Syste ms, Gaz de France, Saft, Te chno fi, Transé nergie Ibe rdrola, CENTER, Labe in, Universidad Politecnica de Valencia Lege nd : Tracte be l, Laborele c, KULe uven Fag re l, FEEM, Capitalia Utilitie s Manufacturers Re se arch Ce nte rs Professionals National Agencie s RWE Ene rg y, MTU CFC, Siemens PTD Lund Unive rsity, STRI EPA Attiki, Anco, Hele tel, AUTh, CRES, ICCS/NTUA, RAE VTT pro ce sse s Latve nergo, Riga Technical University Lodz Region Power, EnergoProjekt, KAPE Ve iki Te do m Siemens PSE Tübitak Ele ctricity Authority of Cyprus, Frederick Institute of Te chno lo gy

29 Otillgänglighet = ~0 MTTR/MTBF + MTTM/MTBM Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Distribuerad Generering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi

30 Europe 20XX Scenario 99LFC0825 Hydro 200 GW Hydro power Solar power Wind power Distributed generation by regenerative fuel cells DC transmission Gas (hydrogen) distribution Chemical Storage 1000 TWh 60 Mton Hydrogen (four months storage) Wind 300 GW km sq 5000 x 10 km Solar 700 GW 8000 km sq 90 x 90 km Cables (Solar) 35 pairs of 20 GW and 3000 km each

31 Vindgenerering i Europa var totalt MW vind generering installerat i EU. Produktionen var 100 TWh eller 3,3% av den totala el konsumptionen i EU STRI/Vindforsk projekt under 2008: Optimum DC-Link Solution in HVDC Wind Park Actively Interfaced to the Grid STRI projekt under 2008 Balkan: PQ and Wind power integration Bosnia-Herzegovina

32 Vartåt blåser vinden i USA?

33 El är bara en del av primär energi Primary Energy 2005 Million tonnes oil equivalent Oil Gas Coal Nuclear Hydro Total Sweden Denmark Finland Norway Nordic Nordic % 32% 9% 7% 16% 36% Russian Federation Russia % 18% 54% 17% 5% 6% USA USA % 40% 25% 24% 8% 3% OECD countries OECD % 41% 23% 21% 10% 5% TOTAL WORLD World % 36% 24% 28% 6% 6%

34 Men hur mycket vi ändå försöker så kan vi inte ersätta all fossil energi vi behöver Energieffektivisering Industri Transporter Byggnader STRI arbetar med massa och stål industrin Med energieffektivisering och elkvalitet

35 Förbättringspotential direkt OVAKO - Smedjebacken! Förvärmning av skrot.! Högre effekt till EAF.! Effektivare och stabilare ljusbåge.! Energibalansen för ljusbågsugnen.! Korta ner power off tiden.! Låt inte ämnena kallna innan bearbetning i valsverk

36 Trender och utmaningar! Fossilt bränsle måste snabbt ersättas av något som troligen innebär distribuerad generering! Men elektricitet kommer att fortsätta som det rena sättet att generera, överföra, distribuera och använda energi i t.o.m. bilar! Kravet på elektricitet med maximal tillgänglighet och kvalitet kommer att öka ytterligare! Infrastrukturen i Europa och USA är gammal! Men det finns begränsningar att bygga nya miljöpåverkande anläggningar (Speciellt ledningar)! Både nya och äldre anläggningar måste drivas effektivt och miljövänligt med maximal tillförlitlighet

37 Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar

38 Kraftsystemet måste förstärkas och anpassas till de nya kraven Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Distribuerad Generering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi

39 STRI Management consulting för helhetslösningar! Hållbara energi system! Energi effektiva processer, t.ex i stål och pappers industrin! Integrering av nya metoder för elenergigenerering, t.ex. vindkraft! Jämförande studier om alternativa metoder, bränsleceller, HVDC! Miljöpåverkan! EMF, SF6, CO2, visuell, utrymme etc.! Verksamhetsutveckling! Benchmarking av processer, t.ex. Nordel och FGC, Ryssland! Tekniska och funktionella specifikationer, t.ex. RCD! Asset Management! LCC, RCM analys och uppgraderingsstrategi! Utvärdering och införande av ny teknologi, t.ex. IEC 61850! Seminarier och kompetensutveckling! STRI allmänna eller skräddarsydda seminarier och kurser

40 Den Nordliga Elenergi Marknaden Nordel Ryssland Kina Japan

41 STRI Consulting Teknikområden! Isolation! Ledningar och stationer! EMC Elkvalitet! Kraftsystemanalys! Underhåll & Diagnostik

42 Isolation! Isolatorer och luftgap! Porslin, glas och polymer! För apparater och linjer! Specifikation & optimering! Val och dimensionering! Överslagstålighet! Drift och åldring! Materialegenskaper! Tillämpad programvara! Metoder och kriterea för kvalificering! Tillförlitligehetsberäkningar! Tillämpad programvara

43 Komposit isolation

44 Snö och istålighet

45 Ledningar & stationer! Elektrisk design! Last & kortslutningsdimensionering! Tillförlitlighet/Tillgänglighet! Selektivplaner! Isolationskoordinering! Val av isolatorer! Korona och fälteffekter! EMF krav & mätning! Lindimensionering! Impedans och induktion! Jordning! Dynamisk dimensionering

46 Kompaktering och kablifiering: Exempel Stockholm Ström project Kompaktering av station: Genom att använda den frånskiljande brytaren i dubbelbrytar arrangemang Kompakt övergång linje till kabel

47 Miljövänliga ledningar med låg EMF och låga förluster: Statnett uppgradering 300 till 400 kv High temperature conductors Composite insulators Compact design for 400 kv

48 ! Kompabilitet EMC & Elkvalitet! Immunitiet mot påverkan/emission! Regelverk/kontraktsdata! Mätning! Analys! Lösningar! Kalibrering PQ instrument! Spänningsdipstålighet

49 Exempel Elkvalitet

50 Kraftsystemanalys! Belastningsfördelning! Felanalys! Vinkelstabilitet! Spänningsstabilitet! Frekvensstabilitet! Systemjordning! Reläskyddskoordination! Modellering av systemkomponenter! Mjukvaruutveckling och support

51 Exempel System studier med HVDC och HVAC Northern 200 km!hvdc Feasibility study 350 km Central 250 km North East North West 430 km 600 km 600 km East (KZN) 700 km 400 km Cape

52 Underhåll & Diagnostik! Optimala underhållsmetoder med on-line/on-site övervakning och mätning! Web baserad diagnostik! Från PD & temperatur till video & rörelse analys! CBM planering! Condition Based Maintenance (Tillståndsbaserat underhåll)! RCM planering! Reliability Centered Maintenance (Tillförlitlighetsbaserat underhåll)! AMS Arbete Med Spänning

53 Exempel: STRI Kabel Diagnostics! Typ prov av kablar och tillbehör! Inspektion och PD mätning på plats! SOLA Tillståndsövervakning via web! Haveriutredning och analys i lab! Kvalitetskontroll av kabelinstallation

54 ! Elkraftsystemanalys! Tillförlitlighetsanalys STRI Software! Underhållsoptimering, RCM! Stöd för val av isolatorer! Selektivplaner!Val av isolatorer och design av ledningar! Dynamisk strömbelastbarhet för apparater & ledningar! Impedans och induktion! Järnvägsmatning SIMPOW NEPLAN LPE, IST, EAC etc.

55 Exempel: SIMPOW Simulation of Power systems Ett avancerat verktyg för analys i tids- och frekvensdomän Beräkningsmoduler! Belastningsfördelning! Felanalys! Dippanalys! Dynamisk analys med visarevärden ( RMS ) och ögonblicksvärden ( EMT )! Tidssimulering! Linjäranalys Används av forskare, tillverkare, kraft & järnvägsbolag

56 Exempel: NEPLAN RCM NEPLAN är varumärke för BCP Busarello+Cott+Partner Inc.

57 ! Högspänningsprov! Temperaturstegringsprov! Miljö och smutsprov! Speciella prov! Kalibrering! Alla högspänningskomponenter!isolatorer, brytare, genomföringar, transformatorer, avledare, frånskiljare, stolpar, kablar etc.! Högeffektprov & mekaniska prov! I samarbete med partner STRI Testing

58 Main high voltage test hall New HVDC test hall Store Control Room 1 Service area Assembly hall + +Multistress chamber 1 +Multistress chamber 2 +Climate test chamber +Salt fog chamber +Temperature rise testing Control room 2 Climate test hall Preparation hall Secondary high voltage test hall Office Main entrance

59 ! A.C. Testing wet/dry! 1050 kv/1.5 A! 550 kv 3.0 A! D.C. Testing wet/dry! 1250 kv/0.3a cont.! 1250 kv/2a pulses! >1250 kv bipolar testing! PD, RIV, Cap, Tan d! 1050 kv Högspänningsprov Växel & Likspänning

60 Smuts, miljö och åldringsprov! Climate test hall! Fullskale prov 10 C to +40 C 900 kv AC/ 1200 kv DC! Regn, dimma, is, snö, vind, salt! Climate test chamber! -60 o C to + 70 o C, 200 kv AC! 180 kv AC, 220 kv DC! Multi stress chambers (2)! Sol, regn, värme, dimma, salt! 50 kv AC, 60 kv DC! Salt fog chamber! 40 kv AC, 50 kv DC

61 R&D Exempel: UHVDC

62 Världens första 800 kv HVDC installation

63 Vettenkraft i Kina, Indien, Afrika & Brasilien kräver UHVDC 6000 MW

64 (The year means project in operation) Humeng Shandong 800kV, 6400 MW, 2015 Humeng - Tianjing Irkutsk (Russia) - Beijing 800kV, 6400 MW, kV, 6400 MW, 2015 Ningxia - Tianjing Russia 3000 MW, 2010 Hami C. China 800kV, 6400 MW, 2018 Xianjiaba Shanghai 800kV, 6400 MW, 2011 Xiluodu - Hanzhou 800kV, 6400 MW, 2015 Xiluodu - Hunan 800kV, 6400 MW, 2014 Jinsha River II East China 800kV, 6400 MW, 2016 Jingping East China 800kV, 6400 MW, 2012 Jinsha River II East China 800kV, 6400 MW, 2019 Jinsha River II - Fujian 800kV, 6400 MW, 2018 Nuozhadu-Guangdong 800kV, MW, 2015 Electrifying China 2020 NW-Sichuan (Baoji Deyang) 3000 MW, 2011 Xinjiang Xizang Qinghai Bangkok Gansu NWPG SCPG Sichuan & Chongqing Yunnan NCPG Ningxia Inner Mongolia Shaanxi Guizhou Guangxi Shanxi Jinghong-Thailand 3000MW, 2013 Hainan Beijing Tianjin Hebei Shandong Jiangsu Henan Anhui CCPG ECPG Shanghai Hubei Zhejiang 1050 Jiangxi kv Hunan Fujian Guangdong Liaoning NEPG Heilongjiang Jilin Taiwan Updated , CNABB-PTSG BtB China-Russia (HeiHe) 750 MW, 2008 FarEast (Russia) NE China 3000 MW, 2010 Humeng - Liaoning 800kV, 6400 MW, 2018 Hulunbeir (Inner Mongolia) - Shenyang 3000 MW, 2010 BtB Northeast-North (Gaoling) 1500 MW, 2008 North Shaanxi-Shandong 3000 MW, 2011 BtB Shandong - East 1200 MW, 2011 BtB North - Central 1000 MW, 2012 Gezhouba-Shanghai Expansion 3000 MW, 2011 Lingbao BtB Expansion 750 MW, 2009 Goupitan - Guangdong 3000 MW, 2016 Yunnan - Guangdong 800kV, 5000 MW, 2009

65 Med UHVDC utprovad på STRI

66 Electrifying India

67 Electrifying India med prov på STRI

68 Electrifying Africa

69 Electrifying Africa med systemstudier på STRI

70 Uppgradering till högre spänning eller till HVDC i existerande ledningar ger mer effekt med mindre påverkan

71 Exempel: Ledningsdimensionering för HVAC & HVDC med STRI Software Tillförlitlighet Isolation EM Fält Dynamisk last

72 IEC = en ny global data standard för kraftsystemet Modulering enligt IEC för: Driftcentral Driftcentral IEC to Control Center (IEC TC57 WG19) IEC SCADA IEC IEC IEC IEC Vindkraft IEC IEC IEC mellan stationer (IEC TC57 WG10 ) Distribuerad Energy IEC IEC Digital gränssnitt till HV apparater Vattenkraft IEC

73 Exempel: Internet & i stationen Remote workplace in the office or in the field STINA Utility office LAN Utility WAN/Internet IEC /104 Utility substation LAN Station Bus IEC TCP/IP Monitoring Bus Process Bus IEC ON-LINE Monitoring Device PQ Device Metering Device

74 IEC Interoperabilitet En ny provningstjänst från STRI Engineering workstation Analyser & simulator SCADA Gateway IEC IEC Reference IEDs Test Object Remote Test Object IEC Power System Model/ COMTRADE Test set

75 Vad kan STRI hjälpa dig med? Implementeringsstrategier Prospektering Offertförfrågan Oberoende verifiering Leveransgodkännande Stöd för idrifttagning

76 Exempel: Utprovning bränsleceller Vätgas in = El och vatten ut

77 Kablar, Vindkraft, HVDC, IEC 61850, Kompaktering, Energieffektivisering, Elkvalitet, EMF & Tillförlitlighet

78 Hur arbetar vi? Idé!, problem? Eller behov =! Identifiering Specifikation av mål och metod Arbetets uppläggning och pris Tidplan och bokning av resurser Presentation och implementering! Specificering! Offerering! Allokering! Implementering

79 Accrediterad för provning & kalibrering ISO9001 certifierad för kvalitetsystem

80 Hitta mer på

81 Din oberoende partner för högspänningsteknologi och tillämpningar Konsulttjänster, Programvara, Provning