Svängmassan för framtidens elsystem ett uppdrag för IVA Vägval el

Transkript

1 Svängmassan för framtidens elsystem ett uppdrag för IVA Vägval el Uppdraget: Ge svängmassan ett ansikte - Hur upprätthåller man balans och stabilitet i ett elkraftsystem? - Vad händer när obalans plötsligt uppstår i ett elkraftsystem? - Vad är svängmassa och vilken betydelse har den för kraftsystemets stabilitet? Leverans: Skriftlig rapport (med Appendix) Populärvetenskaplig sammanfattning PowerPoint-presentation Daniel Karlsson

2 Sammanfattning Alla system som ska reglera ett genomgående effektflöde måste innehålla någon form av buffert som kan balansera ut störningar i flödet genom att ta upp eller avge energi. Svängmassan i det elektriska kraftsystemet är en sådan buffert, som utgörs av trögheten i den upplagrade kinetiska energin i systemets roterande delar. Bufferten i kraftsystemet utgör några få sekunders energiomsättning, och kan endast utnyttjas till ett fåtal procent. Varvtalet frekvensen hos kraftsystemets synkront roterande delar blir därmed en lämplig tillståndsvariabel för att reglera ut obalans i kraftsystemet

3 Svängmassa - Svänghjul - Tröghet??

4 Mekanisk Tröghet - Rörelseenergi För en given rotationsaxel beror tröghetsmomentet (J) av hur kroppens massa är fördelad med avseende på rotationsaxeln: J = σ i r i 2 m i, där r i är masselementet m i :s masscentrums avstånd till den givna rotationsaxeln. Den kinetiska energin (W k, rörelseenergin; i detta fall rotationsenergin) för en kropp som roterar kring en axel genom dess tyngdpunkt med vinkelhastigheten (ω [rad/s]), beskrivs av sambandet: W k = Jω2 2, där J är kroppens tröghetsmoment

5 Tröghetskonstanten H Inertia Den så kallade tröghetskonstanten (på engelska inertia constant) betecknas H och har enheten sekunder. Tröghetskonstanten definieras som: H = Jω2 2S [s], där S är aggregatets skenbara märkeffekt. Dvs., H = rotationsenergin dividerad med den betraktade märkeffekten (i MVA)

6 Kraftsystembalans Störningar Störningar Buffert Mellanlager Frekvens- och spänningsreglering i ett elkraftsystem

7 Frekvensreglering 9 Kraftsystemkomponenter med betydelse för frekvensregleringen

8 Belastningens frekvensberoende - huvudsakligen direktanslutna asynkronmotorer Till vänster syns motorns uteffekt vid normal nätfrekvens (heldragen blå kurva) och vid lägre nätfrekvens (streckad blå kurva) samt pumpens effekt (heldragen röd kurva). Den högra figuren är en inzoomning av den vänstra där man kan se hur arbetspunkten förändras då nätfrekvensen minskar

9 Framtida frekvensberoende - huvudsakligen omriktarmatade asynkronmotorer Elnätet DC Mellanled Likled Trefas växelspänning M Idealt är motorns uteffekt helt oberoende av matande elnäts spänning och frekvens

10 Frekvensens roll i dagens system - Statik för det enskilda aggregatet

11 Frekvensens roll i dagens system - Reglerstyrka för systemet

12 Frekvensfall vid produktionsbortfall Bortfall av Oskarshamn 3 vid 1400 MW produktion ( ). Frekvensen gick så långt ner som till 49,36 Hz, vilket är ovanligt (källa: Svenska Kraftnät)

13 Tröghetskonstantens inverkan på nätfrekvensen vid produktionsbortfall P = P 0 ( U U 0 ) ( f f 0 ) ; =

14 Ett räkneexempel Nuläge; årsenergi Nuläge; höglast Nuläge; låglast Framtid; låglast Kraftslag H [s] TWh/år % MW % MW % MW % Vattenkraft Vindkraft/solkraft Kärnkraft Värmekraft övr Summa: Ekvivalent H 4,00 5,00 3,00 1,00 Hela problematiken kring frekvensregleringen utspelar sig i driftskedet och för att kunna göra någon meningsfull analys måste årsenergisiffrorna översättas till produktionssammansättning under kritiska drifttimmar, som i det här fallet inträffar under låglasttid med stor vindkraftproduktion

15 Överförd effekt [MW] Transient vinkelstabilitet P mek G U1 R+jX P U2 0 Last U U2 P Ret. Pmech P= U1*U2 X sin 1000 Acc Överföringsvinkel [grader]

16 Systemvida pendlingar

17 Slutsatser Vad är? Till vad? Med svängmassan i elsystemet menar man oftast den inneboende tröghet mot rörelseförändring som finns i elsystemets roterande delar Trögheten och den därtill kopplade rörelseenergin fungerar som buffert i effektregleringen Varvtalet - frekvensen fungerar som indikator på balans/obalans

18 Vad göra kortsiktigt Fasa in tunga synkrongeneratorer på tomgång eller dellast för att öka systemtrögheten Öka reglersnabbheten i infasade vattenkraftaggregat, så att responsen blir snabbare Fördela produktionen i reglerande vattenkraftaggregat på fler aggregat, så blir den totala regleringen snabbare (fler parallellarbetande maskiner)

19 Vad göra långsiktigt Utnyttja den så kallade artificiella inertian, genom att öka eller minska rotationsenergin i vindkraftverkens turbiner, med hjälp av effektomriktaren som ansluter anläggningen till elnätet Utnyttja förbindelser för högspänd likström till andra synkrona områden, främst den europiska kontinenten, för att dela på systemtrögheten, på liknande sätt som man idag delar andra typer av reserver Tillför energi Bygg batterianläggningar som ansluts till kraftsystemet via effektomriktare och som kan bistå med tröghet mot förändring av kraftsystemvariabler Tillför energi Snabb aktiv reglering av lasten minskar behovet av tröghet Minskar uttaget av energi

20 Nästa steg Fortsatt arbete Genomför del B av pågående projekt, som är en mer kvantitativ analys för svenska förhållanden Studera förutsättningarna för att utnyttja batterier som buffert, för att, åtminstone delvis, ersätta systemtrögheten Studera snabb frekvensberoende styrning av belastningen, speciellt laster matade via effektomriktare Studera vad som kan göras med hjälp av HVDC-förbindelser här blir avtalsbiten en stor fråga tekniskt är det ganska enkelt.. Samla ihop och paketera de många arbeten som gjorts inom området artificiell inertia relaterat till vindkraft Ta fram lämpliga illustrationer bilder/figurer för att beskriva trögheten i kraftsystemet

21 Tack för uppmärksamheten