Power NetAnalysis. Optimerar industrinät. Power Quality

Transkript

1 Power Quality Power NetAnalysis Optimerar industrinät Lars Hartung, Thomas Eulitz, Wolfgang Biergans Industrinät är komplexa system som måste hålla takten med alla förändringar i anläggningen. För att uppfylla marknadens krav behöver operatörer av industrianläggningar ständigt modernisera eller bygga ut. Optimering av processer för prestandahöjning i anläggningarna leder ofta till ökad energiförbrukning. Den nödvändiga processenergin omsätts på kortare tid. Detta kan ge upphov till problem med spänningsstabiliteten i svaga industrinät. De fel som beror på spänningssvikt kan sällan tolkas på korrekt sätt, eftersom de uppträder sporadiskt och inte är reproducerbara. I extremfallet kan bristande elkvalitet orsaka skador och stilleståndstider som är avsevärt värre än vad som hade varit nödvändigt. M ed Power NetAnalysis erbjuder ABB sina industrikunder tjänsten att avslöja svaga punkter i industrinät. För kraftbolag kan ABB i förväg göra lastprognoser och beräkna inverkan från planerade utbyggnader i samband med tillståndsprocesser. Utgående från en matematisk modell och mätningar på plats kan vi, med hänsyn tagen till ekonomiska aspekter, träffa utsagor om gränsvärden och normer. Vi kan ta fram förslag till lösning av aktuella problem eller 2 ABB tidning 4/2

2 Power NetAnalysis simulera inverkan av planerade anläggningsutbyggnader. Målet för Power NetAnalysis är att ta fram lösningsförslag för att industrinät ska kunna utnyttjas optimalt. Analysen undersöker flera olika koncept. Den tar hänsyn till aktuella investeringskostnader, beskriver lösningar för aktuella nätproblem och rekommenderar hur planerade utbyggnader kan utformas för att minimera återverkan på det matande nätet. Fördelarna är uppenbara. Driftstörningar på grund av spänningsvariationer minskar, och anläggningens tillgänglighet ökar. Ofta går det att förbättra utnyttjandegraden av matningssystemet genom att minska den reaktiva effekten. Detta minskar energikostnaderna. Analysen informerar om huruvida riktlinjerna för spänningskvalitet kan innehållas t.ex. IEE-rekommendationer och EN-normer. Just vid projekteringen av nya produktionslinjer eller ombyggnad av befintliga anläggningar inställer sig alltid frågan om kompatibilitet med avseende på nätstabilitet och nätåterverkan från de planerade komponenterna. Tillverkare av strömriktare kan inte generellt garantera att deras produkter inte ger upphov till några otillåtna nätåterverkningar. Sådana beror i första hand på industrinätets stabilitet. Power NetAnalysis är en intressant tjänst för alla industrier som har stora elektriska förbrukare i sina anläggningar. Störningar kan vara av de mest skilda slag, från att lysrör behöver bytas påfallande ofta, via oväntade driftstopp till störningar på rundstyrningsfrekvensen för ortens gatubelysning. Här ger vi ett exempel från verkligheten, hämtat från metallindustrin. Där förekommer extrema lastvariationer som ofta ger upphov till spänningsproblem. ABB har redan genomfört nätanalyser för så gott som alla industrigrenar. Som exempel på en sådan analys visar vi nedan undersökningen från industrinätet kring ett valsverk. ABB tidning 4/2 21

3 Power Quality Problemet Vid nybyggnad av ett tandemvalsverk för koppar- och mässingsplåt 1997 vid Schwermetall Halbzeugwerk GmbH & Co. KG i Stolberg uppträdde våldsamma spänningsvariationer. Dessa medförde störningar på tandemvalsverket och den närbelägna fräsmaskinen. Då plåtarna stacks in i valsnypet uppträdde belastningstoppar med dubbla märkeffekten. Med frekventa omkopplingar försökte reglertransformatorn stabilisera mellanspänningen, men på grund av reglertransformatorns långsamma reaktion uppstod ändå överspänningar. De första skadorna på drivsystemet till fräsen och de ökande stilleståndstiderna var tillräckliga incitament för att ABB skulle få beställning på en nätanalys. Nätberäkning Spänningsproblemen gav inte bara upphov till skador på 5 V-nivån utan påverkade även mellanspänningsnivån. Därför inleddes den detaljerade nätanalysen på den kritiska 1 kvnivån och fortsatte ända ner till lågspänningsnivån, så att alla viktiga förbrukare, som stora drivsystem, inneslöts. För att få en realistisk bild av anläggningen måste strömriktarna och deras återverkan på nätet beaktas. De olika drivsystemtyperna (direktomriktare och likströmsdrivsystem för tandemvalsverket samt likströmsdrivsystem av äldre typ för fräsen) representerades i analysen som matematiska modeller utgående från deras elektriska egenskaper vid typiska arbetspunkter. På mellanspänningsnivån betrakta- CALPOS planerings- och informationssystemet för elektriska nät Avregleringen av elenergimarknaderna har inneburit ett akut behov av lämpliga planeringsverktyg för att kunna hantera den nya konkurrenssituationen. Dessa krav uppfylls i varje avseende av CALPOS ( Det kan vara frågan om industri- och matningsnät på godtycklig spänningsnivå, med godtycklig nätstruktur och med godtyckligt nodantal. Dessa nät kan snabbt och interaktivt matas in, analyseras och optimeras. Förutom klassiska nätberäkningsmoduler, t.ex. för lastflödes- och kortslutningsberäkning, skyddskonstruktion eller dynamisk systemanalys, erbjuder CALPOS beräkningsmoduler för nya frågeställningar som aktualiseras i samband med avreglerade energimarknader. Här kan nämnas probabilistisk tillförlitlighetsanalys och tillförlitlighetsorienterade underhållsoptimering. Den probabilistiska tillförlitlighetsanalysen erbjuder exempelvis kvantifiering av matningstillförlitligheten och därmed en jämförande kostnad/nytta-värdering av olika anläggnings- och nätkoncept. Det finns andra möjligheter än det traditionella, kvalitativa (n 1 )-kriteriet. Även matningstillförlitligheten och spänningskvaliteten inom enskilda industriella, anläggningsinterna eller privata förbrukningsnät i större nät kan kvantifieras och användas som mått på matningskvaliteten. Dessa värden kan även uttryckas i finansiella termer. På grund av sitt modulära koncept gör CALPOS det möjligt för nätplaneraren att sammanställa ett PC-baserat planeringssystem som är skräddarsytt för de aktuella kraven. Här ökar CALPOS produktiviteten för användaren, bland annat genom sin genomtänkta datahantering med automatisk plausibilitetskontroll och integrerade gränssnitt mot alla vanligt förekommande databasformat. Även den direkta kopplingen till det internationella geografiska informationssystemet (GIS) eller befintliga egna nätinformationssystem garanterar optimal användarvänlighet. Ett interaktivt grafiskt användargränssnitt enligt Windows-standarden är en självklarhet. 22 ABB tidning 4/2

4 1 Förbrukning av aktiv och reaktiv effekt, med (röd) respektive utan (blå) dynamisk kompensation 2 Spänningsvariationer (V) på mellanspänningsnivån, med (röd) respektive utan (blå) dynamisk kompensation kvah x1 6 4 Active power Reactive power V [%] Do 16: Do 2: Fr : Fr 4: Fr 8: Fr 12: Fr 16: Fr 2: Sa : Sa 4: Sa 8: Sa 12: Sa 16: Sa 2: So : So 4: So 8: So 12: So 16: So 2: Mo: Mo4: Mo8: Mo12: Mo16: Mo2: Di : Di 4: Di 8: Di 12: Di 16: Di 2: Mi : Mi 4: Mi 8: Mi 12: Mi 16: Mi 2: Do : Do 4: Do 8: Do 12: Do 16: t [h] de nätmodellen filteranläggningarnas funktion och överföringsegenskaperna för reglertransformatorer och kabelsystem. Karakteristiska data för hela industrinätet, inklusive inmatningen på 11 kv, matades in i nätberäkningsprogrammet CALPOS. Energileverantören bidrog till analysen genom att komplettera modellen med data för transmissionsnätet. Denna första ansats till nätanalys baserades endast på dokumentation av anläggningstrukturen. Analysen avslöjade kritiska punkter i nätet som sedan kunde undersökas i närmare detalj: Hög förbrukning av reaktiv effekt för de stora direktomriktarna till Power NetAnalysis i ett nötskal Power NetAnalysis ger en utförlig rapport om ett industrinäts aktuella tillstånd. Analysen visar och värderar mätresultaten och förklarar specifika förhållanden. Power NetAnalysis verifierar att din anläggning uppfyller alla föreskrifter och gränsvärden. Power NetAnalysis tar fram lösningsförslag för optimal drift av ditt nät. Genom en jämförelse av olika lösningsansatser säkerställs att du väljer den ekonomiskt optimala lösningen för just din anläggning. Power NetAnalysis beskriver metoder för att minska dina energikostnader genom att minska förluster och förbrukning av reaktiv effekt. Detta ökar livslängden på elektriska komponenter och förbättrar därmed anläggningens tillgänglighet. Power NetAnalysis är förberett för fjärrdiagnos. Dina intressen och problem Nätets struktur Mätning i realtid tandemvalsverkets drivsystem 1 Låg nätkortslutningseffekt på 1 kvsamlingsskenan Nätberäkning Modellkalibrering Optimeringsförslag ABB tidning 4/2 23

5 Power Quality THD [%] 3 Övertonshalt med (röd) respektive utan (blå) dynamisk kompensation THD = Total Harmonic Distortion (klirrfaktor) Do 16: Do 2: Fr : Fr 4: Fr 8: Fr 12: Fr 16: Fr 2: Sa : Sa 4: Sa 8: Sa 12: Sa 16: Sa 2: So : So 4: So 8: So 12: So 16: So 2: Mo: Mo4: Mo8: Mo12: Mo16: Mo2: Di : Di 4: Di 8: Di 12: Di 16: Di 2: Mi : Mi 4: Mi 8: Mi 12: Mi 16: Mi 2: Do : Do 4: Do 8: Do 12: Do 16: 4 Transformatorbelastning med aktiv och reaktiv effekt, med respektive utan dynamisk kompensation (alla skalvärden x 1) 3 25 t[h] Hög övertonsbelastning på 1 kvnivån Resonanser mellan transformatorerna och filterkretsarna till fräsarna, beroende på direktomriktarens sidoband Framför allt var det kombinationen av hög förbrukning av reaktiv effekt och låg kortslutningseffekt som orsakade spänningssvackor. Lokala mätningar Mätningarna bekräftade sambandet mellan reaktiv effekt och spänningssvackor. Det komplexa systemet i ett industrinät kan studeras på ett tillfredsställande sätt i en matematisk modell bara om simuleringen ger upphov till samma resultat som mätningarna. Därför förfinades nätberäkningarna så långt att de i stort sett kom att överensstämma med verkligheten. Dessutom kunde såväl tidigare som nya nätegenskaper dokumenteras med hjälp av lokala mätningar. Reaktiv effekt kvar 2 15 Belastning utan kompensation Nätsimulering De vunna kunskaperna visade att vid Krafttransformator effekt Belastning med kompensation -15 Aktiv effekt kw de extrema spänningsvariationerna på 1 kv-samlingsskenan var det bara dynamisk kompensation på mellanspänningsnivå som i tillräcklig utsträckning kunde stabilisera industrinätet. Modellen av matningssystemet byggdes därför ut med en sådan stabilisering, för att simulera nätegenskaperna med en sådan utbyggnad. Vid konstruktionen av filtersystemet visade sig de 24 ABB tidning 4/2

6 5 Anläggning för dynamisk kompensation på 24 MVA med dämpade filterkretsar modellstödda principerna vara till så stor hjälp att den negativa inverkan på nätmiljön från kompensationen kunde upptäckas på ett tidigt stadium och därmed undvikas. Det gällde exempelvis att konstruera filterkretsarna på ett sådant sätt att energileverantörens rundstyrningsfrekvenser inte stördes. Utgående från simuleringsresultaten levererade ABB Automation Systems 1999 en anläggning för dynamisk kompensation i 24 MVA-området. Resultat för driften Drastisk minskning av spänningsvariationerna 2 Inga störningar på nätsidan Så gott som inga omkopplingar i reglertransformatorerna Minskning av övertonshalten till ett värde väl under IEEE-rekommendationerna 3 Lägre belastning av inmatningstransformatorn trots ökad aktiv effekt 4 Hittillsvarande kostnader för hantering av reaktiv effekt bortfaller. Power NetAnalysis har utvecklats specifikt för operatörer av industriella anläggningsnät som planerar att bygga ut produktionskapaciteten. Modelleringen gör det möjligt att simulera den nya anläggningens inverkan på det lokala nätet. Vid kända lastvariationer i den planerade anläggningen kan olika konfigurationer undersökas i syfte att hitta den ekonomiskt gynnsammaste varianten för det aktuella nätet. Utarbetade lösningsansatser kan simuleras vid olika arbetspunkter. Exempelvis kunde anläggningen verifieras med avseende på gällande lagar och föreskrifter, och vid behov kunde nödvändiga filteranläggningar beräknas. Ofta underskattas industrinätens komplexitet i distributionssammanhang. I svaga nät orsakar lasttoppar spänningssvackor som kan påverka produktionen negativt. I det tidigare nämnda plåtvalsverket i tyska Stolberg kunde Power NetAnalysis lösa problem som berodde på bistande elkvalitet. Data togs fram på vilka en lösning kunde baseras 24 MVA-systemet för dynamisk kompensation enligt 5. Författare Lars Hartung Dr. Thomas Eulitz ABB Automation Systems GmbH Dudenstraße DE Mannheim metals@de.abb.com Wolfgang Biergans Schwermetall Halbzeugwerk GmbH & Co KG Breinigerberg 165 DE Stolberg ABB tidning 4/2 25