MJ1145-Energisystem VT 2015 Föreläsning om att hålla balans i elnät: L2-L3. Kraftsystemet = en lång cykel. Syftet med ett kraftsystem:

Transkript

1 MJ1145-Energisystem VT 2015 Föreläsning om att hålla balans i elnät: L2-L3 Lennart Söder Professor i Elektriska Energisystem eller Var kommer elen från när jag tänder lampan? Lennart Söder Professor in Elektriska Energisystems 1 2 Syftet med ett kraftsystem: Kraftsystemet = en lång cykel Ge kunderna el när de sätter på strömbrytaren. Detta är detsamma som att upprätthålla en kontinuerlig balans mellan produktion och konsumtion. (Nu + kapitel 3) Upprätthåll en acceptabel spänning för konsumenterna (tidigare föreläsningar). 3 4

2 Upprätthåll kraftbalansen Upprätthåll kraftbalansen Kraft på pedaler = bromskrafter Annars ändras hastigheten Bromsa cykeln => lägre hastighet Kraft på pedaler = bromskrafter Annars ändras hastigheten Bromsa cykeln => lägre hastighet Kraftsystem Total generering = total förbrukning Annars ändras den elektriska frekvensen Ökad förbrukning => lägre frekvens 5 6 Hastighetsreglering Upprätthåll konstant hastighet Mät hastighet (samma på hela cykeln) Minskad hastighet => öka kraften på pedalerna Upprätthåll konstant hastighet Mät hastighet (samma på hela cykeln) Minskad hastighet => öka kraften på pedalerna Kraftsystem Upprätthåll konstant frekvens Mät frekvensen (samma i hela systemet) Minskad frekvens => öka genereringen 7 8

3 Ett synkront kraftsystem Ett synkront kraftsystem är ett kraftsystem där all producenter och konsumenter är sammanbundna med varandra med transformatorer och växelströmsledningar. Allting från en dieselgenerator som matar en enskild konsument till multinationella elnät som, t ex, Nordel (Sverige, Norge, Finland och östra Danmark) kan vara ett synkront nät. En växelströmsledning måste ha samma frekvens i bäda ändarna. Om det vore olika frekvenser skulle det innebära att spänningens vinkelskillnad ökar till 180, vilket resulterar i en oacceptabel stor ström på ledningen. Samma gäller för transformatorer. Slutsatsen är att i ett synkront elnät är den genomsnittliga frekvensen densamma. Det nordiska synkrona elsystemet 9 10 Synkronmaskinen Konsekvens av konsumtionsökning (tänd en 60 W lampa i Norden) Elektrisk frekvens i Hz = Antal poler rotorhastighet i rpm

4 Konsekvens av konsumtionsökning (tänd en 60 W lampa i Norden) 1. Energi erhålls från rotorerna (+axlar och turbin) i synkronmaskinerna (60 W erhålls från nordiska synkronmaskiner) 2. Hastigheten på rotorn minskar och därmed den elektriska frekvensen. (frekvensen i Norden sjunker Hz) 3. Turbinregleringen mäter frekvensen och ändrar kraftproduktionen i en del kraftverk. (S: 25 W, N: 20 W, F: 12,5 W, Dk-Ö: 2,5 W) Antag att ett visst elsystem är i balans, d.v.s. elproduktion och förbrukning är lika stora. Vid en viss tidpunkt ökar elförbrukningen, medan produktionen förblir konstant. I systemet finns upplagrad rotationsenergi i samtliga till nätet anslutna synkronmaskiner, närmare bestämt i rotorerna och därtill kopplade turbinaxlar. Eftersom produktion och konsumtion ständigt måste vara i balans så kompenseras lastökningen genom att energi tas från denna rotationsenergi, vilket leder till att rotationshastigheten minskar i de berörda synkronmaskinerna. I synkronmaskiner finns en stark koppling mellan rotationshastighet och elektrisk frekvens. Detta gör att samtliga synkronmaskiner i ett synkront nät roterar i princip i takt. Den minskade rotationshastigheten resulterar således i att frekvensen i nätet sjunker. I vissa kraftverk finns frekvenskännande utrustning, som ser till att öka elproduktionen då frekvensen sjunker. Dessa kraftverk kallas reglerstyrkestyrda kraftverk. Så länge frekvensen fortsätter sjunka kommer de reglerstyrkestyrda kraftverken att öka sin produktion. Till slut råder åter balans mellan produktion och konsumtion och då erhåller man en stabil frekvens. Observera att denna nya stabila frekvens är lägre än den ursprungliga! Mekanisk ekvivalent för: Håll en aktiv balans Elhandel Systemansvar En artikel om detta med fler detaljer finns på:

5 Varierande inflöde Älvar länkar stationerna hydrologisk koppling Vattendomar: Min. flöde och res. nivåer Cm/dag ändring av res. Max. flöde och res. nivåer Säsongs beroende. etc Vattenkraft i Sverige Vattenkraftsplanering Säsongsplanering Uppdateras regelbundet Många osäkerheter Ofta stokastisk optimering I kurs: EG2200 EG2205 Drift och planering av kraftproduktion 18 Vattenkraftsplanering Vattenkraftsplanering Dygnsplanering/spot + Elbas (korttidsplanering) Steg 1: Budplanering, ev beakta bud till reglermarknad. Steg 2: Driftsplanering Idag ganska säker planering Mer vindkraft/solkraft större osäkerheter Timdrift + ekonomisk obalanshantering Sekundärreglering Idag ganska små volymer (reglermarknad) Enpris/tvåpris-system för obalanser + Primärreglering Mer vindkraft/solkraft större osäkerheter större volymer på reglermarknaden 19 20

6 Hemuppgift: c) c) Antag att två stora svart moln drar fram en solig sommardag (1 kw/kvm solinstrålning). Frekvensen är inledningsvis 50,0 Hz. Molnet har formen enligt figuren (dvs helt svart i 10 km) och drar fram från norr till söder med hastigheten G m/s. De två molnen är lika dana och flyttar sig parallellt, dvs de passerar Brytpunkten och Solsidan samtidigt. Rita ut hur den elektriska frekvensen beror av tiden under den tid molnet påverkar elproduktionen i Framtiden och Solsidan. Solcellerna kan här antas finnas i en punkt på respektive ställe. När molnet är som mörkast minskar produktionen med 90 procent. Frågan om nettomätning april 2014 Lennart Söder Professor i Elkraftsystem, KTH Förslagets innehåll En elkund köper sin el från elleverantören Elkunden betalar för elnätet, där en viss del är energikopplat Om kunden producerar egen el (t ex i solceller) så minskar konsumtionen. Värdet på egen produktion beror om produktionen räknas som - Minskad konsumtion (= kostnad för elinköp) - En produktion (= elmarknadspriset) Bakgrundsdata 1: Siffrorna utgår från Energimarknadsinspektionens data för 2011 för kund med elvärme. villa 20A, kwh/år Elhandelspris: 73,21 öre/kwh Nätpris: 27,2 öre/kwh Skatt: 28,3 öre/kwh Moms: +25% på ovanstående Total kostnad för kund: 160,9 öre/kwh Om man får elhandelspris för utmatning blir denna produktion värderad till 73,21 öre/kwh Om man tillämpar nettomätning får utmatad el istället samma värde som konsumtion, dvs 160,9 öre/kwh

7 Bakgrundsdata 2: Elhandelspris: 73,21 öre/kwh Nätpris: 27,2 öre/kwh Skatt: 28,3 öre/kwh Moms: +25% på ovanstående Om man får elhandelspris för utmatning blir denna produktion värderad till 73,21 öre/kwh Om man tillämpar nettomätning får utmatad el istället samma värde som konsumtion, dvs 160,9 öre/kwh Skillnaden beror på att den elkonsumtion man själv producerar inte beläggs med nätavgift, skatt eller moms. Bakgrund: 3 I bland annat Danmark tillämpas nettomätning En skillnaden i många andra länder är att man har äldre typer av elmätare där den går baklänges vid utmatning. I Sverige har man dock skilda register (krav för att ha egen generering), vilket gör att man kan identifiera timmar med utmatning. Extra material: Möjligheterna att balansera vindkraftens variationer, Förklarar balanshållning med större mängd vindkraft, av Lennart Söder, 25 januari En lampa i Skåne sätter på ett kraftverk i Nordnorge, Lite text och ett radioinslag med Lennart Söder: 45&artikel=