Containerbaserad frekvensomriktare kopplar samman två mellanspänningsnät

Transkript

1 Containerbaserad frekvensomriktare kopplar samman två mellanspänningsnät ABB har utvecklat en ny metod för sammankoppling av kraftnät som arbetar med olika frekvenser. I USA har två stora industrinät kopplats samman med hjälp av en frekvensomriktare som, tillsammans med styr- och hjälpsystem, är installerad i en container. Principen har tre stora fördelar: anläggningen blir kompakt, ingen extra byggnad behöver uppföras, och monterings- och driftsättningstiden förkortas avsevärt. U nder elektrifieringens barndom byggdes många separata kraftnät med olika frekvenser upp såväl i USA som i Europa. I USA var frekvenserna 40 och 25 Hz vanliga. I de flesta fall var det frågan om industrinät. Näten kom till i början av 1900-talet och många har byggts ut kraftigt under årens lopp. Genom den höga livslängden hos maskiner och anläggningar för generering och transmission av elkraft är många av dessa separata nät fortfarande i fullt bruk. Genom utbyggnaden av det kontinentala kraftnätet blev 60 Hz nationell standard i USA, och fortsatt utbyggnad och komplettering av de befintliga industrinäten har baserats på denna frekvens. Följden har blivit att många stora industriföretag med sina rötter i seklets början ännu i dag har två skilda kraftnät med olika frekvenser, ett förhållande som medför stora nackdelar då det gäller drift och underhåll. Av ekonomiska skäl kan ett 40 Hz-nät byggas om till 60 Hz endast i samband med en fullständig modernisering. Dessutom läggs vanligen så stora ingrepp upp etappvis. Så länge de båda näten måste drivas parallellt, erbjuder statiska frekvensomriktare ofta intressanta möjligheter till sammankoppling av nät med olika frekvenser och därmed till optimering av driften med befintlig utrustning. Great Northern Paper befann sig tills helt nyligen i den ogynnsamma situationen att ha två egna skilda växelströmsnät, ett på 40 Hz och ett på 60 Hz. Företaget hade länge sökt möjligheter att förbättra sin kraftförsörjningssituation. En lösning som diskuterades var att linda om generatorerna i ett av företagets egna Brian G. Wiley Great Northern Paper, Inc. Joseph Frisch ABB Industrial Systems Inc. Peter Dähler Martin Strittmatter Erich Suter ABB Industrie AG kraftverk, så att det skulle leverera 60 Hz i stället för 40. Av kostnadsskäl har projektet lagts på hyllan tills vidare. Erbjudandet från ABB Industrie AG att koppla samman de båda näten via en statisk frekvensomriktare kom därför precis i rättan tid, inte minst som ABB kunde prestera en mycket attraktiv leveranstid. De båda kraftnäten inom Great Northern Paper GNP, som ingår i Bowater-koncernen, driver två stora integrerade pappersfabriker i delstaten Maine som har stora höjdskillnader och många vattendrag. Fabrikernas årliga elförbrukning på ca 1400 GWh täcks till största delen av företagets egna kraftverk. GNP äger sex vattenkraftverk med totalt 126 MW installerad effekt och har dessutom ett antal ångkraftverk som tillsammans levererar 117 MW 1. GNP är vidare ägare till själva dammbyggnaderna och kan därför utnyttja vattenkraften på ett flexibelt sätt. Ångkraftverkens primära uppgift är att leverera processånga till pappersfabrikerna, men har hittills också fått stå för ca 1/3 av den nödvändiga elkraften. GNP, som grundades omkring förra sekelskiftet, hade under lång tid bara sitt interna kraftnät på 40 Hz. Under de senaste decennierna har emellertid en ny anläggning för 60 Hz byggts. Därmed finns det två skilda kraftnät, och tills helt nyligen saknades möjlighet till energiutbyte dem emellan. Fortfarande är den installerade effekten i 40 Hz-nätet betydligt större än den i det likaledes interna 60 Hz-nätet. Medan 40 Hz-nätet arbetar separat är 60 Hz-nätet sammankopplat med det offentliga kraftbolaget Bangor Hydro. Kopplingens kapacitet är dock endast 20 MW. Den begränsade flexibiliteten hos 40 Hz-nätet, som beror på omoderna och relativt långsamma regleranordningar i vattenkraftgeneratorerna, har hittills upplevts som en besvärande brist. Spännings- och effektvariationer A B B T idning 2/

2 överföras i valfri riktning. Strömriktar- G H 84 MW Millinocket 42 MW G H transformatorerna och mellanledets reaktor monterades lokalt på containerns utsida. Containern är uppdelad i två rum, G St 79 MW FC 24 MW 38 MW G St det ena med de tyristorbaserade strömriktarna och det andra med hjälp- och styrsystem 3. Alla aktiva komponenter L L är översiktligt placerade och lätt åtkomliga. 40 Hz har varit vanliga. Även 60 Hz-nätet har varit känsligt för stora belastningsförändringar, beroende på den svaga kopplingen till det offentliga kraftnätet. Ytterligare en faktor med avgörande ekonomisk betydelse var förhållandet att mycket vattenkraft gick till spillo under perioder med stor vattentillgång (snösmältningen). I de näraliggande transformatorstationerna i Millinocket 1 har nyligen de båda separata näten kopplats samman via en statisk frekvensomriktare från ABB. Därmed kunde 40 Hz-nätet stabiliseras och störningskänsligheten minskas betydligt i båda näten. Vidare kan nu överskottsenergi från vattenkraftverken överföras till 60 Hz-nätet så att det dels inte behöver matas med lika mycket termiskt genererad energi och dels kan leverera kraft till det offentliga nätet. Enligt GNP innebär enbart det förbättrade utnyttjandet av tillgänglig vattenkraft att frekvensomriktaren återbetalas på bara tre år. Nyckelfärdig frekvensomriktare som containermodul Redan de första kontakterna med ABB övertygade GNP om att en statisk fre- 60 Hz Förenklad översikt över GNPs kraftnät och kraftverk 20 MW 44 kv L Maskiner och anläggningar G ST Ångkraftverk FC Frekvensomriktare från ABB BH Kraftbolaget Bangor Hydros G H Vattenkraftverk kraftnät BH kvensomriktare som förbindelselänk mellan de båda kraftnäten kunde erbjuda såväl driftmässiga som ekonomiska fördelar. ABB utarbetade snabbt en bindande offert och överlämnade den till GNP. ABB kunde erbjuda en extremt kort leveranstid endast åtta månader räknat från undertecknande av avtalet. Detta möjliggjordes av att en unik lösning föreslogs för frekvensomriktaren, nämligen att hela enheten med strömriktare, kylsystem, hjälpmatningssystem, styrsystem och skydd installerades i en container. Detta innebar att inte bara strömriktarmodulerna utan hela omriktarenheten med all sin hjälp- och styrutrustning kunde monteras och testas i fabriken och levereras nyckelfärdig till kunden. Containerlösningen medförde dessutom en viktig kostnadsfördel för kunden eftersom ingen ny byggnad behövde uppföras. De enda förberedelserna som krävdes lokalt var ett fundament för containern, och även detta ingick i ABBs offert. Den färdiga containerenheten 2 är 10,6 m lång, 3,6 m bred och 3,4 m hög. Transportvikten uppgår till 14 ton. Frekvensomriktarens märkeffekt är 24 MW, men upp till 30 MW tillåts under max en timme. Energin kan 1 Utrymmesbehov och anläggningsdisposition 4 visar en översikt över anläggningen, reducerad till dess viktigaste funktioner. Största delen av utrymmet upptas av kopplingsapparater och övertonsfilterkretsar, även om stor vikt har lagts vid att utnyttja markytan så effektivt som möjligt. Kondensatorbatterier, reaktorer och dämpningsmotstånd för respektive fas har monterats ovanpå varandra i syfte att minimera ytbehovet. Frekvensomriktare med låg mellanledsspänning Märkspänningen uppgår till 34,5 kv på båda växelspänningssidorna. Frekvensomriktaren utgörs av två uppbyggnadsmässigt identiska tolvpulsiga strömriktare. Strömriktarna matas av vardera två transformatorer med olika sekundärlindningar (Y- och deltakopplade), vilket ger tolvpulskoppling 5. De vattenkylda strömriktarna består av vardera två seriekopplade bryggor med totalt 72 tyristorer. Mellanledets märkspänning är 2,7 kv. Spänningen har valts utgående från den tillåtna spärrspänningen hos en tyristor och med hänsyn tagen till den maximala temporära överspänning som kan uppträda i samband med en nätstörning. Spänningen i mellanledet hålls konstant utom i fall då belastningen är mycket låg (under 10 % av märklast). På detta sätt behövs ingen seriekoppling av flera tyristorer. För att hantera mellanledets märk- 26 A BB Tidning 2/1996

3 Containern med den inbyggda frekvensomriktaren under tillverkning i ABBs fabrik i schweiziska Turgi. Till höger syns anslutningarna för strömriktartransformatorerna. 2 Den i containern inbyggda frekvensomriktaren. I förgrunden syns hjälp- och styrsystemen och på andra sidan mellanväggen skymtar tyristorströmriktarna med sina kylledningar. 3 A BB Tidning 2/

4 ström på 8,9 ka har sex separat avsäkrade tyristorer parallellkopplats. Även om en av de sex parallella tyristorerna skulle falla ur kan full effekt överföras. Hjälpsystemen (pumpar, fläktar och styrsystem) för hela frekvensomriktaren matas från 60 Hz-nätet via en separat transformator. Vidare finns en funktion för stilleståndsvärme som matas från 40 Hz-nätet. Eftersom strömriktarna är nätstyrda, kan hjälpsystemen inte användas om 60 Hz-nätet faller ur, och då kan heller ingen energi överföras från 40 Hznätet. Skydds- och styrsystem Styr-, regler- och skyddssystem för anläggningen är programmerbara styrenheter ur apparatfamiljen PSR [1] som ABB har utvecklat speciellt för användning i strömriktaranläggningar. Fjärrstyrning och fjärrövervakning sker via nätstyrsystemet S.P.I.D.E.R. MicroScada. Detta system är baserat på en MicroVAX 3100 med VT 420-terminal, en MicroWorkstation och en MicroFrontend med skrivare allt sammankopplat via Ethernet. Frekvensomriktaren är kopplad till kontrollrummet via fiberoptiska ledare. I kontrollrummet är driften av frekvensomriktaren integrerad med GNPs system för optimerad energianvändning EOS. Anläggningsdisposition. Till vänster kopplingsapparater, samlingsskenor och övertonsfilterkretsar och till höger containern med strömriktare, styrutrustning och hjälpsystem. I direkt anslutning till containern finns transformatorer, glättningsreaktorer och kylsystem Hz 5th 60-Hz 12th 60-Hz 12th Capacitor Capacitor Capacitor Frequency converter enclosure 60-Hz station auxiliary ing 60-Hz manual disconnecting ing 60-Hz station bus ing Control and protection section Converter section 24 MW Converter cooling 60-Hz interconnection to customers substation 40-Hz interconnection to customers substation 40-Hz converter 40 Hz 60 Hz 60-Hz converter 40-Hz manual disconnecting 40-Hz station bus 40-Hz station auxiliary ing ing ing Smoothing reactor Capacitor Capacitor Capacitor 40-Hz 3rd 40-Hz 12th 40-Hz 12th 28 ABB Tidning 2/1996

5 40 Hz Y D 2.7 kv 3 Y Y 60 Hz Y Y D Y V/ 120 V 480 V HP 3 HP 12HP 12 HP 5 HP 12HP 12 Förenklat kopplingsschema för frekvensomriktaren 5 1 Strömriktartransformatorer 2 Tyristorströmriktare i bryggkoppling 3 Reaktor i likströmsmellanledet 4 Transformator för hjälpsystem (40 Hz, 2 faser) 5 Transformator för hjälpsystem (60 Hz, 3 faser) 6 Vakuumbrytare för övertonsfilter 7 Filterkretsarna HP3, HP5 och HP12, avstämda till 3:e, 5:e respektive 12:e övertonen Reglering av aktiv effekt Frekvensomriktaren tillåter energiöverföring i båda riktningarna. Regleringen sker i enlighet med den effekt-frekvensmetod som är vanlig i system med sammankopplade kraftnät 6. Frekvensen i 60 Hz-nätet regleras i normalfallet via länken till kraftbolaget Bangor Hydro. I 40 Hz-nätet däremot kan frekvensen variera en aning. Operatören fastställer den önskade referenseffekten P r (inklusive riktning) samt ett frekvensbörvärde f r för 40 Hz-nätet. Inom frekvensområdet f 40 = f r ± f (där f = 0,2 Hz) håller reglersys- temet den förvalda effekten konstant. Vid större frekvensavvikelser ändras den överförda effekten med en branthet på 16 MW/Hz, upp till det av operatören fastställda gränsvärdet. Övergången mellan effekt- och frekvensreglering är kontinuerlig. Frekvensomriktaren förbättrar vidare driftegenskaperna hos 60 Hz-nätet i hög grad. Stora lastförändringar och generatorbortfall ledde tidigare till överbelastning av den svaga länken till Bangor Hydros offentliga nät, med följd att ledningsskydden löste ut och att såväl fabriken som hela samhället Millinocket mörklades. Frekvenskopplingen reglerar i normala fall, förutom frekvensen 40 Hz, även effekten i förbindelseledningen. I händelse av ledningsstörningar övergår systemet till reglering av frekvensen 60 Hz, så att matningen till de känsligaste förbrukarna säkras. I sådana situationer accepteras större frekvensavvikelser i 40 Hz-nätet. Reglering av den reaktiva effekten Övertonsfiltren på de båda nätsidorna fyller två uppgifter. Dels ska de minska ström- och spänningsåterverkningarna A BB Tidning 2/

6 0 P 4060 P rmax 4060 P r P rmax 6040 f 40 f r (40 Hz) Effektreglering som funktion av nätfrekvensen i 40 Hz-nätet P 4060 Överförd aktiv effekt från 40 Hz- till 60 Hz-nätet f 40 Frekvens i 40 Hz-nätet f r, P r Referensvärden som kan ställas in av operatören P rmax4060, P rmax6040 Gränsvärden som kan ställas in av operatören Balans med avseende på reaktiv effekt för stationen gentemot nätet, som funktion av den överförda aktiva effekten och mätt på 60 Hz-sidan under överföring av effekt från 40 Hz- till 60 Hz-nätet Q R Total reaktiv effekt P DC Aktiv effekt i mellanledet HP5, HP12 Filter avstämda till 5:e respektive 12:e övertonen a, b Gränsvärden för till- och frånkoppling av filterbatterierna H Hysteres Q R 20 M var xHP12+HP5 f 1xHP MW 40 P DC f 1xHP12+HP5 H a b 6 7 från frekvensomriktaren, dels ska de generera reaktiv effekt i syfte att inte onödigtvis belasta de båda kraftnäten med reaktiv ström till omriktaren. Filtren är kopplade till mellanspänningsnätet på 34,5 kv och producerar en reaktiv effekt på 17,6 Mvar för 40 Hz och 18,3 Mvar för 60 Hz. De trefasiga övertonsfiltren tar upp mycket mer markyta än vad själva frekvensomriktarcontainern gör. Filtren består av tre parallella och kraftigt dämpade serieresonanskretsar som är avstämda till den tredje, femte och tolfte övertonen. Behovet av reaktiv effekt ökar på båda nätsidorna ungefär linjärt med den överförda effekten 7. Genom att filterenheter kopplas in i förhållande till överförd effekt, begränsas den totala reaktiva effekten som stationen behöver ta från nätet, så att den inom det normala effektområdet kan drivas med kontinuerligt hög effektfaktor. Inom överlastområdet accepteras däremot ett högre uttag av reaktiv effekt från nätet. För att undvika pendling i samband med kopplingsmanövrer och för att skona vakuumbrytarna, finns en viss hysteres i omkopplingen mellan de olika filterstegen. Om den överförda effekten är lägre än 2,4 MW (dvs under 10% av märkeffekten), hålls likspänningen i mellanledet inte konstant utan minskas i stället på så sätt att likströmmen hålls konstant vid 890 A (10% av märkströmmen). Därmed hålls även behovet av reaktiv effekt i stort sett konstant. Kortslutningsförsök i simulator Eftersom kortslutningsförsök sällan kan genomföras i anläggningar i drift har kortslutningar i stället simulerats. För att få en så verklighetstrogen avbildning som möjligt har en simulator byggts upp som motsvarar en kortslutningseffekt på 200 MVA på 40 Hz-sidan och 300 MVA på 40 Hz-sidan. Simulatorn består av fullständiga fysikaliska modeller av tyris- 30 ABB Tidning 2/1996

7 torventiler, reaktorer, kapacitanser och transformatorer. Regleringen har bland annat syftet att låta driften av frekvensomriktaren fortsätta så gott som störningsfritt även i händelse av kortvariga fel på växelströmssidan. 8 visar ett exempel på frekvensomriktarens reaktion på en enfasig jordslutning i 40 Hz-nätet vid överföring av märkeffekt. Ett kommuteringsfel hos växelriktaren går inte att undvika. Det visar sig i form av en transient översvängning hos likströmmen. Tack vare likriktarens-strömregulatorns goda dynamik och den spänningsberoende strömbegränsning som ofta förekommer i HVDC-anläggningar kan denna översvängning begränsas till ca 50% av märkströmmen. Endast en liten mängd aktiv effekt överförs under den tid felet varar, något som beror på växelriktarens minskade kommuteringsförmåga. För att inga följdkommuteringsfel ska uppstå efter att felet bortkopplats (vilket tar ca 150 ms), tillåts ytterligare ca 150 ms passera innan det ursprungliga drifttillståndet återställs. 1 p.u. 1 p.u. 50 ms Oscillogram för en enfasig jordslutning (150 ms) på 40 Hz-sidan vid märkeffekt DC V DC A 40 Hz AC V 60 Hz AC V DC V Likspänning DC A Likström AC V Växelspänning i fas A i 40 Hz- respektive 60 Hz-näten 1 p.u. Nominella värden för ström och spänning i mellanledet 8 Erfarenheter och framtidsutsikter En avgörande faktor för att ABB skulle få denna intressanta order i USA var, förutom de klart fördelaktiga ekonomiska betingelserna (som kort återbetalningstid), förhållandet att ABB betraktas som en kompetent leverantör av kraftelektroniska anläggningar. För den levererade frekvensomriktaren garanteras en tillgänglighet på minst 99%. Såväl detta gränsvärde som den uppnådda verkningsgraden motsvarar de värden som gäller för HVDC-anläggningar för höga effekter. Den driftklara frekvensomriktaranläggningen kunde överlämnas till GNP i maj 1994, åtta månader efter att avtalet hade undertecknats. Driften har ända från början till fullo uppfyllt kundens förväntningar och containerlösningen har visat sig vara ett gott val. Lösningen torde vara ett ekonomiskt och tekniskt ändamålsenligt alternativ även för en mängd andra jämförbara nätsammankopplingsprojekt. Referenser [1] Steimer, P.; Hartmann, P.; Perrin, C.; Rufer A.: PSR världens snabbaste styrsystem med programvara direkt genererad från funktionsschema. ABB Tidning 2/93, Författarnas adresser Brian G. Wiley BOWATER Great Norther Paper, Inc. One Katahdin Avenue Millinocket, Maine , USA Joseph Frisch ABB Industrial Systems Inc West Glendale Drive New Berlin, Wisconsin 53151, USA Fax: Peter Dähler Martin Strittmatter Erich Suter ABB Industrie AG Postfach CH-5300 Turgi Fax: +41 (0) A B B T i d ning 2/