Transmission and Distribution

Transkript

1 Vår vision är att elektricitet ska bli den bästa och effektivaste metoden att transportera och distribuera energi, influerat av ABB:s stora erfarenhet, uppfinningsrikedom och finansiella kunnande, för att skapa nya och unika lösningar. 6 ABB tidning 3/2000

2 Kraftöverföring och distribution under snabb förändring Georg Schett, VVD Teknik, Transmission och Distribution Med nya lösningar inom kraftöverföring och distribution som radikalt kan förändra sättet att leverera elkraft i framtiden, är mitt jobb sannerligen ett av de mer intressanta och spännande inom ABB. Jag tror att ingen annan bransch inom ABB förändras så snabbt. Målet för vår halsbrytande resa genom T&Dlandskapet under åren som kommer har vi nu klart i sikte, och vi vet vad vi ska göra för att komma dit. Det dominerande inslaget under vår resa är de snabbväxande marknaderna, avregleringar, kostnadstryck, ökande miljömedvetande och en teknik i snabb utveckling. Att förutsäga denna utveckling och bereda väg för den är både stimulerande och utmanande, och jag anser mig vara privilegierad genom att kunna räkna med stödet av en grupp experter för denna uppgift. Tillsammans försöker vi besvara många frågor. Hur påverkar nya tekniker uppläggningen och användningen av eltransportsystem? Vilka ännu outvecklade tekniker kommer att dyka upp i framtiden? Vilka externa intressen bestämmer teknikens inriktning? Med tanke på de fundamentala förändringarna av alla aspekter i vår bransch har min uppgift aldrig varit så spännande som den är idag. På de följande sidorna kommer jag att dela med mig något av vår vision av hur framtiden kan komma att te sig och beskriva våra särskilt betydelsefulla framsteg och genombrott. Avreglering som drivkraft Elektrisk energi är en av de viktigaste och kanske den viktigaste stöttepelaren i vårt moderna samhälle. Det obestridda sambandet mellan framsteg och utbudet av elektrisk energi ger den en hög prioritet på den politiska dagordningen i de flesta länder. Produktion, överföring och distribution av elkraft var förr reserverat för statligt ägda och styrda företag, som vanligtvis var vertikalt integrerade monopol, och det Gigatons oil equivalent Developing economies OECD Note: Scenario of energy consumption for the period based on current trends Source: World Bank Trend: Energiförbrukning Den förutsagda tillväxten i förbrukning är dramatisk, speciellt i utvecklingsländerna. ABB tidning 3/2000 7

3 Mikroturbinen fanns goda skäl till varför det förhöll sig så. Ändrar avreglering och privatisering nu på allt detta? Blir det komplexa elenergisystem, som vi alla tar för givet, nu utlämnat åt privata investerare och advokater? Lyser din lampa när du tänder den? Ja, det gör den! Men reglerna och rollerna ändras, och energin blir mer miljövänlig och så småningom billigare. Konkurrens stimulerar införandet av nya tekniker för att göra vårt nät mer tillförlitligt, kostnadseffektivt och i många fall mindre synligt. Liknande förändringar på telekommunikationsområdet kunde iakttas för en del år sedan, efter privatisering och avreglering, och i det fallet kom förändringarna alla till godo. Elbranschens mobiltelefoner blir små distribuerade resurser bränsleceller, mikroturbiner, vindgeneratorer och annat som är rena, säkra och smarta. På väg bort från frekvensstyrningsparadigmet? När upptäcktes elektriciteten? Den har alltid funnits och har betraktats som ett märkligt fysiskt fenomen. Men det är först på senare tid som en praktisk användning av elektricitet lanserades, baserad på experiment och grundläggande insikter av vetenskapsmän som Volta, Ohm, Ampère, Maxwell, Faraday och Edison. Fördelarna med elektriciteten blev uppenbara alldeles efter en serie banbrytande uppfinningar. Det stod även klart att en vitt spridd användning kunde garanteras endast om det fanns en rationell uppläggning av produktion, transport och distribution. På så sätt föddes systemet med 3-fas, 50 cykler (60 i USA). Föreställ dig nu ett kort ögonblick en buss som inte bara har en motor utan en separat motor för varje hjul. Föreställ dig nu att det blir stopp på en motor och att de andra måste kompensera, eller att de börjar gå med olika hastigheter. Bussen skulle inte hålla sig på vägen särskilt länge. Samma situation existerar i kraftledningsnätet. Många generatorer (bussens motorer) ansluts till varandra. Om de börjar gå med olika frekvenser, skulle stora strömflöden börja flyta mellan dem. Utan korrigering skulle då generatorerna börja oscillera, och de skulle kunna bryta samman mekaniskt. System för produktion, överföring och distribution av el är idag enorma synkrona maskiner vars tentakler eller med en mekanisk analogi, elastiska drivaxlar når in till själva hjärtat i våra hem, fabriker och kontor. Ju större system desto större ansträngning behövs för att hålla detta vidsträckta oscillerande system stabilt genom att reglera frekvensen med precision. Att tända lampan hemma, eller mer dramatiskt, vid start av en stor belastning som ett aluminiumsmältverk, skulle systemets rotation reduceras, ibland med ett ryck, om ingen omedelbar motåtgärd vidtas. För att undvika instabilitet bör varje belastningsökning framkalla omedelbar kompensation genom att mer energi pumpas in i systemet någon annanstans. Koppling av större belastningar måste planläggas i god tid för att säkra tillgänglighet av tillräcklig Total energy[ej] Electric energy Total energy Tillväxten i elkraft (grön kurva) överskrider den totala energitillväxten. Prognos IEA Electric energy[twh] 8 ABB tidning 3/2000

4 By value: Total 38 BUSD South & Central America Asia Pacific North America By number: Total 124 transactions North America Europe 16% 14% 38% 6% 11% 64% 28% 23% Europe Africa nil Asia Pacific South & Central America Den fantastiska aktiviteten i sammanslagningar och överlåtanden under 1999 är en bra indikator på dynamiken i kraftmarknaden. Omsättningen i Europa överskred 20 miljarder USD, då avregleringar och privatiseringar spreds mellan länderna. kraftproduktion. Tillräcklig reservkapacitet måste finnas till hands permanent för oförutsedda ändringar i belastningar och haverier. Att förlora stabiliteten i denna enorma elektriska maskin är ett allvarligt hot. Det kan ta dagar att synkronisera alla kraftstationer och ansluta dem igen till nätet (detta har faktiskt hänt tidigare). Att hålla detta kraftledningsnäts stabilitet är en ytterst komplex fråga för styr- och skyddstekniker. Det har utvecklats till en krävande vetenskap med hög prioritet i de flesta länder, eftersom regioner och stater har avtalsenliga förpliktelser att bidra till stabil drift av de regionala och nationella kraftledningsnäten. På grund av alla tekniska och procedurmässiga regler och föreskrifter, fungerar elkraftnätet i allmänhet så tillförlitligt att vi konsumenter tar det för givet: om vi slår på så tänds lampan. Utvecklade regioner och länder har anslutit sig till varandra med kolossala transkontinentala elsystem. Att gå med i ett sådant system är en stor teknisk utmaning för nya medlemmar, och att bevisa ens förmåga att bidra till systemets stabilitet har blivit ett betydelsefullt politiskt mål. Men tekniken har nu försett oss med andra lättare sätt att göra detta. Senare i detta nummer av ABB Tidning kommer vi att i detalj titta på några av dessa. Paradigmet 50/60 Hz garanterade en bred användning av elektricitet under föregående sekel. Att hålla detta komplexa system vid liv var en uppgift för statligt kontrollerade monopolorganisationer; verklig konkurrens bland leverantörer av elektricitet var otänkbar. Nu har avregleringen givit affärsvärlden uppdraget att underhålla denna enormt komplexa infrastruktur, som är så viktig för vårt samhälle. Därför lämnar vi ingen möda ospard för att utveckla de bästa möjliga redskapen. Ett av dessa redskap är kraftelektronik. Denna teknik påverkar struktur och drift av elnät och ifrågasätter, steg för steg, nödvändigheten av dagens enorma synkroniserade 50/60 Hz system. Kraftelektronik nyckeltekniken i en konkurrensutsatt miljö Nätet behöver styras Under senare år har avsevärda framsteg gjorts inom kraftelektroniken för transmissions- och distributionstillämpningar. Användningen av isolerade bipolära grindtransistorer för HVDC och Static Var Compensation har dramatiskt reducerat storleken på och kostnaden för en sådan tillämpning. Den huvudsakliga fördelen med denna teknik är dess förmåga att koppla strömmar på och av med mycket ABB tidning 3/2000 9

5 Enskilda kraftelektronikkomponenter kan lätt koppla 3000 A hundratals gånger per sekund. höga frekvenser, vilket därmed reducerar storleken på transformatorer och filter och i vissa fall undanröjer behovet av sådan tung utrustning helt och hållet. I traditionella transmissions- och distributionsnät flödar elektrisk ström i omvänd proportion till impedansen hos nätets knutpunktsseparering och det är alltså inte styrbart. Till följd av detta begränsas maximalt kraftutbyte av den svagaste anslutningen någonstans i nätet, även om tillräcklig ledningskapacitet i princip finns tillgänglig. En sådan situation kan uppenbarligen inte upprätthållas, när väl transmissions- och distributionsområdet avregleras och privatiseras. Verklig kontroll av elenergiflödet innebär en ökning av överförings- och distributionskapaciteten från 30% upp till i vissa fall 100%. Avregleringen kan vara svår att genomföra utan ökad kontroll av kraftflödet i befintliga nät. Ökad energihandel stärker investeringarna inom transmission och distribution, som redan har visats i USA där avregleringen startade tidigare. Omfattningen av energihandeln vidgas och driver på behovet av större nätflexibilitet och reaktioner på snabba förändringar. I många fall matchar dagens infrastrukturer dessa nya krav. Men teknik för att omstrukturera kraftledningsnät och anpassa dem efter de specifika behov som skapas genom avregleringen finns nu tillgänglig och är överkomlig. Flexible AC Transmission Systems (FACTS) i kombination med HVDC-Light-tillämpningar ger våra kunder ny inriktning för deras transmissionsföretag. Vi får se fler blandade AC- och DC-anslutningar för att uppgradera och förbättra elkraftnätets flexibilitet. I några fall ifrågasätts det berättigade i enorma synkroniserade multinationella elsystem och utmanas av avsynkroniserade mindre öar som är tätt knutna till varandra med back-to-back DC-länkar. Elkvalitet och flexibilitet På distributionssidan används kraftelektronik i ökande utsträckning för att förbättra elkvaliteten i känsliga HVDC Light gör det möjligt att ansluta distribuerad generering på ett kostnandseffektivt sätt. Medan en konventionell 130 MW HVDC-installation upptar m 2, kräver den kompaktare HVDC Light bara 2000 m 2. Small scale generation Interconnecting network Utilize existing rights-of-ways Multiterminal AC line conversion Oil platforms City center infeed Island supply 10 ABB tidning 3/2000

6 Ny, snabbare, billigare, bättre krafthalvledare ändrar kraftöverföringens och transmissionens utseende. ABB IPQD (Integrated Power Quality for Distribution Systems) bygger på kabelteknik och används i styrning och skydd för att hantera reaktiva effekter. områden och för att få ett gränssnitt med distribuerade resurser som t.ex. mikroturbiner, vindkraftverk, solenergi och bränsleceller. Alla dessa miljövänliga energikällor producerar inte energi i 50/60-cykler utan varierar från noll till några khz. Distribuerade energiresurser i kombination med värme och kylning länkas samman, fjärrstyrs och drivs som mycket flexibla virtuella enheter. Vi får se hur små DC-distributionssystem ansluter avlägset liggande belastningar, som t.ex. jordbruk och mindre byar, till nätet utan att behöva installera transmissionssystem med växelström under hög spänning. Sådana tillämpningar följs gradvis av distributionssystem för likström som ryggrad för högkvalitativ elkraftförsörjning i industri- och kontorskomplex med känslig elektronik. Med kraftelektronik som blir allt mer tilltalande på grund av avregleringen och mycket mer ekonomisk till följd av tekniska förbättringar, kan det gamla paradigmet för nätstyrning genom frekvensstabilitet gradvis avta. När kraftelektronik används i större Många olika slag av distribuerad generering kan kombineras i ett enda skarvfritt centralstyrt virtuellt nätsystem. ABB tidning 3/

7 Windformer utvinner vindkraft ur kustnära och havsbaserade anläggningar. utsträckning bidrar den till att begränsa kortslutningsström, och det leder till ytterligare ekonomiska fördelar i transmissions- och distributionsnätet. Det blir även stora investeringar i styrsystem och ledningssystem för att tillfredsställa behoven i en konkurrensutsatt miljö. Ledningssystem hanterar t.ex. risker och ständigt föränderliga energileveranskontrakt, även på konsumentområdet. Vi kan vara säkra på att Internet spelar en nyckelroll i allt detta. Står vi nära förverkligandet av den gamla visionen av ett totalt styrbart elnät? underjordiska transmissionssystem för växelström där hittills speciella och dyra shuntreaktorer måst användas. I framtiden skulle sådana kombinationer ändra den ekonomiska ekvationen för AC- och DC-underjordssystem i områden där tillstånd för kraftledningar är svåra att få på grund av trycket från miljösektorn. Tillbehör för Smart Elkvalitet som har snabb styroch kraftelektronik löser den gamla motsättningen mellan elkvalitet och kostnader. Tillbehören finns. Kraftelektronik blir en nyckelkomponent som gör det möjligt för oss att använda mer tillgängliga, förnybara energiresurser och reducera utsläppen av CO 2. De flesta av dessa resurser som t.ex. vindkraft, mikroturbiner och bränsleceller (de senare två kan drivas med biogas), ansluts direkt till distributionssystemet. Transmissionssystem för växel- och likström till lägre kostnader gör det möjligt att ansluta avlägsna förnybara energikällor till belastningscentra. Det blir renässans för kablar på grund av ökade tillämpningar av underjordisk transmission och distribution, marina vindkraftparker och även tillämpningar med oljefria transformatorer, motorer med högspänningsgeneratorer och vindkraftverk. Elektriciteten blir det miljövänligaste och mest ekonomiska sättet att använda förnybara energikällor och att transportera den till belastningscentra. Kraftelektroniken kommer slutligen att befria oss från 50/60 Hz-paradigmet. Miljövänliga lösningar Hittills har elförluster för kraftelektronikkomponenter och deras kostnader hindrat deras bredare tillämpning. Trenden är i färd med att ändras till förmån för elektronik, eftersom kostnaderna minskar snabbt och nya generationer IGBT med lägre förluster blir tillgängliga. Det är tänkbart att FACTs funktioner skulle kunna kombineras med reaktiv kompensation av Författare Georg Schett Senior Vice President Technology, Transmission and Distribution Segments CH-8050 Zürich georg.schett@ch.abb.com Telefax: ABB tidning 3/2000