F14: Moderna Applikationer av Kraftelektronik och Elektriska Drivsystem

Transkript

1 F14: Moderna Applikationer av Kraftelektronik och Elektriska Drivsystem

2 Motorstyrning inte längre den enda applikationen. Den klassiska applikationen av kraftelektronik är motorstyrning Motorstyrning kommer även fortsatt vara en viktig applikation av kraftelektronik. Den stora mängden apparater med uppladdningsbara batterier har lett till att SMPS:er blir en allt viktigare applikation av kraftelektronik. Förnyelsebara energisystem är också en modern applikation av kraftelektronik (och drivsystem). Detta beror på att många av dessa källor har en kraftigt varierande frekvens eller rentav är dc-källor.

3 och sedan då?

4 Dagens program Ämnet elenergiteknik Personliga exempel Kursen elenergiteknik Första föreläsningen

5 Översikt Utveckling Trygg elförsörjning Förnyelsebar elproduktion Smarta elnät El för transporter Forskningsprojekt på IEA

6 Produktion Konsumtion av elenergi = ~

7 Trygga elförsörjningen Kärnkraft Effekthöjningar i befintliga svenska verk Nu tillåtet att ersätta befintliga verk med nya Förnyelsebar elproduktion Främst vindkraft och solceller Naturgaskraftverk På kontinenten större än vindkraft Nya verk även i Sverige Trygga tillförlitlighet i elförsörjningen Kabel ersätter luftledning Risk- och sårbarhetsanalys

8 Förnyelsebar elproduktion Vindkraft Storlek på enskilda verk och parker växer fortfarande Långt ut till havs i DC-nät Solel I Tyskland jämförbar med vindkraften Exploderade i Danmark 2012 Vågkraft Stor potential, men ännu litet Bränsleceller Gör el av t. ex. vätgas Vätgassamhälle förespråkas

9 Vindkraftgeneratorer - huvudtyper Asynkrongenerator + växellåda enkel (gamla Vestas) PMSM + AC/DC/AC 100% effekt bra men tung (Enercon, Siemens ) DFIG AC/DC/AC 30 % effekt kompromiss (nya Vestas)

10 HVDC High Voltage Direct Current ~ = = ~ Långa avstånd AC-kabel ej möjlig (för mycket reaktiv effekt) Luftledning DC billigare än trefas AC Mellan system med olika frekvens Japan har 50 och 60 Hz Norden - kontinentaleuropa Goda styrmöjligheter jämfört med AC Kostnad för stationer dock hög

11 Sydvästlänken Hallsberg-Barkeryd AC Barkeryd-Hurva DC klar 2015 Struken: Barkeryd-Oslo DC DC Transistorteknik Markkabel 2x700 MW Början på ett svenskt HVDC-nät Först i Världen?

12 Tysklands Energiewende Kärnkraften läggs ner, särskilt i södra Tyskland Vindkraft i Nordsjön byggs ut Mer nätkapacitet behövs SuperGrid med HVDC Källa: IEEE Spectrum

13 Desertec vision: Förnyelsebart + HVDC

14 European Wind Energy Association vision

15 Smart Grid När fossilt ersätts ökar elanvändningen Värmepumpar, elfordon Elproduktion från vind och sol varierar Låt förbrukning följa elproduktion inte tvärtom Elnätets kapacitetsgränser (spänning och ström) nås Energilager + flexibel förbrukning styrd via Home Automation av marknadssignaler På transmissionsnivå Mätning (med GPS) och styrning (FACTS/HVDC) E&T magazine Jan. 2013

16 El för transporter Elhybridfordon Plug-in elhybrid Kontinuerlig elförsörjning

17 Forskningsprojekt på IEA inom elenergi Avslutat Mer vindkraft när elmätare används för reglering av spänning Vindkraft med kraftelektronik påverkar kraftsystemet Frekvensdynamik Strömmar vid kortslutningar Pågående Styrning av havsbaserade kraftsystem Reglering av shunt-c/facts/hvdc för att undvika blackout Risk- och sårbarhetsanalys av elnät och andra infrastrukturer Formgjutna elmotorer Provning av elmotorer med sig själv som belastning Strömavtagare för elvägar

18 Karin Adalberth statnett.no Ny Teknik Volvo

19 Vad är Elektronik? Elektroteknik? Elenergiteknik? Vindkraftverk, kärnkraftverk, solceller, kraftledningar, transformatorer, elmotorer, lampor, värmeelement, ljudanläggningar, elbilar, elcyklar

20 Vad vill man med elenergi? Tillvaro som är Bekväm Säker och hälsosam Ekonomisk Energieffektiv Miljövänlig Gäller både individ och samhälle

21 Ax till limpa i bilder en karta över kursen Kraftnät = ~ Kund

22 Drivkrafter för förändring Miljö (CO 2, Kyoto) Förnyelsebart, kärnkraft Handel (avreglering, EU) Internationella förbindelser Tillförlitlighet (storstörningar) Fler ledningar och kraftverk Minska sårbarhet (stormar, terrorister) Småskaligt, jordkabel

23 Miljön viktig för utveckling av energisystem EU 20/20/20-mål år % energi från förnyelsebart 20% lägre CO 2 -utsläpp än % högre effektivitet Sverige Energimyndighet med uppgift att ställa om Sverige till energimässigt hållbart Clean-tech ny bransch

24 Utvecklingstrender Energieffektivitet Spara el med glödlampsförbud Använd el för att spara energi med värmepumpar och el(hybrid)fordon Mindre utsläpp Förnybart: Vindkraft och solel Icke-förnybart: Kärnkraft och naturgas Tillförlitlighet Minska sårbarhet för Gudrun-stormar jordkabel Nationell och internationell elhandel Flaskhalsar i elnätet har givit elområden i Sverige Nya kraftledningar mellan (och inom) länder

25 Vad händer inom elproduktion? Planer ny vindkraft 41,5 TWh, MW Planer ny kärnkraft 7,5 TWh, 1007 MW

26 Ny elproduktion på sikt Solel Redan stort i Tyskland Vågkraft Tidvatten Från Ny Teknik

27 Vad händer inom elanvändning? El i fordon Elhybridfordon Plug-in och laddvägar Internationell värmepumpboom Elmätare med kommunikation Flexibel elförbrukning

28 Det nya elnätet Smart Grid Mål: Samhällsekonomisk väg till ett hållbart energisystem Utmaning 1: Variabel elproduktion från förnyelsebara energikällor - balansering Utmaning 2: Ökad elanvändning för uppvärmning och transporter - avlastning Medel: Automatisera elnätet med nya energilager, ställdon och IT-lösningar Styrning i nätet + styrning av förbrukning (aktiva konsumenter/home Automation) Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell E&T Elektroteknik magazine / PK Jan. 2013

29 Vad händer inom elöverföring? SE1 Luleå: Export Vattenkraft SE2 Sundsvall: Export Vattenkraft Luftledningar nergrävda efter stormen Gudrun E.ON km, 12 miljarder SEK Vattenfall, km, 10 miljarder SEK Prisområden onödiga med nya Sydvästlänken? 1200 MW DC Nässjö-Hurva North Sea Grid Kraftnät i Nordsjön förbinder havsbaserade svk.se SE3 Stockholm: Import Kärnkraft SE4 Malmö: Import Ingen produktion

30 Stort behov av ingenjörer inom elenergi Pensionering ar Nya elnät Nya kraftverk Nya elmätare El i fordon

31 och i utvecklingsländer: Exjobb i Uganda Annamaria Sandgren Solelsystem & miljö Belastningsmodeller Francis Sprei

32 Elenergikällor Vind Brännbart Uran Vatten Elanvändning globalt Energibalanser Metoder för elgenerering

33 Överföring av elenergi Effektbalans Balansekvationer Trefas 50 Hz Kraftnätet

34 Elanvändning Byggnader Värme Ljus Kraftelektronik Elmaskiner

35 Förnyelsebara energisystem - Enkelt energilager

36 Förnyelsebara energisystem - Stort system (ABB)

37 Förnyelsebara energisystem - DC-nät (PK)

38 Förnyelsebara energisystem - DC-nät (PK)

39 Förnyelsebara energisystem -Vindkraft

40 Två vanliga vindkraftdrivsystem - Doubly Fed Induction Generator och PM Direct Drive

41 Solceller - nätanslutning

42 Sensorlös reglering av AM

43 Switchade Reluktansmaskiner (SRM) Namnet antyder att kraftelektronik krävs!

44 Switchade Reluktansmaskiner (SRM) Namnet antyder att kraftelektronik krävs!

45 Mellanspänningsomvandlare Varför mellanspänning? Spänningsnivåer kv Ofta krav på övertonsnivå (THD). Kan bero på svagt nät eller krav/önskemål från nätägare. Aktiva nät-interface dvs styrda likriktare alternativt 12-, 18- eller 24-puls likriktare. Krävs för att uppfylla standarden IEEE 519 (motsvarar IEC ). Flernivåomvandlare - NPC - Modulära

46 5-nivå active front-end omvandlare - ABB ACS 2000

47 3-nivå omvandlare - En Halvbrygga

48 5-nivå omvandlare - En Halvbrygga

49 Tre-nivå NPC-omvandlare (BW Williams)

50 Tre-nivå NPC-omvandlare (BW Williams)

51 Modulär omvandlare - Uppbyggd av flera celler - Här Siemens Robicon perfect harmony

52 Green Mode SMPS (NXP)

53 Serie-resonant DC-DC omvandlare - BW Williams Kap 18

54 Serie-resonant DC-DC omvandlare - BW Williams Kap 18

55 Quasi-resonant omvandlare - Här i en batteriladdarapplikation

56 Quasi-resonant omvandlare - Här i en batteriladdarapplikation

57 Quasi-resonant omvandlare - Här i en batteriladdarapplikation

58 Kursen i korthet Elektromekanisk energiöverföring Växlar Elmaskiner Likströmsmaskin Stationärt Dynamiskt Asynkronmaskin Synkronmaskin Kraftelektronisk styrning 2Q 4Q 3fas växelriktning Vektorer Momentreglering Varvtalsreglering

59 Grovschema Onsdag 7 maj Onsdag 14 maj Onsdag 21 maj Fredag 30 maj Applikationer Simövn 1 Simövn 2 Tenta Repetition LM, AM, SM, 2Q, 4Q 3fasvx, Vektorer, Momentreglering Varvtalsreglering Extenta Tid