Trender och utmaningar som påverkar elkraftsystemet Carl Öhlen
Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar
STRI Din oberoende partner -Your independent partner - för högspänningsteknologi och tillämpningar
Vi finns i mitten av världen
En fortsättning på mer än 100 års erfarenhet! 1883 Belysning och generatorer! 1893 Den första 3-fasiga industriella kraftöverföringen (SE)! 1952 Världens första 400 kv-transmission (SE)! 1954 Världens första HVDC-transmission (SE)! 1965 Världens första 800 kv transmission (CA)! 1982 Världens första 600 kv HVDC-transmission (BR)! 2008 Världens första 800 kv HVDC-transmission (STRI) STRI en del av The High Voltage Valley
Vilka vi är och vad vi kan göra STRI Consulting Spetskompetens för direkt användbara lösningar STRI Software Omfattande verktygslåda för effektivitet och tillförlitlighet STRI Testing Ackrediterat högspänningslaboratorium
Organisation VD Dan Wikström E Ekonomi och Administration Lisa Berntsson Q Kvalitetsäkring Björn Engström R Tekniktjänster och Programvaror Ingvar Hagman M Marknad & Affärsutveckling Carl Öhlen Personal RK Kraftsystemanalys RA Underhåll & Diagnostik RT Provning MC Management Consulting Ludvika Västerås RI Isolation RL Ledningar & Stationer RE EMC & Elkvalitet RW IT & WEB Göteborg
Kunder! Kraftbolag, myndigheter och organisationer AEP, CEA, CSG, EdF, Elforsk, Eltra, Entergy, EPRI, ESB, ESKOM, VB, Fingrid, Forsmark, Fortum, OKG, PG & E, NTPC, Powerlink, Ringhals, Statnett, SvK, SwePol, E.ON, Tohoko, Vattenfall, FGC, Energinet.dk etc.! Tillverkare, entreprenörer och ingenjörsbolag ABB, AFL Focas, Alstom, Balfour Beatty Rail, BHEL, Bombardier, Cooper Power System, Lapp Insulators, Nexans, NGK, Nordtrafo, Siemens, Trench, Tyco, Zibo, Dow Corning, Eltel, Westinghouse etc.! Industrier Assi Domän, AvestaPolarit, AzoNobel, Billerud Paper, Holmen, Intel, LKAB, Ovako Steel, Solna Offset, Outokumpu, SSAB, SSG, StoraEnso, Volvo, etc.! Järnvägsbolag Banverket, Jernbaneverket
Kunder och ägare
Den Nordiska Elenergi Marknaden 180 160 Russia 140 120 100 80 Wind Heat Nuclear Hydro 60 40 20 0 DK FI NO SE Netherland Germany Poland Cross border transmission with HVAC and HVDC TWh DK FI NO SE TOTAL Hydro 0 14 137 72 222 Nuclear 0 22 0 70 92 Heat 28 32 1 12 73 Wind 7 0 1 1 8 Production 34 68 138 155 395 Consumption 36 85 126 147 394
Detta är vårt arbetsområde Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Elektrifiering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi
Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar
Kraven på tillförlitligehet, tillgänglighet och kvalitet ökar Europe 2006 Moscow Japan 2006 Northern Europe 2005 Dubai
Kraven på ren energi utan koldioxid är ett måste Idag! http://hdr.undp.org/en/ Published 12:00 GMT (10 am in Brasilia) 27 November 2007
Accelererande koldioxidutsläpp 9 +2 o C +4 o C +6 o C Fossil Fuel Emission (GtC/y 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Emissions 1990-1999: 1.3% /y 2000-2006: 3.3% /y 1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010
Vad hände egentligen de sista 50 åren? Energy consumption 4000 Oil consumption 140 3500 120 100 Hydro/Nuclear Wood Gas Oil 3000 2500 36% World 80 60 Coal 2000 5% Ex. Soviet 40 20 1500 1000 34% OECD 0 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 500 25% USA TWh 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Vad händer nu? Utvecklingsländrena med Kina, Indien, Syd Afrika, Brasilien i spetsen kopierar vår livsstil med mer el och fler bilar. Med samma antal/capita som i USA skulle detta innebära en ökning av installerad elkraft samt bilar med sju gånger Million of cars Electricty GW 700 3 500 600 500 Developing Industrialized 3 000 2 500 Developing Industrialized 400 2 000 300 1 500 200 1 000 100 500 0 1980 1985 1990 1995 2000 Population % 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Pop %
Den stora utmaningen att ersätta oljan men också kol, gas, fissionskärnkraft...
Elenergi företagen har en plan
Hur kan svenskt kunnande hjälpa världen att minska CO2 utsläpp? = Effektiv integrering och överföring = Effektiv användning och lagring 9 Energy per capita consumption 8,0 Fossil Mtoe per capita 8 Hydro 7,0 7 6 Nuclear Coal Gas Oil 6,0 5,0 Kol/Coal Gas Olja/Oil 4,0 5 3,0 4 2,0 3 1,0 0,0 2 1 USA Canada Australia Russia Finland UK Japan Germany Italy Spain France Sweden World China India 0 US A S weden World Brazil
Hur mycket kan vinden ersätta? (Av elproduktionen) Electricity 1995 2002 2005 TWh Total Thermal Hydro Nuclear Wind Total Thermal Hydro Nuclear Wind Total Sweden 147 10 67 70 0 146 11 67 68 1 158 Denmark 38 37 0 1 39 34 0 5 36 Finland 64 32 13 19 0 75 42 11 22 0 70 Norway 123 1 122 0 131 1 130 0 138 Nordic 372 79 202 89 2 391 88 207 90 6 402 Nordic % 100% 21% 55% 24% 0% 100% 23% 53% 23% 1% Russian Federation 860 583 177 100 0 891 585 164 142 0 953 Russia% 67% 21% 12% 0% 66% 18% 16% 0% World 13 133 8 268 2 526 2 284 55 16 321 10 875 2 698 2 637 94 18 263 World % 100% 64% 19% 17% 0% 100% 67% 16% 16% 1%
Gotland HVDC Light project Vindgenerering kräver ökad överföring av 50 MW Minimal miljöpåverkan Till Havs! HVDC classic 1983 Visby 70 km 65 MVA Gotland HVDC Light 50 MW 20 MW Näs 65 MVA
HVDC Light som generator & motor Omedelbar reglering av aktiv och reaktiv effekt
Norge satsar på Kablar, Vindkraft till havs, HVDC Light.och Olja/Gas
Sverige satsar på Kablar, Vindkraft till havs och land, HVDC Light... och modernisering av kärnkraften
Ett välkänt problem European Commission, Report Directorate-General for Energy 2000 It is by now well appreciated that one of the economic factors limiting the exploitation of Europe s wind resource is the predominantly weak existing public electricity network in those areas most attractive for installation of wind turbines. The basic problem is that the distribution systems were designed to distribute power to consumers and not to collect it. Metoder för miljövänliga och säkra uppsamlingsnät (med kabel)
EU-DEEP ram projekt för DER Distributed Energy Resources! Finansierat av EU med deltagande från många EU länder! Utveckla en metod för att bedöma lönsamhet av DER för olika sektorer.! Att hitta fast-track tillämpningar av DER.! hushåll! kommersiell! industriell! European Competence Group för att behålla och sprida kunskaper efter projektets slut. Benefits to the EU Fast-track option 1 Today Fast-track option 2 Fast-track option 3 0 10 20 30 40 50 Benefits to the EU % of electricity produced by DER in Europe Today Without EU-DEEP EU-DEEP (Demand driven) Other FP6 projects (Advanced components, T&D networks approach) 0 10 20 30 40 50 % of electricity produced by DER in Europe
R&D Exempel: EU deep Bo wman Pow e r Syste ms, Gaz de France, Saft, Te chno fi, Transé nergie Ibe rdrola, CENTER, Labe in, Universidad Politecnica de Valencia Lege nd : Tracte be l, Laborele c, KULe uven Fag re l, FEEM, Capitalia Utilitie s Manufacturers Re se arch Ce nte rs Professionals National Agencie s RWE Ene rg y, MTU CFC, Siemens PTD Lund Unive rsity, STRI EPA Attiki, Anco, Hele tel, AUTh, CRES, ICCS/NTUA, RAE VTT pro ce sse s Latve nergo, Riga Technical University Lodz Region Power, EnergoProjekt, KAPE Ve iki Te do m Siemens PSE Tübitak Ele ctricity Authority of Cyprus, Frederick Institute of Te chno lo gy
Otillgänglighet = ~0 MTTR/MTBF + MTTM/MTBM Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Distribuerad Generering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi
Europe 20XX Scenario 99LFC0825 Hydro 200 GW Hydro power Solar power Wind power Distributed generation by regenerative fuel cells DC transmission Gas (hydrogen) distribution Chemical Storage 1000 TWh 60 Mton Hydrogen (four months storage) Wind 300 GW 25 000 km sq 5000 x 10 km Solar 700 GW 8000 km sq 90 x 90 km Cables (Solar) 35 pairs of 20 GW and 3000 km each
Vindgenerering i Europa 2006 2006 var totalt 48 000 MW vind generering installerat i EU. Produktionen var 100 TWh eller 3,3% av den totala el konsumptionen i EU STRI/Vindforsk projekt under 2008: Optimum DC-Link Solution in HVDC Wind Park Actively Interfaced to the Grid STRI projekt under 2008 Balkan: PQ and Wind power integration Bosnia-Herzegovina
Vartåt blåser vinden i USA?
El är bara en del av primär energi Primary Energy 2005 Million tonnes oil equivalent Oil Gas Coal Nuclear Hydro Total Sweden 15 1 2 16 16 51 Denmark 9 4 4 17 Finland 11 4 3 5 3 26 Norway 10 4 0 31 45 Nordic 45 13 9 22 50 140 Nordic % 32% 9% 7% 16% 36% Russian Federation 123 365 112 33 40 672 Russia % 18% 54% 17% 5% 6% USA 951 577 574 186 62 2350 USA % 40% 25% 24% 8% 3% OECD countries 2280 1282 1170 531 297 5560 OECD % 41% 23% 21% 10% 5% TOTAL WORLD 3861 2512 2957 627 667 10624 World % 36% 24% 28% 6% 6%
Men hur mycket vi ändå försöker så kan vi inte ersätta all fossil energi vi behöver Energieffektivisering Industri Transporter Byggnader STRI arbetar med massa och stål industrin Med energieffektivisering och elkvalitet
Förbättringspotential direkt OVAKO - Smedjebacken! Förvärmning av skrot.! Högre effekt till EAF.! Effektivare och stabilare ljusbåge.! Energibalansen för ljusbågsugnen.! Korta ner power off tiden.! Låt inte ämnena kallna innan bearbetning i valsverk
Trender och utmaningar! Fossilt bränsle måste snabbt ersättas av något som troligen innebär distribuerad generering! Men elektricitet kommer att fortsätta som det rena sättet att generera, överföra, distribuera och använda energi i t.o.m. bilar! Kravet på elektricitet med maximal tillgänglighet och kvalitet kommer att öka ytterligare! Infrastrukturen i Europa och USA är gammal! Men det finns begränsningar att bygga nya miljöpåverkande anläggningar (Speciellt ledningar)! Både nya och äldre anläggningar måste drivas effektivt och miljövänligt med maximal tillförlitlighet
Innehåll! STRI och High Voltage Valley! Trender som påverkar kraftsystemet! Exempel på utmaningar och lösningar
Kraftsystemet måste förstärkas och anpassas till de nya kraven Generering HVAC Överföring Transformator stationer HVDC Överföring Distributions nät Industri nät Distribuerad Generering Kontinuerlig försörjning av elektrisk energi
STRI Management consulting för helhetslösningar! Hållbara energi system! Energi effektiva processer, t.ex i stål och pappers industrin! Integrering av nya metoder för elenergigenerering, t.ex. vindkraft! Jämförande studier om alternativa metoder, bränsleceller, HVDC! Miljöpåverkan! EMF, SF6, CO2, visuell, utrymme etc.! Verksamhetsutveckling! Benchmarking av processer, t.ex. Nordel och FGC, Ryssland! Tekniska och funktionella specifikationer, t.ex. RCD! Asset Management! LCC, RCM analys och uppgraderingsstrategi! Utvärdering och införande av ny teknologi, t.ex. IEC 61850! Seminarier och kompetensutveckling! STRI allmänna eller skräddarsydda seminarier och kurser
Den Nordliga Elenergi Marknaden Nordel Ryssland Kina Japan
STRI Consulting Teknikområden! Isolation! Ledningar och stationer! EMC Elkvalitet! Kraftsystemanalys! Underhåll & Diagnostik
Isolation! Isolatorer och luftgap! Porslin, glas och polymer! För apparater och linjer! Specifikation & optimering! Val och dimensionering! Överslagstålighet! Drift och åldring! Materialegenskaper! Tillämpad programvara! Metoder och kriterea för kvalificering! Tillförlitligehetsberäkningar! Tillämpad programvara
Komposit isolation
Snö och istålighet
Ledningar & stationer! Elektrisk design! Last & kortslutningsdimensionering! Tillförlitlighet/Tillgänglighet! Selektivplaner! Isolationskoordinering! Val av isolatorer! Korona och fälteffekter! EMF krav & mätning! Lindimensionering! Impedans och induktion! Jordning! Dynamisk dimensionering
Kompaktering och kablifiering: Exempel Stockholm Ström project Kompaktering av station: Genom att använda den frånskiljande brytaren i dubbelbrytar arrangemang Kompakt övergång linje till kabel
Miljövänliga ledningar med låg EMF och låga förluster: Statnett uppgradering 300 till 400 kv High temperature conductors Composite insulators Compact design for 400 kv
! Kompabilitet EMC & Elkvalitet! Immunitiet mot påverkan/emission! Regelverk/kontraktsdata! Mätning! Analys! Lösningar! Kalibrering PQ instrument! Spänningsdipstålighet
Exempel Elkvalitet
Kraftsystemanalys! Belastningsfördelning! Felanalys! Vinkelstabilitet! Spänningsstabilitet! Frekvensstabilitet! Systemjordning! Reläskyddskoordination! Modellering av systemkomponenter! Mjukvaruutveckling och support
Exempel System studier med HVDC och HVAC Northern 200 km!hvdc Feasibility study 350 km Central 250 km North East North West 430 km 600 km 600 km East (KZN) 700 km 400 km Cape
Underhåll & Diagnostik! Optimala underhållsmetoder med on-line/on-site övervakning och mätning! Web baserad diagnostik! Från PD & temperatur till video & rörelse analys! CBM planering! Condition Based Maintenance (Tillståndsbaserat underhåll)! RCM planering! Reliability Centered Maintenance (Tillförlitlighetsbaserat underhåll)! AMS Arbete Med Spänning
Exempel: STRI Kabel Diagnostics! Typ prov av kablar och tillbehör! Inspektion och PD mätning på plats! SOLA Tillståndsövervakning via web! Haveriutredning och analys i lab! Kvalitetskontroll av kabelinstallation
! Elkraftsystemanalys! Tillförlitlighetsanalys STRI Software! Underhållsoptimering, RCM! Stöd för val av isolatorer! Selektivplaner!Val av isolatorer och design av ledningar! Dynamisk strömbelastbarhet för apparater & ledningar! Impedans och induktion! Järnvägsmatning SIMPOW NEPLAN LPE, IST, EAC etc.
Exempel: SIMPOW Simulation of Power systems Ett avancerat verktyg för analys i tids- och frekvensdomän Beräkningsmoduler! Belastningsfördelning! Felanalys! Dippanalys! Dynamisk analys med visarevärden ( RMS ) och ögonblicksvärden ( EMT )! Tidssimulering! Linjäranalys Används av forskare, tillverkare, kraft & järnvägsbolag
Exempel: NEPLAN RCM NEPLAN är varumärke för BCP Busarello+Cott+Partner Inc.
! Högspänningsprov! Temperaturstegringsprov! Miljö och smutsprov! Speciella prov! Kalibrering! Alla högspänningskomponenter!isolatorer, brytare, genomföringar, transformatorer, avledare, frånskiljare, stolpar, kablar etc.! Högeffektprov & mekaniska prov! I samarbete med partner STRI Testing
Main high voltage test hall New HVDC test hall Store Control Room 1 Service area Assembly hall + +Multistress chamber 1 +Multistress chamber 2 +Climate test chamber +Salt fog chamber +Temperature rise testing Control room 2 Climate test hall Preparation hall Secondary high voltage test hall Office Main entrance
! A.C. Testing wet/dry! 1050 kv/1.5 A! 550 kv 3.0 A! D.C. Testing wet/dry! 1250 kv/0.3a cont.! 1250 kv/2a pulses! >1250 kv bipolar testing! PD, RIV, Cap, Tan d! 1050 kv Högspänningsprov Växel & Likspänning
Smuts, miljö och åldringsprov! Climate test hall! Fullskale prov 10 C to +40 C 900 kv AC/ 1200 kv DC! Regn, dimma, is, snö, vind, salt! Climate test chamber! -60 o C to + 70 o C, 200 kv AC! 180 kv AC, 220 kv DC! Multi stress chambers (2)! Sol, regn, värme, dimma, salt! 50 kv AC, 60 kv DC! Salt fog chamber! 40 kv AC, 50 kv DC
R&D Exempel: UHVDC
Världens första 800 kv HVDC installation
Vettenkraft i Kina, Indien, Afrika & Brasilien kräver UHVDC 6000 MW
(The year means project in operation) Humeng Shandong 800kV, 6400 MW, 2015 Humeng - Tianjing Irkutsk (Russia) - Beijing 800kV, 6400 MW, 2016 800kV, 6400 MW, 2015 Ningxia - Tianjing Russia 3000 MW, 2010 Hami C. China 800kV, 6400 MW, 2018 Xianjiaba Shanghai 800kV, 6400 MW, 2011 Xiluodu - Hanzhou 800kV, 6400 MW, 2015 Xiluodu - Hunan 800kV, 6400 MW, 2014 Jinsha River II East China 800kV, 6400 MW, 2016 Jingping East China 800kV, 6400 MW, 2012 Jinsha River II East China 800kV, 6400 MW, 2019 Jinsha River II - Fujian 800kV, 6400 MW, 2018 Nuozhadu-Guangdong 800kV, 5000-6000 MW, 2015 Electrifying China 2020 NW-Sichuan (Baoji Deyang) 3000 MW, 2011 Xinjiang Xizang Qinghai Bangkok Gansu NWPG SCPG Sichuan & Chongqing Yunnan NCPG Ningxia Inner Mongolia Shaanxi Guizhou Guangxi Shanxi Jinghong-Thailand 3000MW, 2013 Hainan Beijing Tianjin Hebei Shandong Jiangsu Henan Anhui CCPG ECPG Shanghai Hubei Zhejiang 1050 Jiangxi kv Hunan Fujian Guangdong Liaoning NEPG Heilongjiang Jilin Taiwan Updated 2006-4-14, CNABB-PTSG BtB China-Russia (HeiHe) 750 MW, 2008 FarEast (Russia) NE China 3000 MW, 2010 Humeng - Liaoning 800kV, 6400 MW, 2018 Hulunbeir (Inner Mongolia) - Shenyang 3000 MW, 2010 BtB Northeast-North (Gaoling) 1500 MW, 2008 North Shaanxi-Shandong 3000 MW, 2011 BtB Shandong - East 1200 MW, 2011 BtB North - Central 1000 MW, 2012 Gezhouba-Shanghai Expansion 3000 MW, 2011 Lingbao BtB Expansion 750 MW, 2009 Goupitan - Guangdong 3000 MW, 2016 Yunnan - Guangdong 800kV, 5000 MW, 2009
Med UHVDC utprovad på STRI
Electrifying India
Electrifying India med prov på STRI
Electrifying Africa
Electrifying Africa med systemstudier på STRI
Uppgradering till högre spänning eller till HVDC i existerande ledningar ger mer effekt med mindre påverkan + + + + 0 +
Exempel: Ledningsdimensionering för HVAC & HVDC med STRI Software Tillförlitlighet Isolation EM Fält Dynamisk last
IEC 61850 = en ny global data standard för kraftsystemet Modulering enligt IEC 61850 för: Driftcentral Driftcentral IEC 61850 to Control Center (IEC TC57 WG19) IEC 61850 SCADA IEC 61850 IEC 61850 IEC 61850 IEC 61850 Vindkraft 61400-25 IEC 61850 IEC 61850 IEC 61850 mellan stationer (IEC TC57 WG10 ) Distribuerad Energy IEC 61850-7-420 IEC 62271-003 Digital gränssnitt till HV apparater Vattenkraft IEC 61850-7-410
Exempel: Internet & 61850 i stationen Remote workplace in the office or in the field STINA Utility office LAN Utility WAN/Internet IEC 870-5-101/104 Utility substation LAN Station Bus IEC 61850-8-1 TCP/IP Monitoring Bus Process Bus IEC 61850-9-2 ON-LINE Monitoring Device PQ Device Metering Device
IEC 61850 Interoperabilitet En ny provningstjänst från STRI Engineering workstation 61850 Analyser & simulator SCADA Gateway IEC 60870-5-104 IEC 61850-8-1 Reference IEDs Test Object Remote Test Object IEC 61850-9-2 Power System Model/ COMTRADE Test set
Vad kan STRI hjälpa dig med? Implementeringsstrategier Prospektering Offertförfrågan Oberoende verifiering Leveransgodkännande Stöd för idrifttagning
Exempel: Utprovning bränsleceller Vätgas in = El och vatten ut
Kablar, Vindkraft, HVDC, IEC 61850, Kompaktering, Energieffektivisering, Elkvalitet, EMF & Tillförlitlighet
Hur arbetar vi? Idé!, problem? Eller behov =! Identifiering Specifikation av mål och metod Arbetets uppläggning och pris Tidplan och bokning av resurser Presentation och implementering! Specificering! Offerering! Allokering! Implementering
Accrediterad för provning & kalibrering ISO9001 certifierad för kvalitetsystem
Hitta mer på www.stri.se
Din oberoende partner för högspänningsteknologi och tillämpningar Konsulttjänster, Programvara, Provning