Slutrapport: Ny topologi för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker

Slutrapport: Ny topologi för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker Vindforsk II Projektnr. 30268-1 Stephan Meier Hans-Peter Nee meier@kth.se hansi@kth.se 08-790 7779 08-790 7781 Kungliga Tekniska Högskolan Skolan för Elektro- och Systemteknik Elektriska Maskiner och Kraftelektronik Stockholm, December 2008

Sammanfattning I detta projekt har en ny topologi för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker utvärderats. Genom att sänka elproduktionskostnaden, vilket åstadkoms både genom lägre initialkostnader och lägre förluster, har den nya topologin stora fördelar gentemot konventionella lösningar för likströmsöverföring. Projektet har även övervunnit två huvudsakliga tekniska hinder: Kommuteringen av de tyristor-bestyckade omvandlarna, speciellt vid låg generering, samt konstruktion av mellanfrekvensnätet. Simuleringsresultat har verifierats med mätningar på en 40 kva prototyp. Den nya topologin underlättar därmed etableringen av framtida havsbaserade vindkraftparker. Den är särskilt lämpad för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. 2

Abstract In this project, a novel topology for efficient AC/DC converters for future offshore wind farms has been evaluated. The new topology has big advantages compared to conventional solutions for HVDC transmission. It considerably reduces the energy generation cost by both reducing the initial cost and the conversion losses. During the project, two main technical challenges have been solved: The commutation of the thyristor-based cycloconverters, especially during low energy generation, as well as the design of the medium-frequency collection grid. Results from simulations have been verified with measurements on a 40 kva prototype converter system. As a consequence, the new topology facilitates the establishment of future offshore wind farms. It is especially suitable for remote wind farms situated at a long distance from a strong connection point in the grid. 3

Innehåll 1 Inledning 5 1.1 Bakgrund.................................... 5 1.2 Funktion och uppbyggnad av den nya topologin............... 6 1.3 Mål....................................... 7 1.4 Publikationer.................................. 7 2 Projektets genomförandet 9 2.1 Personer..................................... 9 2.2 Tillvägagångssätt................................ 10 3 Projektets resultat 12 4 Projektets måluppfyllelse 18 4.1 Sänkt elproduktionskostnad.......................... 18 4.2 Lägre initialkostnad.............................. 18 4.3 Experimentell implementation......................... 19 4.4 Konstruktion av mellanfrekvensnätet..................... 19 4.5 Kommutering av styromriktaren....................... 19 5 Slutsatser 21 5.1 Fortsättning................................... 21 Förkortningar 23 4

1 Inledning Projektet Ny topologi för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker har genomförts vid Kungliga Tekniska Högskolan, Skolan för Elektrooch Systemteknik, under tiden 2006-07-01 till 2008-12-31. Projektet finansierades inom ramen för programmet Vindforsk II - utveckling och användning av kunskaper som främjar utbyggnad av vindkraft i Sverige. Projektet är en fortsättning av projektet 20884-1 Ny topologi för mer effektiva AC/DComriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker. I detta tidigare projekt har projektgruppen visat att den nya tekniken kan ge både lägre initialkostnad och lägre förluster än motsvarande existerande teknik idag [1 4]. Detta innebär att elproduktionskostnaden kan sänkas och att etablering av ny vindkraft underlättas. Detta är särskilt viktigt i Sverige, där priset på el är lågt, vilket gör det svårare för oetablerade kraftkällor att göra sig gällande på marknaden [5]. De flesta är överens om att det svenska energisystemet ska vara effektivt, långsiktigt uthålligt, tillförlitligt och miljöanpassat [5]. Vindkraftsutbyggnaden är ett viktigt bidrag till omställningen till ett långsiktigt ekonomiskt och ekologiskt hållbart energisystem och bidrar därmed till miljökvalitetsmålen frisk luft, bara naturlig försurning, begränsad klimatpåverkan. En ökad andel av förnyelsebar energi minskar användningen av fossila bränslen, vilket minskar utsläppen av koldioxid, kväveoxider, luftburna partikelföroreningar, svaveldioxid, etc. 1.1 Bakgrund Syntesrapporten Energi i medvind [5] som kom ut 2005 fastslår att ytterligare forskning och utveckling behövs kring hur de havsbaserade vindkraftverken ska kopplas in för att billigt och säkert överföra den elektriska effekten till land. Rapporten hade mycket riktigt kommit till slutsatsen att likströmsöverföring är en svensk specialitet som än så länge är så dyr att den bara lönar sig för överföring av stora effekter på stora avstånd. Annars uppväger vinsten med likströmskabel inte förlusterna med växelströmskabel, speciellt på grund av att likströmskablar kräver en del ny utrustning i båda ändar för att lyckas [5]. Projektet syftar till att visa på en ny teknik för att överföra elektrisk effekt från en stor vindkraftpark till en stark nod i elnätet. Tekniken bygger på likströmsöverföring från vindkraftparken till inkopplingspunkten i nätet. Likströmstekniken är överlägsen växelströmstekniken på långa avstånd, varför det föreslagna konceptet är speciellt lämpligt där vindkraftparken befinner sig på stort avstånd från en stark nod i nätet. Likströmstekniken utmärks också av full styrbarhet även vid svåra felfall, vilket innebär att leveranssäkerheten blir större än för dagens 5

+/ 150 kv DC 150 kv 500 Hz 66 kv, 500 Hz 1 kv, f var Enfas MF transformator 3 kv, 500 Hz Växellåda Kortsluten asynkrongenerator Enfas spänningsstyv omriktare Styromriktare Effektbrytare Frånskiljare Vindturbin Figur 1.1: Förenklat schema av den nya topologin för effektiva AC/DC omriktare. vindkraftverk. Eftersom tekniken bygger på s.k. soft-switching och att omvandlarna i vindkraftverken är tyristoromvandlare erhålls avsevärt lägre förluster än med dagens likströmsteknik [3]. Dessutom blir initialkostnaden lägre eftersom färre IGBT:er (Insulated Gate Bipolar Transistor) behövs. Genom användningen av ett mellanfrekvensnät (300-500 Hz jämfört med 50 Hz i Sveriges stamnät) inom vindkraftparken kan storleken på transformatorerna minskas avsevärt, vilket också sänker initialkostnaden. Nästa avsnitt beskriver mer ingående hur den nya tekniken fungerar och hur en sådan vindkraftpark kan vara uppbyggd. 1.2 Funktion och uppbyggnad av den nya topologin Den nya topologin för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker har redan tidigare utförligt beskrivits och publicerats [1, 2, 4]. Dess syfte är att samla in energin från vindturbinen och omvandla den så att den kan överföras med likströmstekniken. Detta sker på ett nytt och mer effektivt sätt. Den nya topologin består av en spänningsstyv omriktare (VSC) och styromriktare som kopplas ihop av ett mellanfrekvens (MF) nät och MF transformatorer, jämför Figur 1.1. För att minska förlusterna från omriktarna är det fördelaktigt att tända och släcka halvledarna när det antingen inte finns någon ström genom eller spänning över komponenten, s.k. soft-switching. Detta uppnås genom att omväxlande kommutera den spänningsstyva omriktaren och styromriktarna [1] och därmed ömsesidigt skapa förutsättningarna för soft-switching. Den grundläggande funktionsprincipen av ett s.k. ömsesidigt kommuterade omriktarsystem är att den spänningsstyva omriktaren omvandlar likspänningen till en mellanfrekvent fyrkantspänning som magnetiserar MF transformatorerna. Dessa transformatorer erbjuder galvanisk isolering och anpassar spänningsnivån. Till slut omvandlas spänningen till den önskade trefasiga vindgeneratorspänningen med hjälp av styromriktarna. 6

1.3 Mål Målsättningen för projektet har varit att: 1. Visa att det med den nya tekniken är möjligt att avsevärt sänka elproduktionskostnaden för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. 2. Visa att det är möjligt att till lägre initialkostnad än idag realisera effektomvandling och transmission för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. Detta underlättar etablering av ny vindkraft. 3. Visa att den nya tekniken fungerar experimentellt i ett fall med två vindkraftverk med omvandlare bestyckade med tyristorer. 4. Visa att det går att konstruera ett mellanfrekvensnät inom vindkraftparken som har en rimlig nivå av ringningar och som kan överföra tillräcklig effekt för att systemet i sin helhelt blir avsevärt bättre än dagens alternativ. 5. Visa att kommuteringen kan realiseras även vid låg generering. 1.4 Publikationer Projektet har resulterat i flera vetenskapliga artiklar som har presenterats på internationella konferenser. Här visas en lista av alla relevanta publikationer: [I] S. Meier, S. Norrga, H.-P. Nee, Modulation Strategies for a Mutually Commutated Converter System in Wind Farms i Proceedings of the 12th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 07, Aalborg, Danmark, September 2007. [II] M. Kuschke, Practical implementation of a cycloconverter in a soft-switching isolated AC/DC converter, intern rapport, KTH, Stockholm 2007. [III] S. Meier, M. Kuschke, S. Norrga, Space Vector Modulation for Mutually Commutated Isolated Three-Phase Converter Systems i Proceedings of the 39th Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC 08, Rhodos, Grekland, Juni 2008. [IV] S. Meier, S. Norrga, H.-P. Nee, Control Strategies for Mutually Commutated Converter Systems without Cycloconverter Turn-off Capability i Proceedings of the 39th Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC 08, Rhodos, Grekland, Juni 2008. [V] S. Meier, Y. Yu, H.-P. Nee Comparative Study of Different HVDC Transmission Systems for Offshore Wind Farms, inlämnad för publicering i Proceedings of the 2nd EPE Wind Energy Seminar, Stockholm, Sverige, April 2009. 7

[VI] S. Meier, T. Kjellqvist, H.-P. Nee Design Considerations for Medium-Frequency Power Transformers in Offshore Wind Farms, inlämnad för publicering i Proceedings of the 13th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 09, Barcelona, Spanien, September 2009. [VII] S. Meier, H.-P. Nee Transient Overvoltages in Single-phase Medium-frequency Wind Farm Collection Grids, ännu opublicerad. Dessutom kommer forskningsresultaten att sammanfattas i en doktorsavhandling som kommer att framläggas under våren 2009. 8

2 Projektets genomförandet Projektet har genomförts vid Kungliga Tekniska Högskolan, Skolan för Elektro- och Systemteknik, Avdelningen för Elektriska Maskiner och Effektelektronik under tiden 2006-07-01 till 2008-12-31. I detta kapitel belyses först inblandade personer och företag, för att sedan ge en utförlig beskrivning av vilka moment som har genomförts i detta projekt. 2.1 Personer Projektet har genomförts av doktoranden Tekn. Lic. Stephan Meier under ledning av Prof. Hans-Peter Nee, båda på Avdelningen för Elektriska Maskiner och Effektelektronik, Skolan för Elektro- och Systemteknik, Kungliga Tekniska Högskolan. Till projektet kopplades en referensgrupp med intressenter från vindkraftsindustrin. Deltagarna i denna referensgrupp är Philip Kjær från Vestas Wind Systems i Danmark, samt JanR. Svensson, Thomas Jonsson och Staffan Norrga från ABB Corporate Research i Västerås. Under projektets gång har det hållits fyra möten, bland annat hos ABB i Västerås och i Ålborg, Danmark, i samband med konferensen EPE 2007. Maren Kuschke gjorde sin arbetspraktik med efterföljande studiearbete under tiden november 2006 till oktober 2007. Maren fokuserade på den experimentella delen, med bl.a. implementeringen av den rymdvektor-baserade modulationen samt uppbyggnaden av den tyristor-baserade styromriktaren. Shuang Zhao gjorde sitt examensarbete på ABB Corporate Research där han närmare tittade på moduleringen av den tyristor-baserade styromriktaren [6]. Liu Nian undersökte i sitt examensarbete problematiken runt mellanfrekvensnätet, med bl.a. mätningar på kabel hos ABB i Västerås samt systemsimuleringar i PSCAD. Liu påbörjade sitt arbete den 1 januari 2008, men kunde tyvärr inte slutföra det i skrivande stund p.g.a. hälsoproblem. Yingbei Yu påbörjade sitt pågående diplomarbete den 25 juni 2008. Hon utvecklade utförliga förlustmodeller och kostnadsuppskattningar för alla inblandade systemkomponenter, både för den nya topologin och för befintliga lösningar. Arbetet har skett i samarbete med industrin. 9

2.2 Tillvägagångssätt Genomförandet av projektet har skett med hjälp av analytiska beräkningar, numeriska simuleringar och experimentell verksamhet i laboratoriet. Här nedan kommenteras det i detalj på vilket sätt och med vilka resurser de olika punkter som är uppräknade i projektbeslutet har genomförts: 1. Planering för prototypbygge Prototypen bygger vidare på en befintlig laboratorieuppställning, där framförallt transformatorn och styromriktaren byttes ut. Den spänningsstyva omriktaren samt styrsystemet bestående av en DSP och en FPGA däremot kunde nästan användas som det var. MF transformatorerna som är baserade på vanliga 50 Hz transformatorer har konstruerats och tillverkats för mellanfrekvensdrift av Christer Eriksson från AQ Trafo AB [7]. 2. Analys av mellanfrekvensnätet För att kunna analysera mellanfrekvensnätet behövs det noggranna modeller av framförallt MF transformatorerna och kablarna. Själva analysen har sedan genomförts i PSCAD, ett numeriskt simuleringsverktyg för kraftsystem. Gällande transformatorerna är det framförallt storleken på läckinduktansen och kapacitanserna inom och mellan lindningarna som har betydelse. Dessa elektriska parametrar har bestämts analytiskt och kan främst påverkas genom lindningsutförandet, se [VI]. Kablarna inom vindkraftparken modelleras tillräckligt noggrant i PSCAD för att kunna återge alla högfrekventa fenomen som kan uppträda. Detta verifierades med hjälp av mätningar på nedgrävda sjökablar hos ABB i Västerås, se [VII]. 3. Analys av kommuteringsförlopp vid låg generering Bekymret vid låg generering var framförallt att strömmen skulle vara för liten för att möjliggöra kommuteringen av den spänningsstyva omriktaren. Dessutom skulle ett stort strömrippel ställa till med större bekymmer vid låg generering då det skulle vara proportionellt större. Analysen av kommuteringsförloppet vid låg generering har genomförts med simuleringar i Matlab. Problemet kunde helt undvikas genom att använda en kontrollstrategi för den kortslutna asynkrongeneratorn som går ut på att minska statorspänningen proportionellt till vindturbinens frekvens, vilket innebär att effektfaktorn vid låg generering blir låg samtidigt som strömmen blir större, se [I]. 4. Förslag till dimensionering av mellanfrekvensnätet Baserat på analysen av mellanfrekvensnätet har ett förslag till dimensionering av mellanfrekvensnätet tagits fram med hjälp av simuleringsverktyget PSCAD, se [VII]. Rekommendationer på hur mellanfrekvensnätet kan byggas upp på ett optimalt sätt gäller val av kablarna och deras spänningsnivå, de elektriska parametrarna hos MF transformatorerna och uppbyggnaden av den spänningsstyva omriktaren som bestämmer spänningsderivatan. 10

5. Implementering av vektormodulering i FPGA och DSP Vektormodulering har implementerats i FPGA och DSP i samarbete med Maren Kuschke och resultaten har sedan jämförts med vanlig pulslängdsmodulering, se [III]. Vektormodulering har sedan anpassats för att även fungera med styromriktare bestyckade med tyristorer [IV]. 6. Uppbyggnad av laboratoriemodell av mellanfrekvensnätet Simuleringarna i PSCAD pekade på att det skulle bli svårt att bygga upp en laboratoriemodell av mellanfrekvensnätet som på ett korrekt sätt skulle återspegla alla högfrekventa fenomen. Med tanke på mätningarna som gjordes på riktiga nedgrävda sjökablar för att verifiera simuleringarna och med hänsyn till att numeriska verktyg är bättre lämpade för ändamålet, bestämdes att inte bygga upp en laboratoriemodell av mellanfrekvensnätet som det först var tänkt. 7. Uppbyggnad av styromriktare med tyristorer För att ersätta IGBT:er med tyristorer i styromriktaren behövdes nya drivdonskort samt en ny huvudkrets. Detta arbetsmoment beskrivs i detalj i Maren Kuschkes rapport [II]. 8. Experimentell verifiering av effektomvandlarens funktion Effektomvandlarens funktion har experimentell verifierats, både för styromriktare bestyckade med IGBT:er [III] och tyristorer [IV]. 9. Analys av resultaten Resultaten har fortlöpande analyserats i samband med deras publicering, se kapitel 3 för projektets resultat. 10. Prediktion av reduktion av produktionskostnad och initialkostnad med den nya tekniken För att noggrant kunna förutsäga reduktionen av produktionskostnaden och initialkostnaden utvecklades utförliga förlustmodeller och kostnadsuppskattningar för alla inblandade systemkomponenter, både för den nya tekniken och för befintliga lösningar. Modellerna är implementerade i Matlab och bygger på uppgifter från industrin, se [V]. 11. Presentation av doktorsavhandlingen En doktorsavhandling kommer att framläggas och offentligt försvaras under våren 2009. 11

3 Projektets resultat Resultaten har fortlöpande analyserats och publicerats under projektets gång. I detta kapitel redovisas de viktigaste resultaten från projektet i kronologisk ordning efter deras publicering. I kapitel 4 däremot framgår det hur resultaten har bidragit till projektets måluppfyllelse. Publikation I Modulation Strategies for a Mutually Commutated Converter System in Wind Farms Genom att använda en kontrollstrategi för den kortlutna asynkrongeneratorn som går ut på att minska statorspänningen proportionellt till vindturbinens frekvens kunde bekymmer med kommuteringsförloppet vid låg generering undvikas. Därmed höjs strömmen vid låg generering på bekostnad av effektfaktorn som blir förhållandevis låg, se Figur 3.1. En ny metod för att kontrollera tyristor-bastyckade styromriktare togs fram, s.k. current clamping control strategy. Metoden går ut på att blockera alla halvledarkomponenter i det fasben där strömmen är nära noll under en kontrollerad tid. Därmed kan driften upprätthållas under alla driftförhållanden, se Figur 3.2 för simuleringsresultat. Den nya kontrollmetoden har dessutom fördelar som ett lägre momentrippel och en mer sinusformad ström med lägre övertonshalt. Dessutom tillåter den att ersätta alla IGBT:er i styromriktaren med snabba tyristorer, vilket innebär besparingar av kostnader och förluster. Publikation III Space Vector Modulation for Mutually Commutated Isolated Three-Phase Converter Systems Vektormoduleringen har framgångsrikt implementerats i en 40 kva prototyp, se Figur 3.3. Jämfört med vanlig pulslängdsmodulering (PWM) erbjuder vektormodulering (SVM) följande fördelar som har experimentell uppmätts: Utstyrningsgraden höjs, spänningen och strömmen blir mer sinusformad med lägre övertonshalt, transformatorströmmen minskar samtidigt som systemets verkninsgrad ökar, se Figur 3.4 för mätresultat. Vektormodulering är särskilt fördelaktig vid låga utspänningar, då denna sorts modulering maximerar nollvektorerna. Detta driftfall är inte ovanligt i ett vindkraftverk. 12

Generatorspänning [p.u.] 1 0.8 0.6 0.5 Turbinhastighet [rpm] Vindstyrka [m/s] Rotorfrekvens [Hz] Aktiv effekt [p.u.] Effektfaktor Statorström [p.u.] 1 Vindturbin Vestas V90-3.0MW 8.6 16.1 18.4 4 15 25 23.54 44.07 50.36 0.04 p.u. 1.0 p.u. 1.0 p.u. 0.13 0.83 0.85 0.38 0.80 0.79 Figur 3.1: Exempel av driftförhållanden och kontrollstrategin för en vindturbin. 2 3 1 2 3 ström statorflöde Figur 3.2: Förlopp av ström och statorflöde för tre karakteristiska driftfall enligt Figur 3.1. Mellanfrekvenstransformator Spänningsstyv omriktare (VSC) Styromriktare Figur 3.3: Fotografi av 40 kva prototypen med IGBT-bestyckad styromriktare. 13

Transformatorström [A] 120 100 80 60 40 20 PWM SVM 0 50 100 150 200 250 300 Huvudspänning [V] Verkningsgrad [%] 95 90 85 80 75 Resonant Icke-resonant VSC kommutering 70 PWM SVM 65 50 100 150 200 250 300 Huvudspänning [V] Figur 3.4: Transformatorströmmen (till vänster) och systemets verkningsgrad (till höger) som funktion av styromriktarens huvudspänning. Publikation IV Control Strategies for Mutually Commutated Converter Systems without Cycloconverter Turn-off Capability Prototypen med tyristor-bestyckad styromriktare har framgångsrikt implementerats och olika kontrollstrategier har diskuterats. Mätresultaten visar att driften grundläggande är fullt möjlig som tänkt, se Figur 3.5. Ett koncept föreslogs för att kunna använda den nyutvecklade s.k. current clamping control strategy. För att noggrant kunna förutsäga det framtida strömförloppet behövs det exakta metoder för att kunna mäta strömmen och en modell av den kortslutna asynkrongeneratorn. Publikation V Comparative Study of Different HVDC Transmission Systems for Offshore Wind Farms Utförliga förlustmodeller har tagits fram för alla relevanta systemkomponenter i samarbete med industrin. Preliminära resultat pekar på att den nya topologin har omkring 1% lägre förluster än befintliga lösningar [3], se Figur 3.6. Detta är en avsevärd förbättring med tanke på att förlusterna vid nominell effekt i en konventionell HVDC station från ABB idag uppgår till 1.6 % [8]. Preliminära resultat i Figur 3.7 visar att det är framförallt förlusterna från den spänningsstyva omriktaren och från transformatorerna som i grova drag halveras. Förlusterna i vindkraftparkens kablar och i vindturbinenes omriktare ökar däremot något. Kostnadsuppskattningar är svåra att genomföra, men alla tecken tyder på att den nya topologin har avsevärt lägre initialkostnader. Bland annat minskar kiselarean för IGBT:erna med 30 % för samma effektiva pulstal och antalet IGBT:er minskar till en sjättedel, vilket minskar kostnaderna för drivkretsarna i samma utsträckning [2]. Även MF transformatorernas vikt och volym är avsevärt lägre än för 50 Hz transformatorer, vilket innebära en rejäl kostnadsminskning. 14

Spänningsstyv omriktare (VSC) Mellanfrekvenstransformator Styromriktare Huvudspänning [V] Ström [A] 300 200 100 0-100 -200-300 0 5 10 Tid [ms] 15 20 25 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 0 5 10 Tid [ms] 15 20 25 Figur 3.5: Fotografi av prototypen med tyristor-bestyckad styromriktare (till vänster) och mätresultat vid av 20 % nominell effekt (till höger). Förluster [%] 11 10 9 8 7 6 5 4 HVAC överföring Konventionell HVDC överföring Ny HVDC topologi 3 50 75 100 125 150 175 200 225 Överföringslängd [km] Figur 3.6: Överföringsförluster för olika överföringsteknologier (200 MW vindkraftpark och 8 m/s genomsnittsvindstyrka). 15

Trefas transformator Trefas spänningsstyv omriktare Enfas mellanfrekvens transformator Trefas styromriktare Dubbelt matad asynkrongenerator Kortsluten asynkrongenerator Trefas spänningsstyv omriktare Enfas spänningsstyv omriktare Mellanfrekvens kablar 0.3% 1.1% 0.21% 1.05% 1.05% 0.4% TOTAL: 4.11% 0.3% 0.38% 0.1% 1.2% 0.6% 0.44% 3.02% TOTAL: Figur 3.7: Preliminära förluster i en 200 MW vindkraftpark med konventionell HVDC station (vänster) eller den nya topologin (höger) vid nominell effektgenerering. Publikation VI Design Considerations for Medium-Frequency Power Transformers in Offshore Wind Farms Magnetiska, elektriska och termiska ekvationer för att designa torr-isolerade MF transformatorer har tagits fram. En 3 MW mellanfrekvenstransformator som arbetar vid en frekvens av 500 Hz väger mindre än 700 kg och har en verkningsgrad på upp till 99.4 %, se Figur 3.8. Detta kan jämföras med en trefas 50 Hz lågförlusttransformator (ABB Resibloc) med samma effekt som har en verkningsgrad av 98.95 % och en vikt av 7 ton. Utförliga ekvationer för att kunna bestämma storleken på läckinduktansen och parasitära kapacitanser har tagits fram. Publikation VII Transient Overvoltages in Single-phase Medium-frequency Wind Farm Collection Grids Simuleringsresultat har verifierats med hjälp av mätningar på ett nedgrävd sjökabel hos ABB i Västerås. Figur 3.9 visar en jämförelse mellan ett uppmätt och ett simulerat stegsvar. Rekommendationer har tagits fram för hur mellanfrekvensnätet ska se ut och vilka parametrar som är viktiga för att kunna hålla en rimlig nivå av ringningar och samtidigt överföra tillräckligt med effekt. 16

Figur 3.8: 3MW 500 Hz MF transformator. 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 V 300 MHz 2GSa/s 50 Ω 50 Ω 162 m µ r = 1.4 / ρ = 200 Ωm Mätning 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Simulering 0 5 0 5 10 15 Tid [µs] Figur 3.9: Jämförelse mellan ett simulerat och ett uppmätt stegsvar. 17

4 Projektets måluppfyllelse I detta kapitel belyses i vilken grad projektets fem mål har uppfyllts. För vart och ett av de fem målen har en ungefärlig uppskattning av måluppfyllelsen angivits i procent. Speciellt diskuteras vad eventuella avvikelser från de uppsatta målen beror på och vad detta har för betydelse för projektets utgång. 4.1 Sänkt elproduktionskostnad Det första målet var att visa att det med den nya tekniken är möjligt att avsevärt sänka elproduktionskostnaden för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. Måluppfyllelse: 95 % Elproduktionskostnaden för vindkraftparker bestäms av både initialkostnaden och förlusterna för effektomvandling och effektöverföring. Då man kan utgå från att initialkostnaden blir lägre (se avsnitt 4.2), var det viktigt att räkna hur mycket lägre förlusterna blir med den nya topologin. I en studie av olika topologier för likströmsöverföring [V] bekräftades tidigare preliminära resultat [3] som visade att den nya topologin har avsevärt lägre förluster. En osäkerhetsfaktor är fortfarande om förlustmodellerna håller i verkligheten, vilket bara kan verifieras på en storskalig installation. 4.2 Lägre initialkostnad Det andra målet var att visa att det är möjligt att till lägre initialkostnad än idag realisera effektomvandling och transmission för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. Måluppfyllelse: 80 % Kostnadsberäkningar visar sig vara ytterst svåra att genomföra på ett tillförlitligt sätt, när till och med industrin har svårt att uppskatta vad olika lösningar skulle kosta. Därför var det bara möjligt att få indikativa värden av kostnaderna för olika komponenter. I en studie av olika topologier för likströmsöverföring [V] visade vi att kostnaderna för den spänningsstyva omriktaren samt för transformatorerna kan sänkas betydligt, samtidigt som kablarna inom vindparken och omriktaren som sitter i varje vindturbin 18

skulle orsaka jämförbara initialkostnader med dagens lösningar. Överlag pekar allt på att initialkostnaderna blir lägre med den nya topologin. För att exakt veta hur mycket lägre skulle det däremot behövas noggrannare undersökningar tillsammans med tillverkarna. 4.3 Experimentell implementation Det tredje målet var att visa att den nya tekniken fungerar experimentellt i ett fall med två vindkraftverk med omvandlare bestyckade med tyristorer. Måluppfyllelse: 80 % Den nya tekniken fungerar experimentellt i en prototyp med en omvandlare bestyckad med tyristorer [IV]. Av tidsskäl och på grund av begränsningar i det befintliga kontrollsystemet (FPGA och DSP) var det tyvärr inte möjligt att implementera det andra vindkraftverket. Detta anses dock inte vara ett större bekymmer då det inte innebär några grundläggande komplikationer, vilket har verifierats med hjälp av simuleringar. 4.4 Konstruktion av mellanfrekvensnätet Det fjärde målet var att visa att det går att konstruera ett mellanfrekvensnät inom vindkraftparken som har en rimlig nivå av ringningar och som kan överföra tillräcklig effekt för att systemet i sin helhelt blir avsevärt bättre än dagens alternativ. Måluppfyllelse: 75 % När man konstruerar mellanfrekvensnätet behöver man ta hänsyn till spänningsnivån, spänningsderivatan som bestämms av kommuteringen av den spänningsstyva omriktaren, samt den elektriska karakteristiken av kablarna och transformatorerna. Hur man konstruerar ett mellanfrekvensnät som har en rimlig nivå av ringningar (lägre än 20 % översläng) och som kan överföra tillräcklig effekt beskrivs i [VII]. Trots att en del av simuleringarna har verifierats med mätningar skulle det behövas en storskalig installation för att verkligen få reda på hur mellanfrekvensnätet skulle bete sig exakt. På grund av att kabellängden mellan omriktarstationen och vindturbinerna är den huvudsakliga begränsningen går det inte heller att bygga allt för stora vindkraftparker med den här topologin. 4.5 Kommutering av styromriktaren Det femte målet var att visa att kommuteringen kan realiseras även vid låg generering. Måluppfyllelse: 100 % 19

Publikation [I] visar att kommuteringen kan realiseras med tyristorer och även vid låg generering, vilket är ett stort framsteg för den här typen av ömsesidigt kommuterade omriktare. I den nya modulationsmetoden kontrollerar man aktivt tiden som tyristorerna är blockerade vid strömnollgenomgångar. En grundförutsättning för att kommuteringen ska kunna realiseras vid låg generering är att minst ett visst antal vindturbiner måste snurra för att strömmen kan uppnå det värde som behövs för en framgångsrik kommutering av den spänningsstyva omriktaren. 20

5 Slutsatser Projektet har kommit mycket långt i utvärderingen av en ny topologi för effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker. Projektet har både syftat till att övervinna tekniska hinder och att bekräfta topologins fördelar. Under projektets gång har man hittat lösningar till följande principiella tekniska hinder vad beträffar denna sorts omriktartopologi: Kommutering av den tyristor-bestyckade styromriktaren, speciellt även vid låg generering. Konstruktion av mellanfrekvensnätet. lösningar för lik- Experimentell implementering i form av en 40 kva prototyp. Dessutom har topologins fördelar gentemot konventionella strömsöverföring bekräftats. Dessa fördelar är: Sänkt elproduktionskostnad. Lägre initialkostnad. Lägre förluster. De metoder som använts var analytiska beräkningar, numeriska simuleringar och experimentell verksamhet i laboratoriet. Slutsatsen är att den nya topologin för effektiva AC/DC omriktare underlättar etablering av framtida havsbaserade vindkraftparker. Den är särskilt lämpad för vindkraftparker på stort avstånd från en stark punkt i nätet. Den nya topologin bidrar till att minska överföringslängden där likströmsöverföring blir mer fördelaktig än växelströmsöverföring. 5.1 Fortsättning Det är ett naturligt första steg i implementeringen att först studera en kompakt ömsesidgt kommuterad mellanfrekvensomriktare enligt Figur 5.1. Detta skulle innebära att man ersatte trefas omriktaren och trefas transformatorn i en konventionell omriktarstation med en enfas omriktare, en enfas MF transformator och en trefas styromriktare. Just nu är det ABB som har börjat med en ingående systemstudie om den topologin som visas i Figur 5.1. Detta är ett viktigt erkännande från industrin att man ser att den föreslagna topologin kommer att underlätta nyetablering a vindkraft framöver. 21