Högsolan på Gotland Wind Power Technology Vårterminen 2007 Beräningsmodell för anslutning av vindraftver till elnätet Daniel Asplund 16 mars 2007
Sammanfattning Nya vindraftsanläggningar planeras på en mängd platser on- och off-shore i Sverige. Gemensamt för alla dessa är att de måste anslutas till elnätet för att unna leverera sin producerade elraft, vilet involverar elnätsbolagen redan i projeteringsprocessen. Denna typ av anslutning mot elnätet är en ny företeelse för många av dessa elnätsbolag. Svens Energi har tagit fram reommendationer och beräningsmanualer för anslutning av större och mindre produtionsanläggningar (ASP respetive AMP), som elnätsbolagen an följa. Dessa beräningar är emellertid inte rättframma, utan räver breda unsaper inom elraft och beräningsmetodi. För att förenla användande av de beräningsmanualer som besrivs i AMP, har en datoriserad beräningsmodell med enelt användargränssnitt utveclats i detta projetarbete. Beräningsmodellen tillämpas på det verliga Högbergsprojetet och visar att den projeterade anslutningen ommer att uppfylla alla rav på elnätsvalitet enligt AMP. Abstract in English There are several new wind power facilities being planned and built on- and off-shore in Sweden. One thing in common for these facilities is the fact that they need connection to the power grid to deliver the generated electricity. This involves the grid owners from the planning process of a wind power project. Wind power connections are unfamiliar for many Swedish grid owners. The organization Svens Energi (Swedish Energy) has developed recommendations and calculation manuals for grid connections of large and small energy production facilities (ASP and AMP), which grid owners can follow. The calculations presented in these documents are complicated and require good nowledge in power electricity and calculation methodology. To simplify usage of the calculation manuals presented in AMP, a user friendly computerized calculation model is developed in this project assignment. The calculation model is applied on the real case Högberget project and shows that the planned grid connection will fulfil all the power line quality requirements stated in AMP.
Innehållsförtecning 1 Inledning 4 2 Bagrund 5 2.1 Det svensa elnätet 5 2.2 Anslutning av vindraft 6 2.2.1 Definitioner 6 2.2.2 Väsentliga parametrar 7 2.3 Normer och standarder 7 2.3.1 Snabba spänningsvariationer Flicer 8 2.3.2 Långsamma spänningsvariationer 9 2.4 Högbergsprojetet 9 3 Genomförande 11 3.1 Härledningar 11 3.2 Tillämpning av beräningar i Microsoft Excel 14 3.2.1 Uppbyggnad 15 3.2.2 Input 15 3.2.3 Output 17 3.2.4 Tillämpning av evationer 19 3.2.5 Tillämpning av beräningsmodellen på Högbergsprojetet 20 4 Resultat 21 4.1 Resultat av tillämpning på Högbergsprojetet 21 5 Slutsatser 23 5.1 Tolning av resultat för Högbergsprojetet 23 6 Referenser 24 Bilagor 3
1. Inledning I tat med ett ständigt öande globalt energibehov och alarmerande rapporter från limatforsare världen över, har mänsligheten tvingats att vidga sina vyer när det gäller energiprodution. Hittills har en majoritet av all energiutvinnig tärt hårt på vårat naturresursapital och det har lett till ett öande problem med utsläpp av växthusgaser. Effeten av detta har vi sett allt mer utav de senaste åren och vi befinner oss mitt i en limattrend som är oroande. Med hjälp av ny-gammal teni har man sedan ett par årtionden bemästrat onsten att fånga vindens energi och omvandla den till eletris energi i vindraftver. Sverige har på grund av sin ria tillgång på vattenraft och ärnraft hittills varit en bra bit efter länder som Danmar, Tysland och Spanien vad gäller utbyggnad av vindraft, men i tat med att ärnraftsreatorer stängs så atualiseras behovet av ny energiprodution till det svensa elnätet. Regeringen har ett uttalat mål på 10 TWh vindraft 2015, vilet de även sapat eonomisa incitament för att lara. Att ansluta produtionsanläggningar för vindraft till elnätet räver ett omfattande förarbete. Vanligtvis vänder sig vindraftprojetören till det elnätsbolag som äger nätoncession för distributionsnät (0,4 20 V) vid den tänta siten. Vid planering för större vindraftsparer rävs emellertid anslutning mot högspänningsnätet, vilet utgörs av regionnät och stamnät. Vid förfrågan om nätanslutning av vindraftver måste ägaren av det berörda elnätet dimensionera anslutningen efter ett antal förutsättningar. Dels måste ablar och övrig utrustning lara av de strömmar som uppommer vid normal drift, samt i händelse av ortslutning i någon anläggningsdel. Dessutom finns det standardiserade rav på den elraft som levereras till det allmänna elnätet från en vindraftsanläggning. Dessa rav presenteras i srifterna AMP Anslutning av mindre produionsanläggningar samt ASP Anslutning av större produtionsanläggningar, som är framtagna av Svens Energi. Syftet med det här projetarbetet är att utvecla en beräningsmodell utifrån raven i AMP med hjälp av Microsoft Excel. Modellen sa unna användas av elnätsägare för att dimensionera anslutningar av vindraftsanläggningar. Dessutom ommer modellen att tillämpas på det verliga Högbergsprojetet, som drivs av DalaVind AB vid Bjursås i Falu Kommun. 4
2. Bagrund 2.1 Det svensa elnätet Detta avsnitt syftar framförallt till att i ortfattad textform besriva de svensa elnätens uppbyggnad och förlara de vitigaste begreppen inom distributionshierarin, för att ge onsevens hos terminologin i senare avsnitt. Figur 2-1 nedan illustrerar nättopologin och olia begrepp som är relevanta för detta projetarbete. Ryggraden i det svensa elnätet är det så allade stamlinjenätet som är uppbyggt av sammanlagt drygt 1500 mil 400- och 220 V-ledningar från norr till söder. Dess enda uppgift är att sammanbinda raftveren och raftblocen i landet, samt att stå för rårafttransporten. Från stamstationer längs stamlinjenätet fördelas raften inom olia regioner till så allade regionstationer. Stamlinjenätet och regionnäten samlas under begreppet överföringsnät och utgörs av luftburna högspänningsledningar. Kraften från regionnäten fördelas till mindre loala områden vid fördelningsstationer, där spänningen normalt transformeras ner till 10 V. Det loala 10 V-nätet allas distributionsnät och har till uppgift att fördela den eletrisa energin till lägsta totalostnad. Nedtransformeringen från fördelningsnätet på mellanspänningsnivån, till den nominella lågspänningen 0,4 V, äger rum i nätstationer. Lågspänningsnätet har till uppgift att distribuera elraft till elonsumenter, och utgörs av matarablar som förbinder nätstationen med ett abelsåp. Elonsumenter är anslutna till lågspänningsnätet med en så allad servisledning, som utgår från abelsåpet 1. Produtionsanläggningar som vindraftver ansluts vanligtvis diret till distributionsnätet med egna transformatorer som matar ut 10 V. Figur 2-1. Elnätets nätdelar och stationer. 2 1 Elfving, s. 29 ff. 2 Elfving, s. 28. 5
2.2 Anslutning av vindraft Detta avsnitt syftar till att ge förståelse för hur vindraftsanläggningar an anslutas till elnätet, och vila begrepp och parametrar som är väsentliga för att unna avgöra hur en vindraftsanslutning påverar nätet. 2.2.1 Definitioner I dag ansluts de flesta vindraftver till distributionsnätet på 10 V-nivån, men i tat med tilltagande storlear på vindraftsparer och märeffet hos generatorerna så ommer behovet av anslutningar mot regionnätet att bli vanligare. Den punt i elnätet där ett eller flera vindraftver ansluts till nätet definieras som anslutningspunt. Vid anläggningar med fler än ett ver an anslutningspunten vara ett 10 V-ställver, med ett inommande fac per ver och ett gemensamt utgående fac mot elnätet. Kablarna mellan vindraftveren och ställveret an då ägas av vindraftsägaren, medan nätbolaget äger ställveret och den utgående abeln. Figur 2-2. Illustration av begreppen Anslutningspunt och Sammanopplingspunt. 3 Den punt i elnätet där en ledning från en vindraftsanläggning ansluts till en nätdel som har andra installationer, allas sammanopplingspunt. Ur elvalitetshänseende är denna punt den vitigaste vad gäller beräningar av vindraftverens påveran på elvaliteten, eftersom det är från och med denna punt som andra installationer i nätet påveras. 4 3 Svens Energi AMP, s. 2. 4 Svens Energi AMP, s. 4 ff. 6
2.2.2 Väsentliga parametrar För att unna beräna och bedöma en vindraftsanslutnings påveran på elnätet så rävs ännedom om ett antal parametrar. Dessa definieras nedan och härleds i avsnitt 3.1 Härledningar. Flicer Den mänsliga hjärnans uppfattade snabba spänningsvariationer i elnätet genom t.ex. intensitetsvariationer hos ljuset i glödlampor, som uppfattas av ögat. Fliceroefficienten, c f (Ψ ) Koefficient som används för att beräna flicernivån i en given punt i elnätet vid en given ortslutningsviel Ψ. Värdet på oefficienten måste uppmätas i ett referensnät med änd ortslutningsvinel. Flicerstegsfator, f (Ψ ) En fator som används vid beräning av flicernivån inom vindraftområdet där flicer framförallt ommer från generatoropplingar. Värdet på fatorn måste uppmätas i ett referensnät med änd ortslutningsvinel. Kortslutningseffet, S Kortslutningseffeten vid en punt i elnätet motsvarar den eletrisa effet som uppstår vid normal driftspänning innan en ortslutning inträffat och med ortslutningsströmmen I sedan felet inträffat. Kortslutningsvinel, Ψ Vineln mellan nätets ortslutningsimpedans Z och ortslutningsresistans R. Dödband hos lindningsopplare Dödbanden hos en transformator bestäms av storleen hos lindningsopplarens steg enligt en given evation. För att hantera långsamma spänningsvariationer på grund av lastvariationer i nätet har transformatorn en lindningsopplare som automatist ändrar dess omsättning genom att lägga till eller ta bort lindningsvarv. Dödbandet anger den tillåtna procentuella avvielsen från normal driftspänning innan lindningsopplaren börjar reglera. Spänningsändringsfator, u (Ψ ) En fator som används vid beräning av den största spänningsändringen som uppommer vid inoppling av en vindraftgenerator. Värdet på fatorn måste uppmätas i ett referensnät med änd ortslutningsvinel. 5 2.3 Normer och standarder Inmatning av eletris energi på det svensa elnätet från produtionsanläggningar är förnippat med en rad bestämmelser som ställer rav på valiteten hos den inmatade spänningen. Den svensa standarden SS 421 18 11 Spänningsgodhet i lågspänningsnät 5 Svens Energi AMP, s. 6 f. 7
för allmän eldistribution anger dessa rav vad gäller produtionsanläggningar på lågspänningsnät, medan anläggningar med inmatning på högspänningsnätet omfattas av Sveriges Elleverantörers handling Kriterier för spänningsgodhet vid leveransspänning över 1000 V. Ägaren av en produtionsanläggning är syldig att se till att den inmatade spänningen uppfyller dessa rav. Sriften AMP Anslutning av mindre produtionsanläggningar till elnätet, från Svens Energi, sammanfattar de normer och standarder som berörs vid anslutning av produtionsanläggningar understigande 1500 W i installerad effet. Denna srift ger ocså vägledning för elnätsägare som står inför en förfrågan om att ansluta vindraftsprodution till sina nät. Väsentliga parametrar presenteras och reommendationer vad gäller arbetsgång och beslutsunderlag redovisas. Detta projetarbete utgår i huvudsa från den arbetsgång, de beräningsmodeller och de gränsvärden som presenteras i AMP, eftersom det är vitigt för svensa elnätsägare att unna applicera dessa vertyg på egna projet på ett enelt sätt. 2.3.1 Snabba spänningsvariationer Flicer Om en produtionsanläggning har en ojämn effetinmatning ommer snabba spänningsvariationer att uppomma. Dessa uppfattas av det mänsliga ögat som variationer i ljusintensitet hos glödlampor vilet an vara väldigt störande. Detta fenomen allas flicer, och är ett subjetivt begrepp för hur spänningsvariationerna uppfattas av männisan. Vindraftsanläggningar an anses ha en ojämn effetinmatning, varför fliceremission är vitigt att ta hänsyn till vid anslutning av dessa till elnätet. Denna emission uppommer vid både uppstart och drift. Gränsvärden för snabba spänningsändringar ges i normen SS EN 61000-3-7. Figur 2-3 nedan visar en urva för maximalt tillåtna regelbundet återommande ändringar av spänningens effetivvärde. Figur 2-3. Tillåten spänningsändring vid olia frevenser enligt SS EN 61000-3-7. 6 6 Svens Energi ASP, s. 47. 8
I vindraftsammanhang är det flicernivån i sammanopplingspunten som är avgörande. Enligt SS EN 61000-3-7 får emissionen av flicer under en tvåtimmarsperiod från en ensild älla inte överstiga P lt = 0,25. 7 2.3.2 Långsamma spänningsvariationer Nätspänningens effetivvärde varierar ontinuerligt på grund av beslastningsändringar över dygnet och året. Den standard som reglerar tillåtna nivåer för dessa variationer i lågspänningsnätet är SS 421 18 11 som tillåter ett intervall från 10 % till +6 % avvielse från nominell spänning (207 244 V). När det gäller produtionsanläggningar såsom vindraftver så är tillåtna utmatade spänningsvariationer doc ännu mindre. Från vindraftver varierar spänningen långsamt med variationer i vindtillgången. Maximalt tillåts den utmatade spänningen från ett vindraftver avvia med 2,5 % från den nominella spänningen i sammanopplingspunten. I denna avvielse sall även spänningsregleringens dödband inränas. Fatorer som påverar den långsamma spänningsvariationen är producerad ativ effet P, av raftveret onsumerad reativ effet Q samt resistansen R och reatansen X i ledningen till sammanopplingspunten. Detta härleds i evation 3.2 i avsnitt 3.1 Härledningar nedan. 8 2.4 Högbergsprojetet Högbergsprojetet drivs av DalaVind AB som projeterar för byggnad av 5 st vindraftver på Högberget ca 25 m NV om Falun. Figur 2-5 nedan visar en översitsarta på området. Projetet är ännu inne i planerings- och tillståndsstadiet och byggstart ommer tidigast att se sommaren 2007. Enligt planerna så ommer de fem vindraftveren vara av fabriat Vestas med modellbetecning V90. Märeffeten hos dessa ver är 2,0 MW, vilet innebär att den totala effeten hos anläggningen blir 10 MW. Eftersom Högberget ligger inom Falu Elnät AB:s oncessionsområde för distributionsnät, har DalaVind AB begärt en offert för nätanslutning av den planerade vindraftsparen till Falu Elnäts AB:s nät. Vid nätanslutning av vindraftver finns en mängd parametrar och normer att ta hänsyn till och Falu Elnät AB måste ha full ännedom om de effeter som den atuella anslutningen medför på deras elnät. Med hjälp av den beräningsmodell som tas fram i detta projetarbete, sa Falu Elnät AB på ett enelt sätt unna saffa nödvändig information för att dimensionera nätanslutningen rätt. Utifrån dimensioneringsraven an Falu Elnät AB sedermera upphandla och offerera nödvändigt material för anslutningen. Närmast belägna fördelningsstation som Falu Elnät AB äger i området, är Bjursås FS. Där transformeras Fortums 50 V-regionmatning ned till 10 V på Falu Elnäts sida, genom en transformator med märeffet 12 MVA. Enligt beräningarna i detta projetarbete 7 Svens Energi AMP, s. 25 f. 8 Svens Energi AMP, s. 24. 9
ommer vindraftsparen på Högberget att anslutas med två parallella jordablar diret till 10 V-senan i Bjursås FS. Detta illustreras i figur 2-4 nedan, och innebär att vindraftanslutningens sammanopplingspunt blir 10 V-senan i Bjursås FS, vilet innebär att det är efter elvaliteten i denna punt som anslutningen måste dimensioneras. Bjursås FS 50 V Fortum Falu Elnät 10 V Sammanopplingspunt Högberget 2 MW 2 MW 2 MW 2 MW 2 MW Jordabel (2 st á 9 m) Figur 2-4. Enlinjeschema över elanslutning av vindraftveren vid Högberget. Figur 2-5. Karta med Högbergsområdet marerat med en röd ring. 10
3. Genomförande Detta avsnitt besriver arbetet med att överföra de teoretisa modellerna och matematisa vertygen, till en användarvänlig miljö i Microsoft Excel. Alla parametrar som används och ränas fram besrivs och härleds. 3.1 Härledningar För att unna utföra beräningar på ett givet elnät och anslutning av vindraftver på detta, så rävs vertyg i form av evationer för att härleda och behandla de parametrar som besrevs i avsnitt 2.2.2 Väsentliga parametrar ovan. Till att börja med är det lämpligt att titta på en modell av en ledning mellan två punter. Figur 3-1 nedan illustrerar detta, där U 1 motsvarar spänningen i punt 1, U 2 motsvarar spänningen i punt 2, Z L är impedansen mellan punt 1 och 2 vilen ges av vetoraddition mellan resistansen R L och reatansen X L mellan punterna. U 1 Z L =R L +jx L U 2 1 2 Figur 3-1. Enel ledningsmodell. För beräning av långsamma spänningsvariationer är denna modell en lämplig utgångspunt. Under antagande att punt 2 motsvarar sammanopplingspunten för ett vindraftver och punt 1 motsvarar en fördelningsstation, så bestäms den långsamma spänningsvariationen mellan punterna enligt U = U1 U 2 (3.1) P Q U = RL X U + (3.2) 2 2 L 2 U 2 där P 2 motsvarar prodution/onsumtion av ativ effet i punt 2 och Q 2 motsvarar prodution/onsumtion av reativ effet i punt 2. 9 Den procentuella långsamma spänningsvariationen erhålls enligt RL P2 + X L Q = 2 2. (3.3) U U U 9 Svens Energi AMP, s. 29. 11
Impedansen Z, resistansen R och reatansen X är intimt förnippade till varandra, vilet an illustreras med den s.. impedanstriangeln som visas i figur 3-2 nedan. φ motsvarar fasvineln, dvs. fassillnaden mellan ström och spänning. Z φ X R Figur 3-2. Impedanstriangel, som visar förhållandet mellan R, Z och X. 10 Från impedanstriangeln erhålls följande användbara förhållanden: 2 2 2 Z = R + X (3.4) R = Z cos( ϕ ) (3.5) X = Z sin ( ϕ ) (3.6) ϕ arctan X = R. (3.7) Varje punt i elnätet har en bestämd ortslutningseffet S som bestäms av driftspänningen U i punten samt ortslutningsströmmen I som uppommer vid ett fel, enligt eller S S = 3 U I (3.8) 2 U = (3.9) Z där Z är ortslutningsimpedansen. 11 Omvänt an detta användas för att beräna Z om man änner S och U, enligt Z 2 U =. (3.10) S 10 Lundgren et.al., s. 35. 11 Lundgren et.al, s. 149 ff. 12
Beräning av ortslutningsvineln Ψ, dvs. den fasvinel som erhålls vid ortslutning, an göras med hjälp av evation 3.7 ovan, vid änd ortslutningsresistans R och ortslutningsreatans X, enligt X Ψ = arctan R. (3.11) För att beräna ortslutningseffeten genom en transformator S,trafo används dess märeffet S n och dess ortslutningsspänning U som anges i procent av märspänningen, enligt S, trafo S U n =. (3.12) Om man änner till delortslutningseffeten S,1,S,2,,S,n hos olia delar i ett elnät och vill beräna den resulterande ortslutningseffeten S,tot i en punt, används evationen 12 1 1 1 1 = + +... +. (3.13) S S S S, tot,1,2, n Fliceremissionen P lt från ett vindraftver beränas med hjälp av fliceroefficienten C f (Ψ f ) som anges av raftverstillveraren vid ortslutningsvineln Ψ, referenseffeten hos generatorn S ref samt ortslutningseffeten S. Evationen för detta är P ( ) S ref lt = C f Ψ. (3.14) S Den sammanlagda fliceremissionen P lt,tot i en punt med emission från flera olia vindraftver an summeras enligt P = P (3.15) 2 lt, tot lt, och den ortslutningseffet S,min som erfordras för att fliceremissionen P lt under drift sa understiga gränsvärdet 0,25 ges enligt ( Ψ ) C S S = P = = C Ψ S. (3.16) { 0,25} 4 ( ) f ref,min lt,max f ref Plt,max Vid fler än 1 älla för fliceremission under drift an ovanstående evation användas som utgångspunt för att summera de olia emissionsällorna och ge den sammanlagda ortslutningseffeten som erfordras, enligt 12 Lundgren et.al, s. 159 13
S,min ( n) ( ) C Ψ S n f ref = (3.17) P lt,max där n är antalet emissionsällor. Denna evation an endast användas vid flera identisa fliceremissionsällor som har gemensam sammanopplingspunt. Vid uppstart ser ocså spänningsfall i sammanopplingspunten. Utan att i närmare detalj härleda det, så rävs följande ortslutningseffet S,min i sammanopplingspunten, vid uppstart av ett vindraftver med spänningsändringsfatorn u (Ψ ) och referenseffet S ref : ( ) S 25 Ψ S. (3.18),min u ref Vid tätt upprepade inopplingar av en produtionsälla, vilet är vanligt hos vindraftver, erfordras följande ortslutningseffet S,min för att inte överstiga gränsvärdet för fliceremission: 1 1 3,2,min 8 120 f ( ) ref Plt S N Ψ S (3.19) där N 120 är verets maximala antal inopplingar under ett 2 timmars intervall och f (Ψ ) är verets flicerstegsfator vid ortslutningsvineln. 13 Transformatorns lindningsopplare arbetar för att reglera spänningen vid varierande last. Vanligtvis används stegstorleen ±1,67 % hos lindningsopplaren, och dess dödband, dvs. maximalt tillåten avvielse från driftspänningen innan reglering ser, ges enligt Sp. reg. 1, 2 ± 1,67 1,2 Dödband = = (3.20) 2 2 där 1,2 är en säerhetsfator för att lindningsopplaren inte sa reglera ontinuerligt. 14 3.2 Tillämpning av beräningar i Microsoft Excel Kalyleringsprogrammet Microsoft Excel är ett utmärt vertyg att implementera en matematis modell i. Därför har detta program valts som plattform för att bygget av den matematisa modell som detta projetarbete består i att ta fram. Följande avsnitt besriver i ortfattade ordalag hur beräningsmodellen är uppbyggd och fungerar. 13 Svens Energi AMP, s. 37 ff. 14 Svens Energi AMP, s. 7. 14
3.2.1 Uppbyggnad Beräningsmodellen i Excel är indelad i tre huvudsaliga delar: Fördelningsstation och nät Vindraftver Resultat En besrivning av de olia delarna följer nedan. Fördelningsstation och nät Delen Fördelningsstation och nät används för inmatning av ända parametrar för det egna nätet och den fördelningsstation under vilen den tänta vindraftsanslutningen ommer att se. Med hjälp av de inmatade parametrarna ser beräning av ortslutningseffet, -impedans, -resistans och -reatans genom fördelningsstationens transformator samt vid sammanopplingspunten. Vindraftver Delen Vindraftver används för inmatning av ända parametrar för de vindraftver som sa anslutas. Effeter, inopplingsantal, flicerparametrar och spänningsändringsinformation måste inhämtas från raftverstillveraren och anges i denna del av beräningsmodellen. Här anges även gränsvärdet för fliceremmission som ges av normen SS EN 6100-3-7. Resultat Resultat-delen presenterar resultatet av de inmatade parametrarna i beräningsmodellen. Sammanlagt presenteras effeten av fem liadana vindraftver vid sammanopplingspunten i det angivna nätet. Gränsvärdet för långsamma spänningsvariationer måste anges, och för varje ver som ansluts så ser man om de långsamma spänningsvariationerna larar detta gränsvärde. Fliceremmissionen hos de olia veren presenteras tillsammans med minsta erfordrade ortslutningseffet i sammanopplingspunten som rävs för att lara denna fliceremmission. Slutligen presenteras de långsamma spänningsvariationerna från veren, samt huruvida dessa understiger gränsvärdena. 3.2.2 Input För att unna använda beräningsmodellen rävs ett antal input-parametrar som erhålls på olia sätt. Dessa an parametrar består dels av uppgifter om det atuella elnätet och dels om uppgifter om de atuella vindraftveren som sa anslutas. Dessutom måste atuella gränsvärden för fliceremission och långsamma spänningsvariationer anges. För att förtydliga dessa tre grupper av input-parametrar, besrivs de gruppvis i tabell 3-1, 3-2 respetive 3-3 nedan. 15
Fält i Excel Parameter Enhet Förlaring Erhålls från D17 S,över MVA Kortslutningseffet från överliggande nät Regionnätsägaren D22 S n MVA Märeffet hos transformator Transformatorns märplåt D23 U n2 V Spänning på seundärsidan om transformatorn Transformatorns märplåt D24 U % Kortslutningsspänning hos transformatorn Transformatorns märplåt D25 φ Grader Fasvineln på seundärsidan Distributionsnätägaren D35 R L Ω D36 X L Ω Resistans hos ledning mellan seundärsidan av trafo och sammanopplingspunten Reatans hos ledning mellan seundärsidan av trafo och sammanopplingspunten Distributionsnätägaren Distributionsnätägaren B71 Sp-reg % Stegstorle hos trafons lindningsopplare Distributionsnätägaren Tabell 3-1. Excel-modellens input-parametrar som rör elnätet. Fält i Excel Parameter Enhet Förlaring Erhålls från D50 P ref W Vindraftverets referenseffet Vindraftverstillveraren D51 P max W Vindraftverets maxeffet (10 min medelvärde) Vindraftverstillveraren D52 P max W Vindraftverets maxeffet (0,2 s medelvärde) Vindraftverstillveraren D53 Q ref var Vindraftverets förbruade reativa effet, med ompensering vid P ref Vindraftverstillveraren D54 S ref VAr Generatorns märeffet Vindraftverstillveraren D56 N 120 st Max antal inopplingar under 2 timmar Vindraftverstillveraren D58 C f (Ψ ) Fliceroefficient vid ortslutningsvinel Vindraftverstillveraren D59 u (Ψ ) Spänningsändringsfator vid ortslutningsvinel Vindraftverstillveraren D60 f (Ψ ) Flicerstegsfator vid ortslutningsvinel Vindraftverstillveraren Tabell 3-2. Excel-modellens input-parametrar som rör vindraftveren. Fält i Excel Parameter Enhet Förlaring Erhålls från D62 P lt,max B69 % Maximalt tillåten fliceremission i sammanopplingspunten Maximalt tillåtna långsamma spänningsvariationer i sammanopplingspunten Tabell 3-3. Excel-modellens input-parametrar som rör gränsvärden. SS EN 61000-3-7 SS 421 18 11 16
3.2.3 Output Detta avsnitt besriver de output-parametrar som beräningsmodellen levererar, samt hur dessa sa tolas. Eftersom modellen levererar output-parametrar dels i delen Fördelningsstation och nät och dessutom i delen Resultat, så presenteras de olia outputparametrarna gruppvis i tabell 3-4 och 3-5 nedan. Fält i Excel Parameter Enhet Förlaring D27 S,trafo MVA Transformatorns ortslutningseffet D28 S 2 MVA Kortslutningseffet på seundärsidan om transformatorn D29 Z,t Ω Transformatorns ortslutningsimpedans D30 R,t Ω Transformatorns ortslutningsresistans D31 X,t Ω Transformatorns ortslutningsreatans D40 Z Ω Kortslutningsimpedans i sammanopplingspunten D41 R Ω Kortslutningsresistans i sammanopplingspunten D42 X Ω Kortslutningsreatans i sammanopplingspunten D44 S MVA Kortslutningseffet i sammanopplingspunten D45 Ψ grader Kortslutningsvinel i sammanopplingspunten Tabell 3-4. Excel-modellens output-parametrar som rör fördelningsstation, transformator, elnätet och sammanopplingspunten. 17
Fält i Excel Parameter Enhet Förlaring D72 Dödband % Spänningsregleringens dödband D75 U/U % Långsamma spänningsvariationer från 1 vindraftver D76 ( U/U) tot % Långsamma spänningsvariationer från 1 vindraftver inl. dödband D79 U/U % Långsamma spänningsvariationer från 2 vindraftver D80 ( U/U) tot % Långsamma spänningsvariationer från 2 vindraftver inl. dödband D83 U/U % Långsamma spänningsvariationer från 3 vindraftver D84 ( U/U) tot % Långsamma spänningsvariationer från 3 vindraftver inl. dödband D87 U/U % Långsamma spänningsvariationer från 4 vindraftver D88 ( U/U) tot % Långsamma spänningsvariationer från 4 vindraftver inl. dödband D91 U/U % Långsamma spänningsvariationer från 5 vindraftver D92 ( U/U) tot % Långsamma spänningsvariationer från 5 vindraftver inl. dödband I70 S MVA Kortslutningseffet i sammanopplingspunten I75 P lt Fliceremission från 1 vindraftver I76 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara fliceremission från 1 vindraftver I79 P lt Fliceremission från 2 vindraftver I80 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara fliceremission från 2 vindraftver I83 P lt Fliceremission från 3 vindraftver I84 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara fliceremission från 3 vindraftver I87 P lt Fliceremission från 4 vindraftver I88 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara fliceremission från 4 vindraftver I91 P lt Fliceremission från 5 vindraftver I92 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara fliceremission från 5 vindraftver B98 S MVA Kortslutningseffet i sammanopplingspunten B100 S,min MVA B102 S,min MVA B103 S,min MVA B104 S,min MVA B105 S,min MVA B106 S,min MVA Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 1 vindraftver vid enelstart Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 1 ver vid upprepade starter Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 2 ver vid upprepade starter Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 3 ver vid upprepade starter Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 4 ver vid upprepade starter Minsta ortslutningseffet som erfordras i sammanopplingspunten för att lara snabba spänningsvarationer från 5 ver vid upprepade starter Tabell 3-5. Excel-modellens output-parametrar som rör elvalitet i Resultat-delen. 18
3.2.4 Tillämpning av evationer I Excel-vertyget används de evationer som härleds och besrivs i avsnitt 3.1 Härledningar ovan. Följande beräningar ser i de olia fälten: D27 = {ev. 3.12} = S, trafo S U n = = D22/(D24/100) D28 = {ev. 3.13} = S 2 = S S S, över, trafo + S, över, trafo = (D17*D27)/(D17+D27) D29 = {ev. 3.10} = Z 2 U = = D23^2/D28 S D30 = {ev. 3.5} = R Z ( ϕ ) D31 = {ev. 3.6} = X Z ( ϕ ), =, t cos = D29*(COS(D25*2*PI()/360)) t, =, t sin = D29*(SIN(D25*2*PI()/360)) t D40 = {ev. 3.4} = Z = R + X = ROT(D41^2+D42^2) 2 2 D41 = R = R,t + R L = D30+D35 D42 = X = X,t + X L = D31+D36 D44 = {ev. 3.9} = S 2 U n2 = = D23^2/D40 Z X D45 = {ev. 3.11} = Ψ = arctan =360/(2*PI())*((ARCTAN(D42/D41))) R B72 = {ev. 3.20} = Sp. reg. 1, 2 ± 1,67 1,2 Dödband = = = (B71*1,2)/2 2 2 U R Pmax + X Qref B75 = {ev. 3.3} = = 2 = ((D41*D51+D42*- U Un2 D53)/D23^2)/10 B100 = {ev. 3.18} = 25 ( ) S = Ψ S = 25*D59*(D54/1000),min u ref I75 = {ev. 3.14} = P C ( ) S ref lt = f Ψ = D58*((D54/1000)/D44) S 19
I76 = {ev. 3.16} = S,min C ( Ψ ) f ref = = (1/D62)*D58*(D54/1000) P lt,max S I79, I83, I87, I91 = {ev. 3.15} = P = P = 2 lt, tot lt, ROT(I75^2+I75^2+I75^2+I75^2+I75^2) I80, I84, I88, I92 = {ev. 3.17} = S ( n) { n 1,...,5},min =(1/D62)*D58*(D54/1000)*ROT(5) ( ) C Ψ S n f ref = = = P lt,max 3.2.5 Tillämpning av beräningsmodellen på Högbergsprojetet Beräningsmodellen som besrivs i detta projet tillämpas i detta avsnitt på det verliga Högbergsprojetet som besrevs i avsnitt 2.4. De olia input-parametrarna som används i denna tillämpning besrivs i tabellform nedan. Fält i Excel Parameter Enhet Värde Erhålls från D17 S,över MVA 392 Regionnätsägaren (Fortum) D22 S n MVA 10 Transformatorns märplåt (Falu Elnät AB) D23 U n2 V 10,5 Transformatorns märplåt (Falu Elnät AB) D24 U % 8,1 Transformatorns märplåt (Falu Elnät AB) D25 φ Grader 90 Falu Elnät AB D35 R L Ω 0* Falu Elnät AB D36 X L Ω 0* Falu Elnät AB B71 Sp-reg % 1,67 Falu Elnät AB D50 P ref W 2000 Vestas D51 P max W 2041 Vestas D52 P max W 2174 Vestas D53 Q ref var 50 Vestas D54 S ref VAr 2001 Vestas D56 N 120 st 20 Vestas D58 C f (Ψ ) 2,1 Vestas D59 u (Ψ ) 0,16 Vestas D60 f (Ψ ) 0,04 Vestas D62 P lt,max 0,25 SS EN 61000-3-7 B69 U/U % 2,5 SS 421 18 11 Tabell 3-6. Excel-modellens input-parametrar tillämpat på Högbergsprojetet. 20
*) Då sammanopplingspunten för vindraftsanslutningen är 10 V-senan i Bjursås FS, behöver inte hänsyn tas till elledningens resistans respetive reatans. Parametrarna avseende vindraftveret erhålls av Vestas och redovisas i bilaga 2 nedan. 4. Resultat En utsrift av den färdiga beräningsmodellen i Microsoft Excel visas i bilaga 1. Utifrån de indata som anges och de beräningar som besrivs i föregående avsnitt, erhålls de önsade resultaten i form av utdata. 4.1 Resultat av tillämpning på Högbergsprojetet Vid inmatning av de parametrar som representerar Högbergsprojetet i tabell 3-6 erhålls följande utdata, som presenteras i tabell 4-1 och 4-2 nedan. Fält i Excel Parameter Värde Enhet D27 S,trafo 123,46 MVA D28 S 2 93,89 MVA D29 Z,t 1,17 Ω D30 R,t 0 Ω D31 X,t 1,17 Ω D40 Z 1,17 Ω D41 R 0 Ω D42 X 1,17 Ω D44 S 93,9 MVA D45 Ψ 90,0 grader Tabell 4-1. Excel-modellens resultat avseende fördelningsstation, transformator, elnätet och sammanopplingspunten, vid tillämpning på Högbergsprojetet. 21
Fält i Excel Parameter Värde Enhet B72 Dödband 1,00 % B75 U/U 0,05 % B76 ( U/U) tot 0,95 % B79 U/U 0,11 % B80 ( U/U) tot 0,90 % B83 U/U 0,16 % B84 ( U/U) tot 0,84 % B87 U/U 0,21 % B88 ( U/U) tot 0,79 % B91 U/U 0,27 % B92 ( U/U) tot 0,74 % I70 S 93,9 MVA I75 P lt 0,04 I76 S,min 16,8 MVA I79 P lt 0,06 I80 S,min 23,8 MVA I83 P lt 0,08 I84 S,min 29,1 MVA I87 P lt 0,09 I88 S,min 33,6 MVA I91 P lt 0,10 I92 S,min 37,6 MVA B98 S 93,9 MVA B100 S,min 8,0 MVA B102 S,min 6,5 MVA B103 S,min 8,1 MVA B104 S,min 9,2 MVA B105 S,min 10,1 MVA B106 S,min 10,8 MVA Tabell 4-2. Excel-modellens resultat avseende elvalitet i Resultat-delen, vid tillämpning på Högbergsprojetet. Tolningar och ommentarer till erhållna resultat i tabell 4-1 och 4-2 ovan redovisas i avsnitt 5 Slutsatser nedan. En utsrift av beräningsmodellen med tillämpning på Högbergsprojetet visas som bilaga 1. 22
5. Slutsatser Arbetet i detta projet har resulterat i en beräningsmodell som i Microsoft Excel tillämpar de beräningar som besrivs i sriften AMP, utifrån indata för det atuella projetet vad gäller elnät och vindraftver. Med hjälp av denna modell blir det rättframt för ett elnätsbolag som står inför en förfrågan om anslutning av vindraftver i sitt nät, att genomföra erforderliga beräningar och utefter dessa dimensionera och prissätta projetet. Modellen presenterar diret för användaren huruvida de inmatade värdena medför en nätanslutning som uppfyller alla rav på elvalitet som sammanfattas i AMP. 5.1 Tolning av resultat för Högbergsprojetet Modellen har tillämpats på det verliga Högbergsprojetet, och de erhållna resultaten presenteras i avsnitt 4.1 Resultat av tillämpning på Högbergsprojetet. Utifrån dessa resultat an följande slutsatser dras: Då sammanopplingspunten för anslutningen blir 10 V-senan i Bjursås FS, är det ortslutningseffet S och ortslutningsvinel Ψ i denna punt som är relevanta vid elvalitetsberäning. Tac vare att hänsyn inte behöver tas till ledningarna mellan Bjursås FS och vindraftveren, blir värdena hos ortslutningseffeten S och ortslutningsvineln Ψ förhållandevis höga (93,9 MVA resp 90 grader) Tac vare att ortslutningseffeten i sammanopplingspunten är hög och att vindraftveren onsumerar en viss mängd reativ effet under drift, blir de långsamma spänningsvariationerna små. Gränsvärdena laras för alla fem ver! Tac vare hög ortslutningseffet S i förhållande till verens referenseffet S ref, är fliceremission under drift inga problem för de fem veren! Gränsvärdena laras med god marginal. De snabba spänningsvariationerna vid enelstart respetive vid upprepade starter är inga problem tac vare den stora ortslutningseffeten i sammanopplingspunten! Sammanfattningsvis an man onstatera att modellen visar att den planerade anslutningen ommer att uppfylla alla rav som ställs på elvalitet och påveran hos övriga anläggningar i nätet. Det enda som räver dimensioneringsberäningar är effet- (ström-) apaciteten hos ablarna som förbinder vindraftveren med Bjursås FS. 23
6. Referenser Elfving, G. (1993). ABB Handbo Elraft. Wallin & Dalholm Tryceri AB, Lund. Juni 1993. ISBN 91-970956-2-1. Lundgren, T., Westöö, R., Winell, L., Åerberg, B. (1982). Elrafttenis handbo 1 Allmän del. Esselte, Solna. Juni 1982. ISBN 91-24-30812-9. Svens Energi, (2001). AMP Anslutning av mindre produtionsanläggningar. Svens Energi, (2006). ASP Anslutning av större produtionsanläggningar, Elfors rapport 06:79. December 2006. 24
Bilagor Bilaga 1 Utsrift av Excel-modellen tillämpad på Högbergsprojetet Bilaga 1. Utsrift av Excel-modellen, sida 1.
Bilaga 1. Utsrift av Excel-modellen, sida 2.
Bilaga 2 Tenis specifiation på Vestas V90 2,0 MW Bilaga 2. Tenis specifiation för Vestas V90 2,0 MW, sida 1.
Bilaga 2. Tenis specifiation för Vestas V90 2,0 MW, sida 2.