8. HVDC – VSC
8.1 HVDC-VSC tekniken
VSC står för Voltage Source Converter och betecknar att överföringen sker spänningsstyvt.
Fördelarna med tekniken är många, speciellt när effekter ska överföras på långa avstånd.
Dessutom blir överföringsförlusterna låga. Flera fördelar finns beskrivna i stycke 12.
IGBT står för (Insulated Gate Bipolar Transistor) och är den nyaste komponenten för omformning av högspänning. IGBT:n ingår som huvudkomponent i
HVDC-omriktarstationens ventilbrygga och benämns som ventil. Ventilernas uppgift är att likrikta växelspänning och att förändra frekvensen. För att förstå IGBT-tekniken är det bra att veta hur en transistor fungerar då tekniken bygger på den.
25 8.2 Transistorn
Transistorn byggs upp av kiselmetaller som är n-dopade och p-dopade. En vanlig uppbyggnad av transistorer är Npn-dopade. Till den p-dopade kiselmetallen ansluts basen, som används för att öppna eller stänga transistorn. Basen kan även benämnas som styre. Transistorn jobbar på så sätt att den blockerar eller leder. När strömmen leds in i basen, öppnas transistorn och en ström kan flyta mellan kollektorn och emittern. För att sedan bryta ledningen leds en negativ ström in i basen och transistorn stängs. Den stora fördelen med transistorn är att den går att styra väldigt snabbt [17].
Figur 19. Dopning av transistor Figur 20. Schematisk bild, Transistor
8.3 MOSFET
IGBT bygger även på MOSFET (metal oxide semiconductor field effect) som är ett av flera utföranden av FET (fält effekt transistorn metall oxid halvledare). FET styrs kapacitivt från basen genom fälteffekten från kollektorn och emittern. MOS-tekniken är en vidareutveckling på transistorn. MOSFET kom till i början av 1980-talet. Den klarar av spänningar på 1 kV och en ström på cirka 10 A. Den används framförallt i integrerade kretsar och tillverkas av kisel.
Isoleringen består av ett tunt skikt kiseldioxider cirka 10 nm. Basen som även kallas styrelektrod tillverkas i polykristallint kisel. När spänningen överstiger tröskelspänningen kommer negativt laddade partiklar att attraheras utav kiselytan mellan emitter och kollektor.
På så vis inverteras dessa från p-typ till n-typ. Då uppstår det en ytlig kanal mellan emitter och kollektor som förbinder de båda sidorna och ström kan ledas, detta är den så kallade fälteffekten. MOSFET tillverkas framförallt av galliumarsenid (GaAs) och därför kan kanalen göras väldigt kort, 0,1 µm. Eftersom kanalen är kort blir komponenten mycket snabb [16].
8.4 IGBT
IGBT tekniken är en kombination mellan MOSFET och bipolartransistorn. IGBT tekniken har utnyttjat den mycket låga driveffekten hos MOSFET men tagit den jämförelsevis låga
ledspänningsfall som transistorn ger upphov till och kombinerat ihop dessa egenskaper.
Styrningen av IGBT sker via basen, precis som hos en transistor. Styrningen sker kapacitivt, det ger fördelen att strömmen som flyter igenom IGBT:n styrs med en spänning istället för en ström. Det finns stora fördelar med detta, enklare styrkretsar samt mer effektiv användning.
En IGBT kan arbeta med en kopplingsfrekvens upp till 10 kHz [11]. Ventilbryggan är
uppbyggd av ett flertal IGBT-transistorer som seriekopplas för att klara höga spänningar. Vid en spänningsnivå på ±300 kV innehåller en ventilbrygga 600 stycken IGBT-transistorer [18].
26 8.5 Likriktning
Om en växelspänning ska omvandlas till en likspänning används dioder eller transistorer.
Används en diod för att likrikta fås en ostyrd likriktare, en transistor används när det finns krav på styrning av likriktningen. Är det en trefas kraftkälla som ska likriktas används en sexpuls tvåvägskoppling, figur 21. Kopplingen kallas sexpuls för att utspänningen har sex pulser under en nätspänningsperiod. Tvåvägs för att spänningen på transformatorsidans sekundärlindning har två riktningar; en positiv och en negativ.
Figur 21. Sexpuls tvåvägskoppling
När växelströmmens tre faser leds fram till transistorerna leder transistorn endast fram strömmen som är positiv. När strömmen växlar polaritet leds strömmen igenom en annan transistor. Tre sinusvågor löper med 120 graders fasförskjutning mot varandra, då bildas det efter transistorn en vågform med tre toppar. Tvåvägskopplingen gör att även den negativa vågformen tillgodoräknas eftersom den växlar polaritet. Det betyder att när en trefas ska likriktas med en tvåvägskoppling kommer sex toppar att skapas under en period.
Medelspänningen blir således dubbelt så stor gentemot en envägskoppling, figur 22.
Tvåvägskopplingen är fördelaktig när det önskas en spänningsstyv koppling eftersom spänningen blir mer jämn.
Figur 22. Spänning vid sexpuls tvåvägskoppling Figur 23. Glättad spänning
För att få kopplingen spänningsstyv glättas kretsen. Det betyder att en kondensator kopplas in parallellt med lasten, se Figur 21. Kondensatorns uppgift är att hålla spänningen jämn. När sinusformen växer laddas kondensatorn upp och när spänningen nått sin topp börjar spänningen åter att sjunka och kondensatorn är uppladdad. Kondensatorn klarar att hålla spänningen uppe under en kort tid och förhindrar att spänningen sjunker, när spänningen åter är på väg upp möts den upp av spänningen som kondensatorn har hållit uppe, Figur 23.
27 8.6 PWM
När tekniken av IGBT utvecklades fick PWM (Pulse Width Modulation) ett nytt
användningsområde och teknikerna passar bra ihop. För att växelrikta likspänning används PWM genom att snabbt växla mellan två spänningar, en sinusvåg skapas då av fyrkantspulser med varierande bredd. För att växla polaritet och ändra amplituden på den skapade
växelspänningen ändras bredden på pulserna. Beroende på hur snabbt detta sker fås olika frekvenser, figur 24. Med den här tekniken går det att ändra frekvens och fasvinkel väldigt snabbt. Det ger möjlighet att styra den reaktiva och aktiva effekten oberoende av varandra. Ur systemets synvinkel verkar PWM som en motor eller generator där den aktiva och den
reaktiva effekten styrs direkt [20].
Figur 24. Pulse Width Modulation
8.7 Reaktiv effekt
I ett elnät med växelström finns både reaktiv och aktiv effekt. Det är den aktiva effekten som uträttar nyttigt arbete i exempelvis elektriska apparater. Reaktiv effekt kan ses som mått på fasförskjutningen mellan ström och spänning. Den reaktiva effekten tar plats i ledningar på bekostnad av den aktiva effekten, det leder till att effektiviteten i näten minskar med ökad mängd reaktiv effekt. Den reaktiva effekten är nödvändig för att bygga upp magnetfält i exempelvis vindkraftverksgeneratorer. Spänningen i elnätet är i hög grad beroende av
mängden reaktiv effekt. Om spänningen sjunker i ett elnät finns det möjlighet att öka andelen reaktiv effekt och på det sättet hålla spänningen uppe. Skenbar effekt är vektorsumman av aktiv och reaktiv effekt. Figur 25 visar förhållandet mellan aktiv, reaktiv och skenbar effekt.
Figur 25. Effekttriangel
28 8.8 Styrning av reaktiv effekt.
En vindkraftspark producerar aktiv och reaktiv effekt. När parken ska starta upp kräver vindkraftverken reaktiv effekt. För att en asynkrongenerator ska fungera måste den få reaktiv effekt från nätet till magnetisering. För vindkraftverk med asynkrongenerator gäller att den reaktiva effektförbrukningen ökar i takt med ökad produktion av aktiv effekt. En ökad ström passerar genom generatorns induktanser vilket leder till att det reaktiva effektbehovet ökar [32]. Det krävs att vindkraftverken får den reaktiva effekten som behövs vid starten. En stor fördel med HVDC-VSC tekniken är att det går att styra effekten, alltså hur stor effekt som ska levereras till eller ifrån parken.
När ventilbryggor började byggas av IGBT kunde PWM användas mer effektivt och med större precision. Det bidrog till att det gick att styra den aktiva och den reaktiva effekten till vindkraftsparken och detta oberoende av varandra [18].
UC, är spänningen över strömriktarstationen UF, är spänningen över AC filter
δ , är fasvinken mellan UC och UF
, är vinkelfrekvens L = Reaktorns induktans
Figur 26. Schema över VSC-station Figur 27. Spänningsvinklar för aktiv effektöverföring Beroende på vad det är för fasvinkel mellan spänningen ifrån växelriktaren och nätet avgörs vilken riktning den aktiva effekten har. Växelriktarens spänning benämns UC och nätets spänning benämns UF i figur 26. Spänningen som skapas är inte i fas med nätets spänning, beroende på vilken spänning som ligger först överförs aktiv effekt från likriktaren (parken) eller från växelriktaren (nätet). När UC ligger före UF överförs den aktiva effekten från likriktaren ut på stamnätet. Om UC ligger efter UF överförs den aktiva effekten från växelriktaren till vindkraftsparken, figur 26 och 27 [19].
Den reaktiva effekten och därmed spänningen kan styras med växelriktaren. För att leverera reaktiv effekt till vindkraftsparken justeras amplituden på spänningen. Om växelriktaren ger högre spänning än nätet i tomgång, produceras reaktiv effekt, och tvärtom. Med att öka eller minska pulsernas bredd kan spänningens effektivvärde styras. När UF är större än UC levereras reaktiv effekt från nätet till vindkraftsparken. När UF är mindre än UC levereras reaktiv effekt från vindkraftsparken till nätet, Figur 28.
29 Figur 28. Reaktiva effektflöden
För att beräkna den aktiva effekten och den reaktiva effekten används följande formler.
Teckenförklaring finns i figur 26.
𝑄 = 𝑈𝐹 𝑈𝐹− 𝑈𝐶 𝐶𝑜𝑠 [𝛿]
𝜔 𝐿 𝑃 = 𝑈𝐹 𝑈𝐶 𝑆𝑖𝑛 [𝛿]
𝜔 𝐿
(8.8)
30
9. Kabeluppbyggnad
Kablar byggs upp på flera olika sätt beroende på deras användningsområden. Grunden i kabeluppbyggnaden är ungefär densamma oavsett om den ska överföra växelström eller likström. De viktigaste komponenterna i en kabel är:
Ledare
Ledaren i högspänningskablar utgörs vanligtvis av koppar eller aluminium. Både koppar och aluminium används när förläggning sker på land, på senare år har främst aluminium använts på grund av ökat kopparpris. Vid förläggning av kabel i vatten används nästan uteslutande koppar, fördelen med koppar är att den är mindre korrosionskänslig om kontakt med vatten skulle uppstå. Ledaren byggs upp i tre olika utföranden, Solid, Profiled eller Compacted.
Skillnader på dessa uppbyggnadstekniker är arean på kabeln, hur effektivt det går att utnyttja materialet, transportfördelar och hur tät ledaren är.
Figur 29. Kabeluppbyggnad
Ett ledarskydd lindas runt ledaren för att isoleringen inte ska skadas. Beroende på vilken lindningstyp som används får kabeln ett jämnt eller kantigt ytskikt. Ledarskyddets uppgift är att förhindra att ledaren inte skadar isoleringen som är nästa skikt.
Isoleringen ska avskärma kabelns spänning från höljet som utgörs av metall. I kabeln kan spänningen vara upp till 500 kV, avskärmningen måste ske för att höljet som är i kontakt med jorden inte ska bli spänningsförande. Isoleringen består ofta av papper som är impregnerat med olja eller av polyeten. Fördelen med den sistnämnda isoleringen är att skarvning av kablar blir enklare om polyeten används. Isoleringsskyddet har samma uppgift som
ledarskyddet, det ska skydda isoleringen från metallhöljet som är nästa skikt och som kan vara kantigt och skada isoleringen.
Metallhöljets uppgift är att skydda kabeln mot yttre mekanisk påverkan. En känd kabelbrottsorsak är båtar som släpar ankare efter sig på botten. Metallhöljet avskärmar dessutom det magnetiska fältet som uppkommer.
Den yttre manteln är ofta tillverkad av PVC- eller en PE-plast som försluter kabeln och ger ett första yttre skydd. PE-plast är hårdare än PVC-plast och ger ett bättre mekaniskt skydd, däremot är PVC-plast säkrare vid brand. Plastmanteln har till uppgift att isolera kabeln ifall metallhöljet skulle bli spänningsförande, samt att det ger ett extra korrosionsskydd till kabeln.
31 Sjökablar måste förstärkas mer än landkablar och därför armeras sjökabeln och ett lager PVC- eller PE-plastlager tillkommer.
Om en sträcka ska förläggas med markkabel krävs det många skarvar eftersom kabeln levereras på en trumma som av transportsynpunkt har en begränsad storlek. Vanligen lindas 600 meter kabel upp på en kabeltrumma. Vid förläggning till havs används speciella båtar som har kapacitet att ta ombord långa kablar och därmed minskar antalet skarvar.
9.1 Magnetfält
Ett magnetfält uppkommer runt en ledare då ström överförs genom ledaren, om det inte överförs ström genom ledaren försvinner det magnetiska fältet. Ett elektriskt fält uppkommer om en ledare ansluts till ett spänningssatt nät, det vill säga när det finns spänningsskillnader mellan ledaren och omgivningen. De magnetiska och elektriska fälten benämns med
samlingsnamnet elektromagnetisktfält, EMC.
Magnetfält som uppkommer från en HVDC-VSC kabel är samma typ av magnetfält som omger jordklotet, det vill säga statiskt. Levande organismer har anpassat sig till det. Kabelns magnetfält är ungefär 10 μT (1 meters avstånd, 300 MW överföring) jämfört med jordens naturliga magnetfält som är mellan 30-70 μT och är därför ofarligt för människor och djur.
[25][18][33].
Däremot påverkar en HVDC-kabel kompasser, beroende på vilket vädersträck kabeln är förlagd i. Är kabeln förlagd i nordsydlig riktning kommer kabeln att vrida magnetfältet och kompassen kommer att visa en felaktig kurs, detta gäller magnetiska kompasser. Är kabelns riktning östvästlig förstärks eller försvagas magnetfältet. Stora Middelgrund ligger väster ut från stamnätet och en HVDC-kabel skulle därför förstärka eller försvaga magnetfältet från jordklotet.
Från en växelströms ledning varierar magnetfältet eftersom frekvensen ändras med 50 Hz.
Magnetfältet kommer att växla riktning med frekvensen. Avståndet mellan ledningarna påverkar hur stort magnetfältet blir. Genom att göra en tätare placering hämmas magnetfältet, detsamma gäller även för HVDC-kablar. Det finns misstankar om hälsorisker kring
växelström och därför har statens strålskyddsinstitut gett ut allmänna råd kring exponering.
Lågfrekventa magnetfält som en kraftledning räknas till har en gräns på 100 µT [25]. Svenska Kraftnäts riktlinjer för exponering av magnetfält i bostäder eller på platser där människor vistas dagligen är begränsat till 0,4 µT [27].
32
10. Driftsäker anslutning
Vid anslutning av ny vindkraftsproduktion till stamnätet ska produktionen först och främst anslutas till befintliga stationer. Om en ny anslutningspunkt måste skapas ska det tekniska utförandet utföras på ett driftsäkert sätt.
Det enklaste sättet att ansluta är med en påstickslösning. Den har dock nackdelar både för den som ska ansluta sin produktionskälla och för nätägaren. Påstickslösningen ger en lägre
tillgänglighet eftersom produktionsanläggningen kopplas bort vid en eventuell störning på nätet. För att kunna spänningsreglera stamnätet används ett tillvägagångssätt då ledningar i det maskade nätet kopplas bort. Finns det då produktionsanläggningar med påsticksanslutning på ledningen kopplas även produktionsanläggningen bort.
Svenska Kraftnät är därför negativt inställd till påstickslösningen och kräver att anslutningen ska utformas som ett ställverk. De kräver att anslutning till 400 kV ska ske med
dubbelbrytarställverk, som tillåter kortslutning av en av två strömbrytare med fortsatt drift av nätet. Anslutning till 220 kV tillåts i de flesta fall med enkelställverk [3].
Figur 30, Anslutningsutformning
33 10.1 Simulering
Vindkraftsutbyggnaden förväntas bli stor och vindkraftsproduktionen kommer att gå från att vara en försumbar produktionskälla till att bli betydande. Detta medför att andelen vindkraft i kraftnätet ökar och kräver att de representeras på ett korrekt sätt i Svenska Kraftnäts
simuleringsverktyg.
Innan vindkraftsparker sätts i drift ska Svenska Kraftnät få tillgång till nätdata för stationära och dynamiska fall. Svenska Kraftnät använder PSS/E för nätbräkningar och kräver att nätdata är i PSS/E-format. Svenska Kraftnät har inte upprättat några riktlinjer eller rutiner för hur Svenska Kraftnät och nätbolag ska få tillgång till teknisk data för vindkraftsanläggningar.
Det finns dock ett preliminärt PM där Svenska Kraftnät beskriver hur detta ska hanteras [3].
Sedan 1996 har SVK använt Aristo (Advanced Real-time Interactive Simulator for Training and Operation) i utbildningssyfte vid operatörsövningar. Aristo är en interaktiv
realtidssimulator där det svenska kraftnätet är modulerat. Djupa analyser, driftanalys av kraftsystemet och möjlighet att studera dynamiska förlopp finns också i programmet.
Eftersom kraftsystemet utnyttjas allt hårdare och att konsekvenserna vid stöningar blir allt större är analyser av denna typ värdefulla. Det finns möjlighet att modulera nätkomponenter, laster, produktionsenheter och skyddsmoduler för att få en säkrare och mer effektiv drift [13][14][15].
34
11. Spänningsfall i stamnätet
När en produktionsanläggning är planerad att anslutas till stamnätet är det viktigt att den nya produktionsanläggningen inte påverkar elkvaliteten eller att nätet påverkas negativt. För att kontrollera att anslutningspunkten uppfyller Svenska Kraftnäts riktlinjer används
simuleringsprogram för att utföra beräkningar i olika scenarier.
Ett tänkbart scenario som kan inträffa är att parken kopplas bort från stamnätet när
produktionen är som störst. För att beräkna spänningsfallet som uppkommer behövs ingående data från vindkraftsparken och från stamnätet. Stamnätet är aldrig statiskt och
effektvariationer sker ständigt beroende på vad förbrukarna använder för maskiner eller utrustning. Därför utförs beräkningen under ett fortvarighetstillstånd, det innebär att förbrukningen anses konstant. Alla beräkningar som tillhör detta scenario redovisas i bilagorna.
Figur 31. Översikt för spänningsfallsberäkning
11.1 Förutsättningar
Det är en mycket blåsig dag och vindkraftsparken Stora Middelgrund producerar 864 MW.
Söder om Breared är förbrukningen hög och 1000 MW måste passera ställverket i Breared för att effekten ska räcka till. Systemspänningen i Breared är konstant 400 kV och linorna har betäckningen AL59 3x774. Linan har följande egenskaper.
35 Resistansen r, 0,0384 Ω/km, fas
Induktans x, 0,466 Ω/km, fas Kapacitans xc 0,280 MΩkm / fas
11.2 Scenario
För att räkna ut spänningsfallet i Breared när vindkraftsparken kopplas bort måste två beräkningar göras; en beräkning då vindkraftsparken levererar effekt till stamnätet, en beräkning då parken är frånkopplad och effekten kommer ifrån Strömma. Under båda driftfallen överförs 1000 MW från Breared och söderut. Avståndet mellan ställverken i Strömma och Breared är 70 km.
Driftfall 1
Vindkraftsparken är inkopplad till stamnätet och producerar 864 MW. För att klara av förbrukningen på 1000 MW behövs 136 MW från ställverket i Strömma. I detta fall ansätts den reaktiva effekten till 16 MVAr. Spänningsfallet från Strömma blir enligt beräkningar 0,7 kV, spänningen måste då vara 400,7 kV i Strömma för att inte understiga 400 kV i Breared.
Beräkningarna redovisas i bilaga 5.
Driftfall 2
Vid detta driftfall är vindkraftsparken frånkopplad och all effekt, 1000 MW, kommer från Strömma. Den reaktiva effektförbrukningen ansätts i detta fall till 103 MVAr. Enligt beräkningar blir spänningsfallet från Strömma till Breared i detta driftfall 21,3 kV, spänningen måste då vara 421,3 kV i Strömma för att inte understiga 400 kV i Breared.
Beräkningarna redovisas i bilaga 4.
Spänningsfall
När spänningsfallen vid de olika driftscenarierna är kända går det att räkna ut vad
spänningsfallet blir vid plötslig bortkoppling av vindkraftsparken. Då den kopplas bort blir spänningsfallet 21,3 - 0,7 = 19,6 kV i Breared. Spänningen sjunker från 400 kV till 380,4 kV vid frånkopplingen av vindkraftsparken. Spänningsfallet är: 1 −380,4400 = 4,9%.
Figur 32. Spänningsfallsberäkning
36 11.3 Felkällor
Den här beräkningen grundar sig på ett fortvarighetstillstånd och andra spänningsfall kan ske beroende på hur hårt nätet är belastat. Beräkningarna tar inte hänsyn till frekvensavvikelser.
För ett göra en fullgod spänningsfallsberäkning måste ett datorprogram användas, elnätet är idag ett mycket komplext system. Effekten 1000 MW är en typisk höglast för ställverket i Breared.
11.4 Förluster i omriktarstationen
I omriktarstationerna framkallas det förluster. I en HVDC-VSC station blir förlusten 1,6 % av märkkapaciteten för varje station vid märklast. IGBT:n står för 1,1 % av förlusten, reaktorn för 0,12 % och omriktartransformatorerna för 0,21 % [35].
11.5 Förluster i kablar
Från vindkraftsparkens HVDC-station är det projekterat en kopparkabel på 1200 mm2 till kusten, kabelns längd är 66000 meter. Projektören har valt att öka dimensionen till 1400mm2 och att byta material till aluminium då kabeln ska förläggas på land. Längden på
aluminiumkabeln från havet upp till Breareds HVDC-station blir 68000 meter.
Överföringskapaciteten för kopparkabeln är 875 MW (tät förläggning) samt för
aluminiumkabeln 910 MW (bred förläggning). Effektöverföringen gäller vid temperaturen 15
°C och vid en spänningsnivå på 300 kV från kabel till jord [21]. Beräkning av resistansen i kopparledningen och i aluminiumledaren görs enligt följande:
𝑅 = 𝜌 𝐿
37 Den största strömmen som teoretiskt är möjlig att gå genom kabeln är när parken producerar 864 MW. Spänningen från jord till kabeln är 300 kV, spänningen mellan pluskabeln och minuskabeln är då 600 kV. Strömmen som går mellan parkens HVDC station och Breareds HVDC station beräknas enligt följande:
𝐼 = 𝑃 𝑈
(11.5-4) I, är strömmen, [A]
P, är effekten, [W]
U, är spänningen, [V]
800 ∗ 106
600 ∗ 106= 1333,33 A
Förlusterna i HVDC-kabeln då parken producerar full effekt beräknas här nedan:
𝑃 = 2 𝑅𝑡𝑜𝑡 𝐼2
(11.5-5) 2 ∗ 2,3198 ∗ 1333,332 = 8,248 MW
1 −(800 − 8,248)
800 ∗ 800 ∗ 100 = 1,031%
(11.5-6) Förlusterna i kabeln vid full effektöverföring från parken blir 8,248 MW. Uttryckt i procent blir effektförlusterna i kabeln 1,031 %. Förlusterna kommer att vara betydligt mindre på årsbasis eftersom vindkraftsparkernas kapacitetsfaktor ligger på cirka en tredjedel av installerad effekt [34]. Strömmen blir mindre och förlusterna minskar med strömmen i kvadrat.
38
12. Fördelar med HVDC-VSC
Efterfrågan på långdistansöverföringar stiger i och med att de nationella elnäten byggs ihop
Efterfrågan på långdistansöverföringar stiger i och med att de nationella elnäten byggs ihop