Anslutning av stora vindkraftsparker till stamnätet

Anslutning av stora vindkraftsparker till stamnätet

Kristofer Andersson Fredrik Ericsson

Examensarbete i energiteknik Energiingenjörsprogrammet

2009-06-01

I samarbete med Svenska Kraftnät AB

Examinator: Sven Werner

ii

Sammanfattning

Växthuseffektens påtagliga miljöpåverkan har bidragit till en ökad medvetenhet kring

förnybar energi. Sveriges regering har satt upp ett produktionsmål för vindkraft till år 2015 på 10 TWh. Dessa faktorer tillsammans med att det i Sverige är goda vindförhållanden har lett till stora utbyggnadsplaner för vindkraften.

Vindkraftverk kommer att grupperas i så kallade vindkraftsparker på platser belägna långt ifrån elförbrukare och elnät. Detta medför att det måste ske en överföring till nätet, vilket måste utföras på ett så effektivt och driftsäkert sätt som möjligt.

Universal Wind Offshore har ansökt om att bygga en vindkraftspark på Stora Middelgrund, cirka tre mil utanför Halmstads kust. Ansökan gäller 108 vindkraftverk med en total

installerad effekt på 864 MW och en planerad årsproduktion på 3 TWh. Överföringen kommer att ske med HVDC-VSC till stamnätet i Breared, sträckan är cirka 6,7 mil. Den planerade vindkraftsparken på Stora Middelgrund står som grund för vårt examensarbete.

Anslutning av vindkraftsparker med HVDC-VSC har blivit en intressant överföringsteknik på grund av effektutvecklingen av vindkraftverk , samtidigt som platser med goda

vindförhållanden har en tendens att ligga långt ifrån elförbrukarna och elnätet.

Denna rapport behandlar bland annat anslutning av vindkraftsparker till stamnätet, elkvalitet och tekniken kring HVDC-VSC. En del av rapporten behandlar ett scenario där

vindkraftsparken hastigt kopplas bort från stamnätet då produktionen från vindkraftsparken är som störst, detta samtidigt som stamnätet är under hög belastning.

Analysen av följderna vid det ovan nämnda scenariot och beräkningarna av spänningsfall på

stamnätet visar att påverkan på nätet vid en hastig bortkoppling av vindkraftsparken blir

godtagbar.

iii

Abstract

The conspicuous environmental impact of the greenhouse effect has contributed to an increased consciousness about renewable sources of energy. To the year 2015, the Swedish government has set up a goal of the production of wind power to 10 TWh. This plan and the good wind conditions in Sweden have led to great plans of expanding the wind power.

Wind power stations will be grouped into wind farms on places far away from the consumers of electricity and the electricity system. This means that a transfer to the grid has to be done and it is important that it accomplishes as effective and dependable as possible.

The Universal Wind Offshore has applied to the authorities to build a wind farm on Stora Middelgrund that is located about thirty kilometers outside the coast of Halmstad. The application contains 108 wind power stations with a total installed effect of 864 MW and a planned production of 3TWh per year. The transfer to the utility network will be done with 67 kilometers of cable, occur with HVDC-VSC to the 400 kV grid in Breared. The intended wind farm on Stora Middelgrund is the base of our thesis.

To connect wind farms with HVDC-VSC has become an interesting technique of transfer, depending on the development of effect of the wind power stations. At the same time the good wind conditions have a tendency to be located far away from the consumers of electricity and the electricity system.

This report discusses among other things electric quality and the technique concerning HVDC-VSC. A part of the report treats a scenario where the wind farm suddenly disconnects from the 400 kV grid at a time when the production of the wind farm is maximum, this occurs during a time when the 400 kV grid is highly trafficked.

The analyze of what happened during this production stop and the calculations of voltage

drop on the 400 kV grid demonstrate that influence on the utility network during a sudden

disconnection of a wind farm is acceptable.

iv

Förord

Denna uppsats har upprättats under våren 2009 på sektionen för ekonomi och teknik vid Högskolan i Halmstad.

Under projektets gång har vi utnyttjat kunskaper som vi erhållit under

energiingenjörsutbildningen men framförallt har vi tillägnat oss många nya kunskaper.

Vi vill tacka Kjell-Åke Cederwall som tog emot vår idé. Tack till Jonny Hylander för en god handledning av denna uppsats.

Tack till:

Jonny Hylander, HH Göran Siden, HH.

Kjell-Åke Cederwall, SVK Kjell Hertzberg, SVK Tuan A. Le, Chalmers

Kristofer Andersson, Fredrik Ericsson

v

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... ii

Abstract ... iii

Förord ... iv

Innehållsförteckning ... v

1. Inledning ... 1

2. Bakgrund ... 2

2.1 Energimålen 2020 ... 2

2.2 Stora Middelgrund ... 4

2.3 Om SVK ... 4

2.4 Nulägesanalys ... 4

3. Syfte, mål samt avgränsningar ... 5

4. Metod ... 5

5. Vindkraftsparker ... 6

5.1 Vindens energi ... 6

5.2 Design av elsystem för havsbaserade vindkraftsparker ... 7

5.3 Transformatorplattform ... 7

5.4 Uppsamlingsnät ... 8

Lillgrund ... 9

Kriegers flak ... 9

5.5 Stora Middelgrunds uppsamlingsnäts uppbyggnad ... 10

5.6 Dagens vindkraftverk ... 11

5.7 Parkeffekt ... 11

5.8 Vindvak vid Stora Middelgrund ... 12

5.9 Rimlighetsberäkningar ... 15

Beräkning av effektkoefficienten för Stora Middelgrund ... 15

Beräkning av kapacitetsfaktorn för Stora Middelgrund ... 16

6. Det svenska elnätets uppbyggnad... 17

Lokalnät ... 17

Regionalnät ... 17

Stamnätet ... 17

6.1 Reservation av kapacitet på stamnätet... 18

6.2 Överbokning av kapacitet på radiella ledningar ... 18

7. Elkvalitet ... 19

vi

7.1 Spänningsvariationer ... 19

7.2 Flicker, flimmer ... 20

7.3 Transienter ... 21

7.4 Övertoner ... 22

7.5 Frekvensavvikelser ... 22

7.6 Osymmetri ... 23

7.7 Elkvalitetsansvar ... 23

8. HVDC – VSC ... 24

8.1 HVDC-VSC tekniken ... 24

8.2 Transistorn ... 25

8.3 MOSFET ... 25

8.4 IGBT ... 25

8.5 Likriktning ... 26

8.6 PWM ... 27

8.7 Reaktiv effekt ... 27

8.8 Styrning av reaktiv effekt. ... 28

9. Kabeluppbyggnad ... 30

9.1 Magnetfält ... 31

10. Driftsäker anslutning ... 32

10.1 Simulering ... 33

11. Spänningsfall i stamnätet ... 34

11.1 Förutsättningar ... 34

11.2 Scenario ... 35

Driftfall 1 ... 35

Driftfall 2 ... 35

Spänningsfall ... 35

11.3 Felkällor ... 36

11.4 Förluster i omriktarstationen ... 36

11.5 Förluster i kablar ... 36

12. Fördelar med HVDC-VSC ... 38

13. Analys ... 40

13.1 Vindkraftsplacering ... 40

13.2 Spänningsfall i nätet ... 40

13.3 Effektivitet ... 41

14. Slutsats ... 42

15. Figurförteckning ... 43

16. Referenser ... 44

1

1. Inledning

Den svenska regeringen har satt som mål att den svenska vindkraftsproduktionen år 2015 ska uppgå till 10 TWh. Detta mål har sin utgångspunkt i växthuseffektens märkbara

miljöpåverkan och har bidragit till att vindkraften har fått en utbyggnadstakt som är kraftigt ökande. Vindkraftsparker planeras runt om i landet för att samla upp verken i grupper. Ett problem som uppkommer när vindkraftsparker byggs är överföringen till elnätet. Problemet går att jämföra med en landsväg där flera tusen bilar trafikerar dagligen, det gäller då att vägen är tillräckligt stor och att alla bilar kommer fram tillräckligt fort och säkert, det är också viktigt att vägen är jämn. Detsamma gäller för en vindkraftspark, den måste anslutas till ett elnät för att kunna leverera sin effekt. Ett enstaka vindkraftverk går att ansluta till lokalnätets 10 kV men om vindkraftsparken är på 864 MW måste den anslutas till stamnätet på 400 kV, som går att likna med en motorväg för bilar. Stamnätet förser hela Sverige med elenergi och måste klara av att leverera bra elkvalitet för att de underliggande näten ska få en god elkvalitet och effektivitet.

I rapporten undersöks hur en vindkraftspark på 864 MW påverkar stamnätet vid plötslig bortkoppling. I enlighet med Svenska Kraftnäts riktlinjer får inte stamnätets frekvens sjunka mer än 1,5 Hz, inte heller får spänningen sjunka för mycket.

Källor för figurer nämns i figurförteckningen.

2

2. Bakgrund

2.1 Energimålen 2020

EU har satt upp energimål som alla EU-länder ska uppnå till år 2020. Målet är att minska koldioxidutsläppen med 20 % och samtidigt öka andelen förnyelsebar energi med 20 % från 2005 års siffror. Energieffektivisering är också en mycket viktigt del och målet är 20 % mer effektiv användning utav energi. Här har elenergi en betydande roll, förlusterna kan minskas vid användandet samt att produktionsanläggningar som byggs kan producera utsläppsfri elenergi. Sverige har redan uppnått detta mål och har till sin fördel en betydande del

vattenkraft och god tillgång på bioenergi. Ökningen av andelen förnybar energi ska dock ske i snabbare takt än tidigare [1].

Sveriges riksdags mål för den svenska vindkraftsproduktionen är att det ska produceras 10 TWh elenergi år 2015. Energimyndigheten har satt upp ett nytt planeringsmål för vindkraft.

Det nya målet avser att år 2020 ska 30 TWh vindkraftsel produceras. Fördelningen mellan onshore och offshore planeras vara 20/10 TWh. Det innebär att en utbyggnad av antalet vindkraftverk krävs från dagens 900 till 3 000 – 6 000 stycken beroende på vilken effekt verken kommer att ha [2].

Anslutningen av vindkraft på elnätet kommer att öka kraftigt inom en snar framtid. Det

planeras många stora vindkraftsparker och nya platser att placera verken på.

3

Figur 1. Planerad vindkraftsutbyggnad

4 2.2 Stora Middelgrund

Universal Wind Offshore har ansökt om att bygga en vindkraftspark på Stora Middelgrund utanför Halmstad. Projektägarna har fått tillstånd att bygga 108 stycken vindkraftverk inom den svenska ekonomiska gränsen i Kattegatt. Verkens totala höjd får inte överstiga 200 meter räknat från medelvattennivån i området. Parken är tänkt att ha en installerad effekt på 864 MW vilket skulle ge en beräknad årsproduktion på 3 TWh. Bolaget har även fått tillstånd att bygga omriktarstationer, transformatorstationer och tre mätmaster. Förbindelsen mellan vindkraftsparken och stamnätet kommer att göras med likströmskablar. Den

kabelsträckningen som anses mest fördelaktig enligt konsultföretaget SWECO är sträcka 5, se bilaga 1. Anslutningspunkten till stamnätet (400 kV) ligger i Breared, 5 km öster om

Oskarström.

2.3 Om SVK

Affärsverket Svenska Kraftnät äger och förvaltar det svenska stamnätet för elkraft. De har systemansvaret för elbalansen i Sverige och ansvarar för att elsystemet kortsiktigt är i balans.

Genom entreprenad sköts service och underhåll för att hålla stamnätet och elförsörjningen robust. Stamnätet består av 15000 km ledningar, förbindelser till utlandet, stationer och kontrollsystem.

Svenska Kraftnät bildades inför avregleringen 1996 av elmarknaden. Affärsverket Vattenfall delades då upp till Svenska Kraftnät och Vattenfall AB. Svenska Kraftnät har en neutral ställning och verkar för effektiv konkurrens i handeln med elenergi.

2.4 Nulägesanalys

Problematiken vid anslutning till befintligt nät finns beskrivet i åtskilliga rapporter och avhandlingar. Många börjar bli föråldrade eftersom utvecklingen av vindkraftverk i vissa fall medför andra typer av problem. Erfarenheten från anslutning av stora vindkraftsparker med HVDC-VSC är knapp men erfarenhetsnivån kommer att öka då kunskap ifrån pågående byggprojekt erhålls.

Vindforsk är ett forskningsprogram som är till hälften finansierat av Energimyndigheten och till hälften av energiföretag och företag med anknytning till vindkraft. Vindforsk är uppdelat i flera verksamhetsområden där ett område är vindkraft i kraftsystemet. Ett stort antal rapporter är publicerade av Vindforsk, några av dem är; ”Design av elsystem för havsbaserade

vindkraftsparker”, ”Nätnytta från vindkraft”.

Svenska Kraftnät har år 2009 publicerat ”Vägledning för anslutning av vindkraft till stamnätet”. Syftet är att underlätta för aktörer som berörs av den ökade

vindkraftsutbyggnaden. Vägledningen tar upp och beskriver de villkor som gäller vid

anslutning till stamnätet. Det finns beskrivningar av lagar, ansökningsförfarande, ägogränser

och avtal.

5

3. Syfte, mål samt avgränsningar

Syftet med den här rapporten är att fördjupa våra kunskaper inom elkraft och vindkraftteknik genom att genomföra en studie kring anslutning av större vindkraftsparker till stamnätet.

Beräkningar och simuleringar ska genomföras och stå som grund för en utredning om hur stora vindkraftsparker kan anslutas till stamnätet.

Målsättningen är att analysera om det är möjligt att ansluta större vindkraftsparker till stamnätet utan att elkvalitetsbrister uppkommer och även att få förståelse för hur vindkraftsanslutningar med HVDC-VSC verkar och påverkar elkvaliteten.

Universal Wind Offshore har inte utfört någon teknisk utredning eller projektering, på grund av detta har vissa tekniska antaganden gjorts. Dessa är förklarade i rapporten.

4. Metod

Examensarbetet har utförts i samarbete med Svenska Kraftnät. Under projekttiden har vi läst

litteratur och rapporter som behandlar ämnet. Vi har även utfört ett studiebesök på en HVDC-

station utanför Lindome, detta för att få fördjupad kunskap och visuell erfarenhet. Under ett

besök på Chalmers har erfarenhet av simulator för elkraftsystem, ARISTO, erhållits. På ett

källkritiskt sätt har Internet använts till informationssökning. En svårighet som uppkommit

under projektet är att finna neutral fakta och erfarenhet om HVDC-VSC.

6

5. Vindkraftsparker

5.1 Vindens energi

Vindar skapas då skillnader i lufttryck jämnas ut. Skillnader i lufttryck beror på skillnader i temperatur på olika platser. Marken påverkar vindhastigheten eftersom luftens friktion mot marken bromsar vinden. Vindgradienten är vindhastighetens ändring med höjden och kan visas som en kurva, se figur 2. Skogslandskap ger en stor friktion jämfört med landskapet till havs. Detta möjliggör att vindkraftverk till havs inte behöver lika höga torn för att få en vindhastighet som motsvarar hastigheten på land, vilket är fördelaktigt.

Vinden påverkas av hinder som bebyggelse.

Detta gör att luftvirvlar bildas, så kallad turbulens.

Om vindens hastighet fördubblas ökar effekten åtta gånger. Detta beror på att effekten är proportionell mot vindhastigheten i kubik, se formel (5.1). Därför är det viktigt med en hög vindhastighet vid projektering av vindkraft.

𝑃 _{𝑣𝑒𝑟𝑘} = 1

2 𝐶 _𝑝 𝜌 𝐴 𝑣 ³

(5.1)

Enligt Betz lag kan rent teoretiskt 59,3 % av vindens energi utnyttjas. Effektkoefficienten C p

är ett mått som visar hur stor del av vindens energi som kan utvinnas, alltså är största möjliga C _p 0,593.

Det finns en sannolikhetsfördelning som kallas för Weibullfördelningen (se figur 3), den överensstämmer ganska väl med vindhastighetens frekvens över året. Weibullfördelningen står till grund för kubfaktorn, K 3 , som används för att beräkna vindens energi under ett år, då en årsmedelvind är given.

7 Figur 3. Weibullfördelning

5.2 Design av elsystem för havsbaserade vindkraftsparker

Elsystemet för havsbaserade vindkraftsparker byggs upp av ett uppsamlingsnät där alla vindkraftverk är anslutna. Spänningen transformeras sedan upp till en högre spänningsnivå innan energin leds vidare till elnätet på land. Beroende på hur stor installerad effekt parken har väljs spänningsnivåer mellan 10-, 20- och 30 kV. Dock är inte 10 kV nivån vanlig eftersom förlusterna då ofta blir stora. Exempel på två vindkraftsparker som har ett

uppsamlingsnät på 20 kV är Kalmarsund och Yttre Stengrund. Deras installerade effekt är på 9,8 MW respektive 10 MW. Den vanligaste spänningsnivån för uppsamlingsnätet är 30 kV, detta är också den högsta spänningen som vakuumbrytare, silikon- och torrisolerade

transformatorer tillverkas för. Den vanligaste spänningen som tillämpas i överföringen mellan transformatorplattformar och fastlandet är 130 kV [31]. Den spänningsnivån används ofta när avstånden blir längre för att minska förlusterna som skulle uppstå från en kabel med lägre spänning. Det är också den högsta spänningen som trefasiga kablar tillverkas för.

5.3 Transformatorplattform

Transformatorn som uppsamlingsnätet ansluts till kan placeras både till havs och på land. När transformatorn placeras på land ansluts uppsamlingsnätet där. Beroende på hur många

vindkraftverk som ansluts på varje radial och hur många vindkraftverk som parken består av kan antalet kablar som uppsamlingsnätet består av bli väldigt många. Ett annat alternativ är att placera transformatorn på en plattform ute till havs. Då ansluts uppsamlingsnätet till

transformatorplattformen för att sedan kopplas ihop med nätet på land med exempelvis 130

kV. Detta alternativ minskar antalet kablar drastiskt och förlusterna minskar. Vilket alternativ

som väljs beror på vindkraftsparkens avstånd till fastlandet, installerad effekt och hur stor

miljöpåverkan de olika alternativen leder till. Vid byggnationen av världens tre största

vindkraftsparker till havs har transformatorer placerade till havs valts, Hornsrev (160 MW,

8 2.1 mil till fastlandet), Nysted (167 MW, 1.1 mil till fastlandet) och Lillgrund (110 MW, 0.7 mil till fastlandet). Kentish Flats (90 MW, 0.85 mil till fastlandet) är ett exempel på en vindkraftspark där projektörerna har valt att placera transformatorstationen på land [31].

5.4 Uppsamlingsnät

Det går att bygga ett uppsamlingsnät på flera olika sätt. Det vanligaste utförandet idag är radialmating, figur 4. Fördelen med radialmatning är att det är enkelt att dimensionera

kablarna samt att kostnaden är låg. Den största nackdelen är känsligheten om en kabel skadas, då kan inte något av vindkraftverken i radialen leverera. Förlusterna för radialmatning är höga jämfört med slingmatning och stjärnmatning.

Figur 4. Radialmatning

Slingmatning är en mer driftsäker men betydligt mer kostsam konstruktion. Utförandet är likt ett radialmatat uppsamlingsnät men med skillnaden att två radialer byggs ihop med en brytare emellan, figur 6. Om en skada skulle ske på kabeln kopplas den skadade radialen ihop med den intilliggande radialen och vindkraftverken kan fortsätta leverera. En fördel är att förlusterna från kabeln minskar eftersom den är överdimensionerad vid normal drift. En nackdel är att kabeldimensionen blir betydligt större eftersom kabeln måste klara

kortslutningsströmmen från fler vindkraftverk vid ett eventuellt driftfel. Kostnaden för kabeln ökar med den ökade ledararean [31].

Figur 5. Slingmatning

Vid stjärnmatningsutförandet delas vindkraftverken upp i mindre grupper som matas med

separata kablar. För att minska förlusterna går det att placera ut en extra transformator som

höjer spänningen och på så vis minskar förlusterna, figur 6 [31].

9 Figur 6. Stjärnmatning

Lillgrund

Sveriges största vindkraftspark ligger utanför Malmö och består av 48 stycken 2,3 MW vindkraftverk. Projektörerna valde att bygga en transformator ute till havs tillsammans med ett radialt uppsamlingsnät. Varje radial består av nio eller tio vindkraftverk och har en systemspänning på 30 kV. Uppsamlingsnätets totala kabellängd är cirka 2 mil.

Transformatorplattformen transformerar upp spänningen till 130 kV som sedan ansluts till nätet i Bunkeflo, figur 7 [8].

Figur 7. Lillgrunds uppsamlingsnät

Kriegers flak

Vattenfall planerar för en vindkraftspark, Kriegers flak, som är större än Lillgrund, Kriegers flak ligger cirka tre mil söder om Trelleborg. Vindkraftsparken kommer att bestå av 128 vindkraftverk med en total installerad effekt på 640 MW, parken är beräknad till att producera cirka 2,1 TWh el per år. Kriegers flak planeras att anslutas till regionalnätet på 130 kV. För att nätet ska klara av att ta emot effekten kommer 340 MW att anslutas till Trelleborg norra (TBGN) och de resterande 300 MW i Arrie (AIE) utanför Svedala [8].

Uppsamlingsnätet kommer bli ett radialmatat nät och få en systemspänning på 30 kV. Till

varje radial ansluts cirka sju vindkraftverk. Uppsamlingsnätets totala kabellängd är planerad

till cirka 100 km. Två transformatorplattformar är planerade för parken, båda plattformarna

kommer att ha två transformatorer där den ena ansluts till Trelleborg norra och den andra till

Arrie, figur 8. Denna utformning gör att sannolikheten för att vindkraftsparken inte ska kunna

leverera effekt till nätet minskar [8].

10 Figur 8. Anslutning Kriegers flak

5.5 Stora Middelgrunds uppsamlingsnäts uppbyggnad

Parken kommer att bestå av 108 verk som har delats upp i två grupper med 38 verk i den ena gruppen och 70 i den andra. Vindkraftverken kommer att samlas ihop av ett litet nät med systemspänningen 36 kV som binder ihop fem vindkraftverk. Dessa fem vindkraftverk ansluts till en transformatorplattform där spänningen transformeras upp till 132 kV. Till plattform A i figur 9 ansluts de 38 vindkraftverken för att transformera upp spänningen till 132 kV.

Plattform A ansluts sedan till plattform B där de resterande 70 vindkraftverken har anslutits.

SWECO har beräknat att det kommer förläggas 134 km kabel på havsbotten, därefter leds

kablarna upp i tornen och den längden är beräknad till 13 km. Kabelläggningen kommer att

utföras med grävning, spolning eller plöjning, vilket alternativ som kommer att användas

beror på havsbottnens karaktär. Dimensionen på 36 kV kablarna är 3*150 mm ² och

kabelförbindelsen med 132 kV systemspänning sker med 3*240 mm ² kablar. Från parken

överförs effekten med HVDC till stamnätet i Breared. Anslutningen kommer att ske bipolärt,

det vill säga med två parallella kablar. Avståndet från vindkraftsparken till kusten är 33 km

och från kusten till Breared är det 34 km.

11 Figur 9. Utformning av vindkraftspark

5.6 Dagens vindkraftverk

Vindkraftsparkens installerade effekt planeras till 864 MW och antalet vindkraftverk som Universal Wind Offshore ansökt om att få bygga i området är begränsat till 108 stycken. För att kunna uppnå den planerade effekten måste varje enskilt vindkraftverk ha en effekt på 8 MW, vindkraftverk av den storleken finns dock inte på marknaden idag.

Vindkraftstillverkaren Enercon installerade i november 2008 sitt största vindkraftverk som går under betäckningen E-126 [23]. Det restes utanför Emden i nordvästra Tyskland och har en installerad effekt på 6 MW. Detta vindkraftverk räknas till världens största. E-126 ska producera 6 MW men troligtvis kommer verket att optimeras och effekten att öka. E-112 producerar också 6 MW men rotordiametern är 13 meter mindre än på E-126, även tornhöjden har Enercon ökat på E-126 med elva meter för att nå en navhöjd på 135 meter. Därför anses vindkraftverket kunna klara av att producera mer än de 6 MW som verket är specificerat för idag [24].

5.7 Parkeffekt

När ett vindkraftverk står enskilt på en slätt kan verket ta tillvara på den vindenergi som

blåser förbi. Placeras det ut fler vindkraftverk på samma yta i form av en vindkraftspark

uppkommer förluster som benämns parkeffekt. Efter varje vindkraftverk som tillkommer

förlorar vinden energi, det yttrar sig i lägre vindhastighet och att de efterföljande

12 vindkraftverken producerar mindre elenergi. Detta beror på att det uppkommer en vindvak på läsidan av vindkraftverkens rotor. Vindvaken breder ut sig bakom vindkraftverken och får tillbaka sin energi långt efter vindkraftverket. Turbulensen bakom rotorn blandar tillslut luften så att vindhastigheten motsvarar den orörda vindens hastighet. Hur lång vindvaken blir beror på rotordiametern och terrängen vindkraftverket står i. Med följande formel räknas

vindhastigheten ut efter det första vindkraftverkets rotor [22].

𝑣 = 𝑢 ( 1 − 2 3 𝑟

𝑟 + 𝛼 𝑥

2 )

(5.7)

v, är vindhastigheten x meter bakom rotorn u, är den ostörda vinden

r, är rotorns radie α, är vakkonstanten

Vakkonstanten är olika på land och hav, beroende av vilken råhetsklass det är på landskapet.

På land brukar vakkonstanten vara 0,075 och till havs är den 0,04. Vakkonstanten är lägre till havs jämförelsevis mot vad den är på land, vilket får den betydelsen att avstånden mellan vindkraftverken bör vara längre till havs. Det finns tumregler för hur vindkraftverken bör placeras i förhållande till varandra. När vindkraftverk placeras på rad är ett inbördes avstånd på fem rotordiametrar lagom, enligt tumregeln. När parken består av fler rader bör avståndet mellan raderna vara sju rotordiametrar. Placeras raderna med förskjutning i förhållande till varandra minskas parkeffekten, se figur 10. Många gånger är det svårt att uppnå önskat avstånd mellan vindkraftverken eller rätt formation. Det kan bero på att markarealen inte räcker till, uppsamlingsnätet mellan vindkraftverken blir för stort eller att den visuella miljön påverkas negativt [22].

Figur 10. Inbördes avstånd i en vindkraftspark (Tumregel).

5.8 Vindvak vid Stora Middelgrund

Vindkraftverken är planerade så att det inbördes avståndet mellan dem är 800 meter. Vilken

typ av vindkraftverk som avses sättas upp är inte fastställt ännu eftersom det inte finns något

vindkraftverk på marknaden som kan producera 8 MW. En grov dimensionering går att göra

för att räkna ut rotordiametern på ett 8 MW vindkraftverk. Beräkningarna grundar sig på

uppgifter från Enercon E-112, bilaga 2.

13 𝑃 _{𝑣𝑒𝑟𝑘} 2

𝜌 𝐴 𝑣 ³ = 𝐶 _𝑝

(5.8-1) 6 ∗ 10 ⁶ ∗ 2

(1,24 ∗ 10207 ∗ 13 ³ ) = 0,432

(5.8-2) P verk , märkeffekt för vindkraftverket, [W]

, luftens densitet, [kg/m ³ ] A, arean på rotorn, [m ² ] v, vindhastigheten, [m/s]

C p , vindkraftverkets effektkoefficient

Effektkoefficienten för Enercon E-112 vid toppeffekt och 13 m/s blir 0,432 när luftens densitet är 1,24 kg/m ³ . Arean och diametern på rotorn för ett 8 MW vindkraftverk beräknas nedan:

8 ∗ 10 ⁶ ∗ 2

(1,24 ∗ 0,432 ∗ 13 ³ ) = 13609,3 m ²

(5.8-3) Diametern blir:

13609,3 ∗ 4

𝜋 = 131,6 m

(5.8-4) Rotordiametern på ett 8 MW:s vindkraftvek blev enligt beräkningarna cirka 132 meter.

Den procentuella vindhastigheten på grund av parkeffekten för Stora Middelgrund går nu att

beräkna, i figur 11 finns en graf som beskriver vindvaken efter en vindturbin. Grafen är

baserad på formel (5.8-1) och avståndet bakom rotorn är bestämt till 800 meter eftersom det

inbördes avstånden mellan vindkraftverken är projekterad för det. Vakkonstanten är ett

standardvärde för hav och är ansatt till 0,04.

14 Figur 11. Vindvak

Rotorns radie är 65,8 meter, i diagrammet går det att läsa ut hur mycket vinden har påverkats av det första vindkraftverket. Vid användning av formel (5.7) går det att beräkna vad

vindhastigheten är efter 800 meter.

1 ∗ 1 − ² ₃ 65,8 + 0,04 ∗ 800 ^65,8

2 ∗ 100 = 69 %

(5.8-5) Vindhastigheten 800 meter bakom den första rotorn är 69 % av den ursprungliga

vindhastigheten. Eftersom parken befinner sig till havs blir förlusterna större än om parken hade varit landplacerad. Ett räkneexempel visar att vindhastigheten 800 meter bakom rotorn hade varit 81,7 % av begynnelsehastigheten på land.

1 ∗ 1 − ² ₃ 65,8 + 0,075 ∗ 800 ^65,8

2 ∗ 100 = 81,7 %

(5.8-6)

För att förlusterna ska minska måste avståndet mellan vindkraftverken öka. Genom att lösa ut x från formel (5.7) beräknas avståndet mellan vindkraftverken. Sedan beräknas antalet

rotordiametrar.

1 ∗ 1 − ² ₃ 65,8 + 0,04 ∗ 𝑥 ^65,8

2 ∗ 100 = 81,7 %  x = 1495 meter

(5.8-7) 1495 (𝑚)

131,6 (𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟) = 11,36 𝑠𝑡 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑎𝑟

Antalet rotordiametrar blir 11,36 stycken. Det blir stora avstånd och kostnaderna för kabeln

blir nästan dubbelt så hög eftersom avståndet nästan har fördubblats. Förlusterna i kabeln blir

naturligtvis också större.

15 5.9 Rimlighetsberäkningar

Genom uppskattningsberäkningar har rimligheten i Universal Wind Offshores beräknade energiproduktion samt kapacitetsfaktorn för Stora Middelgrund undersökts. Den faktiska vindhastigheten på platsen behöver mätas under en lång period för att de exakta värdena ska erhållas. Av anledning att mätresultat från Stora Middelgrund inte finns tillgängliga har rapportförfattarna använt vindkarteringar från Energimyndigheten för att ta fram

årsmedelvinden. Karteringarna från Energimyndigheten är tänkta att användas för lokalisering av platser för vindkraft. Bilaga 3 visar att Stora Middelgrund har en årsmedelvind på 8,25 m/s på 72 meters höjd över nollplansförskjutningen. Vindkraftverken kommer att få en navhöjd på 135 meter och därför räknas vindhastigheten om från 72 till 135 meters höjd enligt

beräkningarna nedan. Vindhastigheten på 135 meters höjd blir då 8,89 m/s. Vindkraftverkens diameter finns inte angivet utan antas vara den diameter som i rapporten beräknats till 131,6 meter. Luftens densitet räknades ut med hjälp av Halmstads årsmedeltemperatur, 7 °C, som erhålls ifrån SMHI. Med hjälp av dessa värden går det att beräkna effektkoefficienten, C _p , som visar hur stor del av vindens energi som kan utvinnas.

Beräkning av effektkoefficienten för Stora Middelgrund

Lufttrycket på 135 meters höjd beräknas:

𝑝 𝑕 = 1013 − 0,120 ∗ 135 = 996.8 mb 𝑝 𝑕 = 1013 − 0,120 ∗ 𝑕 [𝑚𝑏]

(5.9-1)

Luftens densitet på 135 meters höjd med en årsmedeltemperatur på 7 °C beräknas:

1,293

(1 + 0,00367 ∗ 7) ∗ 996,8

1013 = 1.24 kg

m ³ 𝜌 = 1,293

1 + 0,00367 ∗ 𝑡 𝑝 1013 [ 𝑘𝑔

𝑚 ³ ]

(5.9-2)

Sveparea för vindkraftverket beräknas:

( 131,6

2 ) ² 𝜋 = 13602 m ² 𝐴 = 𝑟 ² 𝜋 [m ² ]

(5.9-3)

Med hjälp av vindhastigheten på 72 meters höjd beräknas vindhastigheten på 135 meters höjd:

𝑣

8,25 = ( ¹³⁵ ₇₂ ) ^0.12 𝑣 _𝑛𝑎𝑣 = 8,89 m/s ^𝑣

_𝑣 ^𝑣

0

= ( ^𝑕

_𝑕

0

) ^𝛽 [m/s]

(5.9-4) Höjdkoefficient öppet vatten: 𝛽 = 0,12

Kubfaktorn: 𝑘 ₃ = 1,9

Med tidigare resultat beräknas vindens medeleffekt ut:

16 1 1,9 ∗ 1,24 ∗ 13602 ∗ 8,89 2 ³

= 11257766,4 W

𝑃 𝑣𝑖𝑛𝑑 ,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 = 1 2 𝑘 ₃ 𝜌 𝐴 𝑣 ³ [W]

(5.9-5) Vindkraftverkens medeleffekt beräknas:

(Effekt per vindkraftverk)

3∗10

8760∗108 = 𝑃 𝑣𝑒𝑟𝑘 ,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 = 3170979,2 W 𝑊 _å𝑟 = 8760 ∗ 𝑃 𝑣𝑒𝑟𝑘 ,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 [W]

(5.9-6) Medeleffektkoefficienten för ett vindkraftverk i parken beräknas:

3170979,2

11257766,4 = 𝐶 _{𝑝,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙} = 0.282 𝑃 𝑣𝑒𝑟𝑘 ,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙

𝑃 𝑣𝑖𝑛𝑑 ,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 = 𝐶 _{𝑝,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙}

(5.9-7) Effektkoefficienten beräknas från medeleffektkoefficenten:

0,282

0,75 = 𝐶 _𝑝 = 0.376 𝐶 _{𝑝,𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙}

0,75 = 𝐶 _𝑝

(5.9-8) Effektkoefficienten för Stora Middelgrund blir enligt beräkningen ovan 0,376.

Beräkning av kapacitetsfaktorn för Stora Middelgrund

Kapacitetsfaktorn är ett nyckeltal som beror på vindkraftverkets funktion, prestanda och tillgänglig vindenergi på platsen. En hög faktor tyder på att elproduktionen är bra i förhållande till verkets beskaffenhet.

W år , är årlig producerad energi, [Wh]

8760, är antalet timmar på ett år, [h]

P _n , är installerad effekt, [W]

𝑓 _𝑐 = (8760∗864∗10 ^3∗10

) = 0,396 𝑓 _𝑐 = _(8760∗𝑃 ^𝑊

𝑛

)

(5.9-9)

17

6. Det svenska elnätets uppbyggnad

Det svenska elnätet är uppbyggt i tre nivåer utifrån deras olika funktion och spänningsnivå.

Lokalnät

Lokalnätets uppgift är att förbinda regionalnätet med förbrukarna och även att ansluta mindre

produktionsanläggningar.

Spänningen är högst 20 kV och transformeras ner till 400/230 V i

distributionsområdena, det vill säga till användarna [12].

Regionalnät

Regionalnätet förbinder stamnätet med lokalnätet samt produktionsanläggningar och mycket stora industrier.

Spänningsnivåerna i

regionalnätet är mellan 70 – 130 kV. Näten drivs och ägs av kraftbolag [12].

Stamnätet

Stamnätet är ett

transmissionsnät som har till

uppgift att överföra mycket stora effekter på långa avstånd. Spänningsnivån på det svenska stamnätet är 220 kV eller 400 kV. För att hålla en hög effektivitet och driftsäkerhet i stamnätet bör ny produktion anslutas till nät med så låg men ändå optimal spänning som möjligt. Anledningen är att nya anslutningspunkter i stamnätet ger fler felkällor i systemet och därmed en minskad effektivitet. Störningar i stamnätet riskerar att bli dyrt för samhället [3].

Stamnätet brukar liknas en motorväg och ökat antal påfarter (anslutningspunkter) minskar

effektiviteten. Figur 12 visar hur stamnätet i Norden är uppbyggt.

18 6.1 Reservation av kapacitet på stamnätet

Stamnätet har en begränsad kapacitet att överföra effekt. Svenska Kraftnät använder sig av mothandel för att förhindra att stamnätets kapacitet överskrids. Med mothandel menas det att Svenska Kraftnät köper in elenergi till den region där det är effektunderskott och säljer elenergi ifrån den region där det är effektöverskott. På detta vis minskar det fysiska flödet genom flaskhalsar i nätet med bibehållen mängd tillgängänglig effekt på nätet [4].

För vindkraftsprojektörer finns det möjlighet att i förväg reservera ledig kapacitet på stamnätet. Om det finns ledig kapacitet i den önskade anslutningspunkten kan ett

kapacitetsavtal med Svenska Kraftnät tecknas. Det krävs att tillståndsansökan för projektet kungjorts av länsstyrelsen för att få teckna ett kapacitetsavtal. Avtalet gäller ett år med

möjlighet till förlängning. Vid förlängning av avtalet behöver projektören bevisa att påtagliga framsteg i projektet finns dokumenterade [3].

6.2 Överbokning av kapacitet på radiella ledningar

Svenska Kraftnät har beslutat att göra det tillåtet med en viss överbokning av kapacitet på

radiella ledningar och utlandsförbindelser. Överbokning tillåts i stamnätet upp till den mängd

installerad effekt då kostnaden för den tillkommande anslutningen överstiger intäkterna från

stamnätstariffen. Vid drift används mothandel vid de tillfällen nätets kapacitet annars skulle

överskridas på grund av överbokning, det vill säga vattenkraftsproducenter minskar sin

produktion. Anslutning av havsbaserad vindkraft sker på samma villkor som för landbaserad

vindkraft [3].

19

7. Elkvalitet

I våra eluttag förväntas 230 V och 50 Hz, men det förekommer tillfällen då nätets spänning och frekvens skiljer sig från den förväntade. Följden av detta är en sämre elkvalitet. Perfekt elkvalitet kan definieras som då spänning och ström är fortgående, sinusformad och har en konstant amplitud och frekvens. Avvikelser från denna ideala form med avseende på form, spänningssymmetri och frekvens är brister i elkvalitet. Dessa avvikelser kan delas in i periodiska störningar och icke periodiska störningar. Ström och spänningsövertoner räknas som periodiska störningar medan transienter, flimmer, över och under spänningar räknas som icke periodiska störningar [7].

Vindkraftverk kan ge dynamiska störningar på elnätet på grund av en varierande

effektproduktion och vid styrning och reglering med kraftelektronik. Det finns nationellt och internationellt uppsatta bestämmelser för elkvalitet.

Det är en samverkan mellan nätet och vindturbinerna som avgör hur elkvaliteten på nätet blir.

De elektriska egenskaperna skiljer mellan olika fabrikat och utformningar på vindkraftverk, detta är betydande faktor. Anslutningsförbindelsen mellan vindkraftspark till

anslutningspunkten har även betydelse för elkvaliteten. Som förbindelse kan växelström (AC) eller likström (DC) väljas, detta val påverkar vilka störningar som kommer att uppkomma.

Nätets egenskaper som kortslutningseffekt ska också beaktas för att få en fullständig beräkning av elkvaliteten. Avbrott är inte ett elkvalitetsproblem utan snarare ett tillgänglighetsproblem.

7.1 Spänningsvariationer

Spänningsvariationer delas vanligtvis in i fyra grupper: Spänningshöjningar, spänningssänkningar, flimmer och transienter

Variationerna i spänning uppkommer oftast på grund av variationer i last och produktion.

Spänningsvariationer kan definieras som ändring i spänningens effektivvärde under en tidsperiod. Spänningen varierar långsamt under dygnet och även under året. Anledningen är att många elkrävande maskiner ej används på natten och att det på sommaren används mindre elenergi till uppvärmning vilket leder till högre spänning. Detta kallas lastberoende

spänningsvariation och den håller sig normalt inom det intervall som ska följas enligt SS- standard.

Elproduktionen från vindturbiner varierar kraftigt på grund av variationer i vindens

energiinnehåll. En större variation uppstår då produktionen ändras från att leverera full effekt till att inte leverera något då vindkraftverket nödstoppas vid för kraftiga vindar. Det omvända sker när det blåser upp och vindkraftverken startar och börjar leverera.

Underspänningar menas med en minskning av spänningen till 90 % av den nominella

spänningsnivån. De kan orsakas av in och urkopplingar av belastningar och produktionskällor

på nätet eller av fel på nätet [7]. Konsekvenser av en spänningsdipp och att energiunderskott

20 uppstår kan medföra störning på elektronik, datorer och styrsystem men även driftstörning på frekvensomriktare, blinkningar i belysning eller produktionsstopp [6].

Överspänningar är en tillfällig spänningshöjning som överskrider den nominella spänningens amplitud med mer än 10 % [7]. Ett fel som orsakas av överspänning kan vara jordfel på en fas som leder till ökad spänning i de två kvarvarande faserna. Dessa överspänningar kan leda till konsekvenser som isolationsfel i apparater eller genomslag [6].

I normalt fall tolereras att en kraftledning för 400 kV varierar i spänning från 380 kV och upp till maximalt 420 kV [29].

7.2 Flicker, flimmer

Figur 13. Flimmer

Flicker är snabba variationer i spänningens effektivvärde härstammande från vindgradienten och tornskuggan. Dessa variationer ger upphov till variation i ljusintensitet i belysningskällor som kan uppfattas visuellt av människan och orsaka obehag. Figur 14 visar gränskurvan för flicker enligt IEC-norm, godkänd nivå ligger under kurvan. Vid 8.8 Hz ses att gränsnivån är som lägst vilket kan härledas till att det mänskliga ögat vid denna frekvens lättast upptäcker variationer i ljusintensitet.

Eftersom den ojämna effektproduktionen av vindkraftverk kan orsaka flicker är

vindkraftstillverkare skyldiga att ange störningsnivån som vindkraftverket genererar. Ett elkvalitetsprov utförs enligt IEC-standard på nya vindkraftverk för att ta fram störningsnivån.

För att beräkna det flicker som genereras i anslutningspunkten av ett eller flera vindkraftverk används denna experimentellt uppmätta störningsnivå vid beräkningarna [8].

Figur 14. Gränskurva för flicker

21 Det är allvarligare om det uppstår höga nivåer flicker i en anslutningspunkt med hög

kortslutningseffekt och hög spänningsnivå jämfört med lägre spänningsnivåer, till exempel distributionsnätet. Detta på grund av att flicker obehindrat fortplantas utåt i de underliggande näten med lägre spänningsnivåer och kortslutningseffekter. Däremot avtar flicker om

störningskällan befinner sig långt ut i nätet och går mot ökad spänningsnivå på grund av ökad kortslutningseffekt [8][9]. Flicker överförs i liten grad från lägre spänning till en högre

spänningsnivå eftersom flickernivån begränsas kraftigt av transformatorn. Transformatorn har relativt stor impedans och ökar kortslutningseffekten kraftigt vilket leder till att det överförda flickret reduceras [9].

Det finns två typer av laster som orsakar flicker. Distorderande laster det vill säga olinjära laster som genererar övertoner och fluktuerande laster som ger spänningsfluktuationer [5].

Laster som fluktuerar använder en ström som varierar mycket med tiden, vilket resulterar i spänningsfluktuationer. Elektroniska laster som datorer och styrdon är de laster som orsakar de flesta störningarna i vårt elektriska system. Stora mängder övertoner genereras, dock inte mellantoner vilket göra att de inte är någon stor källa till flicker [5].

7.3 Transienter

Figur 15. Transienter

Transienter är snabba förändringar i spänningsamplituden, en så kallad spänningsspik. Dessa kan uppstå genom åsknedslag eller genom till/frånkoppling av större elutrustning.

Transienter brukar delas in i två typer. De ickeoscillerande har en varaktighet under maximalt 10 ms och överlagras som en ”spik” i den befintliga spänningen. Stig- och falltiden kan variera men är dock oftast mycket kort. Denna ”spik” i spänningen kan både vara positiv och negativ. De oscillerande transienterna har till skillnad från de icke oscillerande en längre varaktighet [12].

Störningskällor som ger upphov till spänningsdippar är åska, jordfel, kortslutningar och

motorstarter med mera [6]. Transienter uppkommer även vid in- och urkoppling av

kondensatorer, nät- och lastkopplingar [12].

22 7.4 Övertoner

Figur 16, Övertoner

Grundfrekvensen i nätet är 50 Hz men det förekommer även andra frekvenser och dessa kallas för övertoner. Övertoner är heltalsmultiplar av grundfrekvensen som till exempel 150 Hz vilken är den tredje övertonen. De frekvensområdena som befinner sig mellan övertonerna kallas för mellantoner. Övertoner är en vågformsdistorsion det vill säga mellan- och

övertonerna överlagras på grundfrekvensen och ger upphov till deformationer på sinuskurvan.

Det är olinjära laster som alstrar störningarna på grund av att belastningsströmmen avviker från den ideala sinusformen [5]. De överlagrade övertonernas energi kan inte utnyttjas då utrustning inte är anpassad för att ta vara på den energin och blir till förluster.

Ett ökat användande av olinjära belastningar som tyristorstyrningar och frekvensomriktare har gjort att andelen övertoner i nätet har ökat [12]. Konsekvenser till följd av övertoner är

försämrad verkningsgrad i motorer, värmeutveckling, överlast av transformatorer, störning på elektronik och styrsystem [6]. På ett enkelt sätt kan övertoner filtreras bort med hjälp av ett övertonsfilter som består av kondensatorer, reaktorer och i vissa fall motstånd [8].

Det finns två kategorier av filter; passiva och aktiva filter. Passiva filter kan vara av

bandpasstyp som ger mycket bra filtrering vid en specifik frekvens eller av högpassfiltertyp som effektivt dämpar höga frekvenser. De aktiva filtrena fungerar på så vis att de skapar övertoner med samma frekvens och amplitud som finns i nätet. Genom att skicka ut dessa övertoner i motfas kommer övertonerna i nätet att reduceras [11].

Det finns flera beräkningsmetoder för att visa den totala övertonshalten, Total Harmonic Distortion (THD), i en spänning eller ström. Vid THD-R mäts distorsionen i förhållande till det totala effektivvärdet och vid THD-F förhållandet mellan distorsionen och grundtonens effektivvärde

7.5 Frekvensavvikelser

Figur 17. Frekvensavvikelser

Frekvensavvikelser i ett kraftsystem kan ses som ett mått på skillnaden i producerad och

konsumerad effekt. För att hålla önskad frekvens kan synkrongeneratorers uteffekt varieras i

23 förhållande till frekvensavvikelsen och på detta sätt åtgärda avvikelsen. För att åtgärda ett näts sjunkande frekvens i förhållande till nominellt värde ska uteffekten ökas och vid ökande frekvens ska uteffekten minskas [12]. Om en större produktionsenhet eller last hastigt kopplas bort uppstår ett tillfälligt över- eller underskott av effekt som påverkar frekvensen.

Även om frekvensstörningar är relativt ovanliga blir konsekvenserna större eftersom

störningen påverkar hela nätet. Konsekvenser som kan uppkomma av frekvensavvikelserna är att motorer och generatorer med frekvensskydd riskerar att kopplas bort.

7.6 Osymmetri

I ett symetriskt trefasnät har spänningen samma amplitud på alla faserna och

fasförskjutningen inbördes är lika, avvikelser från detta kallas osymmetri [10]. Orsak till osymmetri kan bero på osymmetriska motstånd eller att luftledningar inte är korrekt

transponerade vilket leder till att impedans och kapacitans i luftledningar kommer att skilja mellan faserna [12].

7.7 Elkvalitetsansvar

Svenska kraftnät ansvarar för att frekvens, amplitud, kurvform och symmetri i stamnätet håller sig mellan de målvärden som är angivna i SvK:s Tekniska riktlinjer för elkvalitet.

Målvärden för spänningens egenskaper är mellan de värden vilka alla kunder anslutna till stamnätet ska kunna förvänta sig.

I de lokala näten är nätägaren ansvarig för elkvaliteten i anslutningspunkten medan elanvändarna själva är ansvariga för sin egen påverkan på elkvaliteten. Ändrade

lastförhållanden eller produktionsförhållanden, störningar genererande av yttre utrustning

eller yttre påverkan kan ge inverkan på spänningens egenskaper.

24

8. HVDC – VSC

Tekniken HVDC står för ( High Voltage Direct Current). HVDC är högspänd likström till skillnad från växelström som är det vanligaste sättet att överföra energi från produktionsplatsen till konsumenten. HVDC-tekniken används när mycket energi ska överföras över långa avstånd.

HVDC-överföring lämpar sig väl till vindkraftsparker, mer om varför behandlas i avsnitt 12.

Vindkraftsparken på Stora Middelgrund projekteras för att använda HVDC-VSC överföring. När strömmen kommer till HVDC-plattformen från vindkraftverken är spänningen 136 kV

växelström. Spänningen transformeras till ± 300 kV och likriktas sedan. Överföringen mellan vindkraftsparken och anslutningspunkten sker bipolärt. Det betyder att spänningen är + 300 kV mellan kabel 1 till jord och – 300 kV mellan kabel 2 till jord, spänningen över kablarna blir då 600 kV.

Figur 18. HVDC-överföring

I den mottagande likriktarstationen växelriktas likspänningen till traditionell växelström som ansluts till nätet. Eftersom anslutningen sker till stamnätet skapas spänningen 400 kV och frekvensen 50 Hz. Frekvensen skapas med PWM och en transformator transformerar spänningen till rätt nivå.

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].

U _C , är spänningen över strömriktarstationen U F , 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 U C och nätets spänning benämns U _F 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 U C ligger före U F överförs den aktiva effekten från likriktaren ut på stamnätet. Om U C ligger efter U F 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 = 𝑈 _𝐹 𝑈 _𝐹 − 𝑈 _𝐶 𝐶𝑜𝑠 [𝛿]

𝜔 𝐿 𝑃 = 𝑈 _𝐹 𝑈 _𝐶 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

 Ledarskydd

 Isolering

 Isoleringsskydd

 Metallhölje

 Övrigt skydd

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].