Dette indlæg er alene udtryk for skribentens egen holdning.

Stigende andel af effektomformere udfordrer stabiliteten af elnettet

Vindmølle, vindmøller, transformer
Illustration: pedrosala/Bigstock. Se større version
Effektomformere genererer uønskede strømme ved mange forskellige frekvenser, som påvirker og interagerer med det omkringliggende elsystem. I dette synspunkt giver ph.d. Behnam Nouri sammen med sin hovedvejleder Poul Sørensen, der er professor ved DTU Vindenergi, og medvejleder Lukasz Kocewiak, R&D Manager hos Ørsted, et indblik i afhandlingen, der har set nærmere på netop denne problematik.
Vidensindlæg13. januar kl. 05:00

Fælles for vindmøller og solcelleanlæg er, at de tilsluttes elnettet via elektroniske effektomformere, som leverer vekselstrømme ud på vekselspændingsnettet, mens konventionelle kraftværker anvender direkte tilsluttede synkrongeneratorer til at generere vekselstrøm.

Samtidig er også jævnstrømsforbindelser og andet udstyr på elnettet tilsluttet via elektroniske effektomformere, ligesom en stadig større del af elforbruget foregår via effektelektroniske strømforsyninger.

Derfor har vi i dag et elnet, som domineres af stadigt stigende andele af effektomformere, og stadigt faldende andele af synkrongeneratorer. 

Effektomformere har mange fordele, fordi det giver mulighed for meget hurtig og avanceret styring, hvilket blandt andet gør, at en vindmølle kan forblive forbundet til elnettet under særlig kritiske fejl, hvor konventionelle kraftværker med synkrongeneratorer vil koble fra og lukke ned for at beskytte kraftværket.

Men der er også en række udfordringer for at sikre en fortsat stabil elforsyning med en stadig stigende andel af effektomformere i systemet.

Uønskede frekvenser

Behnam Nouris har i sin PhD taget fat på en af disse udfordringer: At effektomformere – ud over de ønskede sinusformede 50Hz (eller 60 Hz f.eks. i USA) vekselstrømme – også genererer uønskede strømme ved mange andre frekvenser, og at disse uønskede strømme påvirker og interagerer med det omkringliggende elsystem. 

Den grundlæggende årsag til, at effektomformere udsender strømme ved mange frekvenser, er, at de danner diskontinuerte spændinger ved at tænde og slukke for elektroniske halvlederkontakter, hvilket sker med en meget høj skiftefrekvens – typisk over 2 kHz.

Den diskontinuerte spænding filtreres derefter, så 50Hz indholdet bevares, mens de andre frekvenser begrænses. I modsætning hertil inducerer synkrongeneratorer en kontinuert spænding, som er tilnærmelsesvis sinusformet. 

Disse strømme ved uønskede frekvenser er både heltals-harmoniske overtoner til de 50 Hz – altså for eksempel 5. harmoniske ved 250Hz og 7. harmoniske ved 350Hz, men også såkaldte interharmoniske frekvenser og frekvenser under 50Hz. De uønskede frekvenser vekselvirker både med omformerens egen styring og med andre effektomformere på elnettet, så derfor er det kompliceret at kvantificere dem. 

Afgørende, energi- og netselskaber har styr på effektomformere og elnet

Ud over vekselvirkning mellem effektomformere og deres styringer, er der en række resonanser i elnettet, som forstærker påvirkningen, og den udfordring er også tiltagende, fordi det meste af elnettet i dag er kabellagt.

Disse kabler har en høj kapacitans sammenlignet med luftledninger, og der er risiko for at disse kapacitanser forårsager resonanser med de reaktanser, som findes overalt i elnettet – eksempelvis i transformere, motorer og kabler. 

Derfor er det helt afgørende, at energiselskaber og netselskaber har styr på, hvordan effektomformere og elnet opfører sig ved alle frekvenser – og ikke kun ved de 50Hz sinusformede spændinger.

Konsekvensen ved de afvigende frekvenser er i første omgang en forringelse af den elkvalitet, som andre elforbrugere skal tilpasse sig. For at sikre, at udstyr tilkoblet elnettet fungerer og ikke tager skade, stilles der krav til, hvor meget støj, der må være ved de uønskede frekvenser. Men ultimativt kan kombinationen af effektomformere og resonanser i nettet forårsage, at elnettet bliver ustabilt og derfor lukker ned, hvis ikke der er styr på det. 

Netselskaberne er ansvarlige for både elkvalitet og stabil forsyning uden nedlukning. Netselskaberne foretager derfor løbende stabilitetsanalyser baseret på modeller for elnet, produktionsenheder og forbrugsenheder.

Men i dag er det meste stabilitetsanalyse baseret på analyser af den bærende 50Hz grundfrekvens, og selv om der findes metoder til at beregne på elkvaliteten for andre frekvenser, så er disse metoder meget forenklede og usikre. Derfor er der behov for nye typer af modeller, som Behnam har bidraget til at udvikle for vindmøller.

Generelle modeller for begge typer vindmøller

Vindmøller grupperes normalt i fire typer afhængig af, hvordan de nettilsluttes. Nutidens vindmøller er enten type 3, hvor omformeren er tilsluttes rotoren på en asynkrongenerator, mens statoren er direkte tilsluttet nettet; eller type 4, hvor al effekten til nettet går igennem omformeren.

Behnam har foreslået generelle modeller for begge typer vindmøller, hvor modellering af type 3 er den mest komplicerede, fordi frekvensindholdet afhænger af, hvor hurtigt møllen roterer, hvilket varierer for at vindmøllen kan producere mest muligt ved varierende vindhastigheder.

For at netoperatører og energiselskaber kan have tillid til at anvende modellerne, er det helt afgørende at modellerne verificeres, hvilket sker ved at sammenligne modelresultater med målinger.

Derfor arbejder IEC (International Electrotechnical Commission, red.) løbende med at forbedre standarder for test af vindmøller og deres komponenter, herunder effektomformere.

Behnam har også bidraget til denne standardisering og har under et tre måneders udlandsophold arbejdet sammen med Fraunhofer IWES i Bremerhaven om anvendelse af deres avancerede testbænke til at gennemføre den type test af de såkaldte drivtog, som omformer den mekaniske effekt til elektricitet i vindmøllerne – det vil sige det system af mekaniske og elektriske komponenter, som er placeret i vindmøllens kabine.

Desuden har Behnam brugt data fra DTU's type 3 forskningsmølle på Risø campus og fra test af effektomformere i National Renewable Energy Laboratory (NREL) i USA.

Har du lyst til at skrive et synspunkt til et af Ingeniørens PRO-Medier? Send dit udkast til redaktionen på pro-sekretariat@ing.dk.

 

Ingen kommentarer endnu.  Start debatten
Debatten
Log ind for at deltage i den videnskabelige debat.