I dette holdningsstof udtrykker forfatteren sin personlige holdning om emnet.

Stigende andel af effektomformere udfordrer stabiliteten af elnettet

11 kommentarer.  Hop til debatten
Vindmølle, vindmøller, transformer
Illustration: pedrosala/Bigstock.
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
errorÆldre end 30 dage

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.

Artiklen fortsætter efter annoncen

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

Fagligt talt

Et nyt artikelformat i Ingeniøren og Teknologiens Mediehus' øvrige medier, hvor forskere og specialiserede fagfolk - nøgternt - formidler og forklarer en specifikt teknisk eller naturvidenskabelig problemstilling samt ny viden om tilhørende løsninger. Formålet er at give vores læsere mere viden om forskning og udvikling inden for deep tech eller deep science ved siden af den journalistiske behandling af tekniske problematikker. Faglig talt kan indeholde faglige vurderinger, men er fri af partipolitiske synspunkter.

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. 

Artiklen fortsætter efter annoncen

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.

 

11 kommentarer.  Hop til debatten
Debatten
Log ind for at deltage i debatten.
settingsDebatindstillinger
6
24. januar kl. 09:29

Spørgsmål: Overskiften taler om stabilitet af nettet og indholdet omtaler harmoniske. Det virker uklart, hvordan stabilitet og harmoniske har en korrelation her ? Jeg har længe ledt efter en dokumentation for korrelationen mellem et højt indhold af harmoniske (eller andre frekvenser) og komponentlevetid som f.eks. transformere. Kan nogen hjælpe med referencer til f.eks. distributionstransformeres levetid i forhold til harmoniske strømbelastninger ? Jeg har selv flere steder på 10kV nettet målt strøm-THD over 50%, men hvad er konsekvensen ud over energitab ?

7
24. januar kl. 23:08

Stabiliteten og de harmoniske er begge påvirket af den impedans som converterne ser ud i nettet, og hvilken impedans converteren selv har. Ved en resonans så kan den lille harmoniske emission fra en converter ende i en selvforstærkende loop og få converteren til at lukke ned.

I forhold til harmoniske i transformere, så ville jeg skyde på du skal de-rate dem i forhold til den harmoniske strøm ala: https://www.cired-repository.org/bitstream/handle/20.500.12455/223/CIRED%202019%20-%20965.pdf?sequence=1&isAllowed=yEllers risikerer du en markant lavere levetid på transformeren. Jeg har hørt nogle omtale tommelfingerregler for den formindskede levetid, men jeg kan ikke lige finde nogle kilder.

Strøm THD'en i sig selv er ikke nødvendigvis et problem, hvis det er i forhold til en meget lille 50Hz strøm. Hvis det er en betydelig harmonisk strøm så kan den ødelægge komponenter både i nettet og hos forbrugere/producenter.

8
25. januar kl. 16:15

Tak for den gode reference. Imidlertid bygger dataene i referencen på et tyndt datagrundlag. Der er velsagtens 2 udfordringer mht harmoniske, 1) reguleringsstabiliteten for de decentrale generatorer 2) Stress på komponenter til eldistribution og forbrugsapparater. Det virker til at være et meget relevant område at afdække, men hvor der er meget lidt facts og forskning. Vi har lige nu udbudt et kandidatprojekt på DTU, i håb om at finde dybere med i THD-betydningen. (Ja vi har en kommerciel interesse fra min virksomheds side - men vel også ok).

9
26. januar kl. 12:53

Ligger jeres forslag i DTU's projektbank? I kan jo enten modellere det i MagNet eller comsol og se på de teoretiske tab/temperaturer i en distributionstransformer. Eller også hvis i har adgang til en, så kan i sætte den op i højspændingshallen i 329 og bruge 4-kvadrantforstærkeren. Den skulle gerne kunne lave 50Hz med den ene oscillator, og en harmonisk med den anden.

10
27. januar kl. 08:47

Tak for tippet. Projektet er udbudt under prof. Joachim Holbøl.

4
23. januar kl. 11:12

Hvad sker der så med det overskydende strøm, som ikke går i elnettet?

3
23. januar kl. 08:16

Undskyld men gælder CE-regulativet ikke på den del af elnettet?

Vil i gerne have at det kommer CE-regulativ for højspændingsudstyr er det bare at sige til, EU elsker at lave den slags og så bliver det producenternes hovedpine.

5
23. januar kl. 13:40

Undskyld men gælder CE-regulativet ikke på den del af elnettet?

Det virker muligvis som om der ikke er nogen regler, og at vindmøller bare bliver koblet på nettet uden at analysere konsekvenserne. Det er langt fra tilfældet.. De sidste 20 år har man ved installation af større parker både foretaget analyse af om møllerne kan 'holde' til det specifikke vindklima, og hvorledes at de enkelte møller, og infrastrukturen i parken interagere med resten af elnettet. OEM'erne levere simulerings modeller til brug for dette, nogle af dem er windows DLL'er der er genereret ud fra den samme kode som køre møllen. Kunderne bruger så dette til at dokumentere over for netselvskaberne/TSO at den valgte løsning ikke påvirker stabiliteten af nettet, samtidig er der også en optimering idet at kunderne gerne vil bruge så få penge som muligt på BoP (substationer, filtre, kabler, statcoms, etc). Jeg ser denne simulering som en snebold der bliver større og større, idet den skal modellere flere og flere effekter af interaktionen med elnettet. Idag har vi muligvis en model der dækker parkerne ved Horsrev, og deres forbindelse til 400kV ringforbindelsen i Jylland, samt de store kraftværker. Denne simulerings model dækker frekvensområdet fra minutter (frekvensstabilitet) til 50Hz, hvis du skal til at simulere harmoniske så skal du til at skaffe data på alle eksisterende komponenter op til måske 11' harmoniske.

Der er regler for emission af harmoniske i 'Point of Common Coubling', det er muligvis denne standard: EN 50178. De regler der er gældende for forbruger elektronik, er muligvis ikke tilstrækkelig til at forhindre harmoniske problemer, hvis de er tilstrækkelig mange af den samme type på nettet. I en højvinds situation bliver 90% af effekten genereret af vind, hvor det er ganske få typer frekvens omformere som producere næsten alt effekt. Dermed har de samme 'harmoniske signatur'. På DFIG møller som har mindre effektelektronik, er der en kobling mellem den roterende mekanik, og de harmoniske. Det betyder at møller som køre i næsten samme omdrejningstal/effekt arbejdspunkt, bliver låst til at køre med samme omdrejnings tal.

Et andet problem mht. om 'CE-regulativet gælder den del af elnettet' er at transmissions nettet ikke overholder de krav der er til distributions nettet :-) Små switchmode strømforsyninger kan køre inden for en stor spændings tolerance, men større 'maskiner' mv. kan kun køre inden for +-10% tolerance. Prøv at starte en normal divisioneret asynkron motor med 0.8pu (20% underspænding), der går ikke mange sekunder før termorelæet tripper. Der er krav om at en vindmølle skal forsætte driften selvom spændingen stiger til 1.4pu, eller falder til næsten 0pu i et par sekunder. Det skaber en meget dynamisk situation for kontrol systemet, stort set alt modmoment forsvinder fra generatoren, og 'turbinen' vil overspeede inden for få sekunder medmindre der indkobles en dumpload til at absorbere alt overskydende effekt. Desuden vil alle hjælpe systemer (controlsystem, Krøjning, pitch, smøre systemer, køle systemer) falde ud, de skal så enten skifte til backup forsyning, eller have en alternativ drifts strategi hvor de kan undværes i nogle sekunder.https://www.researchgate.net/figure/LVRT-requirements-in-various-grid-codes_fig2_349493557https://www.esig.energy/wp-content/uploads/2018/05/Comparison_of_LVRT_and_HVRT_requirements.png

11
4. februar kl. 17:47

Beklager mit sene svar her. Jeg er helt enig i at der har været arbejdet med krav for tilslutning af vindmøller til nettet, faktisk også før Danmark lavede verdens første "grid codes" for vindkraft i 1999. Den gang var fokus på at den lokale elkvalitet ikke måtte forstyrres, men med grid codes ser man også på vind i en større sammenhæng. Så det har klart ikke været hensigten at antyde at der ikke er nogen regler, og at kravene ikke er høje allerede. Og faktisk understreger vi at effektomformere har mange fordele, fordi det giver mulighed for meget hurtig og avanceret styring. Men som jeg ser det så er alle problemer ikke løst endnu, og det skyldes ikke mindst at vindkraft er en kæmpe succes, så andelen af vind i elsystemet stiger stadig.

1
22. januar kl. 21:15

Kan man ikke bruge syncron compensatorer til at stabilisere nettet?

2
22. januar kl. 22:37

Jo hvis det er manglende kortslutningseffekt. Hvis det er resonanser så hjælper de ikke, men så kan du enten tune converterne, eller sætte filtre ind.