Titel: Design av elsystem för havsbaserade vindkraftparker, Elforsk rapport 08:14
Författare: Michael Lindgren, David Söderberg, Anton Dahlgren
Utgivare: Elforsk, Vindforsk
Årtal: 2008
Ämnesord: offshore
Sökord: Elsystem, Lillgrund, Lastflödes- och felströmsberäkningar, transienter, modellering
Rapport
Sammanfattning: I denna rapport behandlas design av elsystem for havsbaserade vindkraftparker. Metodiken som beskrivs för designen och de flesta av frågeställningarna som tas upp är generella och kan avvändas även för vindkraftparker placerade på land. En havsbaserad vindkraftpark består av ett stort antal vindkraftverk som ansluts till befintligt elnät via kablar och i de flesta fall även en transformator placerad på en plattform till havs. Ett sådant elsystem är mycket komplext och kombinationen av vindkraftverk med kablar och transformatorer ger upphov till oscillationer i samband med kopplingar av brytare eller vid fel i elnätet. De övergripande målen med rapporten är att beskriva metodiken för design av elsystem för havsbaserade vindkraftparker och att undersöka transienta påkänningar och vad som orsakar dessa.Vid design av elsystem görs stationära beräkningar med modeller som beskriver grundtonsstorheter. Dessa beräkningar genomförs alltid vid design av ett elsystem för en vindkraftpark, och metodiken och verktygen för genomförandet är väl etablerade.
Vid stora havsbaserade vindkraftparker som ansluts via långa kablar bör även dynamiska beräkningar göras i förstudiefasen för att verifiera att designen samverkar på ett stabilt sätt med anslutande nät och att nätägarens och Svenska Kraftnäts krav uppfylls.
Förutom de stationära och dynamiska beräkningarna är det även möjligt att genomföra simuleringar för att studera transienta överspänningar och strömmar som uppstår vid kopplingar av brytare och vid fel i elsystemet. På grund av vindkraftparkers stora komplexitet är sådana simuleringsstudier nödvändiga för att identifiera var i elsystemet de värsta påkänningarna uppstår och för vilka situationer de uppstår. Behovet av att göra sådana simuleringar innan den slutgiltiga designen görs bedöms från fall till fall. Det kan även finnas intresse av att i efterhand, när mer exakta modeller av anläggningen finns tillgängliga, genomföra verifierande simuleringar.
Rapporten belyser transienta fenomen och beskriver lämpliga modeller för simulering av transienter orsakade av felfall och kopplingar av brytare. Rapporten föreslår även indata som bör efterfrågas vid upphandling.
Utöver simuleringsmetodik innehåller rapporten även en beskrivning av de faktorer som påverkar utformningen av en vindkraftparks uppsamlingsnät. Syftet med detta är att ge en bakgrund till varför uppsamlingsnäten ser ut som de gör och att beskriva möjliga alternativa tekniska lösningar. I denna del ingår även praktiska aspekter eftersom dessa har stor betydelse för utformningen av vindkraftparkerna.
För att visa på ett praktiskt exempel beskrivs fyra alternativa uppsamlingsnät för Kriegers flaks vindkraftpark. Resultaten visar att investeringskostnaden och förlusterna i uppsamlingsnätet påverkas kraftigt av om en eller två transformatorplattformar används. Resultaten visar även att plattformens placering har mycket stor inverkan på investeringskostnaden och förlusterna. Dessa resultat visar att det bör vara mest lämpligt med användning av endast en transformatorplattform.
En PSS/E-studie för Kriegers flaks vindkraftpark visar att vindkraftverken måste ha styrbar reaktiv effekt för att uppnå reaktiv effektbalans i anslutningspunkten. Rapporten redovisar att vindkraftverken endast behöver konsumera reaktiv effekt för att uppfylla kravet på reaktiv effektbalans i anslutningspunkten. PSS/E studien redovisar även stationära strömmar, spänningsvariationer och kortslutningsströmmar inom uppsamlingsnätet. Spänningsvariationerna inom uppsamlingsnätet är små men den stationära strömmen för transformatorplattformens brytare är på gränsen till vad som klaras med en 30 kV brytare.
Transienta överspänningar som orsakas av spänningssättning av radialer i Lillgrunds vindkraftpark har simulerats i PSCAD/EMTDC med en standardbrytarmodell och en anpassad vakuumbrytarmodell. Resultaten visar vilka kraftverk som utsätts för högsta spänningarna och att spänningarna är lägre
än de använda designvärdena.
Enligt simuleringar som har genomförts under projektgenomförandet för Lillgrunds vindkraftpark uppstår dimensionerande harmoniska överspänningar inom vindkraftparkens uppsamlingsnät speciellt vid störningar och fel i E.ONs 130 kV nät. Simulering av dessa fall bör inkluderas i en isolationskoordineringsstudie för verifiering av isolationsnivåer för utrustningen och eventuellt för design av överspänningsskydd.
Tabellen nedan summerar de föreslagna beräkningarna och simuleringsstudierna för stora vindkraftparker.
| Projektfas | Aktivitet | Syfte |
|
|
||
| Förstudie
|
Framtagning av alternativa tekniska lösningar | Att finna bästa lösningar ur teknisk och ekonomisk synvinkel. |
| Lastflödes- och kortslutningsberäkningar för anslutande elnätDynamiska simuleringar av samverkan mellan anslutande elnät och vindkraftparken. Generell modell av vindkraftverk används |
Verifiera att vindkraftparken kan anslutas till det befintliga elnätet | |
|
|
||
| Design | Lastflödes- och felströmsberäkningar för uppsamlingsnätet | Ta fram specifikationer för uppsamlingsnät Undersöka behov av extra utrustning för reaktiv effekt |
| Dynamiska simuleringar av samverkan mellan anslutande elnät och vindkraftparken. Dessa simuleringar bör genomföras med specifik modell av aktuellt vindkraftverk | Verifiering av nätägares och SvKs krav | |
| Isolationskoordinering med simulering av transienter | Val av lämplig isolationsnivå enligt IEC standard | |
| Skyddskoordinering | Bestämma skyddsinställningar och verifiera selektivitet | |
|
|
||
| Drift | Uppföljande mätningar | Verifiering av dimensionerande beräkningar och stabil drift |
|
|
||