Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ chdimoul@auth.gr"

Βερενίκη Γλυκύς
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση Πρόγραμμα Δια Βίου Μάθησης ΑΕΙ για την Επικαιροποίηση Γνώσεων Αποφοίτων ΑΕΙ: Σύγχρονες Εξελίξεις στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης (5.4) Μετατροπείς AC-DC-AC και καλώδια μεταφοράς HVDC Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ

στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης (5.

2 Γενικά-Διασύνδεση εντός του πάρκου Σήμερα, η ηλεκτρική τάση των γεννητριών είναι ~690V LL Σε κάθε Α/Γ υπάρχει υποσταθμός ανύψωσης 0,69/20kV εως 0,69/36kV Επειδή στα υπεράκτια πάρκα οι αποστάσεις μεταξύ των Α/Γ είναι μεγάλες προτιμώνται για μείωση των απωλειών- οι μεγαλύτερες τάσεις (36kV) Μεγαλύτερες τάσεις Μεγαλύτεροι Μετασχηματιστές Επειδή οι ΜΣ τοποθετούνται στην νασέλα, ή στην βάση του πύργου της Α/Γ, δημιουργείται πρόβλημα Γενικά-Διασύνδεση εντός του πάρκου Σε μικρά υπεράκτια πάρκα (~10-50 ΜW) ή και μεγαλύτερα αλλά σε μικρές αποστάσεις από την στεριά (<10km) προτιμώνται τάσεις των 20kV γιατί οι απώλειες ενέργειας δεν δικαιολογούν το αυξημένο κόστος της υψηλότερης τάσης. Παράδειγμα Χώρα Νο. Α/Γ Ptot, MW Τάση εντός του πάρκου Σουηδία 7 9, kV Δανία kV Δανία kV

πύργου της Α/Γ, δημιουργείται πρόβλημα Γενικά-Διασύνδεση εντός του πάρκου Σε μικρά υπεράκτια πάρκα (~10-50 ΜW) ή και μεγαλύτερα αλλά σε μικρές αποστάσεις από την στεριά (<10km) προτιμώνται τάσεις των

3 Η διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο μπορεί να γίνει με AC ή DC δίκτυο. Σε μεγάλης ισχύος πάρκα (>20ΜW) η διασύνδεση δ αυτή απαιτεί υποσταθμό υψηλής τάσης (>150kV) Παράδειγμα Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Horns Rev (Δανία), 160MW Υποσταθμός 36/150 kv σε κατασκευή 20x28m που περιλαμβάνει: Ηλεκτρικούς πίνακες στα 36kV Μετασχηματιστή 36/150kV Συστήματα ελέγχου Εφεδρική γεννήτρια με 2x50tn δεξαμενές καυσίμου Πυροσβεστικό σύστημα βασισμένο σε θαλάσσιο νερό Βοηθητικούς χώρους υπηρεσίας και προσωπικού Ελικοδρόμιο Γερανό Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Horns Rev (Δανία), 160MW ΥΣ 36/150kV

(Δανία), 160MW Υποσταθμός 36/150 kv σε κατασκευή 20x28m που περιλαμβάνει: Ηλεκτρικούς πίνακες στα 36kV Μετασχηματιστή 36/150kV Συστήματα

4 Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Horns Rev (Δανία), 160MW ΥΣ 36/150kV Καλώδια 36kV Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Horns Rev (Δανία), 160MW Στροβιλισμός αέρα με ομίχλη.

5 Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων (>250MW) OSS: offshore substation Οι υποσταθμοί OSS μπορεί να είναι AC ή DC. Ένα σφάλμα σε αυτό το καλώδιο θα θέσει εκτός λειτουργίας (για μήνες) όλο το πάρκο. Στο σύστημα αυτό υπάρχουν δύο συνδέσεις προς το ηπειρωτικό δίκτυο. Αυξημένη αξιοπιστία αλλά και κόστος. Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με AC SVC: Static VAR compensator XLPE: δικτυωμένο πολυαιθυλένιο

Στο σύστημα αυτό υπάρχουν δύο συνδέσεις προς το ηπειρωτικό δίκτυο.

6 Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με AC Η απαίτηση για αντιστάθμιση της άεργης ισχύος αυξάνει με την απόσταση από το ηπειρωτικό δίκτυο. Σε αποστάσεις >100km μπορεί να απαιτείται αντιστάθμιση και στους δύο υποσταθμούς. Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με AC Τα καλώδια των 150kV έχουν ικανότητα ~200MW Στα 230kV, μπορούν να μεταφερθούν 350MW σε 100km με απώλειες 4,3%, ή, 300MW σε 200km με απώλειες 7,3%.

Σε αποστάσεις >100km μπορεί να απαιτείται αντιστάθμιση και στους δύο υποσταθμούς.

7 Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με AC Το πρόβλημα με την AC διασύνδεση είναι ότι οι απώλειες αυξάνονται σημαντικά με την αύξηση του μεγέθους του πάρκου και της απόστασης από την στεριά. Η αύξηση της τάσης θα μειώσει τις απώλειες αλλά θα αυξήσει το κόστος του εξοπλισμού συμπεριλαμβανομένου και του καλωδίου Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με DC. Μετατροπείς με thyristors F: Filter, HFF: High-frequency filter, STATCOM: Static Compensator

Η αύξηση της τάσης θα μειώσει τις απώλειες αλλά θα αυξήσει το κόστος του εξοπλισμού συμπεριλαμβανομένου και

8 Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με DC. Μετατροπείς με thyristors STATCOM για ρύθμιση της άεργης ισχύος αλλά και υποβοήθηση της μετάβασης των thyristors σε χαμηλή μεταφερόμενη ισχύ. Ανορθωτής 12 παλμών στο offshore μέρος DC καλώδιο Αντιστροφέας και ΜΣ στο onshore μέρος. Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με DC. Μετατροπείς με thyristors (Line Commutated Converters, LCC) Πλεονέκτημα της διάταξης: Απώλειες μεταφοράς (μαζί με τις απώλειες των μετατροπέων) 2-3% της μεταφερόμενης ισχύος.

μεταφερόμενη ισχύ. Ανορθωτής 12 παλμών στο offshore μέρος DC καλώδιο Αντιστροφέας και ΜΣ στο onshore μέρος.

9 Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με DC. Μετατροπείς με VSC (Voltage Source Converters) Οι μετατροπείς εδώ λειτουργούν σε διακοπτικές συχνότητες ~2kHz. Μπορεί να γίνει ανεξάρτητος έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος και των αρμονικών. Επομένως δεν απαιτούνται φίλτρα. Οι απώλειες εδώ είναι μεγαλύτερες σε σχέση με τους οδηγούμενους από το δίκτυο μετατροπείς. Διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων με DC. Μετατροπείς με VSC (Voltage Source Converters) Μια διπολική DC γραμμή (δύο καλώδια) μπορεί να μεταφέρει ~600ΜW στα ±150kV. Περιοριστικός παράγοντας είναι η μέγιστη ισχύς των μετατροπέων (~500 MVA)

Μπορεί να γίνει ανεξάρτητος έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος και των αρμονικών. Επομένως δεν απαιτούνται φίλτρα.

10 Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-σύγκριση μεθόδων Απαιτούμενος αριθμός καλωδίων ανάλογα με την μεταφερόμενη ισχύ συναρτήσει του τρόπου διασύνδεσης P, MW (100km απόσταση) HVAC LCC HVDC VSC HVDC (150kV) 150 kv διπολική 450kV μονοπολική 300MW μετατροπέας, διπολική 500MW μετατροπέας, διπολική Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-απώλειες Στην AC διασύνδεση, οι απώλειες δημιουργούνται στα καλώδια διασύνδεσης. δ Στην DC διασύνδεση οι απώλειες δημιουργούνται κυρίως στους μετατροπείς. Εά ή λ δί ξ ά ί ή Χ ώλ DC Εάν το μήκος των καλωδίων ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή Χ, οι απώλειες με DC διασύνδεση γίνονται μικρότερες. Η απόσταση Χ είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, κυρίως της μεταφερόμενης ισχύος και του τρόπου διασύνδεσης. Το Χ είναι μεγαλύτερο για VSC σε σχέση με LCC. Για πάρκο 200MW, Χ~100km για VSC HVDC.

ηπειρωτικό δίκτυο-απώλειες Στην AC διασύνδεση, οι απώλειες δημιουργούνται στα καλώδια διασύνδεσης. δ Στην DC διασύνδεση οι απώλειες δημιουργούνται κυρίως στους μετατροπείς.

11 Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-μέγεθος offshore υποσταθμού Για DC διασύνδεση το γεωμετρικό μέγεθος του υποσταθμού είναι περίπου 3 φορές μεγαλύτερο σε σχέση με την AC διασύνδεση λόγω των ac-dc μετατροπέων. Κατά την LCC διασύνδεση απαιτείται μεγαλύτερος χώρος σε σχέση με την VSC επειδή οι αντίστοιχοι μετατροπείς και τα φίλτρα είναι πιο ογκώδη. Προσεγγιστικά για μεταφερόμενη ισχύ 300MW με VSC διασύνδεση, ο απαιτούμενος χώρος του offshore υποσταθμού είναι 30x40x20m(ΠxΜxY). Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-επίδραση στο δίκτυο Το μεγάλο μέγεθος των υπεράκτιων αιολικών πάρκων έχει επίδραση στην ευσταθή λειτουργία του ηπειρωτικού ηλεκτρικού δικτύου. Θεσπίζονται κανονισμοί που καθορίζουν τα όρια λειτουργίας αλλά και τον έλεγχο του υπεράκτιου πάρκου. Παράδειγμα: Σε περίπτωση σφάλματος στο ηπειρωτικό δίκτυο, το πάρκο θα πρέπει να μπορεί να μειώσει την ισχύ του κατά 20% σε σχέση με την ονομαστική του μέσα σε 2s. Μετά την εξάλειψη του σφάλματος, η ισχύς του πάρκου θα πρέπει να επανέλθει στo προηγούμενο επίπεδο μέσα σε 30s. Η VSC διασύνδεση επιτρέπει την ρύθμιση της ενεργού και αέργου ισχύος. Αυτό είναι επιθυμητό και πολλές φορές επιβάλλεται από τον λειτουργό του δικτύου. Στην ac και στην LCC dc αυτό είναι πολύ δύσκολο και απαιτεί επιπρόσθετο εξοπλισμό (SVC ή STATCOM).

Προσεγγιστικά για μεταφερόμενη ισχύ 300MW με VSC διασύνδεση, ο απαιτούμενος χώρος του offshore υποσταθμού είναι 30x40x20m(ΠxΜxY).

12 Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-οικονομική σύγκριση Για την σύγκριση της dc και ac διασύνδεσης πρέπει να αναφερθούμε στην ίδια μεταφερόμενη μέγιστη ισχύ πάρκου. Κόστος o Επένδυσης o Λειτουργικό (περιλαμβάνει και τις απώλειες) Το κόστος επένδυσης είναι συνάρτηση της ισχύος, του λειτουργικού κόστους (απώλειες) και της απόστασης από το ηπειρωτικό δίκτυο. Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-οικονομική σύγκριση Προτιμητέα (κατά προσέγγιση) λύση διασύνδεσης συναρτήσει της ισχύος του Offshore πάρκου και της απόστασης* από το ηπειρωτικό δίκτυο. (*)Η απόσταση μπορεί να περιλαμβάνει και αρκετά km όδευσης στο ηπειρωτικό μέρος μέχρι να βρεθεί ισχυρό σημείο του δικτύου. Οι λύσεις του διαγράμματος ς γρ μμ ς είναι μόνον προσεγγιστικές. Κάθε περίπτωση απαιτεί ιδιαίτερη μελέτη.

Διασύνδεση με το ηπειρωτικό δίκτυο-οικονομική σύγκριση Προτιμητέα (κατά προσέγγιση) λύση διασύνδεσης συναρτήσει της ισχύος του Offshore πάρκου και της απόστασης* από το ηπειρωτικό δίκτυο.

13 Παράδειγμα διασύνδεσης και ελέγχου με το ηπειρωτικό δίκτυο AC δίκτυο πάρκου Κλάδοι dc μεταφοράς Ηπειρωτικό AC δίκτυο Ομάδα Α/Γ Παράδειγμα διασύνδεσης και ελέγχου με το ηπειρωτικό δίκτυο Ο έλεγχος αυτού του μετατροπέα αποσκοπεί στην μεταφορά της διαθέσιμης ενεργού ισχύος στο ηπειρωτικό δίκτυο. Ο έλεγχος επιτυγχάνεται εξασφαλίζοντας την σταθερότητα της dc τάσης Ε gsc Μπορεί να καθορίσει και την μεταφορά άεργης ισχύος. Περιορισμός είναι το μέγιστο επιτρεπτό ρεύμα του μετατροπέα.

μεταφορά της διαθέσιμης ενεργού ισχύος στο ηπειρωτικό δίκτυο.

14 Παράδειγμα διασύνδεσης και ελέγχου με το ηπειρωτικό δίκτυο Ο έλεγχος αυτού του μετατροπέα αποσκοπεί στην διατήρηση σταθερής τάσης και ελεγχόμενης συχνότητας στο ac δίκτυο του αιολικού πάρκου. Η Συχνότητα αποτελεί σήμα αναφοράς για την ρύθμιση της ισχύος των Α/Γ. Μέσω της συχνότητας ρυθμίζεται και η μεταφορά ισχύος από τον ένα dc κλάδο στον άλλο μέσω του ac link καλωδίου. Παράδειγμα διασύνδεσης και ελέγχου με το ηπειρωτικό δίκτυο Ο έλεγχος αυτού του μετατροπέα αποσκοπεί στον περιορισμό της ισχύος κάθε Α/Γ σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο ac ή dc δίκτυο. Η Συχνότητα αποτελεί σήμα αναφοράς για την ρύθμιση της ισχύος των Α/Γ.

Μέσω της συχνότητας ρυθμίζεται και η μεταφορά ισχύος από τον ένα dc κλάδο στον άλλο μέσω του ac link καλωδίου.

Σχετικά έγγραφα

Συνέδριο Οικονοµικού Πανεπιστηµίου Αθηνών «Αιολική Ενέργεια-Ανάπτυξη και Περιβάλλον» 7&8 Φεβρουαρίου 2009 Ερέτρια Εύβοια Εισήγηση: ίκτυα ιασύνδεσης (Νότιος Εύβοια) Εισηγητής: ΕυάγγελοςΚοροβέσης Γενικός