Elkraft- og energiteknikk · nettilknytningsanalyser · reaktiv effektkapasitet
Kapasitetsstabelen
Skive for skive: den reaktive effekten en modellert havvindpark på 300 MW kan levere i tilknytningspunktet, og hvor den kommer til kort.
Oversikt
Vi modellerte en AC-tilknyttet havvindpark på 300 MW, fra turbinenes omformere via 66 kV-internnettet, transformatorstasjonen til havs og en 60 km lang eksportkabel, og kjørte 107 291 stasjonære lastflytberegninger (104 111 konvergerte) for å kartlegge den reaktive effekten parken kan levere i tilknytningspunktet på land. Hver skive av stabelen er én spenning i tilknytningspunktet, fra 0,875 til 1,100 pu. Hvert løst punkt kontrolleres mot alle grenser i modellen: omformernes grenser for strøm, klemmespenning og DC-mellomkrets, merkeverdiene for kabelen og transformatorene til havs, og den høyeste spenningen 66 kV- og 220 kV-utstyret er dimensjonert for.
Vi kontrollerte stabelen mot en eksempelprofil vi tegnet innenfor rammen i EUs nettkode for tilknytning av produksjonsanlegg (forordning (EU) 2016/631, Art. 21(3)(b)–(c), figur 8 med intervallene i tabell 9, Pmax = 300 MW, turbinenes merkeverdier). Vi krever samme bånd på alle effektnivåer, et valg forordningen overlater til systemoperatøren. Med en fast innkoblet 65 Mvar-reaktor på land kommer stabelen til kort i to områder:
- Ved produksjon på full effekt mangler den reaktiv effekt ved alle spenninger: 20–45 Mvar, begrenset av omformernes grense i DC-mellomkretsen. Underskuddet øker til 57,6 Mvar ved 1,100 pu, der den siste grensen som nås, er 220 kV-samleskinnen til havs ved 245 kV.
- Ved absorpsjon i området 0,875–0,900 pu mangler den opptil 44,4 Mvar ved null effekt, der omformerklemmene når 0,90 pu med trinnkoblerne i endestilling.
Dette er de to hjørnene forordningen selv peker på som kostbare: produksjon ved høy spenning, forbruk ved lav spenning.
Underskuddet ved produksjon skyldes for det meste vår egen reaktor. Uten den oppfyller parken kravet på produksjonssiden overalt; ved 1,100 pu absorberer den faste reaktoren 79 Mvar. Utstyr på samleskinnen i tilknytningspunktet endrer ingenting inne i nettet, fordi den spenningen holdes fast i hver skive, så kompenseringen dimensjoneres som et eksakt siste steg. I tillegg til den faste reaktoren dekker en STATCOM på ±52,4 Mvar begge områdene. Kobles en 125 Mvar-reaktor ut når parken produserer og inn når den absorberer, dekkes de helt uten STATCOM.
Oppsettet er representativt, ikke et reelt prosjekt. Tilknytningspunktet ligger på land, slik det gjør når parken bygger sitt eget eksportsystem. Hvor det ligger, avhenger av landet, og hvilken artikkel som gjelder, følger av det: med tilknytningspunkt på land behandler forordningen parken som en landbasert modul (Art. 23(1)). Forordningen lar også systemoperatøren be kabelens eier om ekstra reaktiv effekt for å dekke eksportkabelen (Art. 21(3)(a)); det gjør ikke profilene våre. Om trinnkoblernes trinn kan regnes med i kapasiteten, avhenger av systemoperatøren, så stabelen er beregnet på begge måter.
Hva vi bygde
- Parken. En modell av en havvindpark på 300 MW:
- 20 × 15 MW-turbiner med fullomformer på fire 66 kV-kabelstrenger;
- to 180 MVA-transformatorer til havs med trinnkoblere for omkobling under last;
- en 80 Mvar-reaktor til havs;
- en 60 km lang 220 kV-eksportkabel i 12 seksjoner.
Kabeldataene er beregnet ut fra kabelgeometrien.
- Omformeren. Hver turbinomformer har tre grenser: strøm, AC-klemmespenning (0,90–1,10 pu) og en grense i DC-mellomkretsen for den indre spenningen, som begrenser leveransen i overmagnetisert drift når klemmespenningen stiger.
- Parametersveipet. Det går over spenningen i tilknytningspunktet, aktiv effekt, 17 trinnstillinger og turbinenes settpunkt for reaktiv effekt. Biseksjon finner hver kant av kapasiteten med en nøyaktighet på 0,01 Mvar per turbin, og for hver kant registreres grensen som bestemmer den.
- Profilkontrollen. Den tester stabelen mot tre eksempelprofiler vi tegnet innenfor rammen i figur 8, med intervallene i tabell 9. Den dimensjonerer reaktoren på land, fast eller koblbar, og STATCOM-en som dekker underskuddene.
- En interaktiv stabel. Du kan:
- bla gjennom spenningsskivene;
- frigjøre eller låse trinnkoblerne;
- bytte reaktoren mellom fast og koblbar;
- endre profilen;
- justere merkeytelsen til STATCOM-en.
Teknologistakk
Python, pandapower (Newton–Raphson-lastflyt), NumPy; three.js for stabelen; en headless nettleser for filmbildene.
Tall
| Tall | Slik målte vi det |
|---|---|
| 107 291 lastflytberegninger, 104 111 konvergerte | Sveipet for tilknytningspunktet på land: 19 spenninger × 11 effektnivåer × 17 trinnstillinger × 13 eller 25 settpunkter for reaktiv effekt, pluss biseksjonstrinnene ved hver kant. De 3 180 som ikke konvergerte, regnes som utenfor grensene. Ingen av kantene ble bestemt av et ikke-konvergert punkt. |
| 211 s | Veggklokketid for sveipet med 5 prosesser på en bærbar M1 Pro-maskin (omtrent 10 ms per lastflyt per prosess). |
| 169 Mvar | Ladeeffekten til den 60 km lange eksportkabelen ved 220 kV, regnet for hånd: U²·ω·C·l med C = 184,9 nF/km fra kabelgeometrien. Matet fra den ene enden med den andre enden åpen genererer kabelen 170,1 Mvar, både i den eksakte løsningen med fordelte parametere og i modellen vår med 12 seksjoner. |
| 57,6 Mvar underskudd (produksjon) | Det største underskuddet i overmagnetisert drift: 1,100 pu, full effekt, med 65 Mvar-reaktoren på land fast innkoblet. Den siste grensen som nås, er 220 kV-samleskinnen til havs ved 245 kV. Frie trinnkoblere, eksempelprofil A. |
| 44,4 Mvar underskudd (absorpsjon) | Det største underskuddet i undermagnetisert drift: 0,875 pu, null effekt. Omformerklemmene ligger på 0,90 pu og trinnkoblerne i endestilling. Samme forutsetninger. |
| ±52,4 Mvar | Merkeytelsen ved 1,0 pu for en STATCOM som dekker alle underskudd mot profil A med frie trinnkoblere og 65 Mvar-reaktoren fast innkoblet. Den er det største underskuddet delt på tilhørende spenning, fordi en strømbegrenset STATCOM leverer merkeytelsen ganget med spenningen (vi antar merkestrøm opp til 1,10 pu). |
| 125 Mvar, koblbar | En bryterkoblet reaktor på land (utkoblet ved produksjon, innkoblet ved absorpsjon) som dekker alle underskudd mot profilene A, B og C med frie trinnkoblere og uten STATCOM. Det er den minste størrelsen i trinn på 5 Mvar som klarer det. |
| 177,4 Mvar | STATCOM-ens merkeytelse med trinnkoblerne låst i midtstilling (fast reaktor). Selv da står tre driftspunkter udekket: ved 0,875–0,900 pu kan omformerne ikke levere full effekt i det hele tatt. |
| 11,1 og 33,3 Mvar | STATCOM-ens merkeytelse for eksempelprofilene B (avlastede hjørner) og C (±0,33-bånd), med fast reaktor og frie trinnkoblere. |
| 54,7 Mvar | Samme kontroll med tilknytningspunktet på 220 kV-samleskinnen til havs i stedet, som ved et knutepunkt til havs eid av systemoperatøren. Da ligger eksportkabelen og begge reaktorene utenfor parken, og STATCOM-en ville stått til havs (106 039 lastflytberegninger til). Art. 25(5) og tabell 11 gjelder; for Kontinental-Europa har tabell 11 de samme grensene som tabell 9. |
| 7,0 MW | Tap fra turbinklemmene til tilknytningspunktet ved full effekt, 1,000 pu, turbinene på null reaktiv effekt, trinnkoblerne i midtstilling (293,0 MW levert). |
| 0,0000002 Mvar | Største avvik i reaktiv effekt i tilknytningspunktet mellom lastflytmotoren og vår egen Newton–Raphson-løser, skrevet ut fra de samme dokumenterte dataene, i 60 tilfeldige driftspunkter. Dette kontrollerer koden, ikke fysikken. |
Alle tall er stasjonære resultater fra vår modell av en representativ park. De er ikke en samsvarsvurdering.
Stillbilder
Prøv det live
En interaktiv visning som kjører i nettleseren din. Ingenting lastes før du åpner den.
