Ny metode «bremser» mer kraft ut av turbin og generator

Økt fortjeneste og mindre slitasje. Det kan bli gevinsten av en ny metode for optimal kontroll av vannkraftverk med variabel hastighet, når kraftverkene i større grad må bidra til å balansere raske endringer i produksjon og strømforbruk i kraftsystemet.
 

Vannkrafta må forandre seg for å tilpasse seg et kraftsystem med mer sol- og vindkraft. Når vi kutter fossil energi og kjernekraft, og går over til mer bærekraftig energi, øker faren for at kraftsystemet blir mindre stabilt. Det gir større risiko for strømbrudd over store deler av landet. I tillegg må kanskje kapasiteten på overføringslinjer reduseres, noe som fører til enda større prisvariasjoner. 

Lagres på lav pris og brukes på høy pris

Med mer uregulert kraft som sol og vind i kraftsystemet, må vannkrafta endre produksjonen så den kan trå til oftere og raskere. I tillegg blir pumpekraft enda mer aktuelt. Det vil si å pumpe vann tilbake i magasinene når strømprisen er lav, slik at vannet kan lagres og brukes når prisen eller behovet er høyt. 
– Dette fører til et ønske om å drive vannkraftverkene mer variert, men den variasjonen har også en pris: For eksempel mer slitasje eller større usikkerhet. En løsning er ny teknologi som gjør at turbiner og generatorer kan endre hastighet i stedet for dagens løsning som tvinger kraftproduksjonen til å kjøre på ett turtall, sier Tor Inge Reigstad i HydroCen.  

Nettet må stabiliseres i løpet av sekunder 

I dag er det nesten ingen store norske kraftverk som opererer med variabel hastighet, men de fleste tror det blir en forandring på det etter hvert som teknologien utvikler seg. I doktorgraden sin har Reigstad tatt et viktig steg mot å realisere dette.

Han har utviklet et system som maksimerer (eller optimaliserer) hvor mye vannkraftverk med variabel hastighet kan bidra til å stabilisere frekvensen. Hvis frekvensen i det norske og europeiske kraftnettet bikker under 49,9 Hz eller over 50,1 Hz kan vi få strømbrudd og andre problemer. Det står om sekunder for å stabilisere nettet før strømmen går.

Bildetekst: I motsetning til konvensjonelle vannkraftanlegg, er vil vannkraftverk med variabel hastighet og virtuell treghetsregulering være raske nok til å levere til tjenesten «fast frequency reserves» (FFR) i det nordiske markedet. I dette markedet er det krav om at leverandørene skal kunne aktivere reservene innen 1-2 sekund, noe som er raskere enn noen norske vannkraftanlegg greier i dag.  

Utnytter «bremsing» for å få mer kraft

En løsning kan være at vannkraftprodusenter kan drive kraftverkene med variabel hastighet og levere «fast frequency reserves» (FFR) til energisystemet. Det betyr at de på mindre enn ett til to sekunder kan håndtere ubalanser ved å regulere produksjonen sin og dermed frekvensen i systemet. Dette kan gjøres ved å bruke en frekvensomformer sammen med generatoren og et digitalt reguleringssystem med «virtuell treghet».

– Det går ut på at kraftverket produserer mer kraft kortvarig ved å bremse generatoren. Da produseres strøm fra vannet som normalt, mens det samtidig også produseres energi fra bremsingen. Det blir litt som at en elbil lader batteriet når den bremser, forklarer Reigstad.

Kraftverket har dermed kjøpt seg litt tid til å åpne lukene og sørge for at mer vann går gjennom turbinen og dermed kan levere mye strøm raskt. 

Kan tjene på å tilby superrask strøm 

Vanligvis fungerer vannkraftverk slik at en liten frekvensendring i strømnettet skaper en tilsvarende liten endring i hastigheten på turbinen. Ved å bruke virtuell treghetsregulering kan frekvensomformeren sørge for at hastigheten på turbinen endrer seg mer enn denne frekvensendringen i nettet. Dermed har vi mer energi tilgjengelig for å stabilisere strømnettet. 

Med dette systemet kan kraftverket endre produksjonen på millisekunder ved å hente eller levere energi fra de roterende massene. Hastigheten på turbin og generator vil da endre seg, men kan reguleres tilbake til den hastigheten som gir best virkningsgrad ved å styre vannmengden gjennom turbinen.

Når det blir mer uregulert kraft på markedet øker behovet for tjenester som kan garantere et stabilt strømnett, og norske kraftprodusenter kan bruke dette systemet for å sikre at strømnettet holder seg stabilt når de skifter mellom uregulert/regulert kraft. 

Bildetekst: Tor Inge Reigstad i SmartGridlaboratoriet med test-modellen av en generator-rotor.

Kan tas i bruk av vannkraftbransjen

Det foreslåtte reguleringssystemet kan implementeres i kontrollsystemet for vannkraftverk som bygges eller oppgraderes til variabel drift. Men det kan også brukes i dagens anlegg for å øke fortjeneste og redusere slitasje på kraftverket. Det kan blant annet bidra til å redusere trykksvingninger i vannveiene og øke ytelsen til hastighetsregulatoren til turbinen.  

Kontakt:

Tor Inge Reigstad