Optimal kontroll for variabel hastighet

Vannkrafta må forandre seg for å tilpasse seg et kraftsystem med mer sol- og vindkraft. En ny metode for optimal kontroll av vannkraftverk med variabel hastighet kan bidra til å øke fortjenesten og redusere slitasje når kraftverkene må i større grad bidra til å balansere raske endringer i produksjon og last i kraftsystemet. 

Når vi kutter fossil energi og kjernekraft, og går over til et mer bærekraftig energisystem er det fare for å få et kraftsystem som er mindre stabilt, med større fare for utfall over store deler av landet og større prisvariasjoner. 

Her kommer vannkrafta inn med to viktige egenskaper: Lagringskapasitet og svingmasse.

Svingmasse betyr at vannkrafta til enhver tid har store krefter i sving – bokstavelig talt. Et solcellepanel har for eksempel null svingmasse, og det blir nesten som en på-/av bryter når sola skinner og ikke. 

I et vannkraftverk er det derimot en turbin på flere hundre tonn som roterer, og det tar tid å forandre hastigheten på den. Den tregheten er faktisk en av nøklene til et stabilt kraftsystem, fordi den gjør at hjulene (bokstavelig talt) alltid er i gang og blir en buffer som sørger for en jevn frekvens på 50 Hertz (Hz) i kraftsystemet. Denne frekvensreguleringen er det som gjør kraftsystemet vårt stabilt, slik at vi sjelden mister strømmen i disse dager, og den kan tjenesten kan leveres av vannkraft i et fornybart energisystem.

Men når det kommer mer uregulert kraft (sol og vind) inn i energisystemet, må vannkrafta endre produksjonen oftere og raskere. I tillegg blir pumpekraft nå et enda mer aktuelt tema. Da pumper man vann tilbake i magasinene når strømprisen er lav, slik at vannet kan lagres og brukes når prisen eller behovet er høyt. Alt dette fører til mer variasjon i driften av vannkraftverkene, og kan føre til mer slitasje og usikkerhet som igjen krever inntekter fra systemtjenester som veier opp for det.

Kan tjene på å tilby stabilitet 

Gjennom forskningen sin har Tor Inge Reigstad utviklet et nytt reguleringssystem for vannkraftverk med variabel hastighet, som vil forbedre frekvensstabiliteten i systemet og øke dempingen av effektoscillasjoner. I tilfeller med lite roterende masse, få generatorer tilkoblet, kan for eksempel kraftverk i Sør-Norge svinge mot kraftverk i Finland. Dersom oscillasjonene blir for store, vil kraftsystemet i verste fall bryte sammen. Reguleringssystemet han foreslår gjør at vannkraftprodusenter som driver kraftverkene med variabel hastighet kan levere «fast frequency reserves» FFR til energisystemet. Det betyr at de på mindre enn 2 sekunder kan håndtere ubalanser ved å regulere produksjon og dermed frekvensen i systemet.

Ved å utnytte fleksibiliteten til frekvensomformeren mellom generatoren og nettet og den kinetiske energien til den roterende massen i generatoren og turbinen, kan vannkraftverk med variabel hastighet (VSHP) tilby systemtjenester som virtuell (syntetisk) treghet, demping av oscillasjoner og FFR. Enkelt sagt, 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.

Reagerer på millisekunder

Virtuell treghetsregulering av VSHP vil reagere på frekvensavvik innen millisekunder for å redusere frekvensendringer. På denne måten vil den øke den totale tregheten i kraftsystemet og bidra til demping. 

I motsetning til konvensjonelle vannkraftanlegg, er VSHP med virtuell treghetsregulering rask nok til å levere til det nordiske markedet for FFR, som er under demonstrasjon. I dette markedet er det krav om at leverandørene skal kunne aktivere reservene innen 1-2 sekund, noe som er raskere enn eksisterende frekvensreserver (Figur 1).  


Kan tas i bruk av vannkraftbransjen

Det foreslåtte reguleringssystemet kan implementeres i kontrollsystemet for vannkraftverk med variabel drift, øke fortjeneste og redusere slitasje på kraftverket. 

Deler av reguleringssystemet kan også brukes i konvensjonelle vannkraftanlegg for å redusere trykksvingninger og øke ytelsen til hastighetsregulatoren.  

Nyhetsbrev fra HydroCen

Kontakt

Tor Inge Reigstad, SINTEF Energi

Prosjektinfo

Prosjektnavn: 
Måling, beregning og modellering av dynamikk og dynamisk belastning i vannkraftsystemer

Varighet: 
2018-2022

Arbeidspakke i HydroCen:
Turbin og generator

Partnere

Publikasjoner

Håndbøker og verktøy

VIDEO & WEBINAR

I NYHETENE