BL20A0600 Sähkönsiirtotekniikka Tasasähkövoimansiirto Jarmo Partanen
Tasasähkövoimansiirto Käsiteltävät asiat erilaiset tasasähköyhteydet pääkomponentit säätötavat suojaukset verkkovaikutukset edut ja haitat tärkeimmät sovellutusalueet 2.12.2014 3
Erilaiset tasasähköyhteydet Monopolaari-/ bipolaariyhteydet monopolaariyhteydessä käytetään merta virran paluutienä (maan käyttö ei ole mahdollista korroosio-ongelmien takia) Fenno-Skan 500 MW, 400 kv bipolaariyhteydellä saavutetaan kaksinkertainen siirtoteho ja redundanssi johto- ja suuntaajavikojen varalta Siirtoyhteys/ back-to-back-liityntä back-to-back-yhteydellä liitetään kaksi verkkoa yhdessä pisteessä toisiinsa, jolloin siirtohäviöt eivät ole merkittäviä (siirtotienä pelkkä kiskosto) voidaan käyttää pienempää jännitettä ja suurempaa virtaa kuin siirtoyhteyksillä Viipuri 3355 MW, 385 kv 2.12.2014 4
Erilaiset tasasähköyhteydet Venäjän ja Suomen välinen yhteys 2.12.2014 5
Tasavirtavoimansiirtojärjestelmän toteutusvaihtoehdot monopolaari (V d ) (a) V d monopolaari (V d ) (b) 2.12.2014 6
Tasavirtavoimansiirtojärjestelmän toteutusvaihtoehdot V d bipolaari ( V d ) -V d (c) 2.12.2014 7
Tasasähköyhteys Fenno-Skan 2.12.2014 8
Monopolaarinen tasasähköyhteys Fenno-Skan FORSMARK DANNEBO 400 kv 1250 A 500 MW RAUMA D400 C400 400 kv 400 kv A400 B400 200 km 3 km 26 km 2 km SUBMARINE CABLE F1 ELECTRODE LINE 25 km ELECTRODE LINE 2 km 6 km F1 F2 F3 Shunt 2.12.2014 9
Bipolaarinen tasasähköyhteys Fenno-Skan 1+2 2.12.2014 10
Bipolaarinen tasasähköyhteys Fenno-Skan 1+2 2.12.2014 11
Tasasähköyhteys Suomi-Eesti 350 MW + 650 MW ± 150 kv
Tasasähköverkot Point-to-point/ moniasemayhteydet käytännössä kaikki yhteydet on toteutettu vain kahden aseman välisinä maailmalla on käytössä kaksi kolmiasemayhteyttä, joissa kolmas asema vain vastaanottaa tehoa (Italia-Korsika-Sardinia, Quebec-New England) moniasemayhteyksien kehittelyä vaikeuttavat: sovelluskohteiden puute säätöjärjestelmälle asetettavat vaatimukset luotettavan tasasähkökatkaisijan puute nykyisillä toteutuksilla tasasähkökatkaisijan korvaa säätö- ja suojausjärjestelmä häiriö näkyy koko systeemissä 2.12.2014 13
Tasasähköverkot Inverter Line with parallel tap H.v.d.c ring system Rectifier Series-connected system Inverter 2.12.2014 14
Tasasähköyhteyden pääkomponentit Muuttaja-asemat liittyvät vaihtosähkökiskoon muuntajien välityksellä kaksi- tai kolmikäämimuuntajat, joissa 12-pulssikytkennän yhteydessä tarvitaan suuntaajayksiköiden välille 30 vaihesiirto kytkentäryhmien valinta muuntajan käämikytkin on olennainen osa tasasähköyhteyden säätöjärjestelmää suuri jännitteensäätöalue ja usein toistuva askellus Muuttaja-asema sisältää muuntajien lisäksi: suodattimet ja kondensaattoriparistot suuntaajasillat yleensä kaksi 6-pulssisiltaa sarjassa omilla ohjauksillaan varustettuna itsenäinen toiminta mahdollista jäähdytysjärjestelmä tyristorien sytytyspulssit tuodaan yleensä valokuiduilla oheista 20 kv kaapeliverkkoa syötetään kahdelta sähköasemalta. Päämuuntajien toisiojännitteet ovat 21 kv. Verkon kuormitusvirrat oletetaan pieniksi. Laske kolmivaiheisen oikosulkuvirran arvot seuraavissa tapauksissa. 2.12.2014 15
Tasasähköyhteyden pääkomponentit säätöjärjestelmä tasoituskuristin suodattaa tasavirran yliaaltoja sekä rajoittaa virran muutosnopeutta häiriötilanteissa tasasähkösuodattimet (avojohdoilla) puhelinhäiriöt Tasasähköyhteys kaapeli tai avojohto siirtotienä maan tai meren kautta kulkevaa virtaa varten tarvitaan lisäksi elektrodit 2.12.2014 16
Suuntausaseman pääkomponentit Tasoituskuristin Tasasähköjohto AC-kisko Muuntajat 6-pulssisilta Tasasähkösuodatin Vaihtosähkösuodattimet 6-pulssisilta Elektrodiasemalle tai toiselle 12-pulssiyksikölle Säätöjärjestelmä Kompensointikondensaattorit 2.12.2014 17
6-pulssisilta I d V1 V3 V5 + ~ U R X C I R R ~ U S X C I S S U d ~ U T X C I T T V4 V6 V2-2.12.2014 18
12-pulssisen tasasähköyhteyden periaatekaavio + - 2.12.2014 19
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) 1. Tehonsäätö säätösignaalina on virta virtaohje muodostetaan jakamalla teho-ohje tasajännitteen oloarvolla virtaohjeen perusteella asetetaan sytytyskulmat ja muodostetaan tyristorien sytytyspulssit tehoalueen alarajan määrää tasavirran aukottuminen (Fenno-Skanin tehonsäätöalue 0,05-1,0 pu) mukana on jännitteestä riippuva virtarajoitus, joka estää liian suuret virtaohjeet 2. Lisäsäädöt hätätehonsäätö säätö aktivoidaan vaihtosähköverkosta saatavien kriteerien perusteella ohjetehoa muutetaan ennalta aseteltujen parametrien mukaan 2.12.2014 20
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) 1000 A 10 300 MW 300 kv 290 kv 2000 A 10 600 MW 310 kv 290 kv Tasasähköyhteydellä siirtyvän tehon määräytyminen suuntaajien jännitteistä (virran suunta ei voi kääntyä, sillä tyristorit johtavat vain yhteen suuntaan) 1000 A 10 290 kv 300 kv 300 MW 2.12.2014 21
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) f 50 Hz t Emergency power control I d t P d, I d U d U d t A B P d t Fenno-Skan 1000 MW/s 1 s teoriassa jopa 10 ms 2.12.2014 22
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) Sähkömekaanisten heilahtelujen vaimentaminen moduloidaan tasasähkötehoa ja vaimennetaan verkon hitaita heilahteluita (Suomi 0,3 Hz) Loistehon käsinohjaus kevyen kuorman aikana verkosta voidaan ottaa ylimääräistä loistehoa suuntaajaan Taajuuden säätö verkkojen toimiessa asynkronisesti voidaan tasasähköyhteyttä käyttää taajuudensäätöön Aliharmoniset värähtelyt luonnostaan tasasähköyhteys heikentää verkon kykyä vaimentaa akselivärähtelyitä positiivinen vaimennus tasasähkötehoa moduloimalla Kaapeliin liittyvä säätö (jänniterasitusta pienennetään tehoa muutettaessa) 2.12.2014 23
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) Tasasähköyhteys vaihtosähköyhteyksien rinnalla P ac1 Vaihtosähköverkko 1 Vaihtosähköverkko 2 P ac2 U 1 f 2 f U 2 1 1 2 P dc 2.12.2014 24
HVDC säätö- ja suojausjärjestelmä (Fenno-Skan) 3. Suojaukset vaihtosähköpuolen suojaus muuntajan suojat suodatinten suojaus kondensaattoriparistojen suojaus tasasähköpuolen suojaus tasasähköjohdon oikosulut pyritään poistamaan ajamalla tasasuuntaaja hetkeksi vaihtosuuntausalueelle katkaistaan vikavirran syöttö tyristorien suojaus poistetaan hetkeksi ohjauspulssit (venttiilien blokeeraaminen) viat poistuvat yleensä 2.12.2014 25
Tasasähköyhteyden verkkovaikutukset Tyristorisillat ja kommutointipiirin reaktanssit johtavat loistehon kulutukseen, normaalikäytössä noin 50 % siirretystä pätötehosta yliaaltosuodattimet kondensaattoriparistot staattiset kompensaattorit tahtikoneet Tyristorisillat aiheuttavat vaihtosähköpuolelle harmonisia yliaaltoja (n = kp 1) virtaan ja karakteristisia harmonisia (n = kp) tasasähköpuolen jännitteeseen yliaaltosuodattimet 2.12.2014 26
Tasasähkövoimansiirron etuja Eritaajuisten vaihtosähköverkkojen yhteiskäyttö Samantaajuisten vaihtosähköverkkojen asynkroninen yhteiskäyttö Vaihtosähköverkkojen välinen siirtoteho on riippumaton verkkojen taajuudesta ja vaihesiirrosta Tehoa voidaan säätää nopeasti tehoreservi käyttöön heilahteluiden stabilointi taajuudensäätö Stabiilisuus ei ole tehonsiirtoa rajoittava tekijä johdot voidaan kuormittaa taloudellisemmin ja yleensä termiselle rajalle Tasasähköjohdolla ei esiinny kapasitiivista varausvirtaa Tasasähköyhteys ei kasvata vaihtosähköverkon oikosulkuvirtoja (vakiovirtasäätö) Maata tai merta voidaan käyttää paluujohtimena Koronahäviöt pienemmät häiriöt pienempiä (ei virranahtoa) 2.12.2014 27
Tasasähkövoimansiirron etuja DC edullinen pitkillä siirtoetäisyyksillä (johdon kustannukset eivät riipu etäisyydestä niin voimakkaasti kuin vaihtosähköllä): Investointikustannukset Rajaetäisyys AC-kokonaiskustannukset DC-kokonaiskustannukset DC-johto AC-johto DC-asemat AC-asemat Siirtoetäisyys Investoinnit siirtoetäisyyden funktiona 2.12.2014 28
Esimerkki Verrataan kolmivaiheista vaihtosähköyhteyttä ja bipolaarista (kaksi johtoa, joissa jännitteet U) tasasähköyhteyttä. a) Mikä on tehonsiirtokykyjen suhde, kun häviöt ja johtimien poikkipinnat ovat samat? b) Miten tehonsiirtokyky muuttuu, kun olemassa oleva kaksinkertainen vaihtosähköyhteys muutetaan kolmeksi tasasähköyhteydeksi? 2.12.2014 29
Ratkaisu a) Häviöt yhtäsuuret (kun R sama): ac häviöt dc häviöt 2 2 3RI L 2RI d 2 3 R I L 2 2 R I d ac teho 3U ac I L dc teho 2U d I d 3 I d I 2 (1) L (kun cos = 1) sij.(1) ac dc teho teho ac L ac 1, 22 2U 3U d I 3 2 I L 3 2 U U d U U ac d 2.12.2014 30
Ratkaisu Tyypillisesti erityisvaatimukset ovat seuraavat: eristyssuhde eristysväli eristysväli / / ac dc vaihe napa U U U 2,49 U ac 1,44 avojohto d ac d kaapeli Jos siis eristysvälit ovat ac- ja dc-ratkaisussa samat (eristyssuhde = 1), saadaan avojohto kaapeli : ac teho 1,22 dc teho 1,44 : ac teho 1,22 dc teho 2,49 0,83 0,48 dc edullinen 2.12.2014 31
Ratkaisu b) Ac-teho: P ac = 6U ac I L (cos = 1) dc-teho: P dc = 6U d I d Virta ja eristysväli säilyvät samoina: I L = I d U d = 1,44 U ac avojohdolla U d = 2,49 U ac kaapelilla P P dc ac 1,44 avojohdolle 2,94 kaapelille Häviöt säilyvät samoina (R ja I samat), joten suhteelliset häviöt pienenevät: 1 0,68 avojohdolle Ph Pdc 1,44 Ph P 1 ac 0,34 kaapelille 2,94 2.12.2014 32
AC/DC vertailua Häviöt [MW] 150 A.C. 2400 kv 1200 mm 2 100 HVDC 400 kv 50 Asema 1620 mm 2 Tasa-(400 kv) ja vaihtosähköavojohtoyhteyksien (2400 kv) häviöiden vertailu siirrettäessä 1200 MW tehoa siirtomatkan funktiona. Siirtomatka 500 1000 Km 2.12.2014 33
AC/DC vertailua 50 40 USD/ MW,km,a HVDC HVAC 40 USD/ MW,km,a 30 30 20 20 10 10 0 0 500 1000 km Siirtokustannukset matkan funktiona kun tehonsiirto 500 MW. 0 0 500 1000 km Siirtokustannukset matkan funktiona kun tehonsiirto 1000 MW. 2.12.2014 34
AC/DC vertailua USD/ MW,km,year MW 40 2000 30 20 1000 AC DC 10 0 0 500 1000 km Siirtokustannukset matkan funktiona kun tehonsiirto 2000 MW. 0 0 500 1000 km AC ja DC järjestelmän valintaohje 2.12.2014 35
DC-siirron haittoja Suuntausasemat ovat kalliita ja monimutkaisia verrattuna ac-järjestelmän asemiin Suuntaajat vaativat paljon loistehoa, mikä on yleensä tuotettava itse suuntausasemalla Suuntaajat aiheuttavat yliaaltoja sekä vaihtosähköverkkoon että tasasähköpuolelle Monopolaaristen yhteyksien maassa kulkeva paluuvirta aiheuttaa korroosiota maassa olevissa metalliesineissä Tasasähkömerikaapelin virran aiheuttama magneettikenttä voi aiheuttaa kompassihäiriöitä Tasavirran katkaisu hankalaa (ei luonnollisia nollakohtia) 2.12.2014 36
Tasasähkönsiirron tärkeimmät sovellutusalueet Pitkän matkan voimansiirto kasvupotentiaalia Etelä-Amerikassa, Afrikassa ja Aasiassa Pitkät ja suuritehoiset kaapeliyhteydet tasasähkön käyttö edullisempaa huomattavasti lyhyemmillä etäisyyksillä kuin AC-avojohdoilla kaapeleilla suuri varausloisteho rajoittaa pätötehon siirtoa jos taajuus f = 50 60 Hz, on 40 80 km kaapelin varausvirta kaapelin nimellisvirran suuruinen ei voi siirtää pätötehoa lainkaan (teoriassa kompensointi mahdollista) pitkillä merikaapeleilla tasasähkö ainoa vaihtoehto Vaihtosähköverkkojen asynkroninen yhteiskäyttö 2.12.2014 37