Koordinering af kaskadekoblede transformere med automatisk spændingsregulering

Transkript

1 Teknisk notat Dok. ansvarlig: JME Sekretær: SLS Sagsnr.: s Doknr: d Udgivelsesdato: Koordinering af kaskadekoblede transformere med automatisk spændingsregulering Formålet med notatet er at præsentere en metode til koordinering af kaskadekoblede transformere med automatisk spændingsregulering, som kan benyttes i distributionsnet, hvor transformerne i både hovedstation og netstationer regulerer spændingen automatisk. Metoden kan imødegå de ulemper, som ses ved eksisterende løsninger. Modsat de eksisterende løsninger kræver den nye metode, at måledata fra netstationer samles i hovedstationen. Den er derfor primært tilsigtet fremtidens distributionsnet. Notatet henvender sig til teknisk personale, som arbejder med og har interesse i spændingsregulering, smartgridløsninger og teknologier. Indhold Indledning... 2 Udfordringen med kaskadekoblet automatisk spændingsregulering... 2 Den klassiske metode for koordinering... 3 Smartgridmetoder for koordinering... 3 IDE4Ls BOT-algoritme... 3 BOT simuleringseksempel... 5 Referencer... 7

2 Indledning Kaskadekobling af viklings- og trinkoblere forekommer overalt i distributionsnet, men det er oftest kun viklingskobleren i hovedstationen, som regulerer spændingen automatisk. I fremtiden forventes det, at spændingsvariationen i både lav- og mellemspændingsnet vil stige på grund af nye typer forbrug og mere decentral produktion, fx solceller. Dette vil øge behovet for spændingsregulering, især i lavspændingsnet. Bedre spændingsregulering kan opnås på flere måder. Eksempler er: - Smartere styring af viklingskobleren i hovedstationen (fx compoundering eller styring baseret på distribuerede målinger). - Brug af større transformer i netstationer for at reducere impedans og dermed spændingsfald og stigning. - Kompensering af reaktiv effekt. I de seneste år er der kommet en alternativ løsning på markedet - lavspændingstransformere med automatisk spændingsregulering. Disse nye lavspændingstransformere kan umiddelbart give betydelig bedre spændingsregulering i lavspændingsnet end de andre nævnte metoder. I fremtiden kan det derfor blive mere almindeligt, at spændingen reguleres automatisk i både hovedstation og netstationer (se Figur 1) kv kv 0,4 kv Figur 1 Eksempel på kaskadekobling and viklings- og trinkobler. Når spændingen reguleres automatisk i både hovedstation og netstationer, er der behov for at styringen af de enkelte spændingsreguleringer koordineres, så unødvendige skift af transformernes trinindstilling undgås. I forskningsprojektet IDE4L, som Dansk Energi har deltaget i, er det blevet undersøgt, hvordan denne koordinering kan laves. Udfordringen med kaskadekoblet automatisk spændingsregulering Den udfordring som ses ved kaskadekoblet automatisk spændingsregulering, hvor både hovedstation og netstationer automatisk regulerer spændingen, opstår primært ved større ændringer i spændingen på de højere spændingsniveauer. Antag at der er automatisk spændingsregulering i både hovedstation og netstationer. Er der et fald i spændingen i højspændingsnettet, vil spændingen falde i både mellem- og lavspændingsnettet. Både hovedstation og netstationer vil reagere på den lavere spænding og trinne op for at hæve spændingen. Men hvis spændingsreguleringerne i hovedstationen og netstationerne reagerer samtidigt for at hæve spændingen, så vil spændingen i lavspændingsnettet blive for høj, og spændingsreguleringen i netstationerne vil trinne ned igen. Aktiveringen af spændingsreguleringen i netstationerne er i denne situation unødvendig. Ikke alene slider det på nettransformernes trinkoblere, men det resulterer også i større og flere trinvise spændingsændringer i lavspændingsnettet. I denne situation bør spændingsreguleringerne 2

3 i netstationerne aldrig blive aktiveret, da spændingsændringen kommer fra høj- og mellemspændingsnettet og bliver kompenseret af spændingsreguleringen i hovedstationen. Koordinering af de kaskadekoblede spændingsreguleringer er nødvendig for at undgå disse utilsigtede og unødvendige skift af transformernes trinindstilling. Den klassiske metode for koordinering Den klassiske metode til at koordinere kaskadekoblet spændingsregulering er at gøre reguleringen på de lavere spændingsniveauer betydelig langsommere end reguleringen på de højere spændingsniveauer. Metoden omtales typisk med den engelske betegnelse graded time, forkortet GT. Denne metode er let og billig at implementere, da der ikke stilles andre krav, end at tidsindstillingerne for spændingsreguleringerne kan bestemmes frit. Metoden sikrer, at der ikke forekommer unødvendige skift af trin, men har den ulempe, at spændingsreguleringerne på de lavere spændingsniveauer er langsomme. Smartgridmetoder for koordinering I et smartgrid er det muligt at benytte mere avancerede metoder til koordinering af kaskadekoblede spændingsregulatorer, da det antages, at der eksisterer kommunikation mellem langt flere komponenter og transformerstationer end i dag. Denne kommunikation åbner op for, at hovedstation og netstationer kan kommunikere med hinanden i nær realtid. Når hovedstationen og netstationerne er i stand til at kommunikere med hinanden i nær realtid, så er det også muligt for dem at finde ud af, på hvilket spændingsniveau en spændingsændring er kommet fra, og hvilken af de kaskadekoblede spændingsregulatorer der skal aktiveres for at regulere spændingen tilbage til referenceværdien. I IDE4L-projektet er der blevet udviklet en smartgridmetode til koordinering af kaskadekoblet spændingsregulering, som kan gøre netop dette, og dermed kan ulempen ved den klassiske metode, nemlig langsom spændingsregulering på de lavere spændingsniveauer, undgås. I projektet benyttes en algoritme kaldet BOT (Block OLTCs of Transformers) til at bestemme, hvilken spændingsregulator der skal aktiveres baseret på effektmålinger i hovedstation og netstationer. IDE4Ls BOT-algoritme BOT-algoritmen installeres i hovedstationen. Som input til algoritmen bruges målinger eller tilstandsestimater af aktiv og reaktiv effekt på sekundærsiden af hovedtransformeren og primærsiden af nettransformerne. BOT en sammenligner målingerne og sender et blokeringssignal til de spændingsregulatorer, som ikke skal reagere på spændingsændringen. BOT en er designet til kun at reagere på større pludselige ændringer i aktiv og reaktiv effekt. Den automatiske spændingsregulering i hovedstation og netstationer påvirkes derfor ikke af BOT en ved mindre ændringer i aktiv og reaktiv effekt eller ved gradvise ændringer. 3

4 Transmission HV/MV transformer (50-60 kv / kv) M1 MV/LV transformer (10-20 kv / 0,4 kv) M2 Figur 2 Eksempel på net med kaskadekoblede trinkoblere. I Figur 2 er vist et eksempel på et net med kaskadekoblet spændingsregulering. Der er indtegnet to målepunkter M1 og M2. M2 er her tegnet på højspændingssiden af nettransformeren, da det er antaget, at målingerne fås fra tilstandsestimering af mellemspændingsnettet. Målingen M2 kan dog i praksis også placeres på lavspændingssiden af nettransformeren. Når BOT en skal bestemme, hvor en spændingsændring stammer fra, og dermed også hvilken spændingsregulering som skal aktiveres for at bringe spændingen tilbage til referenceværdien, sammenlignes målingerne M1 og M2. Dette gøres ud fra 2 simple regler: Hvis en spændingsændring stammer fra lavspændingsnettet (belastning eller produktion i lavspændingsnettet har ændret sig), så vil måler M1 og M2 se den samme ændring i aktiv og reaktiv effekt. Derfor vil det være spændingsreguleringen i hovedstationen, som skal blokeres, da det er spændingsreguleringen i netstationen, som skal bringe spændingen tilbage til referenceværdien. Hvis en spændingsændring stammer fra mellemspændingsnettet (belastning eller produktion i mellemspændingsnettet, eller i et lavspændingsnet under en nettransformer uden spændingsregulator, har ændret sig), så vil kun måler M1 se en ændring i aktiv og reaktiv effekt. Derfor vil det være spændingsreguleringen i netstationen, som skal bloke- 4

5 res, da spændingsreguleringen i hovedstationen vil bringe spændingen tilbage til referenceværdien. Disse 2 regler er ikke nok til at håndtere alle situationer, som kan opstå i nettet. For eksempel sker der ingen koordinering af spændingsreguleringen i hovedstation og netstationer, hvis spændingsændringen stammer fra højspændingsnettet. Der kan også være situationer, hvor flere netstationer har fx lav spænding, og hvor det vil give mest mening at benytte hovedstationens spændingsregulering. Her vil BOT en vælge at løse spændingsafvigelsen så tæt som muligt på kilden af spændingsændringen, dvs. ved brug af netstationernes spændingsregulering. Denne situation vil sandsynligvis være yderst sjælden, da BOT en kun er aktiv ved større pludselige ændringer i effekt. BOT en er designet, så den kan håndtere skiftende effektretning, og det er derfor påkrævet, at effektmålingerne er retningsbestemte. Designet kræver også at BOT en forsynes med nettopologien, så algoritmen ved, hvor målinger og transformere er placeret i forhold til hinanden. Yderligere information om BOT en kan findes i [1] og [2]. BOT simuleringseksempel I det følgende vises et simuleringseksempel, hvor det sammenlignes, hvordan spændingsreguleringen i hoved- og netstation opfører sig med og uden BOT. Nettet som bruges til simuleringen er vist i Figur 2. Der simuleres et forløb med ændringer i aktiv og reaktiv effekt på lav- og mellemspændingsniveau. Hændelsesforløbet er vist i Tabel 1. Mere detaljerede simuleringer og sammenligninger kan findes i [2], hvor der både er direkte sammenligninger med GT-metoden og med forskellige trinstørrelser for nettransformerens spændingsregulering. Tidspunkt Net Ændring Størrelse 4 s LV Stigning i aktiv og reaktiv belastning 8 kw, 2 kvar 12 s MV Stigning i aktiv belastning 9 MW 21 s LV Produktion fra decentrale enheder (fx solceller) 20 kw 28 s MV Stigning i induktiv belastning 4 MVAr 38 s MV Indkobling af kondensatorbank 3 MVAr 46 s LV Reaktiv effekt kompensering fra decentrale enheder (fx solceller) Tabel 1 Hændelsesforløb for simulering. 20 kvar Begge spændingsreguleringer har samme tidsindstillinger, trinstørrelse og dødbånd. Disse er vist i Tabel 2. Derudover er BOT en indstillet til at bruge en blokeringstid på 1,1 sekund. Spændingsreguleringerne er sat til at holde en fast skinnespænding på deres respektive lavspændingsskinne, dvs. der benyttes ikke compoundering. 5

6 Tap value Udløsetid for første skift af trin Udløsetid for efterfølgende skift af trin Mekanisk tidsforsinkelse Dødbånd Trinstørrelse 3 s 2 s 1 s 1,5 % 1,67 % Tabel 2 Indstillinger for spændingsreguleringerne i hovedstationen og netstationen. På Figur 3 og Figur 4 er vist resultaterne af simuleringen. På Figur 3 vises trinnet (Tap value) for viklingskobleren i hovedstationen og trinkobleren i netstationen bemærk at trinnet er specificeret som omsætningsforholdet X:1. En reduktion i Tap value vil derfor resultere i en stigning i spændingen på sekundærsiden af transformeren. Viklingskobleren i hovedstationen opfører sig ens, uanset om BOT en benyttes eller ej. 1,1 1,08 1,06 MV/LV OLTC with conventional method MV/LV OLTC with BOT HV/MV OLTC 1,04 1,02 1 0,98 0,96 0,94 0,92 0, Time (s) Figur 3 Omsætningsforhold for viklingskobleren i hovedstationen og trinkobleren i netstationen. Figur 4 Spænding på nettransformerens lavspændingsskinne. 6

7 Trinkobleren i netstationen skifter trin flere gange, når BOT en ikke benyttes. Dette skyldes, at spændingsreguleringen reagerer på belastningsstigningen i mellemspændingsnettet, når BOT en ikke benyttes. Efterfølgende er den nødt til at trinne igen grundet decentral produktion, som giver en mindre stigning i spændingen i lavspændingsnettet. Disse skift af nettransformerens trinindstilling er dog unødvendige og undgås, når BOT en benyttes. Ca. 30 sekunder inde i simuleringsforløbet ses det, at spændingsreguleringen skifter trin senere, når BOT en benyttes. Dette sker fordi den spændingsændring, som forekommer, stammer fra mellemspændingsnettet. Derfor er netstationens spændingsregulering blokeret, når BOT en benyttes. Da spændingsreguleringen i hovedstationen ikke korrigerer spændingsændringen, så skal spændingsreguleringen i netstationen gøre det for at genoprette spændingen i lavspændingsnettet. Med BOT en er spændingsreguleringen i netstationen dog nødt til at vente på, at blokeringstiden er overstået, inden den kan få lov til at skifte trin og dermed fremkommer forsinkelsen. På Figur 4 er vist spændingen i lavspændingsnettet (nettransformerens lavspændingsskinne). Som det ses, er spændingen tættere på referenceværdien, når BOT en benyttes. Vi kan også se, hvordan den samtidige aktivering af spændingsreguleringen i hoved- og netstation resulterer i overkompensering og en meget større trinvis spændingsændring i lavspændingsnettet, når BOT en ikke benyttes. Referencer [1] Deliverable 5.2/3: Congestion Management in Distribution Networks, IDEAL GRID FOR ALL (IDE4L), September [2] Farzad Azimzadeh Moghaddam, Voltage Quality Enhancement by Coordinated Operation of Cascaded Tap Changer Transformers in Bi-Directional Power Flow Environment, MSc Thesis, November