Slutrapport: Ny topologi f¨or effektiva AC/DC omriktare ...space.hgo.se/wpcvi/wp-content/uploads/import/pdf/Kunskapsdataba… · Converter Systems without Cycloconverter Turn-off

Slutrapport:Ny topologi for effektiva AC/DC omriktaretill framtida havsbaserade vindkraftparker

Vindforsk II

Projektnr. 30268-1

Stephan Meier Hans-Peter Nee

[email protected] [email protected]

08-790 7779 08-790 7781

Kungliga Tekniska Hogskolan

Skolan for Elektro- och Systemteknik

Elektriska Maskiner och Kraftelektronik

Stockholm, December 2008

Sammanfattning

I detta projekt har en ny topologi for effektiva AC/DC omriktare till framtida havs-baserade vindkraftparker utvarderats. Genom att sanka elproduktionskostnaden, vilketastadkoms bade genom lagre initialkostnader och lagre forluster, har den nya topologinstora fordelar gentemot konventionella losningar for likstromsoverforing.

Projektet har aven overvunnit tva huvudsakliga tekniska hinder: Kommuteringenav de tyristor-bestyckade omvandlarna, speciellt vid lag generering, samt konstruktionav mellanfrekvensnatet. Simuleringsresultat har verifierats med matningar pa en 40 kVAprototyp.

Den nya topologin underlattar darmed etableringen av framtida havsbaseradevindkraftparker. Den ar sarskilt lampad for vindkraftparker pa stort avstand fran enstark punkt i natet.

2

Abstract

In this project, a novel topology for efficient AC/DC converters for future offshorewind farms has been evaluated. The new topology has big advantages compared toconventional solutions for HVDC transmission. It considerably reduces the energygeneration cost by both reducing the initial cost and the conversion losses.

During the project, two main technical challenges have been solved: The commu-tation of the thyristor-based cycloconverters, especially during low energy generation,as well as the design of the medium-frequency collection grid. Results from simulationshave been verified with measurements on a 40 kVA prototype converter system.

As a consequence, the new topology facilitates the establishment of future off-shore wind farms. It is especially suitable for remote wind farms situated at a longdistance from a strong connection point in the grid.

3

Innehall

1 Inledning 51.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Funktion och uppbyggnad av den nya topologin . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Mal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Publikationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Projektets genomforandet 92.1 Personer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Tillvagagangssatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Projektets resultat 12

4 Projektets maluppfyllelse 184.1 Sankt elproduktionskostnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.2 Lagre initialkostnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3 Experimentell implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.4 Konstruktion av mellanfrekvensnatet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.5 Kommutering av styromriktaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5 Slutsatser 215.1 Fortsattning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Forkortningar 23

4

1 Inledning

Projektet “Ny topologi for effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vin-dkraftparker” har genomforts vid Kungliga Tekniska Hogskolan, Skolan for Elektro-och Systemteknik, under tiden 2006-07-01 till 2008-12-31. Projektet finansierades inomramen for programmet “Vindforsk II - utveckling och anvandning av kunskaper somframjar utbyggnad av vindkraft i Sverige”.Projektet ar en fortsattning av projektet “20884-1 Ny topologi for mer effektiva AC/DC-omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker”. I detta tidigare projekt har pro-jektgruppen visat att den nya tekniken kan ge bade lagre initialkostnad och lagre forlusteran motsvarande existerande teknik idag [1–4]. Detta innebar att elproduktionskostnadenkan sankas och att etablering av ny vindkraft underlattas. Detta ar sarskilt viktigt iSverige, dar priset pa el ar lagt, vilket gor det svarare for oetablerade kraftkallor attgora sig gallande pa marknaden [5].De flesta ar overens om att det svenska energisystemet ska vara effektivt, langsiktigtuthalligt, tillforlitligt och miljoanpassat [5]. Vindkraftsutbyggnaden ar ett viktigt bidragtill omstallningen till ett langsiktigt ekonomiskt och ekologiskt hallbart energisystemoch bidrar darmed till miljokvalitetsmalen “frisk luft, bara naturlig forsurning, be-gransad klimatpaverkan”. En okad andel av fornyelsebar energi minskar anvandningenav fossila branslen, vilket minskar utslappen av koldioxid, kvaveoxider, luftburna par-tikelfororeningar, svaveldioxid, etc.

1.1 Bakgrund

Syntesrapporten “Energi i medvind” [5] som kom ut 2005 fastslar att ytterligare forsk-ning och utveckling behovs kring hur de havsbaserade vindkraftverken ska kopplas in foratt billigt och sakert overfora den elektriska effekten till land. Rapporten hade mycketriktigt kommit till slutsatsen att likstromsoverforing ar en svensk specialitet som an salange ar sa dyr att den bara lonar sig for overforing av stora effekter pa stora avstand.Annars uppvager vinsten med likstromskabel inte forlusterna med vaxelstromskabel,speciellt pa grund av att likstromskablar kraver en del ny utrustning i bada andar foratt lyckas [5].Projektet syftar till att visa pa en ny teknik for att overfora elektrisk effekt fran en storvindkraftpark till en stark nod i elnatet. Tekniken bygger pa likstromsoverforing franvindkraftparken till inkopplingspunkten i natet.Likstromstekniken ar overlagsen vaxelstromstekniken pa langa avstand, varfor detforeslagna konceptet ar speciellt lampligt dar vindkraftparken befinner sig pa stortavstand fran en stark nod i natet. Likstromstekniken utmarks ocksa av full styrbarhetaven vid svara felfall, vilket innebar att leveranssakerheten blir storre an for dagens

5

150 kV500 Hz

66 kV, 500 Hz

3 kV, 500 Hz

+/− 150 kVDC

1 kV, fvar

Frånskiljare

Växellåda

Effektbrytare

Styromriktare

Kortsluten asynkrongenerator

Enfas spänningsstyv omriktare

Enfas MF transformator

Vindturbin

Figur 1.1: Forenklat schema av den nya topologin for effektiva AC/DC omriktare.

vindkraftverk. Eftersom tekniken bygger pa s.k. soft-switching och att omvandlarna ivindkraftverken ar tyristoromvandlare erhalls avsevart lagre forluster an med dagenslikstromsteknik [3]. Dessutom blir initialkostnaden lagre eftersom farre IGBT:er (Insu-lated Gate Bipolar Transistor) behovs.Genom anvandningen av ett mellanfrekvensnat (300 - 500 Hz jamfort med 50 Hz iSveriges stamnat) inom vindkraftparken kan storleken pa transformatorerna minskasavsevart, vilket ocksa sanker initialkostnaden. Nasta avsnitt beskriver mer ingaende hurden nya tekniken fungerar och hur en sadan vindkraftpark kan vara uppbyggd.

1.2 Funktion och uppbyggnad av den nya topologin

Den nya topologin for effektiva AC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraft-parker har redan tidigare utforligt beskrivits och publicerats [1, 2, 4]. Dess syfte ar attsamla in energin fran vindturbinen och omvandla den sa att den kan overforas med lik-stromstekniken. Detta sker pa ett nytt och mer effektivt satt. Den nya topologin bestarav en spanningsstyv omriktare (VSC) och styromriktare som kopplas ihop av ett mellan-frekvens (MF) nat och MF transformatorer, jamfor Figur 1.1. For att minska forlusternafran omriktarna ar det fordelaktigt att tanda och slacka halvledarna nar det antingeninte finns nagon strom genom eller spanning over komponenten, s.k. soft-switching. Dettauppnas genom att omvaxlande kommutera den spanningsstyva omriktaren och styrom-riktarna [1] och darmed omsesidigt skapa forutsattningarna for soft-switching.Den grundlaggande funktionsprincipen av ett s.k. omsesidigt kommuterade omriktarsys-tem ar att den spanningsstyva omriktaren omvandlar likspanningen till en mellanfrekventfyrkantspanning som magnetiserar MF transformatorerna. Dessa transformatorer erbju-der galvanisk isolering och anpassar spanningsnivan. Till slut omvandlas spanningen tillden onskade trefasiga vindgeneratorspanningen med hjalp av styromriktarna.

6

1.3 Mal

Malsattningen for projektet har varit att:

1. Visa att det med den nya tekniken ar mojligt att avsevart sanka elproduktion-skostnaden for vindkraftparker pa stort avstand fran en stark punkt i natet.

2. Visa att det ar mojligt att till lagre initialkostnad an idag realisera effektomvandlingoch transmission for vindkraftparker pa stort avstand fran en stark punkt i natet.Detta underlattar etablering av ny vindkraft.

3. Visa att den nya tekniken fungerar experimentellt i ett fall med tva “vindkraftverk”med omvandlare bestyckade med tyristorer.

4. Visa att det gar att konstruera ett mellanfrekvensnat inom vindkraftparken somhar en rimlig niva av ringningar och som kan overfora tillracklig effekt for attsystemet i sin helhelt blir avsevart battre an dagens alternativ.

5. Visa att kommuteringen kan realiseras aven vid lag generering.

1.4 Publikationer

Projektet har resulterat i flera vetenskapliga artiklar som har presenterats pa interna-tionella konferenser. Har visas en lista av alla relevanta publikationer:

[I] S. Meier, S. Norrga, H.-P. Nee, “Modulation Strategies for a Mutually CommutatedConverter System in Wind Farms” i Proceedings of the 12th European Conferenceon Power Electronics and Applications, EPE ’07, Aalborg, Danmark, September2007.

[II] M. Kuschke, Practical implementation of a cycloconverter in a soft-switching iso-lated AC/DC converter, intern rapport, KTH, Stockholm 2007.

[III] S. Meier, M. Kuschke, S. Norrga, “Space Vector Modulation for Mutually Commu-tated Isolated Three-Phase Converter Systems” i Proceedings of the 39th AnnualPower Electronics Specialists Conference, PESC ’08, Rhodos, Grekland, Juni 2008.

[IV] S. Meier, S. Norrga, H.-P. Nee, “Control Strategies for Mutually CommutatedConverter Systems without Cycloconverter Turn-off Capability” i Proceedings ofthe 39th Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC ’08, Rhodos,Grekland, Juni 2008.

[V] S. Meier, Y. Yu, H.-P. Nee “Comparative Study of Different HVDC TransmissionSystems for Offshore Wind Farms”, inlamnad for publicering i Proceedings of the2nd EPE Wind Energy Seminar, Stockholm, Sverige, April 2009.

7

[VI] S. Meier, T. Kjellqvist, H.-P. Nee “Design Considerations for Medium-FrequencyPower Transformers in Offshore Wind Farms”, inlamnad for publicering i Pro-ceedings of the 13th European Conference on Power Electronics and Applications,EPE ’09, Barcelona, Spanien, September 2009.

[VII] S. Meier, H.-P. Nee “Transient Overvoltages in Single-phase Medium-frequencyWind Farm Collection Grids”, annu opublicerad.

Dessutom kommer forskningsresultaten att sammanfattas i en doktorsavhandling somkommer att framlaggas under varen 2009.

8

2 Projektets genomforandet

Projektet har genomforts vid Kungliga Tekniska Hogskolan, Skolan for Elektro- ochSystemteknik, Avdelningen for Elektriska Maskiner och Effektelektronik under tiden2006-07-01 till 2008-12-31. I detta kapitel belyses forst inblandade personer och foretag,for att sedan ge en utforlig beskrivning av vilka moment som har genomforts i dettaprojekt.

2.1 Personer

Projektet har genomforts av doktoranden Tekn. Lic.Stephan Meier under ledning avProf.Hans-Peter Nee, bada pa Avdelningen for Elektriska Maskiner och Effektelek-tronik, Skolan for Elektro- och Systemteknik, Kungliga Tekniska Hogskolan.

Till projektet kopplades en referensgrupp med intressenter fran vindkraftsindustrin.Deltagarna i denna referensgrupp ar Philip Kjær fran Vestas Wind Systems i Danmark,samt JanR. Svensson, Thomas Jonsson och Staffan Norrga fran ABB CorporateResearch i Vasteras. Under projektets gang har det hallits fyra moten, bland annat hosABB i Vasteras och i Alborg, Danmark, i samband med konferensen EPE 2007.

Maren Kuschke gjorde sin arbetspraktik med efterfoljande studiearbete under tidennovember 2006 till oktober 2007. Maren fokuserade pa den experimentella delen, medbl. a. implementeringen av den rymdvektor-baserade modulationen samt uppbyggnadenav den tyristor-baserade styromriktaren.

Shuang Zhao gjorde sitt examensarbete pa ABB Corporate Research dar han narmaretittade pa moduleringen av den tyristor-baserade styromriktaren [6].

Liu Nian undersokte i sitt examensarbete problematiken runt mellanfrekvensnatet, medbl.a. matningar pa kabel hos ABB i Vasteras samt systemsimuleringar i PSCAD. Liupaborjade sitt arbete den 1 januari 2008, men kunde tyvarr inte slutfora det i skrivandestund p.g.a. halsoproblem.

Yingbei Yu paborjade sitt pagaende diplomarbete den 25 juni 2008. Hon utveckladeutforliga forlustmodeller och kostnadsuppskattningar for alla inblandade systemkom-ponenter, bade for den nya topologin och for befintliga losningar. Arbetet har skett isamarbete med industrin.

9

2.2 Tillvagagangssatt

Genomforandet av projektet har skett med hjalp av analytiska berakningar, numeriskasimuleringar och experimentell verksamhet i laboratoriet. Har nedan kommenteras deti detalj pa vilket satt och med vilka resurser de olika punkter som ar uppraknade iprojektbeslutet har genomforts:

1. Planering for prototypbygge

Prototypen bygger vidare pa en befintlig laboratorieuppstallning, dar framforallttransformatorn och styromriktaren byttes ut. Den spanningsstyva omriktaren samtstyrsystemet bestaende av en DSP och en FPGA daremot kunde nastan anvandassom det var.MF transformatorerna som ar baserade pa vanliga 50 Hz transformatorer har kon-struerats och tillverkats for mellanfrekvensdrift av Christer Eriksson fran AQ TrafoAB [7].

2. Analys av mellanfrekvensnatet

For att kunna analysera mellanfrekvensnatet behovs det noggranna modellerav framforallt MF transformatorerna och kablarna. Sjalva analysen har sedangenomforts i PSCAD, ett numeriskt simuleringsverktyg for kraftsystem.Gallande transformatorerna ar det framforallt storleken pa lackinduktansen ochkapacitanserna inom och mellan lindningarna som har betydelse. Dessa elektriskaparametrar har bestamts analytiskt och kan framst paverkas genom lindning-sutforandet, se [VI].Kablarna inom vindkraftparken modelleras tillrackligt noggrant i PSCAD for attkunna aterge alla hogfrekventa fenomen som kan upptrada. Detta verifierades medhjalp av matningar pa nedgravda sjokablar hos ABB i Vasteras, se [VII].

3. Analys av kommuteringsforlopp vid lag generering

Bekymret vid lag generering var framforallt att strommen skulle vara for litenfor att mojliggora kommuteringen av den spanningsstyva omriktaren. Dessutomskulle ett stort stromrippel stalla till med storre bekymmer vid lag generering dadet skulle vara proportionellt storre.Analysen av kommuteringsforloppet vid lag generering har genomforts med simu-leringar i Matlab. Problemet kunde helt undvikas genom att anvanda en kontroll-strategi for den kortslutna asynkrongeneratorn som gar ut pa att minska stator-spanningen proportionellt till vindturbinens frekvens, vilket innebar att effektfak-torn vid lag generering blir lag samtidigt som strommen blir storre, se [I].

4. Forslag till dimensionering av mellanfrekvensnatet

Baserat pa analysen av mellanfrekvensnatet har ett forslag till dimensionering avmellanfrekvensnatet tagits fram med hjalp av simuleringsverktyget PSCAD, se[VII]. Rekommendationer pa hur mellanfrekvensnatet kan byggas upp pa ett op-timalt satt galler val av kablarna och deras spanningsniva, de elektriska parame-trarna hos MF transformatorerna och uppbyggnaden av den spanningsstyva om-riktaren som bestammer spanningsderivatan.

10

5. Implementering av vektormodulering i FPGA och DSP

Vektormodulering har implementerats i FPGA och DSP i samarbete med MarenKuschke och resultaten har sedan jamforts med vanlig pulslangdsmodulering, se[III]. Vektormodulering har sedan anpassats for att aven fungera med styromriktarebestyckade med tyristorer [IV].

6. Uppbyggnad av laboratoriemodell av mellanfrekvensnatet

Simuleringarna i PSCAD pekade pa att det skulle bli svart att bygga upp en lab-oratoriemodell av mellanfrekvensnatet som pa ett korrekt satt skulle aterspeglaalla hogfrekventa fenomen. Med tanke pa matningarna som gjordes pa riktiga ned-gravda sjokablar for att verifiera simuleringarna och med hansyn till att numeriskaverktyg ar battre lampade for andamalet, bestamdes att inte bygga upp en labo-ratoriemodell av mellanfrekvensnatet som det forst var tankt.

7. Uppbyggnad av styromriktare med tyristorer

For att ersatta IGBT:er med tyristorer i styromriktaren behovdes nya drivdonskortsamt en ny huvudkrets. Detta arbetsmoment beskrivs i detalj i Maren Kuschkesrapport [II].

8. Experimentell verifiering av effektomvandlarens funktion

Effektomvandlarens funktion har experimentell verifierats, bade for styromriktarebestyckade med IGBT:er [III] och tyristorer [IV].

9. Analys av resultaten

Resultaten har fortlopande analyserats i samband med deras publicering, se kapitel3 for projektets resultat.

10. Prediktion av reduktion av produktionskostnad och initialkostnad med

den nya tekniken

For att noggrant kunna forutsaga reduktionen av produktionskostnaden och ini-tialkostnaden utvecklades utforliga forlustmodeller och kostnadsuppskattningar foralla inblandade systemkomponenter, bade for den nya tekniken och for befintligalosningar. Modellerna ar implementerade i Matlab och bygger pa uppgifter franindustrin, se [V].

11. Presentation av doktorsavhandlingen

En doktorsavhandling kommer att framlaggas och offentligt forsvaras under varen2009.

11

3 Projektets resultat

Resultaten har fortlopande analyserats och publicerats under projektets gang. I dettakapitel redovisas de viktigaste resultaten fran projektet i kronologisk ordning efter deraspublicering. I kapitel 4 daremot framgar det hur resultaten har bidragit till projektetsmaluppfyllelse.

Publikation IModulation Strategies for a Mutually Commutated Converter System in Wind Farms

• Genom att anvanda en kontrollstrategi for den kortlutna asynkrongeneratornsom gar ut pa att minska statorspanningen proportionellt till vindturbinensfrekvens kunde bekymmer med kommuteringsforloppet vid lag generering und-vikas. Darmed hojs strommen vid lag generering pa bekostnad av effektfaktornsom blir forhallandevis lag, se Figur 3.1.

• En ny metod for att kontrollera tyristor-bastyckade styromriktare togs fram,s.k. “current clamping control strategy”. Metoden gar ut pa att blockera allahalvledarkomponenter i det fasben dar strommen ar nara noll under en kontroller-ad tid. Darmed kan driften uppratthallas under alla driftforhallanden, se Figur 3.2for simuleringsresultat.

• Den nya kontrollmetoden har dessutom fordelar som ett lagre momentrippel och enmer sinusformad strom med lagre overtonshalt. Dessutom tillater den att ersattaalla IGBT:er i styromriktaren med snabba tyristorer, vilket innebar besparingarav kostnader och forluster.

Publikation IIISpace Vector Modulation for Mutually Commutated Isolated Three-Phase Converter Sys-tems

• Vektormoduleringen har framgangsrikt implementerats i en 40 kVA prototyp, seFigur 3.3.

• Jamfort med vanlig pulslangdsmodulering (PWM) erbjuder vektormodulering(SVM) foljande fordelar som har experimentell uppmatts: Utstyrningsgraden hojs,spanningen och strommen blir mer sinusformad med lagre overtonshalt, transfor-matorstrommen minskar samtidigt som systemets verkninsgrad okar, se Figur 3.4for matresultat.

• Vektormodulering ar sarskilt fordelaktig vid laga utspanningar, da denna sortsmodulering maximerar nollvektorerna. Detta driftfall ar inte ovanligt i ett vind-kraftverk.

12

4 15 25

0.50.6

0.8

1

8.6 16.1 18.4

Vindstyrka [m/s]

Turbinhastighet [rpm]

Gen

erat

orsp

änni

ng [

p.u.

] 321

23.54 44.07 50.36Rotorfrekvens [Hz]

Vindturbin Vestas V90-3.0MW

0.04 p.u. 1.0 p.u. 1.0 p.u.Aktiv effekt [p.u.]

0.13 0.83 0.85Effektfaktor

0.38 0.80 0.79Statorström [p.u.]

Figur 3.1: Exempel av driftforhallanden och kontrollstrategin for en vindturbin.

321

ström statorflöde

Figur 3.2: Forlopp av strom och statorflode for tre karakteristiska driftfall enligt Fig-ur 3.1.

Mellanfrekvenstransformator

Styromriktare

Spänningsstyv

omriktare (VSC)

Figur 3.3: Fotografi av 40 kVA prototypen med IGBT-bestyckad styromriktare.

13

0

20

40

60

80

100

120

50 100 150 200 250 300

Huvudspänning [V]

Tra

nsf

orm

ator

strö

m [

A]

PWM

SVM

65

70

75

80

85

90

95

50 100 150 200 250 300

Huvudspänning [V]

Ver

knin

gsgr

ad [

%]

PWM

SVM

Resonant Icke-resonant

VSC kommutering

Figur 3.4: Transformatorstrommen (till vanster) och systemets verkningsgrad (till hoger)som funktion av styromriktarens huvudspanning.

Publikation IVControl Strategies for Mutually Commutated Converter Systems without CycloconverterTurn-off Capability

• Prototypen med tyristor-bestyckad styromriktare har framgangsrikt implementer-ats och olika kontrollstrategier har diskuterats. Matresultaten visar att driftengrundlaggande ar fullt mojlig som tankt, se Figur 3.5.

• Ett koncept foreslogs for att kunna anvanda den nyutvecklade s.k. “current clamp-ing control strategy”. For att noggrant kunna forutsaga det framtida stromforlop-pet behovs det exakta metoder for att kunna mata strommen och en modell avden kortslutna asynkrongeneratorn.

Publikation VComparative Study of Different HVDC Transmission Systems for Offshore Wind Farms

• Utforliga forlustmodeller har tagits fram for alla relevanta systemkomponenteri samarbete med industrin. Preliminara resultat pekar pa att den nya topologinhar omkring 1% lagre forluster an befintliga losningar [3], se Figur 3.6. Dettaar en avsevard forbattring med tanke pa att forlusterna vid nominell effekt i enkonventionell HVDC station fran ABB idag uppgar till 1.6 % [8]. Preliminara re-sultat i Figur 3.7 visar att det ar framforallt forlusterna fran den spanningsstyvaomriktaren och fran transformatorerna som i grova drag halveras. Forlusterna ivindkraftparkens kablar och i vindturbinenes omriktare okar daremot nagot.

• Kostnadsuppskattningar ar svara att genomfora, men alla tecken tyder pa att dennya topologin har avsevart lagre initialkostnader. Bland annat minskar kiselareanfor IGBT:erna med 30 % for samma effektiva pulstal och antalet IGBT:er minskartill en sjattedel, vilket minskar kostnaderna for drivkretsarna i samma utstrackn-ing [2]. Aven MF transformatorernas vikt och volym ar avsevart lagre an for 50 Hztransformatorer, vilket innebara en rejal kostnadsminskning.

14

Mellanfrekvenstransformator

Styromriktare

Spänningsstyv

omriktare (VSC)

0 5 10 15 20 25

-300

-200

-100

0

100

200

300

Tid [ms]

Huv

udsp

änni

ng [

V]

0 5 10 15 20 25-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tid [ms]

Str

öm [

A]

Figur 3.5: Fotografi av prototypen med tyristor-bestyckad styromriktare (till vanster)och matresultat vid av 20 % nominell effekt (till hoger).

50 75 100 125 150 175 200 2253

4

5

6

7

8

9

10

11

Överföringslängd [km]

För

lust

er [

%]

HVAC överföringKonventionell HVDC överföringNy HVDC topologi

Figur 3.6: Overforingsforluster for olika overforingsteknologier (200 MW vindkraftparkoch 8 m/s genomsnittsvindstyrka).

15

Trefas transformator

Trefas spännings-

styv omriktare

Dubbelt matad asynkrongenerator

Trefas spänningsstyv

omriktare

Enfas mellan-

frekvens

transformator

Enfas spännings-

styv omriktare

Mellanfrekvens

kablar

Trefas styromriktare

Kortsluten asynkrongenerator

0.38%0.3% 1.1% 0.21% 1.05% 1.05% 0.4% 4.11% 0.3%0.1%

1.2% 0.6% 0.44% 3.02%TOTAL:TOTAL:

Figur 3.7: Preliminara forluster i en 200 MW vindkraftpark med konventionell HVDCstation (vanster) eller den nya topologin (hoger) vid nominell effektgenerering.

Publikation VIDesign Considerations for Medium-Frequency Power Transformers in Offshore WindFarms

• Magnetiska, elektriska och termiska ekvationer for att designa torr-isolerade MFtransformatorer har tagits fram.

• En 3 MW mellanfrekvenstransformator som arbetar vid en frekvens av 500 Hz vagermindre an 700 kg och har en verkningsgrad pa upp till 99.4 %, se Figur 3.8. Dettakan jamforas med en trefas 50 Hz lagforlusttransformator (ABB Resibloc) medsamma effekt som har en verkningsgrad av 98.95 % och en vikt av 7 ton.

• Utforliga ekvationer for att kunna bestamma storleken pa lackinduktansen ochparasitara kapacitanser har tagits fram.

Publikation VIITransient Overvoltages in Single-phase Medium-frequency Wind Farm Collection Grids

• Simuleringsresultat har verifierats med hjalp av matningar pa ett nedgravd sjokabelhos ABB i Vasteras. Figur 3.9 visar en jamforelse mellan ett uppmatt och ettsimulerat stegsvar.

• Rekommendationer har tagits fram for hur mellanfrekvensnatet ska se ut och vilkaparametrar som ar viktiga for att kunna halla en rimlig niva av ringningar ochsamtidigt overfora tillrackligt med effekt.

16

Figur 3.8: 3MW 500 Hz MF transformator.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

−5 0 5 10 15

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 V 300 MHz

2GSa/s

162 m50 Ω 50 Ω

µr = 1.4 / ρ = 200 Ωm

Tid [µs]

Mätning

Simulering

Figur 3.9: Jamforelse mellan ett simulerat och ett uppmatt stegsvar.

17

4 Projektets maluppfyllelse

I detta kapitel belyses i vilken grad projektets fem mal har uppfyllts. For vart och ettav de fem malen har en ungefarlig uppskattning av maluppfyllelsen angivits i procent.Speciellt diskuteras vad eventuella avvikelser fran de uppsatta malen beror pa och vaddetta har for betydelse for projektets utgang.

4.1 Sankt elproduktionskostnad

Det forsta malet var att visa att det med den nya tekniken ar mojligt att avsevart sankaelproduktionskostnaden for vindkraftparker pa stort avstand fran en stark punkt i natet.

Maluppfyllelse: 95 %

Elproduktionskostnaden for vindkraftparker bestams av bade initialkostnaden ochforlusterna for effektomvandling och effektoverforing. Da man kan utga fran attinitialkostnaden blir lagre (se avsnitt 4.2), var det viktigt att rakna hur mycket lagreforlusterna blir med den nya topologin.I en studie av olika topologier for likstromsoverforing [V] bekraftades tidigare prelim-inara resultat [3] som visade att den nya topologin har avsevart lagre forluster.En osakerhetsfaktor ar fortfarande om forlustmodellerna haller i verkligheten, vilketbara kan verifieras pa en storskalig installation.

4.2 Lagre initialkostnad

Det andra malet var att visa att det ar mojligt att till lagre initialkostnad an idagrealisera effektomvandling och transmission for vindkraftparker pa stort avstand fran enstark punkt i natet.

Maluppfyllelse: 80 %

Kostnadsberakningar visar sig vara ytterst svara att genomfora pa ett tillforl-itligt satt, nar till och med industrin har svart att uppskatta vad olika losningar skullekosta. Darfor var det bara mojligt att fa indikativa varden av kostnaderna for olikakomponenter.I en studie av olika topologier for likstromsoverforing [V] visade vi att kostnadernafor den spanningsstyva omriktaren samt for transformatorerna kan sankas betydligt,samtidigt som kablarna inom vindparken och omriktaren som sitter i varje vindturbin

18

skulle orsaka jamforbara initialkostnader med dagens losningar.Overlag pekar allt pa att initialkostnaderna blir lagre med den nya topologin. For attexakt veta hur mycket lagre skulle det daremot behovas noggrannare undersokningartillsammans med tillverkarna.

4.3 Experimentell implementation

Det tredje malet var att visa att den nya tekniken fungerar experimentellt i ett fall medtva “vindkraftverk” med omvandlare bestyckade med tyristorer.

Maluppfyllelse: 80 %

Den nya tekniken fungerar experimentellt i en prototyp med en omvandlare bestyckadmed tyristorer [IV].Av tidsskal och pa grund av begransningar i det befintliga kontrollsystemet (FPGA ochDSP) var det tyvarr inte mojligt att implementera det andra “vindkraftverket”. Dettaanses dock inte vara ett storre bekymmer da det inte innebar nagra grundlaggandekomplikationer, vilket har verifierats med hjalp av simuleringar.

4.4 Konstruktion av mellanfrekvensnatet

Det fjarde malet var att visa att det gar att konstruera ett mellanfrekvensnat inomvindkraftparken som har en rimlig niva av ringningar och som kan overfora tillrackligeffekt for att systemet i sin helhelt blir avsevart battre an dagens alternativ.

Maluppfyllelse: 75 %

Nar man konstruerar mellanfrekvensnatet behover man ta hansyn till spanningsnivan,spanningsderivatan som bestamms av kommuteringen av den spanningsstyva omrik-taren, samt den elektriska karakteristiken av kablarna och transformatorerna. Hur mankonstruerar ett mellanfrekvensnat som har en rimlig niva av ringningar (lagre an 20 %overslang) och som kan overfora tillracklig effekt beskrivs i [VII].Trots att en del av simuleringarna har verifierats med matningar skulle det behovasen storskalig installation for att verkligen fa reda pa hur mellanfrekvensnatet skullebete sig exakt. Pa grund av att kabellangden mellan omriktarstationen och vindtur-binerna ar den huvudsakliga begransningen gar det inte heller att bygga allt for storavindkraftparker med den har topologin.

4.5 Kommutering av styromriktaren

Det femte malet var att visa att kommuteringen kan realiseras aven vid lag generering.

Maluppfyllelse: 100 %

19

Publikation [I] visar att kommuteringen kan realiseras med tyristorer och avenvid lag generering, vilket ar ett stort framsteg for den har typen av omsesidigtkommuterade omriktare. I den nya modulationsmetoden kontrollerar man aktivt tidensom tyristorerna ar blockerade vid stromnollgenomgangar.En grundforutsattning for att kommuteringen ska kunna realiseras vid lag genereringar att minst ett visst antal vindturbiner maste snurra for att strommen kan uppna detvarde som behovs for en framgangsrik kommutering av den spanningsstyva omriktaren.

20

5 Slutsatser

Projektet har kommit mycket langt i utvarderingen av en ny topologi for effektivaAC/DC omriktare till framtida havsbaserade vindkraftparker. Projektet har bade syftattill att overvinna tekniska hinder och att bekrafta topologins fordelar. Under projek-tets gang har man hittat losningar till foljande principiella tekniska hinder vad betraffardenna sorts omriktartopologi:

• Kommutering av den tyristor-bestyckade styromriktaren, speciellt aven vid laggenerering.

• Konstruktion av mellanfrekvensnatet.

• Experimentell implementering i form av en 40 kVA prototyp.

Dessutom har topologins fordelar gentemot konventionella losningar for lik-stromsoverforing bekraftats. Dessa fordelar ar:

• Sankt elproduktionskostnad.

• Lagre initialkostnad.

• Lagre forluster.

De metoder som anvants var analytiska berakningar, numeriska simuleringar ochexperimentell verksamhet i laboratoriet.

Slutsatsen ar att den nya topologin for effektiva AC/DC omriktare underlattaretablering av framtida havsbaserade vindkraftparker. Den ar sarskilt lampad forvindkraftparker pa stort avstand fran en stark punkt i natet. Den nya topologinbidrar till att minska overforingslangden dar likstromsoverforing blir mer fordelaktig anvaxelstromsoverforing.

5.1 Fortsattning

Det ar ett naturligt forsta steg i implementeringen att forst studera en kompaktomsesidgt kommuterad mellanfrekvensomriktare enligt Figur 5.1. Detta skulle innebaraatt man ersatte trefas omriktaren och trefas transformatorn i en konventionell omrik-tarstation med en enfas omriktare, en enfas MF transformator och en trefas styromrik-tare.Just nu ar det ABB som har borjat med en ingaende systemstudie om den topologinsom visas i Figur 5.1. Detta ar ett viktigt erkannande fran industrin att man ser att denforeslagna topologin kommer att underlatta nyetablering a vindkraft framover.

21

Trefas spännings-

styv omriktare

Dubbelt matad asynkrongenerator

Enfas spänningsstyv omriktare Trefas styromriktare

MF

transformator

Figur 5.1: Kompakt omsesidigt kommuterad mellanfrekvensomriktare.

22

Forkortningar

ABB Asea Brown BoveriAC Alternating Current (“vaxelstrom”)DC Direct Current (“likstrom”)DSP Digital Signal Processor (“digital signalprocessor”)EPE European Conference on Power Electronics and ApplicationsFPGA Field Programmable Gate ArrayHV DC High Voltage Direct Current (“hogspand likstrom”)IGBT Insulated Gate Bipolar TransistorKTH Kungliga Tekniska HogskolanMF Medium Frequency (“mellanfrekvens”)PESC Power Electronics Specialists ConferencePSCAD Power Systems Computer Aided DesignPWM Pulse Width Modulation (“pulslangsdmodulering”)SV M Space Vector Modulation (“vektormodulering”)V SC Voltage Source Converter (“spanningsstyv omriktare”)

23

Litteraturforteckning

[1] S. Meier, S. Norrga, and H.-P. Nee, “New topology for more efficient AC/DC con-verters for future offshore wind farms,” in Proceedings of the 4th Nordic Workshopon Power and Industrial Electronics, Norpie ’04, Trondheim, Norway, June 2004.

[2] S. Meier, S. Norrga, and H.-P. Nee, “New Voltage Source Converter Topology forHVDC Grid Connection of Offshore Wind Farms,” in Proceedings of the 11th Inter-national Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC ’04, Riga,Latvia, September 2004.

[3] S. Meier and P. Kjær, “Benchmark of Annual Energy Production for Different WindFarm Topologies,” in Proceedings of the 36th Annual Power Electronics SpecialistsConference, PESC ’05, Recife, Brazil, June 2005.

[4] S. Meier, “Novel Voltage Source Converter based HVDC Transmission System forOffshore Wind Farms.” Licentiate thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm,Sweden, December 2005.

[5] Statens energimyndighet (STEM), “Energi i medvind. Syntesrapport over vindkrafts-forskningen i Sverige.” ET 2005:27, Eskilstuna.

[6] Z. Shuang, “Mutually commutated converter equipped with thyristor-based cyclocon-verter,” Master’s thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden,2008.

[7] AQ Trafo AB. http://www.aqtrafo.se.

[8] ABB AB, “Its time to connect - Technical description of HVDC Light technology,”Tech. Rep. rev. 5, March 2008.

24