Synkronkompensatorer för nätflexibilitet

Foto: ABB

Synkronkompensatorer var allmänt förekommande i kraftnäten förr i världen, men denna traditionella teknik gör nu comeback för att stödja övergången till förnybar energi. Heikki Vepsäläinen, ABB intervjuas av Energy Engineering.

bild
Solarfarm Darlington. Foto: ABB

Energy Engineering: Vad är en synkronkompensator?

Heikki Vepsälänen: En synkronkompensator är en synkron maskin. Men det är inte en motor eftersom den inte driver någonting. Och det är inte en generator eftersom den inte har någonting som driver den. I stället är det en stor, roterande elektrisk maskin som traditionellt har använts för att generera reaktiv effekt och balansera ut stora induktiva laster som elektriska motorer. Typiska användare av synkronkompensatorer var kraftföretag och tung industri som arbetar med transmissions-, distributions- eller industriella kraftnät.

Eng: Varför blev det omodernt med synkronkompensatorer?

HV: Även om synkronkompensatorer förr var allmänt förekommande i kraftnät, blev de mindre populära från 60-talet och framåt. Det beror på att deras tidigare uppgift att generera reaktiv effektkompensering nu hanteras mer effektivt av modern, halvledarbaserad utrustning.

Eng: Vilka är utmaningarna för kraftnäten idag som har gjort att de går tillbaka till synkronkompensatorer?

HV: Stora, fossildrivna generatorer världen över tas ur drift som ett led i att motverka den globala uppvärmningen. Samtidigt ökar andelen förnybara energikällor, främst vind- och solkraft.

Utmaningen består i att dessa förnybara energikällor inte har det tröghetsmoment som kraftnätsoperatörerna förlitar sig på för att hålla elnätet stabilt.

Kraftnäten utvecklas som ett svar på dessa förändringar. Så i stället för en centraliserad konfiguration som har fyllt sin uppgift väl i mer än hundra år, kommer framtidens kraftnät troligen att se helt annorlunda ut.

Anläggningar för generering av förnybar energi är ofta lokaliserade i områden med svaga nät, och de styrs av frekvensomriktare eller använder växelriktare för att omvandla likström till växelström för kraftnätet. Kombinationen av decentraliserade, svaga nät och syntetiserad effekt kan medföra stabilitetsproblem på grund av de förnybara kraftkällornas begränsade rotationsenergi eller tröghetsreserv.

Eng: På vad sätt gör synkronkompensatorer kraftnäten mer flexibla?

HV: Kraftnätens förändrade struktur och problemen med tröghetsförlust har ökat intresset för möjligheterna med synkronkompensatorer. Tekniken imiterar driften av stora kol- eller gasdrivna generatorer genom att tillhandahålla en alternativ roterande tröghetskälla som stabiliserar nätet. Precis som stora maskiner kan synkronkompensatorer både leverera och absorbera reaktiv effekt och bidra med spänningsstöd och dynamisk reglering.

I korthet – tekniken tillåter fler förnybara energikällor att anslutas till kraftnätet.

Synkronkompensatorerna Precis som stora maskiner kan synkronkompensatorer både leverera och absorbera reaktiv effekt och bidra med spänningsstöd och dynamisk reglering.

I korthet – tekniken tillåter fler förnybara energikällor att anslutas till kraftnätet. Synkronkompensatorerna hjälper till att bibehålla spänningskvaliteten och representerar den säkraste lösningen på att minska allvarliga fel eller förstärka ett svagt nät.

Synkronkompensatorer skräddarsys utifrån nätstudier av den specifika plats där nätet behöver stödjas. Det möjliggör framtagning av prekonfigurerade synkronkompensatorpaket som är lätta att transportera, installera, driftsätta och integrera. Det rör sig om små eller medelstora enheter som kan placeras strategiskt för optimala resultat – och utgöra en perfekt, decentraliserad lösning på att öka nätets styrka och stabilitet.

Eng: Är dagens synkronkompensatorer samma som förra seklets?

HV: Det finns stora likheter mellan moderna synkronkompensatorer och de som användes för 60 år sedan. Den största skillnaden är att de enheter vi levererar idag har fördelen av en modern design. Det gör dem mindre och enklare och så flexibla att de kan installeras nästan överallt. De drar också fördel av modern styr- och kommunikationsteknik och lågt underhållsbehov. Av redundansskäl installeras synkronkompensatorer vanligen som två eller flera mindre enheter i stället för en stor.

Eng: Kan du berätta om ett aktuellt projekt där synkronkompensatorer nyligen har kommit till användning?

HV: I februari 2021 tecknade ABB ett avtal med Statkraft, Europas största producent av förnybar energi, om att konstruera, tillverka och installera två synkronkompensatorer med hög masströghet för Lister Drive Greener Grid-parken i Liverpool i England. Det innovativa projektet, har en central roll i att stabilisera det lokala kraftnätet för att hantera ökade mängder vind- och solkraft. Det kommer att hjälpa UK National Grid att uppnå sitt mål att driva ett elsystem utan koldioxidutsläpp till 2025.

Projektet är det första som ABB levererar med en högtröghetskonfiguration.

Det kombinerar två synkronkompensatorer på 67 MVAr vardera med varsitt 40 tons svänghjul som ökar den omedelbart tillgängliga masströgheten med 3,5 gånger.

Med tanke på behovet att säkerställa ständig tillgänglighet för detta kritiska system har Statkraft undertecknat ett 10-årigt serviceavtal med ABB. Det Statkraft i praktiken köper är en garanterad tillgänglighetsnivå där underhållet ingår. Digitala lösningar för tillståndsövervakning kommer att utnyttjas för att optimera prestanda och förutsäga underhållsbehov. Genom att utvärdera realtidsdata med molnbaserad analys kan underhållsteamet planera avhjälpande åtgärder innan problem uppstår, vilket säkerställer systemets tillförlitlighet. Resultatet är en utfallsbaserad affärsmodell. Denna nya affärsmodell, även kallad XaaS (allt som en tjänst) är redan väletablerad inom andra sektorer. Tillverkningsindustrin befinner sig bara några steg bort från en omställning, och vi gläds åt att vara tidiga med att leverera denna modell till Statkraft.

Eng: Hur viktiga kommer synkronkompensatorer att bli för världens kraftnät?

HV: De båda synkronkompensatorerna för Lister Drive i Liverpool ger tillsammans mer än 900 MWs (megawattsekunder) tröghetsmoment. För att sätta det i ett sammanhang kan det jämföras med siffran för hela Storbritannien som för närvarande är ca 220 GWs (gigawattsekunder). Därmed kommer Lister Drive att svara för ca 0,5 procent av Storbritanniens totala tröghetsmoment.

Det kan förefalla ganska litet. Men i takt med att de traditionella kraftverken tas ur drift och förnybar energi tillkommer, blir synkronkompensatorer allt viktigare för att bibehålla nätstabiliteten. Synkronkompensatorer används redan nu för att förstärka kraftnäten i Australien, Kanada och Skottland, och vi förväntar oss att andra kraftnätsoperatörer världen över kommer att titta på denna teknik då omställningen till grönare energi fortskrider.

Intervjun med Heikki Vepsäläinen är gjord av Energy Engineering