An In-Depth Study of Calculation Models for Hydro-Generators: Quantifying the Impact of the Energy Transition

Abstract

Dette prosjektets bakgrunn er den verdensomspennende energiomstillingen som utnytter vannkraftverkenes operative fleksibilitet for å utvide integrasjonen av fornybare energikilder. Denne epoken og fremtidige operative regimer vil være mye mer fleksible. Dette betyr at dagens generatorer og fremtidige generatorer vil måtte operere i regimer langt borte fra deres designet formål. Denne rapporten presenterer to beregningsmodeller og to forskjellige vannkraftsgeneratorer.

Den første generatoren er en vannkraftsgenerator i et elvekraftverk i Brasil. Den andre generatoren er en vannkraftsgenerator i Norge som heter Åbjøra. Den første generatoren brukes som et eksempel for å illustrere de forskjellige metodene og prosedyrene som brukes for å beregne meningsnivået, virkningsgradskurver, totale energitapskurver, totalt energitap (TEL) og total energiproduksjon (TEP). Denne rapporten presenterer to beregningsmodeller kalt vektet gjennomsnittlig virkningsgrad (WAE) og akkumulert gjennomsnittlig virkningsgrad (AAE). Denne rapporten presenterer også et enkelt eksempel som sammenligner de to beregningsmodellene for tre forskjellige lastepunkter. I tillegg til dette sammenlignes beregningsmodellene ved hjelp av mer komplekse datasett, der beregningsmodellene sammenlignes ved hjelp av tre forskjellige lastfordelinger. Resultatet var at AAE, var bedre enn beregningsmodellen WAE for alle de forskjellige lastfordelingene som ble undersøkt. Forskjellen mellom beregningsmodellene er som følger. Den konsentrerte lastfordelingen gir en forskjell på 0,67%, den jevne lastfordelingen gir en forskjell på 1,43% og den synkrone kondensatorfordelingen gir en differanse på 33,18%.

Denne rapporten fokuserer hovedsakelig på en grundig studie av den norske vannkraftsgeneratoren Åbjøra. Hovedproblemet med beregningsmodellen WAE er at den gir lav virkningsgrad når generatoren drives som en synkron kondensator i relativt lange perioder, under den årlige produksjonen. Dette ble illustrert ved hjelp av en kunstig fremstilt lastfordeling. Som etterligner en faktisk synkron kondensordistribusjon som den i Bortoni’s tekniske rapport [1].

Oppsummert presenterer denne rapporten et forslag om ikke bare å beregne effektiviteten på det nominelle punktet, men vurderer alle lastepunktene og evaluerer WAE og AAE. Et histogram over diskrete lastepunkter er konstruert for de to eksisterende generatorene, et estimat av varigheten av lastepunktene og prosentandelen av tiden hvor hvert lastepunkt blir forklart og illustrert. Årsaken til at generatoren opererer ved forskjellige lastepunkter enn det nominelle punktet, skyldes den økende forekomsten av fornybare energikilder. Integreringen av fornybare energikilder tvinger konvensjonelle kraftverk som vannkraftsgeneratorer til å være mer fleksible i sitt driftsområde. Dette betyr at hele lastfordelingen må tas i betraktning i stedet for å vurdere virkningsgraden for et enkelt lastpunkt.

This project's background is the worldwide energy transition that takes advantage of the hydropower plant's operational flexibility to extend the integration of renewable energy sources. This era and future operational regimes will be much more flexible. This means that today's generators and future generators will have to operate in regimes far away from their designed condition. This report presents two calculation models and two distinct hydro generators.

The first generator is a hydro generator in a Furnas power plant in Brazil. The second generator is a hydro generator in Norway called Åbjøra. The first generator is used as an example to illustrate the different methods and procedures used for calculating the saturation level, iso-efficiency curves, total energy loss curves, total energy loss (TEL), and total energy production (TEP). This report presents two calculation models called weighted average efficiency (WAE) and accumulated average efficiency (AAE). This report also presents a simple worked example that compares the two calculation models for three different loading points. In addition to this, the calculation models are compared using more complex data sets, where the calculation models are compared using three different load distributions. The result was that the AAE superseded the calculation model WAE for all the different load distributions investigated. The difference between the calculation models is as follows. The concentrated load distribution gives a difference of 0.67 %, the uniform load distribution gives a difference of 1.43 % and the synchronous condenser load distribution gives a difference of 33.18 %.

This report focuses mainly on an in-depth study of the Norwegian hydro generator Åbjøra. The main issue with the calculation model WAE is that it gives a low efficiency when the generator is operated as a synchronous condenser for relatively long periods, during its yearly production. This was illustrated using an artificially made load distribution. That mimics an actual synchronous condenser distribution like the one in Bortoni's technical report [1].

In summary, this report presents a proposal of not only calculating the efficiency at the rated point but considers all the loading points and in doing so evaluates the WAE and AAE. A histogram of discrete loading points is constructed for the two existing generators, an estimate of the duration of loading points and the percentage of time by which each loading point operates is deduced and illustrated. The reason that the generator operates at different loading points than the rated point, is due to the increasing prevalence of renewable energy sources. The integration of renewable energy sources forces conventional power plants like hydro generators to be more flexible in their operating range. This means that the entire load distribution must be taken into account instead of considering the efficiency at a single point.