Forenklet elektrisk brems for vannkraftverk ved åpen statormetodikk

Abstract

I 2021 publiserte Statnett en nasjonal veileder (NVF), denne stiller krav om synkrone produksjonsenheters funksjonalitet samt hvordan kravene kan oppfylles. Flere eldre vannkraftverk har ingen bremsesystemer installert og har dermed lang stopptid, dette medfører at enkelte produksjonsenheter ikke oppfyller den nasjonale veilederen. Fremtidige endringer av driftsmønster vil føre til økt antall start- og stoppforløp.

I denne rapporten studeres ulike metoder for stopp av vannkraftverk. Primært undersøkes en metode som opprettholder klemmespenningen ved å ikke koble ut feltbryter når vannveien stenges. I metoden utnyttes jern og magnetiseringstap som ekstra bremsemoment til å redusere stopptiden. Denne metoden kalles for "åpen statormetodikk". Nåværende bremsemetoder er "kortsluttet statormetodikk" og "fri spinn". Kortsluttet statormetodikk innebærer et eksternt bremsesystem som kortslutter statoren for å fremprovosere et bremsemoment. Under metoden fri spinn vil kun mekanisk friksjon stå for bremsemomentet.

Det er benyttet en kombinasjon av Matlab, Simulink og Excel til å fremstille en modell som kan beregne stopptid for vannkraftverk med peltonturbiner. Modellen beregner stopptid for de overnevnte stoppmetodene og er basert på tekniske data fra et kraftverk. I oppgaven fremstilles en prosentvis andel av de forskjellige tapene, samt tidsbesparelsen andelen utgjør ved de ulike metodene. Modellen er ikke testet i et praktisk forsøk, verken i laboratorieforsøk eller i skarp test. Den tar ikke hensyn til påvirkningen synkende frekvens har på magnetiseringstransformatoren eller effekten av ujevn feltspenning ved lav frekvens. Modellen er også basert på få anlegg og kan derfor inneholde uforutsette feil.

Resultatene viser at et større pelton anlegg kan gå fra 70 minutter stopptid med fri spinn til 31 minutter ved å ta i bruk åpen statormetodikk. Dette tilsvarer en reduksjon på 55%. Kortsluttet statormetodikk for samme anlegg gir en stopptid på 12 minutter og en reduksjon på 82%. Et mindre pelton anlegg kan gå fra 40 minutters stopptid med fri spinn til 34 minutter med åpen statormetodikk. En 14% reduksjon. På dette anlegget er det estimert en stopptid på 9 minutter som tilsvarer en reduksjon på 77% ved bruk av kortsluttet statormetodikk.

Åpen statormetodikk kan dermed i visse tilfeller være et alternativ til tradisjonell elektrisk brems. Modellen viser at i anlegg med høy andel jern- og magnetiseringstap er forbedringspotensialet størst, derimot har anlegg med mindre andel en mindre fortjeneste. Åpen statormetodikk mister en del av sin bremseeffekt ved lave turtall, og det er dermed fordelaktig å installere en mekanisk brems for å redusere tiden av bremseforløpet. Det anbefales å undersøke grundigere de antagelsene som er gjort i dette prosjektet. Videre bør det følges opp med et praktisk forsøk på et reelt anlegg for å verifisere resultatene og konklusjonen. Prosjektets mål er å anse som nådd og resultatet legger godt til rette for å oppfylle de veiledende kravene gitt i NVF og imøtekomme driftsendringer i kraftproduksjonsmarkedet.

In 2021 Statnett published a guide (NVF), which sets requirements for the functionality of synchronous production units and how the requirements can be met. Several older hydropower plants have no braking systems installed and have a long stop process, which means that some production units do not comply with the guide. Future changes in operating patterns will lead to an increased number of start and stop processes. In this report various methods for stopping hydropower plants has been studied. Primarily, a method is investigated that maintains the terminal voltage by keeping the field switch closed when the drain valve is shut. The method uses iron- and magnetization-losses as extra braking torque to reduce the stopping time. This method is called "open stator methodology". Existing braking methods are "short-circuited stator methodology" and "free spin". Short-circuited stator methodology involves an external braking system that short-circuits the stator to produce a braking torque. Under the free spin method, only mechanical friction will account for the braking torque.

A combination of Matlab, Simulink and Excel has been used to produce a model that can calculate stop time for hydropower plants with Pelton turbines. The model calculates the stopping time for the above-mentioned stopping methods and is based on technical data from a power plant. The technical data found in this thesis is given in the percentage of the various losses, as well as the time savings the share makes up by the various methods. The model has not been tested in a practical experiment, neither in laboratory experiments nor in a sharp test. It does not consider the effect of decreasing frequency on the excitation transformer or the effect of uneven field voltage at low frequency. The model is also based on few plants and may therefore contain unforeseen errors.

The results show that a larger Pelton plant will go from 70 minutes with free spin to 31 minutes by using open stator methodology. This corresponds to a reduction in stoptime of 55%. Short-circuited stator methodology for the same system gives a stop time of 12 minutes and a reduction in stop time of 82%. A smaller Pelton system will go from 40 minutes free spin stop time to 34 minutes with open stator methodology. A 14% reduction. At this plant, a break time of 9 minutes is estimated, which corresponds to a reduction of 77% when using short-circuited stator methodology.

Open stator methodology can thus in certain cases be an alternative to traditional electric braking. The model shows that in plants with a high proportion of iron and magnetization losses, the potential for improvement is greatest, whereas plants with a smaller proportion have a smaller profit. Open stator methodology loses part of its braking effect at low speeds, and it is thus advantageous to install a mechanical brake to reduce the time of the braking process. It is recommended to further examine the assumptions made in this project. Furthermore, it should be followed up with a practical testing at a real facility to verify the results and the conclusion. The aim of the project is considered achieved and facilitates good conditions for meeting the guideline given in NVF and meeting operational changes in the power production market.