Load Flow Analysis of Yggdrasil Power from Shore: Impact of Temperature Distribution in HVAC Subsea Cables

Abstract

Yggdrasil er et nytt oljefelt med planlagt produksjonsstart i 2027. Området er designet for å bli forsynt med kraft fra land gjennom høyspennings vekselstrøms sjøkabler [1]. Tap i sjøkabler er temperaturavhengig og varierer ut ifra temperaturdistribusjonen i kabelen. En tidligere lastflytstudie av kraft fra land systemet ble utført med maksimal kabeltemperatur på 90°C ved design last og stabil tilstand. Studien resulterte i en systemeffektivitet på 88% [2]. Formålet med denne rapporten er å lage en representativ modell av overføringssystemet og inkludere kabelens temperaturavhengige variabler i en ny lastflytanalyse. Hovedmålet er å identifisere en mer nøyaktig temperaturdistribusjon i kablene og vurdere påvirkningen dette har på systemytelsen. I tillegg er en motivasjon for oppgaven å finne tiltak som kan bidra til å nå effektivitetsmålet på 90%.

Programvaren DIgSILNET PowerFactory ble brukt for modellering og gjennomføring av lastflytanalysen. Telegrapher’s likninger ble brukt for å kalkulere strøm- og spenningsprofilene til kablene. Den Internasjonale Elektrotekniske Kommisjon standarden 60287-1-1 ble brukt for å beregne en mer nøyaktig temperaturdistribusjon [3].

Temperaturkalkulasjonene for sjøkablene resulterte i en temperaturvariasjon som for det meste lå imellom 50°C og 80°C. Lastflytanalysen med korrigerte kabeltemperaturer resulterte i en tapsreduksjon på 0.892 MW og 0.593% høyere effektivitet. En økning av spenningsnivået på 1 kV ved lasten førte til enda en effektivitetsøkning på 0.08%. En konsekvens av spenningsøkningen er at kabeltemperaturen overstiger 90°C ved landtaket i Årskog.

Resultatene fra rapporten viser viktigheten av temperaturkorreksjon i lange sjøkabler når man analyserer kraft fra land overføringssystemer. På grunn av høye strømmer i kompenseringsstasjonen er det ikke anbefalt å øke spenningen ved lasten. For å nå effektivitetsmålet på 90% må det utforskes andre tiltak for å redusere tap.

Yggdrasil is a new oil field with planned production start-up in 2027. The area is designed to be supplied with power from shore through high voltage alternating current (HVAC) subsea cables [1]. Losses in HVAC cables are temperature dependent and vary along with the temperature distribution in the cable. A previous load flow study of the Yggdrasil Power from Shore (PfS) transmission system was conducted with the cables operating at maximum temperature of 90°C during design load and steady state. The study resulted in a system efficiency of 88% [2]. The purpose of this report is to make a representative model of the PfS system and include the cable’s temperature dependent variables in a new load flow analysis. The main goal of the assignment is to identify a more accurate temperature distribution in the cables and assess the impact this has on the system performance. In addition, a motivation for the assignment is to find measures which can contribute to reach the efficiency goal of 90%.

The software DIgSILENT PowerFactory was used for modelling and conducting the load flow analysis. To calculate the current and voltage distribution of the HVAC cables, Telegrapher’s equations were utilized. A more accurate temperature distribution was calculated by using the International Electrotechnical Commission standard 60287-1-1 [3].

Temperature calculations resulted in operating temperatures varying for the most part between 50°C and 80°C for the subsea cables. The load flow analysis with corrected cable temperatures resulted in a loss reduction of 0.892 MW and 0.593% higher efficiency. Increasing the voltage level by 1 kV at the load resulted in an additional efficiency increase of 0.08%. A consequence of increasing the voltage is that the cable temperature exceeds 90°C at the landfall in Årskog, which is not permissible.

The results in this report showcase the significance of temperature correction in long HVAC subsea cables when analyzing power from shore transmission systems. Due to high current in the compensation station, a voltage increase at the load is not recommended. If the system efficiency goal of 90% is to be reached, it is necessary to explore other measures to reduce losses.