Analyse av tekniske og økonomiske muligheter for ombygging av eksisterende pumpekraftverk til variabelt turtall: med Aurland 3 som eksempel

Abstract

Implementeringen av flere ukontrollerbare kraftkilder har ført til mer ustabile strømpriser og et økt behov for reguleringstjenester. Variabelt turtall pumpekraftverk VTPKV bidrar til bedre samspill mellom ukontrollerbare kilder som sol- og vindenergi og nettstabilitet, ved å lagre overskuddsenergi når produksjonen er høy, samt starte produksjon raskt ved behov. Denne oppgaven gjennomgår generell teori om kraftmarked, pumpekraftverk, omformerto- pologier og roterende elektriske maskiner. Mulige løsninger med omformere for pumpe- kraftverk presenteres, hvor tre av løsningene synkronmaskin kombinert med enten Di- rect Modular Multilevel Converter, Active Neutral Point Clamped eller Indirect Modular Multilevel Converter vurderes som aktuelle for ombygging av Aurland 3. Kostnadsestimater for de ulike løsningene presenteres. I-MMC fremstår som den rimeligs- te løsningen, mens A-NPC er den dyreste. Potensielle inntekter ved ombygging kommer hovedsakelig fra deltagelse i spotmarkedet og reservekraftmarkeder. Ombyggingen kan gi økt effektivitet, flere mulige start/stopp-operasjoner, samt raskere overgang mellom tur- bindrift og pumpedrift. Dette kan gi høyere inntekter, spesielt i mFRR og spotmarkedet. Oppgavens konklusjon viser at ombygging til variabelt turtall er teknisk gjennomførbart og kan gi økt fleksibilitet og lønnsomhet for Aurland 3. Den foretrukne løsningen er Direct Modular Multilevel Converter (D-MMC), grunnet høy effektivitet, lav harmonisk forvrengning og høyt startmomen

The integration of an increasing number of uncontrollable renewable powersources has led to more volatile electricity prices and a greater need for balancing services. A variable- speed pumped storage power plant (VSPP) contributes to better coordination between intermittent sources such as solar and wind energy and grid stability by storing excess energy when production is high and rapidly starting generation when needed. This thesis reviews general theory related to electricity markets, pumped storage power plants, converter topologies, and rotating electrical machines. Possible converter-based solutions for pumped storage are presented, and three solutions based on a converter fed synchronous machine combined either with an Direct Modular Multilevel Converter, Active Neutral Point Clamped or Indirect Modular Multilevel Converter Cost estimates for the different solutions are presented. The I-MMC appears to be the least expensive option, while the A-NPC is the most costly. Potential revenues from the conversion mainly stem from participation in the spotmarket and ancillary servicemarkets. The upgrade may increase efficiency, allow for more frequent start/stop operations, and enable faster switching between turbine and pump operation. This can result in higher revenues, particularly in the mFRR and spot markets. The conclusion of the thesis indicates that conversion to variable-speed operation is tech- nically feasible and can improve both the flexibility and profitability of Aurland 3. The preferred solution is the D-MMC, due to its high efficiency, low harmonic distortion, and high starting torque.