Electric Power Transmission and Distribution Systems
Laszlo Prikler Department of Electric Power Engineering Power Systems & Environment Group E-mail:
[email protected]
Villamos Energia • • • •
Termelés Szállítás Elosztás Felhasználás
18 September 2009
2
Primer energiaforrás típusok a) Kimerülő • •
Szerves, fosszilis Nukleáris
b) Megújuló • Napenergia
sugárzás
Hasadó (Fúziós)
Közvetlen fotoszintézis
Közvetett szél felszíni folyamatok
• Égitestek mozgása
Árapály
• Izomerő 18 September 2009
3
Primer hajtóeszközök fajlagos súlyának alakulása
18 September 2009
4
Some characteristics of electric power systems • Electric power systems are real time energy delivery systems: – Power is generated, transported and supplied the moment we turn on the light switch – Generators must produce the energy as the demand calls for it.
• Electric power systems are NOT storage systems like water and gas systems • Real energy must be transmitted through wires, which makes a difference comparing to the „information” delivery transportation systems like wired or wireless telecom, cable TV or Internet 18 September 2009
5
Basic structure of electric system (1)
18 September 2009
6
Basic structure of electric system (2)
Source: http://www.nerc.com
részarány a végső energiafelhasználásban, %
18 September 2009
7
iparban
háztartásban
szolgáltatásban
összesen
80% 70% 57%
60% 48%
50%
38%
40% 30%
32% 25%
27%
22%
20%
20% 10% 0%
2002-ben
múlt
18 September 2009
2030-ban
jövő
8
primerenergia-részarány, %
szén
olaj
gáz
atom
víz
megújulók
50% 40%
38% 33% 29%
30%
???
23%
Lesz ez több is!
18%
20%
15%
13%
10%
11% 10%
6% 3%
2%
0%
18 September 2009
2002-ben
2030-ban
múlt
jövő
9
Brief history of electrification (1) • Early 1880s – Edison introduced DC system in Manhattan • 1885 – Invention of transformer • Mid 1880s – Westinghouse/Tesla introduce AC system. • 1893 – First 3-phase transmission line operating at 2.3 kV • 1896 – AC lines deliver electricity from hydro generation at Niagara Falls to Buffalo, 20 miles away 18 September 2009
10
Brief history of electrification (2) • • • •
AC (alternating current) or DC (direct current)? Parallel or series connection? Single phase or multiple phase system? Things settled: – Current system is 3-phase AC (with some exceptions) operating at constant frequency (50 or 60 Hz) – 3 phase conductors + ground wire(s) for high voltage transmission – 3 phase conductors with or w/o ground wire at MV distribution system – 3 phase conductors + neutral wire at low voltage distribution operating at ~240V or ~120V – Electrical systems nowadays are highly interconnected.
18 September 2009
Electric Power Generation
11
Voltage, current and power in 3-phase AC systems
Instantaneous voltage, current and power, real power, reactive power, apparent power
u (t ) = U m ⋅ cos(ωt + 0) = 2 U ⋅ cos(ωt + 0) i (t ) = I m ⋅ cos(ωt − ϕ ) = 2 I ⋅ cos(ωt − ϕ ) p( t ) = u( t ) ⋅ i( t ) = U ⋅ I ⋅ cos( ωt ) ⋅ cos( ωt − ϕ ) p(t)= UI cosϕ + UI (cos(2ω t - ϕ)) = UI cosϕ (1+ cos(2ω t ))+ +UI sinϕ sin(2ω t ) = P (1+ cos(2ω t )) + Q sin(2ω t ) (instantaneous apparent power / látszólagos teljesítmény)
P = UI cosϕ (real power / hatásos teljesítmény) 18 September 2009
Q = UI sinϕ (reactive power / meddő teljesítmény)
Turbine – generator unit 18 September 2009 Paks Nuclear Power Plant, HU
13
14
Stator windings of a 500 MW hydro generator
18 September 2009
15
660MW-os turbógenerátor állórész
18 September 2009
16
200MW-os generátor forgórész 18 September 2009
17
25%
USA
10%
China
7%
Japan
contribution to world total
6%
Russia Canada
4%
India
4%
Germany
4%
France
4%
UK
2%
Brazil
2% 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Electric energy production, TWh 18 September 2009 Source: IEA: World Energy Outlook 2004
18 In 2002
Built in capacity of generators, GW
coal
oil
gas
nuclear
hydro
renewable
1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
2002
18 September 2009 Source: IEA World Energy Outlook 2004
2010
2020
2030
19
Az erőműpark várható összetétele (Magyarország)
18 September 2009
20
18 September 2009
21
Az erőmű és környezete
18 September 2009
22
18 September 2009
23
A Mátrai Erőmű Rt. - Visonta
18 September 2009
24
18 September 2009
25
A fosszilis tüzelõanyag felhasználásból származó szén-dioxid kibocsátás alakulása szektoronként. 100000,00
mezõ,erdõ,vízgazd. ipar hõközpontok
90000,00
erõművek közlekedés szolgáltatás
80000,00
lakosság
70000,00
millió tonna
60000,00 50000,00 40000,00 30000,00 20000,00 10000,00 0,00 1980
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
év
18 September 2009
26
széndioxid-emisszió, M t/év
5,000
erő- és fűtőmű egyéb szektor
ipar veszteségek
közlekedés nem energetikai
4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0
2002
2010
18 September 2009
2020
2030
27
Szilárd szennyezők, porok
• • •
Veszélyes mérete: 0,1-10 μm Erőműből pernye és hamu formájában Szinte teljesen kiszűrhető A legapróbb szemcsék kötik meg a nehézfémeket, veszélyes anyagokat
250
Földgáz Folyékony Szén Lignit
200
Kibocsátás (ezer tonna)
•
Szilárd szennyezőanyag-kibocsátás alakulása a Mátrai és MVM összes erőműben
150
100
50
0
1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Év
18 September 2009
28
A Nitrogén-oxidok NOx kibocsátás alakulása a Mátrai és MVM összes erőművében
•
•
•
Ide tartozik a NOx (NO és 70 NO2) és N2O 60 Mindhárom erősíti az üvegházhatást, az N2O 50 különösen káros Háromféle keletkezés 40 lehetséges: prompt,termikus és a 30 tüzelőanyagból 20 Csökkentése jó beállítással vagy alacsony NOx égőkkel 10
Földgáz Folyékony Szén Lignit
Kibocsátás (ezer tonna)
•
0 1970
1975
1980
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Év
18 September 2009
29
A füstgáz-kéntelenítő • • • •
Nedves technolgiájú Mészkőből gipszet állít elő Hatásfoka 97 % Kiszűri a legapróbb por egy részét, és ezzel rengeteg nehézfémet és toxikus anyagot
18 September 2009
30
18 September 2009
31
18 September 2009
32
18 September 2009
33
18 September 2009
34
18 September 2009
35
Kapcsolt villamosenergia termelés kiserőműben PG
100 %
T
G
M
V N
GÁZMOTOR PV
H
40 % MELEGVÍZ
P MV
60 %
VIP3.
18 September 2009
36
18 September 2009
nagyerőmű (≥50 MW) kiserőmű (<50 MW) 37
Villamos energiatermelés megújulókból. Szélerőművek.
18 September 2009
38
18 September 2009
39
Szélerőműparkok beépített teljesítménye [MW] és a megtermelt villamos energia [GWh] Mo.-n
18 September 2009
40
A VILLAMOS TELJESÍTMÉNY SZÉLSEBESSÉG FÜGGVÉNY ⇑ VILLAMOS TELJESÍTMÉNY [kW], ⇒ SZÉLSEBESSÉG [m/s]
2.5 és 3 MW névleges teljesítményű szélturbina teljesítmény-jelleggörbéje 18 September 2009
41
A SZÉLSEBESSÉG RELATÍV GYAKORISÁGA
12 %
A szélsebesség relatív gyakorisága januárban A föld feletti magasság = 60 m
10 % 8% 6% 4% 2% m/s 0% W6.
0,0 0,9
1,0 2,0 3,0 1,9 2,9 3,9
4,0 4,9
18 September 2009
5,0 5,9
6,0 6,9
7,0 7,9
8,0 8,9
9,0 10, 9,9 10,9
11, 12, 13, 14, 15, 16, 11,9 12,9 13,9 14,9 15,9 16,9
42 42
A napelemek használatának irányvonalai •2002 végére közel 1,330 MW a napelem kapacitás világszerte napelem típusok:
monokristályos cellák (η = 12%) polikristályos cellák (η = 10%) vékonyfilm (η = 5%)
5/15 43
18 September 2009
Napenergiás vízmelegítő : Szivattyú : Mikrobuborék leválasztó : Golyós csap : Visszacsapó szelep
pk oll ekt or
: Ürítés
: Szabályozó szelep
Na
: Mágnesszelep Hőcserélő
Visszatérő
Előremenő
VIP2.
NAPENERGIÁS VÍZMELEGÍTŐ BERENDEZÉS : Elektromos fűtőelem
: Tágulási tartány
18 September 2009
: Légtelenítő
: Hőmérő
44
18 September 2009
45
18 September 2009
46
Hidrogén, jövőnk energia‐ forrása ??
Mi az üzemanyagcella?
Az üzemanyagcellák vegyi reakciókkal, közvetlenül elektromosságot állítanak elő
18 September 2009
48
350-báros gáz halmazállapotú hidrogén és földgáz töltőállomás
Üzemanyagcellás autót tankoló, mobil hidrogén trailer 18 September 2009
Ballard: 2. generációs FC tranzit buszok
Jeep Hybrid Concept
Electric Power Transmission
49
Villamosenergia hálózatok főbb jellemzői • • • • • •
Kábel v. szabadvezeték AC vagy DC Soros vagy párhuzamos rendszer Egy vagy több 3 fázisú rendszer Feszültségszintek HU nemzetközi kooperációs kapcsolatai
18 September 2009
51
A villamosenergia fogyasztás változása 1925-2000
18 September 2009
52
Nominal voltage levels at generation – transmission and distribution Long distance transmission
Transmission system: 230 – 400 kV in EU Nominal voltage Vn
Char. impedance Optimal load
Line parameters r
x=ωL
r/x
ωC
Z0
P MW
kV
Ω/km
Ω/km
-
μS/km
Ω
20
0.36
0.387
0,93
3.00
396
1
120
0.117
0.404
0,29
2.81
379
38
400
0.0195
0.3036
0,064
3.71
286
560
Sub-transmission/ Primary distribution: - 120 kV (cable in big cities) - 120 kV (overhead line elsewhere) Secondary distribution system: - 10-20 kV (cable network in cities) - 20-30 kV (overhead line in rural areas)
P( MW ) =
Vn2 (kV ) Z 0 (Ω)
(3 − phase MW !)
18 September 2009
53
High voltage transmission system – Meshed topology Generators
Step-up transformer Overhead line
Large industrial plant
18 September 2009
Interconnection with other electric systems
Shunt reactor
Autotransformer
C o n n e c t i o n t o l o c a l d i s t r i b u t i o n s y s t e 54 m
18 September 2009
55
Interconnected power systems in Europe
18 September 2009
56
European Power System - figures
18 September 2009
57
High voltage interconnections in Central Europe
18 September 2009
DC link (cable)
58
2004Out of operation
Some figures about the high voltage transmission system in Hungary • 3611 km overhead lines 750 kV 268 km 400 kV 1999 km 220 kV 1187 km 120 kV 157 km • No. of high voltage substations = 26 750/400 kV 1 400/220/120 kV 3 400/220 kV 1 400/120 kV 9 220/120 kV 12 • No. of built in trafos=60 with nominal capacity of 13840 MVA 750/400 kV 2, 1000 MVA 400/220 kV 3, 500 MVA 400/120 kV 22, 250 MVA 220/120 kV 29, 160 MVA 18 September 2009
59
Left: double circuit 120 kV line; Right: single circuit 400 60 kV 18 September 2009 overhead line
400 kV, double circuit overhead line
18 September 2009
61
500 kV compact transmission line 500 kV Line Shield conductor
69 kV Line
Insulator “V”
4 Conductor Bundle
18 September 2009
62
Háromfázisú távvezeték mágneses tere A fázistávolság és a földfeletti magasság különbözőségének hatása, azonos fázisáram, (100 A) esetén
18 September 2009
63
Háromfázisú távvezeték mágneses tere A fázistávolság és a földfeletti magasság különbözőségének hatása, azonos fázisáram, (100 A) esetén
18 September 2009
64
ICNIRP szerinti egészségi határértékek az 50 Hz frekvenciájú mágneses indukcióra
Körülmény Foglalkozási expozició teljes munkanap rövid idő csak végtagokra
Lakossági expozició teljes nap napi néhány óra
B (mT) 0,5 5 (max 2 óra/nap) 25
μT l00 1000
18 September 2009
65
Overview of a high voltage substation Overhead line
To generator
Overhead line
Busbar
18 September 2009
66
18 September 2009
400 kV circuit breakers
67
400 kV transducers, isolators
18 September 2009
68
400 kV SF6 gas insulated outdoor switchgear
18 September 2009
69
230 kV SF6 gas insulated indoor switchgear
18 September 2009
70
the weather forecast predicted light snow! 18 September 2009
71
Mon 3 Feb 2003:- no electricity for 70% of Indian state of Bihar72
18 September 2009
lightning induced flashover!
18 September 2009
73
Lightning into transmission tower (animation)
18 September 2009
74
…. Ezt sem! False operation of a 500 kV isolator
75
Transformer failure
76
18 September 2009
18 September 2009
Loading a new transformer on a barge
18 September 2009
77
Oops! 18 September 2009
78
Electric Power Distribution
Villamosenergia minőség • Minőségi jellemzők – Amplitúdó – Jelalak – Frekvencia
• Minőségbiztosítás – Kiesések száma – Időtartama 18 September 2009
80
A feszültség minőségi jellemzői – I. 1. Tartós eltérés a névleges vagy megegyezéses feszültségtől Kisfeszültségen (400/230V): [+10/-8 %] (ÉMÁSZ) [+5/-7%] (USA) Középfesz. (10, 20, 35 kV): [+10/-10 %]
2. Tápfeszültség-letörés A feszültség letörés (U) [0,1 …0,9*Unévleges] fogyasztóként max. 200 db/év
3. Rövid idejű tápfesz. kimaradás (t <3 perc, U < 0,1*Un) Köf. kábelhálózati táplálás esetén: max. 10 db Köf. szabadvez. hálózati táplálás: max.: 200 db
18 September 2009
81
A feszültség minőségi jellemzői – II. 4. Belső eredetű (kapcsolási) túlfeszültség A túlfeszültség csúcsértéke: max. 2,5 kV (Érzékenyebb fogyasztói készülékek védelméről a rendszerhasználónak kell gondoskodnia.)
5. Feszültség felharmonikus tartalom (MSZ-EN 50160) teljes felharmonikus torzítása (THD): Köf. és Kif. hálózaton: max. 8% Naf. hálózaton: max. 3%
6. Villogás, flicker Kif. és köf. hálózatok: rövididejû villogásmérték (Pst): ≤ 1,0 A hosszú távú feszültségingadozás (Plt) szintje: ≤ 0,8 18 September 2009
82
Medium voltage ditribution system – Radial topology S sc=3760M V A
TS T 120/22/11 kV BU S_120 1.00 pu
5.48 M W 0.66 M v ar 1.00 tap
5.20 M W 16 M V A 1.02 M v ar 14.7% 1.00 tap BU S _11KV 0.996 pu 4.8 M v ar
4.70 M W 1.73 M v ar
6.0 M W cosF=0.82
A
3.71 M W 1.06 M v ar
80% Amps
A
A
71%
63%
Amps
1.5 M W A
58%
cosF=0.82
Amps
Amps
LO A D_1 0.982 pu
E O N_11kV 0.957 pu
LO A D_2 0.969 pu
LO A D_4 0.942 pu
A Amps
0.5 M W cosF=0.82
0.4 M W cosF=0.82
0.4 M W
0.957 pu
cosF=0.82
0.03 M W -0.09 M v ar
cosF=0.82
0.03 M W -0.09 M v ar
0.962 pu
0.962 pu A
A
Amps
Amps
0.09 M v ar 0.963 pu
1.8 M W
0.09 M v ar 0.963 pu
18 September 2009
83
Pole mounted MV/LV transzformer „station”; 20/0.4 kV
18 September 2009
84
Efficiency of electric power generation, transmission and distribution TT
G
GSU TR
TR AL.
PD FŐ.
SD KÖZ.
LD KF.
100 % KO
1,000
55 % H
0,95
0,05
10 %
0,4275
0,5225
0,04275
0,3848
1%
0,3809 0,3771
0,0038 0,0038 0,0038
2%
1,5 %
1% 1%
0,3733 0,3677
6%
RENDSZER
5%
A VIZSGÁLT
B K
5,5 % a.)
0,3456 0,3387 0,320
0,0056 0,0221 0,0069 0,0186 b.)
B: boiler, T: turbine, KO: condenser, G: generator GSU: step-up transformer, H: auxiliary transforer TR: transmission network (400-, 220 kV), PD: primary distribution network (120 kV), SD: medium voltage distribution network (35-, 20 - 10 kV), LD: low voltage distribution network (0.4 kV). Primary energy = 100 %, final consumption ~ 32% 18 September 2009
Restructuring of Electricity Market ► Sustainable Energy Systems ► Distributed Generation ► SMARTgrid
85
Sustanable Energy Systems
18 September 2009
87
Distributed generation (DG) 400 kV
200-500 MW
G
G
G
Large power plants 120 kV
50-200 MW
Industrial load
G
G 20 kV
1- 50 MW G
G
G
0,4 kV < 1 MW
CHP
Commercial ld.
G
Distributed generation 18 September 2009
G
G
LV consumers
CHP, microturbine
88
Power generation, transmission, distribution and network management is under a major transformation Yesterday / Today
Tomorrow: distributed / on-site generation with fully integrated network management
Central power station
Transmission Network
Photovoltaics power plant Storage
Storage Flow Control House
Storage
Storage
Distribution Network Local CHP plant
Power quality device Wind power plant
Factory
Power quality device
House with domestic CHP
Commercial building
18 September 2009
89
Retail Market Restructuring: Let Consumers Choose Their Own Suppliers (Competition = Lower Prices?)
18 September 2009
90
Investment needs by 2030 ( > 1000 G€)
18 September 2009
91
Penetration of DG increases (Three „20%”s by 2020)
18 September 2009
92
Challenges in energy storage Which technology we can choose? Compressed air
Nickel-Cd or mH
SMES
Metal-air
Supercapacitors Lithium
Flywheels
?
Advanced Lead-acid
Electrolyser + H2 + fuel cell
Redox batteries vanadium, Zn/Br, S/Br
Sodium/sulphur
18 September 2009
93
Self discharge time of different storage technologies 110
Compressed air, Redox flow Electolyser/hydrogen storage/fuel cell
Remaining capacity /% of initial
100 90
Lead-acid Lithium
80 70
Nickel
Metal/air
60 Flywheel
50
Supercaps 40 0
1
2
3
4
Self discharge time at 25°C / Months
18 September 2009
94
18 September 2009
95
Energy storage with compressed air
18 September 2009
96
Operation of Interconnected Electric Power Systems
Daily demand curve in summer and in winter (HU)
18 September 2009 Nuclear Other
Gas turbine
Coal
Fossil fuel
98 Import
2004
18 September 2009
99
Electrical System as a Tandem Bike • A good analogy to form a better idea of how things work • Similarities are close enough • Of great help in understanding the abstract electrical system • Even if not all characteristics can be “translated”
Source Explaining Power System Operation to Non-engineers by Lennart Söder, IEEE Power Engineering, April 2002
The basic representation of the system (1)
• • • •
Tandem bicycle moving at constant speed Goal: keep the blue figures moving Blue figures = load (industrial, private) Red figures = power stations (different sizes)
18 September 2009
101
The basic representation of the system (2)
• Chain = electrical network • Chain must turn at constant velocity (electrical network must have a constant frequency) • Upper part chain must be under constant tension (an electrical connection should have constant voltage) • Lower part chain, without tension = neutral wire • Gear transmitting energy to chain = transformer connecting power station and electrical network 18 September 2009
102
The basic representation of the system (3)
• Some red figures (power stations) don’t pedal at full power • They’re able to apply extra force when – Another blue figure (load) jumps on the bike – One of the red figures (power stations) has technical problems 18 September 2009
103
Three different types of power stations (1) Æ Red figures, connected to chain by one gear and peddling at constant speed = large traditional power stations, turning at constant speed and connected to network by transformer
18 September 2009
104
Three different types of power stations (2) • Biker who can pedal slower • Connected to chain by gear system = Hydro turbine, speed depending on flow of river – Turbine connected to generator by gear system – Or: generator connected to network by frequency inverter
18 September 2009
105
Three different types of power stations (3) • Small red figure • Pedalling only when the weather is nice • Other bikers can’t rely on him = wind turbines, connected by gear box or frequency inverter to cope with varying wind speed
Functioning when wind speed is not too slow and not too fast Back up of other power stations necessary! 18 September 2009
106
Three different types of power stations (4) • Why a red rider between blue riders? 1) Wind turbines are much smaller than traditional power stations
2) Wind turbines usually not connected to high voltage grid like other power stations, but to distribution grid Æ Since this grid is designed for serving loads, dispatching and grid protection become complex 18 September 2009
107
Three different types of loads (1) Blue rider without pedals, pulling brakes = electrical resistance E.g.: light bulbs, most types of electrical heating systems • Brakes transform kinetic energy into heat • Just like a resistance transforms electrical energy into heat 18 September 2009
108
Three different types of loads (2) Blue rider, feet on turning pedals Instead of making pedals move, he applies his full weight against the rotating movement, so that pedals are moving him = An electrical motor Same basic principle as generator Transforming electricity into rotating movement, instead of vice versa 18 September 2009
109
Three different types of loads (3) • Blue figure leaning to one side = inductive load • Inductive load has shifted sinus wave (more specific: a delayed sinus)
18 September 2009
110
Inductive power and its compensation (1) • Blue figure leaning to one side = inductive load • Inductive load has shifted sinus wave (more specific: a delayed sinus) • Origin: electrical motor induction coils, fluorescent lighting ballasts, certain types of electrical heating… 18 September 2009
111
Inductive power and its compensation (2) • Blue figure: – Normal weight (= normal load) – No influence on chain tension (= normal voltage level) – No influence on velocity (= normal frequency)
• But without compensation, bike might fall over 18 September 2009
112
Inductive power and its compensation (3) • Red figure leaning in opposite direction to compensate = power station generating inductive power (power with a shifted sinus, just like load) • Consequences: – Compensation has to be immediate and exact, requiring clear understanding – Pedalling figure leaning to one side can’t work as comfortably as before – Bike catches more head wind, leading to extra losses
18 September 2009
113
Harmonic distortion (1) • Hyperactive blue rider – Bending forward and backwards – Three or five times faster as rhythm of bike
= Harmonic load • Origin: TV sets, computers, compact fluorescent lamps, electrical motors with inverter drives… • Should be compensated close to source by harmonic filter, if not Æ bike starts to jerk forward and backwards Æ extra energy losses
18 September 2009
114
Keeping constant voltage and frequency (1) • Slippery shoes (= failure in power station) Æ Shoe slips off pedal (= power station is shut down) Æ Tension on chain drops = voltage dip on grid Æ Risk of hurting himself, since pedal keeps on turning (= risk of damaging pieces during immediate shut down) ÆSimilar
voltage dip possible when heavy load is suddenly connected or disconnected (blue rider jumps on or off bike)
18 September 2009
115
Keeping constant voltage and frequency (2) ÆNeeds to be compensated for by other pedallers, or velocity will drop = Other power stations should raise their contribution, or frequency will drop Æ Risky to put foot on turning pedal again = tricky operation to reconnect power station to network, since frequencies have to match 18 September 2009
116
Conclusion • Managing power system = highly complex – Power generated should at each moment exactly compensate for load – Frequency of the network (velocity of the bike) and voltage level (tension on the chain) should always remain steady
• Different disturbances of equilibrium might occur • In Europe: each country has independent, neutral network operator who executes this difficult task 18 September 2009
Thanks for your kind attention! E-mail:
[email protected]
117
