Forenklet elektrisk brems for vannkraftverk ved åpen statormetodikk

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