Sådan genstarter man et dødt elnet

At genstarte et elnet efter et omfattende strømsvigt er ikke det samme som at tænde for strømmen igen. Før forbrugerne kan kobles på, skal der etableres et elektrisk system, som kan opretholde spænding og frekvens uden støtte fra et eksisterende net.

Det kræver en energikilde, der kan starte uden ekstern elforsyning og danne udgangspunkt for genopbygningen. Processen kaldes black start.

Det kan eksempelvis ske med et vandkraftværk, en gasturbine med selvstændig startforsyning eller et batterianlæg med en inverter, der er konstrueret til opgaven. Hvis et nabonet stadig er i drift, kan forsyningen i stedet genetableres derfra.

Ved en egentlig black start begynder man med en lille elektrisk ø, som gradvist udvides. Hver ny transformer, forbindelse og belastning ændrer de elektriske forhold i et system, der endnu ikke har det normale elnets stabiliserende kapacitet.

Første skridt: En generator uden et elnet

Forestil dig et tænkt genopbygningsforløb. Et større område er spændingsløst, og et anlæg med black-start-evne skal genetablere forsyningen til en station, hvorfra andre produktionsanlæg senere kan startes.

Den første energikilde etablerer en spænding med en frekvens tæt på 50 Hz. Men det lille system har begrænset evne til at håndtere ændringer i belastningen.

I et stort sammenkoblet elnet bliver en pludselig effekt-ubalance fordelt på mange produktionsanlæg og andre regulerende ressourcer. I en lille elektrisk ø kan den samme ændring udgøre en betydelig del af den samlede produktion.

Hvis belastningen kræver mere aktiv effekt, end energikilden leverer, vil frekvensen falde, medmindre reguleringen hurtigt genopretter balancen. Tilsvarende kan ubalance i den reaktive effekt give store spændingsændringer.

Derfor er det ikke nok, at black-start-anlægget kan levere et bestemt antal megawatt. Det skal også kunne håndtere de næste indkoblinger.

Transformeren kan vælte genstarten, før der er tilsluttet en eneste forbruger

Næste skridt i vores tænkte forløb er at spændingssætte en transformer.

Det lyder umiddelbart enkelt. Transformeren er endnu ikke belastet på sekundærsiden, så den burde ikke kræve særlig meget effekt.

Men ved indkobling kan den trække en meget stor, kortvarig magnetiseringsstrøm – inrush current.

Årsagen ligger i transformerkernens magnetiske tilstand. Når spændingen tilsluttes, afhænger fluxforløbet blandt andet af indkoblingstidspunktet på spændingskurven og af den restmagnetisering, der er tilbage i kernen fra tidligere drift.

Under ugunstige forhold kan fluxen drive kernen langt ind i mætning. Magnetiseringsstrømmen kan da blive mange gange større end transformatorens nominelle strøm, selv om der ikke er tilsluttet nogen egentlig belastning.

I et stærkt net vil strømtransienten typisk kun medføre en begrænset spændingspåvirkning. I en lille elektrisk ø kan netimpedansen derimod give et markant spændingsfald og forvrænge spændingskurven, selv om den tilgængelige indkoblingsstrøm er begrænset.

Dermed opstår en risiko for, at beskyttelsesudstyr kobler ud, eller at energikilden ikke kan opretholde spændingen. Problemet bliver særligt relevant ved inverterbaseret black start, fordi inverterens strømbegrænsning kan blive aktiveret under transienten.

En mulig løsning er at øge spændingen kontrolleret fra et lavt niveau frem for at indkoble transformeren direkte ved fuld spænding. Denne fremgangsmåde er blandt andet undersøgt af forskere fra DTU i forbindelse med inverterbaseret black start.

Andre muligheder er styret indkobling eller en ændret indkoblingsrækkefølge. Valget afhænger af anlæggets udstyr og de elektriske forhold.

Det afgørende er ikke kun transformatorens nominelle effekt, men dens opførsel i de første perioder efter spændingssætning.

Det næste problem: Et kabel, der leverer reaktiv effekt

Antag nu, at transformeren er spændingssat, og at man vil etablere forbindelse til den næste station gennem et 20 kilometer langt vekselstrømskabel.

Der er endnu næsten ingen forbrugere tilsluttet. Alligevel påvirker kablet systemet betydeligt.

Et kabel har kapacitans mellem lederne og til omgivelserne. Når det spændingssættes, opstår der en kapacitiv ladestrøm, også selv om der ikke overføres nævneværdig aktiv effekt til en belastning.

Ved 50 Hz kan den kapacitive reaktive effekt tilnærmet beregnes som:

Q ≈ 2πf · C · U²

Her er C kablets samlede kapacitans pr. fase, og U er linjespændingen.

Hvis vi som illustration antager et 150 kV-kabel med en kapacitans på 0,20 µF pr. kilometer pr. fase, bliver resultatet cirka 1,4 MVAr pr. kilometer.

For 20 kilometer svarer det til omtrent 28 MVAr kapacitiv reaktiv effekt.

Det er en forenklet beregning ved nominel spænding, ikke et resultat fra en konkret kabelforbindelse. Men den viser størrelsesordenen: Et kabel uden nævneværdig aktiv belastning kan stille betydelige krav til spændingsreguleringen.

Den kapacitive påvirkning kan få spændingen til at stige, især i et svagt og let belastet net. På længere vekselstrømsforbindelser kan spændingen ved den åbne ende under bestemte forhold blive højere end ved forsyningsenden – det såkaldte Ferranti-fænomen.

Hvor stor spændingsstigningen bliver, afhænger blandt andet af netimpedansen, forbindelsens øvrige elektriske egenskaber og den tilgængelige spændingsregulering.

Hvis black-start-anlægget ikke kan optage den nødvendige reaktive effekt, eller hvis der ikke er tilstrækkelig kompensering, kan spændingen komme uden for de tilladte grænser.

Man kan altså stå i den paradoksale situation, at et næsten ubelastet kabel skaber et større spændingsproblem end en planlagt forbrugerbelastning.

Belastningerne skal kobles ind i den rigtige rækkefølge

Efter transformeren og kablet skal der tilsluttes belastning. Det kan være hjælpeforsyning til et større kraftværk, pumper, motorer eller en afgrænset gruppe forbrugere.

Hvor den ubelastede kabelforbindelse kan skabe risiko for overspænding, kan motorer og andre induktive belastninger kræve reaktiv effekt og give spændingsfald. Samtidig skal energikilden levere den nødvendige aktive effekt uden et uacceptabelt frekvensfald.

Belastninger, som har været uden strøm i længere tid, kan desuden trække mere effekt ved genindkobling end under normal drift. Det kaldes cold load pickup og kan blandt andet skyldes motorstarter, opvarmning og styringer, der starter samtidig.

Derfor er det ikke nødvendigvis muligt at spændingssætte alle forbindelser først og derefter tilslutte forbrugerne. I nogle situationer skal reaktiv kompensering eller en passende belastning indkobles undervejs for at holde spændingen inden for grænserne.

Genopbygningen skal med andre ord planlægges som en sekvens, hvor hvert trin efterlader systemet stabilt nok til det næste.

Beskyttelsen er indstillet til et net, der ikke længere findes

En særlig udfordring er, at relæbeskyttelsen skal fungere under helt andre forhold end ved normal drift.

Normalt er der mange energikilder tilsluttet nettet, og kortslutningsniveauerne er forholdsvis veldefinerede. Under de første faser af en black start kan kortslutningsstrømmen være langt lavere.

Det giver to modsatrettede problemer:

På den ene side kan transformerindkobling skabe strømtransienter og harmoniske komponenter, som beskyttelsen skal kunne skelne fra egentlige fejl.

På den anden side kan en reel kortslutning give en så begrænset fejlstrøm, at visse overstrømsbeskyttelser ikke reagerer som forventet.

Beskyttelsen skal derfor både undgå utilsigtede udkoblinger og kunne afbryde faktiske fejl hurtigt og selektivt, selv om nettets elektriske styrke og strømretninger ændrer sig under genopbygningen.

Det stiller særlige krav til beskyttelsens indstillinger og koordinering, som også behandles i CIGREs tekniske gennemgang af beskyttelse under black start. Derfor er detaljerede netberegninger, dynamiske simuleringer og afprøvning af regulering og beskyttelse nødvendige.

To stabile elektriske øer kan stadig være umulige at koble sammen

Efterhånden som flere anlæg starter, kan genopbygningen foregå i flere adskilte elektriske øer.

Hver ø kan have en stabil spænding og frekvens. Men det betyder ikke, at de uden videre kan forbindes.

Før sammenkobling skal spændingsniveau, frekvens og fasevinkel bringes inden for de tilladte synkroniseringsgrænser. Den korrekte fasefølge skal også være etableret.

Selv en lille frekvensforskel betyder, at fasevinklen mellem øerne ændrer sig over tid. Hvis de kobles sammen, mens fasevinkelforskellen er for stor, kan det udløse kraftige udligningsstrømme og effektsvingninger. Det kan belaste synkrongeneratorer mekanisk og få inverterbaserede anlæg til at begrænse strømmen eller reagere uhensigtsmæssigt.

Men udfordringen slutter ikke med en vellykket sammenkobling. Reguleringen i de to systemer skal også fungere sammen, fordi effektfordelingen kan ændre sig markant, når øerne forbindes.

Synkronisering er derfor ikke bare et spørgsmål om at vente, indtil begge systemer viser 50 Hz.

Hvad ændrer sig med batterier og grid-forming-invertere?

Traditionelt har black start i høj grad været knyttet til synkrongeneratorer med selvstændig startforsyning. Men batterier og andre inverterbaserede ressourcer giver nye muligheder.

En grid-forming-inverter kan etablere en spændings- og frekvensreference i stedet for at være afhængig af en eksisterende reference fra nettet. Det adskiller den fra en almindelig grid-following-inverter.

Men evnen til at danne spænding er ikke i sig selv dokumentation for black-start-evne. Inverteren skal også kunne håndtere indkobling af transformere, kabler og belastninger. Dens regulering skal fungere under de hurtige transienter, og strømbegrænsningen må ikke gøre genopbygningen ustabil.

En inverter kan regulere meget hurtigt og i nogle tilfælde opbygge spændingen kontrolleret. Til gengæld er dens tilladte overstrøm typisk langt mere begrænset end en synkrongenerators.

Et batterianlæg har desuden både en maksimal effekt og en begrænset energimængde. Det skal kunne understøtte genopbygningen længe nok til, at yderligere produktionskapacitet kommer i drift.

Derfor er simulering af hurtige elektromagnetiske transienter og samspillet mellem inverterregulering, transformere og kabler en vigtig del af vurderingen af inverterbaseret black start.

Hvad kræver det at genstarte et elnet?

Et anlæg kan have tilstrækkelig effekt til at forsyne et område og alligevel være ude af stand til at genstarte det. For under genopbygningen skal systemet kunne håndtere de spændingsændringer, strømtransienter og belastningsspring, der opstår, når nye komponenter kobles ind.

En vellykket black start kræver derfor, at nettet opbygges i en rækkefølge, hvor spænding, frekvens og stabilitet kan opretholdes gennem hele forløbet.