Electric Power Transmission and Distribution Systems Laszlo Prikler Department of Electric Power Engineering Power Systems & Environment Group E-mail: prikler.laszlo@vet.bme.hu Termelés Szállítás Elosztás Felhasználás Villamos Energia 18 September 2009 2
Primer energiaforrás típusok a) Kimerülő Szerves, fosszilis Nukleáris Hasadó (Fúziós) b) Megújuló Napenergia Közvetlen sugárzás 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 systems (1) 18 September 2009 6
Basic structure of electric systems (2) Source: http://www.nerc.com 18 September 2009 7 részarány a végső energiafelhasználásban, % 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% iparban háztartásban szolgáltatásban összesen 48% 32% 25% 27% 20% 2002-ben múlt 38% 57% 2030-ban jövő 22% 18 September 2009 8
primerenergia-részarány, % 50% 40% 30% 20% 10% 0% szén olaj gáz atom víz megújulók 38% 6% 18% 23% 2002-ben múlt 13% 3% 33% 18 September 2009 9 2% 29% 15% 2030-ban jövő??? Lesz ez több is! 11% 10% 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 11 Electric Power Generation
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) = Im 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) 13 18 September 2009 14 Turbine generator unit Paks Nuclear Power Plant, HU
18 September Stator 2009windings of a 500 MW hydro generator 15 660MW-os turbógenerátor állórész 18 September 2009 16
200MW-os generátor forgórész 18 September 2009 17 USA China 10% 25% Japan Russia Canada India Germany France UK Brazil 7% 6% 4% 4% 4% 4% 2% 2% contribution to world total 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Electric energy production, TWh In 2002 18 September 2009 18 Source: IEA: World Energy Outlook 2004
Built in capacity of generators, GW 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 coal oil gas nuclear hydro renewable 2002 2010 2020 2030 18 September 2009 19 Source: IEA World Energy Outlook 2004 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 90000,00 80000,00 70000,00 mezõ,erdõ,vízgazd. ipar hõközpontok erõművek közlekedés szolgáltatás lakosság 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
5,000 erő- és fűtőmű ipar közlekedés egyéb szektor veszteségek nem energetikai széndioxid-emisszió, M t/év 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 2002 2010 2020 2030 18 September 2009 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 Kibocsátás (ezer tonna) 250 200 150 100 50 Szilárd szennyezőanyag-kibocsátás alakulása a Mátrai és MVM összes erőműben Földgáz Folyékony Szén Lignit 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 Ide tartozik a NO x (NO és NO 2 ) és N 2 O Mindhárom erősíti az üvegházhatást, az N 2 O különösen káros Háromféle keletkezés lehetséges: prompt,termikus és a tüzelőanyagból Csökkentése jó beállítással vagy alacsony NOx égőkkel Kibocsátás (ezer tonna) 70 60 50 40 30 20 10 NOx kibocsátás alakulása a Mátrai és MVM összes erőművében Földgáz Folyékony Szén Lignit 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 P G 100 % M G T V GÁZMOTOR N P V 40 % H P MV MELEGVÍZ 60 % VIP3. 18 September 2009 36
nagyerőmű ( 50 MW) kiserőmű (<50 MW) 18 September 2009 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 % 10 % A szélsebesség relatív gyakorisága januárban A föld feletti magasság = 60 m 8 % 6 % 4 % 2 % 0 % W6. 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 0,9 1,9 2,9 3,9 4,9 5,9 6,9 7,9 8,9 9,9 10,9 11,9 12,9 13,9 14,9 15,9 16,9 m/s 18 September 2009 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%) 18 September 2009 43 5/15 Napenergiás vízmelegítő : Szivattyú : Mikrobuborék leválasztó : Golyós csap : Visszacsapó szelep : Ürítés Napkollektor : Szabályozó szelep : Mágnesszelep Hőcserélő Előremenő Visszatérő VIP2. : Elektromos fűtőelem NAPENERGIÁS VÍZMELEGÍTŐ BERENDEZÉS : Tágulási tartány : Légtelenítő : Hőmérő 18 September 2009 44
18 September 2009 45 18 September 2009 46
Hidrogén, jövőnk energiaforrása?? Mi az üzemanyagcella? Az üzemanyagcellák vegyi reakciókkal, közvetlenül elektromosságot állítanak elő 18 September 2009 48
350-báros gáz halmazállapotú hidrogén és földgáz töltőállomás Ballard: 2. generációs FC tranzit buszok Üzemanyagcellás autót tankoló, mobil hidrogén trailer Jeep Hybrid Concept 18 September 2009 49 Electric Power Transmission
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 Nominal voltage Line parameters Transmission system: 230 400 kv in EU Char. impedance Optimal load Vn r x=ωl r / x ωc Z0 P kv Ω/km Ω/km - μs/km Ω MW 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) 2 Vn ( kv ) P( MW ) = (3 phase MW!) Z ( Ω) 0 18 September 2009 53 High voltage transmission system Meshed topology Generators Step-up transformer Overhead line Interconnection with other electric systems Shunt reactor Large industrial plant Autotransformer 18 September 2009 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 58 DC link (cable) 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 18 September 2009 60 Left: double circuit 120 kv line; Right: single circuit 400 kv 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 B (mt) 0,5 5 (max 2 óra/nap) 25 Lakossági expozició teljes nap napi néhány óra 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 Bihar 18 September 2009 72
lightning induced flashover! 18 September 2009 73 Lightning into transmission tower (animation) 18 September 2009 74
18 September False 2009 operation. Ezt of a sem! 500 kv isolator 75 18 September 2009 Transformer failure 76
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 Ssc=3760MV A TST 120/22/11 kv BUS_120 1.00 pu 5.48 MW 0.66 Mv ar 1.00 tap 5.20 MW 1.02 Mv ar 1.00 tap 16 MV A 14.7% BUS_11KV 0.996 pu 4.8 Mvar 6.0 MW cosf=0.82 A 80% Amps 4.70 MW 1.73 Mv ar A 71% Amps 3.71 MW 1.06 Mv ar A 63% Amps A 58% Amps 1.5 MW cosf=0.82 LO A D_1 0.982 pu LO A D_2 0.969 pu EO N_11kV 0.957 pu LO A D_4 0.942 pu A Amps 0.5 MW cosf=0.82 0.4 MW cosf=0.82 0.4 MW cosf=0.82 0.957 pu 1.8 MW cosf=0.82 0.03 MW -0.09 Mvar 0.03 MW -0.09 Mvar 0.962 pu 0.962 pu A A Amps Amps 0.09 Mv ar 0.09 Mvar 0.963 pu 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 100 % KB 5 % T G GSU TR AL. TR FŐ. PD KÖZ. SD KF. LD KO H 10 % 1 % 1,5 % 2 % 55 % 1 % 1 % 6 % A VIZSGÁLT RENDSZER 5,5 % a.) 1,000 0,95 0,4275 0,3848 0,3809 0,3771 0,3733 0,3677 0,3456 0,3387 0,320 0,05 0,5225 0,04275 0,0038 0,0038 0,0038 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 85 Restructuring of Electricity Market Sustainable Energy Systems Distributed Generation SMARTgrid
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 G 20 kv G Industrial load 1-50 MW G G G G CHP 0,4 kv Commercial ld. < 1 MW G Distributed generation LV consumers G CHP, microturbine 18 September 2009 88
Power generation, transmission, distribution and network management is under a major transformation Yesterday / Today Central power station Tomorrow: distributed / on-site generation with fully integrated network management Transmission Network Photovoltaics power plant Storage Storage Flow Control House Distribution Network Storage Power Local CHP plant quality device Storage Power quality device Wind power plant House with domestic CHP Commercial Factory 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? SMES Nickel-Cd or mh Compressed air Supercapacitors Metal-air Flywheels Lithium Advanced Lead-acid Electrolyser + H2 + fuel cell Redox batteries Sodium/sulphur vanadium, Zn/Br, S/Br? 18 September 2009 93 Self discharge time of different storage technologies 110 100 Compressed air, Redox flow Electolyser/hydrogen storage/fuel cell Remaining capacity /% of initial 90 80 70 60 Nickel Metal/air Lead-acid Lithium 50 Flywheel 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 98 Nuclear Other Gas turbine Coal Fossil fuel 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) 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 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 bike starts to jerk forward and backwards extra energy losses 18 September 2009 114
Keeping constant voltage and frequency (1) Slippery shoes (= failure in power station) Shoe slips off pedal (= power station is shut down) Tension on chain drops = voltage dip on grid Risk of hurting himself, since pedal keeps on turning (= risk of damaging pieces during immediate shut down) Similar 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) Needs to be compensated for by other pedallers, or velocity will drop = Other power stations should raise their contribution, or frequency will drop 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 117 Thanks s for your kind attention! E-mail: prikler.laszlo@vet.bme.hu