Redigerer Kraftverk (avsnitt)

==Kraftsystem og drift av kraftverk==
=== Generatoren===
{{hoved|Generator}}

I kraftverk brukes så å si kun ''synkrongeneratorer'' for trefaset vekselstrøm. For en  synkrongenerator er det et helt konstant forhold mellom turtallet og frekvensen til strømmen den produserer, derav navnet. Synkrongeneratoren består av en stator med viklinger av elektrisk isolert viklinger av kobberstaver som er tilknyttet kraftsystemet. [[Elektromagnetisk induksjon]] skaper en såkalt ''[[elektromotorisk spenning]]'' (ems) i disse viklingene, og den geometriske plasseringen rundt statorens indre periferi gir ønsket  ''[[faseforskyvning]]'' for de tre fasene av spenningen. I senter av statoren står rotoren, og som navnet sier er det denne delen som roterer når den blir drevet rundt av turbinen. Med andre ord har turbinjulet og rotoren samme aksling. Fordi både stator og rotor skal føre magnetiske felter lages de av et ''ferromagnetsik materiale'', til dette brukes stål som er spesiallaget for formålet. For å unngå såkalte ''virvelstrømstap'' som skyldes induserte strømmer i jernet og styre magnetfeltenes retning lages ikke rotor og stator av massivt stål, men av mange tynne stålplater som har isolerende lakk mellom seg. Dette kalles for ''laminerte blikkplater''. Det går hull gjennom alle blikkplatene som danner de ulike delene, der solide stagbolter går gjennom og holder blikkplatene sammen. For øvrig kan rotor og stator sees på som en [[magnetisk krets]] som analyseres med sine spesielle elektromagnetiske formler og konsepter.

Rotoren, eller også kalt ''polhjulet'', har også påmonterte viklinger av isolert kobberstaver og kalles for polene. Polene setter opp det magnetiske feltet som forårsaker induksjon i statoren. Rotorens poler får strøm fra en likespenningskilde. Polene langs periferien av rotoren er vekselvis magnetisk nord- og sørpol. Dermed danner alltid polene par med nord- og sørpol, disse kalles derfor også for  ''polpar''. Det laveste ''polpartallet'' en kan ha i en synkrongenerator er ett, og jo flere poler, desto større dimensjoner for stator og rotor. Formelen som beskriver forholdet mellom turtall, poler og frekvens uttrykkes slik:

<math> n = {60f \over p}</math>

der:
:'''n''' [rpm] er turtallet
:'''f''' [Hz] som er bestemt av krafsystemet og er konstant lik 50 Hz (60 Hz i USA og Canada)
:'''p''' er polpartallet som er heltall fra 1 og oppover.

Ved å sette inn i denne formelen finner en at generatorens turtall kan være 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, ... rpm. For vannturbiner et turtall mellom 100 og 1000 rpm vanlig.<ref>Curt Ulvås:''Maskinlære''. Universitetsforlaget, 1966. Oversatt fra svensk.</ref> For damp- og gassturbiner brukes enda høyere turtall. Som nevnt øker generatorens fysiske dimensjoner med antall poler, noe som også gjør at kostnadene øker. Dermed blir gjerne generatoren i et elvekraftverk med en stor saktegående kaplanturbin kostbarere enn en hurtig gassturbin.

[[File:EASTSIDE PLANT- GENERAL VIEW OF GENERATOR AND EXCITER - American Falls Water, Power and Light Company, Island Power Plant, Snake River, below American Falls Dam, American Falls, HAER ID,39-AMFA,1-49.tif|thumb|Generator med magnetiseringsmaskinen til  til høyre på samme aksling som generatoren. Magnetiseringsmaskinen er en likestrømsgenerator som gir [[likestrøm]] (magnetiseringsstrøm) via sleperinger til generatorens polhjul (rotor). Bilde fra American Falls Water, Power and Light Company, Island Power Plant. Idaho i USA.]]

Rotoren blir forsynt med likespenning over såkalte ''sleperinger'' som er montert fast på akslingen. Sleperingene roterer dermed rundt sammen med rotoren og for å overføre strømmen brukes såkalte ''børster''. Børstene er montert fast i børsteholdere (''børstebro'') på selve generatoren, og er klosser av kull med en fjærmekanisme for å få tilstrekkelig ''kontakttrykk''. Denne regulerbare likestrømmen inn på polhjulet kalles for ''magnetiseringsstrøm'' og avgjør hvor stor spenning generatorer gir. Styrken av magnetiseringsstrømmen må reguleres av en regulator, kalt ''spenningsregulatoren''. Virkemåten til denne er forklart i avsnittet lenger ned.

Likespenningen til børstene kommer fra den såkalte ''magnetiseringsutrustningen''. Tidligere var dette en liten likestrømsgenerator som gjerne stod på samme aksel som turbin og generator. I moderne kraftstasjoner er denne generatoren erstattet av statiske likerettere basert på halvlederkomponenter.<ref>[[#EMM|Magne Kvistad: ''Elektriske maskiner og magnetiseringsutstyr'' side 159.]]</ref> En årsak til at likestrømsgeneratorene ble utfaset til fordel  for statisk magnetisering er at de krever mye vedlikehold, spesielt er det børstene og kommutatoren som må pusses og stelles.<ref>[[#EMM|Magne Kvistad: ''Elektriske maskiner og magnetiseringsutstyr'' side 162.]]</ref>

===Samkjøring===
[[File:Electricity grid schema- lang-en.jpg|thumb|Skjematisk fremstilling av et elektrisk kraftsystem med kraftverk, kraftnett, distribusjon og forbrukere.]]

I elektrisitetsforsyningens barndom måtte en og samme kraftstasjon forsyne forbrukerne med strøm også i perioder av døgnet med lite behov. Da blir virkningsgraden liten og driften uøkonomisk. Ved utvidelse av kraftsystemet kan en heller stenge av noen kraftverk når forbruket er lite, slik at de gjenværende kraftverkene produserer elektrisk kraft med ytelse nærmere nominell effekt som gir best virkningsgrad. Et annet eksempel er ulempe som oppstår om et vassdrag skal utnyttes for lokal kraftforsyning. Da må ytelsen i kraftverket være tilpasset det maksimale effektbehovet i byen eller tettstedet. Om denne ytelsen er liten i forhold til vår og høstflommen vil vannet renne forbi kraftstasjonen ubrukt. Samtidig vil det kunne bli knapphet på elektrisk kraft ved liten vannføring. Dermed vil et vannkraftverk for lokal produksjon kunne bli både lite økonomisk optimalt og ikke kunne gi sikker forsyning.

I regelen er alle kraftverk innenfor et stort område koblet sammen via kraftnettet, og dette nettet kan ha en utbredelse som inkluderer mange land. Denne måten å kjøre kraftverk sammen på kalles ''samkjøring'' og er et samarbeid som gir store fordeler. Ved feil og stans i et kraftverk vil ikke forbrukere i et stort område bli påvirket, fordi de andre kraftverkene tar på seg den produksjonen som falt ut. Siden denne lastoverføringen skjer må skje hurtig, kan en ikke vente på at nye kraftverk skal starte. Isteden må kraftverkene i drift kjøres noe under full ytelse, slik at de hurtig kan ta over og fordele et plutselig lastbehov mellom seg. Dette kalles gjerne for ''roterende reserve''. En annen fordel er som nevnt over at med stort innslag av en type kraftverk, kan en ha samarbeid over store områder eller mellom flere land, for å forsyne ved toppbelastning eller hurtige variasjoner. Totalt sett fører samkjøring til bedre utnyttelse og bedre økonomisk drift av kraftverkene, samt at det gir større leveringssikkerhet.

===Statikk og frekvenskontroll===
[[File:RIAN archive 318548 Control panel.jpg|thumb|Kontrollrom for enhet No. 11 PGU-450T i [[varmekraftverk]] TETS-21 eid av [[Mosenergo]].]]

I et kraftsystem må det til enhver tid vare eksakt like stor produksjon av effekt som forbruk. Det er turbinregulatorene på hver enkelt aggregat som sørger for dette. Denne måler turtallet og regulerer pådraget (mengden damp inn på en dampturbin eller vann inn på en vannturbin) for å gi tilnærmet konstant turtall. Turtallet er via generatoren direkte proporsjonalt med frekvensen, slik at om en generator for en dampturbin er konstruert for 3000 rpm (omdreininger i minuttet) vil frekvensen være nøyaktig 50&nbsp;Hz (i USA 60&nbsp;Hz). Alle kraftverkene tilknyttet kraftnettet vil kunne måle eksakt samme frekvens og dermed også turtall.

For å få alle aggregatene til å dele belastningen mellom seg er regulatorene innstilt for å gi et såkalt ''stasjonært avvik'', eller som en sier at de har karakteristikk som en ''P-regulator'' (proporsjonal-regulator). Dette vil ikke si at regulatoren oppfører seg som en P-regulator ''transient'', altså i et reguleringsforløp, men etter at et innsvingningsforløp er over. At regulatoren gir et stasjonært avvik vil si at det skal være en spesiell sammenheng mellom frekvensen og effekten, og denne er slik at frekvensen er litt større når aggregatet går i tomgang enn ved full belastning. Sammenhengen mellom effekt og frekvens for et kraftverk kalles ''regulerstyrke'' med benevnelsen MW/Hz.
Med en slik type regulator vil enhver turbinregulator regulere opp pådraget når frekvensen faller og motsatt ved økende frekvens. Ved at alle aggregater blir regulert på denne måten blir systemet stabilt, og pådragsreguleringen skjer hurtig i alle kraftverk. I Skandinavia varierer frekvensen typisk mellom 49,90-50,10&nbsp;Hz<ref>{{cite web|title= Systemdrifts- og markedsutviklingsplan 2012 |url= | publisher= Statnett |date= april 2012 | accessdate= 13. september 2014}}</ref>. Nedenfor er det en ekstern lenke til en nettside tilhørende statnett som til enhver tid viser hvordan nettfrekvensen varierer.

Stigningstallet for linjen som beskriver sammenhengen mellom effekt og frekvensen (regulerstyrken) er ikke like i alle kraftstasjonene. Hvor bratt kurven faller er avhengig av kraftverkets type og karakteristika. Et grunnlastkraftverk ønsker en skal ha liten følsomhet for lastendringer, dermed har denne en regulerstyrke som er liten (lite stigningstall). Derimot må et topplastverk reagere hurtig på lastendringer, og slike kraftverk får en stor regulerstyrke. Denne typen regulering kalles primærregulering, den skjer hurtig og automatisk. Allikevel tar det en liten tid før den trer i funksjon, da er den roterende reserven som forklart i forrige avsnitt avgjørende. I tillegg til primærreguleringen finnes det enda to til reguleringer.

===Primær- sekundær og tertiærregulering===
At det finnes roterende reserve og mulighet for å regulere pådraget i kraftverkene noe opp eller ned kalles for kraftsystemets ''primærreserver''. Med planlegging av driften av kraftverkene (som antall kraftverk i drift og pådrag) på den ene siden og forbruket (som husholdninger, industri, eksport og import) på denne annen side, søker en å unngå at denne skal brukes. Imidlertid skjer uønskede hendelser som uforutsette værendringer (husholdningene bruker mer eller mindre energi til oppvarming en prognosen tilsa), utfall av kraftverk eller kraftlinjer. Dessuten kan ikke forbruket eksakt estimeres på forhånd.<ref>{{cite web |title= Primærreserver (FCR) |url= http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/Primarreserver/ |publisher= Statnett |date= 4. februar 2013 |accessdate= 22. november 2014 |url-status=dead |archiveurl= https://web.archive.org/web/20141129050608/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/Primarreserver/ |archivedate= 2014-11-29 |tittel= Arkivert kopi |besøksdato= 2014-11-22 |arkivurl= https://web.archive.org/web/20141129050608/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/Primarreserver/ |arkivdato= 2014-11-29 |url-status=død }} {{Kilde www |url=http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/Primarreserver/ |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2014-11-22 |arkiv-dato=2014-11-29 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20141129050608/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/Primarreserver/ |url-status=yes }}</ref>

Etter at primærreguleringen har sørget for likevekt mellom produksjon og forbruk vil det oppstå et ''frekvensavvik'', altså at frekvensen er kommet utenfor det ønskede intervallet på 49,90-50,10&nbsp;Hz. Imidlertid er det et krav at frekvensen skal være så nært 50&nbsp;Hz som mulig. En annen ting er at en del av primærreserven er aktivert og lagt beslag på. Om det skjer en ny uforutsett hendelse vil kanskje frekvensen kommer enda lengre unna 50&nbsp;Hz, eller at det ikke er nok margin til å forsyne den samlede belastningen. Produksjonen blir regulert opp eller ned slik at frekvensen kommer nærmest mulig 50&nbsp;Hz, for å gjøre dette blir kraftverkenes statikk justert noe opp eller ned. Stigningstallet er allikevel det samme (statikken blir altså parallellforskjøvet). Denne typen regulering kalles ''sekunderregulering''. Responsen på sekundærreguleringen skal være ca. 120-210 sekunder i Skandinavia.<ref name="Sekundærreserver FRR-A">{{cite web |title= Sekundærreserver (FRR-A) |url= http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/sekundarreserver/ |publisher= Statnett |date= 4. februar 2013 |accessdate= 22. november 2014 |url-status=dead |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150327225417/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/sekundarreserver/ |archivedate= 2015-03-27 |tittel= Arkivert kopi |besøksdato= 2014-11-22 |arkivurl= https://web.archive.org/web/20150327225417/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/sekundarreserver/ |arkivdato= 2015-03-27 |url-status=død }} {{Kilde www |url=http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/sekundarreserver/ |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2014-11-22 |arkiv-dato=2015-03-27 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20150327225417/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/sekundarreserver/ |url-status=yes }}</ref>

Sekundærreguleringen er automatisk og i likehet med primærreguleringen representerer den en reserve, kalt ''sekunderreserven''. Denne står også til rådighet for uforutsette endringer. I Skandinavia brukes den for å utjevne frekvensavvik og holde 50&nbsp;Hz mest mulig konstant, mens den i resten av Europa også brukes for å håndtere avvik i effektflyten mellom landene.<ref name="Sekundærreserver FRR-A"/>

I tillegg til primær- og sekundærreguleringen som skal utjevne frekvensforskjeller automatisk har en i tillegg ''tertiærregulering'' som er manuell. Når denne aktiveres sier en at primær- og sekunderreserver frigjøres og blir klargjort for en nye uforutsette hendelser. Et annet formål med tertiærregulering er å utjevne såkalte flaskehalser i kraftsystemet, med dette menes svake deler av overføringsnettet der begrenset effekt kan overføres. At det finnes tertiærregulering vil si at det finnes reserver i kraftproduksjonssystemt som kan aktiveres. Dette kan for eksempel være kraftstasjoner som ikke er i drift, men som på kort varsel kan startes for kortere eller lengre tid. Dette kalles ''tertiærreserver'' og omtales som ''regulerkraft''. Denne energien omsettes i et Nordisk regulerkraftmarked. I Norge er det krav om en tertiærreserve på 1200 MW for å kunne frigjøre primær- og sekunderreserver, mens det er en ytterligere tertiærreserve for å håndtere flaskehalser i kraftnettet på 800 MW. Responstiden for å kunne aktivere tertiærreserver er opptil 15 minutter i Norge.<ref>{{cite web |title= Tertiærreserve (FFR-M) |url= http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/RKOM1/ |publisher= Statnett |date= 4. februar 2013 |accessdate= 22. november 2014 |url-status=dead |archiveurl= https://web.archive.org/web/20141129050613/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/RKOM1/ |archivedate= 2014-11-29 |tittel= Arkivert kopi |besøksdato= 2014-11-22 |arkivurl= https://web.archive.org/web/20141129050613/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/RKOM1/ |arkivdato= 2014-11-29 |url-status=død }} {{Kilde www |url=http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/RKOM1/ |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2014-11-22 |arkiv-dato=2014-11-29 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20141129050613/http://www.statnett.no/Drift-og-marked/Markedsinformasjon/RKOM1/ |url-status=yes }}</ref>

===Spenningsregulator===
På samme måte som frekvensen og effektproduksjonen i kraftsystemet reguleres i kraftverkene må også spenningen reguleres. Spenningen reguleres ved hjelp av generatorene og i utgangspunktet må også den være mest mulig konstant. Til enhver generator tilhører det en spenningsregulator som kontinuerlig regulerer spenningen. (Unntak finnes for småkraftverk som ikke behøver spenningsregulator.) Spenningsregulatorene i alle sammenkoblede kraftverk har en statikk og fungerer på omentrent samme måte som turbinregulatorene. For turbinregulatoren var det frekvensen i kraftsystemet som var felles referanse for regulatorene, og for spenningsregulatoren er det spenningen som er felles.