Aurinkosähköjärjestelmien verkostovaikutukset

Transkriptio

1 Aurinkosähköjärjestelmien verkostovaikutukset Kari Mäki VTT

2 2 Sisältö Perinteinen sähköverkko ja sähkönjakelu Hajautetun sähköntuotannon käsite Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutukset Verkon suojaus Jännitteensäätö Sähkön laatu

3 3 Sähköverkon rakenne Siirtoverkko Jakeluverkko Jakeluverkko Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuotantolaitos Teollisuuskuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja

4 4 Sähköverkon rakenne Kuvat: Fingrid

5 5 Sähköverkon rakenne Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Jakelumuuntaja kv 0.4 kv Kuluttaja

6 6 Hajautettu sähköntuotanto Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja G 0.4 kv Jakelumuuntaja kv Kuluttaja

7 7 Hajautetun sähköntuotannon määritelmä Jakeluverkkoon sijoittuvaa pienimuotoista sähköntuotantoa KJ- ja PJ-tasoilla Ei keskitetysti suunniteltua tai ohjattua Käyttäytyy itsenäisesti riippumatta esim. verkon tilasta Ei rajausta tiettyihin energiamuotoihin Hajautus sinänsä ei liity energialähteeseen mitenkään Toisaalta jakeluverkko asettaa omat rajoituksensa tietyt teholuokat ja tuotantomuodot ovat sopivampia Verkon kannalta kysymys ennen kaikkea tavasta sijoittaa tuotantoa verkkoon Aurinkosähkö käytännössä aina hajautettua tuotantoa

8 8 Hajautetun sähköntuotannon määritelmä Tyypilliset hajautetun tuotannon muodot Tuulivoima Aurinkosähkö Pienvesivoima Biovoima Yhdistetty lämmön- ja sähköntuotanto Ympäristöystävällisiä, paikallisia tuotantomuotoja Yksinkertainen (=halpa) verkkoliityntä perusedellytys

9 9 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Aurinkosähkön sovelluksissa kolme eroteltavaa tyyppiä: Erillinen järjestelmä täysin irrallaan verkosta Esim. mökkien akkujärjestelmät Ei minkäänlaista yhteyttä verkkoon ei käsitellä tässä Kulutuksen leikkaus, rinnan verkon kanssa Tyypillisesti asennettuna kiinteistön sähköverkkoon Tuottaa osan kulutetusta tehosta, ei koskaan verkon suuntaan Aurinkosähkövoimala Tuottaa tehoa verkkoon Verrattavissa muihin voimalaitoksiin Sijoittuu tehosta riippuen eri jännitetasoille

10 10 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Kulutuksen leikkaus, rinnan verkon kanssa Sijoittuu kuluttaja-asiakkaan mittauspisteen taakse Sähköverkon kannalta ns. negatiivinen kuorma Ei tuota tehoa verkon suuntaan Pieni teho verrattuna kulutukseen Voidaan myös varustaa takatehosuojin Ei mm. sähköverovelvollisuutta, tuotantoselvityksiä yms. Voi kuitenkin osallistua verkon häiriöihin ja vikoihin! sähköverkko kuormitus sähkömittari sulaketaulu G aurinkopaneeli

11 11 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Aurinkosähkövoimala yleisessä verkossa Suurempi kokonaisuus Sijoittuu siirto-, jakelu tai pienjänniteverkkoon kokoluokasta riippuen Omat suojalaitteet Tuottaa pääasiallisesti tehoa verkkoon Vaikuttaa aktiivisesti verkon tilaan normaalitilassa ja häiriöiden aikana Aurinkosähkön lisäksi myös aurinkovoima (= peilien avulla keskitettävä auringon energia) sähköverkko muuntaja suojareleet aurinkopaneelit G

12 12 Aurinkosähkö hajautetun sähköntuotannon muotona Tasajännitelähde Ei generaattoria Kytketään verkkoon suuntaajan välityksellä Ei pyörivää massaa ei inertiaa Voi olla suuremmassa mittakaavassa ongelmallinen? Suuntaajan ominaisuuksia Vain hetkelliset vikavirrat oikosulkujen aikana Kohtuullisen vapaa tehonsäätö (pätöteho/loisteho erikseen) Aiheuttaa jonkin verran yliaaltoja yms. häiriöitä verkkoon Voi kyetä pidempäänkin saarekkeen syöttöön Yleisemmin suuntaaja voidaan suunnitella monella tavalla ja suuntaajan toimintaa esim. häiriön aikana on vaikea arvioida verkon näkökulmasta

13 13 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia Verkon suojaus Lisää vikavirtalähteitä verkkoon Suojaus monimutkaistuu Verkon jännitteensäätö Jännitteen nousu tuotannon lähellä voi olla ongelma Sähkön laatu Nopeat jännitevaihtelut Välkyntä Yliaallot

14 14 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia Ilmiöt esiintyvät samantyyppisinä keskijännite- ja pienjänniteverkoissa Voimalan kokoluokka pj-verkossa pienempi Pj-verkko vastaavasti selvästi heikompi Rakenteen analogia: Sähköasema 110/20 kv Jakelumuuntaja + pj-jakokaappi Rakennuksen sulaketaulu

15 15 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Verkon suojaus Perinteinen jakeluverkon käyttö perustuu olettamukseen tehonsiirron yksisuuntaisuudesta Sama pätee vikavirtoihin Selektiivinen suojaus kohtuullisen helppo saavuttaa sopivin porrastuksin Verkkoon sijoittuva hajautettu tuotanto muuttaa lähtökohtaa oleellisesti Useita vikavirtalähteitä Vikavirtojen suunnat ja suuruudet voivat muuttua Vikavirtakestoisuudet voivat ylittyä Ongelmat aiheutuvat siitä, että verkkoja rakennettaessa ei olla osattu ajatellakaan tuotantoa verkon hännillä

16 16 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Verkon suojaus Aurinkosähkösovellusten osalta pääpaino on PJ-verkon sulakesuojauksessa ja tuotantolaitoksen omassa suojauksessa Lähdön suojaus Lähdön ylivirtasuojaus saattaa hidastua tai jopa estyä kokonaan Toisaalta lähdön suojaus voi toimia tarpeettomasti Lähdöllä käytettävien pikajälleenkytkentöjen toiminta voi estyä Tuotantolaitoksen suojaus Laitos voi irrota tarpeettomasti verkosta häiriöiden aikana Laitos voi jäädä syöttämään verkon osaa yksin (saareke)

17 17 Suojauksen ongelmat: lähdön suojauksen toiminnan estäminen Vika sijaitsee voimalalähdöllä, ei kuitenkaan voimalan ja aseman välillä Voimala ja asema syöttävät vikaa rinnan Releen kautta kulkeva vikavirta pienenee pienvoimalan vaikutuksesta Suojauksen toiminta hidastuu tai estyy kokonaan Mahdollisia ratkaisuja Lähtöä suojaavan releen asettelut Pienvoimalan riittävän nopea erottaminen Voimalan liittäminen omalla lähdöllään asemaan

18 18 Suojauksen ongelmat: lähdön suojauksen toiminnan estäminen Tilannetta voidaan tarkastella normaaleilla vikavirtalaskennoilla ja virran jakautumisella Vaikutuksen kannalta ratkaisevaa on vikaimpedanssien välinen suhde Z fault _ b U Z Z fault fault _ b gen Lähin yhteinen piste (common feed point) tapauskohtainen Yleisesti ilmiön voimakkuutta voidaan arvioida suhteesta: Z net Z net Z net U fault Z fault _ b Z br fault _ b Z gen Z net

19 19 Suojauksen ongelmat: lähdön suojauksen toiminnan estäminen Ongelma voi muodostua myös pienissä asennuksissa varsinkin sulakkeiden paloaikojen pitenemisestä johtuen Koskee aurinkosähköasennuksia

20 20 Suojauksen ongelmat: terveen lähdön tarpeeton erottaminen Vika tapahtuu voimalalähdön viereisellä lähdöllä Hajautettu tuotanto syöttää vikapaikkaan vikavirtaa aseman kautta Virran suuruus voi ylittää voimalalähdön laukaisun asettelun Virran suuntaa ei usein huomioida Kiskon kautta kulkeva virta voi aiheuttaa lähdön tarpeettoman laukaisun Tärkeä ongelma varsinkin jos voimalalähdöllä on myös kuluttaja-asiakkaita Mahdollisia ratkaisuja Releasetteluiden muutokset Lähtöjen välinen koordinaatio! Suuntareleen käyttö voimalalähdöllä

21 21 Suojauksen ongelmat: jälleenkytkennän epäonnistuminen Pienvoimala syöttää vikaa rinnan sähköaseman kanssa Lähdön suojauksen automatiikka suorittaa jälleenkytkennän Voimala voi jäädä pitämään yllä jännitettä jälleenkytkennän ajaksi Valokaari säilyy vikapisteessä, vika näyttää pysyvältä Aiheutuu pidempi katkos Voimala on aina erotettava verkosta jälleenkytkennän jännitteettömänä aikana Jälleenkytkentöjä käytetään KJ-verkossa Ei todennäköinen ongelma aurinkosähkön osalta

22 22 Suojauksen ongelmat: jälleenkytkennän epäonnistuminen Voltage [kv] Failed reclosing caused by a DG unit First tripping is performed after 0.35 s Fault occurs at 1 s Reclosing, fault remains DG unit maintains the voltage in the network 0,5 1 1,5 2 2,5 Time [s] Voltage [kv] Correct operation of DG unit protection during a reclosing sequence DG unit disconnected by its protection 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Time [s] Successful reclosing

23 23 Suojauksen ongelmat: saarekesuojaus Saarekkeella tarkoitetaan tilannetta, jossa voimala jää syöttämään verkon osaa yksin Verkko pysyy jännitteisenä Turvallisuusriski varsinkin verkostotöiden kannalta! Voi muodostua keskijännite- tai pienjänniteverkkoon Yksittäinen kiinteistö voi myös muodostaa saarekkeen

24 24 Saareketilanne Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Itsenäinen saareke! G 0.4 kv Jakelumuuntaja kv Kuluttaja

25 25 Suojauksen ongelmat: saarekesuojaus Ratkaisevaa on tuotannon ja kulutuksen tasapaino Jos tuotanto ja kulutus ovat täydellisessä tasapainossa muodostuvassa saarekkeessa, tilannetta on käytännössä mahdoton havaita Teoreettista, epätodennäköistä jne Toisaalta aina mahdollista Perinteiset suojausmenetelmät Jännite (loistehotasapaino) Taajuus (pätötehotasapaino) Ongelmien vuoksi kehitetty uusia menetelmiä ROCOF (Rate Of Change Of Frequency) eli taajuuden muutosnopeus Vector Shift eli vaihesiirtymän tunnistus Parantavat tilannetta, mutta teoreettinen ongelma edelleen ratkaisematta Voivat olla alttiimpia myös virhelaukaisuille

26 26 Suojauksen ongelmat: saarekesuojaus P [MW] load profile 30 generation profile 20 } non-detection zone 10 t 1 t 2 t 3 t 4 24 Time [h] Risk of undetected island

27 27 Suojauksen ongelmat: saarekesuojaus Saarekesuojauksen asettelu haastavaa Toisaalta teoreettista pahinta tilannetta ei voi havaita mitenkään Toisaalta verkon häiriöt aiheuttavat helposti myös saarekesuojauksen tarpeettomia toimintoja Suojauksen asettelu on tasapainoilua näiden asioiden välillä

28 28 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Perinteisesti jännitteensäätö tehdään sähköasemalla päämuuntajan käämikytkimellä Pyritään pitämään jännitteenalenema aisoissa eli säilyttämään riittävä jännite kuluttajilla Jakelumuuntajilla yleensä kiinteä jännitteensäätö (korotus) Käämikytkin helppo säätää pahimman tapauksen mukaan Etsitään sähköisesti kaukaisin piste sähköasemalta ja säädetään aseman jännitettä niin, että kyseisen pisteen jännite riittävä Sähköasema Päämuuntaja Jakelumuuntaja Kuorma

29 29 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Päämuuntaja Jakelumuuntaja G Jännite max 1.0 pu min

30 30 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Yksittäistä lähtöä tarkasteltaessa olisi yksinkertaista säätää päämuuntajan jänniteohjetta alaspäin Mutta: Kaikki aseman lähdöt ovat päämuuntajan säädön alla jännite laskisi muilla lähdöillä liikaa Hajautetun tuotannon tila vaihtelee tyypillisesti nopeasti, päämuuntajan jännitteensäätö hitaammin hetkellisiä ylityksiä Jännite max 1.0 pu min

31 31 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Jännitteensäätö käy erittäin monimutkaiseksi kun verkossa monta kuluttajalähtöä (kuten yleensä) ja varsinkin kun tuotantolaitoksia on useita PJ-verkossa jännitteensäätömahdollisuus puuttuu kokonaan Ratkaisumahdollisuuksia Voimalaitoksen osallistuminen jännitteensäätöön Paikalliset jännitteenkorotus/-alennusmuuntajat Kondensaattoreiden ja reaktoreiden asentaminen verkkoon Verkon vahvistaminen Pääongelma on joka tapauksessa hajautetun tuotannon nopea tehonvaihtelu joka edellyttäisi jatkuvaa mittausta ja verkon tilan seurantaa

32 32 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Determination of set point AVC relay Tap changer mechanism 110/20 kv Wind park 4*0.75 MW Substation Feeder 1 Feeder 2 G G 0.69/20 kv G G Long sea cable

33 33 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Sähkön laatu Tuotannon vaihtelu aiheuttaa nopeita jännitemuutoksia Valaistuksen välkyntä Sähkölaitteiden häiriöt yms. Tuotannon verkosta irtoamiset voivat aiheuttaa suurempia jännitekuoppia Sähkömoottoreiden sammumisia yms. Verkkokytkentään käytettävä suuntaaja voi aiheuttaa verkkoon yliaaltoja Ovat jossain määrin vältettävissä suuntaajan suunnittelulla

34 34 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Sähkön laatu Sähkönjakelun keskeytykset Hajautettu tuotanto voi lisätä asiakkaan kokemia keskeytyksiä Toisaalta hajautettua tuotantoa voitaisiin käyttää sähkön tuottamiseen pidempien keskeytysten aikana Ratkaisevaa on turvallisen toteutuksen suunnittelu etukäteen Suunniteltu saarekekäyttö erotettava tahattomista saareketilanteista

35 35 Hajautetun tuotannon liittymisehdot Varmistetaan teknisesti oikea liittäminen Raja-arvot Sovellettavat tekniikat Suojausasetukset oleellinen osa ehtoja Määritellään vastuut, laitteiden omistukset jne. Ennen kaikkea: verkkoyhtiön keino hallita verkkoon liittyvää tuotantoa Kansainväliset ja kansalliset standardit Eri tahojen suositukset Verkkoyhtiön omat määrittelyt ja vaatimukset

36 36 Voimassa olevat ehdot ja suositukset Kansalliset suositukset ja ohjeet: Pienvoimaloiden liittäminen jakeluverkkoon Sähköenergialiitto 2001 Mikrotuotannon liittäminen sähkönjakeluverkkoon / Verkostosuositus YA9:09 Energiateollisuus 2009 Sähkön pientuotannon liittäminen verkkoon Motiva 2006 Tarkoitettu tuottajan ohjeeksi Energiateollisuuden suosittelemat ehdot vuodelta 2005 Sähköntuotannon liittymisehdot TLE05 Sähköntuotannon verkkopalveluehdot TVPE05 Yleiset liittymisehdot LE05 Yleiset verkkopalveluehdot VPE05

37 37 Voimassa olevat ehdot ja suositukset Verkkoyhtiöt määrittelevät omat liittymisehtonsa Julkisia, löytyvät yleensä helposti yrityksen verkkosivulta Perustuvat useimmiten hyvin pitkälti kansallisiin suosituksiin Helpoimmin perusteltavissa Kaikilta osin verkkoyhtiöt eivät halua tehdä omia kannanottoja nopeasti kehittyvästä aiheesta Esim. Helsingin Energian ehtoja käytetty jonkin verran myös muissa verkkoyhtiöissä

38 38 Voimassa olevat ehdot ja suositukset Aurinkosähköasennuksiin sovellettavissa suoraan ET:n suositus Mikrotuotannon liittäminen sähkönjakeluverkkoon YA9:09 Pohjautuu eurooppalaiseen standardiin EN Requirements for the connection of micro-generators in parallel with public low-voltage distribution networks Helposti käytettävä myös verkkoyhtiön näkökulmasta

39 39 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Sähköverkon näkökulmasta aurinkosähkö ja muu hajautettu tuotanto ristiriitainen aihe Monimutkaistaa verkon hallintaa Edellyttää usein verkon vahvistamista ja muita investointeja Pienentää myös siirtotuloja Ei kuitenkaan vähennä tarvetta pitää verkkoa yllä Oikeastaan päinvastoin Käytännössä ei hyötyä verkkoyhtiölle Hajautettu sähköntuotanto nähdään toistaiseksi usein rasitteena Toisaalta kehityksen suunta on selkeä ja se tiedostetaan Verkkoliiketoiminta jossain määrin vanhoillinen ala

40 40 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Perusongelma: aiheuttaako tuotannon lisääminen verkkoon kustannuksia ja ennen kaikkea: kuka maksaa? Alle 2 MVA laitokset liitettävä liittymismaksulla, ts. verkon vahvistuskuluja ei saa periä tuottajalta Aurinkosähkö käytännössä aina tätä kokoluokkaa Verkon näkökulmasta haastavaa Kun yli 2 MVA tuottajalta peritään vahvistuskuluja, palautussäännöt astuvat voimaan Mahdollisuus maksun palautukseen kun lisää tuotantoa tulee verkkoon (kulujen tasaus) Aurinkosähkön/hajautetun tuotannon kannattavuus edellyttää usein halpaa verkkoliityntää talouskysymykset oleellisia!

41 41 Ajankohtainen aihe: 50.2 Hz -ongelma Eurooppalaisissa määräyksissä on perinteisesti vaadittu aurinkopaneeleiden irtikytkeytymistä taajuuden noustessa arvon 50.2 Hz yli Ylitaajuustilanteen välttäminen edellyttää tuotetun tehon pienentämistä Aurinkosähkö on asetettu irtoamaan ensimmäisenä Pieni vaikutus ensimmäinen säätökeino Taustalla myös epäluuloja aurinkosähkön vaikutuksista jakeluverkon hallintaan

42 42 Ajankohtainen aihe: 50.2 Hz -ongelma Aurinkosähkön määrä on kasvanut nopeasti Keski- ja Etelä- Euroopassa Esimerkkinä Saksa: 2004: 1000 MW 2010: MW Euroopan tasolla lähes MW asennettua aurinkosähkökapasiteettia Eurooppalainen järjestelmä on mitoitettu n MW tehonmenetyksen mukaan Aurinkosähkökapasiteetin menetyksellä lievän ylitaajuuden aikana voisi olla vakavia seurauksia verkon kannalta 3000 MW menettäminen alueellisesti mahdollista

43 43 Ajankohtainen aihe: 50.2 Hz -ongelma Tarvittavia toimenpiteitä Uudet asennukset saatava nopeasti kuntoon Verkkovaatimusten päivitys voi olla hidasta Vanhojen asennusten osalta selvitettävä vaihtoehtoja Voidaanko vanhoja asennuksia päivittää? Missä laajuudessa, kenen kustannuksin? Pidemmällä tähtäimellä aurinkosähkölaitteiden tulisi osallistua verkon tilan hallintaan Tehon hallittu rajoitus taajuuden noustessa Pienet yksiköt säätämässä itsenäisesti taajuutta voi olla myös riski

44 44 Ajankohtainen aihe: 50.2 Hz -ongelma Tyypillinen esimerkki aurinkosähkön (ja muun hajautetun sähköntuotannon) verkkovaikutuksista Yksittäisellä voimalalla ei vaikutusta, mutta suurella massalla on merkittävät vaikutukset Laitteiden määrä kasvaa nopeasti, vaikea seurata ja ennakoida Vaikutukset tulevat yllätyksenä massan kasvettua riittävän suureksi Toimenpiteet vaikea toteuttaa johtuen laitteiden määrästä Vaatimukset asetetaan paikallisella tasolla (jakeluverkkoyhtiö), mutta vaikutukset voivat ilmetä korkeammilla tasoilla (Euroopan siirtoverkkojärjestelmä)

45 45 Esimerkki suuren mittakaavan aurinkovoimasta: Desertec

46 46 Yhteenvetoa Aurinkosähkö sähköverkossa on uusi ilmiö Sähköverkko käy monimutkaisemmaksi hallita pientuotannon myötä Verkon suojaus ja jännitteensäätö suurimmat haasteet Aurinkosähkö käy merkittäväksi myös siirtoverkkotasolla Verkkoa rakennettaessa ei yksinkertaisesti olla varauduttu tuotannon hajauttamiseen Nykytilassa verkko rakennettaisiin ehkä eri tavalla Kehitys on kuitenkin ilmeinen eli pienimuotoinen tuotanto tulee yleistymään nopeastikin