Tuulivoiman vaikutukset sähköverkossa

Transkriptio

1 Tuulivoiman vaikutukset sähköverkossa SMG-4500 Tuulivoima TTY Kari Mäki, VTT 2 Sisältö Pohjoismainen sähköjärjestelmä ja Suomen sähköverkko Tuulivoiman liittäminen verkkoon Generaattorivaihtoehdot Verkostovaikutukset Suojaus Jännitteensäätö Offshoretuulipuistojen verkkoon liityntä 1

2 3 Yhteispohjoismainen sähköjärjestelmä Yhteispohjoismaiseen synkronijärjestelmään kuuluu Suomi, Ruotsi, Norja, Itä-Tanska Kolmivaiheinen 50 Hz taajuinen vaihtosähköjärjestelmä Fingrid Suomen kantaverkkoyhtiö Suomesta vaihtosähköyhteydet (AC) Ruotsiin Norjaan Suomesta tasasähköyhteys (DC) Ruotsiin Venäjälle (IPS/UPS-järjestelmä) Viroon (IPS/UPS-järjestelmä) Fingrid kuuluu Euroopan kantaverkkoyhtiöiden organisaatioon ENTSO-E:n 4 Suomen sähköverkko Valtakunnallinen kantaverkko suurjännitteinen siirtoverkko rakenteeltaan silmukoitu, myös normaali käyttötapa 400 kv, 220 kv ja rengaskäyttöiset 110 kv johdot Alueverkot yleensä säteittäinen rakenne ja käyttötapa säteittäiskäyttöiset 110 kv johdot Jakeluverkot paikallisten verkkoyhtiöiden alle 110 kv verkot keskijänniteverkko (tyypillisesti 20 kv tai 10 kv) pienjänniteverkot (tyypillisesti 400 V) rakenteeltaan säteittäinen tai silmukoitu, käyttötapa säteittäinen Johtomäärät suurjänniteverkkoa > km keskijänniteverkkoa > km pienjänniteverkkoa > km Lähde: Fingrid 2

3 5 Sähköverkon rakenne Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Jakelumuuntaja kv jakeluverkko 0.4 kv pienjänniteverkko Kuluttaja Lähde: Fingrid 6 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Kolme eroteltavaa tapausta: Suuret tuulipuistot Sijoittuvat siirtoverkkotasolle Verrattavissa muihin suuriin voimalaitoksiin Yksittäiset tuulivoimalat ja pienet tuulipuistot Jakeluverkkoon sijoittuva hajautettu sähköntuotanto Suhteellisen uusi ilmiö Pienet tuulivoimalat Kiinteistön omassa verkossa Mökkien sähköistys jne. usein ei yhteyttä verkkoon 3

4 7 Tuulivoiman sijoittuminen sähköverkkoon 8 Tuulivoimaloiden liittäminen verkkoon 1/3 Kysymyksiä Voimala/puistokoko? Jännitetaso? Pienvoimala pienjänniteverkossa Oma vai yhteinen liittymisjohto muiden asiakkaiden kanssa? Yksi vai useampi voimala samassa johdossa? Voimalat ja puistot keskijänniteverkossa Voimalakohtaiset jakelumuuntajat vai yhteisiä? Puistolle oma (keskijännite)lähtö? Puistolle oma 110 kv/20 kv sähköasema? Suuret tuulipuistot Kanta/alueverkko? 110/220/400 kv? Liittymistapaan vaikuttavat voimalan tai puiston koko ja sijainti Alhaisella jännitetasolla liittyminen on halvempaa Voimalan aiheuttamat verkostovaikutukset ja verkkokomponenttien terminen kuormitettavuus asettavat rajoja liittymisteholle 4

5 9 Tuulivoimaloiden liittäminen verkkoon 2/3 ~100 MW Oma 110/20 sähköasema, ei muita johtolähtöjä Suuntaa-antavia lukuja Verkon todellinen vahvuus ratkaisee aina! Ketju syöttävä verkko sähköasema johdinlajit Vaihtelee todella paljon jakeluverkossa Kehittyvä teknologia muuttaa tilannetta ~ 20 MW Oma johtolähtö puistolle, syöttävällä sähköasemalla rinnakkaisia johtolähtöjä ~ 1 MW Heikossa keskijänniteverkossa ~ 5 MW Vahvassa keskijänniteverkossa ~ 100 kw Pienjänniteverkossa jossa kulutusta 10 Tuulivoimaloiden liittäminen verkkoon 3/3 Verkkoyhtiön roolista Tuulivoima verkossa on uusi asia; ilmiöistä on monenlaisia käsityksiä Verkkoyhtiö vastaa verkkonsa toiminnasta; sähkön laadusta, turvallisuudesta, häviöistä, jne. Verkkoyhtiöllä on oikeus asettaa tuulivoimalan liittämiselle tiettyjä vaatimuksia Tuottajan ja verkkoyhtiön intressit ovat usein vastakkaisia Oleellista on, että verkkoyhtiö osaa arvioida tuulivoiman vaikutukset ja pystyy perustelemaan vaatimuksensa Imagoriski vs. verkon toimivuuden varmistaminen Jakeluverkossa: < 2 MVA yksiköt liitettävä suorilla liittymiskustannuksilla ei vahvistuskuluja > 2 MVA vahvistuskulut tuottajalta perustelut tärkeitä Erilaisia tulkintoja mm. liittymispisteen sijaintiin liittyen Voimala verkkoon yhteistyössä verkkoyhtiön kanssa! 5

6 11 Yleisimmin käytetyt generaattorikonseptit Kolme MW-luokan peruskonseptia (+ useita variaatioita) 1. Vakionopeuksinen, suoraan verkkoon kytketty epätahtikone 2. Muuttuvanopeuksinen, kaksoissyötetty epätahtigeneraattori (DFIG Double-fed induction generator), roottoripiirin resistanssin säätö (OptiSlip) 3. Muuttuvanopeuksinen, täystehotaajuusmuuttajalla varustettu generaattori Roottorin pyörimisnopeus hidas (~25 rpm 1 MW voimala), sähköverkon taajuus 50 Hz (3 000 rpm). Tarvitaan vaihteistoa tai enemmän napapareja generaattorissa tai taajuusmuuttajaa tai näiden yhdistelmää Suoraan verkkoon kytketty epätahtikone (SCIG) Perinteinen voimalakonsepti Väistyvä voimalatyyppi, vanhat, pienemmät olemassa olevat tätä tyyppiä, mutta myös esim valmistuneen 165 MW Nystedmerituulipuiston 2.3 MW voimalat Tanskassa Aina vaihteellinen ratkaisu Generaattorikäytössä epätahtikoneen pyörimisnopeus hieman yli tahtinopeuden oikosulkukone esim rpm kaksoiskäämityllä oikosulkukoneella kaksi pyörimisnopeusaluetta esim ja 1500 rpm Tarvitsee loistehoa magnetointiin varustettu siksi kondensaattoriparistoilla Verkosta otettava käynnistysvirta rajoitetaan esim. pehmokäynnistimellä Tuulesta verkkoon -yhteys hyvin suora (ja myös toisinpäin), eli ilmiöt siirtyvät Kuva: ABB 6

7 13 2. Kaksoissyötetty epätahtikone (DFIG) Useimmat nykyään asennettavat tuulivoimalat DFIG-tyyppiä Käämityn epätahtikoneen roottoripiiriä syötetään taajuusmuuttajan kautta taajuusmuuttajan koko luokkaa 1/3 voimalan nimellistehosta Aina vaihteellinen ratkaisu Verkkovikatilanteissa taajuusmuuttaja suojattava kaksoissyötön vuoksi staattoripiirin kautta generaattoriin voi indusoitua ylivirtoja jotka voisivat rikkoa taajuusmuuttajan taajuusmuuttaja suojataan oikosulkemalla roottoripiiri vikatilanteessa Kuva: ABB Täystehotaajuusmuuttajan kautta verkkoon kytketty generaattori Yleistyvä ratkaisu Kokonaan taajuusmuuttajan kautta verkkoon kytketty epätahti- tai tahtigeneraattori, kestomagnetoitu tai käämitty roottori Vaihteellinen tai vaihteeton ratkaisu vaihteeton ratkaisu mahdollista erittäin moninapaisella tahtikoneella toteutettuna jolloin generaattorin pyörimisnopeus saadaan riittävän hitaaksi Taajuusmuuttaja erottaa voimalan hyvin mutta ei täysin verkosta taajuusmuuttaja mahdollistaa tasaisemman tehonsyötön verkkoon ja suodattaa verkossa tapahtuvien ilmiöiden etenemistä voimalaan Kuva: ABB 7

8 15 Muuttuvanopeuksiset generaattorit Aluksi kehittyneempi versio oikosulkukoneesta vakionopeusvoimalassa; liukurengaskone säädettävällä roottorivastuksella, pyörimisnopeuden vaihtelualue esim rpm (Vestaksen pienemmät voimalat) Osatehotaajuusmuuttajalla varustettu epätahtigeneraattori, eli kaksoissyötetty generaattori (DFIG) Täystehotaajuusmuuttajan kautta verkkoon kytketty generaattori Pyörimisnopeuden säätö osatehoilla Vakionopeus ja lapakulmasäätö nimellisteholla Piirteitä Taajuusmuuttaja mahdollistaa voimalan pyörimisnopeuden säädön toiminta-alue jopa % nimellisestä pyörimisnopeudesta loisteho ohjattavissa aiheuttaa verkkoon mm. yliaaltoja Hyötyjä verrattuna vakionopeusratkaisuihin Voimalan parempi aerodynaaminen hyötysuhde laajemmalla tulennopeusalueella Voimalan kuormituksen pieneneminen, erityisesti nimellisteholla Aerodynaamisen melun väheneminen Paremmat edellytykset verkon tukemiseen Roottori rpm Tuuli m/s 16 Energiamittaus ja maksut Tuotettu sähköenergia voidaan myydä vapaasti kenelle tahansa Suomessa tai sähköpörssiin Sähkön siirrosta maksetaan erikseen paikalliselle verkonhaltijalle Kun tuotanto on pienempi kuin omakäyttö, tarvittava sähköenergia ostetaan ulkopuoliselta Tietty määrä loissähköä on yleensä ilmaista, ilmaisosan ylittävä osa on usein hyvin kallista P P Q Q mittaus Sähköverkko Tuulivoimala tuotanto omakäyttö verkosta otettu loisteho mm. koneen magnetointiin verkkoon syötetty loisteho 8

9 17 Tuotantolaitosten sähköverkkoon liittämistä koskevia standardeja ja ohjeita Energiateollisuus ry (ET) antama suositus; Sähköntuotannon liittymisehdot TLE05 koskevat tuotannon liittämistä jakeluverkkoon (<110 kv) ja määrittelevät sopimus ja tekniseen liityntään liittyviä asioita (ei määritä toimintavaatimuksia) Helen Sähköverkko Oy:n ohje useimmat verkkoyhtiöt noudattavat Energiateollisuuden suositus YA9:09 Mikrotuotannon liittäminen sähkönjakeluverkkoon koskee pj-verkon tuotantoa Standardi EN koskee pieniä laitoksia Standardi IEEE 1547 hajautetun tuotannon verkkoonliittämistä koskeva standardi Fingrid VJV 2007, Nordel-vaatimukset Siirtoverkkotasolla, mutta voivat vaikuttaa myös jakeluverkkoihin liittyvään tuulivoimaan 18 Tuotantolaitosten sähköverkkoon liittämistä koskevia standardeja ja ohjeita Vaatimukset muuttuvat koko ajan Maa- ja verkkoyhtiökohtaiset Grid Codet Viranomaisten vaatimukset Tulossa mm. Cenelec:n vaatimukset pien- ja keskijänniteverkkoihin ENTSO-E:n yleiset vaatimukset 9

10 19 Helen Sähköverkko Oy:n ohjeiden mukainen luokitus 20 Luokkien 3 ja 4 tuotantolaitteistojen ja yleisen jakeluverkon välisen rajapinnan suojareleiden asetteluarvot (Helen) Generaattoreiden tai generaattorin syöttämän asiakasverkon kytkennässä jakeluverkon jännitteen tulee noudattaa seuraavia tahdistusehtoja: Tahtigeneraattori: U < ± 8 % UN, f < ± 0,5 Hz, < ±10 Epätahtigeneraattori: Tahdistamaton verkkoon kytkentä on sallittu, jos kierroslukuero ± 5 % nn. Muutoin sovelletaan tahtigeneraattoreille annettuja arvoja. Vaihtosuuntaajalaitteet: voidaan kytkeä verkkoon ilman erillistä tahdistinta, jos verkko-osa synkronoituu automaattisesti ja kytkeminen ei aiheuta haitallista käynnistysvirtasysäystä. Muutoin sovelletaan tahtigeneraattoreille annettuja arvoja. Tuotantolaitteistojen ja yleisen jakeluverkon välisen rajapinnan suojareleiden asetteluarvot PARAMETRI KOKONAISAIKAHIDASTUS s LAUKAISUN RAJA-ARVOT Ylijännite (porras 1) 1,5 U + 10 % Ylijännite (porras 2) 0,15 U + 15 % Alijännite (porras 1) 5 U - 15 % Alijännite (porras 2) 0,15 U - 50 % Ylitaajuus 0,2 51,0 Hz Alitaajuus 0,5 48,0 Hz YSE 0,15 *) Esimerkki, jokaisella verkolla omat vaatimuksensa! 10

11 21 IEEE standardi Vaatimukset hajautetun tuotannon laitteille 10 MVA asti, jotka on tarkoitus liittää verkkoon tyypillisellä jakelumuuntajan ensiö- tai toisiojännitetasolla Standardissa on oletusarvona 60 Hz taajuus Liityntäpisteen (PCC, Point of Common Coupling) ominaisuuksien vaatimukset: yleiset vaatimukset: jännitteen säätö, maadoitusjärjestelmän integrointi aluesähköverkon järjestelmään, tahdistus, tahaton jännitteensyöttö aluesähköverkkoon, lukittava erotuslaite, liityntäpisteen suojaus sähkömagneettisilta häiriöiltä ja syöksyjännitekestoisuus toiminta epänormaaleissa olosuhteissa: aluesähköverkon viat, jälleenkytkennän koordinointi, sallittu jännitteen ja taajuuden vaihtelu, tahdista putoaminen, kytkeytyminen aluesähköverkkoon, enintään viiden minuutin viive siitä, kun jännite ja taajuus ovat palautuneet sallittuihin rajoihin sähkön laatu: virran tasajännitekomponentti ei saa olla yli 0,5 % nimellisestä, hajautettu tuotantolaitos ei saa aiheuttaa häiritsevää välkyntää eivätkä virran yliaallot liityntäpisteessä saa ylittää taulukon 3 arvoja, kun hajautettu tuotantolaitos syöttää tehoa symmetriseen ja lineaariseen kuormitukseen saarekekäyttö: tahaton saarekekäyttö pitää pystyä havaitsemaan ja energian syöttö verkkoon pitää keskeyttää kahden sekunnin kuluessa, harkitun saarekkeen vaatimukset tulevat myöhemmin 22 Fingrid VJV 2007, Nordel-vaatimukset Määritellään liittymispiste, tuulivoimala ja tuulipuisto Järjestelmävastaava määrittää liittymispisteen Alle 100 MW:n tuulipuistojen osalta järjestelmävastaava voi tapauskohtaisesti päättää voidaanko kyseinen tuulipuisto vapauttaa joistakin vaatimuksista Järjestelmävastaava antaa yksityiskohtaiset asetukset säädölle Tuotannon säätö ylärajan säätö alueella % nimellistehosta kauko-ohjauksella pätötehon nousunopeuden rajoittaminen arvoon 10 % nimellistehosta minuutissa nopea tehon alassäätö 100 %:sta 20 %:iin nimellistehosta viidessä sekunnissa, kuitenkin niin että pätötehon palauttaminen nopeasti on oltava mahdollista Taajuus: automaattiohjaus järjestelmätaajuuden mukaan Loisteho ja jännitteen säätö: Voimalan käyttö nollaloisteholla verkkoon päin mitattuna Loistehontuotannon säätö järjestelmävastaavan vaatimusten mukaisesti 11

12 23 Fingrid VJV 2007, Nordel-vaatimukset Toiminta eri taajuus- ja jännitealueilla (ylempi kuva) A: Normaali jatkuva käyttö. Voimajärjestelmän jännitteen ja taajuuden vuoksi ei sallita pätötehon tai loistehon alentumista. B: Vähintään 30 minuutin keskeytymätön käyttö. Pätötehon tuotannon sallitaan alenevan taajuuden lineaarisena funktiona 0 % alenemasta taajuudella 49,0 Hz 15 % alenemaan taajuudella 47,5 Hz. C: Vähintään 60 minuutin keskeytymätön käyttö. Pätötehon tuotanto voi alentua 10 %. D: Vähintään 60 minuutin keskeytymätön käyttö. Pätötehon tuotanto voi alentua 10 %. E: Vähintään 30 minuutin keskeytymätön käyttö. Mahdollinen pätötehon tuotanto voi laskea vähän. (Tällaisten käyttöolosuhteiden kokonaiskesto on normaalisti enintään 10 tuntia vuodessa.) F: Vähintään 3 minuutin keskeytymätön käyttö. Pätötehon tuotanto voi laskea, mutta voimaloiden tulee pysyä kytkettynä voimajärjestelmään Toiminta verkkovikojen aikana esim. voimalan on pysyttävä verkossa kun jännite liityntäpisteessä on oheisen kuvan käyrän yläpuolella, saa kytkeytyä irti jos käyrän ulkopuolella Vaatimusten täyttämisen todentaminen Tiedonvaihto Fingridin kanssa 24 Fingrid VJV 2007, Nordel-vaatimukset Toiminta poikkeavilla taajuus- ja jännitealueilla 12

13 25 Fingrid VJV 2007, Nordel-vaatimukset Toiminta jännitekuopan aikana 26 Vaatimusten kehittyminen Konventionaaliselle tuotannolle tehtyjä verkkovaatimuksia (Grid Code) laajennettu koskemaan myös tuulivoimaa Tuulivoimamäärän kasvaessa tiukempia vaatimuksia Vaatimukset vaihtelevat eri maissa Vaatimusten harmonisointi käynnissä Termistö Rakenne Käytettävät muuttujat Esitystavat Helpommin tulkittavissa kansainvälisestikin Lukuarvoja ei tarkoitus yhtenäistää eri järjestelmillä omat, johtuen sähköjärjestelmien yksilöllisistä ominaisuuksista ja tarpeista Lähde: Jauch et al. International Comparison of Requirements for Connection of Wind Turbines to Power Systems. Wind Energy, Vol.8, No.3, July

14 27 Tuulivoimaa rajoittavat tekijät siirtoverkossa Sähköjärjestelmän asettamia vaatimuksia stabiilisuus käyttövarmuus Fingrid varautunut varmistamaan että Suomen järjestelmään voidaan liittää 2500 MW maantieteellisesti hajautettua tuulivoimaa seuraavan kymmenen vuoden aikana Fingridin verkkoon järkevää liittää pääasiassa 250 MVA puistot 400 kv verkkoon MVA puistot 110 kv verkkoon <100 MVA puistot 110 kv verkkoon harkinnanvaraisesti sikäli kun järkevin ratkaisu Fingrid määrittää liitynnän- ja liityntäpisteen liittyjän kanssa (sis. verkkoselvityksen ja verkkotarkastelun) useampia liittyjiä / yksi liittyjä 400 kv vai 100 kv? liityntäverkko suunniteltava huomioiden puiston/puistojen lopullinen laajuus Liityntää koskevat Fingridin vaatimukset: yleiset liittymisehdot (YLE2007) ja voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset (VJV2007) 28 Tuulivoimaa rajoittavat tekijät jakeluverkossa Jännitenousu ei saa olla liian suuri Erityisesti kun on useampi rinnakkainen keskijännitelähtö Nopeat jännitemuutokset alle 3 % Flicker eli välkyntä Vanha nyrkkisääntö: nimellisteho < 1/20 liittymispisteen oikosulkutehosta Käytännössä tämä ehto ei aina täyty Verkon suojauksen toteutus Jakeluverkkoyhtiöiden liityntää koskevat omat vaatimukset, myös Fingridin vaatimukset voivat välittyä (> 10 MVA tuulivoimaa kantaverkon liityntäpisteessä) Tarkasteltu 20 kv jakeluverkkoja 14

15 29 Tuulivoiman mahdolliset verkostovaikutukset Jännitetaso (tehon tuotanto nostaa jännitettä) Jännitevaihtelut voivat lisääntyä tuotannonvaihtelut ylhäällä tuulee enemmän kuin alhaalla, tai puuska peittää vain osan pyyhkäisypinta-alasta mahdollinen värähtely, heilunta Jos voimalassa on oikosulkukone, hetkellinen jännitenotkahdus käynnistyksen yhteydessä, askelmaiset jännitemuutokset kondensaattoriparistojen kytkentöjen vuoksi Jännitetransientteja kytkentöjen yhteydessä Yliaaltoja taajuusmuuttajista (riippuu voimalakonseptista) Verkon häviöt pienenevät/kasvavat Jakeluverkkotasolla verkon suojaus mutkistuu Tuulivoimaloiden verkostovaikutukset eivät ole välttämättä kielteisiä 30 Tuulivoiman mahdolliset verkostovaikutukset Tuulivoimaloiden verkostovaikutukset eivät ole välttämättä kielteisiä Tukee jännitettä heikossa verkossa sijoittuessaan lähelle kuormitusta Vahvistaa verkkoa, ts. kasvattaa vikavirtatasoja Tulevaisuuden mahdollisuuksia Tuulivoima osallistuu jännitesäätöön Paikalliseen mittaukseen perustuen Koordinoidusti mm. aseman jännitesäädön kanssa Joustava liittymisteho Tarvittaessa tehonrajoitus Hallittu saarekekäyttö esim. keskeytysten aikana Jännitekuoppien ja häiriöiden vaimentaminen 15

16 31 Suojaus Tuulivoimalan generaattorin toteutus vaikuttaa vikatilanteen toimintaan Suuntaaja ei tyypillisesti syötä vikavirtaa (komponenttien mitoitus) Oikosulkugeneraattori syöttää hetkellisen vikavirtapiikin Liittymispisteen suojaus ei voi perustua pelkkään ylivirtaan Voimalan liittymispisteen suojalaitteet Yli- ja alijännite (usein 2-portaisena) Yli- ja alitaajuus (1-portainen) Ylivirta (2-portainen, varasuoja) Maasulkusuojaus (mittaus muuntajan yläpuolelta) Erillinen saarekesuojaus (ROCOF (df/dt), vector shift, tms.) 32 Suojaus Jakeluverkkoon sijoittuvan tuotannon tyypilliset ongelmat: Pikajälleenkytkennän epäonnistuminen Voimala ei irtoa PJK:n aikana vaan pitää yllä jännitettä ja valokaarta AJK ja pidempi keskeytys Voimalan rasittuminen johtuen tahdistamattomasta kytkennästä Voimalalähdön ylivirtasuojauksen hidastuminen/häiriintyminen Lähdön releen kautta kulkeva vikavirta pienenee kun voimala ja asema syöttävät vikaa rinnan Lähtösuojaus voi hidastua tai pahimmillaan estyä Voimalan ja voimalalähdön irtoamiset vian sijaitessa oman lähdön ulkopuolella Ylöspäin kulkeva vikavirta voi laukaista lähdön suojauksen Voimalan oma suojaus voi erottaa voimalan esim. jännitekuopan vuoksi Tarpeettomat käyttökatkot voimalalle ja samalla lähdöllä sijaitseville kuluttajille G 16

17 33 Suojaus - terveen lähdön tarpeeton erottaminen 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 Samalla vältetään voimalan vauriot (tahdistamaton verkkoonkytkentä) Mahdollisia ratkaisuja Jännitteettömän ajan kasvattaminen PJK:n poistaminen kokonaan? Voimalan nopeampi erottaminen Toiminta häiriöissä ja jännitekuopissa? 34 Suojaus - lähdön suojauksen toiminnan estäminen Vika sijaitsee voimalalähdöllä, ei kuitenkaan tuulivoimalan ja sähköaseman välillä Voimala ja asema syöttävät vikaa rinnan Releen kautta kulkeva vikavirta pienenee tuulivoimalan vaikutuksesta Suojauksen toiminta hidastuu tai estyy kokonaan Mahdollisia ratkaisuja Lähtöä suojaavan releen asettelut Pienvoimalan riittävän nopea erottaminen Voimalan liittäminen omalla lähdöllään asemaan 17

18 35 Suojaus - terveen lähdön tarpeeton erottaminen Vika tapahtuu voimalalähdön viereisellä lähdöllä Tuulivoimala 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 36 Suojaus Tuulivoima ei saa häiritä verkon suojausta eikä aiheuttaa vaaratilanteita Voimalan vaikutus verkon vikavirtoihin huomioitava Voimala ei saa jäädä pitämään yllä saareketta Voimalan on irrottava verkosta PJK:n aikana Toisaalta Voimalan on pysyttävä verkossa häiriötilanteessa (verkkoyhtiön vaatimus) Voimala ei saa irrota verkosta turhaan (menetetty energia) Vaatimukset voivat olla ristiriitaisia! 18

19 37 Suojaus Esimerkki: voimalan alijännitesuojauksen toiminta viereisen lähdön vioissa Voltage [kv] Connection point voltage 5 km 15 km 30 km 50 km slow tripping fast tripping Time [s] 38 Suojaus - saareketilanteet 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!! Hallittu saarekekäyttö on mahdollisuus, suunnittelematon saareke on turvallisuusriski!! 19

20 39 Suojaus - saareketilanteet Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Itsenäinen saareke! G 0.4 kv Jakelumuuntaja kv Kuluttaja 40 Suojaus - saareketilanteet 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 (esim. jännitekuoppavaatimukset!) 20

21 41 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 42 Jännitteensäätö Päämuuntaja Jakelumuuntaja G Jännite max 1.0 pu min 21

22 43 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 44 Jännitteensäätö Jännitteensäätö käy erittäin monimutkaiseksi kun verkossa monta kuluttajalähtöä (kuten yleensä) ja varsinkin kun tuotantolaitoksia on useita 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 22

23 45 Jännitteensäätö 46 Koordinoitu jännitteensäätö Determination of set point AVC relay Tap changer mechanism 110/20 kv Wind park 4*0.75 MW G G 0.69/20 kv Substation Feeder 1 Feeder 2 G G Long sea cable 23

24 47 Suoraan verkkoon kytketyn epätahtikoneen vaikutus jännitteeseen 233 V 250 kw 226 V 0 kw 48 pieni kuorma iso kuorma 24

25 49 Suoraan verkkoon kytketyn epätahtikoneella varustetun voimalan vaikutus verkon jännitevaihteluihin Tuulivoimaloiden aiheuttamat jännitevaihtelut suurimmat voimaloiden kohdalla vaikea erottaa muusta jännitevaihtelusta Jännitevaihteluita esiintyy verkossa muistakin syistä mm.: kuormia kytkeytyy päälle tai pois muut voimalat kytkeytyvät päälle tai pois muuntajien käämikytkimet johtoja kytketään tuotannon perusteella laskettu jännite mitattu tuotanto ajanjakson pituus 1 vrk 8 h mitattu jännite 50 Täystehotaajuusmuuttajalla varustetun voimalan vaikutus verkon jännitevaihteluihin L1 [V] U [V] L2 [V] L3 [V] teho P [W] -Q [VAr] Mitatut vaihejännitteet ja voimalan pätö- ja loisteho, näyteväli 10min, kuvissa 11 päivän jakso. loistehon säätö ( kulutus ) vähentää jännitteen nousua 25

26 51 Tuottajan vaikutus verkkohäviöihin Sähkön kulutuksesta ja voimalan sijainnista riippuen tuottaja pienentää tai lisää verkon häviöitä Myös loissähkön siirto aiheuttaa häviöitä Verkon häviöt ovat verrannollisia siirretyn virran neliöön: P h = 3 I 2 R 500 Laskennallinen esimerkki Kulutus: huipputeho 2 MW vuosienergia 9090 MWh Tuotanto: huipun käyttöaika 2000 h häviöt (MWh/vuosi) kulutusta ja tuotantoa 400 vain kulutusta vain tuotantoa tuotannon nimellisteho (kw) 52 Tuulivoima kiinteistön verkossa Tyypillinen liityntä kiinteistön omaan verkkoon Verkkoon Ohjaus Vaihtosuuntaaja Akut Kuva: WSE technologies 26

27 53 Tuulivoima kiinteistön verkossa Lähtökohtaisesti ei syötä tehoa yleiseen pienjänniteverkkoon Pieni teho verrattuna kulutukseen Ei jännitevaikutuksia On kuitenkin jatkuvassa yhteydessä verkkoon Voi häiritä vikatilanteessa Pienjännitetasolla voi esiintyä samoja suojausongelmia kuin keskijännitteelläkin Pienvoimalan suojalaitteet usein väärin aseteltu tai niitä ei ole lainkaan Verkkoyhtiön näkökulmasta vaikeita tarkastella Suojalaitteet yleensä kiinteistön sisällä 54 Tuulivoima kiinteistön verkossa Pienjänniteverkon tuotanto muodostaa piilevän vaaran Perinteisesti vaikutus pieni jätetään huomiotta suunnittelussa ja laskennoissa Usein eivät edes ole verkkoyhtiön tiedossa Yhteisvaikutus voi kuitenkin olla merkittävä! Mihin raja vedetään? Paljonko pientuotantoa oikeastaan on? Kuinka pitkään voidaan jättää huomiotta? Usean pienen voimalan yhteisvaikutus on monilta osin verrattavissa suuremman voimalan vaikutukseen Varsinkin saarekkeen osalta 27

28 55 Offshore-tuulipuistot 1/2 Verkkoliityntä merellä kallis etäisyydet voivat olla pitkät merikaapeli mahdollisesti erillinen muuntoasematasanne Varmennusyhteys? voimalaryhmiä esim. ryhmäkohtaiset vaihtosähkökaapelit jos lähellä rannikkoa kaapelivian sattuessa ei menetetä koko puiston tuotantoa blokki 1... G G G G rantaan blokki 2... G G G G blokki n 56 Esimerkki Tanskasta: Offshore-tuulipuistot 2/2 Puiston sisäinen verkko 36 kv 36 kv / 150 kv 150 kv / 400 kv 20 km merikaapeli 34 km maakaapeli Horns Rev I 160 MW (80 x 2 MW DFIG) otettu käyttöön v puiston kokonaiskustannukset n. 278 M, josta merimuuntoaseman ja siirtokaapelin kustannukset n. 40 M Horns Rev II 209 MW (90 x 2.3 MW täysteho taajuusmuuttajalla varustettuja voimaloita) otettu käyttöön v puiston kokonaiskustannukset n. 470 M josta liittymiskustannukset verkkoon verkkovahvistuksineen n.110 M arvioitu vuosittainen tuotanto 800 GWh = omalla muuntajalla varustettu voimala = yhteys normaalitilanteessa auki 28

29 57 Offshore-tuulipuistot tulevaisuudessa Tasasähköyhteyden käyttö puistosta maihin yleistynee Muunto AC DC kallista, mutta halpenemassa HVDC yhteys kannattava ratkaisu vasta kun puisto on iso ja/tai etäisyys rantaan pitkä DC-yhteys ainoa vaihtoehto pitkillä merikaapeleilla Mahdollisuus myös liittää merituulipuistoja ns. offshore verkkoihin, eli merelle rakennettavaa HVAC- tai HVDC-yhteyttä (ei säteittäinen liityntäjohto) käytetään sekä maiden/alueiden väliseen sähkönsiirtoon, ja liitetään tuulipuisto järjestelmään vaihtoehtoa vilauteltu Kriegers Flak merituulipuiston yhteydessä; alueelle suunnitteilla Saksan, Tanskan ja Ruotsin merituulipuistot mahdollisuus säästää investointikustannuksissa verrattuna erillisiin liityntä- ja siirtoyhteyksiin G G... G AC merikaapeli DC merikaapeli maakaapeli ~ = = ~ tasasuuntaus vaihtosuuntaus meri avojohto tai maa 110 tai 400 kv verkko Lähde: Joined Pre-feasibility Study by Energinet.dk, Svenska Kraftnät and Vattenfall Europe Transmission, An analysis of Offshore Grid Connection at Kriegers Flak in the Baltic Sea. 58 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Sähköverkon näkökulmasta tuulivoima 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 Tulevaisuuden haaste miten tuulivoima voisi palvella myös sähköverkkoa? Jännitteensäätö Hallittu saarekekäyttö Sähkön laadun parantaminen jne. 29

30 59 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Perusongelma: aiheuttaako tuotannon lisääminen verkkoon kustannuksia ja ennen kaikkea: kuka maksaa? Mitä kustannuksia tuottajalta saa periä? Aiheuttamisperiaate vs. yleinen verkon kehittäminen Miten määritellään vaadittavat suojareleet ja muut liittymislaitteet? Jos vaaditaan erityistoimenpiteitä (laitteita, mittauksia, jne.), kenen kustannus ne ovat? Tuulivoiman/hajautetun tuotannon kannattavuus edellyttää usein halpaa verkkoliityntää talouskysymykset oleellisia! 60 Yhteenvetona Siirtoverkossa suuret tuulipuistot Stabiilisuus Käyttövarmuus Jakeluverkossa pienet tuulipuistot ja hajautettu tuotanto Verkon siirtokyky Jännitteensäätö Suojaus Sähkön laatu Pienjännitteillä mikrotuotanto Käytännön turvallisuus Suojaus 30

31 61 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa 31