Tuulivoima ja sähköverkko

Transkriptio

1 1 Tuulivoima ja sähköverkko Kari Mäki Sähköenergiatekniikan laitos

2 2 Sisältö Sähköverkon rakenne Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Siirtoverkko Jakeluverkko Pienjänniteverkko Sähköverkon näkökulma yleisemmin

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 jakeluverkko 0.4 kv pienjänniteverkko Kuluttaja

6 6 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Kolme eroteltavaa tyyppiä: 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

7 7 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuulipuisto Siirtoverkko Hajautettu tuotanto Jakeluverkko Jakeluverkko Teollisuuskuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Pienvoimala

8 8 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Tuulivoimaloille tyypillisiä ominaisuuksia Voimakas tuotannon vaihtelu Uusissa voimaloissa modernit generaattoriratkaisut Suuntaajatekniikat, kaksoissyötetty oikosulkugeneraattori, tasajännitegeneraattorit jne. Tavoitteena pääasiassa vaihtelevan tuulen parempi hyödyntäminen Mallintaminen hankalaa sähköverkon näkökulmasta

9 9 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tyypillisesti suuria tuulipuistoja Liityntä kv jännitteisiin Yleisimmin merellä (off shore) Oma sähköasema, tiedonsiirto, valvonta jne.

10 10 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tyypillinen tuulipuiston keräysverkko (DC) tasajännitekaapeli muuntaja vaihtosuuntaus verkkoon Suojalaitteet, mittaukset yms.

11 11 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tyypillinen tuulipuiston keräysverkko (AC) Ei vaihtosuuntausta Myös voimaloilla usein muuntajat kaapeli muuntaja verkkoon Suojalaitteet, mittaukset yms.

12 12 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Siirtoverkon huolenaiheet: Verkon käyttövarmuus Tehotasapainon ylläpito Säätösähkön saatavuus Tuulivoimatuotannon saatavuus huippukulutuksen aikana Käyttövarmuuden ylläpito: tekniset vaatimukset voimalaitoksille Siirtokapasiteetin varmistaminen Takaa käyttövarmuuden ja sähkömarkkinoiden toiminnan Sähkönsiirto kasvaa tuulivoiman myötä

13 13 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tehotasapainon ylläpito Vuorokausivaihtelut sähkömarkkinat Tuntien välinen vaihtelu säätösähkö Tunnin sisäinen vaihtelu säätösähkö ja häiriöreservi Nopeat muutokset taajuusohjattu reservi Tuotannon pysähtyminen myrskyllä häiriöreservi, ennakoivat toimet Säätösähkön saatavuus Säätö lähinnä Norjan ja Ruotsin vesivoimalla Riittävyys tulevaisuudessa? Edellyttää vahvoja rajasiirtoyhteyksiä

14 14 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tuulivoimatuotannon saatavuus huippukulutuksen aikana Tuulivoiman saatavuus epävarmaa Tilastolliset todennäköisyydet (Fingrid) Huippukulutuksen aikana 90% todennäköisyydellä on käytössä 6% asennetusta tuulivoimatuotannosta Kapasiteettiarvioissa huomioidaan 6% tuulivoiman nimellistehosta Muitakin näkökulmia on: Jos tuulivoimaa sijoitetaan sekä rannikolle että lapin tuntureille, jossain tuulee aina Vähentää säätösähkön tarvetta Tilastollisesti huippukulutuksen aikana käytössä on ollut 17 % asennetusta tuulivoimatehosta

15 15 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Suomessa Fingrid soveltaa yhteispohjoismaisia teknisiä vaatimuksia tuulivoimaloille (Nordelin liittymisehdot) Sovelletaan yli 10 MVA tuulipuistoille, suositellaan sovellettavaksi myös pienemmille Koskevat myös jakeluverkkoon liittyviä voimaloita joiden teho ylittää 10 MVA Toiminta poikkeavilla taajuuksilla ja jännitteillä Toiminta jännitekuoppien aikana Jännitteensäätö Tehonsäätö

16 16 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Toiminta poikkeavilla taajuuksilla ja jännitteillä

17 17 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Toiminta jännitekuoppien aikana (fault ride through)

18 18 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Jännitteensäätö Jännitteensäätäjän ominaisuudet (säädön nopeus) Loistehon tuotannon/kulutuksen säätö välillä 0.95 kap 0.9 ind Toiminta jännitekuopassa: nimellinen loisteho 10 sekunnin ajan 70% jäännösjännitteellä Lisästabilointipiiri suurille voimalaitoksille (>50 MVA) Tehonsäätö Tehon muutosnopeudet Minimiteho Toiminta verkkohäiriön aikana

19 19 Tuulivoima jakeluverkossa: hajautettu sähköntuotanto Jakeluverkkoon sijoittuvaa pienimuotoista sähköntuotantoa KJ ja PJ tasoilla Ei keskitetysti suunniteltua tai ohjattua Käyttäytyy itsenäisesti riippumatta esim. verkon tilasta Verkon kannalta kysymys ennen kaikkea tavasta sijoittaa tuotantoa verkkoon

20 20 Tuulivoima jakeluverkossa: hajautettu sähköntuotanto Tyypillinen liityntä keskijänniteverkkoon Generaattori Suojalaitteet, mittaus jne. Muuntaja Kytkinlaitteet Verkkoon

21 21 Tuulivoima jakeluverkossa: 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

22 22 Tuulivoima jakeluverkossa: Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia Perinteinen jakeluverkon käyttö perustuu olettamukseen tehonsiirron yksisuuntaisuudesta Pätee mm. tehoihin ja vikavirtoihin Verkkoon sijoittuva hajautettu tuotanto muuttaa lähtökohtaa oleellisesti Useita teholähteitä Virtojen suunnat ja suuruudet voivat muuttua Vikavirtakestoisuudet voivat ylittyä Ongelmat aiheutuvat siitä, että verkkoja rakennettaessa ei olla osattu ajatellakaan tuotantoa verkon hännillä

23 23 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Verkon suojaus 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)

24 24 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

25 25 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

26 26 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 Samalla vältetään voimalan vauriot (tahdistamaton verkkoonkytkentä) Mahdollisia ratkaisuja Jännitteettömän ajan kasvattaminen PJK:n poistaminen kokonaan? Voimalan nopeampi erottaminen Toiminta häiriöissä ja jännitekuopissa?

27 27 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

28 28 Saareketilanne Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Itsenäinen saareke! G 0.4 kv Jakelumuuntaja kv Kuluttaja

29 29 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

30 30 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

31 31 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Päämuuntaja Jakelumuuntaja G Jännite max 1.0 pu min

32 32 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

33 33 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö

34 34 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: 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

35 35 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

36 36 Tuulivoima kiinteistön verkossa Tyypillinen liityntä kiinteistön omaan verkkoon Verkkoon Ohjaus Vaihtosuuntaaja Akut Kuva: WSE technologies

37 37 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

38 38 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

39 39 Tuulivoima kiinteistön verkossa Oman tuulivoimalan mahdollisuuksista Pieniä tuulivoimaloita myyvän tahon mukaan: Verkkosähkön tuotanto kiinteistöihin Tehokkaita yli 2kW tuulivoimaloita voi käyttää suoraan kiinteistösähkön tuottamiseen, jolloin tuulivoimala tuottaa osan töpselistä otettavasta sähköstä. Sähkölaskussa säästetään omalla energiantuotannolla. Verkkosähkön tuotanto tapahtuu kantaverkkokytkin nimisellä laitteella. Kantaverkkokytkin muuntaa tuulivoimalan sähkön samaksi kaksi tai kolmivaihevirraksi, mitä sähköyhtiö syöttää. Sähkö otetaan ensisijaisesti tuulivoimalasta ja jos tämä ei riitä, niin käytetään kantaverkon virtaa. Sähkön ylituotantotilanteessa omaa sähköä voidaan myydä kantaverkkoon ja saada siitä sähköyhtiöltä korvaus.

40 40 Tuulivoima kiinteistön verkossa Oman tuulivoimalan mahdollisuuksista Sähkön ylituotantotilanteessa omaa sähköä voidaan myydä kantaverkkoon ja saada siitä sähköyhtiöltä korvaus. Tämä ei ole tällä hetkellä mitenkään mahdollista Tämä on kuitenkin suhteellisen yleinen harhaluulo Mahdollisesti tuleva syöttötariffijärjestelmä tekisi tämän mahdolliseksi Syöttötariffien käyttöönotto lisäisi todennäköisesti pienen tuotannon määrää nopeasti

41 41 Tuulivoima kiinteistön verkossa Oman tuulivoimalan mahdollisuuksista Sähkön ylituotantotilanteessa omaa sähköä voidaan myydä kantaverkkoon ja saada siitä sähköyhtiöltä korvaus. Sähköenergian myynti tapahtuu vain sähkömarkkinoilla Pientuottajan käytännössä mahdoton toimia markkinoilla erilaisten maksujen ja velvoitteiden vuoksi Markkinat edellyttävät tarkkaa mittausta yms. Samalla sähköverovelvollisuus kaiken tuotannon osalta Sähköverkkoyhtiöllä ei ole energian kanssa mitään tekemistä vaan se vastaa energian siirrosta Siirto laskutetaan myös jos tuotettua tehoa siirretään verkon suuntaan (jos tuotanto siis mitattaisiin) Käytännössä verkon suuntaan siirtyvää tehoa ei mitata mitenkään, vaan se lähinnä pienentää verkon häviöitä

42 42 Tuulivoima kiinteistön verkossa Nordic market National market Large industries Small business COMPETITIVE BUSINESS Power generation Nord Pool Sales company Private customer Nordic wholesale price determined by supply and demand Retail price determined by seller s purchase price and buyer s contract REGULATED BUSINESS National transmission system operator and grid Local distribution company and network Distribution customer Price regulated by national authorities

43 43 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

44 44 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Perusongelma: aiheuttaako tuotannon lisääminen verkkoon kustannuksia ja ennen kaikkea: kuka maksaa? Suoraan aiheutuvat kustannukset saa periä tuottajalta liittymismaksuina Toisaalta verkkoyhtiöllä yleinen velvollisuus kehittää ja ylläpitää verkkoaan Avoimia kysymyksiä: Jos ensimmäiseltä tuottajalta peritään maksu verkon vahvistamisesta, miten toimitaan seuraavan tuottajan liittyessä samalle alueelle? Jos tuotantoa alkaa olla joka paikassa, onko kyse yleisestä verkon kehittämisestä vai edelleen yksittäisistä tapauksista? 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!

45 45 Yhteenvetoa Tuulivoima sähköverkossa on uusi ilmiö Siirtoverkkotasolla suuret tuulipuistot Jakeluverkossa hajautettu sähköntuotanto Pienjännitteillä kiinteistökohtaiset voimalat Ongelmat erilaisia verkon eri tasoilla Siirtoverkossa tehotasapaino, säätösähkö ja tuotannon saatavuus Jakeluverkossa suojaus, jännitteensäätö ja sähkön laatu Pienjännitteillä lähinnä turvallisuus (saareketilanteet, suojaus)