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 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

6 6 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuulipuisto Siirtoverkko Hajautettu tuotanto Jakeluverkko Jakeluverkko Teollisuuskuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Pienvoimala

7 7 Tuulivoima sähköverkon näkökulmasta Tuulivoimaloille tyypillisiä ominaisuuksia Voimakas tuotannon vaihtelu Sijoittuminen yleensä kauas kulutuksesta, verkon reunaosiin Uusissa voimaloissa modernit generaattoriratkaisut Suuntaajatekniikat, kaksoissyötetty oikosulkugeneraattori, tasajännitegeneraattorit jne. Tavoitteena pääasiassa vaihtelevan tuulen parempi hyödyntäminen Mallintaminen hankalaa sähköverkon näkökulmasta

8 8 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tyypillisesti suuria tuulipuistoja Liityntä kv jännitteisiin Yleisimmin merellä (off-shore) tai rannikolla Oma sähköasema, tiedonsiirto, valvonta jne.

9 9 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

10 10 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

11 11 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

12 12 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

13 13 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Toiminta poikkeavilla taajuuksilla ja jännitteillä

14 14 Tuulivoima siirtoverkkotasolla Tekniset vaatimukset voimaloille Toiminta jännitekuoppien aikana (fault ride through)

15 15 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

16 16 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

17 17 Tuulivoima jakeluverkossa: Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia Uuden voimalan liityntää suunniteltaessa: Turvallisuus Toimiiko verkon suojaus edelleen? Miten saareketilanteet vältetään? Verkon riittävyys Voidaanko teho siirtää (johdinten kuormitettavuus)? Pysyykö jännite rajoissa? Muiden asiakkaiden sähkön laatu Välkkyvätkö valot, aiheutuuko pidempiä katkoja jne.?

18 18 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

19 19 Saareketilanne Voimalaitos G kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Itsenäinen saareke! G 0.4 kv Jakelumuuntaja kv Kuluttaja

20 20 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

21 21 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Perinteisesti jännitteensäätö tehdään sähköasemalla päämuuntajan käämikytkimellä Pyritään pitämään jännitteenalenema aisoissa eli säilyttämään riittävä jännite kuluttajilla Sähköasema Päämuuntaja Käämikytkin helppo säätää pahimman tapauksen mukaan Etsitään sähköisesti kaukaisin piste sähköasemalta ja säädetään aseman jännitettä niin, että kyseisen pisteen jännite riittävä Jakelumuuntaja Kuorma

22 22 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Päämuuntaja Jakelumuuntaja G Jännite max 1.0 pu min

23 23 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

24 24 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Sähkön laatu Tuulivoimalan käynnistys, alasajo ja säätötoimenpiteet aiheuttavat verkon jännitteen vaihtelua mm. valojen välkkymistä Verkkoyhtiön arvioitava vaikutukset tarkasti Verkon vahvuus Lähialueen asiakkaiden kriittisyys

25 25 Tuulivoima kiinteistön verkossa Tyypillinen liityntä kiinteistön omaan verkkoon Verkkoon Ohjaus Vaihtosuuntaaja Akut Kuva: WSE technologies

26 26 Tuulivoima kiinteistön verkossa Lähtökohtaisesti ei syötä tehoa yleiseen pienjänniteverkkoon Negatiivinen kuorma Pieni teho verrattuna kulutukseen On kuitenkin jatkuvassa yhteydessä verkkoon Voi häiritä vikatilanteessa Voi häiritä muita verkon asiakkaita Saarekkeet mahdollisia varsinkin kun tuotanto enemmän samalla alueella Turvallisuusriski Sähköttömyyden varmistaminen verkostotöiden aikana Käynnistyvät voimalat

27 27 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! Paljonko pientuotantoa oikeastaan on? Kuinka pitkään voidaan jättää huomiotta? Usean pienen voimalan yhteisvaikutus on monilta osin verrattavissa suuremman voimalan vaikutukseen Varsinkin saarekkeen osalta

28 28 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

29 29 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Perusongelma: aiheuttaako tuotannon lisääminen verkkoon kustannuksia ja ennen kaikkea: kuka maksaa? Nykytilassa <2 MVA laitokset määritellään pienimuotoisiksi Vain suorat liittämiskulut saa periä tuottajalta (ei verkon vahvistuskuluja) Siirtomaksu rajoitettu edulliseksi Yli 2 MVA laitoksilta saa periä perusteltavissa olevat verkon vahvistamiskulut Palautussäännöt myöhemmin liittyvien laitosten osalta Pienten yksiköiden kulut jaetaan kyseisen verkon asiakkaiden kesken ts. tuulivoiman tukimuoto

30 30 Sähköverkon näkökulma yleisemmin EMV:n tuore päätös: Yli 1 MVA tuulivoimalan voi edellyttää liittyvän suoraan sähköasemaan Verkkoyhtiö voi tarjota liittymispisteen sähköasemalta Liittymisjohto (esimerkissä 10 km) tuottajan rakennettava Käytännössä siirtäisi kustannukset tuottajalle Kuinka laajasti tämä on sovellettavissa? Merkittävä ennakkopäätös Syöttötariffi muuttaa tilannetta tulevaisuudessa Kiinteä hinta tuotetulle tuulivoimalle Verkkoyhtiön kannalta odotettavissa nopea tuulivoiman kasvu Muuttuvatko liittämiskustannusten periaatteet samalla?

31 31 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 ts. sähkön saatavuus Jakeluverkossa suojaus, jännitteensäätö ja sähkön laatu ts. verkon riittävyys Pienjännitteillä lähinnä turvallisuus (saareketilanteet, suojaus) ts. käytännön turvallisuus