Wind Power in Power Systems Anssi Mäkinen 181649 Luku 7: Technical Regulations for the Interconnection of Wind Farms to the Power System Julija Matevosyan, Thomas Ackermann ja Sigrid M. Bolik Johdanto Tämä luku käsittelee tuulivoimaloiden verkkoon liittämiseen liittyviä säädöksiä ja vaatimuksia. Luku koostuu neljästä alaluvusta, joista ensimmäisessä annetaan lyhyt yleiskatsaus olennaisiin teknisiin ohjeisiin ja säädöksiin. Tämän jälkeen tehdään vertailu erilaisista vallitsevista verkkoon liittymissäännöksistä. Seuraavassa alaluvussa käsitellään teknologisia ratkaisuja, joiden avulla voidaan verkkoon liittymissääntöjä noudattaa. Lopuksi käsitellään kansainvälisiin verkkoon liittymiskäytäntöihin liittyviä asioita. 1. Yleiskatsaus teknisiin ohjeisiin ja säädöksiin Yleensä tekniset teollisuudessa käytössä olevat standardit pohjautuvat standardeihin, jotka ovat peräisin IEEE:stä (Institute of Electrical and Electronic Engineers) tai IEC:stä (International Electrotechnical Commision). Näiden standardien käyttö on kuitenkin vapaaehtoista. Tämän vuoksi käytössä on monia alueellisia sekä kansallisia standardeja, ohjesääntöjä, vaatimuksia sekä suosituksia tuulivoimaloiden verkkoon liitännälle maailmassa. Osa jakeluverkkoyhtiöistä aloitti omien verkkoon liityntävaatimustensa tekemisen 1980 luvun lopulla. Tarve omien liityntävaatimusten muodostamiselle syntyi, kun tuulivoiman osuus sähköverkkoa syöttävänä tehonlähteenä alkoi kasvaa tietyillä alueilla. 1990 luvun aikana joissakin maissa (Saksa, Tanska) näitä erilaisia liityntävaatimuksia alettiin harmonisoida. Harmonisointiin osallistui usein kansallisten verkkoyhtiöiden lisäksi myös kansallisia tuulienergiajärjestöjä, jotka ajoivat tuulivoiman tuottajan etuja. Näitä tuotettuja liityntävaatimuksia on jouduttu kuitenkin muuttamaan, sillä tuotantoyksiköiden koko on kasvanut merkittävästi (200kW vuonna 1990 -> 3-4 MW vuonna 2004), käytetty tekniikka on muuttunut sekä tuulivoiman
osuus sähköntuotannossa on kasvanut paljon. Lisäksi tuulipuistojen koko on kasvanut niin suureksi, että myös siirtoverkkoon liitetyille tuulipuistoille on jouduttu tekemään liittymisvaatimuksia. Koska nykyään on olemassa suuri määrä erilaisia verkkoon liittymisvaatimuksia, on tullut tarpeelliseksi tehdä vertailu näistä. Puolueettoman vertailun ja niiden tulosten analysoinnin avulla voidaan saavuttaa seuraavia etuja: Verkkoon liittymisvaatimukset ovat yleensä ristiriitojen ja kiistojen lähde tuulivoiman tuottajan sekä verkkoyhtiön välillä. Puolueettoman tahon tekemän analyysin avulla voidaan näitä kiistoja selvittää. Ymmärrys kasvaa asioista, joita tuulivoiman määrän lisääntyminen aiheuttaa. Tätä tietotaitoa voidaan hyödyntää alueilla, joilla liityntävaatimuksia ollaan vasta muodostamassa. Tuulivoimaloiden valmistajien kannalta on tärkeätä tietää, millaisia liityntävaatimuksia maailmalla on, jotta he voivat kehittää tuulivoimaloiden ohjausalgoritmit sääntöjen mukaisiksi. Selvitystyön avulla voitaisiin löytää myös asioita, joita eri liityntävaatimukset vaativat, mutta jotka eivät ole kuitenkaan verkon toiminnan kannalta täysin välttämättömiä. Tällöin liityntävaatimuksia voitaisiin myös harmonisoida. 1.1 Säädöksiä alle 100 kv verkkoon liitetyille tuulivoimaloille Seuraavassa eitetään olemassa olevia suosituksia, vaatimuksia ja ohjeistuksia, jotka on suunnattu niin jakeluverkkoyhtiöille, tuulivoimaloiden valmistajille sekä tuulivoimaloiden omistajille. Teknisten standardien tavoite on muodostaa ohjeistukset ja vaatimukset tuulivoimaloille ja verkkoyhtiöille, jotka ovat linjassa jännitteen laadun ja syötön luotettavuuden vaatimusten kanssa. Tanska: DEFU 111 o Connection of Wind Turbines to Low and Medium Voltage Networks 1998. Kyseinen raportti ei ota kantaa suuren tuulivoiman määrän tuottamiin stabiilisuusongelmiin sähköverkossa. Tanska: Eltra ja Elkraft o Wind Turbine Generators Connected to Networks with Voltage Levels below 100kV 2003. Tämän raportin tuottamien vaatimusten tarkoituksena on varmistaa, että tuulivoimaloilla on tarvittavat säätötekniset sekä dynaamiset ominaisuudet luotettavan syötön ja tarvittavan jännitteen laadun varmistamiseksi.
Ruotsi: AMP o Connection of Smaller Power Plants to Electrical Networks 2001. Ruotsalainen vastine DEFU:lle. Saksa: VDEW ohjeistukset o Generation in the Medium Voltage Network Guidelines for the Connection and Operation of Generation Units in the Medium Voltage Network 1998. Vaatii sähkön laatumittauksia jokaisen tuulivoimatyypin osalta. Mittauksien suuntaviivoja muokataan jatkuvasti yhteistyössä tuulivoiman valmistajan, verkko-operaattorin sekä mittausinstituuttien kanssa. Tätä tarkoitusta varten on koottu työryhmä. Iso-Britannia: G59/1 ja G75 1.2 Säädöksiä yli 100 kv verkkoon liitetyille tuulivoimaloille Seuraavassa esitetään liityntävaatimuksia siirtoverkkoon liitetyille tuulivoimaloille. Suurin osa dokumenteista sisältää vaatimukset vikasietoisuudelle, tuulipuiston mallinnukselle, kommunikoinnille sekä tuulipuiston ulkoiselle ohjaukselle. Tanska: Eltra o Specifications for Connecting Wind Farms to the Transmission Network 2000. Minimivaatimukset on asettanut siirtoverkko-operaattori ja tuulivoimaloiden omistajien täytyy suostua noudattamaan näitä vaatimuksia. Vaatimukset liittyvät syötön turvallisuuteen, luotettavuuteen sekä jännitteen laatuun. Saksa: E.ON o Grid Code for High and Extra High Voltage 2003. Irlanti: ESB o Grid code of wind farms 2004. Raportin tarkoitus on pääosin selvittää, kuinka nykyisiä liittymisvaatimuksia tulisi tulkita. 1.3 Yhdistetyt säädökset Seuraavassa esitetään liityntävaatimuksia, jotka ovat relevantteja tuulipuistoille riippumatta mihin jännitetasoon ne on liitetty. Ruotsi: Svenska Kraftnät o Technical Instructions for the Design of New Production Installation to Ensure Secure Operation 2002. Raportti sisältää vaatimuksia häiriösietoisuudelle,
jännitteensäädölle, tehonsäädölle, sammutukselle ja käynnistykselle jännitekadon jälkeen, kommunikaatiolle, ohjattavuudelle, testaukselle ja dokumentoinnille. Norja: Sintef o Guidelines for the Connection of Wind Turbines to the Network 2001. Raportti käsittelee aiheita: Lämmön rajoitus, häviöt, hitaat jännitteen muutokset, välkyntä, jännitekuopat, harmoniset, tuulivoimalan suojaus yli- ja alijännitteltä, oikosulun aikainen suojaus, saarekesuojaus sekä transienttiylijännitteiltä suojaus. Skotlanti: Scottish Power Transmission and Distribution and Scottish Hydro-Electric o Guidance Note for the Connection of Large Wind Farm 2002. Raportti viittaa skotlantilaisiin liittymisehtoihin ja koostuu pääosin ohjaukseen liittyvistä asioista. 2. Teknisten liityntävaatimusten vertailu Edellisen alaluvun liityntävaatimuksia vertaillaan seuraavassa. Vertailu on jaettu pätötehon säätöön, taajuudensäätöön, jännitteensäätöön, käämikytkimen toimintaan, tuulipuiston suojaukseen, mallinnukseen sekä kommunikointivaatimuksiin. 2.1 Pätötehonsäätö Pätötehonsäätöä tuulipuistoilta vaaditaan, jotta varmistetaan vakaa verkon taajuus ja estetään johdinten ylikuormittuminen. Lisäksi halutaan välttää käynnistysten ja sulkemisten aikaiset suuret jännitteenmuutokset sekä syöksyvirrat. Scottish Guidance Note ja ESBNG sisältää vaatimuksia pätötehonsäädölle käynnistyksissä, sulkemisissa ja tuulennopeuden muutoksissa. Eltra, Eltra and Elkraft sekä SvK asettaa vaatimuksia varmistaakseen ylitaajuustilanteessa tarvittavan nopean pätötehon pienentämisen. E.ON määrittelee vaatimuksen sekä maksimi pätötehon muutokselle sekä minimin, jolla tehoa tulee kyetä pienentämään. 2.2 Taajuudensäätö Sähköverkon taajuus toimii indikaattorina tuotannon ja kulutuksen tasapainosta. Kun sähköverkossa on enemmän tuotantoa kuin kulutusta, verkon taajuus kasvaa ja päinvastoin. Euroopan maissa verkon taajuus on yleensä 50 ± 0.1 Hz ja hyvin harvoin toimitaan taajuusvälillä 49 50,3 Hz. Verkon tuotannon ja kulutuksen epätasapaino korjataan primääri ja sekundääriohjauksen avulla. Primääriohjaukseen kuuluvat generaattorit muuttavat ulostulotehoaan hyvin herkästi ja nopeasti (aikaintervalli 1 30 s) taajuuden muuttuessa. Sekundääriohjaukseen kuuluvat generaattorit toimivat hitaammin ja niiden toiminta aika on välillä 10 15 minuuttia. Sekundääriohjauksen avulla voidaan taajuus palauttaa normaaliarvoon ja vapauttaa primäärivarastot uudelleen käyttövalmiuteen.
Tuulivoimalan ulostuloteho voi vaihdella normaalitilanteessa noin 15 % 15 minuutin aikana. Tämä tehonvaihtelu aiheuttaa lisää epätasapainoa tuotannon ja kulutuksen välillä. Pahin tilanne tehonvaihtelun kannalta syntyy, kun tuulennopeus ylittää cut-off tuulennopeuden. Vaikka tuulivoimalla on haastavaa vaikuttaa taajuudensäätöön, on esimerkiksi ESBNG alkanut vaatia 3-5% säätövaraa taajuuden primääriohjaukseen. Käytännössä tuulivoimalalla ei oteta tuulesta saatavissa olevaa maksimitehoa vaan hukataan tehoa säätövaran ylläpitämiseksi. Ylitaajuuden varalta tulee olla valmius sammuttaa voimalan toiminta tai lapakulmansäädöllä pienentää ulostulotehoa. Ruotsissa Eltra vaatii verkon vikatilanteen aiheuttaman laajan taajuustransientin aikaista verkkotaajuuden tukemista. 2.3 Jännitteensäätö Sähköverkko ja siihen liitetyt kulutuslaitteet on suunniteltu toimivaksi tietyllä jännitetasolla. Jännitteensäätimillä sekä loistehon säädöllä huolehditaan, että jännite säilyy tiettyjen rajojen sisällä ja jännitteen stabiilisuus säilyy. Myös tuulivoimaloiden tulee edesauttaa jännitteensäätöä. Loistehon kompensointi voidaan määritellä tehokertoimen vaihteluvälinä. Kuvassa 1 on esitetty vaatimukset jakeluverkon loistehonkompensoinnille ja kuvassa 2 siirtoverkon loistehonkompensoinnille. Ruotsalaisessa säädöksessä (SvK) loistehon kompensointi on esitetty sallittuna jännitteen vaihteluvälinä. Toisin sanoen tuulivoimaloiden säätöjärjestelmissä on verkon jännitteen säätölenkki mukana. Jännitettä tulee kyetä säätämään vaihteluvälillä ±10% nimellisjännitteestä, jos kyseessä on suuri yli 100 MW:n tai keskisuuri eli 20 50 MW:n tuulipuisto. Lisäksi DEFU, VDEW ja AMP määrittelevät maksimin sallitulle jännitteen nousulle, jonka tuulivoimala aiheuttaa liitäntäpisteeseen. (DEFU 1 %, VDEW 2 %, AMP 2,5 %) Kuva 1. Loistehon kompensointi jakeluverkossa.
Kuva 2. Loistehon kompensointi siirtoverkossa. Määräyksiä tuulivoimaloille jännitteen laatuun liittyen annetaan seuraaviin asioihin: Nopeat jännitteenmuutokset (kytkentätilan muutos) Jännitteen välkyntä Matalataajuinen jännitteen häiriö Harmoniset Harmonisten ja jännitteen muutoksien seurauksena sekä kulutuslaitteiden ja sähköverkon komponenttien elinikä pienenee. Välkyntä saattaa aiheuttaa lampun valon intensiteetin kiusallista muutosta. 2.4 Käämikytkin Käämikytkimen toiminta perustuu muuntajan käämien kierroslukujen suhteen vaihteluun. Näin käämikytkimellä voidaan säätää jännitettä halutuksi. E.ON suosittelee tuulipuiston varustamista käämikytkimellä. ESBNG vaatii, että jokaisella tuulipuistolla, joka on kytketty verkkoon, on käämikytkin. Käämikytkimen käyttö ei kuitenkaan saa muuttaa suurjännitepuolella jännitteiden suhdetta enempää kuin 2,5 % 110 kv verkossa eikä 1,6 % 220 kv 400 kv:n verkossa. 2.5 Tuulipuiston suojaaminen Kun jakeluverkkoon liitetään tuulipuisto, normaalitoimenpiteenä sähköverkossa tapahtuvan vian seurauksena on puiston erottaminen verkosta (DEFU 111 ja AMP). Toisaalta, jos vika tapahtuu verkossa, johon on kytketty suuri tuulipuisto, ei verkosta irtikytkemistä voida sallia. Tuulipuiston verkosta irti kytkeminen aiheuttaisi lisäharmia syöttötehon vähenemisen muodossa verkolle, joka on jo valmiiksi ongelmallisessa tilanteessa.
Vakavan häiriön jälkeen on mahdollista, että osa siirtoverkoista joutuu toimimaan ikään kuin eristyksissä pääverkosta, jolloin osa verkosta kytkeytyy saarekkeeksi. Pääsääntönä on, että tuulipuisto ei tämäntapaisessa tilanteessa saa kytkeytyä irti verkosta ennen kuin jännite/taajuusrajat ylittyvät. Tanskalaisen säädöksen mukaan tuulipuiston tulee osallistua lisäksi myös taajuudensäätöön saareketilanteessa. Suuret oikosulkuvirrat, alijännitteet sekä ylijännitteet vian aikana ja sen jälkeen voivat aiheuttaa tuulivoimalan laitteiston rikkoutumista. Tämän vuoksi relesuojauksella pyritään säilyttämään verkon toimintatila vaatimukset täyttävinä (erottaa puisto, jos se on vaaraksi verkolle tai itselleen) sekä tukea verkkoa vian aikana sekä sen jälkeen (ei saa toimia turhaan). Nämä vaatimukset voivat olla välillä hieman ristiriitaisia. EBSN vaatii tuulipuiston suojauksen täyttävän samat kriteerit kuin normaalin generaattorinkin tapauksessa. Suojausjärjestelmien tulee sisältää yli/alitaajuussuojauksen, yli/alijännitesuojauksen, generaattorin muuntajalla differentiaalisuojauksen sekä varasuojauksen, joka sisältää generaattorin ylivirtasuojauksen, jänniteohjatun ylivirtasuojauksen tai generaattorin distanssisuojauksen. Sisäisen vian aikana voimala tulee erottaa verkosta: 120 ms:ssa 110 kv verkossa 100 ms:ssa 220 kv verkossa 80 ms:ssa 400 kv verkossa 2.6 Mallinnus ja verifiointi Tuulivoimalan omistajan tulee muodostaa malli tuulivoimalastaan ja sen käyttäytymistä verkon vian aikana. Tämän jälkeen tuulivoimalan malli verifioidaan vertaamalla simuloituja tuloksia käytännön mittauksiin. 2.7 Kommunikaatio ja ulkoinen ohjaus Yleinen käytäntö on, että tuulivoimalan omistajan tulee tarjota verkon toiminnan kannalta oleelliset mittaustiedot verkko-operaattorille. 2.8 Verkkoon liittymisvaatimusten vertailun tulosten analysointi Kuten liitteinä olevia taulukoita katsellessa voi huomata, verkkoon liittymisvaatimukset eroavat toisistaan hyvin paljon. Verkkoon liittymisvaatimusten eroavaisuudet selittyvät suurelta osin sillä, että kuinka suuren osan tuulivoima tuottaa paikallisesti tuotetusta sähköstä ja sillä, kuinka vahva verkko on. Kuitenkaan jokaiselle eri vaatimukselle ei löydy välttämättä ns. teknistä oikeutusta ja erilaisten vaatimusten harmonisointi voisi olla järkevää. Tällöin tuulivoimaloiden valmistajat
voisivat saada voimaloiden hintaa pienemmäksi. Tällä hetkellä ongelmana ovat jatkuvasti muuttuvat standardit, joiden mukaan eri tuulivoimaloiden valmistajat joutuva voimalan räätälöimään. Lisäksi voimaloille vaatimusten täyttävät tekniset ratkaisut ovat hyvin kalliita. Esimerkiksi DFIG konseptilla toimivan tuulimyllyn varustaminen jännitekuopan sietäväksi aiheuttaa 5 % kasvun voimalan hintaan. Kaikkia sääntöjä ja vaatimuksia ei voida millään harmonisoida, mutta niitä sääntöjä, joilla on hyvin pieni vaikutus tuulivoimalan kokonaishintaan, tulisi harmonisoida (esimerkiksi sähkön laatuun liittyvät säädökset). 3. Tekniset ratkaisut liityntäehtojen noudattamiseksi Seuraavassa esitetään teknisiä ratkaisuja, joilla voidaan säätää tuulipuiston ulostulotehoa. Säädön lähtökohta on se, että puiston ulostulotehoa ei voida säätää kuin alaspäin ja saatavissa oleva teho riippuu tuulennopeudesta. Kuvassa 3 on esitetty ohjaus, jonka perusteella ulostuloteho rajoitetaan johonkin tiettyyn ennalta määrättyyn asetusarvoon. Balance control- ohjaus sallii puiston ulostulotehon pienentämisen sekä myöhemmin tehon palautuksen ennalta määrätyllä asteella. Power rate limitation- ohjauksessa, kuva 4, ulostulotehon kasvu on toteutettu ennalta määritellyn rampin mukaisesti. Tässä tapauksessa on syytä huomata, että ulostulotehon laskulle ei ole määritelty tiettyä ramppia. Delta- ohjauksessa, kuva 5, tuulipuisto toimii jatkuvasti jonkin tietyn määrän verran aliteholla, jolloin sillä on mahdollista jossain määrin vaikuttaa sekundääriseen taajuudensäätöön. Kuva 3. Absolut power constraint ; Kuva 4. Power rate limitation ; Kuva 5. Delta. 4. Verkkoon liittymiskäytäntö Liitettäessä tuulipuistoja sähköverkkoon, usein tulee konflikti puiston rakennuttajan ja sähköverkkoyhtiön välille siitä, kuinka suuren tuulivoimakapasiteetin voi tiettyyn liitäntäpisteeseen tuulivoimaa sijoittaa. Usein tämäntyyppisissä tapauksissa etujärjestöt/painostusryhmät yrittävät käyttää mediaa hyväksi ja saada sitä kautta kasvatettua verkkoon liitettävän tuulivoima määrää. Tämä johtuu lähinnä siitä, että useissa tapauksissa verkkoyhtiöt ovat olleet hyvin haluttomia
ottamaan tuulivoimaa vastaan verkkoonsa ilman painostusta. Pahimmassa tapauksessa verkkoyhtiöt eivät ole reagoineet tuulipuistohakemukseen ollenkaan. Tämäntyyppisten ongelmallisten tapausten välttämiseksi tulisi muodostaa selkeä ja yhtenäinen tapa, jolla suurin mahdollinen verkkoon liittymiskapasiteetti voitaisiin määrittää. Lisäksi verkkoon liittymishakemukset ja siihen liittyvät verkkoon liittymislaskelmat tulisi käydä läpi jossain ennalta määrätyssä ajassa. Parhaassa tapauksessa verkkoon liitettävän tuulivoiman määrän ja ajan, jolla verkkoyhtiön tulisi vastata hakemukseen, voisi määritellä ulkopuolinen asiantuntijataho.
LIITE Taulukko 1. Pätötehonsäätövaatimuksia.
Taulukko 2. Taajuudensäätövaatimuksia.
Taulukko 3. Jännitteen laatuun liittyviä vaatimuksia.
Taulukko 4. Suojaukseen liittyviä vaatimuksia. Taulukko 5. Mallinnukseen liittyviä vaatimuksia.
Taulukko 6. Kommunikointiin ja ulkoisiin ohjauksiin liittyviä vaatimuksia. Taulukko 7. Jännitekuoppiin liittyviä vaatimuksia.