Sähköjärjestelmä antaa raamit voimalaitoksen koolle Käyttövarmuuspäivä 2.12.2013 Johtava asiantuntija Liisa Haarla, Fingrid Oy Adjunct professor, Aalto-yliopisto
Sisältö 1. Tehon ja taajuuden tasapaino sähköjärjestelmässä 2. Generaattorin irtoaminen mitä tapahtuu ja miksi? 3. Järjestelmän ominaisuudet määräävät suurimman sallitun generaattoritehon
Tehon ja taajuuden tasapaino: sähkön tuotantoa on oltava yhtä paljon kuin kulutusta 50 Hz eli 50 kierrosta sekunnissa Mark O'Malley. Wind Power Integration Seminar, TKK,Helsinki, April 28 & 29, 2009
Tehon ja taajuuden tasapaino: taajuuden muutokset Sähkön tuotanto on yhtä suuri kuin kulutus. Taajuus on 50 Hz Sähkön tuotanto on suurempi kuin kulutus. Taajuus nousee Sähkön kulutus on suurempi kuin tuotanto. Taajuus laskee 50 Hz 50 Hz J. Eto et al. Use of frequency response metrics to assess the planning and operating requirements for reliable integration of variable renewable generation. Ernest Orlando Lawrence Berkely Nat. Lab., Dec. 2010
Taajuuden muutokset erilaisissa järjestelmissä Paljon liike-energiaa ja inertiaa Sähkön tuotanto Vähän liike-energiaa ja inertiaa Sähkön tuotanto Inertia 50 Hz Inertia 50 Hz Kulutus Kulutus Eirgrid. All Island TSO Facilitation of Renewable Studies. 2008. www.eirgrid.com
1. Tehon ja taajuuden tasapaino sähköjärjestelmässä 2. Generaattorin irtoaminen mitä tapahtuu ja miksi? 3. Järjestelmän ominaisuudet määräävät suurimman sallitun generaattoritehon
Taajuuskuoppa generaattorin irrottua järjestelmästä Taajuus / Hz 50,0 49,9 49,8 49,7 49,6 49,5 49,4 49,3 49,2 49,1 49,0 Forsmark 2 vikaantui 18.10.2013 klo 5:58 ja 1100 MW tuotantoa kytkeytyi irti järjestelmästä Minimitaajuus oli 49,455 Hz Aika/tunti:minuutti
Taajuuskuoppa generaattorin irrottua järjestelmästä Taajuus / Hz 50 49,9 49,8 49,7 49,6 49,5 49,4 49,3 49,2 49,1 Oskarshamn 3 vikaantui 11.10.2013 klo 10:06 ja 1350 MW tuotantoa kytkeytyi irti järjestelmästä Minimitaajuus oli 49,454 Hz 49 10:05 10:06 10:07 10:08 10:09 Aika/tunti:minuutti 10:10
Kuvia Oskarshamn 3:n akselistosta Generaattorin roottori Yhden turpiinin roottori OKG Photo-library. http://www.okg.se/en/media/photo-library Noudettu 21.11.2013
Taajuus, liike-energia ja reservit generaattorin irrottua Heti generaattorin irrottua taajuus laskee taajuuden muutosnopeus riippuu järjestelmän liike-energiasta E liike. f t = PG 2E liike alku Muutaman sekunnin kuluttua: automaattiset häiriöreservit tuottavat tehoa ensin taajuuden lasku hidastuu sitten taajuus alkaa nousta. f 50,2 50,0 49,8 49,6 49,4 49,2 400 300 200 100 0 taajuus / Hz Taajuus / Hz 0 5 10 15 20 25 Aika 30 / s Taajuusohjatut häiriöreservit / MW 0 5 10 15 20 25 Aika 30 / s
1. Tehon ja taajuuden tasapaino sähköjärjestelmässä 2. Generaattorin irtoaminen mitä tapahtuu ja miksi? 3. Järjestelmän ominaisuudet määräävät suurimman sallitun generaattoritehon
Järjestelmän liike-energia Hitausvakio H [s] kertoo, montako sekuntia kestäisi, jos turpiinin ja generaattorin akselisto luovuttaisi kaiken liike-energiansa [Ws] generaattorin mitoitusteholla [W] Voimalaitosten tyypillisiä hitausvakiota: vesivoima: 3 4 sekuntia ydinvoima: 5 7 sekuntia muu lämpövoima: 4 5 sekuntia suuntaajalla verkkoon kytketty tuulivoima: 0 sekuntia Järjestelmän liike-energia on sen koneiden liike-energioiden summa
Järjestelmän liike-energian arvioiminen Arvio 1 Kun Oskarshamn 3 oli irronnut järjestelmästä, oli sähkön tuotanto Pohjoismaissa 47,6 GW P Vesiv. + P Lämpöv. + P Tuuliv. (23 + 23.6 + 1 ) GW Taajuus / Hz 50 49,8 49,6 49,4 Arvio 2 t = 1 s f = 0,123 Hz Aika / s Arvio 1: Generaattoreiden liike-energia oli yhteensä 250 GWs. 49,2 Arvio 2: Järjestelmän liike-energia on yhteensä 274 GWs 49 10:06:50 10:06:51 10:06:52 10:06:53 10:06:54 50 Hz Inertia
Miksi järjestelmän taajuus ei saa laskea liikaa? Jos järjestelmän taajuus laskee alle 49,0 Hz:n, järjestelmästä irrotetaan kuormaa, jotta taajuuden lasku saadaan pysäytettyä 1). Isot lämpövoimageneraattorit on irrotettava verkosta taajuuden laskettua alle 47,5 Hz:n, etteivät turpiinit vaurioidu Yhden generaattorin irtoaminen on melko tavallinen tapahtuma, eikä se saa aiheuttaa kuormien irtikytkentää Käyttövarmuus ei saa olla riippuvainen yhdestä voimalaitoksesta. 1) Nordic Grid Code 2007. Pohjoismaiset verkkosäännöt. https://www.entsoe.eu/search?q=nordic+grid+code
Alin taajuus irtoavan generaattorin tehon funktiona erilaisilla pohjoimaisen järjestelmän liike-energioilla Alin taajuus / Hz 49,8 49,6 49,4 Liike-energia 110 GWs Liike-energia 250 GWs Liike-energia 146 GWs Liike-energia 300 GWs P MAX = 1650 MW 49,2 49 48,8 600 800 1000 1200 1400 1600 f MIN = 49 Hz Irtoavan generaattorin teho / MW
Sähkön tuotannon pysyvyyskäyrät 2011 MW Fingridin liittymisehdoissa määritelty suurin sallittu generaattoriteho on 1650 MW 70000 60000 50000 Pohjoismaat yhteensä 40000 30000 20000 10000 Suomi 0 1 232 463 694 925 1156 1387 1618 1849 2080 2311 2542 2773 3004 3235 3466 3697 3928 4159 4390 4621 4852 5083 5314 5545 5776 6007 6238 6469 6700 6931 7162 7393 7624 7855 8086 8317 8548
Järjestelmä antaa raamit voimalaitoksen koolle Suurin generaattoriteho, jolla irtoamisen jälkeinen taajuuskuoppa ei ole liian syvä riippuu, järjestelmän ominaisuuksista Taajuuskuopan syvyyteen vaikuttavat lähinnä: irtoavan generaattorin teho järjestelmän (voimalaitosten) liike-energia Johdoissa ei ole liike-energiaa Koska Suomi on osa pohjoismaista yhteiskäyttöjärjestelmää, Suomen verkkoon voidaan liittää Olkiluoto 3, joka on valmistuttuaan pohjoismaiden ja koko maailman suurin generaattori.
Fingrid välittää. Varmasti.