1 Aurinkosähköjärjestelmien verkostovaikutukset Kari Mäki Sähköenergiatekniikan laitos 7.10.2010
2 Sisältö Perinteinen sähköverkko ja sähkönjakelu Hajautetun sähköntuotannon käsite Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutukset Verkon suojaus Jännitteensäätö Sähkön laatu
3 Sähköverkon rakenne Siirtoverkko Jakeluverkko Jakeluverkko Tuotantolaitos Tuotantolaitos Tuotantolaitos Teollisuuskuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja Kuluttaja
4 Sähköverkon rakenne Kuvat: Fingrid
5 Sähköverkon rakenne Voimalaitos G 110 400 kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Jakelumuuntaja 10-20 kv 0.4 kv Kuluttaja
6 Hajautettu sähköntuotanto Voimalaitos G 110 400 kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja G 0.4 kv Jakelumuuntaja 10-20 kv Kuluttaja
7 Hajautetun sähköntuotannon määritelmä Jakeluverkkoon sijoittuvaa pienimuotoista sähköntuotantoa KJ- ja PJ-tasoilla Ei keskitetysti suunniteltua tai ohjattua Käyttäytyy itsenäisesti riippumatta esim. verkon tilasta Ei rajausta tiettyihin energiamuotoihin Hajautus sinänsä ei liity energialähteeseen mitenkään Toisaalta jakeluverkko asettaa omat rajoituksensa tietyt teholuokat ja tuotantomuodot ovat sopivampia Verkon kannalta kysymys ennen kaikkea tavasta sijoittaa tuotantoa verkkoon
8 Hajautetun sähköntuotannon määritelmä Tyypilliset hajautetun tuotannon muodot Tuulivoima Aurinkosähkö Pienvesivoima Biovoima Yhdistetty lämmön- ja sähköntuotanto Ympäristöystävällisiä, paikallisia tuotantomuotoja Yksinkertainen (=halpa) verkkoliityntä perusedellytys
9 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Aurinkosähkön sovelluksissa kolme eroteltavaa tyyppiä: Erillinen järjestelmä täysin irrallaan verkosta Esim. mökkien akkujärjestelmät Ei minkäänlaista yhteyttä verkkoon ei käsitellä tässä Kulutuksen leikkaus, rinnan verkon kanssa Tyypillisesti asennettuna kiinteistön sähköverkkoon Tuottaa osan kulutetusta tehosta, ei koskaan verkon suuntaan Aurinkosähkövoimala Tuottaa tehoa verkkoon Verrattavissa muihin voimalaitoksiin Sijoittuu tehosta riippuen eri jännitetasoille
10 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Kulutuksen leikkaus, rinnan verkon kanssa Sijoittuu kuluttaja-asiakkaan mittauspisteen taakse Sähköverkon kannalta ns. negatiivinen kuorma Ei tuota tehoa verkon suuntaan Pieni teho verrattuna kulutukseen Voidaan myös varustaa takatehosuojin Ei mm. sähköverovelvollisuutta, tuotantoselvityksiä yms. Voi kuitenkin osallistua verkon häiriöihin ja vikoihin! sähköverkko kuormitus sähkömittari sulaketaulu G aurinkopaneeli
11 Aurinkosähkö sähköverkon näkökulmasta Aurinkosähkövoimala Suurempi kokonaisuus Sijoittuu siirto-, jakelu tai pienjänniteverkkoon kokoluokasta riippuen Omat suojalaitteet Tuottaa pääasiallisesti tehoa verkkoon Vaikuttaa aktiivisesti verkon tilaan normaalitilassa ja häiriöiden aikana sähköverkko muuntaja suojareleet aurinkopaneelit G
12 Aurinkosähkö hajautetun sähköntuotannon muotona Tasajännitelähde Ei generaattoria Kytketään verkkoon suuntaajan välityksellä Ei pyörivää massaa ei inertiaa Voi olla suuremmassa mittakaavassa ongelmallinen? Suuntaajan ominaisuuksia Vain hetkelliset vikavirrat oikosulkujen aikana Kohtuullisen vapaa tehonsäätö (pätöteho/loisteho erikseen) Aiheuttaa jonkin verran yliaaltoja yms. häiriöitä verkkoon Voi kyetä pidempäänkin saarekkeen syöttöön Yleisemmin suuntaaja voidaan suunnitella monella tavalla ja suuntaajan toimintaa esim. häiriön aikana on vaikea arvioida verkon näkökulmasta
13 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
14 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia Ilmiöt esiintyvät samantyyppisinä keskijännite- ja pienjänniteverkoissa Voimalan kokoluokka pj-verkossa pienempi Pj-verkko vastaavasti selvästi heikompi Rakenteen analogia: Sähköasema 110/20 kv Jakelumuuntaja + pj-jakokaappi Rakennuksen sulaketaulu
15 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Verkon suojaus Perinteinen jakeluverkon käyttö perustuu olettamukseen tehonsiirron yksisuuntaisuudesta Sama pätee vikavirtoihin Selektiivinen suojaus kohtuullisen helppo saavuttaa sopivin porrastuksin Verkkoon sijoittuva hajautettu tuotanto muuttaa lähtökohtaa oleellisesti Useita vikavirtalähteitä Vikavirtojen suunnat ja suuruudet voivat muuttua Vikavirtakestoisuudet voivat ylittyä Ongelmat aiheutuvat siitä, että verkkoja rakennettaessa ei olla osattu ajatellakaan tuotantoa verkon hännillä
16 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)
17 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
18 Suojauksen ongelmat: lähdön suojauksen toiminnan estäminen Tilannetta voidaan tarkastella normaaleilla vikavirtalaskennoilla ja virran jakautumisella Vaikutuksen kannalta ratkaisevaa on vikaimpedanssien välinen suhde Z fault _ b U Z + Z fault fault _ b gen fault _ b Lähin yhteinen piste (common feed point) tapauskohtainen Z net + Z Yleisesti ilmiön voimakkuutta voidaan arvioida suhteesta: Z fault _ bznet br = Z gen net < Z net U fault + Z
19 Suojauksen ongelmat: lähdön suojauksen toiminnan estäminen Ongelma voi muodostua myös pienissä asennuksissa varsinkin sulakkeiden paloaikojen pitenemisestä johtuen Koskee aurinkosähköasennuksia
20 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
21 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?
22 Suojauksen ongelmat: jälleenkytkennän epäonnistuminen Voltage [kv] 25 20 15 10 5 0 Failed reclosing caused by a DG unit First tripping is performed after 0.35 s Fault occurs at 1 s Reclosing, fault remains DG unit maintains the voltage in the network 0,5 1 1,5 2 2,5 Time [s] Voltage [kv] 25 20 15 10 5 Correct operation of DG unit protection during a reclosing sequence DG unit disconnected by its protection 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Time [s] Successful reclosing
23 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
24 Saareketilanne Voimalaitos G 110 400 kv Siirtoverkko Sähköasema Päämuuntaja Itsenäinen saareke! G 0.4 kv Jakelumuuntaja 10-20 kv Kuluttaja
25 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
26 Suojauksen ongelmat: saarekesuojaus Saarekesuojauksen asettelu haastavaa Toisaalta teoreettista pahinta tilannetta ei voi havaita mitenkään Toisaalta verkon häiriöt aiheuttavat helposti myös saarekesuojauksen tarpeettomia toimintoja Suojauksen asettelu on tasapainoilua näiden asioiden välillä
27 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
28 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Jännitteensäätö Päämuuntaja Jakelumuuntaja G Jännite max 1.0 pu min
29 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
30 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
31 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
32 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Sähkön laatu Tuotannon vaihtelu aiheuttaa nopeita jännitemuutoksia Valaistuksen välkyntä Sähkölaitteiden häiriöt yms. Tuotannon verkosta irtoamiset voivat aiheuttaa suurempia jännitekuoppia Sähkömoottoreiden sammumisia yms. Verkkokytkentään käytettävä suuntaaja voi aiheuttaa verkkoon yliaaltoja Ovat jossain määrin vältettävissä suuntaajan suunnittelulla
33 Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia: Sähkön laatu Sähkönjakelun keskeytykset Hajautettu tuotanto voi lisätä asiakkaan kokemia keskeytyksiä Toisaalta hajautettua tuotantoa voitaisiin käyttää sähkön tuottamiseen pidempien keskeytysten aikana Suunniteltu saarekekäyttö
34 Kokonaisuuden hallitseminen Ongelmallisin hajautetun tuotannon muoto on tuotanto, josta verkkoyhtiö ei ole edes tietoinen Tyypillisesti pj-verkon aurinkopaneelit, tuulimyllyt yms. viritykset kiinteistön omassa verkossa Eivät yleensä tuota tehoa verkon suuntaan, mutta: Osallistuvat silti vikatilanteisiin Voivat pitää yllä jännitettä pj-verkossa Suojalaitteita ja asetuksia ei ole tai ne ovat mitä sattuu Toinen ongelma-alue on varavoimalaitteet, joita ajetaan tarkoituksellisesti rinnan verkon kanssa Tavoitteena sähkölaskun pienentäminen
35 Kokonaisuuden hallitseminen Ongelmallisin hajautetun tuotannon muoto on tuotanto, josta verkkoyhtiö ei ole edes tietoinen Ongelmat voivat esiintyä Yksittäistapauksina lähinnä tuotantolaitteiden läheisyydessä Laajemmassa mittakaavassa pienten laitteiden yhteisvaikutuksen kasvaessa merkittäväksi Myös asianmukaisesti verkkoyhtiölle ilmoitetut kotivoimalat voivat olla ongelmallisia Suojausasetukset usein osana suuntaajaa ja aseteltavissa yleensä tietokoneen avulla Verkkoyhtiön alun perin vaatimia asetuksia voidaan muuttaa omin päin jos voimalaitos tippuu verkosta liian usein
36 Kokonaisuuden hallitseminen Pienen mittakaavan tuotanto muodostaa jonkinasteisen piilevä vaaran Laitteet jotka eivät tuota tehoa verkkoon päin nähdään usein ns. negatiivisena kuormana Pienet yksiköt jätetään usein huomiotta verkon suunnittelussa ja laskennoissa Tämä on useimmissa tapauksissa ollut perusteltua toistaiseksi On todella vaikeaa arvioida, koska pienten tuotantolaitteiden yhteisvaikutus alkaa olla merkittävä! Pätee sekä kj- että pj-tasolla Kuinka pitkään todella pieni tuotanto voidaan jättää huomiotta??
37 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Sähköverkon näkökulmasta aurinkosähkö 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 Hajautettu sähköntuotanto nähdään toistaiseksi usein rasitteena Toisaalta kehityksen suunta on selkeä ja se tiedostetaan Verkkoliiketoiminta jossain määrin vanhoillinen ala
38 Sähköverkon näkökulma yleisemmin Perusongelma: aiheuttaako tuotannon lisääminen verkkoon kustannuksia ja ennen kaikkea: kuka maksaa? Alle 2 MVA laitokset liitettävä liittymismaksulla, ts. verkon vahvistuskuluja ei saa periä tuottajalta Aurinkosähkö käytännössä aina tätä kokoluokkaa Verkon näkökulmasta haastavaa Kun yli 2 MVA tuottajalta peritään vahvistuskuluja, palautussäännöt astuvat voimaan Mahdollisuus maksun palautukseen kun lisää tuotantoa tulee verkkoon (kulujen tasaus) Aurinkosähkön/hajautetun tuotannon kannattavuus edellyttää usein halpaa verkkoliityntää talouskysymykset oleellisia!
39 Yhteenvetoa Aurinkosähkö sähköverkossa on uusi ilmiö Sähköverkko käy monimutkaisemmaksi hallita pientuotannon myötä Verkon suojaus ja jännitteensäätö suurimmat haasteet Verkkoa rakennettaessa ei yksinkertaisesti olla varauduttu tuotannon hajauttamiseen Nykytilassa verkko rakennettaisiin ehkä eri tavalla Kehitys on kuitenkin ilmeinen eli pienimuotoinen tuotanto tulee yleistymään nopeastikin
40 Esimerkki suuren mittakaavan aurinkovoimasta: Desertec