ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento: Suurjännitteinen tasasähköyhteys (HVDC)

ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Luento: Suurjännitteinen tasasähköyhteys (HVDC) Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla 1

Luennon ydinasiat Suurjännitteinen tasasähköyhteys, HVDC = High Voltage Direct Current Suurjännitteinen tasasähköyhteyden komponentit, perusyhtälöt, tehon muodostuminen, loisteho, säädöt, Verkkokommutoivalla suuntaajalla eli virtalähdesuuntaajalla varustettu tasasähköyhteydet ovat perinteisiä tasasähköyhteyksiä (LCC HVDC = Line Commutated Converter High Voltage Direct Current) Jännitelähdesuuntaajalla varustetun tasasähköyhteyden (VSC HVDC) ominaisuudet (VSC = Voltage Sourced Converter HVDC), tuotenimiä mm. HVDC Light (ABB) ja HVDC Plus (Siemens) Mukava tietää: Tasasähköyhteyksiä maailmalla, Fenno-Skan, Viipurin linkki, EstLink, ENTSO_E:n verkkokoodi Aineistoa: Elovaara ja Haarla: : Sähköverkot 1: luvut 7.1 7.4, Sähköverkot 2: luku 4.7 2

Vaihtosähköavojohdot Tehonjako muodostuu tuotannon, kulutuksen ja johtojen impedanssien funktiona (itseohjautuva, ei tarvitse säätöä), yksittäisen johdon tehoa ei voi ohjata ilman erikoislaitteita, johdoilla reaktanssit dominoivat, tehonsiirto vaati jännitteiden kulmaeron Johdot tuottavat tai kuluttavat loistehoa, mikä vaikuttaa jännitteeseen, Siirtokapasiteetti: stabiilius määrää siirtokapasiteetin pitkillä johdoilla, terminen kapasiteetti määrää kapasiteetin lyhyillä johdoilla, erittäin pitkillä johdoilla tehonsiirto ei onnistu (esim. 1000 km pitkä 400 kv:n johto: kulmaero 30 > P ~ 400kV 400kV 0,5/300Ω = 267 MW, terminen raja voisi olla 1200 2000 MVA, (+30 )) voidaan rakentaa silmukoituja verkkoja, helppo lisätä väliasemia keskelle johtoa johtojen elinikä jopa 70 vuotta 3

Miksi tasasähkövoimansiirto? Tasasähköavojohto maksaa vähemmän kuin saman siirtotehon vaihtojännitejohto (tasasähkö: 2 johdinta (meno- ja paluujohtimet / vaihtosähkö: 3 johdinta (johdin / vaihe), vastaavat tehot: P AC = 3 UI, P DC = 2UI Jos siirtoyhteys pitää rakentaa meren poikki (Fenno-Skan, Konti- Skan, Swed-Pol, Norned), ei vaihtosähköä voida käyttää pitkillä matkoilla (~80 km). Tätä pidemmillä yhteyksillä kaapelin tuottama loisteho kuormittaa sen täyteen eikä pätötehoa voida siirtää. Joskus tasasähköyhteys liittää toisiinsa verkot, joita ei voi liittää yhteen synkronisesti. Esimerkiksi 50 Hz:n ja 60 Hz:n verkot, Suomen ja Venäjän verkot. Suomen ja Venäjän verkoilla on sama taajuus, mutta tehon vaihtelut Venäjän verkossa vaikuttaisivat liikaa pohjoismaiseen verkkoon, jos ne kytkettäisiin yhteen vaihtosähköyhteydellä. Tasasähkömuuttaja-asemat ovat kalliita, joten lyhyellä siirtoyhteydellä voi vaihtosähköjohto olla edullisempi 4

Tasasähköyhteyden ominaisuuksia Tasasähköyhteyden suuntaaja-asemat ovat kalliita ja monimutkaisia Perinteinen tasasähkö (verkkokommutoitu) kuluttaa paljon loistehoa, mikä pitää tuottaa suuntaaja-asemalla (Q ~ ½ P) Jännitelähdesuuntaajalla voidaan säätää erikseen haluttu pätö- ja loisteho Tasasähköyhteyttä pitää aina säätää, mutta säädöillä voidaan auttaa vaihtosähköverkkoa Jännitelähdesuuntaajan häviöt isommat kuin verkkokommutoidun suuntaajan häviöt 5

Tasasähköyhteyden ominaisuuksia Tasasähköjohdolla tai -kaapelilla ei tarvita loistehon kompensointia, koska virta on tasavirtaa Tasasähköyhteyden tehoa voidaan säätä nopeasti ja siksi sitä voidaan käyttää häiriötehoreservinä ja taajuudensäädössä, voidaan myös rakentaa erityissäätöjä kuten tehon modulointisäätö, mikä parantaa heilahtelujen vaimennusta. Tasasähköyhteys ei kasvata verkon oikosulkutehoa, koska se ei syötä vikavirtaa Tasasähköyhteydellä ei ole stabiiliusongelmia, terminen kapasiteetti ja eristyskoordinaatio määräävät siirrettävän maksimitehon 6

Tasasähköyhteys meren ali Tasasähköyhteys voi olla kannattavaa jo lyhyillä matkoilla. Vaihtosähkö ei voida siirtää kaapelissa pitkiä matkoja ilman kompensointilaitteita. Kompensointilaitteita tarvitaan noin 50 70 km:n välein. Merta voidaan käyttää paluujohtimena, mutta meressä kulkeva virta aiheuttaa korroosiota metalliesineissä. 7

Tasasähköyhteys, historiaa ja esimerkkejä Ensimmäinen kaupallinen tasasähköyhteys vuonna 1954 Gotlannin ja Ruotsin välille, 100 kv, 20 MW, elohopeahöyryventtiilit. Itaipu-yhteys Brasiliassa. Kaksi 6300 MW:n yhteyttä, jännite ± 600 kv DC, käyttöönotto 1984 1987. Sähkö käytetään pääasiasiassa Brasiliassa (60 Hz), siirtomatka voimalaitokselta Sao Paoloon ja Rio de Janeiroon noin 800 km, siirrettävä teho on iso, generaattoreiden taajuus on 50 Hz (Paraguayn taajuus) Kiinan isot projektit: Jinping Sunan 7200 MW:n ja 800 kv:n UHVDC-yhteys, noin 2000 km:n pituinen siirtomatka vesivoimalaitoksilta Shanghaihin: http://www.abb.com/industries/ap/ db0003db004333/545527721af2bf14c12578690049fea4.aspx Xiangjiaba Shanghai, 800 kv UHV DC-yhteys: http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/power-transmission/hvdc/ HVDC_References.pdf 8

Verkkokommutoitu tasasähköyhteys LCC HVDC, LCC: Line commutated converter siirrettävän tehon suuruus hoidetaan ohjauksella toisin kuin vaihtosähköjohdoilla, ohjausjärjestelmä välttämätön vaatii muuntajat, tasa- ja vaihtosuuntaussillat eli asemaratkaisut ovat kalliita johdolla ei stabiiliusongelmia tasavirran ansiosta, erittäin pitkät yhteydet mahdollisia kuluttaa loistehoa noin puolet pätötehosta, tuottaa yliaaltoja, tasa- ja vaihtosuuntaus tyristorisiltojen avulla -> vaatii verkolta tarpeeksi oikosulkutehoa, jotta verkkokommutointi toimii ilman kommutointihäiriöitä ( equidistant firing system ) Suurimmat tehot voivat olla 3000 MW (yksinapaisella yhteydellä) ja suurimmat tasajännitteet 800 kv 9

Verkkokommutoidun linkin tehon muodostuminen, esimerkki 1 P 2 virta I P 1 9 V 1 Ω 10V vaihtosuuntaaja, ohjauskulma 180 γ tasasuuntaaja, ohjauskulma α 10V 9V) I = = 1A 1Ω P 1 P 2 = 1A 10V = 10W = 1A 9V = 9W P P HÄVIÖT 2 = P 1 = (1A ) P 2 HÄVIÖT 1Ω = 1W = 10W 1W = 9W 10

Verkkokommutoidun linkin tehon muodostuminen, esimerkki 2 tasasuuntaajan ohjauskulma α P 2 virta I P 1 vaihtosuuntaaja, ohjauskulma 180 γ 1 Ω 10 V -9V 9V ( 10V) I = = 1A 1Ω P 1 P 2 = 1A ( 9V) = 1A ( 10V) = 9W = 10W P P HÄVIÖT 1 = P 2 = (1A ) P 2 HÄVIÖT 1Ω = 1W = 10W 1W = 9W 11

Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden pääkomponentit Suuntaaja-asemilla (muuttaja-asemilla) vaihtosähkö muutetaan tasasähköksi (tasasuuntaaja) tai tasasähkö muutetaan vaihtosähköksi (vaihtosuuntaaja) Tasasähköjohto tai -kaapeli tarvitaan tasavirran siirtoon Muuttaja-asemalla on vaihtosähkökisko, muuntajat, 6-pulssisillat, vaihtosähkösuodattimet, kompensointikondensaattorit, tasasähkösuodattimet, säätöjärjestelmä ja tasasähköjohdon tasoituskuristin 12

Verkkokommutoitu suurjännitteinen tasasähköyhteys FENNO-SKAN 1, tasasähköyhteyden pääkaavio tyristorisilta Ruotsi Dannebo 400 kv:n vaihtosähköasema F SC Merenalainen kaapeli, 200 km Electrodijohto DCsuodatin Electrodijohto Avojohto, 33 km F1 F2 SC suuntaajamuuntaja F = Suodatin (filter) Suomi Rauma 400 kv:n vaihtosähköasema SC = Rinnakkaiskondensaattori (shunt capacitor) 13

Kertausta: tyristoreilla toteutettu 6-pulssisilta R U RS U ST X s X s X s U TR 1 3 5 4 6 2 U d Tasajännitteen keskiarvo ohjaamattomassa sillassa U d0 U di 0 = 3 2 π U α on ohjauskulma eli sytytyskulma, U on vaihtosähköverkon pääjännite. Ohjatun sillan tasajännite U d 3 2 U d = U (cosα + cos( α + µ ) 2π Tasasuuntaajalla α < 90, vaihtosuuntaajalla α > 90, µ on kommutointikulma 14

6-pulssisillan tasajännitteen keskiarvo 6-pulssisillalle tasasuunnatun jännitteen keskiarvo kun ohjauskulma α = 0 eikä kommutointia oteta huomioon: U di0 1 = 2U cos x dx 2π / 6 π 6 π 6 = 6 2U 2π (sin π 6 π + sin( )) 6 = 3 2U π sin π 6 = 2 3 U π 1,35U 15

6-pulssisillan tasajännitteen keskiarvo 6-pulssisillalle tasasuunnatun jännitteen keskiarvo kun ohjauskulma α > 0 eikä kommutointia oteta huomioon: U 3 3 3 di0 2U π 2U π 2U π π sin( )cosα + cos 6 1 cosα + 2 cosα π + α 6 1 = 2U cos x dx 2π / 6 π + α 6 3 2 π 6 sinα sinα 6 2U = 2π sinα sinα cos 3 2 + π (sin( 6 1 2 π 6 cosα = + α) sin( + cosα sin π 6 π 6 + α)) = = 16

Kertausta: 6-pulssisillan virta ja teho 1 3 5 I d Tasajännite U d kun kommutointi otetaan huomioon X s U 3 2 π 1 2 d = U (cosα + cos( α + µ ) U RS X s U TR U d P d = U d I d U ST X s 4 6 2 X s on kommutointireaktanssi 17

3-pulssisillan jännite, kun ohjauskulma on 0 5-6 1-6 1-2 3-4 3-2 5-4 5-6 yhdessä toimivat tyristorit -U ST -U TR -U RS U UST U -U ST RS TR sillan jännite = suurin pääjännite U di 360 60 18

Tyristorit 5 ja 6 johtavat, α = 0 5 5-6 -U ST U d = U ST U ST 6 Tasajännite on positiivinen 19

Tyristorit 1 ja 6 johtavat, α = 0 1 U RS U RS U d = U RS 6 Tasajännite on positiivinen 20

Tyristorit 1 ja 2 johtavat, α = 0 1 -U TR U TR U d = U TR 2 Tasajännite on positiivinen jne 21

U d, kun ohjauskulma α = 15 α = 15 1.5 1 0.5 0-0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400-1 -1.5 22

3-pulssisillan jännite, jos ohjauskulma on 180 tyristorien sytytystä on viivästytetty 180 3-4 3-2 5-4 180 5-6 1-6 1-2 3-4 3-2 5-4 5-6 yhdessä toimivat tyristorit U di sillan jännite = suurin pääjännite U ST U TR U RS -UTR U ST -U RS -U ST -U RS 23

Tyristorit 5 ja 6 johtavat, α = 180 5 U d = U ST U ST U ST 6 Tasajännite on negatiivinen 24

Tyristorit 1 ja 6 johtavat, α = 180 1 U RS U d = U RS 6 U RS Tasajännite on negatiivinen 25

Tyristorit 1 ja 2 johtavat, α = 180 1 U TR U d = U TR 2 U TR Tasajännite on negatiivinen jne 26

Kommutointimarginaali Oikeasti ohjauskulma ei vaihtosuuntauskäytössä voi olla 180, vaan enintään 180 γ, jossa kulma γ on kommutointimarginaali. Tämä marginaali tarvitaan, että tyristori kestää myötäsuuntaisen jännitteen johtamatta virtaa. Tyristori tarvitsee pienene ajan varausten purkamiseen, että se ei johda jännitteen kääntyessä myötäsuuntaiseksi. Kommutointimarginaali γ riippuu tasavirran ja kommutointireaktanssi suuruudesta. Mitä suurempi γ, sitä enemmän silta kuluttaa loistehoa Jos γ on liian pieni, kommutointi voi epäonnistua ja tyristori voi jäädä johtamaan, vaikka seuraava tyristori on sytytetty. Tätä sanotaan kommutointihäiriöksi. Useat kommutointihäiriöt pudottavat siirretyn pätötehon arvon nollaan. Kommutointihäiriöitä aiheuttavat verkon viat (mm. maasulut, muuntajan kytkentävirtasysäys) 27

Tehon muodostuminen: kaksi 6-pulssisiltaa vaihtosuuntaaja, sammutuskulma γ I d, P d tasasuuntaaja, ohjauskulma α U 2 U d2 U d1 U 1 Kaksi 6-pulssisiltaa sarjassa -> tasajännite on kaksinkertainen yhteen 6-pulssisiltaan nähden U I d d1 6 2 π R 3 2 2 U π U = DC d1 + U R DC cosα cosα + 3 2 2 π [ U cosα + U cos(180 γ )] 1 d2 1 6 2 π R 2 DC U U 1 d 2 U 6 2 π R 2 DC [ cos(180 γ )] U 2 [ cos(180 γ )] Virran suuruuteen vaikuttavat vaihtosähköpuolen jännitteet, (muuntajien käämikytkimet) ja ohjauskulmat = 28

Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden säätö Yleisin säätötapa on vakiotehosäätö. Vakiovirtasäätö on myös mahdollinen. Säädön tehtävänä on pitää teho asetellussa arvossa. Edellisen sivun yhtälöistä nähdään, että säätämällä muuntajien käämikytkimiä ja siltojen ohjauskulmia saadaan teho halutuksi. Käämikytkimellä asetellaan haluttu toimintapiste ja ohjauskulman säätö pitää tehon halutussa arvossa Verkkojännitteen vaihtelusta aiheutuva tasavirran vaihtelu on saatava mahdollisimman pieneksi Tasa- ja vaihtosuuntaajan välillä on oltava tiedonsiirtoyhteys, jotta säätö toimisi hyvin. 29

U d Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden säätö C tasas. α = α min jännite normaali G Tasas. jännite alentunut vaihtosuuntaajan virta B F ΔI d I d A H D vaihtosuuntaaja: γ = γ min tasasuuntaajan virta E I d 30

Säätö Normaali toimintapiste on A Vaihtosuuntaaja: γ = γ min eli jännite on vakio Tasasuuntaaja: I d = vakio Jos tasasuuntaajan jännite laskee (katkoviiva G H D), uudeksi toimintapisteeksi tulee B ja vaihtosuuntaaja alkaa toimia vakiovirtasäädöllä, jonka virtaohje on ΔI d :n verran pienempi kuin tasasuuntaajan virtaohje Normaalisti vaihtosuuntaaja määrää jännitteen ja tasasuuntaaja virran -> saadaan haluttu vakioteho 31

Kertausta: tyristorisillan yliaallot U RS X s X s U TR 1 3 5 U d 6-pulssisilta aiheuttaa vaihtosähköverkkoon yliaaltovirtoja. Harmonisten järjestysluku n: n = k6 ±1 U ST X s k = 1,2,3 4 6 2 6-pulssisilta aiheuttaa tasasähköjohtoon yliaaltojännitteitä. Harmonisten järjestysluku n: n = k6 32

Kaksi 6-pulssisiltaa sarjassa Nykyiset suuntaajat ovat rakenteeltaan 12-pulssisiltoja. Muuntajan toisiokäämien kytkennöiksi on valittu tähti ja kolmio, jotta saadaan 30 asteen vaihesiirto osasiltojen välille. Näin saadaan kumoutumaan vaihtosähköpuolen 5. ja 7. yliaallot sekä tasasähköpuolen 6. harmoninen. 33

Erilaisia verkkokommutoivia tasasähköyhteyksiä Monopolaariyhteys Bipolaariyhteys. Teho on kaksinkertainen monopolaariyhteyteen verrattuna. 34

Tasasähkösuodatin ja tasoituskuristin Tasoituskuristin tasasähköjohdolla pienentää tasavirran sykkeisyyttä ja vähentää yliaaltoja. Se myös rajoittaa virran nousunopeutta tasasähköjohdon vioissa ja kommutointihäiriöissä Tasasähkösuodatin vähentää tasasähköjohdon yliaaltoja, jotka voivat aiheuttaa häiriöitä puhelinjohdoissa. Jos tasavirta kulkee merenalaisessa kaapelissa, ei tasasähkösuodatinta välttämättä tarvita 35

Vaihtosähkösuodattimet Koska tasasähköyhteys tuottaa vaihtosähköpuolelle harmonisia jännitteitä, tarvitaan tasasähköasemalle suodattimia Vaihtosähköpuolen suodattimet viritetään 12- pulssisillan ollessa kyseessä yleensä 11. ja 13. yliaallolle, joskus myös 23. ja 25. yliaallolle. Nämä suodattimet ovat normaalisti katkaisijalla kytkettäviä ja niitä ohjataan tasasähköyhteyden pätötehon mukaan koska ne myös tuottavat loistehoa 36

Vaihtosähkösuodattimet C L Yhdelle taajuudelle viritetyn piirin resonanssitaajuus f r f r = 2π 1 LC R 37

Erilaisia tasasähköyhteyksiä Tavallisin tapaus: tasa- ja vaihtosuuntaajat ovat eri asemilla. Niiden välissä on avojohto tai kaapeli. Fenno-Skan on tällainen. Back-to-back -yhteys: tasa- ja vaihtosuuntaaja ovat molemmat samalla asemalla eikä tasasähköjohtoa tai kaapelia tarvita. Suomen ja Venäjän välinen tasasähköyhteys Viipurissa on back-to-back tasasähköyhteys. 38

Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden loisteho Tasasähkökonvertterin perusosa on venttiili. Normaali 6-pulssisilta koostuu kuudesta venttiilistä kuvan 1 mukaisesti. Kun teho virtaa siltaan päin (α < 90 ), se toimii tasasuuntaajana, ja kun tehon virtaus on sillasta verkkoon (α > 90 ), ollaan vaihtosuuntauskäytössä. Kun ohjauskulma α kasvaa, virran ja jännitteen välille tulee vaihesiirto. Tämä merkitsee loistehon kulutuksen kasvua. Suurimmillaan loistehon kulutus on kun α = 90 39

Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden suuntaaja- eli muuttaja-asema vaihtosähkökisko suuntaajamuuntajat tyristorisillat tasoituskuristin tasasähköavojohto tai -kaapeli S tasasähkösuodatin vaihtosähköverkko elektrodi vaihtosähkösuodattimet katkaisija 40

P d Q P d d = U d U di0 sinα = cosα Verkkokommutoidun tasasähköyhteyden loisteho 1 Id = U di0 Id (cosα + cos( α + µ ) U 2 U di0 cosα Id sinα = Id sinα = cosα P d 2 1 cos α = 2 cos α P d 1 1 = 2 cos α di0 P d I d cosα U U di0 d 2 1 Normaalikäytössä loistehon kulutus on noin puolet siirretystä pätötehosta. Loistehon kompensointia varten muuttaja-asemilla on oltava loistehon kompensointilaitteet, rinnakkaiskondensaattorit tai synkronikompensaattorit tai SVC. Lähde: -124, 1989-1990 s. 311 41

S Sillan jatkuvan tilan yhtälöt Perustehoksi valitaan konvertterimuuntajan nimellisteho b = SN = 2 U IdN I dn on nimellistasavirta, U on konvertterimuuntajan sillan puoleisen vaihtojännitteen pääjännite. X s on kommutointireaktanssi. Yleensä X s on 0,10 0,15 pu, kun perustehona on konvertterimuuntajan nimellisteho. Tehokerroin cosϕ on Tasasuuntaaja Vaihtosuuntaaja cosϕ = cosϕ = cosα 0,5 X cosγ 0,5 X s s ( I ( I d d / / I I dn dn ) ) Woodford s. 15-16 42

Verkkokommutoidun linkin pätö- ja loisteho Ohjauskulma α on tavallisesti 15 18 ja vaihtosuuntaajan kommutointimarginaali γ on noin 18. Kulma ϕ voidaan laskea, kun tiedetään tasasuuntaajan virta. Sillan pätöteho P d ja loisteho Q d voidaan laskea kun virta ja cosϕ tiedetään: P d = I d U d Q d = P d tanϕ P d Q d = U d U I di0 d I U d di0 I sinα d cosα 43

Oikosulkusuhde Kun verkko on vahva, sillä on suuri oikosulkuteho ja jännitteen muutokset ovat pieniä kuorman muuttuessa ja vikojen aikana. Jännitteiden pysyminen tahdissa ja oikean suuruisena on välttämätöntä verkkokommutoidun tasasähköyhteyden kommutoinnin onnistumiselle Oikosulkusuhde: SCR = S SC / P HVDC, missä S SC = vian oikosulkuteho (MVA), P HVDC on tasasähköyhteyden pätöteho Vahva verkko: SCR > 3, ei ongelmia Hyvin heikko verkko SCR < 2, odotettavissa ongelmia (kommutointihäiriöitä) Ekvivalenttinen oikosulkusuhde ESCR on verkon oikosulkutehon ja tasasähköyhteyden tehon suhde. Ekvivalenttinen: suodattimien ja kompensointikondensaattorien vaikutus on jätetty huomiotta Lähde: Cigre 2001 44

Mahdollisia lisäsäätöjä Tasasähköyhteydellä voi olla myös muita säätöjä Näitä säätöjä ovat taajuussäätö (frequency control), pätötehon modulointisäätö (power modulation control), hätätehon säätö (emergency control), SSR-säätö. Fenno-Skan-yhteydellä on nämä säädöt. Taajuudensäätöä käytetään vain, jos Ruotsin ja Suomen verkot ovat erossa toisistaan. Viipurin linkillä on taajuudensäätö. Jos tasasähköyhteys yhdistää verkot, jotka eivät ole synkronisesti yhdessä, tasasähköyhteydellä voidaan säätää taajuutta. Sähkömekaanisia heilahteluja voidaan vaimentaa moduloimalla tasasähköyhteyden tehoa. Jos verkko on vaikeuksissa, voidaan pätöteholla auttaa verkkoa selviämään viasta Tasasähköyhteydellä voi olla myös SSR-säätö. SSR= subsynchronous resonance, aliharmoninen resonanssi), mikä estää lähellä olevan turbogeneraattorin akselin vaurioitumisen resonanssin takia 45

Fenno-Skan modulointisäätö f Ruotsi f Suomi 1 1+sT 0 + + Kuollut alue min max K st 1 (1+sT )(1+sT ) 1 2 x y = sign(x) K 2 x a P min P max P mod (MW) Fenno-Skan yhteyden modulointisäätö: Jos Suomen ja Ruotsin verkkojen välille tulee heilahteluja, tasasähkölinkin tehoa moduloidaan. Sisäänmenoina ovat taajuudet 46 Suomessa ja Ruotsissa.

Fenno-Skan modulointisäätö, käyttöönottokoe Power/ MW 60 50 Wi t hout control 40 Wi th Time/s control 30 0 2 4 6 8 400 kv johto Letsi Petäjäskoski avattiin ilman modulointisäätöä ja modulointisäädön kanssa. Johdon teho oli 290 MW. Kokeen Aikana vienti oli 650 MW Ruotsiin pohjoisessa ja 400 MW Fenno-Skanilla 47

Jännitelähdesuuntaajalla varustettu tasasähköyhteys VSC, voltage source converter Jännitelähdekonverttereilla toteutettu tasasähköyhteys, jossa käytetään esim. IGB-transistoreja esimerkiksi tai muita sellaisia tehopuolijohteita, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois päältä riippumatta vaihtojännitteen hetkellisarvosta Etuja: ei vaadi verkolta suurta oikosulkutehoa. Voidaan käynnistää vaikka verkko olisi jännitteetön, voi tuottaa vaihekohtaisesti säädetyt jännitteet Tasajännitteen napaisuus ei vaihdu Pätö- ja loistehoa voidaan säätää toisistaan riippumatta, tehoalue Bipolaarinen (tarvitaan kaksi virran kulkutietä), Ei tarvita tiedonsiirtoyhteyttä suuntaaja-asemien välille http://www.abb.com/cawp/gad02181/c1256d71001e0037c12569bd0043e655.aspx 48

Jännitelähdesuuntaajalla varustettu tasasähköyhteys Ensimmäinen jännitelähdesuuntaajalla varustettu tasasähköyhteys oli Ruotsissa vuonna 1997. Sen teho oli 3 MW ja jännite ±10 kv Pienemmät tehot kuin verkkokommutoivilla suuntaajilla Huomattavasti suuremmat häviöt kuin perinteisellä tasasähköyhteydellä (~2% / suuntaaja-asema) Perinteisellä tasasähköyhteydellä häviöt ovat noin 0,8 % / suuntaaja-asema Yhteyttä ei ole saatavilla avojohdolla, vaan ainoastaan kaapeleilla Avojohto mahdollinen, mutta avojohdon ja kaapelin sarjaankytkentä ei ole mahdollinen, koska muovieristeiset kaapelit eivät kestä salamaniskun aiheuttamaa polariteetin muutosta 49

Jänntelähdesuuntajalla varustettu tasasähköyhteys VSC: voltage source converter, jännitelähdekonvertterilla varustettu tasasähköyhteys siirrettävän tehon suuruus hoidetaan ohjauksella, pätö- ja loistehoa voidaan säätää toisistaan riippumatta. pätö- ja loistehorajat määrää sallitun virran suuruus eli se mille teholle laite on mitoitettu Pulssinleveysmodulointi, suuri kytkentätaajuus, suuret häviöt monitasosuuntaajat: vähemmän häviöitä ja yliaaltoja voidaan liittää heikkoon verkkoon ja sitä voidaan käyttää jopa jännitteen antoon kylmään verkkoon, Suurimmat tehot ovat 500 MW:n luokkaa ja jännitteet 350 kv 50

Yksinkertainen jännitelähdesuuntaajalla varustetun tasasähköyhteyden malli 1) Varataan kondensaattori 2) Tuotetaan vaihtojännite kytkemällä transistoria Kummassakin päässä tarvitaan kondensaattorit ja aina tarvitaan kaksi kaapelia http://search.abb.com/library/abblibrary.asp?documentid=1jnl100102-374&languagecode=en&documentpartid=&action=launch 51

Jännitelähdesuuntaajaa käyttävän tasasähköyhteyden muuttaja-asema vaihtosähkökisko Suuntaajan muuntaja tai reaktori Tehopuolijohdekytkinsilta tasasähköjohto tai -kaapeli +U d /2 +U DC U d /2 U DC vaihtosähköverkko vaihtosähkösuodatin Tasasähkökondensaattorit katkaisija 52

Pulssinleveysmodulointi +U d /2 +U d /2 0 -U d /2 -U d /2 53

Monitasosuuntaaja +u c -U d /2 +u c + 0 +u c + +u c +u c + + 0 + 0 + +u c + 0 + 0 + 0 + U ac 0 + 0 + +u c + U d 0 + +u c + +u c + +u c + +u c + +u c + +u c + +u c + 0 + 54

HVDC-valmistajia ABB, tuotenimet: HVDC Classic (LCC, line commutated converter, verkkokommutoiva suuntaaja), HVDC Light (VSC, voltage source converter, jännitelähdesuuntaaja) Siemens, tuotenimet: HVDC, HVDC Plus (VSC) Alstom Grid HVDC HVDC MaxSine TM (VSC) Tietoa netissä: http://www.abb.com/hvdc http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-transmission/hvdc/ http://www.alstom.com/grid/products-and-services/engineered-energy-solutions/hvdctransmission-systems/ 55

Suomen tasasähköyhteydet Fenno-Skan 1 (LCC) Etelä-Suomen ja Etelä-Ruotsin välillä 1989, 550 MW, 400 kv Fenno-Skan 2 (LCC) Etelä-Suomen ja Etelä-Ruotsin välillä 2011, 800 MW, 500 kv noin 300 miljoonaa euroa, lainaa Euroopan Investointipankilta (EIB) 150 miljoonaa euroa Fingridille Estlink 1 (VSC) 350 MW, tasajännite ±150 kv, käyttöönotto 2006 Suomen ja Viron välillä Vaihtojännite 330 kv (Viro), 400 kv (Suomi) Maanalaisen tasasähkökaapelin pituus: 2 x 31 km Meressä kulkevan tasasähkökaapelin pituus: 2 x 74 km 56

Suomen tasasähköyhteydet Estlink 2 (LCC) 650 MW, käyttöönotto 6.2.2014. pituus noin 170 km, 14 km on avojohtoa Suomessa, noin 145 km merikaapelia ja noin 11 km maakaapelia Virossa. http://www.fingrid.fi/fi/verkkohankkeet/hankkeet/rajayhteydet/estlink2toinentasasahkoyhteys/sivut/default.aspx Viipurin linkki (LCC) 4 350 MW, 85 kv, Venäjältä Suomeen, 2-suuntainen siirto valmisteilla Back-to-back-yhteys eli tasa- ja vaihtosuuntaaja ovat samalla asemalla. Viipurista teho siirretään kahdella 400 kv:n johdolla Suomeen. Fingrid, Venäjän verkot -yhtiö Rosseti, Venäjän verkkoyhtiö Federal Grid Company ja Venäjän verkko-operaattori System Operator valmistelevat teknisiä ja kaupallisia ehtoja kaksisuuntaisen kaupan toteuttamiseksi Suomen ja Venäjän välillä. 57

Viipurin muuttaja-asema 0,1 H Yliaaltosuodattimet 400 kv:n johto Kymiin F1 F2 F F 0,1 H 0,1 H 0,1 H 0,1 H Synkronikompensaattori 1 Synkronikompensaattori 2 F 0,1 H 400 kv:n johto Yllikkälään F 0,1 H 0,1 H 58

Silmukoitu tasasähköverkko? Friends of the Supergrid: http://www.friendsofthesupergrid.eu 59

Eurooppalainen verkkosääntö ENTSO-E valmistelee verkkosääntöä tasasähköyhteyksistä ja tuutlivoiman vekrkoonliitynnästä Lisätietoa: https://www.entsoe.eu/major-projects/networkcode-development/high-voltage-direct-current/ Pages/default.aspx Verkkosäännön luonnos: https://www.entsoe.eu/documents/network %20codes%20documents/NC%20HVDC/140430- NC%20HVDC.pdf 60

Kirjallisuutta ja lisätietoja Cigre WG 14.20: Brochure 186, 2001, Economic Assessment of HVDC links, www.e-cigre.org Cigre WG B4.37, VSC Transmission, Electra No 219, April 2005, www-e-cigre.org Cigre WG B4.37, Brochure 269, VSC Transmission, April 2005, www.e-cigre.org Fingrid, kantaverkon ABC, tasasähkövoimansiirto, http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/kantaverkon_abc/tasasahkovoimansiirto_1_2/ Fingrid, tasasähkövoimansiirto, Fingrid-lehti 3, 2006, http://www.fingrid.fi/attachments/fi/media/julkaisut/yrityslehti/fingrid_3_06.pdf Fingrid: Fenno-Skan-projekti, http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/voimajohdot_ja_maankaytto/tyomaat/ tasasahkoyhteydet/fenno_skan_2/ 61

Kirjallisuutta ja lisätietoja S. G. Johansson, L. Carlsson, G. Russberg: Explore the Power of HVDC Light, a web-based system interaction tutorial, Article in ABB Review 4/2004 http://search.abb.com/library/abblibrary.asp? DocumentID=1JNL100102-374&LanguageCode=en&DocumentPartID=&Acti on=launch M. Szechtman, W. F. Long, M. Zavahir, J. Jyrinsalo: The Role of SC B4 HVDC and Power Electronics in Developing the Power Grid for the Future, Cigre, Electra, 14 N 238 - Juin 2008, ss. 14-22. D Woodword: HVDC Transmission, http://www.hvdc.ca/pdf_misc/dcsum.pdf http://www.abb.com/cawp/gad02181/ c1256d71001e0037c125697b002a43b4.aspx 62