ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Verkon siirtokapasiteetti Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla 1
Ydinasiat Siirtokapasiteettiin vaikuttavat asiat (terminen kapasiteetti, stabiilius, käyttövarmuus) 2
Siirtokapasiteetti Mikä määrää siirtokapasiteetin? 1. Lämpenemä antaa yhden arvon. Siirtoreitin varrella oleva laite, joka kestää termisesti vähiten tehoa, on määräävä. 2. Staattisen tilan kulma- ja jännitestabiilius antavat toisen arvon 3. Verkon siirtokapasiteettiin vaikuttaa myös valittu käyttövarmuusfilosofia. Verkon pitää kestää mitoittava vika. Se tehonsiirto, millä verkko kestää mitoittavan vian romahtamatta antaa kolmannen arvon. Tästä seuraa, että siirtokapasiteetti ei ole johtojen siirtokapasiteettien summa. Valitaan näistä pienin arvo. Kun stabiilius määrää siirtokapasiteetin, ovat siirtorajat usein eri suuruiset eri suuntiin. Kun joku siirtokapasiteetti on etukäteen laskettu, tarvitaan myös varmuusmarginaali, koska satunnaisten kuormitus- ja tuotantovaihtelujen takia siirrot voivat nopeasti muuttua. 3
Siirtokyky kun stabiilius määrää siirtorajan Siirtokyvyllä tarkoitetaan tavallisesti ehjän verkon suurinta mahdollista tehonsiirtoa, jossa verkko kestää ennustettavat viat Jos siirrot ylittävät rajan, ei tapahdu välttämättä mitään, jos verkossa ei satu vikaa silloin kun siirtorajat on ylitetty, mutta jos tässä tilanteessa sattuu verkkovika, verkko voi romahtaa N 1-sääntö: verkon on kestettävä milloin tahansa ennustettava vika, jossa yksi komponentti irtoaa verkosta Siirtokapasiteettia lasketaan verkostolaskennalla, sekä tehonjaolla että simuloimalla verkon vikoja dynamiikkalaskennalla 4
Käyttövarmuus Käyttövarmuus (security) tarkoittaa sitä, että verkko kestää ennustettavan vian ja vian jälkeen verkko on lähes ehjä ja verkon tila (jännitteet, taajuus) ovat hyväksyttävällä tasolla N 1-sääntö voi johtaa eri suuruiseen käyttövarmuuteen eri tilanteissa. Käyttövarmuus riippuu mm. mitoittavien vikojen todennäköisyyksistä. Jos johtovika on mitoittava vika, on käyttövarmuus huonompi kuin jos mitoittava vika olisi kiskovika. Syy: johtovikoja on enemmän kuin kiskovikoja. Nordel-sääntö: verkkovian jälkeen verkon tila on palautettava 15 minuutin kuluttua sellaiseksi, että se kestää taas ennustettavan vian 5
Käyttövarmuus ja luotettavuus Voimajärjestelmän luotettavuus (reliability) on pitkän ajan keskiarvo. Se kattaa erilaiset tehonjaot, kuormitukset, viat ja käyttökeskeytykset Käyttövarmuus (security) on ajan mukana muuttuva suure. Sitä voidaan arvioida ja laskea tietyssä tilanteessa (tietty siirtotilanne, tietty vika ). Verkko voi jossakin tilanteessa olla käyttövarma yhden vian suhteen, mutta ei toisen. Jotta voimajärjestelmä olisi luotettava, sen on oltava käyttövarma suuriman osan ajasta (IEEE/CIGRE 2004). 6
Voimajärjestelmän tilat Normaali ("secure", stabiili, käyttövarma, kestää uuden mitoittavan vian) Käyttövarmuus pienenee Hälytystila ("alert", stabiili, ei ehkä kestä mitoittavaa vikaa ) Hätätila ("emergency", stabiili, rajojen ylityksiä) Järjestelmä romahdus ("system breakdown, black out ) Nordel 2002 s. 7 7
Nordic Grid Code, planning code s. 20 8
Nordic Grid Code: tilat Käytön palauttaminen Mitoittava vika (N 1) Riittämättömät reservit 15 minuutin kuluttua. Siirtorajat ylitetty Normaali tila Hälytystila Kuorman irrotus (Uusia) reservejä aktivoitu / siirtorajoja ylläpidetty / käyttö sopeutettu 15 minuutissa Mitoittavaa vikaa vakavampi vika Häiriötila Uusi vika Käytön palautus Hätätila 9
Termiset rajat Terminen rajateho määräytyy johtimen lämpenemisestä jonka aiheuttavat johdossa syntyvät virtalämpöhäviöt. Johdon lämpeneminen riippuu virrasta, johtimen materiaalista, paksuudesta, säästä (lämpötila, tuuli, auringon vaikutus). Siirtomatkan pituus ei vaikuta johdon termiseen siirtokykyyn. Jos johdolla siirretään liian paljon tehoa ja se lämpenee liikaa, johto venyy voi tulla liian lähelle maata. Muodonmuutos voi olla pysyvä. Eri johtotyypeille on määritelty ns. normaaliolosuhteissa suurin sallittu terminen kuormitusvirta, jolla johdin saavuttaa suurimman sallitun käyttölämpötilansa. Myös muiden laitteiden lämpenemine pitää ottaa huomioon, kun määritetään termiset rajat. Virtamuuntajat, erottimet, sarjakondensaattorit ym. siirtoreitillä olevat komponentit pitää huomioida Suomessa tehonsiirtoa rajoittaa terminen kapasiteetti muutamalla johdolla. Yleensä lyhyillä johdoilla termiset rajat ovat pienemmät kuin stabiiliuden antamat rajat 10
Suomen siirtorajojen kasvattamismahdollisuuksia, tutkimus v. 2001 Siirto Pohjois-Suomesta Etelä-Suomeen + 0 a) b) 0 c) d) e) + Siirtoa rajoittavat tekijät a) termiset rajat b) jännitestabiilius c) heilahtelujen vaimeneminen Parantamismahdollisuudet d) sarjakondensaattorit e) säädettävät sarjakondensaattorit Lähde: R. Pajo et al. 2001 Siirto Suomesta Ruotsiin pohjoisessa 11
Suomen verkon siirtorajat v. 2001 Reilander 2001 s. 28 12
Verkkosuojat Verkkosuojat voivat lisätä siirtokapasiteettia Verkkosuoja (system protection, nätvärn) tarkoittaa suojausta, joka voi estää verkon suurhäiriöitä esim. alitaajuudesta irtoavat kuormat ovat verkkosuojia, koska kuorman automaattinen irrotus tuotantovajetilanteessa voi pelastaa verkon romahtamiselta. Samoin toimivat alijännitteestä irtoavat kuormat, jotka voivat pelastaa verkon jännitestabiiliuden aiheuttamalta romahtamiselta 13
Verkkosuoja Verkkosuojan ja säätöjärjestelmän ero: Säätö hoitaa normaalin käyttötilanteen asioita, verkkosuoja toimii, kun verkko on kriittisessä tilanteessa ja vaarassa romahtaa Suurjännitteisiä tasasähköyhteyksiä voidaan käyttää verkkosuojina, samoin jännitteestä tai taajuudesta irtoavia kuormia 14
Siirtokapasiteetin lisääminen Siirtokapasiteettia voidaan lisätä mm. rakentamalla lisää johtoja muuttamalla asemien kiskojärjestelmiä pääkiskoapukisko -tyypistä duplex-tyyppiseksi (kiskovian jälkeen verkko säilyy ehjänä) lisäämällä sarjakondensaattoreita lisäämällä tahtigeneraattoreiden jännitteensäätöön stabilointisäätö (Power System Stabilizer) lisäämällä staattisia loistehon kompensaattoreita ja muita FACTS-laitteita asentamalla verkkosuojia viivästytetty pikajälleenkytkentä silmukoidussa verkossa, jossa käytetään N 1-kriteeriä 15
Viivästytetty pikajälleenkytkentä (PJK) Kun generaattori liittyy verkkoon yhdellä säteisjohdolla, on PJK tehtävä nopeasti, ettei generaattori ehdi kiihtyä liikaa Tilanne on toinen, kun kyseessä on silmukoitu verkko, jossa käytetään N 1-kriteeriä ja voidaan milloin tahansa menettää yksi komponentti. Jos tällaisessa järjestelmässä jollekin voimajohdolle tulee pysyvä vika ja osajärjestelmien generaattorit alkavat heilua toisiaan vasten, voi olla edullista viivästää PJK:ää, niin että PJK vaimentaa heilahteluja vahvistamisen sijasta. Kun verkkoon tulee vika, eri alueiden generaattorit alkavat heilahdella toisiaan vasten, siis generaattoreiden pätötehot, napakulmat ja nopeudet alkavat heilahdella. Jos PJK tehdään ajanhetkellä, jolloin generaattoreiden nopeus on minimissään, heilahtelut vaimenevat tehokkaasti. Näin voidaan parantaa järjestelmän stabiiliutta ja lisätä siirtokykyä. (Reilander 2001, s. 60 ja 73) 16
250 napakulma ( ) tavanomainen PJK ilman PJK:tää viivästytetty PJK 50 aika (s) 0 20 Pikajälleenkytkennän (PJK) vaikutus generaattorin napakulmaheilahteluihin. Kuvassa simuloidut napakulmaheilahtelut Keminmaa Pikkarala-johdon pysyvässä 3-v. oikosulussa. Lähde: Reilander 2001 s. 59) 17
Kiskojärjestelmät Kiskojärjestelmä vaikuttaa aseman käyttövarmuuteen. Kiskovika on harvinaisempi, mutta stabiiliuden kannalta vakavampi vika kuin johtovika 18
AC05A Kisko 1 ACW1 Duplex-kiskojärjestelmä Kisko 2 ACW2 T1 AC05A AC07A AC08A AC09A AC10A AC07B AC08B AC09B AC10B Vasta-asema 1 Vasta-asema 2 Vasta-asema 3 Vasta-asema 4 Katkaisija 19
Pääkisko-apukiskojärjestelmä ACW1 ACW2 Vasta-asema 1 T2 AC07 Vasta-asema 1 Kiskokatkaisija AC09 Vasta-asema 4 T1 AC02 Vasta-asema 3 20
Kiskojärjestelmien eroja Kaksi katkaisijaa / lähtö (duplex) on kalliimpi kuin yksi katkaisija / lähtö, mutta sen käyttövarmuus on parempi kiskovioissa. Kiskovikassa duplex-asemalla vain viallinen kisko irtoaa ja kaikki johdot jäävät käyttöön, kun viallinen kisko on irrotettu. Ehjä verkko vian jälkeen on stabiiliuden kannalta parempi kuin heikentynyt verkko. Pääkisko-apukiskojärjestelmässä käy niin, että kiskoviassa myös osa johdoista irtoaa eli verkko heikentyy. Johtovioissa pääkisko-apukiskojärjestelmä on sikäli parempi, että vain yhden katkaisijan asemalla tulee aueta, jotta vikavirran syöttö saadaan lakkaamaan tältä asemalta 21
Kirjallisuutta IEEE/CIGRE 2004. Joint task force on stability terms and definitions. Kundur, P.; Paserba, J.; Ajjarapu, V.; Andersson, G.; Bose, A.; Canizares, C.; Hatziargyriou, N.; Hill, D.; Stankovic, A.; Taylor, C.; Van Cutsem, T.; Vittal, V. Definition and classification of power system stability. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, Issue: 3, Aug. 2004, pp. 1387 1401 ETSO: Definitions of Transfer Capacities in Liberalised Electricity Markets, 2001, http://www.etso-net.org/upload/documents/transfer%20capacity %20Definitions%20-%20Final.pdf ETSO, Net Transfer Capacities (NTC) and Available Transfer Capacities (ATC) in the Internal Market of Electricity in Europe, 2000, http://www.etsonet.org/upload/documents/ntc%20users%20information.pdf Jyrinsalo, J., Hirvonen, R.: Increasing the utilization of the Finnish 400 kv grid, Energy Management and Power Delivery, 1995. Proceedings of EMPD '95., 1995 International Conference on Volume 2, 21-23 Nov. 1995 Page(s): 720-725 vol.2. Nordeln2007: Nordic Grid Code, www.entso-e.eu Nordel 2002. Report form Nordel ad hoc group. September 19, 2002. Reliability Standards and System Operating Practices in Nordel. 16 pages, http://ec.europa.eu/energy/electricity/florence/doc/florence9/position_paper/ nordel_reliability_2002.pdf 22
Kirjallisuutta R. Pajo, M. Koskinen, P. Kuronen, M. Meldorf: Possibilities to enhance small signal stability in the Finnish Power System, Nordic and Baltic Workshop on Power Systems, Tampere, 4-5.2.2002 Reilander, A. Tasa- ja vaihtosähköyhteyden vertailu kantaverkon siirtokyvyn lisäämiseksi, Diplomityö, Tampereen teknillinen korkeakoulu, 2001. Uhlen, K.; Elenius, S.; Norheim, I.; Jyrinsalo, J.; Elovaara, J.; Lakervi, E.; Application of linear analysis for stability improvements in the Nordic power transmission system, Power Engineering Society General Meeting, 2003, IEEE Volume 4, 13-17 July 2003, UCTE, Operational Handbook, Policy 3, Operational Security, https://www.entsoe.eu/fileadmin/user_upload/_library/publications/ce/ otherreports/sc-05-04-top06.0_d4-oh_florence_forum_final.pdf Cigre SYSTEM PROTECTION SCHEMES IN POWER NETWORKS, Task Force 38.02.19, Brochure 187, 2001, www.e-cigre.org Cigre SYSTEM PROTECTION SCHEMES IN POWER NETWORKS, Task Force 38.02.19, Electra, Cigre No 196, 5.2.2007 pp. 50-61 23