Marko Pikkarainen, Antti Rautiainen, Juhani Bastman, Pertti Järventausta TAAJUUSRIIPPUVAN SÄHKÖLÄMMITYSKUORMAN DEMON- STROINTI Projektiraportti
II TIIVISTELMÄ Työn tarkoituksena oli tuottaa demonstraatio taajuusriippuvasta sähkölämmityskuormasta. Työn tutkimusmenetelmiä olivat kirjallisuusselvitys sekä demonstraation rakentaminen, simuloinnit ja mittaukset. Työn painopiste keskittyi taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman tekniseen toteutettavuuteen. Erityisen suurta huomiota kiinnitettiin työssä taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman termostaattina toimineen Laatuvahdin taajuusmittaustarkkuuteen. Työssä tehtiin simulointeja RTDS-simulointiympäristössä. Simulointiympäristöstä saatiin ulostulona vaihtojännite, jonka taajuus vaihteli simuloinnin laskennan mukaan. Laatuvahti mittasi kyseistä taajuutta ja lämmitettävän tilan lämpötilaa. Näiden mittausten avulla Laatuvahti toimi taajuusriippuvana sähkölämmityskuorman termostaattina. Tutkimuksen tuloksista ei ilmennyt mitään asioita, jotka vaikeuttaisivat taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman teknistä toteutusta tai haittaisivat sen toimintaa. Tekniikan käyttöönotto vaatii vielä tuotekehitystä. Tulosten pohjalta voitaneen nähdä kaksi tulevaisuuden suuntausta: kiiteistökohtainen ja laitekohtainen taajuusriippuvuus. Kiinteistökohtainen järjestelmä voitaisiin liittää osaksi taloautomaatiota. Laitekohtainen järjestelmä vaatisi säätöelektroniikan fyysisten mittojen pienentämistä. Oletettavaa kuitenkin on, että Laatuvahtiin liitetyn taajuusmittausominaisuuden liittäminen pienempään laitteeseen on mahdollista. Laatuvahdin taajuusmittaustarkkuus todettiin tässä työssä riittäväksi mittaamaan vikatilanteesta aiheutuvia taajuusmuutoksia. Työssä ei kiinnitetty huomiota taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman taloudelliseen toteutettavuuteen. Tämä kysymys vaatii jatkotutkimuksia. Jatkotutkimuksia vaativat myös taajuudensäätöön osallistuvan sähkölämpökuorman kokonaismäärän arviointi ja hallinta sekä cold load pick up-ilmiön hallinta.
III ABSTRACT The aim of this project work was to produce a demonstration of frequency dependent control of an electric space heater. The research methods used in this work were literature survey, building up the demonstration, simulations with RTDS and measurements. The main focus in this work was technical feasibility of frequency controllable load. Great attention was given to frequency measurements of Laatuvahti, which operated as a frequency dependent thermostat. Simulations with RTDS were related to the operation of the frequency controlled load. RTDS has an analog AC voltage output, whose frequency fluctuated in accordance of the calculation of the simulation program. Laatuvahti measured frequency from RTDS and temperature inside of heated space. In accordance of these measurements Laatuvahti operated as the frequency dependent thermostat. From the results of this work can be seen that there didn t find such matters that could complicate technical feasibility of frequency controlled load. Results showed also that in the future the frequency dependent control could be seen as integrated in house automation or into the device itself. In the device it is possible to use the same kind of frequency measurement method, which was used in Laatuvahti. The frequency measurement method discovered to be sufficient in frequency drops. In this work there were no considerations about financial effects of frequency controllable load. This will need more research in the future. Also more research will be related to estimation and management of the total amount of the loads control cold load pick up phenomena.
IV ALKUSANAT Tämä Tampereen teknillisessä yliopistossa tehty raportti käsittelee taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman demonstrointia, joka on ollut yksi osatehtävä laajemmassa Tekesin ja yritysten rahoittamassa tutkimusprojektissa Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa (INCA). INCA - tutkimusprojektin toteutuksesta vastaavat yhteistyössä Tampereen teknillisen yliopiston, Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja VTT:n tutkimusryhmät. Tutkimusprojektin päärahoittajana toimivan Tekesin lisäksi hankkeen rahoitukseen ovat osallistuneet Sähkötutkimuspooli, ABB Oy, Aidon Oy, Empower Oy, Enease Oy, Energiakolmio Oy, Ensto Electric Oy, Fingrid Oyj, Fortum Sähkönsiirto Oy, MX Electrix Oy, Nokia-Siemens Networks Oy, Oy Katternö Ab, PowerQ Oy, Tammerkosken Energia Oy ja TeliaSonera Oyj.
V SISÄLLYS Tiivistelmä...ii Abstract...iii Alkusanat...iv Termit ja niiden määritelmät...vi 1. Johdanto...1 2. Dynaaminen kuormanohjaus, DDC-periaate...3 3. Demonstraatiojärjestelmän toteutus...8 3.1 Siirtoverkon malli...10 3.2 Sähkölämmityskuorman termostaatin toiminta...11 3.3 Laatuvahti...12 4. Mittaustuloksia...13 4.1 Testausmittaus...13 4.2 RTDS simuloinnit...15 5. Johtopäätökset...25 6. Lähteet...28
VI TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT DDC Laatuvahti DG INCA Dynaaminen kuormanohjaus (Dynamic Demand Control) MX Electrix Oy:n valmistama energiamittari, joka sisältää sähkölaatumittauksia Hajautettu energiantuotanto (Distrubuted Generation) Interactive customer gateway
1 1. JOHDANTO Taajuus sähköverkossa on muuttuva suure. Se indikoi sähköverkon tilaa, etenkin kulutuksen ja tuotannon suhdetta. Jos taajuus sähköverkossa laskee alle nimellisen taajuuden, on tällöin sähköverkossa enemmän kulutusta kuin tuotantoa. Päinvastoin jos taajuus on yli nimellisen taajuuden, on sähköverkossa enemmän tuotantoa kuin kulutusta [1]. Sähköenergiajärjestelmässä taajuus pyritään pitämään hyvin lähellä nimellistä arvoaan. Yhteispohjoismaisessa sähköverkossa taajuus normaalikäyttötilanteissa vaihtelee 49,9...50,1 Hz välillä. Taajuuden ylläpito tapahtuu käyttämällä niin sanottua taajuusohjattua käyttöreserviä [1]. Taajuuden pitäminen lähellä nimellistä arvoaan on sähköenergiajärjestelmän kannalta tärkeätä. Näin taataan sähkötuotantolaitosten toiminta- ja rinnankäyntikyky sekä taataan kulutuslaitteiden oikea toiminta [2, s. 581-582]. Jos taajuus laskee liian alas, on vaarana, että sähköverkkoon kytketyt laitteet rikkoutuvat. Suurissa tuotantolaitoksissa tämä voi johtaa voimalaitoksen alasajoon ja pahimmillaan turbiinin rikkoutumiseen [3]. Voimalaitoksen toiminnan kannalta on tärkeätä, että sähkönsyöttö katkaistaan ennen kuin laitteet rikkoutuvat. Jos turbiini rikkoutuu on voimalaitoksella edessä pitkä huoltoseisokki. Tästä aiheutuvat taloudelliset tappiot ovat merkittäviä. Taajuus ei välttämättä pysy edellä mainituissa rajoissa, jos sähköverkossa tapahtuu vika, joka muuttaa kulutuksen ja tuotannon suhdetta. Tästä selvin esimerkki on suuren sähkötuotantoyksikön verkosta putoaminen. Tälläisessa häiriötilanteessa taajuutta ylläpidetään häiriöreservin avulla. Pohjoismaisessa sähköjärjestelmässä häiriöreservi on jaettu kahteen osaan, taajuusohjattuun ja nopeaan häiriöreserviin, joista taajuusohjattu häiriöreservi ohjautuu päälle automaattisesti mittausten perusteella ja nopea häiriöreservi ohjataan päälle manuaalisesti. Taajuusohjattu häiriöreservi aktivoituu, kun taajuus laskee alle 49,9 Hz ja on kokonaan aktivoitunut, kun taajuus on saavuttanut 49,5 Hz. Taajuusohjattu häiriöreservi koostuu sekä tuotantolaitoksista että irtikytkettävistä kuormista ja on luonteeltaan pätötehoreserviä. Nopean häiriöreservin tarkoituksena on palauttaa voimajärjestelmä tilaan, jossa se kestää uuden mahdollisen häiriön Nopea häiriöreservi on luonteeltaan sekä pätöteho- että loistehoreseviä. Nopean häiriöreservin aktivointiaika on 15 min [1; 4]. Suomen kantaverkkoa hoitavan Fingrid Oyj:n taajuusohjattu häiriöresrvi koostuu tällä hetkellä voimalaitoksista, joiden kokonaisteho on 520 MW, ja irtikytkettävistä kuormista, joiden yhteisteho on 90 MW. Nopea häiriöreservi koostuu Fingridin omista varavoimalaitoksista, joiden yhteisteho on 615 MW, käyttösopimuslaitoksista, joiden yhteisteho on 164 MW, sekä irtikytkettävistä kuormista, joiden yhteisteho on 425 MW [1]. Tässä työssä käsitellään ja demonstroidaan tavallisen pienjänniteasiakkaan sähkölämmityksen soveltumista taajuusriippuvaksi häiriöreserviksi. Työn painopisteenä oli tarkastella taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman teknistä toteutettavuutta. Taajuus-
riippuvana termostaattina työssä toimi Laatuvahti ja kuormana toimi 200 W sähkölämpöpatteri. Luvussa kaksi perehdytään dynaamiseen kuormanohjausperiaatteeseen (DDC Dynamic Demand Control). Luvussa kolme käsitellään demonstraation työjärjestelyjä. Työjärjestelyihin kuului laitteiston rakentaminen sekä reaaliaikaisella sähköverkon simulaattorilla (RTDS) tehdyt sähköverkon simuloinnit ja mittaukset. Luvussa neljä käsitellään demonstraation tuloksia. Luvussa viisi käsitellään työn tuloksia sekä pohditaan taajuusriippuvan kuormajouston tulevaisuuden näkymiä. 2
3 3 2. DYNAAMINEN KUORMANOHJAUS, DDC- PERIAATE Perinteisen keskitetyn kuormanohjauksen sijasta kuormista tai kuormaryhmistä voidaan tehdä taajuusriippuvia. Short et al. esittävät artikelissaan [5] juuri edellä mainitun kaltaisen kuormanohjausmallin. He kutsuvat kyseistä mallia dynaamiseksi kuormanohjaukseksi (DDC Dynamic Demand Control). Artikkelin tarkastelun kohteena on jääkaappien käyttäminen taajuusohjattuna kuormana. He mainitsevat, että DDC-kuormaksi soveltuvat myös mm. pakastimet, lämmitys-, ilmastointi-, uuni- ja pumppaussovellukset. DDC-periaate perustuu dynaamisten suureiden mittaamiseen ja kyseisten suureiden avulla tehtävään kuormanohjaukseen. Lämmityskuorman tapauksessa kyseiset suureet ovat sähköverkon taajuus sekä lämmitettävän tilan lämpötila. Erotuksena perinteisestä vikatilanteessa tapahtuvasta kuormanohjauksesta, jossa periaatteessa mukana on myös taajuusmittaus, on se, että DDC-periaatteessa ohjaus tapahtuu lähempänä kuluttajaa ilman keskitettyjä ohjauskomentoja. Tämä mahdollistaa pienjänniteasiakkaiden kuormien käyttämisen taajuuden säätöön. Tarkastellaan DDC-periaatetta käyttämällä sähkölämmityskuorman termostaatin asetuslämpötilaa. Kuva 2.1 a kuvaa perinteistä termostaattiohjausta. Siinä termostaatti on asetettu pitämään lämpötila 20 C lähettyvillä. Lämpötila kuitenkin vaihtelee tietyn toleranssin välillä. Kuvassa kyseinen toleranssi on 1 C. Näin ollen lämpötilan ollessa alle 19,5 C termostaatti kytkee lämmityslaitteen päälle, ja lämpötilan saavuttaessa 20,5 C termostaatti kytkee lämmityslaitteen pois. Kuva 2.1 b kuvaa samanlaisen lämmityslaitteen termostaatin DDC-periaatteen mukaista toimintaa. Taajuuden ollessa nimellisessä arvossaan vastaa DDC-periaatteen mukainen ohjaus tavallista taajuudesta riippumatonta termostaatin toimintaa. Taajuuden poiketessa nimellisestä arvostaan tulee termostaatin asetuslämpötilasta taajuuden funktio. Toleranssi, jonka sisällä asetuslämpötila vaihtelee, ei muutu. Kuvassa 2.1 b toleranssi on 1 C.
4 Kuva 2.1. a) Perinteinen termostaatin toiminta b) taajuusriippuva termostaatin toiminta [6]. Kuvassa 2.1 ohjaava suure on taajuuden arvo. DDC-periaatteen mukaan ohjaavana suureena voidaan käyttää myös taajuuden muutosnopeutta tai taajuutta ja taajuuden muutosnopeutta. Rautiainen esittää omassa diplomityössään erään kaavan, jonka mukaan voidaan säätää termostaatin ohjauslämpötilaa sekä taajuuden että taajuuden muutosnopeuden mukaan [6]. Kaavassa T a on termostaatin toimintalämpötila, T aset on käyttäjän asettelema lämpötila, ja k 1 sekä k 2 ovat kertoimia. (3.1) Kuvassa 2.2 on esitettynä taajuudesta ja taajuuden muutosnopeudesta riippuvaisen lämpötilan asetusarvon funktio. Kuvan parametrit ovat T aset = 20 C; k 1 = 5,0 C/Hz ja k 2 = 2,5 s C/Hz.
5 Kuva 2.2. Lämpötilan asetusarvon taajuudesta ja taajuuden muutosnopeudesta riippuva funktio [6]. DDC-periaate kuormanohjauksessa antaa vaihtoehdon perinteiselle keskitetylle kuormanohjaukselle. DDC-periaatetta noudatettaessa voidaan sähköenergiajärjestelmälle taata vakavissakin tehopulatilanteissa tärkeiden kuormien energiansyöttö. Tämän kustannuksena asiakkaat joustavat merkitykseltään pienempien kuormien kanssa. Tämä on selvästi havaittavissa sähkölämmityskuorman tapauksessa. Asiakas ei välttämättä edes huomaa hetkellistä lämpötilan alenemista, mutta havaitsisi, jos esimerkiksi koko sähkönsyöttö jouduttaisiin katkaisemaan. Hyödyt, jotka tulevat DDC kuormanohjauksesta, voivat olla todella merkittävät. Rautiainen esittää omassa työssään simulointeja, joissa sähköverkossa on mukana DDCtyyppistä kuormaa. Sähköverkko oli koottu siten, että siinä oli neljä generaattoria, joiden nimellistehojen summa oli 3600 MVA. Verkon kokonaiskuormitus oli 2600 MW, josta DDC kuormien määrä oli 260 MW eli noin 10 %. Simuloinnissa taajuuden nimellisarvo oli 60 Hz. Kuvassa 2.3 on esitetty taajuuden käyttäytyminen vian jälkeen sekä ilman taajuusriippuvaa kuormaa että taajuusriippuvan kuorman kanssa, kun edellä mainitusta verkosta on pudotettu generaattori. Generaattorin tuottama teho irtoamishetkellä oli 1000 MW. Tämä vastasi noin 35% sähköenergiajärjestelmän tuotannosta. Tosielämän tapaukseen häiriö on varsin suuri, mutta se antaa hyvää suuntaa taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman eduista. Ilman taajuusriippuvaa kuormaa taajuus putosi noin 57,1 Hz, joka vastaa 50 Hz:n verkossa 47,6 Hz. Tämä taajuus on jo erittäin kriittinen. Tällaisia taajuuksia turbiinit kestävät vain lyhyen ajan ilman, että laite rikkoontuu [7]. Taajuusriip-
6 puvan kuorman kanssa taajuus putosi alimmillaan 58,7 Hz, joka vastaa 50 Hz:n verkossa 48,9 Hz. Kuopan jälkeen taajuus asettui ilman taajuusriippuvaa kuormaa noin arvoon 57,9 Hz, joka vastaa 50 Hz verkossa 48,3 Hz. Taajuusriippuvan kuorman kanssa taajuus asettui kuopan jälkeen arvoon 59,4 Hz, joka vastaa 50 Hz verkossa 49,5 Hz. Taajuusriippuvan kuorman avulla taajuus jää taajuusohjatun häiriöreservin taajuuden alarajalle. Sähköverkon kannalta näin suuri ero on todella merkityksellinen. Tämän kokoluokan vika ilman taajuusriippuvaa kuormaa olisi voinut johtaa koko verkon kaatumiseen, kun taas taajuusriippuvan kuorman kanssa taajuus pysyi kriittisten rajojen yläpuolella ja näin olisi mahdollistanut sähköverkon tehonsyötön. Kuva 2.3. Taajuuden käyttäytyminen simuloinnissa taajuusoriippuvan kuorman kanssa ja ilman sitä. Tulevaisuuden näkymät sähkön tuotannossa saattavat antaa DDC-periaatteella toimivalle kuormanohjaukselle huomattavaa lisäarvoa. Varsinkin hajautetun energian tuotannnon (DG Distributed Generation) lisääntyminen luo kysyntää DDCkuormanohjaukselle. EU-rahoitteinen projekti DISPOWER (Distributed Generation with High Penetration of Renewable Energy Sources), jonka pääpainona on ollut uusiutuvien energialähteiden käyttöönotto, esittää yhtenä kehitystoimenpiteenä sähköverkolle kuormien hallinnan kehittämistä [7]. Projektiin osallistunut yritys Econnect on kehittänyt oman älykkään DILC-kuormanohjauksen (Distributed Intelligent Load Controller). DISPOWER:n aikana tehtyjen simulaatioiden pohjalta on havaittu, että itsenäinen älykäs kuormanohjaus on erittäin tehokkaasti verkkoa stabiloiva komponentti pienissä eril-
lisverkoissa, joissa on paljon vaikeasti ennustettavaa uusiutuvaa energiantuotantoa kuten tuulivoimaa [8]. 7
8 3. DEMONSTRAATIOJÄRJESTELMÄN TOTEU- TUS Tämän työn yhteydessä tehtiin laboratoriodemonstraatio taajuusriippuvasta sähkölämmityskuormasta. Demonstraation kuormanohjauksessa käytettiin luvussa 2 esitettyä DDC-periaatetta. Demonstraatio koostui RTDS simuloinnista, MxElectrix Oy:n valmistamasta Laatuvahti-energiamittarista, lämmitettävästä tilasta sekä sähkölämpöpatterista. Demonstraation perusidea on nähtävissä kuvassa 3.1. Kuvassa 3.2 on nähtävissä kokoonpano oikeassa ympäristössään. RTDS-simulointiympäristö (Real Time Digital Simulation) pitää sisällään siirtoverkon mallin. RTDS:n avulla on mahdollista simuloida erilaisia vikoja ja ulostulona on mahdollista saada digitaalisia ja analogisia signaaleja. Tässä työssä laitteistosta otettiin ulostulona analoginen vaihtojännitesignaali, jonka taajuus vaihteli simuloinnin laskennan mukaan. Signaalia vahvistettiin siten, että käytössä oli tehollisarvoltaan 230 V vaihtojännite. Kuva 3.1. Taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman demonstraation periaatekuva
9 Kuva 3.2. Kokoonpano todellisessa ympäristössä Laatuvahti toimi tässä työssä taajuusriippuvana termostaattina. Laatuvahti otti käyttöjännitteensä RTDS:n ulostulona tulevasta jännitteestä. Samalla Laatuvahti mittasi kyseisen jännitteen taajuutta sekä lämmitettävän tilan lämpötilaa. Näiden mittaustietojen avulla Laatuvahti antoi ON/OFF-ohjaustiedon sähköpatterin sähkösyötölle, joka otettiin sähköverkosta. Ohjaustieto perustui ennalta määritettyyn lämpötilan asetusarvon taajuusriippuvaan funktioon T aset (f). Lämpötila-anturi oli sähköpatterista erillinen komponentti, joka oli asetettu mahdollisimman lähelle patterin omaa termostaattia. Tällä tavoin saatiin mahdollisimman aidon tyyppinen sähkölämmityspatterin taajuusriippuva säätöjärjestelmä. Tässä työssä sähkölämmityspatterin omaa termostaattia ei ohitettu, vaan se jätettiin turvallisuuden takia lämpöreleeksi ylikuumenemissuojaksi. Lämmitettävänä tilana työssä toimi kalorimetri, jota oli mahdollista tuulettaa puhaltimen avulla. Näin lämpötilamuutokset näkyivät nopeammin, mikä mahdollisti taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman tarkastelun kohtuullisessa ajassa. Sähkölämmityspatterina työssä toimi Fricon valmistama pakkasvahti. Tehoa lämmittimellä oli 200 W. Teho riitti hyvin tähän työhön, koska lämmitettävä tila ei ollut suuri.
10 3.1 Siirtoverkon malli Siirtoverkon mallin pohjalla oli Kundurin kirjassaan julkaisema verkkomalli [2, s.813-814]. Tässä työssä sovellettiin edellä mainittua mallia työn tarkoitusperien mukaan. Verkon taajuus muutettiin 50 Hz:in. Pitkää yhdysjohtoa eri kuorma- ja tuotantoalueiden välillä lyhennettiin kymmenesosaan alkuperäisestä taajuusvärähtelyjen pienentämiseksi. Kuormia verkkossa oli kolme L 7, L 8 ja L 9. Solmupisteeseen 8 lisättiin säädeltävä kuorma, jonka verkosta ottamaa pätötehoa pystyttiin säätelemään välillä 0-1000 MW. Tämän kuorman avulla verkon taajuutta pystyttiin alentamaan. Malli valittiin tähän työhön, koska sillä oli tehty aiemmin PSCAD-simulointeja ja näiden simulointien tulokset olivat helposti saatavilla. Näin voitiin tarkastella ja verrata miten yksittäinen kuorma toimi todellisessa tilanteessa verrattuna simulointituloksiin. Verkkoon tehdyt muutokset tosin aiheuttivat sen, että aikaisemmista simuloinneista saadut tulokset eivät ole sellaisinaan täysin vertailukelpoiset. Siirtoverkon malli on kuvattuna kuvassa 3.3. Kuva 3.3. Demonstraation siirtovekkon malli Verkon kaikki generaattorit olivat identtisiä. Niiden nimellinen teho oli 900 MVA. Jokaisen generaattorin säätöjärjestelmää yksinkertaistettiin siten, että alkuperäisestä mallista poistettiin yksi viivelohko. Tämä voitiin tehdä, koska työssä käytettiin erään todellisen voimalaitoksen säätöjärjestelmän arvoja ja nämä arvot tukivat yksinkertaistusta. Näillä säätöjärjestelmämalleilla suoritetut simuloinnit vastasivat oikeantyyppistä taajuuden käyttäytymistä vikatilanteessa [9, s. 15-16]. Normaalikäyttötilanteessa verkkoon tuotettiin pätöteho, joka oli noin 700 MW yhtä generaattoria kohden, joten yhteistuotannon pätöteho oli noin 2800 MW. Kuormaa verkossa oli perustilanteessa nimelliseltä arvoltaan noin 2530 MW, joten taajuus ilman kuormituksen lisäystä oli yli 50 Hz. Todellinen kuormitus oli kuitenkin tätä suurempi jännitteiden ollessa yli nimellisten arvojen ja komponenteissa tapahtuvien häviöiden takia. Jännitesignaali otettiin suurjännitteisestä solmupisteestä 8. Suurjännitepiste voitiin valita, koska taajuuden arvo siirtoverkossa ja pienjänniteverkossa näkyy lähes samanlai-
11 sena. Erona on havaittavissa pieni vaihesiirtymä. Tämä tulos on nähtävissä Rautiaisen diplomityössä [6, s.59-60]. 3.2 Sähkölämmityskuorman termostaatin toiminta Taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman termostaattia demonstroiva Laatuvahti asetettiin työssä toimimaan kuvan 3.4 mukaisesti. T hal oli termostaatille annettu asetuslämpötila sähköverkon toimiessa nimellisen taajuuden tuntumassa. T tol oli toleranssi, jonka alarajalla sähkölämmityskuorma kytkeytyi päälle ja jonka ylärajalla sähkölämmityskuorma kytkeytyi pois päältä. f 1 oli alin taajuuden arvo, jolla kuorma toimi normaalin sähkölämmityskuorman tavoin. f 2 oli alin taajuus, jota pienemmillä taajuuden arvoilla sähkölämmityskuorman termostaatti ei enää alentanut asetuslämpötilaa. ΔT max oli suurin asetuslämpötilan aleneminen, jonka sähkölämmityskuorma kohtasi. Toisin sanoen sähkölämmityskuormalle taattiin työssä asetuslämpötila, joka oli pienimmillään T hal - ΔT max. Kuva 3.4. Taajuusriippuvan termostaatin asetuslämpötilan graafinen määritys [6] Kaikkia edellä mainittuja parametreja pystyttiin muuttamaan vapaasti. Laatuvahti oli kytketty sarjaväylän kautta tietokoneeseen, jolla parametreja pystyttiin muuttamaan. Laatuvahdille annettiin parametreiksi T hal = 25 C, T tol =1 C, ΔT max = 3 C, f 1 = 49,9 Hz ja f 2 = 49,1 Hz. Näillä parametreilla asetuslämpötilan funktioksi saatiin kuvassa 3.5 näkyvä funktio. Vaaka-akselilla on taajuus (Hz) ja pystyakselilla lämpötila ( C). Parametrit valittiin kyseisellä tavalla, koska niiden avulla tutkittava ilmiö oli paremmin havaittavissa. Asetuslämpötila valittiin normaalia sähkölämmitystaloutta korkeammaksi, koska näin saatiin aikaan nopeampi lämpötilan käyttäytyminen. Taajuusrajat valittiin silmällä pitäen taajuusriippuvan häiriöreservin sekä nopean häiriöreservin taajuusrajoja.
12 Kuva 3.5. Demonstraation termostaatin ohjauslämpötilan taajuusriippuva funktio. 3.3 Laatuvahti Laatuvahti on energiamittari, jossa on mukana erilaisia sähkön laatuun liittyviä mittauksia. Tässä työssä Laatuvahtia oli muunnettu siten, että se mittasi ainoastaan yhden vaiheen taajuutta sekä lämmitettävän tilan lämpötilaa. Näiden pohjalta ennalta määrätyn funktion (kuva 3.5) mukaan Laatuvahti antoi kuormalle ON/OFF-ohjauskäskyn. Laatuvahdin antaman ohjauskäskyn toteutti erillinen rele, joka kytki sähkölämmityspatterin verkkojännitteeseen. Laatuvahti antoi sarjaportin kautta mittaus- ja kytkentätiedot tietokoneelle. Mittaustietoina Laatuvahdilta saatiin taajuus, lämmitettävän tilan lämpötila sekä taajuudesta riippuvat asetuslämpötilan ylä- ja alarajat. Laatuvahdin kanssa kommunikoitiin Hyper- Terminal-ohjelmalla ja mittaustiedot tulostettiin tekstitiedostoksi. Laatuvahdilta saadut mittaustiedot käsiteltiin osin Excel- ja osin Matlab-ohjelmalla. Mittausominaisuudet laatuvahdissa olivat seuraavat: taajuusmittaus päivittyi 100 ms välein ja lämpötilamittauksen päivitys tapahtui 1 s välein. Mittausominaisuuksien oletettiin riittävän, sillä vikatilanteissa taajuuden muutos on sekuntiluokkaa oleva ilmiö.
13 4. MITTAUSTULOKSIA Taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman mittausten yhteydessä tehtiin kahdentyyppisiä mittauksia. Yksi mittaus tarkasteli Laatuvahdin toimintaa oikeassa sähköverkossa. Tämä oli luonteeltaan toimintaa testaava mittaus. Loput käsittelivät Laatuvahdin toimintaa RTDS-ympäristössä. 4.1 Testausmittaus Ennen varsinaisia RTDS-simulointeja tehtiin laitteistolle testaus, jolla tutkittiin laitteiston toimivuutta. Testauksessa Laatuvahti kytkettiin mittaamaan todellisen sähköverkon taajuutta. Tätä taajuusmittausta manipuloitiin laatuvahdin ohjelmistolla keinotekoisesti, jolloin taajuusmittauksen arvo laskettiin 0,3 Hz tai 0,5 Hz. Näin toimimalla voitiin tarkkailla Laatuvahdin reagointia simuloituun taajuuden muutokseen. Tästä testauksesta saadut tulokset ovat esitetty kuvissa 4.1, 4.2 ja 4.3. Kuvassa 4.1 on Laatuvahdin mittaama manipuloitu taajuus. Kuvassa 4.2 on Laatuvahdin mittaama lämpötila sekä kuorman verkkoon kytkentä- ja verkosta poiskytkentälämpötila. Kuvassa 4.3 on Laatuvahdin kytkentätieto, (0 tarkoittaa poissa verkosta ja 1 tarkoittaa kytkettynä verkkoon). Lämpötila mitattiin suoraan sähkölämpöpatterin yläpuolelta, mikä selittää nopean lämpötilakäyttäytymisen. Lämpötilan hidas putoaminen johtui osaltaan siitä, että kalorimetrin ulkopuolista tilaa ei jäähdytetty. Kuva 4.1. Taajuusmittaus
14 Kuva 4.2. Lämpötilamittaus sekä kuorma päälle / pois lämpötila-arvot Kuva 4.3. Kuorman ON-OFF kytkentätieto Kuvissa 4.1 ja 4.2 numerolla 1. merkityt kohdat vastasivat taajuuden laskua 0,5 Hz:llä ja numerolla 2. merkitty kohta vastasi 0,3 Hz taajuuden laskua. Kuvasta 4.2 voidaan havaita, että taajuusriippuva asetuslämpötila on reagoinut halutulla tavalla. Asetuslämpötila on 0,5 Hz taajuuspudotuksella 23,5 C tuntumassa ja 0,3 Hz taajuuspudotuksella 24 C ja 24,5 C välissä. Nämä mittaustulokset ovat yhtenevät kuvan 3.5 laskennallisen tuloksen kanssa. Testauksessa havaittiin, että kuormanohjaus toimi halutulla tavalla. Kuorma kytkeytyi verkkoon, kun lämpötila saavutti lämpötilan alarajan, ja kytkeytyi irti verkosta, kun lämpötila saavutti lämpötilan ylärajan, kuten kuvista 4.2 ja 4.3 on nähtävissä. Tästä huolimatta lämpötila jatkoi nousuaan poiskytkennän jälkeen, sillä sähkölämpöpatteriin oli varastoituneena lämpöä lämmityksestä johtuen. Kuvan 4.2 kohdassa 2. nähdään poikkeuksellisen pitkä lämpötilan pysyminen toleranssirajan alapuolella vaikka Laatuvahti oli kytkenyt sähkölämpöpatterin päälle. Tämä johtui siitä, että sähkölämpöpatterin oma termostaatti oli toiminut. Poikkeuksellinen toiminta saatiin poistettua säätämällä sähkölämpöpatterin oma termostaatti korkeimpaan arvoon.
15 4.2 RTDS simuloinnit Simuloinneissa keskityttiin tarkastelemaan kuorman käyttäytymistä erilaisissa vikatilanteissa. Tarkastelun kohteena oli erityisesti kuormanohjauksen lämpötilan asetusarvon ja siten myös taajuuden mittauksen toiminta vian tapahtumahetkestä vian poistumiseen. Viat jaettiin neljään erilaiseen tilanteeseen. Jokaisessa tilanteessa verkkoon kytkettiin lisää kuormaa ja lopulta kuorma kytkettiin irti verkosta. Kytkennät olivat äkillisiä ja tapahtuivat tietyllä ajanhetkellä. Todellisesta tilanteesta poiketen kuorman kytkennät olivat erittäin rajuja ja portaittaisia. Simulointi I Simuloinnissa I verkkoon kytkettiin 360 MW kuormaa äkillisesti tietyllä ajanhetkellä ja toisella ajanhetkellä kuorma otettiin äkillisesti pois verkosta. Kuorman lisäys vastasi noin 13 % generaattoreiden tuottamasta pätötehosta ennen kuorman lisäystä. Kuvassa 4.5 a on esitetty Laatuvahdin taajuuden mittaustulos sekä sähkölämpökuorman kytkentätila ja kuvassa 4.5 b on esitetty Laatuvahdin lämpötilamittaus sekä termostaatin toimintarajat. Kuvassa 4.6 on esitetty RTDS:lta saatu taajuuden käyttäytyminen 30 s ajalta äkillisen kuormituksen jälkeen. Kuva 4.5. a) Laatuvahdin taajuuden mittaustulos ja sähkölämpökuorman kytkentätila b) Laatuvahdin lämpötilamittaus ja termostaatin toimintarajat simuloinnissa I
16 Kuva 4.6. RTDS:n taajuusmittaus simuloinnissa I Kuvista 4.5 a ja 4.6 havaitaan, että Laatuvahdin taajuuden mittaustulos on lähes yhtenevä RTDS:lta saadun mittaustuloksen kanssa. Lähtötilanteessa molemmilla on taajuuden arvo, joka on yli 50,1 Hz. Äkillisen kuormituksen muutoksen aiheuttaman taajuuskuopan alin arvo on molemmilla alle 49,7 Hz. Pysyvä äkillisen kuormituksen muutoksen jälkeinen taajuus asettuu molemmissa noin 49,9 Hz:in. Kuvassa 4.6 ei nähdä kuvassa 4.5 a olevaa taajuuden nousua sillä simuloinnista saatu taajuuden piirto ei kattanut kyseistä aluetta. Kuvista 4.5 a ja 4.5 b havaitaan, että taajuusriippuva sähkölämmityskuorma on toiminut odotetulla tavalla. Alussa kuormitus on ollut päällä sillä lämpötila on ollut alle lämpötilan asetusarvon alarajan. Lämpötilan kohotessa noin 600 s kohdalla on tapahtunut vika, joka laski verkon taajuutta sekä lämpötilan asetusarvoja. Sähkölämmityskuorma on kytkeytynyt pois verkosta hetkellä, jolloin lämpötila saavutti lämpötilan asetusarvon ylärajan. Simulointi II Simuloinnissa II verkkoon kytkettiin 510 MW kuormaa äkillisesti tietyllä ajanhetkellä. Kuorman lisäys vastasi noin 18 % generaattoreiden tuottamasta tehosta ennen kuorman lisäystä. Kuvassa 4.7 a on esitetty Laatuvahdin taajuuden mittaustulos sekä sähkölämpökuorman kytkentätila ja kuvassa 4.7 b on esitetty Laatuvahdin lämpötilamittaus sekä termostaatin toimintarajat. Kuvassa 4.8 on esitetty RTDS:lta saatu taajuuden käyttäytyminen 30 s ajalta äkillisen kuormituksen muutoksen tapahtuessa.
17 Kuva 4.7. a) Laatuvahdin taajuuden mittaustulos ja sähkölämpökuorman kytkentätila b) Laatuvahdin lämpötilamittaus ja termostaatin toimintarajat simuloinnissa II Kuva 4.8. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen tapahtuessa verkosta simuloinnissa II Kuvista 4.7 a ja 4.8 havaitaan, että Laatuvahdin taajuuden mittaustulos on lähes yhtenevä RTDS:lta saadun mittaustuloksen kanssa. Lähtötilanteessa molemmilla on taajuuden arvo, joka on yli 50,1 Hz. Äkillisen kuormituksen muutoksen aiheuttaman taa-
18 juuskuopan alin arvon on molemmilla alle 49,3 Hz tuntumassa. Pysyvä äkillisen kuormituksen muutoksen jälkeinen taajuus asettuu molemmissa noin 49,8 Hz:n. Kuvista 4.7 a ja 4.7 b havaitaan, että taajuusriippuva sähkölämmityskuorma on toiminut odotetulla tavalla. Alussa kuormitus on ollut kytkettynä irti verkosta sillä lämpötila on ollut yli lämpötilan asetusarvon ylärajan. Lämpötila on laskenut ja tavoittanut lämpötilan asetusarvon alarajan ennen äkillistä kuormitusmuutosta. Tällöin kuorma on kytkeytynyt verkkoon. Hyvin pian sähkölämmityskuorman kytkeytymisen jälkeen tapahtui äkillinen kuormituksen muutos, joka laski verkon taajuutta siten, että taajuusriippuva asetuslämpötila putosi ja sähkölämmityskuorma kytkeytyi irti verkosta. Verkossa tapahtunutta kuormitusmuutosta ei poistettu vaan taajuuden annettiin asettua noin 48,8 Hz:in. Näin havaittiin asetuslämpötilan pysyvä pudotus. Sähkölämpökuorma kytkeytyi verkkoon, kun lämpötila laski alle 24 C ja kytkeytyi irti verkosta, kun lämpötila kohosi yli 25 C. Tässäkin simuloinnissa asetuslämpötilan toiminta oli kuvan 3.5 kaltainen. Simulointi III Simuloinnissa III verkkoon kytkettiin 600 MW kuormaa äkillisesti tietyllä ajanhetkellä. Kuorman lisäys vastasi noin 21 % generaattoreiden tuottamasta tehosta ennen kuorman lisäystä. Tämän simuloinnin tarkoituksena oli kokeilla miten Laatuvahti reagoi mataliin taajuuksiin. Kuvassa 4.9 a on esitetty Laatuvahdin taajuuden mittaustulos sekä sähkölämpökuorman kytkentätila ja kuvassa 4.9 b on esitetty Laatuvahdin lämpötilamittaus sekä termostaatin toimintarajat. Kuvassa 4.10 a on esitetty RTDS:lta saatu taajuuden käyttäytyminen 60 s ajalta äkillisen kuormituksen muutoksen tapahtuessa ja kuvassa 4.10 b on esitetty RTDS:lta saatu taajuuden käyttäytyminen 60 s ajalta äkillisen kuormituksen poistumisen jälkeen.
19 Kuva 4.9. a) Laatuvahdin taajuuden mittaustulos ja sähkölämpökuorman kytkentätila b) Laatuvahdin lämpötilamittaus ja termostaatin toimintarajat simuloinnissa III Kuva 4.10. a) RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen tapahtuessa b) RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen poistuttua verkosta simuloinnissa III Kuvista 4.9 a ja 4.12 a havaitaan, että Laatuvahdin taajuuden mittaustulos on lähes yhtenevä RTDS:lta saadun mittaustuloksen kanssa. Tosin Laatuvahdin taajuusmittauksen kuopan alaraja on 48,5 Hz:ssä kun taas RTDS on saanut taajuuden alimmaksi ar-
20 voksi noin 48,1 Hz. Tässä yhteydessä havaittiin, että Laatuvahdin taajuusmittauksen alaraja oli juurikin tuo 48,5 Hz, joten se ei kyennyt mittaamaan sen alempia taajuuksia. Tällä ei kuitenkaan ollut mitään merkitystä asetuslämpötilaan, sillä asetuslämpötila ei enää laskenut, kun taajuus laski alle 49,1 Hz:n. Kuormituksen poistuessa verkosta taajuusmittaus Laatuvahdin ja RTDS:n välillä on yhtenevä. Taajuus ennen kuormituksen poistumista on ollut molemmilla noin 49,75 Hz. Piikki arvo poiskytkennästä on ollut molemmilla noin 50,5 Hz. Taajuus on asettunut molemmissa mittauksissa noin 50,1 Hz:in. Kuormitus oli alussa kiinni verkossa, mutta kytkeytyi irti taajuuden pudotessa. Asetuslämpötila käyttäytyi taajuuspudotuksessa taajuusmittauksen kanssa yhtenevästi. Asetuslämpötila laski jyrkästi, kun vika tuli verkkoon. Asetuslämpötilan alin arvo ilmeni taajuuden arvolla 49,1 Hz. Kun taajuus vian jälkeen jäi alle 49,9 Hz, myös asetuslämpötila jäi alle 25 C. Tällöin kuormitus oli odotetun mukaisesti irti verkosta. Äkillisen kuormituksen muutoksen poistumisesta aiheutuva taajuuden nousun yhteydessä asetuslämpötila toimi edelleen odotetulla tavalla. Kuvasta näkyy, että asetuslämpötilan muutos olisi askelmainen. Tämä johtuu siitä, että kyseisen hetken taajuuden nousu oli erittäin nopea (noin 2 s) ja kuvan aikaskaalaus on huomattavasti pitempi. Tässä taajuuden nousussa kuormitus toimi odotetulla tavalla. Simulointi IV Simuloinnissa IV verkkoon kytkettiin kuormaa portaittaisesti. Ensiksi kuormaa kytkettiin äkillisesti 510 MW. Tämän jälkeen taajuuden annettiin asettua. Seuraavaksi kuorman ottama teho nostettiin äkillisesti 720 MW:in, jonka jälkeen taajuuden annettiin asettua. Seuraavassa muutoksessa kuorman ottama teho nostettiin 820 MW:in ja viimeisessä muutoksessa kuorman ottama teho nostettiin 930 MW:in. Viimeisen muutoksen yhteydessä taajuus romahti niin alas, että tietyllä hetkellä koko säädettävän kuorman ottama teho laskettiin 0 MW:in. Tämän simuloinnin tarkoituksena oli kokeilla erilaisia taajuuden arvoja ja katsoa miten Laatuvahti selviää melkein romahtavan verkon tilanteessa. Kuvassa 4.11 a on esitetty Laatuvahdin taajuuden mittaustulos sekä sähkölämpökuorman kytkentätila ja kuvassa 4.11 b on esitetty Laatuvahdin lämpötilamittaus sekä termostaatin toimintarajat. Kuvissa 4.12 4.16 on esitetty RTDS:n taajuusmittaus. Jokainen kuvista 4.12 4.16 kuvaa taajuuden muutosta tietyllä kuormituksen muutoksen arvoilla.
21 Kuva 4.11. a) Laatuvahdin taajuuden mittaustulos ja sähkölämpökuorman kytkentätila b) Laatuvahdin lämpötilamittaus ja termostaatin toimintarajat simuloinnissa IV Kuva 4.12. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen 0MW 510 MW tapahtuessa verkosta simuloinnissa IV
22 Kuva 4.13. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen 510MW 720 MW tapahtuessa verkosta simuloinnissa IV Kuva 4.14. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen 720MW 820 MW tapahtuessa verkosta simuloinnissa IV
23 Kuva 4.15. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen 820MW 930 MW tapahtuessa verkosta simuloinnissa IV Kuva 4.16. RTDS:n taajuusmittaus äkillisen kuormituksen muutoksen 930MW 0 MW tapahtuessa verkosta simuloinnissa IV Kuvista 4.11 a sekä 4.12-4.16 havaitaan, että Laatuvahdin taajuuden mittaustulos on tässäkin simuloinnissa ollut lähes yhtenevä RTDS:lta saadun mittaustuloksen kanssa. Taajuus on pudonnut kaikissa kuormituksen lisäyksissä hyvin lähelle samaa arvoa ja taajuus on asettunut kuormituksen muutoksen jälkeen samalle tasolle. Taas poikkeuksena on ollut syvin kuoppa, jota Laatuvahti ei ole pystynyt mittaamaan. RTDS:n taajuuden kuvaaja ei myöskään näytä taajuuden alinta arvoa, koska kuvaajan asetukset määrittivät alimman piirtoarvon 48 Hz:in. Kuvista 4.11 a ja 4.11 b havaitaan, että kuormituksen käyttäytyminen on ollut simuloinnissa päälle ja pois -tyyppistä. Lämpötilan asetusarvot ovat heiluneet paljon ja lämpötilamittaus on kohdannut lämpötilan asetusarvon ylä- ja alarajat useasti. Simulointitu-
loksista nähdäänkin, että Laatuvahti on suoriutunut useasta peräkkäin tapahtuvasta taajuuden muutoksesta odotetulla tavalla. Alussa lämpötila on pudonnut kunnes se on saavuttanut lämpötilan asetusarvon alarajan. Sähkölämpökuorma on kytkeytynyt verkkoon alarajalla ja kytkeytynyt ensimmäisen kuormituksen muutoksen aikana hetkeksi pois verkosta, koska taajuuden putoamisesta aiheutunut lämpötilan asetusarvo putosi riittävän alas. Seuraavista kuormituksen muutoksista aiheutuneet asetuslämpötilan muutokset eivät irtikytkeneet sähkölämpökuormaa. Sähkölämpökuorma irtikytkeytyi vasta, kun taajuus romahti suurimmalla kuorman arvolla. Verkkoon kytkeytyminen tapahtui vasta, kun taajuus oli palautunut äkillisen kuormituksen poistuttua verkosta. Sähkölämpökuorma irtikytkeytyi verkosta lopussa normaalitilan mukaisessa arvossa. 24
25 5. JOHTOPÄÄTÖKSET Tässä työssä pääpaino oli taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman demonstroinnissa. Työssä keskityttiin tarkastelemaan miten taajuusriippuva sähkölämmityskuorma voidaan rakentaa ja miten se toimii sekä onko se toteutuskelpoinen nykyisellä tekniikalla. Teknisestä tarkastelusta suurimman huomion sai taajuusriippuvana termostaattina toimineen Laatuvahdin taajuusmittausksen tarkkuus. Laatuvahti osoittautui mittauksissa toimivan odotetulla tavalla. Laatuvahdin taajuuden mittaustarkkuus toimi hyvin niin nopeissa ja jyrkissä kuin hieman hitaammissa ja pienemmissä taajuuspudotuksissa. Taajuuden mittaustulos oli aina lähes yhtenevä simulaatio-ohjelmalta saadun mittaustuloksen kanssa. Poikkeuksia aiheutti kuitenkin hyvin alas painunut taajuus, jota Laatuvahti ei pystynyt mittaamaan. Laatuvahdin taajuuden mittauksen alarajaksi tässä työssä havaittiin 48,5 Hz. Tämä ei tosin tuonut taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman toimintaan häiriötä, sillä asetuslämpötilan taajuusriippuvuus alkoi 49,9 Hz:stä ja loppui 49,1 Hz:n. Laatuvahdin taajuuden päivitysfrekvenssi (100 ms välein) oli riittävän nopea havaitsemaan kaikki simuloidut viat. RTDS-ohjelmalta saatu taajuuden mittaustulos saa osakseen hivenen kritiikkiä. Ohjelmisto antoi koko ajan hyvin tasaista taajuuden arvoa kuten kuvista 4.5 ja 4.6 voidaan havaita lukuun ottamatta vikatilanteita. Oikeassa verkossa taajuus elää huomattavasti enemmän eikä siten ole täysin simulointitulosten mukainen. Tämä taajuuden erilainen käyttäytyminen havaitaan kuvasta 4.1, johon on kuvattu Laatuvahdin oikeasta sähköverkosta mittaama taajuus. Syy tähän oli se, että RTDS-ohjelmalla oli vaikea simuloida kuormituksen käyttäytymistä muutoin kuin kiinteillä kuormilla. Työn kannalta tämä ei sotkenut tuloksia, sillä Laatuvahti pystyi mittaamaan oikean sähköverkon taajuuden käyttäytymisen lisäksi RTDS:n selvät taajuuden pudotukset. Onkin todennäköistä, että Laatuvahti kykenee mittaamaan todellisessa vikatilanteessa myös taajuuden oikein. Tätä väitettä tukemaan tarvittaisiin kuitenkin oikea verkon vikatilanteen mittaus. Laatuvahdin lämpötilamittaus osoittautui myös toimivan hyvin. Mittaustarkkuus ja päivitysväli 1 s riittivät tähän työhön. Lämpötilamittauksesta havaittiin myös, että lämpötilan käyttäytyminen on verrattain hidasta. Tämä tukee väitettä, jonka mukaan sähkölämpökuorma soveltuu hyvin taajuusriippuvaksi kuormaksi. Normaali kuluttaja ei ehdi huomata lämpötilan laskua vikatilanteen aikana, sillä lämpötilan putoaminen vie aikaa. Taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman käyttöönottoon liittyy ongelmia. Näitä ongelmia ovat mm. asennuksen soveltuvuus vanhoihin kohteisiin, laitteen fyysiset mitat sekä laitteesta koituva hinta. Tällaisenaan Laatuvahti ei sovellu vielä käytettäväksi oikeissa kohteissa. Kysessä oli demonstraatiota silmällä pitäen valmistettu laite, joka toimi hyvin demonstraatiossa.
Demonstaario antaa mahdollisuuden kehittää taajuusriippuvaa sähkölämmityskuormaa. Demonstraation pohjalta voitaneen nähdä kaksi erilaista näkökantaa kehittää taajuusriippuvuutta kiinteistökohtainen tai laitekohtainen termostaatti. Kiinteistökohtainen säätöjärjestelmä vaatisi lämpötilansäätöä varten käyttöliittymän sekä vaatisi muutoksia sähköasennukseen. Tällainen säätöjärjestelmä tulisi kysymykseen jos se liitetään osaksi kiinteistöautomaatiota. Laitekohtainen taajuusriippuva termostaatti vaatisi mittaus ja kytkentälaitteiston fyysisten mittojen pienentämistä. Laitekohtaisessa termostaatissa voitaneen kuitenkin käyttää Laatuvahdissa käytettyä taajuusmittausta, sillä se havaittiin olevan riittävä säätöön. Laitteen hintaan on syytä kiinnittää huomiota. Itse laitteen hinta ei saa olla liian korkea. Myöskään sähköasennuksiin tehtävät muutokset eivät saa nousta liian kalliiksi eivätkä ne saa olla liian näkyviä. Tämä seikka on otettava huomioon etenkin asennettaessa Laatuvahtia vanhaan rakennukseen. Kilpailukykyisillä hinnoilla on mahdollista saada sähköverkkoyhtiöt kiinnostumaan kyseisestä vaihtoehdosta. Ilmeisesti tämän ominaisuuden lisääminen Laatuvahtiin itsessään ei ole erityisen kallista, mutta sähköasennuksiin tehtävien muutosten hinnoista ei ole vielä tarkkaa tietoa. Asennuksesta aiheutuvista lisäkustannuksista tarvitaan lisää tutkimusta. Sähköverkon tasolla ongelmaksi saattaa kutenkin muodostua taajuudensäätöön osallistuvan sähkölämmityskuorman määrä. Käytössä oleva sähkölämmityskuorma on erittäin voimakkaasti riippuvainen lämpötilasta. Tästä seuraa se, että kesällä ei ole yhtä paljon käytettävissä olevaa säätötehoa kuin mitä talvella on. Ongelmana on myös niin sanottu cold load pick up-ilmiö. Ilmiössä pitäisi pystyä laskemaan kuinka paljon energiaa pitää ladata sähkölämpökuormiin, kun vikatilanteesta ollaan palattu normaaliin käyttötilanteeseen. Sinänsä ilmiö ei ole haitallinen, sillä taajuusriippuvuus antaa aikaa nostaa tuotantoa ja näin säätöön pääsevät mukaan tuotantolaitokset, joiden ylösajo kestää pitempään. Ongelman ratkaisuun tarvittaisiin uusia kuormitusmalleja, jotka pystyisivät määrittelemään kantaverkkotasolla kuinka paljon kuormaa kullakin hetkellä tietyllä taajuuspudotuksella osallistuu taajuuden säätöön ja miten paljon tuotantoa tarvitsee nostaa cold load pick up-ilmiön eliminointiin. Tämä kysymys tarvitsee vielä lisää tutkimusta. Sähkölämmityskuormassa on kuitenkin paljon potentiaalia toimia taajuusriippuvana häiriöreservinä. Sähkölämmitys on noussut suosituimmaksi lämmitysmuodoksi [12, s.5-7], joten tehoa taajuuden säätöön olisi tarjolla. Taajuusriippuvasta sähkölämmityksestä saatavia hyötyjä ovat mm. uudenlainen mahdollisuus hallita häiriötilanteita, mahdollisuus kuormanjoustoon hajautetun uusiutuvan energiatuotannon kanssa, kuormanohjauksen periaatteen päivitys sekä mahdollisuus liittää laitteisto uusiin ja vanhoihin asuntoihin. Suurin etu, jonka taajuusriippuva sähkölämmityskuorma antaa häiriötilanteen hallintaan, on taajuuden ylläpitoon osallistuvien nopeasti reagoivien tuotantolaitosten tarvittavan määrän väheneminen. Kun taajuus putoaa, niin taajuusriippuva sähkölämmityskuorma antaa lisää aikaa nostaa tuotantoa. Tämä voisi mahdollistaa jopa hitaammin käynnistyvien kivihiilivoimaloiden hyötykäytön taajuuden säätöön vikatilanteen jäl- 26
keen. Tämä tarkoittaisi, että verkossa ei tarvitsisi ylläpitää nykyistä määrää nopeasti käynnistyvää kaasuvoimaa, mikä taas tuo kustannussäästöjä. Uusiutuvan energiatuotannon kanssa kysyntäjouston merkitys tulee edelleen kasvamaan. Etenkin vaikeasti ennustettavien ja paljon vaihtelevien tuotantomuotojen kuten tuulivoiman ja aurinkoenergian kanssa tarvitaan verkolta kuormajoustoa. Tähän kuormajoustoon taajuusriippuva sähkölämmityskuorma soveltuisi hyvin. Samalla kuormanohjauksen periaate päivittyisi vastaamaan uusia tarpeita. Erityisenä etuna juuri Laatuvahdin tapauksessa on se, että kaikki parametrit ovat helposti muutettavissa paikallisesti tai keskitetysti. Tällöin heräterajat voidaan joissakin kohteissa asettaa jopa tiukemmaksi kuin 49,9 Hz, mikä taas helpottaisi taajuuden normaalitilan ylläpitoa. Tulevaisuuden mahdollisuuksina taajuusriippuvalle kuormanohjauksella voidaan pitää sen liittämistä sähköautoihin. Tällöin lämpötilamittauksen tilalla voisi esimerkiksi olla akun varaustila. Varsinkin kustannusten osalta voidaan olettaa suuria säästöjä, jos autoihin voidaan sarjatuotannolla integroida tämän tyyppinen latausjärjestelmä. Tällöin ongelmaksi edelleenkin muodostuu se, kuinka paljon kullakin hetkellä on käytettävissä taajuuden säätöön osallistuvaa kuormaa. Toinen merkittävä hyöty tulevaisuudessa voidaan nähdä taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman toimimisesta sähkön vähittäismarkkinoiden yhteydessä. Tällöin on mahdollista aikaansaada erittäin tehokas kuormanjouston periaate. Sähkönhinta rajoittaisi kuormitusta verkon normaalikäyttötilanteissa ja taajuus tulisi rajoittamaan kulutusta vikatilanteissa. Työ herätti paljon uusia kysymyksiä, joiden selvittämiseen tarvitaan jatkotutkimusta. Tässä työssä käsiteltiin taajuusriippuvaa sähkölämmityskuormaa pitkälti sen teknisen toteutettavuuden kannalta. Taloudellinen viitekehys kyseisten laitteiden kohdalta jäi taka-alalle. Demonstraation tulosten pohjalta voidaan sanoa, että taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman konstruointi on jo nyt mahdollista. Kaupallinen tuotanto vaatii vielä oikean kotitalouden sähköasennuksen rakentamisen ja sen toiminnan mittaamisen. Tutkimusta tarvitaan myös vielä kantaverkkotason vaikutuksista. Etenkin käytettävissä olevan kuorman tehon määrä tulisi tietää kullakin hetkellä tietyllä taajuuspudotuksella. Myös muiden käyttöönottoon liittyvien ongelmien selvittäminen vaatii lisää tutkimusta. Tulevaisuuden skenaarioista erityistä kiinnostusta kannattaa kiinnittää sähköautojen käyttöön taajuusriippuvana kuormana. 27
28 6. LÄHTEET [1] Fingrid Taajuden ylläpito [WWW]. [viitattu 9.12.2008]. Saatavissa: http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/palvelut/jarjestelmapalvelut/taajuuden_yll apito/ [2] Kundur, P. 1994. Power System Stability and Control. McGraw-Hill, Inc. 979 s. [3] An American National Standard, IEEE guide for abnormal frequency protection for power generating plants, ANSI/IEEE C37, 106.1987 [4] Fingrid Käyttövarmuuden ylläpito [WWW]. [viitattu 10.12.2008]. Saatavissa: http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/palvelut/jarjestelmapalvelut/kayttovarmuu den_yllapito/ [5] Short, J. A., Infield, D. G., Freris, L. L. 2007. Stabilization of Grid Frequency Through Dynamic Demand Control. IEEE Transactions on Power Systems 22, 3, pp. 1284 1293. [6] Rautiainen, A. Virtuaalivoimalan tarjoamat lisäpalvelut sähköverkon häiriötilanteiden hallintaan. Diplomityö. Tampere 2008. Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkötekniikan koulutusohjelma, 98 s. [7] DISPOWER Final Public Report. Kassel, Germany 2006. ISET e.v, Kassel. 98 s. [8] DISPOWER Development of a Distributed Intelligent Load Controller [9] Fingrid Tehotasapaino luento 2005 [WWW]. [viitattu 20.2.2009]. Saatavissa: http://powersystems.tkk.fi/opinnot/s- 18.113/Tehotasapaino%20luento%202005.pdf