TUOMO VORNANEN TEHOELEKTRONIIKKAA SISÄLTÄVIEN SÄHKÖNJAKELUVERKKOJEN SIMULOINTI PSCAD-YMPÄRISTÖSSÄ

TUOMO VORNANEN TEHOELEKTRONIIKKAA SISÄLTÄVIEN SÄHKÖNJAKELUVERKKOJEN SIMULOINTI PSCAD-YMPÄRISTÖSSÄ Diplomityö Tarkastajat: prof. Pertti Järventausta ja tutkija Antti Mäkinen Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 8. huhtikuuta 2009

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma VORNANEN, TUOMO: Tehoelektroniikkaa sisältävien sähkönjakeluverkkojen simulointi PSCAD-ympäristössä Diplomityö, 86 sivua, 4 liitesivua Marraskuu 2009 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastajat: prof. Pertti Järventausta ja tutkija Antti Mäkinen Avainsanat: Tasasähkönjakelu, PSCAD-simulointi, LVDC Tehoelektroniikan komponenttien hintojen laskiessa ja luotettavuuden parantuessa voi niistä kehittyä varteenotettava osa tulevaisuuden sähkönjakeluverkkoja. Niiden käyttöönotolla voidaan parantaa sähkönjakelun luotettavuutta, sähkön laatua, pienentää sähkönjakelun kokonaiskustannuksia ja edesauttaa hajautetun tuotannon ja älykkäiden sähköverkkojen yleistymistä. Käytännössä tämä tarkoittaisi vaihtosähköverkkojen osittaista korvaamista pienjännitteisillä tasasähköverkoilla. Tehoelektroniikka sähkönjakelussa -tutkimushankkeen tavoitteena on ollut luoda tekninen ja taloudellinen osaamispohja ja menetelmät tasasähkönjakelun käyttösovellusten ja niihin liittyvien laite- ja ohjelmistotuotteiden kehittämiselle, pilotoinnille ja käyttöönotolle. Tässä diplomityössä on perehdytty pienjännitteisen tasasähkönjakelun (LVDC) käyttäytymiseen osana sähkönjakeluverkkoja ja erityisesti tähän liittyvään mallinnukseen ja simulointiin PSCAD-simulointiohjelman avulla. Työn ensisijaisena tavoitteena on ollut kehittää ja tarkentaa simuloinneissa käytettäviä tasasähköjärjestelmän komponentti- ja järjestelmämalleja. Työn pohjana oli aikaisemmin tehdyt PSCAD-mallit tasasähköjärjestelmän prototyypistä ja sen komponenteista. Alustavia simulointituloksia vertailtiin prototyyppilaitteiston mittaustuloksiin, joiden pohjalta malleja tarkennettiin. Tuloksena saatiin järjestelmämalli, joka vastaa aiempaa tarkemmin mittaustuloksia. Tämän jälkeen tehtiin prototyypin mallilla laajempia simulointitarkasteluja eri parametreja muuttaen. Näiden avulla selvitettiin esimerkiksi verkostokomponenttien teho- ja jännitehäviöitä sekä kuormien verkostovaikutuksia. Lisäksi kokeiltiin DC-verkon kuormitusten yksinkertaistettua mallinnusta. Työssä tutkittiin myös laajempaa jakelujärjestelmää, joka sisälsi LVDC-verkkoja. Näissä simuloinneissa tutkittiin keskijänniteverkon virtoja ja sen säröytymistä, tasasähköjohdon jännite- ja tehohäviöitä sekä kuormanmuutosten verkostovaikutuksia LVDC-verkossa. Simulointien perusteella todettiin, että johtojen tehohäviöiden laskennassa ideaalisten suureiden käyttö voi johtaa epätarkkuuksiin yliaaltojen takia. Tasasähköverkon jännitehäviön laskennassa ideaalistenkin suureiden käyttö antaa käyttökelpoisia tuloksia.

III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering VORNANEN, TUOMO: PSCAD simulation of electricity distribution networks with power electronics Master of Science Thesis, 86 pages, 4 Appendix pages November 2009 Major: Electrical Power Engineering Examiners: professor Pertti Järventausta and researcher Antti Mäkinen Keywords: DC distribution, PSCAD simulation, LVDC Power electronic components may become a conceivable part of future electricity distribution networks, as their prices are falling and reliability is improving. The introduction of LVDC networks would improve network reliability and power quality, lower the total network costs and facilitate the introduction of distributed generation and smart grids. In practice this would lead to partial replacement of the AC distribution with DC distribution networks. The objective of the Power Electronics in Electricity Distribution research project is to create a technical and economical knowledge base and methods for the development, piloting and introduction of practical applications of DC distribution and related hardware and software products. In this thesis the behavior of the low voltage distribution (LVDC) as part of distribution networks was studied. The foremost objective has been to develop and improve the simulation models of the low voltage direct current system and its components. The basis of the work was the earlier PSCAD models of a laboratory network prototype and its components. Preliminary simulation results were compared with measured data from the prototype, which were used to develop the models further. The result was a system model, which more accurately confirms with measured data. Further simulations were made by doing variations to system parameters. These were used to study power losses and voltage drop of network components and network effects of different loads. In addition a simplified load model was tested. Finally a larger distribution system was tested, which included LVDC networks. These simulations included studies of currents and THD in the MV network, power losses and voltage drop in the LVDC network and effects of load fluctuations. Simulation results indicate that, harmonic current components may cause significant power losses in the LVDC lines, so using DC components for power loss calculations gives inaccurate results. However for voltage drop studies in the LVDC network using of average values or ideal quantities is sufficient.

IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksella vuoden 2009 aikana. Työ on osa laajempaa tutkimushanketta Tehoelektroniikka sähkönjakelussa. Haluan kiittää työn ohjaajina toimineita professori Pertti Järventaustaa ja tutkija Antti Mäkistä heidän ohjeistaan ja opastuksestaan työn aikana. Lisäksi haluan kiittää kaikkia muitakin työn valmistumisessa auttaneita tutkijoita. Heistä mainittakoon tässä erityisesti Sähköenergiatekniikan laitoksen tutkimusapulaiset Jenni Rekola ja Niklas Löf. Lopuksi haluan kiittää myös ystäviäni, vanhempiani, siskoani ja erityisesti sisarenpoikaani Joonatania heidän antamastaan henkisestä tuesta tämän työn ja opiskelijaurani aikana. Tampereella 19. marraskuuta 2009 Tuomo Vornanen

SISÄLLYS Lyhenteet ja merkinnät... vii 1. Johdanto... 1 1.1. Työn tavoitteet ja rajaus... 2 1.2. Työn rakenne... 2 2. Julkinen sähkönjakelu ja tasasähkönjakelun mahdollisuudet... 3 2.1. Pienjännite ja sähkön laatu... 4 2.1.1. Pienjännitteen määritelmä... 4 2.1.2. Sähkön laatu... 4 2.1.3. 1 000 V sähkönjakelu... 6 2.2. Tehoelektroniikka sähkönjakeluverkoissa... 6 2.3. Tasa- ja vaihtosähkönjakelun erot... 8 2.3.1. Edut ja mahdollisuudet... 8 2.3.2. Haitat ja haasteet... 9 3. Tasasähköverkkojen komponentit ja tehonsiirto... 10 3.1. Uni- ja bipolaarinen tasasähkönjakelu... 10 3.2. Jakelumuuntajat ja tasasuuntaajat... 11 3.2.1. Unipolaarinen järjestelmä... 12 3.2.2. Bipolaarinen järjestelmä... 12 3.2.3. Verkkokommutoitujen tasasuuntaajien tuottama tasajännite... 14 3.3. Tasasähköjohdot... 15 3.3.1. Riippukierrekaapeli AMKA... 15 3.3.2. Maakaapelit AXMK ja AMCMK... 15 3.4. Vaihtosuuntaajat ja suotimet... 16 3.4.1. Kaksitasoiset vaihtosuuntaajat... 17 3.4.2. Kolmitasoiset vaihtosuuntaajat... 19 3.4.3. Vaihtosuuntauksen hajauttaminen... 20 3.4.4. Suodatus... 20 3.5. Maadoitus ja suojaus... 21 3.5.1. Maadoitusjärjestelmät... 21 3.5.2. Suojausjärjestelmät... 22 3.6. Tasasähköverkkojen laskeminen... 23 3.6.1. Jännitehäviö... 23 3.6.2. Tehonsiirto... 24 3.6.3. Tasasähköverkkojen tehonsiirtokapasiteetti... 25 4. Tasasähköverkon mallintaminen... 28 4.1. Laboratorioprototyyppi... 28 4.2. Tasasuuntaajan malli... 29 4.3. Tasasähköjohtojen mallintaminen... 32 4.4. Kondensaattorin ja kuristimen mallintaminen... 33 4.5. Vaihtosuuntaajan mallintaminen... 35 4.5.1. Kaksitasoinen yksivaiheinen vaihtosuuntaaja... 35 V

4.5.2. Kolmitasoinen yksivaiheinen vaihtosuuntaaja... 37 5. Laboratorioprototyypin mittaus- ja simulointitulokset... 39 5.1. Laboratoriomittausjärjestelyt... 39 5.2. Simuloinnin lähtötiedot... 40 5.3. Mittaus- ja simulointitulokset 5 kw kuormalla... 40 5.4. Mittaus- ja simulointitulokset tyhjäkäyntitilanteessa... 48 5.5. Mittausten ja simulointimallin arviointia... 53 5.6. Pienjännitekaapelin taajuusvaste... 54 6. Prototyypin jatkosimulointi... 55 6.1. Tehohäviöt tasasähköjärjestelmässä... 55 6.1.1. Muuntajan häviöt... 56 6.1.2. Tasasähköjohdon häviöt... 57 6.1.3. Vaihtosuuntaajan ja suotimen häviöt... 60 6.2. Tasasähköverkon jännitehäviö... 61 6.2.1. Jännitehäviön simulointi ja laskenta 200 metrin johdolla... 61 6.2.2. Jännitehäviön simulointi ja laskenta 2 km johdolla... 62 6.3. Kuormien mallintaminen DC-vastuksilla... 63 6.4. Induktiivinen kuorma... 65 6.5. Muuntajan ensiö- ja toisiovirran särö... 66 6.6. Vaihe-eron vaikutus... 67 6.7. Siirtoetäisyyden vaikutus kuormajännitteeseen... 69 7. Tasasähkönjakelujärjestelmän mallintaminen ja simulointi... 71 7.1. Verkon rakenne... 71 7.2. Tasasähköverkko... 72 7.3. Keskijänniteverkko... 75 7.3.1. Symmetrinen kuormitus... 75 7.3.2. Epäsymmetrinen kuormitus... 77 7.4. Kuormien mallintaminen DC-vastuksilla... 78 7.5. Kuorman muutoksen vaikutus kuormajännitteisiin... 80 7.5.1. Vastuskuorman irtikytkentä... 80 7.5.2. Yksivaiheisen oikosulkumoottorin käynnistys... 81 8. Yhteenveto... 82 Lähteet... 84 Liite 1. Tasasuuntaajan parametrit... 87 Liite 2. Vaihtosuuntaajan parametrit... 88 Liite 3. Laajan DC-järjestelmän PSCAD-malli... 89 Liite 4. Työkoneen malli... 90 VI

VII LYHENTEET JA MERKINNÄT AC Vaihtovirta, vaihtosähkö Al Alumiini AMCMK 0,6/1 kv maakaapeli PVC-eristeellä. 3-4 symmetristä alumiinijohdinta, konsentrinen kuparijohdin. AMKA 0,6/1 kv riippukierrekaapeli PE-eristeellä. 1-4 vaihejohdinta sekä kannatinköysi joka toimii PENjohtimena. Alumiinijohtimet. AXMK 0,6/1 kv maakaapeli PEX-eristeellä, 4 symmetristä alumiinista vaihejohdinta. Cu Kupari C LG Maakapasitanssi C LL Käyttökapasitanssi DC Tasavirta, tasasähkö DPF Perusaallon tehokerroin (engl. Displacement Power Factor). Pätötehon osuus perustaajuisesta näennäistehosta. EMV Energiamarkkinavirasto HVDC Suurjännitteinen tasasähkönsiirto (engl. High Voltage Direct Current) IGBT Eräs transistorityyppi (engl. Insulated Gate Bipolar Transistor) KJ Keskijännite. Suomalaisessa keskijänniteverkossa pääjännite on yleensä 20 kv. LVDC Pienjännitteinen tasasähkönsiirto (engl. Low Voltage Direct Current) LTY Lappeenrannan teknillinen yliopisto p Parallel, rinnakkais- PF Kokonaistehokerroin (engl. Power Factor). Perustaajuisen pätötehon osuus kokonaisnäennäistehosta. PJ Pienjännite PSCAD PSCAD on sähkövoimajärjestelmän transientti-ilmiöiden mallinnukseen ja simulointiin tarkoitettu ohjelma (engl. Power System CAD). s Series, sarja- THD Kokonaissärökerroin TS Tasasuuntaaja TTY Tampereen teknillinen yliopisto VAC Vaihtojännite VDC Tasajännite VS Vaihtosuuntaaja VTT Valtion teknillinen tutkimuskeskus

1 1. JOHDANTO Ensimmäiset sähkölaitokset perustettiin Suomen kaupunkeihin 1800-luvun lopulla. Nämä olivat tasasähkötekniikalla toteutettuja, pieniä ja toisistaan riippumattomia laitoksia, jotka usein kattoivat vain muutaman korttelin alueen. Nimellisjännite oli koko verkossa sama, joten siirtoetäisyydet ja -tehot olivat pieniä. 1800-luvun loppupuolella kehitetty vaihtosähköjärjestelmä löi itsensä läpi muuntajan, kolmivaihejärjestelmän ja oikosulkumoottorin kehittämisen myötä. Jo 1900-luvun alkupuolella vaihtosähköjärjestelmä syrjäytti tasasähköjärjestelmän lähes täysin. Vaikka tasasähkötekniikkaa on uudelleen hyödynnetty suurjännitteisissä tasasähkönlinkeissä jo 1950-luvulta alkaen, on julkisissa sähkönjakeluverkoissa tasasähkön käyttö nykyään olematonta. Maaseudun sähköistys eteni taloudellisista syistä johtuen kaukana kaupunkien perässä. Pääosa Suomen vähäisestä väestöstä asui maaseudulla, metsäisessä ja vesistöjen rikkomassa maastossa. 1910-luvulla käynnistynyt ja 1970-luvulle jatkunut laajamittainen maaseudun sähköistys täytyi suorittaa mahdollisimman pienillä materiaalikustannuksilla. Käytännössä tämä tarkoitti sitä, että jakeluverkot rakennettiin avojohtoina metsien läpi mahdollisimman lyhyinä. Sähkönjakelun luotettavuus ei tuolloin ollut suurimpana huolen aiheena maaseutua sähköistettäessä. [TTKK 1993] Tulevaisuudessa voi tehoelektroniikasta ja tasasähkötekniikasta kehittyä merkittävä osa sähkönjakelujärjestelmää. Tähän kehitykseen vaikuttaa erityisesti kolme tekijää. Tärkeimpänä voidaan pitää tehoelektronisten laitteiden kehittymistä. Teollisuudessa niitä on hyödynnetty jo pitkään. Ajan myötä ovat tehoelektroniikan komponenttien hinnat alentuneet ja luotettavuus sekä hyötysuhteet parantuneet. Toisaalta perinteisten verkkokomponenttien hinnat todennäköisesti nousevat jatkossa metallien hintojen mukana, mikä myös osaltaan edistäisi tehoelektroniikan käyttöönottoa. Toisena tärkeänä syynä vaikuttaa myös hajautetun sähköntuotannon yleistyminen. Fossiilisten polttoaineiden aiheuttamien päästöjen sekä energiavarojen rajallisuuden vuoksi ovat uusiutuvat energianlähteet nousemassa entistä enemmän esille energiantuotannossa. Uusiutuvat energiavarat ovat useimmiten hajautettuja energiamuotoja, mikä tarkoittaa niitä käyttävien pienvoimaloiden liittämistä paikalliseen jakeluverkkoon mahdollisimman edullisesti. Nykyisten jakeluverkkojen kannalta tämä on haasteellista, koska ne ovat yleensä suunniteltu yksisuuntaiseen ja säteittäiseen tehonsiirtoon. Kolmantena tekijänä on tarve jakeluverkkojen luotettavuuden ja sähkön laadun kustannustehokkaaseen parantamiseen ja kustannusten pienentämiseen. Sähkönkäyttäjien odotukset sähkönjakelun luotettavuudesta ja sähkön laadusta ovat kasvaneet jatkuvasti. Tehoelektroniikka mahdollistaa sähkön laadun varmistamisen jopa käyttäjäkohtaisesti.

2 Tehoelektroniikka sähkönjakelussa -tutkimushankkeen tavoitteena on tutkia ja kehittää tehoelektroniikan käyttömahdollisuuksia sähkönjakeluverkoissa. Tehoelektroniikan laajamittainen hyödyntäminen sähkönjakeluverkoissa voi olla ainakin osittainen ratkaisu edellä mainittuihin sähkönjakelun haasteisiin. 1.1. Työn tavoitteet ja rajaus Tämä diplomityö on osa laajempaa Tehoelektroniikka sähkönjakelussa tutkimushanketta. Työn tarkoituksena on perehtyä pienjännitteisten tasasähkönjakelun (LVDC) käyttäytymiseen osana sähkönjakeluverkkoja ja erityisesti tähän liittyvään mallinnukseen ja simulointiin PSCAD-simulointiohjelman avulla. Työn ensisijaisena tavoitteena on kehittää ja tarkentaa simuloinneissa käytettäviä tasasähköverkon komponentti- ja järjestelmämalleja. Mallinnusta pyritään verifioimaan vertailemalla simulointituloksia laboratorioprototyypin mittausten tuloksiin. Tarkastelemalla eri parametrien vaikutuksia luodaan valmiutta entistä tarkemmalle mallinnukselle. Mallien pohjalta voidaan edelleen rakentaa laajempien jakeluverkkojen malleja, joilla voidaan tutkia tasasähköverkkojen ominaisuuksia sekä verkostovaikutuksia eri tilanteissa. Tarkastelujen kohteena voi olla mm. tehonjako, jännitehäviöt ja tehohäviöt sekä tasasähköverkkojen aiheuttamat ilmiöt muualla jakeluverkossa. Verkon suojauksen mallintaminen ja simulointi on rajattu työstä pois. Tasasähköverkot ovat haasteellisia mallintaa tietojärjestelmiin, joten simulointimallin avulla voidaan myös tutkia mahdollisuuksia laskennan yksinkertaistamiseen käytännön verkostosuunnittelun kannalta. 1.2. Työn rakenne Luvussa 2 esitellään lyhyesti nykyinen sähkönjakelujärjestelmä, teknisiä vaatimuksia jakelujännitteelle ja sähkön laadulle sekä esitetään tehoelektroniikan käyttöönoton aiheuttamia muutoksia sähkönjakeluun. Luku 3 on lyhyt katsaus tasasähkönjakeluverkon pääkomponentteihin, joita ovat muuntajat, suuntaajat, johdot ja suotimet, sekä esitellään maadoitus- ja suojausjärjestelyjä. Lisäksi tarkastellaan hieman tasasähköverkkojen laskentaa. Luvussa 4 esitellään tasasähkönjakeluverkon laboratorioprototyyppi ja tasasähköverkon komponenttien PSCAD-mallit. Luvussa 5 esitellään prototyypin mittauksista saatuja tuloksia ja verrataan niitä prototyypin PSCAD-mallin simulointituloksiin arvioiden samalla mallien ja mallinnuksen käyttökelpoisuutta. Lukujen 6 ja 7 tarkoituksena on tutkia tasasähköverkkojen käyttäytymistä ja niiden vaikutuksia keskijänniteverkkoon erilaisissa kuormitus- ja kytkentätilanteissa. Luvussa 6 laajennetaan edellisessä luvussa tehtyjä prototyyppiin kohdistettuja tarkasteluja simuloiden monipuolisesti erilaisia tilanteita varioimalla mallin lähtötietoja. Luvussa 7 tarkastellaan laajempaa tasasähköverkkoja sisältävää sähkönjakelujärjestelmää.

3 2. JULKINEN SÄHKÖNJAKELU JA TASASÄHKÖNJAKELUN MAHDOLLISUUDET Voimalaitoksissa tuotettu sähköenergia siirretään loppukäyttäjille sähköverkkojen kautta. Suurimmat voimalaitokset liitetään kantaverkkoon, jonka toiminnasta vastaa Fingrid Oyj. Tämän sähkönsiirtojärjestelmän tehtävänä on siirtää voimalaitoksissa keskitetysti tuotettu sähköenergia lähelle suurempia kulutuskeskittymiä. Fingridin kantaverkko käsittää 4 000 km 400 kv johtoja, 2 300 km 220 kv johtoja, 7 500 km 110 kv johtoja sekä 106 sähköasemaa. Johdot ovat puuvarmoiksi rakennettuja avojohtoja ja verkko on silmukoitu, joten kantaverkon käyttövarmuus on hyvin korkea. Alueverkko- ja jakeluverkkoyhtiöt vastaavat sähkönjakelujärjestelmästä. Sähkönjakelujärjestelmä muodostuu alueverkoista, sähköasemista, keskijänniteverkoista, jakelumuuntamoista ja pienjänniteverkoista. Jakeluverkkoja käytetään lähes aina säteittäisesti, vaikka ne ovatkin usein rakennettu silmukoiduiksi. Alueverkot ovat jakeluverkkoyhtiöiden tai erityisten alueverkkoyhtiöiden omaisuutta. Verkot ovat jännitteeltään yleensä 110 kv, joskin paikoin on käytössä myös 45 kv verkkoja. Alueverkot täydentävät 110 kv kantaverkkoa. Alue- ja jakeluverkkoyhtiöillä on noin 7 900 km 110 kv johtoja, joista lähes kaikki (98 %) ovat avojohtoa. Alueverkot syöttävät alueellisten sähköasemien kautta keskijänniteverkkoa, joka on jännitteeltään yleensä 20 kv. Joissakin kaupungeissa on käytössä myös 10 kv kaapeliverkkoja; teollisuuslaitosten omissa sähköverkoissa käytetään myös tätä pienempiä jännitteitä. Keskijänniteverkkoa on Suomessa noin 137 000 km. Tästä 90 % on avojohtoa. Keskijänniteverkot ovat maasta erotettuja taikka sammutettuja. KJ-verkon suojauslaitteet on perinteisesti sijoitettu pelkästään sähköasemille. Luotettavuudelle asetettujen vaatimusten kasvaessa ovat jakeluyhtiöt ottaneet käyttöön verkostoautomaatiota ja johtolähdöille sijoitettuja välikatkaisijoita, joilla vika- ja keskeytysalueita voidaan tehokkaasti rajata. Pienjänniteverkko liittyy keskijänniteverkkoon jakelumuuntamoiden kautta. Verkon nimellinen pääjännite on 400 V ja vaihejännite 230 V. Lisäksi teollisuudella on moottorikäyttöjä varten 400/690 V pienjänniteverkkoja. Pienjänniteverkkoa on Suomessa noin 227 000 km, josta 33 % on maakaapelia ja loput pääasiassa AMKAriippukierrejohtoa. Pienjänniteverkot ovat suoraan maadoitettuja jakelumuuntajan tähtipisteestä. 400 V pienjänniteverkkojen ylivirtasuojaus on toteutettu sulakkeilla. Nämä sijaitsevat jakelumuuntamolla; tarvittaessa johdoilla on lisäksi välisulakkeita. [EMV 2007; Lakervi & Partanen 2009]

4 2.1. Pienjännite ja sähkön laatu Suomen liityttyä Euroopan Unionin jäseneksi on täälläkin alettu soveltaa EU:n pienjännitedirektiiviä, jossa määrätään pienjännitteen jännitealue tasa- ja vaihtojännitteille. Tarkemmin yleisen jännitteen ominaisuuksia ja laatuvaatimuksia määritellään standardissa SFS-EN 50160. 2.1.1. Pienjännitteen määritelmä Euroopan parlamentin ja neuvoston antama direktiivi 73/23/ETY (nykyisin 2006/95/EY) määrittelee sähkölaitteen pienjännitteiseksi, kun sen nimellisjännite on vaihtovirralla 50 1000 V ja tasavirralla 75 1500 V. Vaihtovirralla tämä tarkoittaa, että kolmivaiheisen verkon pääjännite voi olla enintään 1 000 V ja vaihejännite 577 V. Unipolaarisessa tasasähköjärjestelmässä käyttöjännite voi olla 1 500 V. Bipolaarisessa tasasähköjärjestelmässä positiivisen ja negatiivisen navan välinen jännite voi olla enintään 1 500 V ja siten ääri- ja nollajohtimen välinen jännite voi olla välillä ± 750 V. [EU 2006; Salonen 2006]. Taulukossa 2.1 on esitetty tasajännitteen osalta pienjännitesähköasennuksissa sallitut jännitteet. Taulukko 2.1. Nimellisjännitteet tasasähköjärjestelmässä [SFS-IEC 60449]. Maasta erotetut Maadoitetut järjestelmät Jännitealue järjestelmät Navasta maahan Napojen välillä Napojen välillä I U 120 V U 120 V U 120 V II 120 V < U 900 V 120 V< U 1 500 V 120 V < U 1 500 V Jännitealuetta I (pienoisjännite) käytetään sähköturvallisuus- tai toiminnallisista syistä. Jännitealue II sisältää kaikki rakennusten ja julkisten jakelujärjestelmien jännitteet. [SFS-IEC 60449] Tasasähköjärjestelmä on sen vaihtosähköjärjestelmän jatke, josta jännite saadaan tasasuuntaamalla. Tämä tarkoittaa, että pienjännitteistä tasasähköjärjestelmää (U DC 1 500 V) voidaan syöttää vaihtosähköjärjestelmästä, jonka nimellisjännite on enintään 1 000 V. [Partanen et al 2008] 2.1.2. Sähkön laatu Suomessa käytössä olevassa standardissa SFS-EN 50160 Yleisen jakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet esitetään sähkönkuluttajien liittämiskohdan jännitteeltä vaadittavat ominaisuudet normaaleissa käyttöolosuhteissa. Standardi määrittelee pienjänniteverkon jakelujännitteelle mm. seuraavia ominaisuuksia ja niiden raja-arvoja: verkkotaajuus jännitteen suuruus jännitetason vaihtelut

5 nopeat jännitemuutokset välkyntä jännitekuopat lyhyet ja pitkät keskeytykset ylijännitteet jakelujännitteen epäsymmetria harmoniset ja epäharmoniset yliaaltojännitteet sekä signaalijännitteet Verkon nimellistaajuus on 50 Hz. Normaaleissa käyttöolosuhteissa taajuuden 10 sekunnin keskiarvon tulee olla yhteiskäyttöverkoissa o 99,5 % vuodesta 50 Hz ± 1 % o 100 % ajasta 50 Hz + 4 % / - 6 % erillisverkoissa o 95 % viikosta 50 Hz ± 2 % o 100 % ajasta 50 Hz ± 15 % Pienjänniteverkon nimellinen vaihejännite on 230 volttia ja sen jännitevaihtelun tulisi olla ± 10 % välillä. Normaaleissa käyttöolosuhteissa tehollisarvojen 10 minuutin keskiarvon tulee olla 95 % viikosta 230 V ± 10 % 100 % ajasta 230 V + 10 % / - 15 % Harmonisella ylijännitteellä tarkoitetaan sinimuotoisia jakelujännitteen perusaallon kokonaisluvulla kerrottuja taajuuksia. Normaaleissa käyttöolosuhteissa viikon aikana 95 % yksittäisen harmonisen yliaaltojännitteen 10 minuutin tehollisarvojen keskiarvoista tulee olla pienempi kuin taulukossa 2.2 on mainittu. Taulukko 2.2. Jakelujännitteen harmoniset yliaallot [SFS-EN 50160]. Parittomat yliaallot Kolmella jaottomat Kolmella jaolliset Parilliset yliaallot Järjestysluku n Jännite Järjestysluku Jännite Järjestysluku Jännite 5 6 % 3 5 % 2 2 % 7 5 % 9 1,5 % 4 1 % 11 3,5 % 15 0,5 % 6 24 0,5 % 13 3 % 21 0,5 % 17 2 % 19 1,5 % 23 1,5 % 25 1,5 % Jännitteen kokonaissärökertoimen THD arvo tulee olla vastaavasti korkeintaan 8 %, johon lasketaan mukaan yliaallot järjestyslukuun 40 asti [SFS-EN 50160]. Yliaaltojen

6 vaikutusta kasvattavat resonanssit, joita voi muodostua esimerkiksi muuntajien ja kompensointilaitteiden välille. Lisäksi asetetaan raja-arvoja välkynnälle ja epäsymmetrialle sekä signaalijännitteille. Muille ominaisuuksille esitetään vain indikatiivisia arvoja. 2.1.3. 1 000 V sähkönjakelu Pienjännitedirektiivi mahdollistaa 1 000 V vaihtojännitteen käytön pienjänniteverkoissa. Tältä pohjalta on 2000-luvulla kehitetty 1 000 V sähkönjakelujärjestelmä kustannustehokkaaksi keinoksi parantaa sähkönjakeluverkkojen luotettavuutta. Järjestelmän tarkoituksena on korvata 20 kv haarajohdot 1 kv maa- tai ilmakaapelilla. 1 kv käyttö on 20 kv maakaapelin käyttöä huomattavasti edullisempi ratkaisu. KJ-avojohdon korvaaminen PJ-kaapelilla parantaa merkittävästi johto-osuuden luotettavuutta. 1 kv haarajohto muodostaa oman suojausalueensa, joten keskijänniteverkon lyheneminen pienentää koko johtolähdön keskeytysten määrää. Toisaalta 1 kv verkon siirtoteho ja - etäisyys ovat moninkertaisia 400 V verkkoon nähden. KJ/PJ-muuntamoiden määrä vähenee, mutta muuntamoiden kokonaismäärä kasvaa. Keskijännitekaapelointiin verrattuna 1 kv PJ-kaapelin käytöllä säästetään materiaalikustannuksissa. Lisäksi voidaan säästää asentamiskustannuksissa käyttämällä aurausta kaivamisen sijasta. Tällöin 1 kv maakaapelin investointikustannukset voivat olla jopa 50 % pienemmät kuin keskijännitekaapelilla. Käytettäessä 1 kv johtona AMKA-riippukierrekaapelia voidaan käyttää koppimuuntamoita halvempia pylväsmuuntamoita ja vältytään myös jakokaappien käytöltä kaapelin haaroituksissa. 20/1/0,4 kv järjestelmän käytön varjopuolena on häviökustannusten merkittävä nousu ko. johtoalueella. Ne eivät kuitenkaan kokonaistaloudellisesti ole merkittävä tekijä. Rakenteeltaan 1 kv verkko on kolmivaiheinen ja maasta erotettu. Verkon suojaus on toteutettu pienjännitekatkaisijalla. [VTT 2006; Lakervi & Partanen 2009] 2.2. Tehoelektroniikka sähkönjakeluverkoissa Tehoelektroniikan käyttö sähkönjakeluverkoissa voi tulevaisuudessa olla yksi varteenotettava vaihtoehto sähkönjakelun luotettavuuden ja sähkön laadun parantamiseksi. Tehoelektroniikkalaitteiden ja -komponenttien hinnat ovat laskeneet jatkuvasti ja toisaalta niiden tekninen suorituskyky ja luotettavuus ovat parantuneet. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa suurehkon tasajännitteen käytön pienjänniteverkoissa, mikä parantaa tasasähkötekniikan suorituskykyä perinteiseen pienjännitteiseen vaihtosähkötekniikkaan nähden. Pienjännitteisten tasasähköjärjestelmään pätevät samat edut kuin edellä mainitulle 1 kv järjestelmälle. Tasasähköllä saavutetaan kuitenkin vielä suuremmat siirtotehot ja -etäisyydet. Mikäli tehoelektroniikkaa ja tasasähkötekniikkaa hyödynnetään sähkönjakelussa, tulee tasasähköjärjestelmän täyttää ennen muuta sähköturvallisuusvaatimukset. Myös sähkön laadun tulee olla standardien mukaista. Lisäksi järjestelmän hyötysuhteen tulisi

7 olla mahdollisimman korkea, kokonaiskustannuksiltaan edullinen ja mahdollistaa hajautetun energiantuotannon verkkoon liittämisen. Tehoelektroniikka mahdollistaa lukuisan määrän eri verkostorakenteita. Kuvassa 2.1. on esitetty muutamia eri vaihtoehtoja haja-asutusalueen sähköistyksen toteuttamiseksi erilaisilla vaihto- tai tasasähköjärjestelmillä. PJ-verkko PJ-verkko 20 kv runkojohto 20/0,4 20 kv runkojohto 1/0,4 20 kv haarajohto a) b) 1 kv johto PJ-verkko 20/1 PJ-verkko 20/0,4 1/0,4 AC/AC DC/AC 20 kv runkojohto AC/AC 20 kv runkojohto DC/AC c) 1 kv johto AC/AC d) DC-johto DC/AC 20/1 AC/AC AC/AC DC/AC DC/AC AC/AC DC/AC PJ-verkko 20 kv runkojohto e) DC-johto PJ-verkko Kuva 2.1 Sähkönjakelu toteutusvaihtoehdot eri vaihto- ja tasasähkötekniikoilla [uudelleen piirretty lähteestä Partanen et al. 2008]. Kohdassa a on käytetty vallitsevaa sähköistystapaa, jossa 400 V kolmivaiheisia pienjänniteverkkoja syötetään haarajohdolla keskijänniteverkon runkojohdolta. Järjestelmän etuna ovat suhteellisen pienet kokonaishäviöt, koska sähkö tuodaan lähelle kulutusta korkealla jännitteellä kolmivaiheisena. Lisäksi muuntajia on vähän, joten tyhjäkäyntihäviöt ovat suhteellisen pienet. Haittana on vika-alttiin avojohdon käyttäminen haarajohtona, jolloin keskeytyskustannukset ovat huomattavat. Kohdassa b on käytetty luvussa 2.1.3 selostettua 1 000 V vaihtosähköjakelua. Keskijännitejohto voidaan korvata haarajohdon osalta merkittävästi luotettavammalla ja halvemmalla 1 kv maakaapelilla tai riippukierrejohdolla; lisäksi 1 kv verkko on oma suojausalueensa. Järjestelmä vaatii aikaisempaa useampia jakelumuuntajia, jolloin järjestelmän tyhjäkäyntihäviöt kasvavat. Myös johtojen häviöt kasvavat, kun 20 kv haarajohdot korvataan 1 kv johdoilla. Kohdassa c on esitetty yksi mahdollisuus laajentaa 1 kv käyttöä. 400 V pienjänniteverkkoa ei ole, vaan kullekin asiakkaalle tuodaan yksi- tai kolmivaiheinen 1 kv johto. Tämä jännite muutettaisiin 400 V tai 230 V jännitteelle tehoelektronisen muuttajan avulla. Tehoelektroniikan käytön tarkoituksena on välttyä suhteellisen

8 kalliiden verkkotaajuisten jakelumuuntajien käytöltä ja toisaalta vähentää jakeluhäviöitä nostamalla verkon jännite 1 kv:in. Lisäksi sähkönkäyttäjän jännitettä voidaan nyt aktiivisesti säätää. Kahdessa muussa vaihtoehdoissa on hyödynnetty tasasähkönjakelutekniikkaa. Tasasähköverkko koostuu kolmivaiheisesta jakelumuuntajasta, tasasuuntaajasta, tasasähköjohdoista sekä vaihtosuuntaajista. Vaihtosuuntaajan sijoittamiseen verkossa on kaksi mahdollisuutta: keskitetty ja kuluttajille hajautettu. Hajautetussa ratkaisussa (vaihtoehto d) tasajännite tuodaan jokaiselle sähkönkäyttäjälle, jossa se vaihtosuunnataan 1- tai 3-vaiheiseksi vaihtojännitteeksi. Tällöin voidaan tasasähkötekniikkaa hyödyntää parhaiten. Tasajännite voi olla suurimmillaan 1 500 volttia. Ero vaihtoehtoon c on siinä, että tasasuuntaus tehdään nyt heti jakelumuuntajalla. Vaihtoehdossa e vaihtosuuntaus on toteutettu keskitetysti. Tällöin voidaan puhua HVDC-järjestelmien tapaan tasasähkölinkeistä kahden tai useamman vaihtosähköverkon välillä. Tässä ratkaisussa tarvitaan siis perinteinen 400 V pienjänniteverkko, mutta toisaalta vaihtosuuntaajien tarve on pienempi kuin edellisessä ratkaisussa. Ratkaisu muistuttaa 20/1/0,4 kv jakelujärjestelmää, jossa 20/1 kv muuntajan toisiojännite tasasuunnataan ja 1/0,4 kv muuntajan tilalla on vaihtosuuntaaja. Tasasähkölinkkiä voidaan käyttää myös kahden keskijänniteverkon välissä, esimerkiksi DC-vesistökaapelia saariverkoissa. [Partanen et al. 2008] 2.3. Tasa- ja vaihtosähkönjakelun erot Jotta tehoelektroniikkaa ja tasasähkötekniikkaa voitaisiin ottaa yleiseen käyttöön jakeluverkoissa, tulee niiden tarjota etuja käytössä olevaan vaihtosähkötekniikkaan nähden. Uuden tekniikan käyttöönotolla on kuitenkin myös aina varjopuolia. Saatavien hyötyjen tulee olla tarpeeksi suuret, jotta uuden tekniikan käyttöönoton mahdolliset haittatekijät voidaan hyväksyä. 2.3.1. Edut ja mahdollisuudet Tasajännitteen käyttöönotolla voitaisiin nykyisten pienjännitemaakaapelien siirtokykyä nostaa merkittävästi ja mahdollistaa pidemmät siirtomatkat. Samalla pienjänniteverkossa tapahtuvat häviöt vähenisivät. Esimerkiksi 400 voltin jännitteellä kyetään siirtämään 50 kw teho vain vajaan 250 metrin päähän käytettäessä 3x35+50 mm² AMKA-johtoa, kun oletetaan suurimmaksi sallituksi jännitehäviöksi 6 %. Vastaavasti 1 kv vaihtojännitteellä siirtomatka olisi noin 1 400 metriä. Bipolaarisella tasajännitteellä (± 750 VDC) vastaava teho voitaisiin siirtää noin 1 600 metriä, kun teho jakautuu tasan molemmille navoille. Koska vaihtosuuntaajilla on mahdollista tuottaa tarvittava vaihtojännite alhaisillakin tasajännitteillä, on suhteellinen jännitehäviö siten lähinnä taloudellinen reunaehto. Jännitehäviöllä ei siten ole samanlaista merkitystä tasasähköverkolle kuin vaihtosähköverkolle. Mikäli kokonaiskustannusten kannalta DCjohdon suhteelliseksi jännitehäviöksi voidaan sallia esimerkiksi 12 %, nousee siirtoetäisyys vastaavasti noin 3 200 metriin.

9 Hajautetun sähköntuotannon lisääminen tasasähköverkkoon olisi yksinkertaisempaa kuin nykyiseen pienjänniteverkkoon. Luonnostaan tasajännitettä tuottavat aurinkopaneelit ja polttokennot voidaan liittää tasasähköverkkoon yksinkertaisella hakkurilla. Vaihtovirtageneraattorien verkkoon liittäminen yksinkertaistuu, kun ei tarvitse huolehtia niiden tahdistamisesta. Tasasähkön käyttö edesauttaa myös keskijänniteverkon keskeytyksistä riippumattomien saarekkeiden, microgridien, käyttöä, mikäli kyseiseen verkkoon on kytketty tarpeeksi hajautettua tuotantoa ja energiavarastoja. Sähkön laatua voidaan parantaa, kun jännitteensäätö tehdään käyttäjäkohtaisesti vaihtosuuntaajalla. Nykyisissä jakeluverkoissa jännitettä voidaan säätää yleensä vain sähköasemalla päämuuntajan käämikytkimellä. Sopivasti mitoitetulla energiavarastolla voitaisiin keskijänniteverkon lyhyiden keskeytysten (jännitekuopat, PJK) aiheuttamat haitat välttää lähes kokonaan. [Salonen 2006; VTT 2006; Kylkisalo & Alanen 2007] 2.3.2. Haitat ja haasteet Tasasähkönjakelulla on myös haitallisia ominaisuuksia vaihtosähkönjakeluun nähden. Tehoelektroniikan käyttöönotto monimutkaistaa jakeluverkkoa. Tämä asettaa haasteita esimerkiksi verkostosuunnittelulle ja verkkotietojärjestelmien kehittämiselle. Tehoelektroniikkalaitteiden käyttöiät ovat huomattavasti perinteisiä verkkokomponentteja lyhyempiä. Suuntaajien komponenttien elinikä jäänee parhaimmillaankin vain 15 20 vuoteen, eli ne joudutaan käytössä oleville verkkokomponenteille tyypillisellä 30 40 vuoden pitoajalla uusimaan ainakin kerran. Jäähdytyspuhaltimien ja kondensaattorien eliniät ovat vielä tätäkin lyhyempiä, 5 10 vuotta. Laitteiden lyhyet eliniät mahdollistavat toisaalta niiden nopean korvaamisen uudenaikaisella tekniikalla. Suuren tasajännitteen käyttö perinteisen 400 V vaihtojänniteverkon sijasta periaatteessa pienentää verkostohäviöitä. Tästä huolimatta tulevat kokonaishäviöt todennäköisesti kasvamaan suuntaajien ja suotimien häviöiden takia. Myös 20 kv johtojen korvaaminen tasasähköjohdolla kasvattaa häviöitä kyseisellä johto-osuudella. Tasasähkönjakelujärjestelmää käytettäessä voivat häviöt kasvaa tasasähköverkon alueella jopa yli kolminkertaisiksi vastaavaan 20/0,4 kv -järjestelmään verrattuna [Voutilainen 2007]. Säästöt kokonaiskustannuksissa tulevat keskeytyksistä ja johtojen investointikustannuksista. Tasasähkönjakelun kannattavuus perinteiseen ilmajohdoilla toteutetun 20/0,4 kv järjestelmään nähden riippuu siis huomattavasti keskeytyksistä aiheutuvan haitan arvostamisesta. Suuresta tasajännitteestä johtuen nousevat maadoitusjännitteet vikatilanteissa liian suuriksi. Tämän takia joudutaan tasasähköjärjestelmä toteuttamaan maasta erotettuna IT-järjestelmänä. Mikäli galvaanista erotusta ei haluta kustannussyistä käyttää vaihtosuuntaajissa, joudutaan myös kiinteistöjen sähköverkot toteuttamaan ITjärjestelmällä. Tämä monimutkaistaa kiinteistöjen sähköverkkojen suojausta. [Salonen 2006; Partanen et al. 2007]

10 3. TASASÄHKÖVERKKOJEN KOMPONENTIT JA TEHONSIIRTO Tässä luvussa kuvataan tasasähköjärjestelmän komponentteja ja erilaisia rakennevaihtoehtoja. Tasasähköjärjestelmä koostuu tasasuuntaajista, niitä syöttävistä jakelumuuntajista, tasasähköjohdoista, vaihtosuuntaajista sekä erilaisista suotimista. Näiden lisäksi tarvitaan erilaisia mittaus- ja suojalaitteita sekä ohjauselektroniikkaa. 3.1. Uni- ja bipolaarinen tasasähkönjakelu Tasasähköjärjestelmä voidaan toteuttaa kaksi- tai kolmijohtimisena. Kaksijohtimista järjestelmää kutsutaan unipolaariseksi järjestelmäksi ja kolmijohtimista bipolaariseksi järjestelmäksi. Unipolaarisessa johdossa on positiivinen ja negatiivinen äärijohdin. Bipolaarisessa johdossa on näiden lisäksi nollajohdin. Unipolaarisessa verkossa vaihtosuuntaajat kytketään aina samaan jännitetasoon, positiivisen ja negatiivisen äärijohtimen väliin. Kuvassa 3.1 on esimerkki unipolaarisesta 900 V tasasähkönjakeluverkosta. Tässä tapauksessa jokaisella sähkönkäyttäjällä on oma 1- tai 3-vaiheinen vaihtosuuntaaja. Tasasähköjärjestelmä voidaan rakentaa myös siten, että käytetään useampaa käyttäjää syöttäviä vaihtosuuntaajia. Tällaisen linkkityyppisen ratkaisun etuna on pienempi vaihtosuuntaajien tarve. Haittapuolena on 400 V käytön aiheuttama jakeluhäviöiden kasvu ja käyttäjien jännitteen säätömahdollisuuksien heikentyminen. 400 V AC 900 V DC 20 kv 230 V AC 20/1 230 V AC 230 V AC Kuva 3.1. Periaatekuva unipolaarisesta tasasähkönjakeluverkosta käyttäjäkohtaisilla vaihtosuuntaajilla.

11 Bipolaarisen tasasähköverkon rakenteissa on useita vaihtoehtoja. Komponenttien tarkemmat rakennevaihtoehdot esitellään seuraavissa alaluvuissa. Vaihtosuuntaajat voidaan liittää verkkoon neljällä eri tavalla, riippuen vaihtosuuntaajan rakenteesta ja jännitetasosta. Kuvassa 3.2 on esimerkki bipolaarisesta tasasähköverkosta ja vaihtosuuntaajien kytkentätavoista. 4 400 V AC 20 kv 20/0,53/0,53 ± 750 V DC 1 230 V AC 2 230 V AC 3 230 V AC Kuva 3.2. Esimerkki bipolaarisesta tasasähkönjakeluverkosta ja vaihtosuuntaajien kytkentätavoista. Kuvan vaihtoehdoissa 1 ja 2 on käytetty unipolaarista 750 V vaihtosuuntaajaa, joka voidaan liittää positiiviseen tai negatiiviseen napaan. Tarvittaessa verkkoon voidaan kuitenkin liittää myös unipolaarisia 1 500 V vaihtosuuntaajia, jotka kytketään positiivisen ja negatiivisen johtimen välille (vaihtoehto 3). Vaihtosuuntaaja voi olla myös bipolaarinen, jolloin asiakkaalle tuodaan 3-johtiminen liittymäjohto (vaihtoehto 4). Liityntätavasta riippumatta voidaan vaihtosuuntaaja toteuttaa yksi- tai kolmivaiheisena. Vaihtosuuntaajien rakenteita on kuvattu tarkemmin luvussa 3.4. Bipolaarisen järjestelmän etuna on unipolaaristen vaihtosuuntaajien matalampi jännitekestoisuusvaatimus, jolloin voidaan käyttää halvempia puolijohdekomponentteja. Lisäksi jos kuorma on jakautunut symmetrisesti positiiviselle ja negatiiviselle navalle, ei nollajohtimen virrassa ole lainkaan DC-komponenttia. [Partanen et al. 2008] 3.2. Jakelumuuntajat ja tasasuuntaajat Perinteinen vaihtoehto tasasähköjärjestelmän tasasuuntaajaksi on verkkokommutoitu kolmivaiheinen tasasuuntaaja. Tällainen on esimerkiksi diodisilta, joka on rakenteeltaan yksinkertaisin ja halvin tasasuuntaaja, koska diodit eivät tarvitse esimerkiksi ohjauselektroniikkaa. Diodien avulla voidaan tehdä suuria virtoja ja jännitteitä sietäviä suuntaajia, jotka kykenevät syöttämään suuriakin oikosulkuvirtoja. Diodisillan käyttö rajoittaa kuitenkin tehonsiirron yksisuuntaiseksi. Diodisilta aiheuttaa yliaaltovirtoja keskijänniteverkkoon sekä käynnistystilanteessa tasasähköverkon kondensaattorien

12 latautumisesta johtuvan korkean virtapiikin. Piikin estämiseksi diodisilta voidaan korvata esimerkiksi puoliksi ohjatulla tyristorisillalla, jossa on kolme tyristoria ja kolme diodia. Tyristorien sytytyskulmaa ohjaamalla voidaan virtapiikkiä pienentää. Tyristorien vaatima ohjauselektroniikka nostaa kuitenkin suuntaajan hintaa. Mikäli tasasähköverkkoon halutaan kytkeä hajautettua sähköntuotantoa, tulee tasasuuntaus toteuttaa joko kahdella vastarinnankytketyllä tyristoritasasuuntaajalla tai aktiivisella transistoreilla toteutetulla verkkotasasuuntaajalla. Molemmat suuntaajat vaativat luonnollisesti ohjauselektroniikan ohjausta varten. Transistorisuuntaajan etuna on pienempi virran särö keskijänniteverkossa. [Partanen et al. 2008] 3.2.1. Unipolaarinen järjestelmä Unipolaarisessa tasasähköjärjestelmässä voidaan käyttää jo nyt käytössä olevia 20/1 kv jakelumuuntajia. Tämä kuitenkin rajoittaa saatavan tasajännitteen suurimman arvon noin 1 414 volttiin, joka on vaihtojännitteen huippuarvo. Kuvassa 3.3 on esitetty unipolaarisen tyristoritasasuuntaajan rakenne. 1 500 V tasajännitteen tuottamiseksi tarvitaan kolmikäämimuuntaja ja 12-pulssinen tasasuuntaaja. Näiden rakennetta on esitetty seuraavassa alaluvussa. [Partanen et al. 2008] 20 kv 1 kv +1 400 V 0 V Kuva 3.3. 2-käämimuuntaja ja 6-pulssinen tyristoritasasuuntaaja. 3.2.2. Bipolaarinen järjestelmä Bipolaarisessa järjestelmässä kolmitasoisen ulostulon toteuttamiseen on useita vaihtoehtoja. Tasasuuntaus voidaan toteuttaa tavallisella 6-pulssisella sillalla, jonka ulostulojohtimien väliin on kytketty sarjaan kaksi kondensaattoria (kuva 3.4). Nollataso saadaan näiden kondensaattorien väliotosta. Yhden 2-käämisen jakelumuuntajan käyttö rajoittaa johdon kuitenkin tasajännitteen ± 700 V:in. Nollataso voidaan myös yhdistää jakelumuuntajan toision tähtipisteeseen, jolloin nollajännite saadaan vakaammaksi. Nollatason vakauttaminen voidaan toteuttaa myös aktiivisella säädöllä, kytkemällä kummankin kuvan 3.5 kondensaattorin rinnalle PWMohjattu transistori ja vastus. Transistoreita ohjataan siten, että nollajohtimen jännite pysyy asetusarvossaan.

13 +700 V 20 kv 1 kv 0 V -700 V Kuva 3.4. 2-käämimuuntaja ja 6-pulssinen puoliksi ohjattu tyristoritasasuuntaaja. Paras vaihtoehto passiivisista suuntaajarakenteista bipolaariselle johdolle on kuvan 3.5 mukainen 12-pulssisuuntaaja, joka on käytännössä kaksi sarjaan kytkettyä 6- pulssisiltaa. Suuntaajan ulostulossa on kolme jännitetasoa, +750 V, 0 V ja -750 V. 12- pulssitasasuuntaajaa käytettäessä tarvitaan joko kaksi tavallista 2-käämistä jakelumuuntajaa tai yksi 3-kääminen jakelumuuntaja. Kolmikäämimuuntajan ensiö- ja toisiokäämit ovat kolmioon kytkettyjä ja tertiäärikäämi tähteen kytketty. Muuntajan toisioiden pääjännitteiden tulee olla vähintään 530 V. Toisiokäämien jännitteet ovat 30 asteen vaihesiirrossa keskenään. 12-pulssisuuntaajan etuja ovat mm. pienempi verkkovirran yliaaltopitoisuus ja vakaampi tasajännite verrattuna 6-pulssisiltaan. [Partanen et al. 2008] +750 V 20 kv 530 V 530 V 0 V -750 V Kuva 3.5. 3-käämimuuntaja ja 12-pulssinen puoliksi ohjattu tyristoritasasuuntaaja. Bipolaarisessa järjestelmässä voi osoittautua järkeväksi käyttää PWM-ohjattuja aktiivisia tasasuuntaajia. Kuvassa 3.6 on näistä esitetty kolmitasoinen Viennatasasuuntaaja. Tämän tasasuuntaajan etuja ovat pieni transistorien tarve verrattuna tavalliseen 6-kytkimiseen PWM-tasasuuntaajaan sekä diodi- ja tyristorisiltoja nähden verkkovirran pienemmät yliaallot. Lisäksi tuotettavan tasajännitteen tasoa voidaan säätää. Hyötynä on myös se, että jakelumuuntaja voi olla tavallinen kaksikäämimuuntaja (20/1 kv). Nämä hilakommutoidut vaihtosuuntaajat toimivat

14 jännitettä nostavina suuntaajina, jolloin syöttävän verkon vaihtojännite ei rajoita tuotettavaa tasajännitettä samalla tavoin kuin verkkokommutoiduilla suuntaajilla. Haittoina ovat passiivisten siltojen tapaan yksisuuntainen tehonsiirtokyky sekä myös transistorien suuremmat häviöt verrattuna passiivisiin komponentteihin. [Viitanen 2005] 3~ AC +750 V DC 0 V DC Kuva 3.6. Kolmitasoinen Vienna-tasasuuntaaja. -750 V DC Tasasuuntaajana käyttää myös myöhemmin kappaleessa 3.4 kuvattuja kaksi- tai kolmitasoisia kolmivaiheisia PWM-vaihtosuuntaajia. Näillä 6- tai 12-kytkimisillä suuntaajilla on samat edut passiivisiin tasasuuntaajiin nähden kuin edellä mainituilla Vienna-suuntaajilla. Näillä suuntaajilla voidaan kuitenkin toteuttaa kaksisuuntainen tehonsiirto, mikä edellä kerrotuilla tyypeillä ei ole mahdollista. Kuitenkin transistorien suuremman kytkentätaajuuden vuoksi niiden häviö- ja investointikustannukset sekä vikaherkkyys kasvavat. [Viitanen 2005; Mohan et. al 2003] 3.2.3. Verkkokommutoitujen tasasuuntaajien tuottama tasajännite Kuusipulssisen dioditasasuuntaajan lähtöjännitteen keskiarvo voidaan teoreettisesti laskea integroimalla syöttävän AC-verkon pääjännitteen U LL siniaallon huippukohta 60 asteen jaksolta, esimerkiksi cos (-30 ) cos (30 ). Tällöin keskiarvoksi saadaan U U 1,350 U (3.1) 12-pulssisella suuntaajalla napojen välinen lähtöjännite on tasaisempaa. Integrointijakson pituus on vain 30 astetta. Keskiarvoksi saadaan tällöin U U 1,398 U (3.2) Tasasuuntaajan ulostuloon kytketyn johdon kapasitanssi ja johdon suodinkondensaattorit vaimentavat jännitteen heilahteluja, jolloin tasajännitteen tehollisarvo lähestyy vaihtojännitteen huippuarvoa. Tasasähköverkon äärettömän suuruisella kapasitanssilla jännitteeksi saadaan U 2 U (3.3) Mikäli käytössä on siis kaksikäämimuuntajan toision pääjännite 1 000 V, saadaan diodisillalla siis korkeintaan noin 1 414 V tasajännite. [Partanen et al. 2008]

15 3.3. Tasasähköjohdot Pienjännitteisen tasasähkötekniikan käyttöönoton kannalta olisi edullista, mikäli tasasähköjohtoina käytettäisiin nykyisiä kaapelityyppejä. Tässä luvussa tarkastellaan yleisimpien pienjännitejohtojen käyttöä tasasähköverkossa. 3.3.1. Riippukierrekaapeli AMKA Tällä hetkellä AMKA-riippukierrejohtoja ei ole standardoitu tasajännitteelle lainkaan [SFS 2200]. Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa tehtyjen mittausten ja testien perusteella ei kuitenkaan ole teknistä estettä johdon käyttöönotolle pienjännitteisissä tasasähköverkoissa [Suntila 2009]. Tavallisen kolmivaiheisen AMKA-johdon käyttö unipolaarisena sähköjohtona on edullista toteuttaa siten, että kaksi vaihejohdinta (esim. L1+L2) kytketään positiiviseksi äärijohtimeksi ja kolmas vaihejohdin ja kannatinköysi (L3+N) negatiiviseksi vaihejohtimeksi. Kytkentätavan haittapuolena on kannatinköyden vaihejohtimeen nähden erisuuri resistanssi, mikä rajoittaa kuormitusvirtaa. Bipolaarisessa verkossa AMKA-johto voidaan kytkeä siten, että yksi vaihejohdin ja kannatinköysi muodostavat nollajohtimen ja loput kaksi vaihejohdinta toimivat äärijohtimina. Bipolaarisen verkon unipolaarisilla liityntäjohdoilla voidaan kuitenkin käyttää edellä kuvattua unipolaarisen johdon kytkentätapaa. Molemmissa järjestelmissä on myös mahdollista käyttää yksivaiheisia AMKA-johtoja. [Salonen 2006] AMKA-johdon käytössä on huomattava, että maasta erotetussa verkossa nollajohtimena käytetyn kannatinköyden ripustaminen nykyisiin ripustuspitimiin ei liene vuotovirran takia mahdollista. Tämä voitaneen ratkaista ripustamalla kannatinköysi sopivanlaiseen PJ-eristimeen. Toisaalta kannatinköysi voidaan jättää käyttämättäkin, mikäli sen käyttö osoittautuu vaikeaksi. 3.3.2. Maakaapelit AXMK ja AMCMK Standardit määrittelevät maakaapelin tasajännitekelpoisuuden vain 900 volttiin asti maata vasten. Tällä hetkellä siis koko pienjännitealuetta ei kyetä hyödyntämään unipolaarisessa tasasähkönjakelussa maakaapeliverkossa. AXMK-kaapeli AXMK-maakaapelilla on neljä symmetrisesti sijaitsevaa alumiinijohdinta. Unipolaarisella johdolla ne voidaan kytkeä helposti kahdeksi johdinpariksi, jolloin äärijohtimien resistanssi puolittuu. Bipolaarisessa johdossa voidaan kaksi johdinta kytkeä yhteen nollajohtimeksi, jolloin kaksi muuta johdinta toimisivat äärijohtimina. Kuvassa 3.7 on esitetty AXMK-kaapelin rakenne. [Salonen 2006].

16 Kuva 3.7. Draka NK Cables Oy:n valmistama AXMK-kaapeli [Draka]. AMCMK-kaapeli AMCMK-kaapelista on olemassa 4- ja 5-johtimiset versiot, joissa yksi johtimista on konsentrinen kuparijohdin. Näistä 5-johtiminen (4+1) AMCMK-kaapeli soveltuu hyvin erityisesti unipolaariseksi tasasähköjohdoksi, koska sillä on AXMK-johdon tapaan neljä symmetristä johdinta. Nämä voidaan kytketä kahdeksi johdinpariksi, nollajohtimen jäädessä maadoitusjohtimeksi. Bipolaarisessa käytössä voidaan kuparijohdinta käyttää nollajohtimena. Nollajohdin on kuitenkin suuremman poikkipinta-alan kaapeleilla ( 70 mm 2 ) huomattavasti äärijohtimia ohuempi. Yhteen rinnankytkettyyn johdinpariin verrattuna nollajohtimen resistanssi voi olla jopa nelinkertainen. Tämä voi aiheuttaa ongelmia esimerkiksi kytkettäessä suuria unipolaarisia kuormia bipolaariselle runkojohdolle. Viisijohtimisen AMCMK-kaapelin rakenne on esitetty kuvassa 3.8. [Salonen 2006; Reka] Kuva 3.8. Reka Kaapelin valmistama 4+1-johtiminen AMCMK-kaapeli [Reka]. Nelijohtiminen (3+1) AMCMK-kaapeli ei ole rakenteeltaan optimaalinen unipolaariseen tasasähkökäyttöön, johtuen kaapelin nollajohtimen rakenteesta. Koska konsentrinen nollajohtimen resistanssi poikkeaa etenkin suuremmilla poikkipinnoilla äärijohtimien resistanssista, jolloin virranjaon ja termisen kestävyyden kanssa voi tulla ongelmia. Bipolaariseen käyttöön kaapeli soveltuu kuitenkin hyvin, kun johdon kolme vaihejohdinta kytketään ääri- ja nollajohtimiksi, kuparijohtimen jäädessä maadoitusjohtimeksi. 3.4. Vaihtosuuntaajat ja suotimet Vaihtosuuntaajia voidaan sijoittaa verkossa joko jokaiselle sähkönkäyttäjälle tai vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös keskitettyä vaihtosuuntausta (kts. luku 2.2). Tasasähkölinkkiratkaisussa riittää yksikin vaihtosuuntaaja, jos linkillä syötetään

17 esimerkiksi kaukana 20 kv runkojohdolta sijaitsevaa 400 V muuntopiiriä. Tällöin voidaan vaihtosuuntaaja toteuttaa kalliimmalla ja teknisesti kehittyneemmillä ratkaisuilla. Toisaalta jos jokaisella sähkönkäyttäjällä on oma vaihtosuuntaaja, edellyttää suuntaajien suuri lukumääräinen tarve edullisia ja yksinkertaisia suuntaajarakenteita. 3.4.1. Kaksitasoiset vaihtosuuntaajat Unipolaarinen kaksitasoinen vaihtosuuntaaja voidaan toteuttaa eri tavoilla, joita on esitetty kuvissa 3.9 ja 3.10. Yksinkertaisin vaihtoehto on yksivaiheinen puolisiltakytkentä (3.9a), jossa on kaksi vaihtosuuntauskomponenttia (transistoria) ja kaksi tasasähköpuolen sarjaan kytkettyä suodinkondensaattoria. Ulostulojännite saadaan transistori- ja kondensaattorihaarojen keskipisteistä. Kondensaattorien koko nousee 50 Hz taajuisella ulostulojännitteellä kuitenkin niin suureksi, että teknistaloudellisesti parempi vaihtoehto on käyttää täyssiltakytkentää (3.9b). Puolisillalla suurin saatava vaihtojännite on puolet täyssillasta, joten verkkojännitteen tuottamiseksi tarvitaan kaksinkertainen tasajännite. Täyssiltarakenteen etuna ovat myös jännitteen paremmat säätömahdollisuudet. [Mohan et al. 2003; Nuutinen 2007] +750 V +750 V 230 V AC 230 V AC 0 V a) 0 V Kuva 3.9. Yksivaiheiset vaihtosuuntaajat. Kohdassa a) puolisiltakytkentä ja kohdassa b) täyssiltakytkentä [muokattu lähteestä Mohan et al. 2003]. b) Tarvittaessa suuntaaja voidaan toteuttaa myös kolmivaiheisena (kuva 3.10). Kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan käyttö lienee tarpeellista yleisesti vain niissä tapauksissa, joissa asiakkaalla on käytössä oikosulkumoottorikuormia, esimerkiksi maalämpöpumppu tai erilaisia työkoneita. Tällöin vaihtosuuntaus voidaan hajauttaa siten, että 3-vaiheinen vaihtosuuntaaja syöttää vain kyseistä kolmivaihekuormaa ja yksi tai useampi 1-vaiheinen vaihtosuuntaaja muita kuormia.

18 +750 V 0 V Kuva 3.10. Kolmivaiheinen vaihtosuuntaaja [muokattu lähteestä Mohan et al. 2003]. Suuntaajaan voidaan lisätä myös galvaaninen erotus, mutta tällöin suuntaajan rakenne monimutkaistuu edellisestä merkittävästi, nostaen hintaan ja energiahäviöitä. Vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella on esitetty kuvassa 3.11. Galvaaninen erotus vaatii useita eri muunnosvaiheita vaihtosuuntaajaan. Ensimmäiseksi tasajännite vaihtosuunnataan suurtaajuusvaihtosuuntaajalla, jonka jälkeen on erotusmuuntaja. Tämän jälkeen HF-vaihtojännite tasasuunnataan ja sitten vaihtosuunnataan 50 Hz taajuiseksi jännitteeksi. Monimutkaisesta ja kalliimmasta rakenteesta johtuen tulisi vaihtosuuntaaja toteuttaa ensisijaisesti ilman galvaanista erotusta. Tämä tosin vaatii muutoksia kiinteistöjen sähköverkkoihin ja suojaukseen. [Nuutinen 2007; Partanen et al. 2008] Tasasuuntaaja Verkkotaajuusvaihtosuuntaaja Suurtaajuuserotusmuuntaja Suurtaajuusvaihtosuuntaaja Suodin AC DC-verkko 1~ 230 V 3~ 400 V Kuva 3.11. Vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella. [piirretty uudelleen lähteestä Nuutinen 2007] Vaihtosuuntaajien transistoreita ohjataan erilaisilla modulointimenetelmillä. Menetelmä tulee valita siten, että tuotettava jännitteen laatu on standardit täyttävä ja suodattimet saadaan samalla mahdollisimman pieniksi. Yksi varteenotettava modulointimenetelmä on PWM eli pulssinleveysmodulointi. Sen kytkentätaajuus on kiinteä ja se voidaan toteuttaa bipolaarisena tai unipolaarisena. Molemmissa tapauksissa suodattamaton ulostulo- eli lähtöjännite on kanttiaaltoa. Ulostuloon kytketyllä suotimella 50 Hz suuremmat taajuudet suodatetaan pääosin pois. Bipolaarisessa lähtöjännitteessä esiintyy kaksi jännitetasoa (esim. ± 750 V). Unipolaarisessa tapauksessa jännitetasoja on kolme (± 750 ja 0 V), joita kytketään siten, että 50 Hz