Aktiivisen verkonhallinnan hyödyt

• Johdanto

• Aktiivinen verkon hallinta

• Jännitteennousuefekti

• Aktiivinen jännitteen hallinta– Pätötehon rajoittaminen

– Loistehon hallinta

– Koordinoitu jännitteen säätö

• Aktiivisen verkonhallinnan hyödyt – case study

• Yhteenveto

Ontrei Raipala

Johdanto

• Jakeluverkot on perinteisesti suunniteltu toimimaan passiivisena välivaiheena siirtoverkosta jakeluverkon kautta pienjänniteverkkoon siirretylle sähköenergialle

• Jakeluverkot on suunniteltu determinististen periaatteiden mukaan kestämään pahimmat mahdolliset tilanteet pienimmällä mahdollisella ohjaustarpeella

• Hajautetun tuotannon (DG) määrän odotetaan kasvavan

• DG:n kasvun toteuttaminen saattaa edellyttää siirtymistä passiivisesta aktiiviseen verkonhallintaan

Aktiivinen verkon hallinta

• Aktiivinen verkonhallinta käyttää olemassa olevaa verkkoa optimaalisesti– käyttämällä älykkäästi aktiivisia resursseja, kuten generaattoreita,

käämikytkimiä, jännitteen- ja loistehon säätäjiä, sekä verkon kytkentätilan aktiivista hallintaa yhdessä integroidusti

• Aktiivinen verkonhallinta mahdollistaa suuremman hajautetun tuotannon kapasiteetin ilman verkon vahvistamista

• Tulevaisuudessa mahdollisesti saarekekäyttö => luotettavuus• Toimivat lisäpalvelumarkkinat olisivat välttämätön ehto aktiiviselle

jakeluverkon hallinnalle

Jännitteensäätö

• Jakeluverkon jännitteensäätö perustuu yleensä sähköaseman kiskon jännitteen vakiona pitämiseen (joskus myös kuormitustilanne huomioidaan säädössä)

• suunniteltu verkkoon jossa tehonsuunta on yksisuuntainen

• Kirjoittajien mielestä jännitteennousu on suurin este hajautetun tuotannon yleistymiselle maaseutuverkoissa

• Verkkoyhtiöt eivät halua verkkoonsa tuotantoa, koska se muuttaa jänniteprofiileja

• Hajautettua tuotantoa ei ole kuitenkaan usein taloudellisesti kannattavaa liittää korkeammille jännitetasoille

XQQQPPRUU CLGLG )()(12

•Passiivisesti hallitussa verkossa suurinta liitettävissä olevaa tuotantokapasiteettia arvioidaan suurimman mahdollisen

jännitteennousun mukaan.

•max tuotanto & min kulutus (PL=QL=0)

Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi,

että ± QG ± QC = 0

max12 GPRUU

R

UUPG

1max2max

Pätötehon rajoittaminen ääritilanteissa

• Hetket, joina tuotanto on maksimissaan samaan aikaan kun kulutus on minimissään, ovat melko harvinaisia

• on usein taloudellisesti järkevämpää, ettei suurinta sallittavaa tuotantokapasiteettia arvioida tämän pahimman tapauksen mukaan vaan rajoitetaan pätötehon tuotantoa äärimmäisissä tilanteissa

• Ääritilanteissa (min kulutus & suuri tuotanto) sähkö on usein halpaa => pienentää menetettyä tuottoa

R

UUPP CurtGG

1max2max

Loistehon hallinta

• Ehkäistään jännitteennousua loistehon kompensoinnilla (STATCOM, SVC)• Tehokas menetelmä jännitteen nousun ehkäisemiseksi avojohtoverkoissa (suuri

reaktanssi)• Loistehon hallinta mahdollistaa tällöin alemman kaavan jälkimmäisen termin

osoittaman lisäkapasiteetin (11kV verkko ottaa 33kV verkosta loistehon Q import)• Menetelmä ei ole kovin tehokas kaapeliverkossa (X tyypillisesti noin 4 x

pienempi kuin avojohtoverkossa)

)( CLGimport QQQQ

R

XQ

R

UUP importG

1

max2max

Koordinoitu jännitteensäätö

• Perustuu päämuuntajan käämikytkimen aktiiviseen hyväksikäyttöön

• Menetelmä mahdollistaa suuremman tuotantokapasiteetin säätämällä sähköaseman jännitteen pienimpään mahdolliseen arvoonsa pitäen kaikki verkon jännitteet kuitenkin sallittujen rajojen sisäpuolella

• Puhtaasti kuormitusta sisältävien lähtöjen (ongelmana jännitteen alenema) ja merkittävästi tuotantoa sisältävien lähtöjen (ongelmana jännitteennousu) jännitteensäätö saattaa olla järkevää eriyttää toisistaan käyttämällä jännitteensäätäjiä.

• Edellyttää mittauksia avainasemassa olevista solmupisteistä ja sopivia kommunikaatioyhteyksiä

R

UUPG

min1

max2max

• Tarkasteltavassa verkossa 1 kuormituslähtö ja 1 tuotantoa sisältävä lähtö, sekä muita lähtöjä kuvaava kuorma

• Kuormitukset on muodostettu käyttäen sekoitusta kotitalous-, liiketila- ja

teollisuuskuormista perustuen tuntikohtaisiin keskiarvoihin => vuosikohtaiset kuormitusprofiilit (kuvaan merkitty max. kuormitustilanne)

• Tuuliturbiinin tuotantokäyrä perustuu tilastolliseen Markovin malliin

• 1) Min kuormitus max tuotanto - sallittava kapasiteetti 10MW (passiivinen hallinta)

• 2) Max kuormitus max tuotanto – sallittava kapasiteetti 6MW (passiivinen hallinta)

Casestudy

Jännitteensäätömenetelmien tehokkuus

Pf = 0,98 Pf = 0,95

• Tarkastellaan eri säätömenetelmien vaikutusta suurimpaan sallittavaan vuosituotantoon ja tarvittavaan pätötehon rajoittamiseen (MWh/a), U saa vaihdella ± 3 %

1. Hetkittäinen tuotannon rajoittaminen yhdistettynä eri tehokerroinvaatimuksiin (pf = 0,98 & pf = 0,95)

2. Loistehonkompensointi tuulipuiston liitäntäpisteeseen asennetuilla erikokoisilla SVC laitteistolla

Aluesäätöön perustuva käämikytkimen säätö

• Aiemmissa tapauksissa päämuuntajan käämikytkin oli asetettu pitämään kiskojännite vakioarvossa 1,0pu.

• Tässä casessa käämikytkin asetetaan optimoimaan kiskojännite mahdollisimman alhaiseksi

Aluesäätöön perustuva käämikytkimen säätö yhdistettynä tuotantolähdölle sijoitettuun jännitteensäätäjään

• Asetetaan jännitteensäätäjä tuulipuiston sisältävän lähdön alkuun antamaan OLTC:lle lisää pelivaraa

• Jännitteensäätäjä kykenee jatkuvasti säätämään jännitettä välillä 0,9pu..1,1pu

• Nyt mahdollista liittää 20MW tuulipuisto hyvin pienellä tuotannon leikkaustarpeella

Jännitteensäätömenetelmien vaikutus häviöihin

• Verkonhäviöt yleensä pienentyvät, kun verkkoon liitetään pieni määrä hajautettua tuotantoa

• Kun suuri määrä tuotantoa kytketään verkkoon, saattaa tehoa jäädä yli jolloin sitä syötetään kantaverkkoon => häviöt kasvavat

Jännitteensäätömenetelmien taloudelliset näkökohdat

• CBA (Cost Benefit Analysis) analyysiä voidaan käyttää arvioitaessa ylittävätkö projektien tuomat hyödyt niiden aiheuttamat kustannukset

• Edellä läpikäydyille säätömenetelmille tehtiin CBA analyysi, joka otti huomioon pääoma-, käyttö-, ylläpito- ja korjauskustannukset

• Tuottopuolelta CBA otti huomioon (kasvaneet) sähköenergian myyntitulot, suuruuden ekonomian tuomat säästöt ja ympäristöystävällisyyden kannustimet

• Menetelmiä voidaan vertailla laskemalla niille nykyarvot olettaen sopiva korkokanta ja voimalan käyttöikä

• Tarkasteltuun verkkoon voidaan liittää 6MW tuulipuisto ilmaan mitään säätötoimenpiteitä => käytetään tätä referenssitapauksena, jonka NPV = 1,0 pu.

• Aktiivisten säätömenetelmien käyttö on kannattavaa kun niiden NPV > 1

Yhteenveto

• Jännitteennousuefekti on ehkä suurin este hajautetun tuotannon määrän kasvamiselle– Ongelma voidaan ratkaista käyttämällä aktiivista verkonhallintaa

• Aktiivisen verkonhallinnan käyttö mahdollistaa suuremman hajautetun tuotannon määrän käyttämällä olemassa olevaa verkkoa tehokkaammin hyväksi– Investoinnit primääri verkostokomponenttien sijaan

sekundäärikomponentteihin: mittaukset, kommunikaatio ja tietojärjestelmien kehittäminen

• Aktiivinen jännitteensäätö: tuotannon ajoittainen rajoittaminen, generaattorien tehokertoimien muokkaaminen, loistehon kompensointi, aluesäätöön perustuva käämikytkimen käyttö yksinään tai yhdistettynä jännitteensäätäjiin