Aktiivisen verkonhallinnan hyödyt

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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 Qimport) • Menetelmä ei ole kovin tehokas kaapeliverkossa (X tyypillisesti noin 4 x pienempi kuin avojohtoverkossa)

8. 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

9. Casestudy • 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)

10. Jännitteensäätömenetelmien tehokkuus • Tarkastellaan eri säätömenetelmien vaikutusta suurimpaan sallittavaan vuosituotantoon ja tarvittavaan pätötehon rajoittamiseen (MWh/a), U saa vaihdella ± 3 % • Hetkittäinen tuotannon rajoittaminen yhdistettynä eri tehokerroinvaatimuksiin (pf = 0,98 & pf = 0,95) • Loistehonkompensointi tuulipuiston liitäntäpisteeseen asennetuilla erikokoisilla SVC laitteistolla Pf = 0,95 Pf = 0,98

11. Aluesäätöön perustuva käämikytkimen säätö • Aiemmissa tapauksissa päämuuntajan käämikytkin oli asetettu pitämään kiskojännite vakioarvossa 1,0pu. • Tässä casessa käämikytkin asetetaan optimoimaan kiskojännite mahdollisimman alhaiseksi

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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