Wind Power in Power Systems -seminaarikurssi Referaatti kirjan T. Ackermann: Wind Power in Power Systems kappaleesta 20. Tuulivoima rajoitetun siirtokapasiteetin alueilla 25.6.2009 Janne Strandén J. Strandén 3.4.2017

Johdanto Perinteisesti siirtojärjestelmät on rakennettu silloisen tuotannon kanssa vastaamaan sähkön kulutusta. Ei ylimitoitettu  uusien voimaloiden tuotannolle ei voida taata siirtotietä 100 % vuodesta. Tuulivoimalat rakennetaan paikkoihin, joissa tuulee, yleensä kauas kulutuksesta, jossa siirtolinjoja ei ole mitoitettu suurelle tuotannolle. Tässä kappaleessa käydään läpi tuulivoiman sijoittamista alueelle, jossa siirtokapasiteetti on rajoitettu. J. Stranden 3.4.2017

Siirtoa rajoittavat tekijät 1/3 Terminen raja-arvo Määritetään yksittäiselle johdolle ja siihen liittyvälle laitteistolle Ilmajohdoilla jatkuvassa tilassa 50 – 100 oC riippuen mm. materiaalista ja iästä Terminen raja-arvo tai virransiirtokapasiteetti (current-carrying capacity) on riippuvainen ympäristön lämpötilasta, tuulen nopeudesta, auringon säteilystä, johtimen pinnan ominaisuuksista ja korkeudesta merenpinnasta Lyhyiden siirtojohtojen (alle 100 km) kapasiteettia rajoittaa juuri terminen raja-arvo J. Stranden 3.4.2017

Siirtoa rajoittavat tekijät 2/3 4 Jännitestabiilisuus Järjestelmän kyky säilyttää sopivat jännitteet jokaisessa pisteessä normaalioloissa sekä vikatilan jälkeen. Voidaan tarkastella kaksi solmuisella verkolla. Siirretyn tehon ja jännitteen suhdetta voidaan kuvata ns. nenäkurvin (nose curve) avulla. Stabiilit olot Epästabiilit olot J. Stranden 3.4.2017

Siirtoa rajoittavat tekijät 3/3 5 Transienttistabiilisuus Sähköverkon kykyä säilyä tahdissa vakavissa transienttihäiriöissä. Stabiilisuus riippuu alkuperäisestä toimintatilasta ja häiriön vakavuudesta. Tuulivoimalat toimivat vikatilanteissa erilailla kuin tavanomaiset voimalaitokset. Pienet tuulivoimalat eivät yleensä paranna transienttistabiilisuutta. Suurten tuulipuistojen vaikutuksia tarkastellaan muissa luvuissa. J. Stranden 3.4.2017

Siirtokapasiteetin määrittäminen 6 Siirtoverkonhaltija (TSO) määrittää siirtokapasiteetin. Jokaisella TSO:lla on tarkat tiedot vain oman verkkonsa kokoonpanosta, laitteistoista ja toimintatilastoista  oman verkon siirtokapasiteetin perustuu verkon teknisiin tietoihin, kun taas verkkojen rajoja ylittävien siirtokapasiteettien määrittämisessä täytyy tehdä oletuksia  eroja vierekkäisten TSO:iden arvioissa. Kahdesti vuodessa Euroopan TSOt julkaisevat verkon siirtokapasiteetit (net transmission capacities, NTCs) sekä päivittäis- tai viikkoperusteisesti ”päivä eteenpäin” -ruuhkaennusteissa (day-ahead). J. Stranden 3.4.2017

Siirtokapasiteetin kasvattaminen 7 “Pehmeät” toimenpiteet mm. Vierekkäisten TSO:iden määrittämismenetelmien harmonisointi Ympäröivän lämpötilan ja tuulennopeuden tilastojen tarkastelu Operatiivisten epävarmuustekijöiden todennäköisyysarviointi … Koskevat pääosin siirtokapasiteetin määrittämisen parantamista. Mahdollisia verkon vahvistamistoimenpiteitä Terminen raja-arvo: mm. ristimien lyhentäminen, johtimien vetolujuuden kasvattaminen, tornien korkeuden kasvattaminen, alimitoitettujen sähköasemalaitteistojen korvaaminen, vaihesiirtomuuntaja, FACTS. Jännitestabiilisuus: loistehon kompensointi, uusi linja HVAC  HVDC J. Stranden 3.4.2017

Tuulivoiman vaikutus siirtokapasiteettiin 8 Huomioitavia seikkoja: Alhainen käyttöaika Puiston sisäinen tasoittamisilmiö Riippuvuus ympäristöoloista Käyttäytyminen vikatilanteissa Tuotannossa on paljon epävarmuustekijöitä ja tuulivoimaloiden mallinnus ei ole hyvää  varmuusmarginaaleja siirtokapasiteetin määrittämisessä (NTC, day-ahead) on kasvatettava  siirtokapasiteetti pienenee J. Stranden 3.4.2017

Vaihtoehtoja verkon vahvistamisella 9 Olemassa olevien tuotantolaitosten säännöstely Vesivoima + varastoaltaat Kaasuvoimalat Tuulienergian “tuhlaaminen” Tuhlattavan energian määrittäminen Yksinkertaistettu menetelmä Todennäköisyyteen perustuva menetelmä Diskreetti (tilastotietoja pitkältä aikaväliltä  paras) Jatkuva-aikainen J. Stranden 3.4.2017

Esimerkki Ruotsista 10 Pohjois-Ruotsiin 4000 MW tuulivoimaa  pullonkaula pohjoisosan ja keski-/eteläosan välillä  tuulivoiman tuhlaaminen vs. uusi 400 kV linja? Tuulimittaukset Suorvasta ja tuulivoiman tehokäyrä lapakulmasäädetystä turbiinista Tehty paljon laskentaa helpottavia oletuksia, kuten siirtorajoitus on vakio, vesivoimaloiden säännöstelyä ei tapahdu, jne. Yksi uusi 800 MW linja 400 milj. SEK vuodessa (korkokanta 10 %, 40 vuotta)  kannattaa tuhlata J. Stranden 3.4.2017

Johtopäätökset 11 Käytettävissä oleva siirtokapasiteetti ei ole kiinteä arvo, joka määräytyy vain verkon teknisten ominaisuuksien perusteella, vaan se kuvaa myös vastuussa olevan TSO:n käyttämiä menettelymalleja ja olettamuksia Siirtokapasiteetin nostamiseksi käytettävissä on sekä ”pehmeitä” toimenpiteitä, jotka koskevat kapasiteetin määrittämistä, että ”kovia” keinoja eli verkon vahvistamista ja uusien komponenttien lisäämistä Tuulivoiman matala käyttökerroin  lisähaasteita siirtokapasiteetin määritykseen  jokainen tuulivoimaprojekti tarkasteltava yksityiskohtaisesti itsenäisenä J. Stranden 3.4.2017