Aktiivisen verkonhallinnan hyödyt Johdanto Aktiivinen verkon hallinta Jännitteennousuefekti Aktiivinen jännitteen hallinta Pätötehon rajoittaminen Loistehon hallinta Koordinoitu jännitteen säätö Aktiivisen verkonhallinnan hyödyt – case study Yhteenveto Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa. 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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

max tuotanto & min kulutus (PL=QL=0) 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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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) Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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) Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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

Aluesäätöön perustuva käämikytkimen säätö Aiemmissa tapauksissa päämuuntajan käämikytkin oli asetettu pitämään kiskojännite vakioarvossa 1,0pu. Tässä casessa käämikytkin asetetaan optimoimaan kiskojännite mahdollisimman alhaiseksi Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.

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 Myös jäähdyttimiin, lämpövarastoihin ja lämpöpumppuihin tulisi investoida lisää, jotta sähkön- ja lämmöntuotanto voitaisiin vapaammin erottaa toisistaan CHP voimaloissa.