Inertia sähköenergiajärjestelmässä

Abstract

Tahtigeneraattoreiden tuottama inertia on vakaan taajuuden perusedellytys tavanomaisessa sähköjärjestelmässä. Kehitys perinteisestä generaattorituotannosta kohti suuntaajavaltaista järjestelmää vähentää inertiaa, jolloin inertian arvioimisen rooli korostuu. Opinnäytetyön tavoitteena oli tarjota tiivis, mutta riittävän kokonaisvaltainen selvitys järjestelmän inertian merkityksestä, hallinnasta ja teknologisista kehityssuunnista inertiahaasteen hillitsemiseksi.

Opinnäytetyössä määritettiin aluksi inertian kannalta keskeiset sähköjärjestelmän toiminnallisuudet sekä käsiteltiin inertiaa sähköteknisenä parametrina. Syyt inertian vähenemiselle osoitettiin vertaamalla perinteisen ja nykyaikaisen voimajärjestelmän teknisiä ominaisuuksia. Matalan inertian verkkovaikutusten tarkastelun kautta selvitettiin lopuksi, kuinka matalan inertian tilanteita voidaan tänä päivänä hallita ja millaisin kehittyvin ratkaisuin järjestelmän inertian määrää voidaan vastaisuudessa lisätä.

Tuotantorakenteen muutoksen asettamat haasteet ovat järjestelmän tekniselle toiminnalle uusia ja inertian riittävyys on aiheellinen kysymys tässä siirtymässä. Modernin voimajärjestelmän stabiiliuden hallinta on aiempaa moninaisempaa ja järjestelmä hyötyy useista inertiaa tukevista ratkaisuista. Tulevaisuudessa synteettisen inertian odotetaan osaltaan ylläpitävän taajuusvakautta ja tarjoavan lupaavan menetelmän järjestelmän käyttövarmuuden turvaamiseksi.

The inertia provided by synchronous generators is a requirement for a stable frequency in a conventional power system. The transition from a conventional generation to an inverter-dominated system reduces inertia, which emphasizes the role of inertia estimation. The aim of this thesis was to provide a concise, but also comprehensive explanation of the relevance, mitigation measures and technological trends of inertia to manage the inertia challenge.

The thesis began with the defining of the main power system functionalities involving inertia as well as treating inertia as an electrical parameter. Comparing the characteristics of conventional and modern power systems provided the causes for the decrease of inertia. After considering the effects of low inertia, it was examined how low inertia situations can be controlled today and what evolving techniques can be used to increase power system inertia in the future.

The adequacy of inertia is a relevant issue as the structure of electricity generation is changing. Controlling the stability of a modern power system is more diverse than before and the system benefits from a varitety of inertia support technologies. Virtual inertia is expected to contribute to maintaining frequency stability and provide a potential solution to increase system reliability in the future.