Tuulivoiman vaikutukset sähköverkon stabiiliudelle

Abstract

Meneillään olevan energiamurroksen myötä fossiilisten polttoaineiden avulla tuotetun sähkön osuus vähenee samalla kun uusiutuvan sääriippuvan sähkön tuotannon osuus kasvaa. Uusiutuva sääriippuva sähköntuotanto, kuten tuulivoimalla tuotettu sähkö ja aurinkosähkö, kytkeytyy sähköverkkoon suuntaajien avulla.

Suuntaajakytketyn tuotannon lisääntyminen sähköverkossa muuttaa verkon topologiaa sekä stabiiliuden hallinnan keinoja. Stabiiliuden hallinnan tavoitteena on estää verkon vikojen laajeneminen suurhäiriöksi ja edelleen verkon romahdukseen asti.

Suuntaajakytketyn tuotannon lisääntymisen takia sähköverkko voi heikentyä, jos verkosta vähentyy samalla tahtigeneraattoreita. Tahtigeneraattorit tuottavat verkkoon inertiaa, jännitetukea ja oikosulkutehoa, joita tarvitaan verkon stabiiliuden hallintaan. Suuntaajakytketyn tuotannon lisääntymisen takia jännite-, kulma- ja taajuusstabiiliuden lisäksi on otettu käyttöön myös resonanssistabiilius sekä suuntaajalähtöinen stabiilius.

Suuntaajakytketyn tuotannon lisääntyminen on saanut aikaan maailmanlaajuisesti verkkoon kytkettyjen tehoelektronisten tuotteiden, kuten STATCOM, synkronikompensaattori ja muut kompensointilaitteistot, lisäämisen verkon stabiiliuden ylläpitämisen tueksi. Lisäksi verkkosäännöt päivittyvät lisäten vaatimuksia suuntaajakytkettyjen voimalaitoksien ja sähkövarastojen verkkoon liittymiselle. Vaatimuksien myötä laitevalmistajat tuottavat jatkossa palveluita, joilla ylläpidetään jatkossa verkon stabiiliutta.

Opinnäytetyössä selvitettiin Pohjoismaiden verkon suuntaajakytketyn tuotannon määrää tulevaisuudessa ja sen vaikutuksia verkon stabiiliuden hallintaan. Suomen kantaverkon vahvistamisen toiminnalliset ja tekniset ratkaisut noudattelevat kansainvälisesti käytettyjä ratkaisuja.

With the ongoing energy transition the share of electricity produced with fossil fuels decreases as the share of electricity produced with renewable weather-dependent production increases. Renewable weather-dependent electricity production, such as wind power and solar energy, is connected to the power grid with the help of converters. Increase of the converter interfaced generation in the power grid changes the topology of the grid and ways of controlling stability. The purpose of stability management is to prevent network faults from escalating into major disturbances and eventually leading to grid collapse.

Due to the increase in converter interfaced generation power grid may weaken if the number of synchronous generators in the grid is reduced at the same time. Synchronous generators produce inertia, voltage support and short-circuit power, which are needed to maintain grid stability. Due to the increase in converter interfaced power generation in addition to voltage, rotor angle and frequency stability, resonance stability and converter-driven stability have been introduced.

The increase in converter interfaced generation has led to an increase in the number of grid-connected power electronic products worldwide, including STAT-COM, synchronous condenser and other compensation devices, to maintain grid stability. In addition, the grid codes will be updated to meet the requirements for the converter interfaced generation and energy storage systems grid connection. As a result of the requirements, device manufacturers will provide services to maintain grid stability in the future.

The thesis investigated the volume of converter interfaced production in the Nordic grid in the future and its effects on maintaining grid stability. The functional and technical solutions for strengthening Finland's main grid are in line with internationally used solutions.