ILARI ÄIJÄLÄ JÄNNITTEEN SÄÄTÖ HAJAUTETUN TUOTANTOYKSIKÖN VERKKOVAIHTOSUUNTAAJALLA Projektityö

Tarkastaja: Sami Repo 18.2.2008

Sisällysluettelo

1. Johdanto ................................................................................................................... 1 2. Verkkovaihtosuuntaaja ........................................................................................... 2 3. Hajautetun tuotannon verkkovaikutukset ja jännitteen säätö ........................... 5

3.1. Jännitteen säätö nykyään .................................................................................. 5 3.2. Jännitteen säätö hajautetun tuotannon avulla ................................................... 6

3.2.1. Jännitteensäädön koordinaatio säteittäisessä jakeluverkossa…………... 7 3.2.2. Jännitemuutoksen aiheuttavat tekijät…………………………………... 8

3.3. Loissähköikkunat……………………………………………………... 10 3.4. Saarekekäyttö ..................................................................................................11

4. Suuntaajan ohjaus paikallisten mittausten perusteella ......................................13 4.1. Rinnan kytketyt suuntaajat ............................................................................. 14 4.2. Droop-control induktiivisessa verkossa ......................................................... 15 4.3. Droop-control resistiivisessä verkossa ........................................................... 16 4.4. Esimerkki paikallisen jännitteensäädön toteutuksesta verkkovaihto-

suuntaajassa…………………………………………………………………. 17 5. Yhteenveto ............................................................................................................. 20 6. Lähteet ................................................................................................................... 21

1

1. Johdanto

Perinteisesti jakeluverkot ja niiden jännitteensäätö on suunniteltu yksisuuntaiseen te-honsiirtoon sähköasemalta asiakkaille. Jännitteensäätöä on suoritettu lähinnä Sähkö-asemien käämikytkimillä, joilla jännitettä on pyritty säätämään aseman kiskojännitteen ja johtolähdöille syötetyn kuormitusvirran perusteella siten, että kuormitusvirran verkon impedansseissa aiheuttama jännitteenalenema kompensoituisi. Tällainen säätötapa sopii huonosti verkkoon johon on kytketty merkittäviä määriä hajautettua tuotantoa, koska oletus yksisuuntaisesta tehonsiirrosta ei ole enää voimassa eikä säätöjärjestelmä saa tie-toa tuotantoyksiköiden syöttämästä tehosta eikä jännitteistä verkon varrella. Käämikyt-kimellä suoritettu jännitteensäätö on myös liian hidasta seuratakseen nopeita tehovaihte-luita verkossa. (1, 2)

Hajautetun tuotannon yleistyessä verkon jänniteprofiilin määrittäminen monimut-kaistuu ja uudet jännitteensäätötavat tulevat tarpeellisiksi. Uusiutuvilla energialähteillä, kuten tuuli- ja aurinkoenergialla tuotettu teho saattaa vaihdella nopeastikin ympäristö-olosuhteiden mukaan. Nämä tehovaihtelut aiheuttavat verkkoon nopeita jännitemuutok-sia, jotka jännitteensäädön pitäisi pystyä estämään. (1, 2)

Nykyään hajautettuun tuotantoon suhtaudutaan yleensä kuten negatiiviseen kuor-maan, eikä sen oleteta osallistuvan jännitteensäätöön millään tavoin. Usein olemassa olevaan verkkoon liitettävän tuotantokapasiteetin määrää rajoittaa jännitteennousu joh-don tuotantolaitoksen puoleisessa päässä suuren tuotannon ja pienen kulutuksen aikana. Heikossa verkossa jo pienikin tuotanto kaukana sähköasemasta saattaa nostaa jännitteet johdon hännillä sallittujen rajojen yläpuolelle, joten hajautetun tuotannon liittämismah-dollisuudet olemassa olevaan verkkoon saattavat jäädä hyvin vähäisiksi. Verkon vahvis-taminen taas tulee usein niin kalliiksi, ettei siihen kannata pienen tuotantolaitoksen takia ryhtyä. Jos hajautetun tuotannon sallittaisiin osallistua jännitteen säätöön, voitaisiin verkkoon kytkeä huomattavasti nykyistä enemmän tuotantoa ilman tarvetta verkonvah-vistuksiin. Useimmat pienet tuotantoyksiköt kytkeytyvät verkkoon vaihtosuuntaajan kautta ja samoja suuntaajia voitaisiin hyödyntää myös jännitteen säädössä. Vaihtosuun-taajat ovat usein sähköasemilla olevien muuntajien käämikytkimien lisäksi jakeluverkon ainoita komponentteja, jotka kykenevät aktiiviseen jännitteensäätöön. (1, 2)

2

2. Verkkovaihtosuuntaaja

Hajautettu tuotanto on usein kytketty verkkoon vaihtosuuntaajan kautta, koska tuotan-toyksikkö tuottaa usein tasajännitettä (aurinkopaneelit, polttokennot), vaihtuvataajuista vaihtojännitettä (muuttuvanopeuksiset tuulivoimakäytöt) tai vaihtojännitettä jonka taa-juus on selvästi verkkotaajuutta suurempi (mikroturbiinit). Sen lisäksi että verkkovaih-tosuuntaaja siirtää tuotetun sähköenergian verkkoon, sitä voidaan hyödyntää myös jän-nitteen säädössä. Jännitteensäädössä jännitevälipiirillistä verkkovaihtosuuntaaja voidaan käyttää STATCOM- laitteen tapaan loistehon tuottoon myös silloin kun tuotantoyksikkö ei tuota tehoa. Verkkovaihtosuuntaaja voidaan toteuttaa useilla erilaisilla menetelmillä niin päävirtapiirin kuin ohjaustekniikankin puolelta. (3)

Vaihtosuuntaajat voidaan jakaa kahteen perusryhmään: jännitevälipiirillisiin ja vir-tavälipiirillisiin. Jännitevälipiirillisissä suuntaajissa välipiirin jännite pyritään pitämään vakaana välipiiriin sijoitetulla kondensaattorilla ja virta määräytyy tuotantoyksikön tuottaman tehon perusteella. Virtavälipiirillisessä sen sijaan välipiirin virta pidetään ta-saisena kuristimella ja välipiirin jännite määräytyy tehon perusteella. Yhteistä kaikille loistehonsäätöön pystyville vaihtosuuntaajille on pakkokommutoiduilla kytkimillä to-teutettu verkkosilta. (3, 4)

Pienimmissä teholuokissa pienjännitteellä käytetään MOSFET kytkimiä niiden al-haisten kytkentä- ja johtotilanhäviöiden takia. MOSFET kytkimiä on saatavana 1000 voltin jännitekestoisuuteen asti pienillä virroilla ja 100 ampeerin virtakestoisuuteen pie-nillä jännitteillä. MOSFETin johtotilan häviöt kasvavat voimakkaasti kun käytettyä jän-nitettä nostetaan, mutta pienten kytkentähäviöiden ansiosta MOSFET pystyy kilpaile-maan IGBT komponenttien kanssa sovelluksissa joissa käytetään suurta kytkentätaa-juutta. Suuremmilla tehoilla ja jännitteillä IGBT komponentit ovat MOSFET:ia parempi valinta. IGBT komponentteja on saatavilla ainakin 6500 voltin jännite- ja 2400 ampee-rin virtakestoisuuteen asti, joskin näilläkään suuri virta ja jännitekestoisuus eivät yhdisty samassa komponentissa. Sekä MOSFET, että IGBT ovat jänniteohjattuja kytkimiä, jo-ten niiden ohjaus on helppo toteuttaa. Suurimmissa teholuokissa käytetään GTO-tyristoreita niiden suuren tehonkeston ja alhaisten johtotilan häviöiden takia. GTO-tyristoreilla jännitekestoisuus on samaa luokkaa kuin IGBT:llä, mutta virran käsittely-kyky on parempi. Markkinoilta löytyy esimerkiksi GTO komponentteja, jotka kestävät 3000 ampeerin virran 4500 voltin jännitteellä. GTO-tyristoreiden kytkentähäviöt ovat suuret, mikä rajoittaa käytettyä kytkentätaajuutta ja sitä kautta kasvattaa verkkoon syö-tettyjen yliaaltojen määrää. Virtaohjattuna komponenttina se vaatii myös monimutkai-semman ohjauspiirin kuin IGBT tai MOSFET. (5, 17)

3

Sekä jännite-, että virtavälipiirillisiä suuntaajia voidaan ohjata usealla erilaisella oh-jaustavalla. Näitä ovat six-step-ohjaus, pulssin amplitudin modulointi, ja pulssin leve-ysmodulointi (PWM). Pulssinleveysmodulointi puolestaan voidaan toteuttaa kolmella eri tavalla, sinikolmiovertailulla, vektorimoduloinnilla tai ”harmonisten yliaaltojen eli-minointi” -menetelmällä. (4)

Käytetyin suuntaajatyyppi on kaksitasoinen, kuudella ohjattavalla kytkimellä toteu-tettu jännitevälipiirillinen suuntaaja. Sitä on tutkittu eniten ja useat valmistajat valmista-vat komponentteja nimenomaan tätä suuntaajatyyppiä varten. Etuna on myös verkkosil-lan ja generaattorisillan erottaminen toisistaan kondensaattorilla, joka mahdollistaa sil-tojen ohjauksen toisistaan riippumatta. Huonona puolena voidaan pitää kondensaattorin olemassaoloa, koska se on suuri, kallis ja lyhentää järjestelmän elinikää. Muita huonoja puolia ovat ainoastaan kahdesta käytettävästä jännitetasosta aiheutuvat korkeahko särö-taso ja verkkovirran särön vähentämiseksi tarvittava korkea kytkentätaajuus, joka kas-vattaa kytkentähäviöitä. (4)

Kuva 1. Kaksitasoinen, jännitevälipiirillinen vaihtosuuntaaja

Jännitevälipiirillisen suuntaajan tuottamaa säröä voidaan pienentää jakamalla väli-

piirin jännite useamman kondensaattorin avulla useampaan jännitetasoon ja hyödyntä-mällä näitä kaikkia halutun verkkojännitteen aikaansaamiseen. Vastaavasti, jos särötaso ei ole ongelma, voidaan kytkentätaajuutta laskea kaksitasoiseen suuntaajan verrattuna, jolloin kytkentähäviöt pienenevät. Myös komponenttien jänniterasitukset jäävät moni-tasoisissa suuntaajissa kaksitasoisia pienemmiksi. Huonoina puolina on kasvava kom-ponenttien määrä, välipiirin kondensaattorien jännitetasapaino-ongelmat ja monimutkai-sempi ohjaus. (4)

Kuva 2. Useampitasoisia, jännitevälipiirillisiä vaihtosuuntaajatopologioita. Kuvissa on esitetty vain yksi haara kolmevaiheisien suuntaajien verkkosilloista.

4

Verkkovaihtosuuntaaja voidaan toteuttaa myös virtavälipiirillisenä, mutta kaupalli-set sovellukset näistä ovat vielä harvinaisia. Virtavälipiirillisen suuntaajan etuna on jän-nitevälipiirillistä pienempi särötaso. Huonoina puolina ovat välipiirin kelan kondensaat-toria suuremmat häviöt sekä kelan koko ja hinta, jotka tekevät virtavälipiirillisestä suun-taajasta jännitevälipiirillistä suuremman ja kalliimman. Ongelmana on myös tähän suuntaajatyyppiin soveltuvien kaupallisten kytkinkomponenttien puute. (6)

Kuva 3. Virtavälipiirillinen vaihtosuuntaaja

Kun tuotantoyksikkö tuottaa vaihtovirtaa jonka taajuus on vähintään kaksinkertai-

nen verkkotaajuuteen verrattuna, voidaan verkkosuuntaajana käyttää myös matriisitaa-juudenmuuttajaa. Matriisitaajuudenmuuttajan toimintaperiaate on se, että haluttu ulostu-lotaajuus, ulostulojännite ja sisäänmenovirta tuotetaan kytkemällä ulostuloliittimiä suo-raan sopiviin sisäänmenoliittimiin. Muuttajan ohjauksessa pitää noudattaa kahta sään-töä: Ainoastaan yksi kytkin jokaisessa ulostulopuolen vaiheessa johtaa kerrallaan ja jo-kaisessa ulostulopuolen vaiheessa yksi kytkin johtaa jokaisena ajanhetkenä. Kahden kytkimen yhtäaikainen johtotilassa olo samassa ulostulovaiheessa tarkoittaisi sisään-menopuolella vaiheiden välistä oikosulkua. Induktiiviset kuormat taas vaativat virralle kulkutien jokaisena ajan hetkenä, joten jokaisessa vaiheessa pitää aina olla johtava kyt-kin. Matriisitaajuudenmuuttajan etuja ovat välipiirin suotimen puuttuminen, joka alen-taa tehohäviöitä ja kasvattaa laitteen elinikää, sekä kaksitasoista jännitevälipiirillistä suuntaajaa pienempi harmonisten yliaaltojen määrä. Huonoina puolina on alhainen maksimiulostulojännite joka on ainoastaan noin 0,866 kertaa sisäänmenojännite. Koska kytkinkomponenttien kytkentäajat eivät ole äärettömän pieniä, muodostuu kahden tär-keimmän ohjaussäännön välille ristiriita. Matriisikonverttereiden ohjaukseen on kuiten-kin kehitetty useita toimivia modulointimenetelmiä. (4)

Kuva 4. Matriisikonvertteri

5

3. Hajautetun tuotannon verkkovaikutukset ja jännitteen säätö

Hajautetulla tuotannolla on sekä myönteisiä, että kielteisiä vaikutuksia jakelujännitteen laatuun. Hajautetun tuotannon liittäminen verkkoon nostaa verkon jännitetasoja lähes aina. Suuren kuormituksen aikana hajautettu tuotanto vähentää sähköasemalta siirrettyä tehoa ja pienentää jännitteenalenemaa johdolla, jolloin kuluttajien kokema jännitteen-laatu paranee. Suuri osa hajautetusta tuotannosta perustuu aurinko- ja tuulivoiman kal-taisiin energialähteisiin ja kiinnostus saasteettomaan energiantuotantoon kasvaa jatku-vasti. Tällaisilla tuotantomuodoilla saatavilla oleva teho vaihtelee ympäristöolosuhtei-den mukaan ja voimalaitokset on suunniteltu tuottamaan maksimiteho silloin, kun ener-giaa on saatavilla. Tuotanto ei siten seuraa lähellä tuotantoyksikköä olevien asiakkaiden energiantarvetta, vaan pienen kulutuksen aikana energiaa pitää siirtää jakeluverkossa kauemmas. Pienen kuormituksen aikana jännite asiakkaiden liittymispisteissä saattaa ol-la lähellä jännitteelle sallittuja ylärajoja ilman tuotantoakin ja silloin hajautettu tuotanto saattaa helposti nostaa jännitteet sallittujen rajojen yläpuolelle. Hajautetun tuotannon kuten tuulivoiman tai aurinkoenergian teho saattaa vaihdella voimakkaasti, nopeasti ja hyvinkin taajaan esimerkiksi tuulen puuskittaisuuden tai rakoilevan pilvisyyden takia. Tämä saattaa aiheuttaa nopeita jännitemuutoksia jotka näkyvät välkyntänä ja heikentä-vät asiakkaiden kokemaa jännitteen laatua. Tehovaihteluista johtuvat jännitemuutokset ovat ongelma erityisesti pitkillä ja heikoilla johdoilla. Parhaat edellytykset hajautetun tuotannon rakentamiseen ovat usein syrjäisillä seuduilla juuri noiden heikkojen verkko-jen takana. (2, 7)

3.1. Jännitteen säätö nykyään

Säteittäisen jakeluverkon jännitettä säädetään nykyään pääasiassa päämuuntajan käämi-kytkimen avulla, mutta säätöön saattavat osallistua myös mahdolliset jännitteensäätö-muuntajat ja ohjattavat kompensointilaitteistot. Jännitetasoon asiakkaan liittymispistees-sä vaikuttaa myös jakelumuuntajan väliottokytkimen asento. Sillä ei kuitenkaan varsi-naista jännitteensäätöä suoriteta, koska kytkimen asennon muuttaminen vaatii aina säh-könjakelun keskeyttämisen. (2)

Päämuuntajan käämikytkimen toimintaa ohjaa yleensä joko vakiojännite tai kom-poundisäädössä toimiva jännitteensäätörele. Vakiojännitesäädössä sähköaseman kisko-jännite pyritään pitämään ennalta asetellussa vakioarvossa. Kompoundisäädössä rele mittaa kiskojännitettä ja päämuuntajan kuormavirtaa. Kiskojännitteen tavoitearvoa pyri-tään muuttamaan kuormavirran perusteella siten, että johdolla tapahtuva jännitehäviö

6

saadaan kompensoitua. Mahdollisuudet sähköasemalla suoritettuun jännitteensäätöön riippuvat verkon rakenteesta. Jos saman muuntajan alajännitepuolelle on kytketty use-ampia johtolähtöjä, joista osalla on paljon kuormitusta, mutta osalla hyvin vähän, ei korkeammin kuormitettujen johtojen jännitettä voida juurikaan nostaa, ilman että mata-lan kuormituksen lähdöllä jännitteet nousevat yli sallittujen rajojen. Vastaavasti jos suu-ri kuormitus on pitkällä johtolähdöllä kaukana sähköasemasta ja lähellä sähköasemaa on muita asiakkaita, tapahtuu suurin osa jännitteenalenemasta vasta ensimmäisten asiak-kaiden takana, jolloin lähellä asemaa olevat liittymät estävät kauempana johdolla tapah-tuvan jännitteenaleneman tehokkaan kompensoinnin. Säteittäisellä verkolla, jolle tehoa syötetään ainoastaan yhdestä suunnasta, jänniteprofiilin määrittäminen on yleensä yk-sinkertaista. Avojohtoverkolla jännite on lähes aina suurin sähköasemalla ja pienenee kuormitusvirran ja johtimen impedanssin vaikutuksesta kauemmas asemalta mentäessä. Kevyesti kuormitetussa kaapeliverkossa kaapelin maa- ja käyttökapasitanssit saattavat nostaa jännitteen kaapelin loppupäässä alkupäätä suuremmaksi. (2)

Hajautettu tuotanto vaikeuttaa verkon jänniteprofiilin määrittämistä, koska tehon virtaussuunnat ja siten myös jännitemuutosten suunta ja suuruus verkossa riippuvat kuormituksista ja sen hetkisestä paikallisen tuotannon määrästä. Hajautettu tuotanto saattaa myös sekoittaa kompoundisäädön toimintaa. Se pienentää päämuuntajan läpi kulkevaa kuormavirtaa, jolloin jännitteensäätörele ohjaa kiskojännitteen matalammaksi ja niillä lähdöillä joilla ei tuotantoa ole jännite laskee. Suunnitteluvaiheessa hajautettuun tuotantoon suhtaudutaan vielä nykyään yleensä kuten negatiiviseen kuormaan. Hajaute-tun tuotannon ei oleteta osallistuvan jännitteen säätöön millään tavalla ja kytkeytymis-lupa annetaan vain tuotantolaitoksille jotka voivat tuottaa maksimitehonsa kaikissa kuormitustilanteissa. Jos tuotantolaitoksen tehokerrointa voidaan säätää, käytetään sitä yleensä tehokertoimella yksi, jolloin tuottaja välttyy loistehomaksuilta. (2)

3.2. Jännitteen säätö hajautetun tuotannon avulla

Hajautetun tuotannon jännitteensäädön ohjaus on mahdollista toteuttaa keskitetysti. Täl-lainen ohjaustapa vaatii kuitenkin reaaliaikaisia mittauksia eripuolille verkkoa ja nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausten ja ohjauskeskuksen, sekä ohjauskeskuksen ja tuotanto-yksiköiden välille. Keskitetyssä säätöjärjestelmässä ylemmän tason säädin määrittää jännite- ja tehomittausten sekä tilaestimoinnin avulla verkon jänniteprofiilin ja muodos-taa ohjearvot joiden perusteella alemman tason säätimet ohjaavat verkkosuuntaajia. Sa-maan säätöjärjestelmään voidaan liittää myös ohjattavat loistehon kompensointilaitteis-tot. Ilman paikallisia mittauksia järjestelmä olisi kuitenkin täysin riippuvainen ylemmän tason säätimestä ja tiedonsiirtoyhteyksien toimivuudesta. Järjestelmän luotettavuutta voidaan parantaa lisäämällä suuntaajien säätöjärjestelmiin myös paikalliset mittaukset ja itsenäinen taajuus- ja jänniteohjeiden muodostus. Silloin ylemmän tason säätimen tai tiedonsiirron vioittuessa suuntaajia voidaan ohjata paikallisten mittausten perusteella.(8)

7

Keskitetyn säätöjärjestelmän hyviä puolia on mahdollisuus häviöiden pienentämi-seen loistehovirtausta optimoimalla ja säätöjärjestelmän helppo parantaminen. Verkossa jossa on paljon pieniä, kaukana toisistaan sijaitsevia tuotantoyksiköitä, keskitetty ohjaus on kuitenkin epäkäytännöllinen ja tulee kohtuuttoman kalliiksi tuotettuun energiamää-rään nähden. Lisäksi tuotannon riippuvuus tiedonsiirron toimivuudesta lisää järjestel-män häiriöalttiutta. Siksi hajautetun tuotannon verkkovaihtosuuntaajien ohjaukseen on kehitetty tahtigeneraattoreiden toimintaa matkivia menetelmiä, jotka säätävät vaih-tosuuntaajan ulostulojännitteen amplitudia ja vaihekulmaa paikallisten mittausten perus-teella niin, että suuntaaja tuottaa halutun pätö- ja loistehon. Myös hajautetun tuotannon lisärakentaminen ja verkkoon kytkeminen on helpompaa, kun tiedonsiirtoyhteyksien ra-kentaminen ja tuotantoyksikön liittäminen keskitettyyn säätöjärjestelmään on tarpeeton-ta.(8, 9)

3.2.1. Jännitteensäädön koordinaatio säteittäisessä jakeluverkossa

Paikallisiin mittauksiin perustuvassa jännitteensäädössä säätimet eivät saa laajempaa tietoa verkon tilasta, vaan suorittavat säätöä puhtaasti tuotantoyksikön liittymispisteen jännitteen perusteella. Ilman koordinaatiota ongelmaksi saattaa muodostua ristiinsäätö, toinen jännitteensäätölaite pyrkii säätämään jännitettä alaspäin ja toinen ylöspäin, jol-loin säätölaitteiden välillä siirrettävä loisteho lisää siirtohäviöitä ja kuormittaa turhaan jännitettä säätäviä laitteita. Huonosti viritetty paikallisiin mittauksiin perustuva jännit-teensäätö saattaa aiheuttaa myös turhaa käämikytkimen askellusta ja turhia kompensoin-tikondensaattoreiden verkkoon ja verkosta pois kytkentöjä, mikä aiheuttaa verkkoon nopeita jännitemuutoksia, kytkentätransientteja ja kytkinlaitteiden kulumista. Koordi-naatiolla voidaan myös kasvattaa verkon siirtokykyä ja vähentää siirtohäviöitä määrit-tämällä eri puolilla verkkoa olevien jännitteensäätölaitteiden ohjearvot kulloisenkin kuormitustilanteen mukaan ja antamalla verkon jännitteiden vaihdella hyväksyttävissä rajoissa. (2)

Koordinaatio voi perustua esimerkiksi käytöntukijärjestelmän tilaestimoinnin ja eri puolilta verkkoa kerätyn mittaustiedon avulla määritettyyn tietoon verkon tilasta. Tä-män tiedon perusteella ylemmän tason säädin määrittää ohjearvot jännitettä säätävien laitteiden säätöjärjestelmille. Toinen vaihtoehto olisi alemman tason säätimien säätöal-goritmien muuttaminen verkon tehonjakotilanteen muuttuessa tai säädön siirtäminen kokonaan ylemmän tason säätimille. Asetusarvojen säätö on näistä kahdesta yksinker-taisempi vaihtoehto, koska alemman tason säätimiä ei tarvitse muuttaa vaan tiedonsiir-toyhteyksien ja ylemmän tason säätimen lisääminen riittää. (2)

8

Kuva 5.

Kuvan 5. kaltaisessa järjestelmässä voidaan koordinaation avulla jakaa loistehotuo-

tantoa sähköaseman kompensointikondensaattoreiden ja tuotantoyksikön verkkosuun-taajan kesken sen mukaan kummalla johtolähdöllä loistehotarvetta ilmenee. Käämikyt-kintä kompoundisäädöllä ohjattaessa saattaa jännite pudota lähdöllä jossa ei ole tuotan-toa kun tuotantoyksikkö tuottaa verkkoon paljon tehoa. Tuotanto toisella johtolähdöllä pienentää muuntajan kuormitusvirtaa, jolloin jännitteensäätörele ohjaa kiskojännitteen matalammaksi ja jännitetaso laskee lähdöllä jolla ei ole tuotantoa. Jos ylemmän tason säädin saa tiedon tuotantoyksikön tehosta, se voi määrittää kiskojännitteen ohjearvon niin että toisella lähdöllä jännitteet eivät laske. Koordinaation avulla myös käämikytki-men turha askellus voidaan estää laskemalla ennen säädön suorittamista kuormitustilan-teeseen sopivin käämikytkimen asento ja verkkosuuntaajan tuottama loisteho sekä mää-rittämällä näiden perusteella asetusarvot paikallisille säätimille. (2)

3.2.2. Jännitemuutoksen aiheuttavat tekijät.

Avojohdon pituuden ollessa alle 100km tai kaapelin pituuden ollessa alle 20km kuormi-tusvirran johdolla aiheuttama jännitemuutos saadaan riittävällä tarkkuudella yhtälöstä: ( )φφ sincos3 LL XRIV +⋅⋅=Δ Jossa ja ovat johdon resistanssi ja reaktanssi, LR LX φ on jännitteen ja virran välinen kulma ja I johdolla kulkeva virta. Yhtälöstä nähdään, että jännitteen ja virran välinen kulma φ ja johdon reaktanssin ja resistanssin suhde vaikuttavat voimakkaasti johdolla tapahtuvaan jännitemuutokseen. Jännitemuutoksen suhdetta ennen muutosta olleeseen jännitetasoon voidaan arvioida myös muodossa:

2UQXPR

UV LL +≈

Δ

Jossa U on jännitetaso ennen muutosta, P on johdolla siirretty pätöteho ja Q johdolla siirretty loisteho. Yhtälö ei ota huomioon jännitettä vastaan kohtisuorassa olevaa jänni-tehäviökomponenttia, joka tulee sitä merkittävämmäksi mitä heikompi verkko on ja mi-

9

tä suurempi on johdolla siirretty teho. Siitä kuitenkin nähdään helposti jännitemuutok-sen aiheuttavat tekijät. Jännitemuutoksen suuruuteen vaikuttavat johdon impedanssi ja johdolla siirrettävä patö- ja loisteho. Siirretyn pätötehon aiheuttama jännitemuutos voi-daan kompensoida siirtämällä loistehoa päinvastaiseen suuntaan. (10, 18)

Loistehon siirrolla saavutettava jännitemuutos riippuu suuresti verkon X/R suhteesta ja siten jännitetaso ja käytetty johdintyyppi vaikuttavat paljon jännitteensäätömahdolli-suuksiin. Pienjännitteellä johtojen impedanssissa määräävänä tekijänä on resistanssi. Keskijänniteavojohdoilla resistanssi ja reaktanssi ovat samaa suuruusluokkaa ja kaape-leilla resistanssi on jonkin verran reaktanssia suurempi. Suurjänniteavojohdoilla reak-tanssi on määrävä tekijä ja resistanssi voidaan jättää huomiotta. Pienjänniteellä ja keski-jännitekaapeleilla, joilla X/R suhde on usein pieni, jänniteprofiili riippuu pääasiassa siir-rettävästä pätötehosta ja jännitteensäätö on vaikea toteuttaa suuntaajan loistehoa muut-tamalla. Toisaalta kaapeleilla siirtoetäisyydet ovat yleensä suhteellisen lyhyitä ja siirto-kyky määräytyy useimmiten lämpenemän eikä jännitemuutosten perusteella, joten kaa-peliverkoissa ei kuormavirran aiheuttaman jännitemuutoksen kompensoinnille ole tar-vettakaan niin paljon kuin avojohdoilla. Sen sijaan maakaapelit tuottavat jo keskijännit-teellä merkittävän määrän loistehoa, joka jännitteen nousun estämiseksi pitää siirtää asi-akkaiden kuluttamaksi, ylemmälle jännitetasolle tai kompensoida reaktoreilla. Maakaa-peliverkkoon liitettyjä verkkosuuntaajia voitaisiin hyödyntää myös kaapelin tuottaman kapasitiivisen loistehon kuluttamiseen. Avojohdoilla lämpenemä ei yleensä ole ongel-mana, vaan mitoituksessa jännitteen alenema tai nousu on ratkaiseva tekijä. Avojohdoil-la X/R suhde on huomattavasti kaapeliverkkoja suurempi, joten jännitteensäätö onnistuu kohtuullisella loistehon siirrolla. (1, 2, 7, 10, 11)

Johto Jännitetaso kV

Resistanssi Ω/km

Reaktanssi Ω/km

Kuormitettavuus A

X/R

Amka 3×16+25

0,4 2,0 0,11 70 0,055

Amka 3×76+95

0,4 0,5 0,10 140 0,2

Swan (24/6)

0,4 1,5 0,4 155 0,26

Sparrow (34/6)

20 0,85 0,38 210 0,45

Raven (54/9)

20 0,54 0,4 280 0,74

Al132 20 0,22 0,35 495 1,6 AHXAMK-W 3×120

20 0,26 0,13 265 0,5

Duck 110 0,05 0,3 845 6 Taulukko 1. Johtojen ominaisuuksia. (20)

10

Loistehon siirto johdolla aiheuttaa johtimen resistansseissa tehohäviöitä. Tästä syys-tä usein olisi järkevämpää käyttää ensin sähköaseman päämuuntajan käämikytkimen säätövara ja ottaa hajautetun tuotannon loistehon säätö käyttöön vasta, kun käämikytki-mellä ei saada pidettyä johdon jännitteitä vaaditulla tasolla. Tämä voidaan toteuttaa koordinaatiolla, mutta se onnistuu myös paikallisten mittausten perusteella pitämällä suuntaajan tehokerroin vakiona niin kauan kun jännite pysyy sille määriteltyjen vaihte-lurajojen sisällä ja ottamalla loistehon säätö käyttöön vasta kun jännite pyrkii mene-mään rajojen ulkopuolelle. Loisvirran aiheuttamien häviöiden takia verkkovaihtosuun-taajalla suoritettu jännitteensäätö sopii parhaiten käytettäväksi lyhytaikaisissa huippute-hotilanteissa sellaisten tuotantomuotojen yhteydessä joilla huipunkäyttöaika on verraten pieni, sekä nopeista tehomuutoksista aiheutuvan välkynnän ehkäisemiseen. Kaapeliver-koissa kuormitusvirrasta johtuvan jännitemuutoksen kompensointiin tarvitaan kaapelin impedanssin resistiivisen luonteen takia hyvin paljon loistehoa, jolloin tehohäviöt kaa-pelissa saattavat kasvaa niin suuriksi ettei loistehon avulla suoritettu jännitteensäätö ole mielekästä. Yleensä verkkovaihtosuuntaajat on mitoitettu tuotantolaitoksen tuottaman suurimman pätötehon mukaan. Myös loistehon tuotanto kuitenkin kuormittaa vaih-tosuuntaajaa, joten sekin pitää ottaa huomioon jännitteen säätöön käytettävän suuntaa-jan mitoituksessa. (1, 2, 8, 12)

3.3. Loissähköikkunat

Vielä nykyään tuotantolaitosten ei yleensä oleteta osallistuvan jännitteensäätöön millään tavalla ja verkkoonkytkeytymislupa annetaan vain tuotantolaitoksille jotka voivat tuot-taa huipputehonsa kaikissa kuormitustilanteissa. Useimmat jakeluverkkoyhtiöt sallivat loistehon syöttöä jakeluverkkoon 16 tai 20 % tuotetun pätötehon määrästä ja tämän yli-menevältä osalta peritään loistehomaksuja. Koska jännite ei tuotantolaitoksille kytkey-tymisluvassa määritettyjen tehorajoitusten takia yleensä pääse missään normaalissa kuormitustilanteessa nousemaan sallittujen rajojen yläpuolelle, eikä tuotantolaitoksen omistaja hyödy jännitteen säädön toteuttamisesta, käytetään loistehonsäätöön kykene-viäkin tuotantoyksiköitä useimmiten jatkuvasti tehokertoimella yksi. (2, 21)

Ajoittaisten yli- ja alijänniteongelmien hallinnassa olisi tuotantoyksiköiden jännit-teensäädöstä hyötyä sekä verkkoyhtiölle, että tuotantoyksikön omistajalle. Verkkoyhti-ölle hyöty tulisi parantuneena sähkön laatuna ja mahdollisesti pienempinä investointeina kompensointilaitteisiin, tuotantolaitoksen omistajalle pääasiassa alentuneina liittymis-kustannuksina kun verkon vahvistuksilta vältytään. (22)

Kun hajautettua tuotantoa käytetään jakeluverkon jännitteen säätöön, säätöön käy-tetty loisteho pitää myös syöttää johdolle jotenkin. Tarvittava loisteho voidaan joko ot-taa kantaverkosta, tuottaa itse sähköasemalle sijoitetulla kondensaattoriparistolla, tai mahdollisesti tuottaa toisella hajautetulla tuotantoyksiköllä, jos sellainen on jännitteen-säädön kannalta sopivassa paikassa. Suunnitteluvaiheessa pitää näin ollen varmistua sii-

11

tä, että kompensointikapasiteetti sähköasemalla on riittävä, jotta tarvittavaa loistehoa ei tarvitse ostaa kantaverkosta.

Kuva 6. Kantaverkon loissähköikkuna

Kantaverkosta ilman erillistä korvausta otetun ja sinne syötetyn loistehon määrän määrittää loissähköikkuna. Loistehosiirrosta ei tarvitse maksaa, kun loissähkön otto ja kantaverkkoon syöttö pysyvät toimituspisteryhmäkohtaisesti määritettyjen Qs arvojen sisällä tai loistehon otto on korkeintaan 16% otetun pätötehon arvosta. (23)

3.4. Saarekekäyttö

Sähkönkäyttäjien kokemien verkkokatkojen määrää ja kestoaikaa voitaisiin vähentää siirtymällä vikatilanteissa ja suunniteltujen huoltokatkojen aikana saarekekäyttöön. Saa-rekkeen irtikytkentä vikatilanteessa ja tahdistus takaisin verkkokäyttöön vian poistuttua tosin vaatisivat teknisesti hyvin kehittyneen järjestelmän. Saarekekäytössä tuotantolai-tos tai useampi syöttää tehoa pienelle muusta verkosta erotetulle alueelle. Silloin verk-kovaihtosuuntaajien pitää pystyä huolehtimaan jännitteensäädöstä ja taajuuden ylläpi-dosta itsenäisesti. Saarekekäytössä jännitteensäätö eroaa tilanteesta, jossa tuotantoyk-sikkö on kytkettynä jakeluverkkoon ja se voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla. Käytetty säätötapa riippuu verkon impedanssin luonteesta, eli sen X/R suhteesta ja verkkoon kyt-ketyn tuotannon verkkoonliityntätavasta.(13)

Saarekekäytössä osan suuntaajista pitää toimia VSI (Voltage Source Inverter) ohja-uksessa huolehtien verkon jännitteensäädöstä ja tehotasapainon ylläpidosta. Näiden tuo-tantoyksiköiden pitää kyetä nopeaan tehonsäätöön. Muut verkkoon kytketyt suuntaajat voivat toimia PQ ohjauksessa ohjaten ulostulojännitettä ja taajuutta niin, että syöttävät kaiken saatavilla olevan energian vakiotehokertoimella verkkoon. Saarekekäytössä ge-neraattoreiden hitausmassoihin on usein varastoitunut melko vähän energiaa. Jos käytet-tävissä ei ole tuotantoa jonka tehoa pystytään säätämään riittävän nopeasti tai kuormi-

12

tuksen muutokset ovat suuria ja nopeita, saattaa jonkinlaisen nopeasti purettavan ener-giavaraston kuten vauhtipyörän tai jännitteensäädöstä huolehtivan suuntaajan välipiiriin kytketyn akuston tai kondensaattoripariston käyttö olla tarpeellista, jotta jännite ja taa-juus saadaan pidettyä vakaana nopeissa kuormituksen muutostilanteissa. (13)

13

4. Suuntaajan ohjaus paikallisten mittausten perus-teella

Johdolle pisteestä A syötetty teho voidaan ilmaista yhtälöllä:

2

222

1212

1

1211

*

121

1*

1

BUjee

ZUU

eZ

U

jBUZe

eUUUBU

ZUU

UIUjQPS

jjj

j

j

⋅−−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅−

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−==+= −

θδθ

θ

δ

Kuva 3. Jakamalla edellinen yhtälö reaali- ja imaginääriosiin, pätö- ja loisteholle saadaan yhtä-löt:

θδθδ sinsincoscos 21212

1

ZUU

ZUU

ZU

P +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2sincossincos

212121

21 BU

ZUU

ZUU

ZUQ ⋅

−−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= δθθδ

Johdoilla joilla reaktanssi on huomattavasti suurempi kuin resistanssi ja joiden suskep-tanssi on merkityksettömän pieni, impedanssi voidaan olettaa puhtaasti induktiiviseksi,

XZ = ja °= 90θ . Tehoyhtälöt saadaan muotoon:

δsin21

XUUP =

δcos212

1

XUU

XUQ −=

Sähköverkoissa tehokulma δ on yleensä pieni joten 1cos ≈δ ja δδ ≈sin . Näillä ole-tuksilla edellä olevat yhtälöt yksinkertaistuvat vielä muotoon:

δXUUP 21=

)( 21121

21 UU

XU

XUU

XUQ −=−=

14

Yhtälöistä nähdään että johdolla, jonka impedanssi on pääasiassa induktiivinen, siirretty pätöteho riippuu lähinnä jännitteen vaihekulmasta ja loisteho jännite-erosta johtimen päiden välillä. Todellisilla jakeluverkoilla impedanssin resistiivinenkin osa on merki-tyksellinen ja aiheuttaa jännitteensäätöön ristikkäisvaikutuksia, jolloin myös pätötehon siirto vaikuttaa johdon päiden väliseen jännitteeseen ja vaihekulmaero loistehon siir-toon. (14, 15)

4.1. Rinnankytketyt suuntaajat

Jakeluverkkoa syöttävät suuntaajat kytkeytyvät verkossa rinnan, jolloin kaksi verkkoon kytkettyä suuntaajaa voidaan esittää kuvan 7. sijaiskytkennän avulla. Verkossa, jonka reaktanssissa induktanssi on selvästi muita komponentteja suurempi, rinnan kytkettyjen vaihtosuuntaajien välillä siirretty pätö- ja loisteho voidaan laskea yhtälöistä

( ) δω

sin21

211 LL

UUPN +

⋅=

( ) ( ) δωω

cos21

21

21

21

1 LLUU

LLUQ

NN +⋅

−+

=

Kuva 7. Rinnan kytketyt suuntaajat

Pätötehon siirto aiheutuu suuntaajien tuottamien jännitteiden välisestä vaihekulma-erosta δ . Kun jännitteet ovat samassa vaiheessa 0sin =δ eikä tehoa siirry suuntaajien välillä. Loistehon siirto aiheutuu jännitteiden amplitudien erosta. Kun suuntaajien tuot-tamat jännitteet ovat samassa vaiheessa 1cos =δ ja kun lisäksi jännitteet ja ovat yhtä suuria, menee loistehon yhtälö nollaan. Vakio-ohjeilla järjestelmä on hyvin epäva-kaa ja pienikin ero jännitteiden vaihekulmissa tai amplitudeissa aiheuttaa suuntaajien välille suuren virran. Koska jännitteissä on komponenttien toleranssien, lämpötilan ai-heuttaman ominaisuuksien muuttumisen, ikääntymisen ja säätöjärjestelmän toiminnan takia aina pieni ero, ei rinnan kytkettyjä suuntaajia voida ohjata vakiona pysyvillä jänni-te ja taajuusohjeilla (12)

1U 2U

15

4.2. Droop-control induktiivisessa verkossa

Näiden menetelmien erityispiirre on se, että paikallisessa jännitteen ja taajuuden säädös-sä käytetään ainoastaan P-säädintä ja integraali ja derivaatta termit puuttuvat säätimestä. Hajautetun tuotannon ohjaus ilman tiedonsiirtoyhteyksiä on mahdollista saavuttaa aino-astaan jos pienet erot jännitteen ja taajuuden arvoissa sallitaan. Tässä ohjaustavassa jän-nitteensäätimille määritellään nimellisjännite, nimellistaajuus ja ohjausfunktioiden kul-makertoimet, jotka määräävät sen, kuinka säätöjärjestelmä reagoi verkkoon siirretyn te-hon ja verkkojännitteen muutoksiin. Menetelmää voidaan laajentaa liittämällä siihen kapean kaistanleveyden tiedonsiirtoyhteyden kautta keskitetty ohjaus, joka lisää säätöön integraalitermin ja parantaa säädön tarkkuutta (12, 14)

Taajuuden säätö vaikuttaa vaihekulmaan ja siten siirrettyyn pätötehoon. Koska tark-ka taajuuden hetkellisarvon mittaus on vaikea toteuttaa, on helpompi mitata suuntaajan pätötehoa ja säätää sen perusteella taajuutta kuin toisinpäin. Tämän ja tehonsiirtoyhtä-löiden perusteella voidaan muodostaa yhtälöt joihin droop control-ohjaus perustuu.

)( 00 PPkff p −−=− )( 00 QQkUU q −−=−

Yhtälöissä ja ovat nimellistaajuus ja nimellisjännite, ja tehojen ohjearvot, ilman alaindeksiä olevat suureet todellisia mitattuja hetkellisarvoja ja ja säätimen

vahvistuskertoimet. Yhtälöt voidaan esittää kuvaajina, kuten kuvassa 8. on tehty. (12, 14, 15)

0f 0U 0P 0Q

pk qk

Kuva 8. Taajuuden ja jännitteen ohjausfunktiot.

Näiden kuvaajien perusteella suuntaajan tuottaman jännitteen taajuutta säädetään alaspäin kun verkkoon syötetty teho ylittää tuotantoyksikön tuottaman tehon ja ylöspäin kun tuotantoyksikkö tuottaa suuremman tehon kuin verkkoon syötetään. Jännitteen sää-tö puolestaan vaikuttaa verkkoon syötettyyn loistehoon. Suuntaajan tuottamaa jännitettä kasvatettaessa, virta jää jännitteestä jälkeen ja verkkoon syötetty loisteho kasvaa. Jänni-tettä pienennettäessä virta siirtyy jännitteen edelle ja suuntaaja alkaa ottaa loistehoa ver-kosta.(14, 16)

16

4.3. Droop-control resistiivisessä verkossa

Suuntaajan ulostuloimpedanssin arvo vaikuttaa suuntaajan ohjaustapaan. Yleensä verk-kosuuntaajissa käytetään induktiivista L- tai LCL-verkkosuodinta. Korkeammilla jänni-tetasoilla suuntaajan ja verkon välissä on lähes aina muuntaja jonka käämitykset jo usein muodostavat riittävän impedanssin ja lisäksi suuntaajan syöttämän johdon impe-danssi voidaan joissakin tapauksissa ottaa huomioon ulostuloimpedanssia määritettäes-sä. Pienjänniteverkoissa muuntajaa ei kuitenkaan tarvita ja syötettävien johtojen impe-danssi on usein pääasiassa resistiivinen, joten toisenlaisen ohjaustavan käyttö saattaa ol-la perusteltua saarekekäytössä kun verkkoon on kytketty tuotantoa ainoastaan verk-kosuuntaajien kautta.

Kun johdon induktanssi on resistanssiin verrattuna merkityksettömän pieni, voidaan olettaa että RZ = ja °= 0θ . Kun tehokulmasta tehdään lisäksi sama oletus kuin induk-tiivisen johdon tapauksessa, saadaan resistiiviselle johdolle yhtälöt:

)( 211 UU

RUP −=

δRUUQ 21=

Tämän mukaan resistiivisessä verkossa pätöteho määräytyy jännite-eron ja loisteho vai-hekulmaeron perusteella. Ohjausfunktiot ovat käänteiset induktiiviseen tilanteeseen ver-rattuna.

Kuva 9. Taajuuden ja jännitteen ohjausfunktiot resistiivisellä suuntaajan ulostuloimpe-danssilla. Resistiivisillä johdoilla loistehoa ei voida käyttää jännitteensäätöön, joten pätötehon siirto on tärkein säädössä huomioitava asia. Pätötehon siirto taas riippuu jännite-erosta johtimen päiden välillä, joten suuntaajaan toimiessa PQ-ohjauksessa jännitettä kasvate-taan kun verkkoon syötettyä tehoa halutaan lisätä ja jännitettä pienennetään kun syötet-tyä tehoa halutaan vähentää. Verkon jännitteensäädöstä ja tehotasapainosta huolehtivan tuotantoyksikön suuntaajan VSI-ohjauksessa (Voltage Source Inverter) verkkoon syö-tettävää tehoa säädetään niin, että jännite pysyy määriteltyjen vaihtelurajojen sisällä. (12)

17

Käänteiset ohjausfunktiot eivät sovellu käytettäväksi verkoissa, joihin on kytketty perinteisillä funktioilla ohjattuja tahtigeneraattoreita tai verkkosuuntaajia, koska niiden käyttö muuttaisi tällaisen järjestelmän epävakaaksi. Siten käänteisten funktioiden käyt-tömahdollisuudet rajoittuvat saarekekäyttöön verkoissa, joihin on kytketty tuotantoa ai-noastaan käänteisillä funktioilla ohjattujen verkkosuuntaajien kautta. (12)

Suuntaajan ulostuloimpedanssi voidaan muuttaa resistiiviseksi myös induktiivisilla johdoilla lisäämällä ulostuloon pieni resistanssi. Tämä kasvattaa häviöitä, mutta resistii-visen ulostuloimpedanssin ja käänteisten ohjausfunktioiden käytöllä saavutetaan muu-tamia etuja perinteisiin ohjausfunktioihin verrattuna. Näitä ovat järjestelmän parempi vaimennus ja vakaus, harmonisten yliaaltojen automaattinen jakautuminen tuotantoyk-siköiden välillä ja se, että erot vaihekulmaohjeissa eivät vaikuta pätötehon jakautumi-seen. (15)

Myös resistiivisillä johdoilla voidaan käyttää samanlaisia droop-funktioita kuin in-duktiivisillakin johdoilla. Resistiivisillä johdoilla loisteho on vaihekulman funktio. Vai-hekulmaa säädetään suuntaajalla tuotetun taajuuden kautta pätöteho/taajuus-funktiolla tuottamaan loisteho, joka loisteho/jännite-funktion kautta ohjaa jännitettä. Koska resis-tiivisillä johdoilla pätöteho on jännitteen funktio, päästään siirrettyyn pätötehoon näin vaikuttamaan taajuuden kautta. Epäsuora ohjaustapa soveltuu käytettäväksi myös ver-koissa joissa on perinteisillä funktioilla ohjattuja generaattoreita sekä verkon ollessa ja-keluverkkoon kytkettynä. (12, 9)

4.4. Esimerkki paikallisen jännitteensäädön toteutuksesta verkko-vaihtosuuntaajassa

Seuraavassa on tarkasteltu paikallisen jännitteensäädön toteutusta L-suotimen kautta verkkoon liitetyllä kaksitasoisella, vektorisäädetyllä, jännitevälipiirillisellä verkkovaih-tosuuntaajalla.

Kuva 10. Kolmivaiheinen, kaksitasoinen verkkovaihtosuuntaaja. Säätö on toteutettu verkkojännitteeseen sidotussa koordinaatistossa. Vektorisäätö mah-dollistaa Pätö- ja loistehon säädön toisistaan riippumatta. Suuntaaja syöttää kaiken tuo-tantoyksikön tuottaman tehon verkkoon, joten sen pätötehoa voidaan säätää välipiirin

18

jännitteen perusteella. Loisteho-ohje muodostetaan verkkojännitteen perusteella. Loiste-hon jakautuminen rinnan kytkettyjen suuntaajien kesken saavutetaan käyttämällä sääti-menä P-säädintä, jolloin loisteho jakautuu säätimien vahvistuskertoimien suhteessa. Virtasäätöjärjestelmässä säädettävät vaihtosuureet näkyvät tasasuureina, joten pysyvän tilan säätövirhe voidaan poistaa käyttämällä PI-säätimiä.

Kuva 11. Säätöjärjestelmä L-suodin voidaan mallintaa sarjaan kytketyillä induktansseilla ja resistansseilla, jolloin suotimen yli vaikuttavalle jännitteelle saadaan yhtälöt:

cfc

fcgncnc

bfb

fbgnbnb

afa

fagnana

iRdtdi

Lvvv

iRdtdi

Lvvv

iRdtdi

Lvvv

+=−=Δ

+=−=Δ

+=−=Δ

Parkin muunnoksella nämä kolmivaiheyhtälöt voidaan muuttaa kaksivaihemuotoon:

dtdi

LiRv

iLdtdi

LiRv

iLdtdi

LiRv

ff

dfeq

fqfq

qfed

fdfd

000 +=Δ

−+=Δ

++=Δ

ω

ω

Kahden ensimmäisen yhtälön viimeiset termit aiheuttavat ristikkäisvaikutuksia säätöön. Niitä voidaan käsitellä virtasäätimessä kuten häiriöitä. Säädin on toteutettu IMC-mallilla (internal model control) Tässä säätötavassa hyödynnetään järjestelmän, eli tässä tapauksessa verkkosuotimen, matemaattista mallia PI-säätimien virityksessä. Pulssinle-

19

veysmodulointi ja vaihtosuuntaussilta oletetaan ideaalisiksi, jolloin niiden siirtofunktio on yksi. Ero todellisen järjestelmän ja sen mallin käyttäytymisessä korjataan mitattujen suotimen yli olevien jännitteiden avulla.

Jättämällä ristikkäisvaikutukset huomiotta saadaan verkkosuotimelle siirtofunktio:

ff RsLsG

+=

1)(

PI-säätimien siirtofunktio K(s) saadaan suotimen siirtofunktion käänteisarvon avulla:

)()( 1 sGss

kksK ci

p−=+=

α,

eli P-vahvistus fcp Lk α= ja I-vahvistus fci Rk α= , joissa cα on virtasäätösilmukan

kaistanleveys.

Kuva 12. Virtasäädin. Virtasäätimen lohkokaavio on kuvassa 12. Lohkokaaviossa olevat virrat id ja iq. ovat mi-tattujen virtojen ja suotimen yli olevan jännitteen perusteella suotimen matemaattisen mallin avulla laskettujen virtojen erotukset. (19)

20

5. Yhteenveto

Parhaat sijoituspaikat hajautetulle tuotannolle löytyvät yleensä syrjäisiltä, harvaan asutuilta seuduilta, joilla sähkönjakeluverkko on verraten heikko. Heikoilla johdoilla ha-jautetun tuotannon verkkoon kytkemisessä tulee usein ongelmaksi jännitteennousu suu-ren tuotannon aikana sekä tuotannon vaihtelusta aiheutuvat nopeat jännitemuutokset. Tuotantoyksikön verkkovaihtosuuntaajalla toteutettu jännitteensäätö olisi edullinen rat-kaisu jänniteongelmiin.

Verkkovaihtosuuntaajalla toteutettu jännitteensäätö perustuu suuntaajan tuotta-man/ottaman loistehon ohjaamiseen ja aiheuttaa tehohäviöitä jakeluverkossa. Jännitteen nousu muodostuu sitä suuremmaksi, mitä suurempi on tuotantoyksikön johdolle syöt-tämä teho. Mitä enemmän verkkosuuntaajalla pitää jännitettä laskea, sitä suuremmiksi muodostuvat johdolla syntyvät häviöt. Siksi verkkovaihtosuuntaajalla toteutettu jännit-teensäätö sopii parhaiten käytettäväksi sellaisen tuotannon yhteydessä jolla tuotantolai-toksen huipunkäyttöaika on pieni ja tarve voimakkaaseen jännitteensäätöön on tilapäis-tä. Tällöin selvitään ilman verkonvahvistuksia, eikä tuotantoa tarvitse rajoittaa, mutta johdolla syntyviin häviöihin hukkuva energiamäärä pysyy silti pienenä.

Johdon impedanssin X/R- suhteella on merkittävä osuus jännitteensäätömahdolli-suuksiin johdolla. Suhteen ollessa pieni johdolla siirrettävä loisvirta aiheuttaa paljon hä-viöitä ja pienen jännitemuutoksen. Suhteen ollessa suuri loisvirran aiheuttamat häviöt jäävät vähäisiksi ja aikaansaadaan suuri jännitemuutos. Siten verkkosuuntaajalla suori-tettu kuormitusvirran aiheuttaman jännitemuutoksen kompensointi soveltuu parhaiten käytettäväksi Keski- ja Suurjänniteavojohdoilla. Kaapeliverkoissa ja pienjännitteellä saavutettava jännitemuutos jää usein niin pieneksi, ettei jännitteensäätö kannata. Kaape-lin kuormittamista rajoittaa usein lämpenemä eikä jännitteennousu, joten kuormavirran aiheuttama jännitemuutos ei yleensä edes ole ongelma kaapeliverkoissa. Sen sijaan kaa-peliverkoissa verkkosuuntaajia voidaan käyttää kaapelin tuottaman loistehon kompen-sointiin.

Saarekekäytössä verkkovaihtosuuntaajat ovat usein ainoita verkkoon kytkettyjä jän-nitteensäätöön kykeneviä komponentteja ja verkot kaapeliverkkoja. Verkossa jonka X/R suhde on pieni, jännite määräytyy johdoilla siirrettävän tehon perusteella. Siten saareke-käytössä jännitteensäädön päätavoite on usein tehotasapainosta huolehtiminen ja jänni-teensäätömenetelmätkin poikkeavat jonkin verran tilanteesta jolloin hajautettu tuotanto on kytketty jakeluverkkoon.

21

6. Lähteet

1) Morren, J., de Haan, S.W.H., Ferreira, J.A. Distributed Generation Units to Voltage Control in Distribution Networks. Universities Power Engineering Con-ference 6-8 Sept. 2004. UPEC 2004 39th International, Volume 2, Sivut:789 - 793 vol. 1

2) Kulmala, A. Aktiivisen jännitteensäädön soveltaminen Högsåran verkossa. ElDiG-projektin raportti. 46 s.

3) Joos, G., McGillis, D,. Ooi, B.T., Galiana, F.D., Marceau, R. The Potential of Distributed Generation to Provide Ancillary Services. Power Engineering So-ciety Summer Meeting, 16-20 July 2000. 2000 IEEE, Volume 3, Sivut 1762 – 1767 vol. 3

4) Laaksonen, H., Repo, S., Tuulivoimateknologia sähkönjakeluverkoissa, Tampe-re 2003, Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikka, Raportti 1-2003. 88 s.

5) Björnstedt, J., Ström, M. Power Electronic Voltage and Frequency Control for Distributed Generation System. Report of master thesis project. Lund 2005. Lund University, Lund Institute of Technology, Department of Industrial Elec-trical Engineering and Automation. 69 s.

6) Mika Salo, Virtavälipiirillinen PWM-verkkosuuntaaja, Tampereen teknillinen yliopisto, Tehoelektroniikan laitos. Luentomoniste. 18.

7) O'Gorman, R., Redfern, M.A. Voltage Control Problems on Modern Distribution

Systems. Power Engineering Society General Meeting, 6-10 June 2004. IEEE. Sivut: 662 - 667 Vol.1.

8) Vovos, P.N., Kiprakis, A.E., Wallace, A.R., Harrison, G.P. Centralized and Dis-

tributed Voltage Control: Impact on Distributed Generation Penetration. Power Systems, IEEE Transactions on Volume 22, Issue 1, Feb. 2007. Sivut: 476 - 483

22

9) Karlsson, P., Björnstedt, J., Ström, M. Stability of Voltage and Frequency Con-trol in Distributed Generation Based on Parallel-Connected Converters Feeding Constant Power Loads. 11th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005. Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University

10) Repo, S., Laaksonen, H., Järventausta, P. Keskijänniteverkon siirtokyky jännit-teennousun perusteella - Högsåran tuulivoimalan tapaustutkimus. Tampere 2003. Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikka, Raportti 2-2003. 63 s.

11) Repo, S., Laaksonen, H., Mäkinen, A., Järventausta, P. Hajautetun tuotannon

huomioiminen sähkönjakeluverkon suunnittelussa. Tampere 2003. Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikka, Raportti 3-2003. 45 s.

12) Engler, A. Applicability of droops in low voltage grids. 2005, Institut für Solare

Energieversorgungstechnik, Verein an der Universität Kassel e.V. International Journal of Distributed Energy Resources, Journal no. 1. 5 s.

13) Lopes, J.A.P., Moreira, C.L., Madureira, A.G. Defining Control Strategies for

MicroGrids Islanded Operation. Power Systems, IEEE Transactions on Volume 21, Issue 2, May 2006. Sivut: 916 – 924.

14) De Brabandere, K., Bolsens, B., Van den Keybus, J., Woyte, A., Driesen, J.,

Belmans, R., Leuven, K.U. A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters. Power Electronics Specialists Conference, 2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual, Volume 4, 2004 Sivut: 2501 – 2507 Vol. 4.

15) Guerrero, J.M., Berbel, N., Matas, J., de Vicuna, L.G., Miret, J. Decentralized Control for Parallel Operation of Distributed Generation Inverters in Microgrids Using Resistive Output Impedance. IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference, Nov, 2006. Sivut: 5149 - 5154

16) Kothari, D.P., Nagrath, I.J. Modern Power System Analysis. First reprint. New Delhi 2004, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. 693 s.

17) Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P. Power Electronics, Converters, Ap-lications, and Desing. Third edition, John Wiley & Sons, Inc. 802 s.

18) Teknisiä tietoja ja taulukoita –käsikirja. 2000-07, ABB

23

19) Morren, J., de Haan, S.W.H., Ferreira, J.A. Model reduction and control of elec-

tronic interfaces of voltage dip proof DG units. Power Engineering Society General Meeting, June 2004. Sivut: 2168 - 2173 Vol.2

20) Partanen, J. Sähkönjakelutekniikka, sähköjohtotekniikka, Lappeenrannan teknil-

linen yliopisto. Luentokalvot.

21) Laaksonen, H. Hajautetun tuotannon tilastollisuuden ja keskijänniteverkon aktii-visen jännitteensäädön huomioiminen verkostolaskennassa. Diplomityö. Tampe-re 2004. Tampereen teknillinen yliopisto, ympäristötekniikan osasto. 152 s.

22) Repo, S., Laaksonen, H., Mäki, K., Mäkinen, A., Järventausta, P. Hajautetun

sähköntuotannon vaikutukset keskijänniteverkossa. Tampere 2005. Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikkan laitos, Tutkimusraportti 2005:3. 183 s.

23) Fingrid. Loissähkösopimusten laatimisperusteet ja soveltamisohje. 24.8.2006