Sähköjärjestelmän inertian nykytila ja tulevaisuus

Abstract

Liike-energian eli inertian väheneminen on noussut haasteeksi sähkövoimajärjestelmissä ja tämä ilmiö tulee haastamaan sähkövoimajärjestelmiä yhä voimakkaammin myös tulevaisuudessa. Tehoelektroniikan avulla kytketyt tuotantolaitokset ja kuormat eivät perinteiseen tapaan tarjoa inertiaa sähkövoimajärjestelmille. Inertian väheneminen aiheuttaa haasteita sähkövoimajärjestelmien taajuusstabiiliudelle häiriötilanteissa. Tässä tutkielmassa perehdytään kirjallisuuslähteiden avulla sähkövoimajärjestelmän inertian perusteisiin, perinteisen sähkövoimajärjestelmän toimintaan inertian näkökulmasta, millä tuotantomuodoilla sähkövoimajärjestelmissä tuotetaan liike-energiaa, kuinka inertian haasteisiin voidaan vastata erilaisilla tuotanto menetelmillä, energian varastointijärjestelmillä ja siirtoyhteyksillä sekä tulevaisuuden suuntauksiin sähköjärjestelmien kehityksessä. Perinteisessä sähkövoimajärjestelmässä suuret verkon taajuudella pyörivät massat ovat tarjonneet järjestelmälle inertiaa taajuuden tasapainottamiseksi. Tuotanto, kuormat ja muut sulautetut verkon taajuudella pyörivät massat luetaan komponentteihin, jotka tuottavat inertiaa järjestelmille. Tulevaisuudessa tuotantomuotojen muuttuessa vähenevä liike-energia pyritään korvaamaan synteettisellä inertialla, jonka tärkeimpiä ominaisuuksia on sen kyky tuottaa tehovaste ja näin osallistua taajuuden säätöön. Sähkövoimajärjestelmän perusperiaate on, että kulutuksen ja tuotannon tulee olla tasapainossa joka hetki. Pienet muutokset tuotannon ja kulutuksen tasapainossa näkyvät verkon taajuudessa taustakohinana. Häiriötilanteessa syntyy tehoepätasapainotilanne, jonka seurauksena taajuus pyrkii muuttumaan. Sähkövoimajärjestelmän liike-energian määrällä suhteessa tehoepätasapainoon on vaikutusta taajuuden muutosnopeuteen ja suuruuteen. Inertian vähenemisen seurauksena sähkövoimajärjestelmien dynamiikasta on tullut yhä nopeampaa. Tämä verkon nopeampi käyttäytyminen vaatii sen hallintajärjestelmiltä pienempää viivettä, koska järjestelmällä on vähemmän aikaa vastata taajuuden muutoksiin häiriötilanteessa verrattuna perinteiseen verkkoon. Tulevaisuudessa perinteistä tuotantoa tullaan korvaamaan uusiutuvalla energiantuotannolla, kuten aurinko- ja tuulivoimalla, taajuusmuuttaja käyttöiset kuormat lisääntyvät ja tehonsiirto tasasähköyhteyksillä tulee kasvamaan. Tämä tarkoittaa suuntaajilla kytkettyjen laitteiden lisääntymistä verkossa. Tuulivoiman inertian emulointi on jo osoittanut tehokkuutensa ja tulee laajentumaan, lisäksi erilaisten energian varastointijärjestelmien integrointi osaksi sähkövoimajärjestelmiä lisääntyy. Tehoelektroniikasta voi tulla inertian ohjaukseen mahdollinen tekniikka kehittyneiden puolijohteiden ja ohjausjärjestelmien ansiosta.