Varmennetun verkon toimintavarmuuden parantaminen

Abstract

Tässä Stora Enso Oyj:n Varkauden pakkauskartonkitehtaalle tehdyssä diplomityössä tutkittiin mahdollisuuksia parantaa varmennetun sähköjärjestelmän toimintavarmuutta. Varmennettu sähkönsyöttö on tutkitussa järjestelmässä toteutettu Kaplan-turbiinin saarekekäyttömahdollisuudella. Saarekekäytön onnistumisessa on epävarmuutta, jolloin varmennetun verkon toimintavarmuus kärsii.

Työn tavoitteena oli tutkia varmennettua sähköjärjestelmää ja löytää, sekä todentaa ongelmia, jotka vaikuttavat heikentävästi varmennetun verkon toimintavarmuuteen. Työssä oli myös tarkoitus tutkia mahdollisia ratkaisuvaihtoehtoja joiden avulla löydetyt ongelman aiheuttajat saadaan poistettua ja järjestelmän toimintavarmuutta parannettua. Työssä hyödynnettiin järjestelmästä tehtyä tutkimusta sekä mittauksia. Järjestelmästä luotiin myös simulointimalli jolla pyrittiin todentamaan todellisessa järjestelmässä tapahtuvia ilmiöitä saarekkeeseen siirtymisen aikana. Näiden menetelmien lisäksi tehtiin työn aiheeseen liittyvää kirjallisuuskatsausta, jotta saatiin muodostettua kattava näkökulma tutkittavaan järjestelmään.

Tutkimuksen ja simuloinnin tulokset osoittavat, että järjestelmässä ongelman saarekekäyttöön siirryttäessä aiheuttaa suhteellisen suuri tehoero varmennetun verkon kuormituksen ja sitä syöttävän generaattorin välillä. Kuorman ollessa huomattavasti tuotantoa pienempi, saarekkeeseen siirtyminen aiheuttaa järjestelmässä taajuuden nopean nousemisen. Simuloinneissa havaittiin, että taajuus pystyy nousemaan generaattorisuojan havahtumisrajalle saakka. Generaattorisuojan laukeaminen puolestaan johtaa saarekkeen sähköntuotannon pysähtymiseen. Simulointitulokset antavat myös syyn epäillä saarekejärjestelmän ensisijaisen voimalan turbiinisäätäjän parametrien soveltuvuutta. Simulointi osoittaa, että turbiinisäätäjän tämänhetkiset parametrit tekevät voimalan säädöstä hitaan. Simuloitu voimala ei ehdi säätyä tarpeeksi pienelle teholle saarekkeeseen siirryttäessä ennen kuin ajaudutaan generaattorisuojan toimintaan.

Työssä käsiteltiin edellä mainittuihin toimintavarmuutta heikentäviin ongelmiin ratkaisuvaihtoehtoja. Tehoeron pienentämiseksi voisi selvittää mahdollisuuksia varmennetun verkon kuormituksen lisäämiseksi. Toisena vaihtoehtona olisi investoida joko akkuvarastoon tai säädeltävään hukkakuormaan, jonka avulla transienttitilan tehoeroa saadaan pienennettyä. Ensisijaisena toimenpiteenä kannattaisi kuitenkin selvittää mahdollista turbiinisäätäjän uudelleen viritystä ja tutkia olisiko mahdollista saavuttaa haluttuja tuloksia tällä tavalla. Saarekejärjestelmän toiminnan varmistaminen vaatisi saarekekokeen tekemistä, jotta saarekkeen muodostamisen onnistuminen voitaisiin varmistaa. Sopivan ajankohdan järjestäminen saarekekokeelle jatkuvatoimisessa teollisuuslaitoksessa voi kuitenkin olla haastavaa.

In this master's thesis done for Stora Enso Oyj's Varkaus packaging board mill, the possibilities to improve the reliability of the verified power system were examined. The verified power supply in the studied system is implemented with the possibility of island operation using a Kaplan turbine. The success of island operation is uncertain, which affects the reliability of the verified network's operation.

The aim of this study was to investigate the verified power system and identify and confirm the problems that negatively affect the reliability of the verified network's operation. The study also aimed to explore possible solution alternatives to eliminate the identified issues and improve the system's reliability. The study utilized existing research and measurements of the system. Additionally, a simulation model of the system was created to validate the phenomena occurring during the transition to island operation in a real system. In addition to these methods, a literature review related to the topic was conducted to provide a comprehensive perspective on the studied system.

The results of the research and simulation indicate that a relatively large power difference occurs between the verified network's load and the generator supplying it when transitioning to island operation. When the load is significantly lower than the production, transitioning to the island causes a rapid increase in frequency in the system. The simulations revealed that the frequency can rise up to the trip point of the generator protection. Tripping of the generator protection, in turn, leads to a halt in the island's power production. The simulation results also raise doubts about the suitability of the turbine governor parameters of the primary plant in the island system. The simulation shows that the current parameters of the turbine governor make the plant's regulation slow. The simulated plant does not have enough time to adjust to a lower power level when transitioning to the island before the generator protection activates.

The study discussed alternative solutions to the before mentioned problems that weaken the reliability. To reduce the power difference, possibilities to increase the verified network's load could be explored. Another option would be to invest in either a battery storage or an adjustable dummy load to reduce the power difference during the transient state. However, it is advisable to first investigate the possibility of retuning the turbine governor and examine if desired results can be achieved this way. Ensuring the operation of the island system would require conducting an islanding test to verify the successful formation of the island. However, scheduling an appropriate time for the islanding test in a continuous industrial facility can be challenging.