Sähkön pientuotannon aiheuttamien jänniteongelmien hallinta inverttereiden Q(U)-säädön ja uusimman sukupolven AMI-teknologian avulla

Abstract

Sähkön pientuotannon määrä tulee kasvamaan merkittävästi Suomessa, kuten myös pientuotannon sähköverkkoon aiheuttamat jänniteongelmat. Tämä diplomityö käsittelee kahta eri teknologiaa, joiden avulla voidaan vähentää näitä ongelmia; pientuotantoinverttereiden loistehon säätämistä jännitteen funktiona, eli Q(U)-säätöä, sekä uusimman sukupolven AMI-teknologiaa, jolla viitataan uusiin älykkäämpiin sähkökulutusmittareihin järjestelmineen. Työssä tutkitaan, kuinka paljon pientuotantoinverttereiden Q(U)-säätö auttaa hillitsemään pienjänniteverkon jänniteongelmia, sekä miten pientuotannon aiheuttamia pienjänniteverkon jänniteongelmia voidaan ehkäistä Q(U)-säädön ja AMI-teknologian avulla suunnittelun näkökulmasta. Merkittävimpinä pientuotannon aiheuttamina jänniteongelmina pidetään nopeaa jännitemuutosta sekä jännitteen nousua. Koska nopea jännitemuutos on tähän asti huomioitu hyvin verkon mitoituksessa, ja koska nopeat jännitemuutokset eivät ole niin yleisiä kuin on aikaisemmin saatettu olettaa, työssä keskitytään pientuotannon jänniteongelmista jännitteen nousuun. Uusi verkostosuositus YA 9:23 tulee yleistämään Q(U)-säädön pienjänniteverkoissa. Verkosto suosituksessa määritetään Suomessa käyttöön tulevat Q(U)-säätöparametrit, ja työssä tutkitaan Q(U)-säädön tehokkuutta näillä säätöparametreillä. Työssä toteutettiin uusien älymittareiden avulla kenttätutkimus, jossa tutkittiin yksittäisen Q(U)-säätävän invertterin vaikutusta suurimpiin liittymispisteessä esiintyviin jännitteisiin, ja kenttätutkimuksen tuloksia arvioitiin laskelmien avulla. Haastavien tutkimusolosuhteiden johdosta kenttätutkimuksen tulokset olivat vain osittain hyödynnettävissä. Lisäksi useamman Q(U)-säätävän invertterin yhteisvaikutusta pienjänniteverkon maksimijännitteisiin arvioitiin katsauksella neljään aikaisempaan simulaatiotutkimukseen. Q(U)-säätö tulee myös vaikuttamaan pientuotannon liittämisen prosesseihin verkkoyhtiössä. Nykyinen pientuotannon liittämisen jänniteongelmia ennakoiva tarkastelumenetelmä vaatii kehittämistä, koska siinä käytetty verkkotietojärjestelmä ei pysty nykyisellään ottamaan Q(U)-säätöä huomioon. Lisäksi tarkastelumenetelmää halutaan kehittää nykyistä tarkemmaksi ja nopeammaksi, jotta jänniteongelmia ehkäisevät verkon vahvistustoimenpiteet voidaan kohdistaa paremmin. Diplomityössä suunnitellaan AMI-teknologian hyödyntämisen implementointia osaksi pientuotantoon liittyviä tarkasteluja ratkaisuna tähän tarpeeseen. Työn lopputuloksena voidaan todeta, että Q(U)-säätö auttaa hillitsemään pientuotannon jänniteongelmia auttamalla kohtuullisesti pientuotannon aiheuttaman jännitteennousun kanssa, ilman kustannuksia tai merkittäviä negatiivisia vaikutuksia. Lisäksi AMI-teknologian hyödyntäminen pientuotannon liittämisen tarkasteluissa auttaa suunnittelun näkökulmasta ehkäisemään pientuotannon jänniteongelmia, sillä se tehostaa jännitteen nousua ennakoivaa tarkastelua ja auttaa sitä kautta saamaan verkon mitoitusta jänniteongelmia ehkäisevämmäksi.

The amount of micro-generation will increase significantly in Finland, as well as the voltage problems in the electricity grid caused by micro-generation. This thesis discusses two different technologies that can be used to mitigate these problems; the control of the reactive power of micro-generation inverters using Q(U) control, and latest generation AMI technology, which refers to new smarter electricity meters including the systems to manage them. This thesis investigates how and how much Q(U) control of micro-generation inverters helps at preventing voltage problems on the low-voltage grid, and how AMI technology can prevent voltage problems caused by micro-generation on the low-voltage grid from a grid planning perspective. The main voltage problems caused by micro-generation are considered to be rapid voltage changes and voltage increases. Since rapid voltage changes have so far been well taken into account in network sizing, and since they are rarer as previously may have been assumed, this work focuses particularly on voltage increases of the voltage problems caused by micro-generation. The new network recommendation YA 9:23 will make Q(U) control more common in low volt age networks. The network recommendation defines the Q(U) control parameters to be used in Finland, and this thesis investigates the efficiency of Q(U) control with these parameters. Using new smart meters, a field study was carried out to investigate the effect of a single inverter using Q(U) control on the maximum voltages at the connection point, and the results were evaluated by means of calculations. Due to the challenging research conditions, the results of the field study were only partially exploitable. In addition, the combined effect of several inverters using Q(U) control on the maximum voltages of the low-voltage network was evaluated by a review of four previous simulation studies. The Q(U) control will also affect the processes of connecting micro-generation to the grid in the utility company. In the context of micro-generation, the voltage analysis carried out by the grid planner should take into account the effects of Q(U) control on the low-voltage network. As the planners’ tools for taking Q(U) control into account have been insufficient so far, the implementation of AMI technology as part of the micro-generation-related processes in the utility company has been requested, among other reasons. This thesis developed solutions for this need. This thesis concludes that Q(U) control helps to mitigate the voltage problems caused by microgeneration by moderately helping with voltage level increases caused by small-scale generation, without any additional cost or significant negative impact. Furthermore, from a grid planning perspective, the use of AMI technology in the processes related to micro-generation helps to prevent voltage problems caused by micro-generation, by enhancing the predictive consideration of voltage increases and thereby helping to make network sizing more preventive of voltage problems.