Inertian rooli sähköjärjestelmän stabiiliudessa : Suomen kehitys kohti 2040-lukua
Yli-Pirilä, Juho (2024)
2024
Tieto- ja sähkötekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-11-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202411069969
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202411069969
Tiivistelmä
Sähköjärjestelmän inertia on sen pyörivään massaan varastoitunutta kineettistä energiaa. Inertia vastustaa taajuuden muutosta, jolloin sähköjärjestelmä pysyy stabiilina. Suomi kuuluu Pohjoismaiseen synkronialueeseen, joka voidaan nähdä vahvana verkkona suuren tahtituotannon määrän vuoksi. Järjestelmän stabiilius on kuitenkin mahdollisesti uhattuna, sillä merkittävä määrä tuuli- ja aurinkovoimaa aiotaan liittää verkkoon tulevina vuosikymmeninä.
Tämä työ tarkastelee sähköjärjestelmän inertian roolia erityisesti taajuusstabiiliuden näkökulmasta. Kineettinen energia ja synteettinen inertia esitellään, ja niitä analysoidaan
sähköjärjestelmän toiminnan kannalta. Sähköjärjestelmän stabiiliuden näkökulmaa tarkennetaan kiinnittäen erityistä huomiota tehokulma-, taajuus- ja suuntaajaohjattuun stabiiliuteen. Taajuusstabiiliuden yhteydessä käsitellään myös Suomessa toimivia taajuuden reservimarkkinoita. Lopuksi arvioidaan Suomen tuotantorakenteen muutoksia seuraavina vuosikymmeninä, miten Pohjoismaisen synkronialueen inertia määritetään ja kuinka tuulivoimasta ja sähkövarastoista voidaan saada synteettistä inertiaa.
Arvioiden mukaan Suomen sähköjärjestelmään liitetään seuraavan 20 vuoden aikana yhteensä jopa 124 GW suuntaajaohjattuja voimalaitoksia. Samalla ennustetaan, että kineettistä energiaa varastoivan tahtituotannon määrä säilyy noin 10 GW:ssa. Jotta sähköjärjestelmän suurimpia sallittuja tehomuutoksia ei tarvitsisi rajoittaa pienen inertian tilanteissa, on välttämätöntä tukea taajuuden hallintaa. Synteettinen inertia, eli tehonanto tai -otto tehoelektroniikalla ohjatuilla sähkövarastoilla tai tuulivoimalla, osoittautuu teknisesti mahdolliseksi ratkaisuksi.
Inertian suhteellisen pienenemisen myötä sähköjärjestelmä ei välttämättä pysty tehokkaasti vastustamaan taajuuden muutoksia suurten tehomuutoksien aikana. Suurissa, satojen tai tuhansien megawattien tehomuutoksissa taajuuspoikkeama ja taajuuden muutosnopeus voivat olla niin suuria, ettei generaattoreiden säätöpiireillä ole riittävästi aikaa tai kapasiteettia reagoida tarpeeksi nopeasti. Tällöin vaarana on, että koko järjestelmä voi muuttua staattisesti epästabiiliksi.
Tämä työ tarkastelee sähköjärjestelmän inertian roolia erityisesti taajuusstabiiliuden näkökulmasta. Kineettinen energia ja synteettinen inertia esitellään, ja niitä analysoidaan
sähköjärjestelmän toiminnan kannalta. Sähköjärjestelmän stabiiliuden näkökulmaa tarkennetaan kiinnittäen erityistä huomiota tehokulma-, taajuus- ja suuntaajaohjattuun stabiiliuteen. Taajuusstabiiliuden yhteydessä käsitellään myös Suomessa toimivia taajuuden reservimarkkinoita. Lopuksi arvioidaan Suomen tuotantorakenteen muutoksia seuraavina vuosikymmeninä, miten Pohjoismaisen synkronialueen inertia määritetään ja kuinka tuulivoimasta ja sähkövarastoista voidaan saada synteettistä inertiaa.
Arvioiden mukaan Suomen sähköjärjestelmään liitetään seuraavan 20 vuoden aikana yhteensä jopa 124 GW suuntaajaohjattuja voimalaitoksia. Samalla ennustetaan, että kineettistä energiaa varastoivan tahtituotannon määrä säilyy noin 10 GW:ssa. Jotta sähköjärjestelmän suurimpia sallittuja tehomuutoksia ei tarvitsisi rajoittaa pienen inertian tilanteissa, on välttämätöntä tukea taajuuden hallintaa. Synteettinen inertia, eli tehonanto tai -otto tehoelektroniikalla ohjatuilla sähkövarastoilla tai tuulivoimalla, osoittautuu teknisesti mahdolliseksi ratkaisuksi.
Inertian suhteellisen pienenemisen myötä sähköjärjestelmä ei välttämättä pysty tehokkaasti vastustamaan taajuuden muutoksia suurten tehomuutoksien aikana. Suurissa, satojen tai tuhansien megawattien tehomuutoksissa taajuuspoikkeama ja taajuuden muutosnopeus voivat olla niin suuria, ettei generaattoreiden säätöpiireillä ole riittävästi aikaa tai kapasiteettia reagoida tarpeeksi nopeasti. Tällöin vaarana on, että koko järjestelmä voi muuttua staattisesti epästabiiliksi.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10747]