Voimalaitosten järjestelmäteknisten vaatimusten mukainen tuulivoimalaitoksen tarkastelu PSCAD-ohjelmistolla

Abstract

Suuntaajakytkettyjen tuulivoimalaitosten määrän nopea kasvu Suomessa on muuttanut Suomen sähköjärjestelmän rakennetta ja toimintaa. Suuntaajakytkettyjen tuulivoimalaitosten dynaaminen käyttäytyminen poikkeaa perinteisistä tahtikonevoimalaitoksista, mikä on tuonut esiin uudenlaisia ilmiöitä sähköjärjestelmässä ja asettanut haasteita verkon stabiilille toiminnalle. Fingrid Oyj on kantaverkon järjestelmävastaavana reagoinut näihin haasteisiin kiinnittämällä entistä tarkempaa huomiota suuntaajakytketyille voimalaitoksille asetettuihin teknisiin ja toiminnallisiin vaatimuksiin, jotka voimalaitoksen tulee täyttää ennen verkkoon liittämistä.

Tässä työssä tutkittiin suuntaajakytketyn tuulivoimalaitoksen mallintamista ja simulointia PSCAD-simulointiohjelmistolla Fingridin vaatimusdokumentin ”Voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset” (VJV) ja sitä täydentävien dokumenttien mukaisesti. Työn tavoitteena oli perehtyä suuntaajakytketyille voimalaitoksille asetettuihin vaatimuksiin, rakentaa PSCAD-ohjelmistolla vaatimusten mukainen tuulivoimalaitoksen simulointimalli ja suorittaa mallilla vaatimusten edellyttämät simuloinnit.

Työssä kuudesta suuntaajakytketystä tuulivoimalasta koostuva tuulivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ohjelmistoon sisältäen voimaloiden, sisäverkon kaapeleiden, muuntajien, loistehon kompensointilaitteiden, taustaverkon ja puistosäätäjän mallintamisen sekä em. komponenttien parametrien määrittämisen lähtötietojen perusteella. Malli toteutettiin VJV:n vaatimuksen mukaisesti aggregoituna eli ekvivalenttisena mallina, jossa voimalageneraattorit ja -muuntajat sekä sisäverkon kaapelit kuvattiin yksittäisinä ekvivalenttikomponentteina. Simulointimallissa käytettyjen tuulivoimalan ja puistosäätäjän mallien parametrien ja ominaisuuksien osalta työssä käytiin läpi ne, jotka olivat simulointien kannalta oleellisia.

Työssä luodulla simulointimallilla toteutettiin VJV:n mukaiset jännitehäiriö- ja jännitteensäätötarkastelut, jotka alustettiin VJV:n määrittämien vaatimusten ja parametrien mukaisesti. Jännitehäiriötarkasteluissa voimalaitoksen käyttäytymistä simuloitiin neljässä eri vikatilanteessa. Simuloinneissa seurattiin voimalaitoksen liittymispisteen pätötehon, loistehon ja jännitteen käyttäytymistä vian aikana ja sen jälkeen. Jännitteensäätösimuloinneissa tutkittiin voimalaitoksen kykyä säätää liittymispisteensä jännitettä puistosäätäjään asetettujen säätöparametrien ja VJV:n asettamien vaatimusten mukaisesti. Jännitteensäätösimuloinnit toteutettiin muuttamalla simulointimallin taustaverkon jännitettä 0,01 pu:n ja 0,02 pu:n portaissa. Simuloinneissa seurattiin taustaverkon jännitemuutosten vaikutuksia voimalaitoksen liittymispisteen jännitteeseen ja loistehoon. Jännitehäiriö- ja jännitteensäätösimulointien tuloksia verrattiin VJV:n asettamiin kriteereihin ja todettiin tulosten täyttävän VJV:ssä asetetut vaatimukset.

Työssä tehtyjen simulointien tulokset osoittivat, että työssä mallinnettu tuulivoimalaitos täyttää VJV:n asettamat kriteerit kaikissa toteutetuissa PSCAD-tarkasteluissa. Työn tuloksena syntyi selkeä ja havainnollistava esimerkki VJV:n mukaisten PSCAD-tarkastelujen alustamisesta, suorittamisesta ja analysoimisesta.