Voimalaitosten säätöominaisuudet ja -periaatteet saarekekäytössä
Ruokolainen, Pia (2016)
2016
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-09-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201608204424
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201608204424
Tiivistelmä
Suurhäiriössä Suomen sähköjärjestelmä on jännitteetön laajalla alueella tai koko maassa. Yksi vaihtoehto sähköjen palauttamiseksi on alueellinen saareke, jonka muodostus alkaa voimalaitoksesta, joka voidaan käynnistää jännitteettömään verkkoon. Saarekekäytön haasteena on usein taajuusstabiilius, mikä asettaa turpiinisäätäjille vaatimuksia, jotka ovat ristiriidassa normaalin käyttötilanteen mukaisten vaatimusten kanssa. Tässä työssä on tutkittu taajuussäädön stabiiliutta saarekkeessa ja kehitetty menetelmä sellaisten säätöparametrien määrittämiseksi, joilla järjestelmä on mahdollisimman robusti. Robusti järjestelmä sietää hyvin häiriöitä ja pysyy stabiilina parametrien muutoksista huolimatta.
Työssä on luotu simulointimalli, joka soveltuu vesivoimalaitoksen säädön suunnitteluun ja stabiiliuden ja suorituskyvyn analysointiin saarekkeessa. Mallinnuksen lähtökohtana on ollut saarekekäytössä merkityksellisten ilmiöiden kuvaaminen ja mallin soveltuvuus käytännön ongelmien ratkaisuun esimerkiksi mallinnustietojen saatavuuden osalta. Järjestelmän stabiiliuden tarkasteluun on sovellettu lineaarianalyysia. Koska suomalaisilla vesivoimalaitoksilla yleisimmin käytettävän Kaplan-turpiinin dynamiikka on merkittävästi epälineaarinen, lineaarianalyysin menetelmien soveltamiseksi epälineaarinen malli on linearisoitu useissa toimintapisteissä.
Työssä on tarkasteltu saarekkeen dynamiikkaa eri tilanteissa. Kaplan-turpiini käyttäytyy epästabiilisti ilman säädintä, mutta sopivilla säätöparametreilla taajuussäätö saadaan stabiiliksi. Kun saareke muodostuu vain yhdestä vesivoimalaitoksesta ja sen syöttämästä kuormasta, järjestelmän virittäminen robustiksi on haasteellista etenkin toimintapisteissä, joissa laitoksen teho on suuri. Sen sijaan kun vesivoimalaitos toimii saarekkeessa suuren kaasuturpiinin kanssa, robustien säätöparametrien joukko on merkittävästi laajempi. Kaasuturpiinilla on huomattavan suuri liike-energia, mikä on eduksi taajuussäädön stabiiliudelle. Robustilla alueella saavutetaan myös riittävä suorituskyky eli saarekkeeseen voidaan kytkeä portaittain kohtuullisen suuria kuormia ilman, että taajuuspoikkeama kasvaa liian suureksi.
Saarekkeen laajentaminen uusilla vesivoimalaitoksilla vaikuttaa saarekkeen robustiuteen ja suorituskykyyn. Taajuutta säätävien laitosten lukumäärän kasvattaminen parantaa säädön suorituskykyä mutta heikentää robustiutta. Myös vakioteholla toimiva vesivoimalaitos saattaa vaikuttaa negatiivisesti robustiuteen. Kaasuturpiinin ja vesivoimalaitosten muodostamassa saarekkeessa järjestelmä pysyy kuitenkin robustina laajalla toiminta-alueella myös saarekkeen kasvaessa, kun turpiinisäätäjät on viritetty sopivasti.
Työssä on luotu simulointimalli, joka soveltuu vesivoimalaitoksen säädön suunnitteluun ja stabiiliuden ja suorituskyvyn analysointiin saarekkeessa. Mallinnuksen lähtökohtana on ollut saarekekäytössä merkityksellisten ilmiöiden kuvaaminen ja mallin soveltuvuus käytännön ongelmien ratkaisuun esimerkiksi mallinnustietojen saatavuuden osalta. Järjestelmän stabiiliuden tarkasteluun on sovellettu lineaarianalyysia. Koska suomalaisilla vesivoimalaitoksilla yleisimmin käytettävän Kaplan-turpiinin dynamiikka on merkittävästi epälineaarinen, lineaarianalyysin menetelmien soveltamiseksi epälineaarinen malli on linearisoitu useissa toimintapisteissä.
Työssä on tarkasteltu saarekkeen dynamiikkaa eri tilanteissa. Kaplan-turpiini käyttäytyy epästabiilisti ilman säädintä, mutta sopivilla säätöparametreilla taajuussäätö saadaan stabiiliksi. Kun saareke muodostuu vain yhdestä vesivoimalaitoksesta ja sen syöttämästä kuormasta, järjestelmän virittäminen robustiksi on haasteellista etenkin toimintapisteissä, joissa laitoksen teho on suuri. Sen sijaan kun vesivoimalaitos toimii saarekkeessa suuren kaasuturpiinin kanssa, robustien säätöparametrien joukko on merkittävästi laajempi. Kaasuturpiinilla on huomattavan suuri liike-energia, mikä on eduksi taajuussäädön stabiiliudelle. Robustilla alueella saavutetaan myös riittävä suorituskyky eli saarekkeeseen voidaan kytkeä portaittain kohtuullisen suuria kuormia ilman, että taajuuspoikkeama kasvaa liian suureksi.
Saarekkeen laajentaminen uusilla vesivoimalaitoksilla vaikuttaa saarekkeen robustiuteen ja suorituskykyyn. Taajuutta säätävien laitosten lukumäärän kasvattaminen parantaa säädön suorituskykyä mutta heikentää robustiutta. Myös vakioteholla toimiva vesivoimalaitos saattaa vaikuttaa negatiivisesti robustiuteen. Kaasuturpiinin ja vesivoimalaitosten muodostamassa saarekkeessa järjestelmä pysyy kuitenkin robustina laajalla toiminta-alueella myös saarekkeen kasvaessa, kun turpiinisäätäjät on viritetty sopivasti.