Aurinkovoimaloiden vaikutukset pienjänniteverkkoon : case Järvi-Suomen Energia

Abstract

Hajautetusti pienjänniteverkkoon liitetyt sähkön loppukäyttäjien omistamat aurinkovoimalat ovat Euroopan unionin sekä Suomen energia- ja ilmastopoliittisten tavoitteiden saavuttamisessa tärkeässä asemassa. Tulevaisuuden älykkäissä sähköverkoissa nämä aurinkovoimalat tulevat olemaan myös hyvin merkittävässä roolissa. Pienjänniteverkkoon liitettyjen aurinkovoimaloiden kumulatiiviset määrät sekä nimellistehot tulevatkin kasvamaan nykyisistä määristä huomattavasti. Aurinkovoimalat ovat pienjänniteverkon näkökulmasta uusia syöttöpisteitä verkossa, minkä seurauksena ne aiheuttavat pienjänniteverkoille myös uudenalaisia verkostovaikutuksia. Nämä verkostovaikutukset voivat olla pienjänniteverkon toiminnan ja turvallisuuden kannalta haasteellisia, minkä vuoksi jakeluverkkoyhtiöiden tulee olla niistä tietoisia.

Tässä diplomityössä tutkittiin näitä aurinkovoimaloiden haasteellisia vaikutuksia pienjänniteverkolle sekä näihin haasteisiin käytettävissä olevia ratkaisuja. Kirjallisuustutkimuksessa painotettiin erityisesti saksalaisten jakeluverkkoyhtiöiden käytännön kokemuksia aurinkovoimaloiden verkostovaikutuksista. Kirjallisuustutkimuksen perusteella aurinkovoimaloiden mahdollisia haasteellisia vaikutuksia pienjänniteverkoille ovat jännitteennousu ja -muutokset, ylikuormittuminen, vikavirtojen kasvaminen ja siitä aiheutuvat verkon suojauksen ongelmat sekä sähkön laadun heikkeneminen. Näistä merkittävimpiä haasteita saksalaisille verkkoyhtiöille aiheuttivat jännitteennousu sekä verkon ylikuormittuminen. Suomalaisille verkkoyhtiöille näistä merkittävimmäksi haasteeksi muodostuu jännitteennousu ja -muutokset, koska suomalaiset pienjänniteverkot on mitoitettu suuremmiksi talven huippukuormien takia kuin Keski-Euroopassa. Kirjallisuustutkimuksen perusteella pienjänniteverkon riskialueita aurinkovoimaloiden näkökulmasta ovat heikon yksi-vaiheisen vikavirran verkkoalueet sekä pitkät haja-asutusalueen säteittäiset johtolähdöt, joissa on heikko jännitejäykkyys.

Kirjallisuustutkimuksen perusteella näihin haasteisiin käytettävissä olevat ratkaisut ovat pääasiassa jakeluverkkoyhtiöille ennestään tuttuja verkon vahvistamistoimenpiteitä, jotka ovat usein varsinkin pitkällä aikavälillä teknis-taloudellisesti parhaita ratkaisuja. Myös verkon optimointitoimenpiteet sekä aurinkovoimalan hetkellinen tuotantotehon rajaus ovat soveltuvissa tilanteissa teknis-taloudellisesti kannattavia. Uudet älykkäät verkostokomponentit eivät ole vielä vakiintuneet kannattaviksi ratkaisumenetelmiksi, mutta tulevat niiden käyttökokemusten lisääntyessä todennäköisesti sellaisiksi kehittymään.

Työn empiirisessä osassa tehtiin Järvi-Suomen Energialle pienjänniteverkon kvantitatiivinen nykytila-analyysi aurinkovoimaloiden näkökulmasta. Lisäksi yhdelle pienjänniteverkon muuntopiirille suoritettiin kohdealuetarkastelu aurinkovoimaloiden aiheuttamista haasteellisista verkostovaikutuksista. Kirjallisuustutkimuksen ja empiirisen tutkimuksen pohjalta kehitettiin työn lopputuloksena Järvi-Suomen Energialle strategia aurinkovoimaloiden yleistymistä varten. Strategiassa tunnistettiin aurinkovoimaloiden aiheuttamat haasteet sekä niiden vakavuudet Järvi-Suomen Energian pienjänniteverkolle. Strategiassa tunnistettiin myös näiden haasteiden kannalta Järvi-Suomen Energian pienjänniteverkon riskialueet ja niiden lukumäärät. Strategiassa kehitettiin myös näihin haasteisiin ratkaisuportfolio, joka sisältää teknis-taloudellisesti parhaat käytettävissä olevat ratkaisumenetelmät. Strategiaan kehitettiin lisäksi ohjeistuksia suunnitteluun sekä käyttötoimintaan, joiden avulla Järvi-Suomen Energia pystyy huomioimaan aurinkovoimalat paremmin ja kustannustehokkaammin toiminnassaan.

Residential owned decentralized and low voltage grid connected solar power plants are important piece in fulfilling of EU’s and Finland’s energy and climate policy targets. In future’s smart grids these solar power plants will also act very important role. The cumulative numbers and apparent powers of these solar power plants will rise from today’s numbers drastically. Solar power plants from low voltage grid’s point of view are new feeding point and that’s why they also cause new kinds of grid impacts. These grid impacts can be harmful for low voltage grid’s safety and operations, which causes that distribution operators must be familiar with these impacts.

In this thesis these harmful grid impacts caused by residential solar power plants were studied. In this thesis available solutions for these harmful impacts were also studied. In literature research scientific sources discussing actual experiences of German distribution operators with these challenges were emphasized. According to literature research possible challenging grid impacts caused by solar power plants are rise and changes of voltage levels, overloading, rise of fault currents and protection challenges which they cause and weakening of quality of distributed electricity. The most harmful of these challenges to the German distribution operators were rise of voltage levels and overloading. To Finnish distribution operators most challenging of these is rise and changes of voltage levels because Finnish distribution grids have better capacity than those in Middle-Europe. That is because of high loads which occurs during winter in Finland. According to literature research risk areas from solar power point of view are areas that has weak one-phase fault current and areas that has long radial power lines, which have weak voltage rigidity.

According to literature research solutions to these challenges are mostly traditional grid’s strengthening methods, which usually are the most beneficial technically and economically, especially in the long term. Also, grid optimizing methods and solar power plants power curtailment are technically and economically beneficial in suitable cases. New smart grid components haven’t yet become generally beneficial solutions to these challenges, but they will probably eventually become such in the future.

In empirical part of this thesis quantitative present-state analysis from solar power point of view to the low voltage grid of Järvi-Suomen Energia was conducted. Closer analysis to one example area was also conducted. Based to the literature and empirical researches a strategy against solar power’s challenges to the Järvi-Suomen Energia was developed. In this strategy low voltage distribution grid’s challenges caused by solar power plants and their level of severity were identified. In this strategy risk areas to these challenges and amount of those areas were also identified. Portfolio of solutions to these challenges was also developed in this strategy. This developed portfolio contains technically and economically best available solutions to these challenges. Instructions to the planning and use-operations of Järvi-Suomen Energia was also presented. With these instructions Järvi-Suomen Energia can better and more cost efficiently consider solar power plants in their operations.