Tulevaisuuden sähkönkäytön verkostovaikutuksien analysointi
Konttinen, Max (2019)
Diplomityö
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072223167
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072223167
Tiivistelmä
Energia-alalla ja yhteiskunnassa on käynnissä useita muutostekijöitä, jotka yleistyessään voivat vaikuttaa merkittävästi verkkoyhtiöiden jakeluverkkojen suunnitteluprosessiin tulevaisuudessa. Tässä diplomityössä kartoitettiin pienjänniteasiakkaiden sähkönkäytön potentiaalisia tulevaisuuden muutoksia, ja näiden muutoksien aikaansaamia verkostovaikutuksia pienjänniteverkkotasolla.
Työn kirjallisuusosiossa perehdyttiin jakeluverkkojen suunnitteluprosessiin ja kuluttajien sähkönkäytön mallintamismenetelmiin. Tämän lisäksi kartoitettiin verkkoyhtiön kannalta todennäköisimmät ongelmia aiheuttavat toimintaympäristön tausta-ajurit. Tässä työssä päädyttiin tarkastelemaan lähemmin aurinkopaneelien ja sähköautojen aikaansaamia verkostovaikutuksia empiirisen tutkimuksen avulla. Näiden tekniikoiden vaikutusta tarkasteltiin asiakkaiden liittymispisteen jännitetasoon ja jakelumuuntajien ylikuormittumisriskiin Nivos Energia Oy:n jakeluverkkoalueella.
Sekä pientuotannon että sähköautojen lataamisen havaittiin vaikuttavan merkittävästi yksittäisen asiakkaan liittymispisteen jännitetasoon jännitejäykkyydeltään heikkojen jakeluverkkojen osalta, kun käytössä olevat tuotanto- tai lataustehot olivat suuria. Jännitejäykkyydeltään heikkoja verkon osia sijaitsee tyypillisesti haja-asutusalueiden pienissä, yksittäisiä asiakkaita syöttävissä, muuntopiireissä. Tämän lisäksi havaittiin, että vaikka käytetyt asiakkaan liittymispisteen tuotanto- ja lataustehot pysyisivätkin sallituissa rajoissa, niin tekniikoiden voimakas yleistyminen yksittäisen muuntopiirin osalta voi johtaa tästä huolimatta jännitetasojen merkittävään muutokseen.
Pientuotannon aikaansaaman jakelumuuntajien ylikuormittumisriskin todettiin olevan matala, vaikka muuntopiirien kaikille kotitalouskohteille mallinnettiin 6 kWp:n aurinkopaneelijärjestelmä. Ongelmia havaittiin tyypillisesti muodostuvan erityisesti niiden muuntopiirien osalta, joissa muuntajan nimellisteho oli alhainen muuntopiirin syötettävän asiakasmäärän suhteen. Sähköautojen havaittiin aiheuttavan ylikuormittumisongelmia latausajankohdan ajoittuessa sellaiselle kulutustunnille, jolloin jakelumuuntajan huippukuormitusaste oli valmiiksi korkealla tasolla ja käytetyn latauslaitteen tehonkäytön ollessa ohjaamatonta.
Tehtyjen tarkastelujen perusteella verkkoyhtiötä suositellaan jatkamaan toimintaympäristön kehityksen aktiivista seuraamista, sillä useilla toimintaympäristön tausta-ajureilla voidaan arvioida olevan laajamittaisesti yleistyessään merkittäviä vaikutuksia asiakkaiden sähkönkäyttöön, ja tätä myötä verkkojen mitoitukseen. Jakeluverkkotoiminnan kannattavuuden varmistamiseksi on ensiarvoisen tärkeää, että toteutettavat verkostoinvestoinnit ovat mitoitettu tarkoin, sillä sekä verkkojen ali- että ylimitoittaminen johtaa kasvaneisiin kokonaiskustannuksiin. Tämän takia pienjänniteasiakkaita tulisi kannustaa kiinnittämään entistä tarkempaa huomiota huipputehonkäyttöönsä esimerkiksi tehomaksuperusteisen kannustimen avulla. The society and the energy sector are facing major changes that could have a significant impact on the future of distribution network planning process. This thesis explored the potential future distribution network challenges caused by changes in the electricity consumption of low voltage customers.
In the literature section of the thesis, the process of designing distribution networks and the methods of modelling the electricity consumption were studied. In addition, the operating environment were observed to identify the most probable causes of future problems for distribution system operators. In this thesis, it was decided to focus on the effects caused by solar panels and electric vehicles through empirical research. The problems caused by these technologies focused on customers’ connection point voltage levels and the risks of secondary substation overloads in the distribution network area of Nivos Energia Oy.
Both micro production and electric vehicle charging were found to have a significant impact on the voltage level of an individual customer's connection point, when the available production power or the charging power was particularly high. Problems were faced especially in the weak parts of the distribution network, with high impedance, which are typically found in the areas of dispersed settlement. It was also found that a large amount of these technologies being installed for one secondary substation’s customers could still lead to voltage problems in the customer’s connection point, even if the installations would not cause any problems singly.
The risk of overloading the secondary substations was found to be low for solar panel systems even if every household customer installed a 6 kWp system. It was found that most problematic secondary substations typically had a small transformer size compared to the amount of customers it served. Electric vehicles were found to cause substation transformer overloading, when the time of charging occurred during hours of high consumption and when vehicles were charged with conventional ”dumb chargers”.
Based on the analysis done in this thesis, it is recommended that the distribution network company actively continues to monitor the development of the operating environment. Many background drivers can be expected to have major impact on low voltage consumers’ electricity use if implemented on a large-scale. For distribution network operators, it is important to ensure that the planned projects are sized carefully because both over- and undersizing distribution networks could lead to increased total costs during the whole life-time of the network. For that reason customers should be encouraged to pay more attention to their peak power consumption, for example with the help of a power-based tariff.
Työn kirjallisuusosiossa perehdyttiin jakeluverkkojen suunnitteluprosessiin ja kuluttajien sähkönkäytön mallintamismenetelmiin. Tämän lisäksi kartoitettiin verkkoyhtiön kannalta todennäköisimmät ongelmia aiheuttavat toimintaympäristön tausta-ajurit. Tässä työssä päädyttiin tarkastelemaan lähemmin aurinkopaneelien ja sähköautojen aikaansaamia verkostovaikutuksia empiirisen tutkimuksen avulla. Näiden tekniikoiden vaikutusta tarkasteltiin asiakkaiden liittymispisteen jännitetasoon ja jakelumuuntajien ylikuormittumisriskiin Nivos Energia Oy:n jakeluverkkoalueella.
Sekä pientuotannon että sähköautojen lataamisen havaittiin vaikuttavan merkittävästi yksittäisen asiakkaan liittymispisteen jännitetasoon jännitejäykkyydeltään heikkojen jakeluverkkojen osalta, kun käytössä olevat tuotanto- tai lataustehot olivat suuria. Jännitejäykkyydeltään heikkoja verkon osia sijaitsee tyypillisesti haja-asutusalueiden pienissä, yksittäisiä asiakkaita syöttävissä, muuntopiireissä. Tämän lisäksi havaittiin, että vaikka käytetyt asiakkaan liittymispisteen tuotanto- ja lataustehot pysyisivätkin sallituissa rajoissa, niin tekniikoiden voimakas yleistyminen yksittäisen muuntopiirin osalta voi johtaa tästä huolimatta jännitetasojen merkittävään muutokseen.
Pientuotannon aikaansaaman jakelumuuntajien ylikuormittumisriskin todettiin olevan matala, vaikka muuntopiirien kaikille kotitalouskohteille mallinnettiin 6 kWp:n aurinkopaneelijärjestelmä. Ongelmia havaittiin tyypillisesti muodostuvan erityisesti niiden muuntopiirien osalta, joissa muuntajan nimellisteho oli alhainen muuntopiirin syötettävän asiakasmäärän suhteen. Sähköautojen havaittiin aiheuttavan ylikuormittumisongelmia latausajankohdan ajoittuessa sellaiselle kulutustunnille, jolloin jakelumuuntajan huippukuormitusaste oli valmiiksi korkealla tasolla ja käytetyn latauslaitteen tehonkäytön ollessa ohjaamatonta.
Tehtyjen tarkastelujen perusteella verkkoyhtiötä suositellaan jatkamaan toimintaympäristön kehityksen aktiivista seuraamista, sillä useilla toimintaympäristön tausta-ajureilla voidaan arvioida olevan laajamittaisesti yleistyessään merkittäviä vaikutuksia asiakkaiden sähkönkäyttöön, ja tätä myötä verkkojen mitoitukseen. Jakeluverkkotoiminnan kannattavuuden varmistamiseksi on ensiarvoisen tärkeää, että toteutettavat verkostoinvestoinnit ovat mitoitettu tarkoin, sillä sekä verkkojen ali- että ylimitoittaminen johtaa kasvaneisiin kokonaiskustannuksiin. Tämän takia pienjänniteasiakkaita tulisi kannustaa kiinnittämään entistä tarkempaa huomiota huipputehonkäyttöönsä esimerkiksi tehomaksuperusteisen kannustimen avulla.
In the literature section of the thesis, the process of designing distribution networks and the methods of modelling the electricity consumption were studied. In addition, the operating environment were observed to identify the most probable causes of future problems for distribution system operators. In this thesis, it was decided to focus on the effects caused by solar panels and electric vehicles through empirical research. The problems caused by these technologies focused on customers’ connection point voltage levels and the risks of secondary substation overloads in the distribution network area of Nivos Energia Oy.
Both micro production and electric vehicle charging were found to have a significant impact on the voltage level of an individual customer's connection point, when the available production power or the charging power was particularly high. Problems were faced especially in the weak parts of the distribution network, with high impedance, which are typically found in the areas of dispersed settlement. It was also found that a large amount of these technologies being installed for one secondary substation’s customers could still lead to voltage problems in the customer’s connection point, even if the installations would not cause any problems singly.
The risk of overloading the secondary substations was found to be low for solar panel systems even if every household customer installed a 6 kWp system. It was found that most problematic secondary substations typically had a small transformer size compared to the amount of customers it served. Electric vehicles were found to cause substation transformer overloading, when the time of charging occurred during hours of high consumption and when vehicles were charged with conventional ”dumb chargers”.
Based on the analysis done in this thesis, it is recommended that the distribution network company actively continues to monitor the development of the operating environment. Many background drivers can be expected to have major impact on low voltage consumers’ electricity use if implemented on a large-scale. For distribution network operators, it is important to ensure that the planned projects are sized carefully because both over- and undersizing distribution networks could lead to increased total costs during the whole life-time of the network. For that reason customers should be encouraged to pay more attention to their peak power consumption, for example with the help of a power-based tariff.