Dynaamisen kompensointilaitteiston liittäminen kantaverkon sähköasemalle

Abstract

Vihreän siirtymän ajaman energiajärjestelmän murroksen vuoksi Suomen sähköjärjestelmään on viime vuosina liitetty ennätykselliset määrät tuulivoimaa. Tuuli- sekä aurinkovoima kytketään verkkoon suuntaajien avulla. Suuret alueelliset tuuli- tai aurinkovoimakeskittymät eivät ole sähköjärjestelmän näkökulmasta ongelmattomia, sillä suuntaajilla ei ole perinteisten voimalaitosten pyöriviin massoihin perustuvaa luontaista kykyä vastustaa sähköverkossa esiintyviä äkillisiä taajuus- tai jännitemuutoksia. Tämä voi johtaa siihen, että sähköjärjestelmästä voi tulla alueellisesti epästabiili.

Yksi vaihtoehto suuntaajavaltaisen sähköjärjestelmän taajuuden ja jännitteen stabiiliuden ylläpitämiseen, on lisätä järjestelmään dynaamisia kompensointilaitteistoja, kuten synkronikompensaattoreita tai STATCOMeja. Synkronikompensaattori on iso tahtikone ilman energianlähdettä, jonka avulla voidaan tuottaa sähköjärjestelmään inertiaa sekä oikosulkutehoa. STATCOM on nopeasti säädettävissä oleva kompensointilaitteisto, jolla voidaan tuottaa tai kuluttaa loistehoa ja näin vaikuttaa jännitteen suuruuteen.

Tutkimuksessa vertaillaan synkronikompensaattorien ja STATCOMien liityntäpisteen jännitetason (110 kV tai 400 kV) vaikutusta laitteistojen toimintaan tuuli- sekä aurinkovoiman stabiloimisen, sähköjärjestelmän siirtokyvyn sekä oikosulkuvirtojen kannalta. Lisäksi tutkimuksessa selvitetään kompensointilaitteistojen häviöitä, vaikutusta kantaverkon järjestelmämuuntajien kapasiteetin hyödynnettävyyteen sekä laitteistojen sähköasemille liittämisen periaatteita. Selvitykset suoritettiin simulaatioiden ja laskelmien avulla. Tutkimuksessa todettiin, että joitakin eroavaisuuksia lukuun ottamatta laitteistot vakauttivat tehokkaasti alueen jännitettä vikatilanteen jälkeen. Synkronikompensaattorilla voitiin myös vaikuttaa merkittävästi liityntäpisteen oikosulkuvirtaan.

Due to the energy system transformation driven by the green transition, record amounts of wind power have been connected to Finland’s electric power system in recent years. Wind and solar power are connected to the grid using converters. Large regional concentrations of wind or solar power can cause problems in the power system. Due to the inertia stored in rotating masses, traditional power plants have a natural ability to resist sudden frequency or voltage changes in the grid. Converters do not have this ability, which can lead to instability in the regional power system.

One option to maintain the frequency and voltage stability of a converter interfaced generation dominated power system is to add dynamic compensation devices, such as synchronous condensers or STATCOMs to the system. A synchronous condenser is a large synchronous machine whose shaft is not connected to any driving equipment. It can be used to add inertia and short circuit power to the system. A STATCOM is a fast response compensation device that can produce or consume reactive power, and thus change the voltage magnitude.

The study compares the impact of the grid connection voltage level (110 kV or 400 kV) of synchronous condensers and STATCOMs, in terms of the equipment’s ability to stabilize wind and solar power, the transmission capacity of the power system and short circuit currents. Additionally, the study examines the losses of the compensation devices and their impact on the utilization of the main transformers capacity in the transmission system. The substation connection of the equipment is also discussed. The investigations were carried out using simulations and calculations. The study showed that, with some differences, the equipment effectively stabilized the area’s voltage after a fault situation. The synchronous condenser also significantly increased the short circuit current at its point of common coupling.