Tuulivoimasta verkkovaatimusten viidakossa

Osaavan asiantuntijan avulla vaatimusten toteutumisen edellytykset pystytään ennakoimaan hyvissä ajoin, kun asioihin on paneuduttu oikea-aikaisesti jo voimalaitoksen varhaisessa suunnitteluvaiheessa.

Blogi - Julkaistu: 20.6.2022 - Teksti: Sanna Uski, Senior Power System Engineer, Despro

Ajasta lähes ennen verkkovaatimuksia

Aloitin työskentelyn tuulivoiman, ja nimenomaan tuulivoiman mallinnuksen ja dynaamisten verkkosimulointien parissa 2000-luvun alkuvuosina. Tuolloin vuonna 2003 Suomessa oli tuulivoimakapasiteettia vielä kovin vaatimattomasti, noin 50 MW luokkaa, mikä on normaali MW-määrä nykyisin rakennettavalle yhdelle keskikokoiselle tuulivoimalaitokselle. Silloin kehityksessä tuulivoiman saralla oltiin muuta Eurooppaa perässä, mutta oli Suomessa sentään jo pieni kourallinen täysiaikaisesti tuulivoiman parissa työskenteleviä henkilöitä.

Aikanaan voimaloilta ei oikein vaadittu mitään – paitsi esimerkiksi verkosta irti kytkeytymistä verkkovian sattuessa, ettei voimala jää ylläpitämään saareketta. Pitkään verkkoyhtiöillä saattoi olla käsitys, että tuulivoimatuotanto verkon perällä aiheuttaa verkon jännitteeseen ongelmia. Itse tuulivoima-alalla olevana Suomessa aisti ”viherpiperryksen” leiman niskassaan, vaikka kansainvälisesti Saksassa ja Tanskassa oltiin jo vakavammalla pohjalla. Niissä yhteistyöpiireissä oli paljon ammennettavaa.

Tuulivoimaloiden mallinnusrintamalla tapahtuu

Jo kauan sitten dynaamisiin tarkasteluihin ja tuulivoimamalleihin liittyen tuli puheisiin FRT, Fault Ride Through, karkeasti suomennettuna vian yli ajaminen. Vaatimuksiin tuli siis täyskäännös eli voimalan ei pitänytkään enää automaattisesti kytkeytyä verkkovian takia irti, vaan lievempien vikojen tapauksessa tuli pysyä verkossa ja pystyä jatkamaan toimintaa. FRT tuntui olevan tuulivoimaa koskevista vaatimuksista se, josta kaikki puhuivat, vaikka muutakin sisältöä vaatimuksissa tietenkin oli.

Verkkovaatimuksia maailmalla oli kirjavasti – jos niitä edes ylipäätään oli – sisällön ja tarkempien vaatimusten vaihdellessa vaatimusten laatijasta toiseen. Silloin vaatimukset kasvoivat ja kehittyivät kuin villi viidakko konsanaan. Tämä ei tarkoita, että vaatimukset olisivat olleet epätarkoituksenmukaisesti asetettuja. ”Villi vaatimusviidakko” oli haaste voimalavalmistajille pysyä perillä lukuisista vaatimuksista ja siten varmistaa, että voimalat kykenevät täyttämään paikalliset vaatimukset eri maissa ja sähköjärjestelmissä, joihin valmistajat voimaloita toimittivat.

Mallinnusrintamalla kuhisi 2000-luvun ensivuosikymmenellä. ”Kaikki” tuntuivat mallintavan DFIG[1]-voimaloita ja nimenomaan FRT-tarkasteluja varten. Itselleni se oli mystinen alue tutkijana toimiessani; mistä tietää, miten taajuusmuuttajilla kytkettyä voimalaa todellisuudessa säädetään, kun valmistajat pitivät tiedot ominaan. Olihan kyse kuitenkin huomattavasti joustavammin säädettävästä komponentista verrattaessa esimerkiksi perinteiseen tahtigeneraattoriin tai oikosulkukoneeseen, jotka toisaalta ovat helposti mallinnettavia. Miten DFIG-voimalan säätölogiikkoineen voisi mallintaa edes yleisellä tasolla kuvaten riittävän hyvin ihan oikean voimalan käyttäytymistä eikä vain yhden hypoteettisen kaksoissyötetyn voimalan mallin toimintaa? Oli siis malleja ja malleja. Todenperäisimmät mallit olivat voimalavalmistajien omia luottamuksellisia malleja, joita ei ympäriinsä jaeltu. Tosin, eiväthän valmistajien mallit julkisia nykyäänkään ole.

Voimalatoimittajat ovat ajan saatossa sekä kehittäneet itse voimaloiden ominaisuuksia, voimalaitoksen säätöä, sekä tietenkin myös niitä kuvaavia mallejaan, joita verkkoonliityntätarkasteluissa lähes poikkeuksetta käytetään.

Verkkovaatimukset kehittyvät

EWEA[2] puhui Euroopassa ensin verkkovaatimusten yhtenäistämisen puolesta vuoden 2008 tienoilla. Seuraavan vuosikymmenen vaihteen paikkeilla alkoi iso ratas EU-tasolla pyöriä, ja tuon kehityksen seurauksena 2016 tuli voimaan EU:n asetus koskien tuotantolaitosten verkkovaatimuksia. Tutummin ENTSO-E RfG[3] toimii puitesäädöksenä kansallisten verkkovaatimusten muodostamiseksi.

Suomessa oli edistyksellisesti vaatimuksissa (VJV2013[4]) jo ennen RfG:n puitteissa tehtyjä vaatimuksia (VJV2018[5]) edellytetty voimalaitoskohtaisen simulointimallin toimittamista, tiettyjen simulointien suorittamista ja raportointia, itse voimalaitoksen käyttöönottotestausta ja lopuksi vielä mallivalidointia. Voimalaitoskohtaisten mallinnusvaatimusten ja testidataa vastaan tehtävän validoinnin vuoksi mallit tulivat hieman tutummiksi ja paremmin testatuiksi. Verkkoyhtiöltä tämä on erittäin hyvä toimintatapa; pelkkä voimalavalmistajan mallin toimittaminen geneerisenä esimerkkitapaukseen parametroituna mallina ei riitä osana voimalaitosdokumentaatiota.

Viimeistään ENTSO-E RfG myötä voimalaitosten vaatimukset ovat tulleet monitahoisiksi ja lakitasoisen sitoviksi niin liittyjille kuin kansallisestikin vaatimusten laatijalle ja vaatimusten noudattamista valvovalle tahollekin. VJV2018 asettajana on Fingrid ja taustalla EU-asetus. Vaatimukset koskevat kaikkia Suomen sähköjärjestelmään liittyjiä riippumatta tarkemmasta liityntäpaikasta. Kulutukselle ja sähkövarastoille on omat vaatimuksensa.

Voimalaitoksen toiminnan, ominaisuuksien ja asetteluiden tulee olla verkkovaatimusten mukaisia siltä osin, kun niistä vaatimuksissa esitetään. Verkkovaatimukset edellyttävät myös määrättyjen tietojen toimittamista verkkoyhtiölle. Toimitettavat tiedot liittyvät voimalaitoksen komponentteihin, säätöön ja toimintaan lukuisissa tilanteissa, joilla on isossa kuvassa välillisesti vaikutusta koko sähköjärjestelmän toimintaan ja luotettavuuteen. Lisäksi määritellyt voimalaitoskohtaiset simulointimallit ja simulointitulokset tulee toimittaa osana verkkovaatimusten todentamista. Vaatimusten todentamiseen kuuluu myös käyttöönottokokeiden suorittaminen.

Vaatimusten kirjo

Vaatimuksissa puhutaan loistehokapasiteetista, jännitteensäädön statiikasta, vasteajoista, k-kertoimesta, projektikohtaisesta dynaamisen toiminnan mallintamisesta, Fingridin pyytämästä PSSE-mallista jne. Lisäksi viime aikoina VJV2018:n erityistarkasteluvaatimusten kautta on saattanut tulla voimalaitosta koskemaan vaatimuksia täydentävän dokumentin mukaiset aliharmonisen vuorovaikutuksen mallinnus-, suojaus- ja tallennusvaatimukset. Tuossa yhteydessä puhutaan PSCAD-malleista ja impedanssiskannauksista. Asioihin perehtymätön on tässä vaiheessa ehkä informaatioähkyn partaalla, mutta ei pääse alan asiantuntijatkaan uinumaan, kun tulee uusia asioita selvitettäväksi.

Vaatimusten viidakko on runsas ja monimuotoinen, eikä sinne kannata suin päin sännätä, muttei sitä tarvitse pelätäkään. Vaatimusasioista hyvin perillä olevan oppaan avulla vaatimusviidakkosafari voi olla erittäin avartava ja miellyttävä kokemus selvittää tiensä VJV-prosessin läpi. Osaavan asiantuntijan avulla vaatimusten toteutumisen edellytykset pystytään ennakoimaan hyvissä ajoin, kun asioihin on paneuduttu oikea-aikaisesti jo voimalaitoksen varhaisessa suunnitteluvaiheessa. VJV-prosessin aikana asiantuntija osaa ottaa esille oikeita asioita, tulkita vaatimuksia kokemuksen perusteella, neuvoa liittyjää ja olla apuna kommunikoinnissa niin verkkoyhtiöiden kuin voimala- ja komponenttitoimittajienkin suuntaan.

Nykypäivänä tuulivoimalaitokset ovat hyvin kehittyneitä ja edistyksellisiä järjestelmiä, joilla on moninaiset toiminalliset mahdollisuudet. Voimalan (eli turbiinin) tai voimalaitoksen (tuulipuiston) toiminallisuus ja vasteet eivät välttämättä ole kiinteitä tai tarkkaan määrättyjä, vaikka voimalavalmistajalla ehkä onkin tietyt oletusasettelut käytössä. Toiminnallisuuksia ja vasteita on mahdollista asetella ja säätää niin verkkovaatimukset täyttävästi, kuin myös hyödyntää toiminallisuuksia joko itse voimalaitoksen ja sen omistajan, paikallisen verkkoyhtiön tai jopa koko sähköjärjestelmän kannalta. Jos jokin toiminnallisuus ei vielä tänään ole ajankohtainen, tulevaisuudessa se saattaa ollakin.

Katse tulevaisuuteen – ja vähän ympärillekin

Kehitys menee eteenpäin ja tuntuu, että verkkovaatimusten ja tuulivoimalaitosten dynaamisessa mallinnuksessa sähköverkkotarkasteluissa tapahtuu yhä paljon uutta ja alan asiantuntijalle ennestään tuntematonta ja tutkimatonta, huolimatta pitkästä polustani tällä saralla. Voimalaitosliitynnöissä, liityntäyhteyksissä, useamman puiston yhteisissä liitynnöissä ja voimalaitosten säätöratkaisuissa on jo kokoluokkasyistäkin tullut erilaisia variaatioita ja tapauskohtaisia ratkaisuja – tietenkin verkkovaatimusten puitteissa ja verkkoyhtiöiden ja liittyjän keskinäisestä sopimuksesta.

Jännä fiilis, kun tunnistaa nimeltä isonkin osan Suomen tuotannossa olevista tuulivoimalaitoksista, koska niiden kanssa on tehnyt tuttavuutta mallinnus- ja simulointipöydällä. Kuten luokanopettajakin ehkä tunnistaa nimeltä entiset oppilaansa, ei sitä välttämättä muista yksilöiden erikoisominaisuuksia tai mahdollisesti eteen tulleita ongelmia tai haasteita, vaan tiedostaa tyytyväisenä, että tuolla tuulessa ja tuiskuissa ne pyörivät tänä päivänäkin ympäri Suomen maan.

 

[1] DFIG, Doubly Fed Induction Generator, kaksoissyötetty epätahtikone, jossa roottoripiirin syöttö on taajuusmuuttajan kautta, mahdollistaen generaattorille joustavan säädettävyyden

[2] EWEA – European Wind Energy Association, nykyisin WindEurope

[3] ENTSO-E – European Network of Transmission System Operators for Electricity

 RfG – Commission Regulation (EU) 2016/631, Network Code on Requirements for Grid Connected Generators

[4] VJV2013 – Voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset (2013)

[5] VJV2018 – Voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset (2018)

Mainoskuva