Yksi tärkeä askel vihreässä siirtymässä on siirtyminen fossiilisista energialähteistä ekologisesti kestävämpiin sähkön tuotantomuotoihin, kuten tuuli- ja aurinkovoimaan. Sääriippuvuuden ohella niitä yhdistää kytkeytyminen verkkoon taajuusmuuttajien eli suuntaajien välityksellä.
Perinteisissä voimalaitoksissa tahtikoneiden kytkentä on fyysinen ja vaste fysiikan yhtälöiden mukaisesti luontainen, kun taas suuntaajissa reagointi verkon taajuuden ja jännitteen muutoksiin perustuu ohjelmointiin.
Suuntaajavaltaisuus on sähköjärjestelmälle tekninen haaste ja voi aiheuttaa verkkoon epästabiiliutta. Runsaasti suuntaajakytkettyä tuotantoa on esimerkiksi Pohjanmaalla ja muualla Pohjoismaissa erityisesti Pohjois- ja Etelä-Ruotsissa sekä Tanskassa.
”Suuntaajakytketyn sähköntuotannon hetkellinen osuus kasvaa Suomessa hurjaa vauhtia. Toissa vuonna päästiin 50 prosenttiin ja viime kuukausina on nähty jo lähes 60 prosentin hetkiä. Tosin vaihtelua on tuulisuuden myötä paljon ja esimerkiksi ydinvoimalaitosten vuosihuollot vaikuttavat kokonaisuuteen”, Fingridin suunnittelupäällikkö Antti Harjula kertoo.
Kansallisia ja yhteispohjoismaisia ratkaisuja
Järjestelmätason stabiiliushaasteisiin tarvitaan yhteispohjoismaisia ratkaisuja. Niinpä Pohjoismaiden kantaverkkoyhtiöt ovat Fingridin johdolla paneutuneet suuntaajavaltaisen sähköjärjestelmän vaatimuksiin ja kehittäneet analyysimenetelmiä suuntaajien stabiiliuden varmistamiseksi.
Myös kansallisia toimenpiteitä tarvitaan. Fingridissä on tarkennettu kantaverkkoon liittyvien voimalaitosten teknisiä vaatimuksia ja lisäksi investoidaan verkkoa stabiloivaan teknologiaan, kuten synkronikompensaattoreihin ja staattisiin synkronikompensaattoreihin (STATCOM).
”Verkkoa luovalla eli grid forming -suuntaajateknologialla saadaan vakautettua järjestelmää luomalla samoja hyviä ominaisuuksia kuin mitä tahtikoneissa on. Se esimerkiksi antaa välittömän pätötehovasteen ja yrittää estää jännitteenkulman muutosta. Verkkoa luovien kyvykkyyksien käyttöönotossa Suomi on mukana maailman kärjessä. Näitä ominaisuuksia vaaditaan meillä jo nyt verkkoon liitettäviltä akuilta nykyisillä ja tulevilla suuntaajavaltaisilla alueilla”, Harjula kertoo.
Valmistuvat uudet voimajohtoyhteydet parantavat niin ikään suuntaajavaltaisen verkon stabiiliutta, samoin viime vuosien uudet markkinaratkaisut, kuten uusi nopea taajuusreservi FFR. Pienen inertian tilanteissa FFR-reservi aktivoituu tarvittaessa noin sekunnissa.
Tuuli- ja aurinkovoimalaitosten säätäjät viritettävä
Stabiiliushaasteisiin vastaaminen edellyttää uudistumista myös kantaverkkoyhtiön sidosryhmiltä; tuuli- ja aurinkovoiman tuottajilta, voimalaitosten valmistajilta, sähkövarastojen omistajilta, teollisuusasiakkailta sekä jakeluverkkoyhtiöiltä.
Nykyisin tilanne on se, että tiettyinä ajankohtina, kuten keskeytystilanteissa, Fingrid saattaa joutua rajoittamaan laitoksen sähköntuotantoa tai pyytää muuttamaan operointitapaa verkon vakauden varmistamiseksi.
Stabiiliushaasteisiin vastaaminen edellyttää uudistumista myös tuuli- ja aurinkovoiman tuottajilta, voimalaitosten valmistajilta, sähkövarastojen omistajilta, teollisuusasiakkailta sekä jakeluverkkoyhtiöiltä.
Viime vuosina suuntaajavaltaisilla alueilla ilmenneet heilunnat ovat pääosin johtuneet tuulipuistojen jännitteensäätäjistä, jotka on viritetty liian aggressiivisiksi. Ne on säädetty ottamaan huomioon vain oma tuotantoyksikkö, ei verkon muuta suuntaajakytkettyä tuotantoa.
Jotta laitosten yhteisvaikutus tulee otetuksi huomioon, voimalaitosten jännitteensäädön viritysperiaatteita on muutettu. Sen vuoksi nykyisten tuulipuistojen jännitteensäätäjät joudutaan osin virittämään uudelleen.
”Jatkossa Fingrid tarvitsee entistä tarkemmat mallit laitoksista jo niiden suunnitteluvaiheessa. Lisäksi jo laitoksen suunnitteluprosessissa pitää huomioida lähistöllä olevat muut suuntaajakytketyt laitokset ja niiden vaikutukset verkon vakauteen. Jatkossa verkon teknisen toiminnan varmistaminen vaatii yhä tiiviimpää yhteistyötä asiakkaiden, verkkoyhtiöiden, voimalaitosten operaattorien ja valmistajien sekä konsulttien kesken”, Harjula painottaa.
Verkkoa luova kyvykkyys varmistaa tuuli- ja aurinkovoiman vakaata toimintaa
Ennen uuden tuotantolaitoksen käyttöönottoa Fingrid varmistaa laitoksen yhteen toimivuuden verkon kanssa simulaatiotestein. Suunnitteilla on myös malli, jossa asiakkaat pystyvät tekemään koko voimajärjestelmän vasteen huomioivia simulaatiotarkastuksia osin myös omatoimisesti.
Konsultaatiovaiheessa olevissa voimalaitosten ja sähkövarastojen järjestelmäteknisissä vaatimuksissa verkkoa luovaa toimintaa vaaditaan vain akuilta, koska markkinoilla kyvykkyyttä on laajasti tarjolla vain akuille. Tuuli ja aurinkovoimalaitosvalmistajilla verkkoa luova kyvykkyys on vasta kehitysvaiheessa.
”Hiilineutraaliutta tavoittelevassa yhteiskunnassa on erittäin tärkeää, että tuuli- ja aurinkovoimalaitosten valmistajat kehittävät laitoksille verkkoa luovia kyvykkyyksiä.”
”Seuraavassa voimalaitosten järjestelmäteknisten vaatimusten päivityksessä muutaman vuoden päästä näitä ominaisuuksia suunnitellaan vaadittavaksi myös tuuli- ja aurinkovoimaloilta. Verkkoa luova toiminta on nyky-ymmärryksellä ainut kustannustehokas ratkaisu, joka mahdollistaa suuntaajakytketyn tuotannon merkittävän lisäämisen vaarantamatta käyttövarmuutta. Hiilineutraalin yhteiskunnan kannalta on erittäin tärkeää, että voimalaitosten valmistajat kehittävät näitä kyvykkyyksiä”, Harjula korostaa.
Uusia vaateita teollisuudelle ja jakeluverkkoyhtiöille
Fingrid on vastaanottanut useita erittäin suurten teollisuuslaitosten, kuten elektrolyyserilaitosten, palvelinkeskusten ja metalliteollisuuden liityntäkyselyjä. Isoilla, etenkin suuntaajakytketyillä kulutuskeskittymillä alkaa olla merkittäviä vaikutuksia verkon vakaaseen toimintaan. Kun teollisuuslaitoksen teho on yli 100 megawattia, laitoksen tekniselle toimivuudelle ja mallinnukselle tarvitaan uusia vaatimuksia.
”Tarkka raja tarkentuu vielä Fingridin analyysien myötä. Muutamissa isoissa hankkeissa vaatimuksia on jo asetettu nykyisten mahdollisuuksien rajoissa”, Antti Harjula kertoo.
Jakeluverkkoyhtiöiden tulee tietyissä keskeytyksissä asettaa rajoituksia tuuli- ja aurinkovoimalle, jotta verkon stabiilius saadaan ylläpidettyä. Lisäksi alueverkkojen suunnittelussa pitää huomioida suuntaajakytkettyjen laitosten suojaus ja vaikutukset verkon suojaukselle.
Fingridin investoinnit varmistavat verkon stabiiliutta
Fingridin omat investoinnit verkon stabiiliuden varmistamiseksi etenevät hyvää vauhtia.
Uusia voimajohtoyhteyksiä on suunnitteilla ja rakenteilla. Ensimmäinen iso tahtikone ilman energianlähdettä, eli synkronikompensaattori valmistuu ensi vuoden aikana Pohjanmaalle Fingridin Jylkän sähköasemalle tasapainottamaan verkkoa. Kristiinankaupungissa sijaitsevalle sähköasemalle puolestaan on suunnitteilla vuodelle 2027 STATCOM, joka tukee Pohjanmaalle liittyvien tuuli- ja aurinkovoimaloiden stabiilia toimintaa. Toinen STATCOM on suunnitteilla Etelä-Suomeen, Anttilan sähköasemalle ja otetaan käyttöön vuonna 2028. Samana vuonna Pohjanmaan alue vahvistuu uudella Jylkkä-Alajärvi-Toivila-yhteydellä. Vuotta myöhemmin valmistuu uusi yhteys Kristiinankaupungista Nokialle.
Näiden vahvistusten ja uusien järjestelmäteknisten vaatimusten myötä Pohjanmaan alueelle voidaan liittää merkittävästi lisää suuntaajakytkettyä tuotantoa ja kulutusta.
Lisätietoa suuntaajavaltaisesta järjestelmästä sekä ohjeita suuntaajakytketyille laitoksille Fingridin sivuilla:
Nordic Grid Development Perspective, (kpl 3. Muutos suuntaajavaltaiseksi järjestelmäksi)
Jännitteensäädön viritysperiaatteet suuntaajakytketyille laitoksille
