Suomen sähköjärjestelmä saarekekäytössä

Abstract

Suomen kantaverkko on yhdistetty muuhun pohjoismaiseen sähköverkkoon kahdella Pohjois-Suomen 400 kV vaihtosähköyhteydellä. Myös Norjaan on vaihtosähköyhteys, mutta tämä on melko heikko ja pitkä 220 kV johto. Käytännössä Suomen yhteys pohjoismaiseen synkronialueeseen on siis vain kahden johdon varassa, tehden saareketilanteen mahdolliseksi. Suomen sähköverkon toimintaa omana saarekkeenaan ei ole tutkittu kovinkaan paljon. Saarekeajossa Suomessa joudutaan pienentämään yksittäisten voimalaitosten tuottamaa tehoa, jotta jonkin voimalaitoksen mahdollisesti irrotessa sähköverkosta sähköverkko kykenee edelleen toimimaan. Tällä puolestaan on vaikutuksia muun muassa tehon riittävyyteen.

Tässä työssä tutkittiin Suomen saarekekäyttäytymistä tilanteessa, jossa 400 kV vaihtosähköyhteydet Ruotsiin häviävät. Lisäksi tutkittiin miten ja millä ehdoilla Suomen sähköjärjestelmää voidaan käyttää saarekkeena nykyisillä käytössä olevilla taajuusreserveillä. Saarekekäyttäytymistä tutkittiin muodostamalla Simulink-malli Suomen sähköjärjestelmästä, ja mallilla simuloitiin eri tilanteita häiriön yhteydessä. Mallin tarkasteltavat parametrit valittiin, jonka jälkeen iteroitiin häiriön suuruutta niin, että taajuuden alin arvo oli 49,0 Hz. Tuloksista muodostettiin taulukko havainnollistamaan eri parametrien, kuten inertian, reservien, kuormien taajuusriippuvuuden sekä generaattorien statiikan vaikutusta RAC-yhteyden siirtoon, jonka menetys laskee taajuuden 50,0 Hz:stä 49,0 Hz:iin.

Inertian vaikutus näkyi taajuuden muutosnopeudessa, mutta ei kaikissa tilanteissa vaikuttanut merkittävästi menetettävän siirron maksimimäärään. Kuormien taajuusriippuvuuden nosto nopeutti taajuuden palautumista ja nosti taajuuden alinta arvoa. Statiikan pieneneminen hidasti taajuuden muutosnopeutta, ja statiikan kasvu laski menetettävän siirron maksimimäärää sekä taajuuden muutosnopeutta. Saareketilanteen aikana tapahtuvassa häiriössä vaikutukset ovat samankaltaiset kuin RAC-yhteyksien katketessa.

The Finnish transmission grid is connected to the Nordic power system via two 400 kV AC lines in Northern Finland. There is an additional 220 kV AC connection to Norway, but it is a relatively weak and long connection. In practice this means that the Finnish main grid has only two 400 kV lines connecting it to the Nordic power system, making an islanding situation possible. There is relatively little research on the islanded operation of the Finnish power system. When operating in islanded conditions, large power generation units need to produce less power so that the loss of a single power generation unit does not lead to a blackout. This can lead to issues with the availability of power.

The aim of this thesis was to investigate the behavior of the Finnish power system in islanded operation in a situation where the 400 kV AC connections to Sweden are lost. In addition, the conditions for islanded operation of the Finnish power system with the current frequency reserves was also investigated. The research was conducted by creating a Simulink model of the Finnish power system in islanded operation and using the model to simulate behavior of the Finnish power system during a fault with different parameters. The results were collected into a table to visualize the effect of different parameters such as inertia, reserves, load self-regulation and droop of generation units on the behavior of the system.

The results showed that inertia affected the speed of the frequency change but did not have a consistent effect on the maximum allowed power transfer on the AC lines between Finland and Sweden. Raising load self-regulation sped up recovery of the frequency and raised the minimum value of the frequency during the fault. Lowering the droop of generation units slowed the rate of change of frequency, and raising droop lowered the maximum allowed power transfer on the AC lines between Finland and Sweden and increased the rate of change of the frequency. The results also found that a generation fault during islanded operation is similar to the loss of AC connections between Finland and Sweden.