Simulointiympäristö Loppuraportti - University of Vaasa

VTT PROSESSITVaasan yliopistoSimulointiympäristöLoppuraporttiKimmo KauhaniemiIlari RistolainenPekka SaariHenry LåglandHeikki J. SalminenMartti HokkanenBertil Brännbacka31.03.2005

DENSY - Tekes käynnisti vuoden 2003 alussa viisivuotisen Hajautettujen energiajärjestelmien teknologiaohjelmanDENSYn. Ohjelmassa kehitetään paikallisia, pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiäsekä niihin liittyviä palveluita. Ohjelman kokonaisbudjetin arvioidaan ylittävän 50 miljoonaa euroa. DENSYyn kuuluututkimus-, kehitys- ja tuotteistamistyötä energia-, automaatio-, ja ICT-teollisuuden aloilla.DENSY-TEKNOLOGIAOHJELMAN TUTKIMUSHANKESimulointiympäristöSimulointiympäristö hajautetun tuotannon verkkoonliittämisen ja verkostovaikutusten tutkimiseenTietokoneen avulla toteutettavilla simuloinneilla voidaankohtuullisin kustannuksin ja luotettavasti tutkiaerilaisten ratkaisujen ja tuotteiden toiminta etukäteen.Simulointi on tärkeä tutkimuksen ja tuotekehityksentyökalu, jolle on käyttöä myös tuotekehitysprosessinjälkeen, kun esimerkiksi uusien laitteiden toimivuuttahalutaan havainnollistaa asiakkaille.Tämän tutkimuksen tavoitteena on kehittää monipuolinenPSCAD/EMTDC ohjelmistoon perustuva simulointiympäristö,jota voidaan käyttää hajautetun energiantuotannonsähköverkkoon liittämisen, verkostovaikutustenja turvallisen käytön edellytysten tarkasteluun.Tutkimus toteutetaan VTT Prosessien Vaasan toimipisteen(VTT) ja Vaasan yliopiston (VY) ryhmähankkeena.Liityntää muihin DENSY-hankkeisiin on havainnollistettualla olevan kaavion avulla.Tässä tutkimuksessa pääasiallinen kehitystyö tehdäänPSCAD/EMTDC-ohjelmistolla, joka transienttisimulointityökalunasoveltuu erityisen hyvin mm. hajautetunvoimantuotannon suojaukseen liittyvien ratkaisujentutkimiseen. Simulointiympäristöön kuuluvattuotantoyksiköiden mallit, erilaisten sähköverkkojen janiiden komponenttien mallit sekä verkkoonliitynnänkannalta olennaiset suoja- ja säätölaitteiden mallit.Perustietoja:• Kokonaisbudjetti 394 k• Tekesin rahoitusosuus 300 k• Yhteyshenkilö: Kimmo Kauhaniemi(kimmo.kauhaniemi@vtt.fi)• Osallistuvat yritykset: Wärtsilä Oyj, ABB Oy• Aikataulu: 1.3.2003 - 31.03.2005Tutkimukseen osallistuneet:• Kimmo Kauhaniemi, VTT ja VY• Lauri Kumpulainen, VTT• Pekka Saari, VTT• Ilari Ristolainen, VTT• Timo Vekara, VY• Henry Lågland, VY• N. Rajkumar, VY (London City University)• Bertil Brännbacka, VY• Martti Hokkanen, VY• Heikki J. Salminen, VYHankkeen johtoryhmä:• Vesa Riihimäki, Wärtsilä Oyj• Tapio Hakola, ABB Oy• Mauri Marjaniemi, Tekes• Risto Komulainen, VTT• Timo Vekara, VYYmpäristön kehitys Ympäristön soveltajatSuojaus (Merinova)Sähkönverkon ja siihen liitetyn hajautetunsähköntuotannon suojausSimulointiympäristö (VTT ja VY)Verkon ja tuotantoyksiköiden mallinnuksen koordinointi. Mallien kehitys PSCAD-ympäristöön ja tarvittavilta osilta PSS/E-ympäristöön.DieselvoimalanmallinnusMallitinvertteripohjaisistatuotantoyksiköistäEnvatuuli (VTT)Energian varastoinninteknologiat SuomentuulivoimalaitoksissaEnergiavarastoiden mallitTuuma (VTT)TuulivoimamallitsähköverkkotarkasteluissaTuulivoimaloiden mallitMuut hankkeet:Sähköverkon liityntä(LTY, TTY)…jne.Kokoelma erilaisia koti- ja ulkomaisia verkko- ja suojausratkaisuja kuvaavia simulointimalleja PSCAD/EMTDC ympäristöön.

ALKUSANATTämä on VTT Prosessien ja Vaasan yliopiston ns. ryhmähankkeena toteutetun TEKE-Sin Densy-tutkimusohjelmaan kuuluneen hankkeen "Simulointiympäristö hajautetuntuotannon verkkoon liittämisen ja verkostovaikutusten tutkimiseen" loppuraportti.Tämän raportin kirjoittamiseen ovat osallistuneet raportin kansisivulla nimetyt projektiryhmäänkuuluneet henkilöt, joille haluan tässä yhteydessä lausua parhaimmat kiitokset.Projektin tässä vaiheessa on myös syytä kiittää kaikkia muitakin projektissa työskennelleitäsekä projektin johtoryhmää heidän panoksestaan tämän työn hyväksi. Lopuksi haluanvielä erityisesti kiittää projektin rahoittajia, jotka ovat mahdollistaneet tämän hankkeentoteuttamisen.Vaasassa 31.03.2005Kimmo Kauhaniemi

4.1.4 Pienjänniteilmajohtoverkon malli............................................................ 514.2 Ulkomaiset verkkomallit............................................................................... 544.2.1 Pienjänniteverkot eri maissa.................................................................... 554.2.2 Ulkomaiset verkko- ja suojauskäytännöt ................................................. 584.2.3 Mallinnettavat verkot .............................................................................. 664.2.4 Toteutetut verkkomallit ........................................................................... 735 Tuulivoimalamallit ................................................................................................ 775.1 Tuulen ja tuuliturbiinien mallit ..................................................................... 775.1.1 Yleistä..................................................................................................... 775.1.2 Kaksoissyötöllä varustetut induktiokoneet............................................... 785.1.3 Tuulen mallinnus .................................................................................... 795.1.4 Tuulen aikasarjamallit ............................................................................. 795.1.5 Tuuliturbiini energianmuuntajana............................................................ 805.1.6 Turbiinin säätö ........................................................................................ 835.1.7 Mahdollisia jatkosuunnitelmia................................................................. 835.2 Kaksoissyötetty epätahtigeneraattori............................................................. 845.2.1 Epätahtikone generaattorina .................................................................... 865.2.2 Päävirtapiiri ja sen komponentit .............................................................. 875.2.3 Suuntaajat ............................................................................................... 935.2.4 Esimerkkisimulointi................................................................................ 985.2.5 Momenttiajo............................................................................................ 995.2.6 Mallin kehitystyön nykytila................................................................... 1025.3 Suoraan kytketyn tuulivoimalaitoksen malli................................................ 1036 Muut voimalaitosmallit........................................................................................ 1046.1 Diesel-voimalaitoksen mallit ...................................................................... 1046.1.1 Mallien käyttö....................................................................................... 1056.1.2 Mallien osakokonaisuudet ..................................................................... 1066.2 Pienten tahtigeneraattorien mallit................................................................ 1076.3 PWM-vaihtosuuntaaja ................................................................................ 1087 Mallien toteutus DigSilent ympäristössä .............................................................. 1097.1 Aurinkovoimalaitosmalli ............................................................................ 1097.1.1 Tehonjaon laskenta ............................................................................... 1107.1.2 Muutosilmiöt......................................................................................... 1117.1.3 Yliaallot ................................................................................................ 1157.1.4 Impedanssin taajuusvaste ...................................................................... 1187.2 Tuulivoimalaitosmalli................................................................................. 1197.3 Yhteenveto ................................................................................................. 123

8 Simulointiympäristön dokumentointi ja testaus.................................................... 1239 Yhteenveto ja johtopäätökset ............................................................................... 12410 Lähteet ................................................................................................................ 125

1 JOHDANTOSimulointiympäristö-projektin tavoitteena oli kehittää kokoelma sähköverkon ja siinäolevien erilaisten tuotantolaitosten sähköisten muutosilmiöiden tutkimiseen soveltuviasimulointimalleja käytettäväksi hajautetun sähköntuotannon vaatimien uusien menetelmienja tuotteiden testaamiseen ja demonstrointiin. Tutkimuksessa pääasiallisena työkalunaoli simulointiohjelmisto PSCAD/EMTDC.Projekti alkoi 1.3.2003 ja sen oli alkuperäisen suunnitelman mukaisesti tarkoitus päättyävuoden 2004 lopussa. Projektille saatiin kuitenkin Tekesistä 3 kuukauden jatkoaika eliprojekti päättyi 31.3.2003. Tämä loppuraportti esittelee kattavasti projektin tulokset.Projektissa on aiemmin julkaistu kolme väliraporttia, jotka ovat jo sisällöltään osin vanhentuneita,joten tämä loppuraportti korvaa ne kaikki.2 SIMULOINTIYMPÄRISTÖTässä luvussa esitellään yleisellä tasolla simulointiympäristön rakenne ja siihen sisältyvätosat. Simulointiympäristön keskeisimmät osat esitellään yksityiskohtaisemmin seuraavissaluvuissa.2.1 PERUSRAKENNESimulointiympäristön perustan muodostavat verkkomallit. Ne kuvaavat eri maiden tyypillisiäverkkorakenteita eri jännitetasoilla. Verkkomalleissa on erityispiirteenä ns. konfiguroitavuus,joka tarkoittaa sitä, että käyttäjä voi suhteellisen yksinkertaisin toimenpiteinmuokata mallin tiettyjä ominaisuuksia mm. verkon laajuutta ja kuormitusta. Laajuudenosalta kyse on lähinnä johtopituuksista. Keskijänniteverkkomalleissa on lisäksivalittavissa verkon maadoitustapa.Simulointiympäristön perusrakenne ja kokoonpano on hahmoteltu seuraavaan kuvaan.Ympäristö koostuu kokoelmasta verkkomalleja, voimalaitosmalleja ja relemalleja.Verkkomalliin voidaan sijoittaa tiettyihin kohtiin haluttu määrä erityyppisiä voimalaitoksia.Voimalaitokset ovat tässä tapauksessa erityyppisiä pienehköjä hajautetun tuotannonyksiköitä. Lisäksi mm. verkkomallissa olevat suojarelemallit voidaan vaihtaa simulointiympäristöönsisältyviin vaihtoehtoisiin suojarelemalleihin tai järjestelmän suojaustavoidaan täydentää ottamalla verkkomalleissa jo olemassa olevien relemallien rinnalleuusia suojarelemalleja. Käytännössä simulointiympäristön relemallit vastaavat nykyaikaisissasuojareleissä olevia suojausfunktioita (software), joita voidaan myös ottaa käyttöönjo verkossa olevassa suojalaitteessa (hardware).Simulointiympäristö – Loppuraportti 7

RelemallitRRRGGGVoimalaitosmallitVerkkomallissa oleva relemallivaihdettavissa toisentyyppiseenSijoitettavissa tiettyihinkohtiin verkkomalleissaRVERKKOMALLI #1: #1: AVOJOHTOVERKKO, KESKIJÄNNITEVERKKOMALLI #1: AVOJOHTOVERKKO, KESKIJÄNNITEKuva 1. Simulointiympäristön perusrakenneVerkkomallien konfiguroitavuus asettaa joitain erityisvaatimuksia suojauksen toimivuudelle.Suojareleisiin on mm. toteutettu ominaisuus, jossa asettelut muuttuvat kunverkkomallin maadoitustapa vaihdetaan. Toisaalta taas johtopituuksien muuttumista eioteta automaattisesti huomioon simulointimallien releasetteluissa. Asettelut on pyrittytekemään johtopituuden suhteen pahimman vaihtoehdon mukaan. Tämän vuoksi releasettelutvoivat olla joidenkin konfiguroitavissa olevien tilanteiden kannalta liiankintiukat. Lisäksi esimerkiksi syöttävän verkon oikosulkuteholla on merkittävä vaikutusvikavirtoihin ja sitä kautta asetteluihin. Jotta malleista ei olisi tullut tarpeettoman monimutkaistaon releasettelut tehty mallissa oletuksena olevilla oikosulkutehoilla. Mikälikäyttäjä muuttaa syöttävän verkon oikosulkutehoa tai päämuuntajan nimellistehoa onhänen syytä tarkistaa myös mallin releasettelut.Pienjänniteverkkomalleissa käytössä on sulakesuojaus, joka voidaan tarvittaessa korvatamuilla myöhemmin mahdollisesti kehitettävillä ratkaisuilla. Periaatteessa keskijänniteverkoissakäytettävät suojarelemallit toimivat myös sellaisenaan pienjänniteverkkomalleissa.2.2 VERKKOMALLITJakeluverkot ovat tyypillisesti säteittäisiä, jolloin verkkomallin perusrakenne on seuraavassakuvassa esitetyn kaltainen. Malli rajoittuu aina yhteen jänniteportaaseen, jonnesyöttö ylemmältä jänniteportaalta (kantaverkosta) tulee päämuuntajan kautta. Syöttäväverkko on sitten kuvattu pelkistetyllä ekvivalenttikytkennällä, joka käytännössä on jännitelähde.Termien osalta tässä on oletuksena keskijänniteverkon malli. Pienjänniteverkonosalta voidaan sanoa, että malliin tulee syöttö jakelumuuntajan kautta ja syöttävääverkkoa kuvaava lähde tulee keskijänniteverkon puolelle.Simulointiympäristö – Loppuraportti 8

SYÖTTÄVÄVERKKOPÄÄMUUNTAJAJOHTOLÄHTÖ JA KUORMATKuva 2. Verkkomallien perusrakenneJohtolähdön osalta edellä oleva kuva on yksinkertaistettu siten, että siinä on vain yksilähtö. Käytännössä malleissa on noudatettu periaatetta, että vain yksi johtolähtö (lähtö1) on kuvattu tarkemmin, ja muut sopivan tasoisilla ekvivalenttikytkennöillä.Erityisesti kaupunkiverkoissa johtolähdöllä on rengasyhteyksiä, jotka päättyvät avoimeenerottimeen. Tämän vuoksi rengasverkkoa kuvaaviin malleihin on sisällytetty yhteystarkemmin kuvatulta lähdöltä 1 viereiseen lähtöön. Tällä yhteydellä oleva erotin onkuitenkin oletuksena auki ja rengasyhteydellä vain lähdön 1 puoleinen osuus on tarkemminmallinnettu ja viereisellä lähdöllä on esimerkiksi vain yksi keskitetty kuormitus.Johtolähdön rakenteen osalta peruslähtökohta mallinnuksessa oli, että kuormitukset onsijoitettu tasaisesti johtolähdön varrelle ja johtolähtö koostuu pelkästään runkojohdosta.Käytännössä tässä esitettyjä periaatteita on noudatettu malleissa tapauskohtaisesti soveltaenja jos esimerkiksi saatavilla on ollut sopivat verkkotiedot on malli kasattu todellistaverkkoa mukaillen sen sijaan että olisi tehty kokonaan geneerinen verkkomalli.2.3 VOIMALAITOSMALLITVoimalaitosmallit voidaan sähköteknisten ominaisuuksien tai lähinnä vaihtosähköä generoivanosan perusteella jakaa kolmeen ryhmään:• tahtigeneraattorit• epätahtigeneraattorit• vaihtosuuntaajaan perustuvat ratkaisut.Tahtigeneraattorit edustavat ehkä perinteisintä tekniikkaa. Epätahtigeneraattoreita onkäytetty paljon mm. pienemmän kokoluokan tuulivoimaloissa. Vaihtosuuntaajaan perustuvatratkaisut ovat tarpeen kun primäärienergialähde tuottaa tasasähköä kuten onkyse esimerkiksi aurinkovoimaloissa. Vaihtosuuntaajan avulla voidaan myös paremminhallita primäärienergialähteen vaihtelut, minkä vuoksi niitä on alettu yhä useamminsoveltaa myös tuulivoimaloissa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 9

2.3.1 Mallinnuksen eri tasotTarkasteltaessa lyhytaikaisia transientti-ilmiöitä useimmissa tapauksissa riittää että pelkästäänsähköverkkoon kytkeytyvä puoli voimalaitoksesta mallinnetaan. Tahti- tai epätahtigeneraattoriinperustuvissa ratkaisuissa tämä tarkoittaa esim. sitä, että voimakonekorvataan malliin syötettävällä vakiomomentilla. Aurinkovoimala voidaan puolestaanesittää pelkällä vaihtosuuntaajalla, jota syötetään vakiojännitteisellä jännitelähteellä.Tietyt muutostilanteet, kuten esimerkiksi saarekkeeksi kytkeytyminen, vaativat, ettävoimalaitoksen koko dynamiikka on kuvattu tarkasti. Käytännössä tämä edellyttää voimakoneenja sen säätäjien mallintamista. Myös aurinkovoimalalla tai esim. polttokennollaon tällaisissa tilanteissa tarpeen tarkastella primäärienergialähteen kykyä seuratatehonmuutoksia.Kun tarkastellaan staattisia tilanteita ja lasketaan perinteisin menetelmin verkon tehonjakoaja oikosulkuvirtoja riittävät kertaluokkaa yksinkertaisemmat mallit. Käytännössäriittää kun malli määrittelee niiden tehonsyöttökyvyn normaali- ja vikatilanteessa.Edellä esitetyn perusteella simulointiympäristöön asetettiin tavoitteeksi kehittää voimalaitostenmalleja kolmella eri tasolla:Taso 1. Staattiset mallit- tuottavat määrätyn tehon- syöttävät tietyn oikosulkuvirranTaso 2. Vakiotehoiset dynaamiset mallit- tarkka mallinnus sähkömagneettisten ja sähkömekaanisten transienttienosalta- vakioteho primäärienergialähteestäTaso 3. Tarkat dynaamiset mallit- myös primäärienergialähteeseen liittyvä dynamiikka mallinnettuMallien toteutusta eri tasoilla havainnollistetaan seuraavassa dieselvoimalaitoksen mallinnukseenliittyen.Dieselvoimalaitos voidaan tason 1 mallina esittää pelkkänä jännitelähteenä. PSCADohjelmanjännitelähteen mallissa on monipuoliset mahdollisuudet tehonsäätöön. Perusvaihtoehtonaon, että lähde tuottaa annetun pätötehon ja pitää napajännitteen asetellussaarvossa. Myös loistehosäätö on mahdollista toteuttaa jännitteensäädön avulla.RRLCRRLBRRLAKuva 3. JännitelähdeSimulointiympäristö – Loppuraportti 10

PSCADin jännitelähdemalli ei kuitenkaan kykene tuottamaan vaimenevaa oikosulkuvirtaakuten tahtikonemalli. Seuraavassa kuvassa on esimerkki jännitelähteen oikosulkuvirrasta.Virran suuruus pysyy vakiona. Oikosulkuvirran tasakomponentti tulee kuitenkinnäkyviin.+8OikosulkuvirratIa1 Ib1 Ic1+4+0-4-8 0 0.16 0.32 0.48 0.64 0.8Time (sec)Kuva 4. Esimerkki jännitelähteen oikosulkuvirroistaOikosulkutilanteen virtojen saamiseksi oikein pitää käyttää PSCADin tahtigeneraattorimallia.Välttämättä malliin ei tarvitse kytkeä voimakonetta esittävää mallia vaan tahtikonemallivoidaan määrätä käymään vakionopeudella ja -teholla. Momentin välittäväliitäntä vaatii kuitenkin jonkin sisäänmenon, johon voidaan laittaa vaikka nolla kutenseuraavan kuvan esimerkissä on tehty. Mikäli ei haluta tarkastella jännitteensäätäjänvaikutusta voidaan myös se jättää pois ja korvata esimerkiksi liukusäätimellä kuten seuraavassakuvassa on tehty.EfIfG02ATeTmwTmBC0.0Kuva 5. Generaattorimalli ilman ulkoisia säätäjiäOikosulkuvirran saamiseksi oikein pitää malliin kuitenkin syöttää tahtikoneen parametrit,jotka voidaan syöttää kuvan 6 mukaisina aikavakioina, reaktansseina ja resistanssei-Simulointiympäristö – Loppuraportti 11

na. Aivan kaikkia näitä parametreja ei kuitenkaan tarvittaisi vaimenevan oikosulkuvirranmallintamiseen. Kuvassa 7 on esitetty esimerkki tahtikonemallin tuottamista oikosulkuvirroista.Kuva 6. Esimerkki tahtikonemallin parametroinnistaSimulointiympäristö – Loppuraportti 12

+100OikosulkuvirratIa Ib Ic+60+20-20-60-1000.4 0.82 1.24 1.66 2.08 2.5Time (sec)Kuva 7. Generaattorimallin tuottamat oikosulkuvirratTässä projektissa harkittiin myös mahdollisuutta muokata jännitelähdemallia siten, ettäse antaisi vaimenevan oikosulkuvirran kohtuullisen tarkasti minimimäärällä tahtikoneenperusparametreja. Tämän ei kuitenkaan todettu tuovan sellaisenaan mitään merkittävääetua verrattuna tahtikonemallin käyttöön edellä kuvatulla tavalla. Myös muiden generaattorityyppien(epätahtikoneet, suuntaajat) osalta luovuttiin staattisen tason 1 mallienkehittämisestä. Niiden toteuttamiselle ei nähty selkeää tarvetta, koska PSCAD on nimenomaantransienttien simulointityökalu. Osasyynä oli myös käytettävissä olevienresurssien kohdistaminen kokonaisuuden kannalta tarkoituksenmukaisempien mallientoteutukseen.Jos voidaan olettaa, että tehonsäätäjällä ja dieselmoottorilla on tutkittavaan ilmiöön vainvähäinen vaikutus, voidaan ne korvata tahtikonemallia pyörittävällä vakiomomentilla.Pyöritettäessä tahtikonemallia vakiomomentilla mukaan saadaan myös generaattorinsähkömekaaniset ilmiöt. Esimerkki tämäntyyppisestä tason 2 mallista on seuraavassakuvassa, jossa myös jännitteensäätäjä on otettu mukaan.Simulointiympäristö – Loppuraportti 13

VoltagecontrolEf0 Ef If VTAABB1MW_SMTeTmwTm Tm0BCS / Hout inholdL2MKuva 8. Tahtikonemalli jännitteensäätäjällä ja vakiomomentillaTarkimmalla mallinnustasolla (taso 3) mukana on seuraavan kuvan mukaisesti dieselmoottorisäätäjineen.VoltagecontrolEf0 Ef If VTAABB1MW_SMTeTmwTm Tm0BCtm0EnginecontrolDieselenginePoutKuva 9. Tarkka dieselvoimalaitoksen malliTässä esitetty tasojako voimalaitoksen mallinnuksen osalta ei välttämättä ole kaikissatapauksissa yksikäsitteinen, mutta sen avulla tässä projektissa pyrittiin tuottamaan mallikokoelma,jossa mallin tarkkuus voidaan valita tutkittavan ilmiön ja/tai saatavilla olevienlähtötietojen kannalta tarkoituksenmukaisesti.Simulointiympäristö – Loppuraportti 14

2.3.2 Mallinnetut voimalaitostyypitTässä projektissa laaditut voimalaitosmallit jaoteltuna edellä kuvatuille tasoille ja ryhmiinon esitetty seuraavassa taulukossa. Ryhmien ja tasojen määrittelyt taulukkomuodossasekä suunnitelmissa alunperin olleet voimalaitosmallit on esitetty liitteessä 1.Taulukko 1. Projektissa toteutetut mallitTaso 1StaattinenmalliTaso 2VakiotehoinendynaaminenmalliTaso 3Tarkka dynaaminenmalliRyhmä 1.Tahtigeneraattoriin perustuvatvoimalaitoksetTahtigeneraattorimallit(nimellisjännite 0,4 kV)• 40 kVA• 100 kVA• 180 kVA• 250 kVADieselvoimalaitoksen mallit• 8MW, 50Hz, 11,0 kV• 11MW, 50Hz, 11,0kV• 11MW, 60Hz, 13,8kV• 20MW, 50Hz, 15,0kV• 20MW, 60Hz, 13,8kVRyhmä 2. EpätahtigeneraattoriinperustuvatvoimalaitoksetTuulivoimalaitosmallit(nimellisjännite 0,69 kV)• 1,65 MW• 2,3 MWRyhmä 3. Vaihtosuuntaajiahyödyntävät voimalaitoksetPWM-suuntaajamalli(nimellisjännite 0,4 kV,muutettavissa)• 120 kVA (muutettavissa)• säätö: vakiotehoKaksoissyötetty epätahtigeneraattorin(DFIG)malli (tuulivoimalaitos)(nimellisjännite 0,69 kV)• PWM modulaatio• 1 MW• ajo vakionopeudellatai tuulesta johdetullamomentillaKuten edellä olevasta taulukosta on nähtävissä, mallien toteutuksessa painopiste on ollutvaativimmissa tason 3 malleissa. Aikataulu- ja resurssisyistä johtuen suunnitelmissaolleita pelkällä jännitelähteellä kuvattuja staattisia tason 1 voimalaitosmalleja ei toteutettulainkaan. Käytännössä tämäntyyppisille malleille ei ole toistaiseksi ilmennyt vielätarvetta. Epätahtigeneraattorien mallit toteutettiin suoraan niin että niitä pyörittää tuultakuvaava momentti. Tarvittaessa mallit on helposti yksinkertaistettavissa tasolle 2 niin,että generaattoria pyöritetään vakionopeudella. Alunperin ajatuksissa oli saada kokoelmastavähän laajempi myös eri energialähteiden suhteen, mutta tältä osin toteutus joudutaanjättämään jatkohankkeiden varaan.2.4 SUOJALAITTEIDEN MALLITSuojalaitteiden mallinnuksen osalta tavoitteena oli kattava kokoelma erityyppisiä suojareleitäja sulakkeita. Sulakemallinnuksen osalta tavoitteena oli laatia mallit erikokoisillepienjännitesulakkeille, siten että sulakkeen koko (ampeereina) on ainoa mitä käyttäjäntarvitsee valita ja sulakkeen sulamiskäyrä on sisäänrakennettuna mallissa. UlkomaisissaSimulointiympäristö – Loppuraportti 15

1111verkkomalleissa on tarvetta myös keskijännitesulakkeiden malleille, joten pjsulakemallienpohjalta kehitettiin myös yleiskäyttöinen sulakemalli, joka voidaan määritelläkuvaamaan mitä tahansa sulaketta.Suojareleiden osalta tavoitteena oli laatia mallit erityyppisille releille, siten että niidentoiminta vastaa aina kyseisen reletyypin toimintaa mahdollisimman hyvin. Malleja eiollut tarkoitus tehdä vastaamaan tarkasti tietyn valmistajan tyyppiä vaan ne laadittiinlähinnä toiminnallisen kuvauksen pohjalta. Toteutetut relemallit on lueteltu seuraavassa:• vakioaikaylivirtarele• maasulun suuntarele• suunnattu ylivirtarele• yli-/alijänniterele• yli-/alitaajuusrele• distanssirele• df/dt & vector shift -rele.Suojareleitä on aiemmissa hankkeissa mallinnettu käyttäen PSCADissä ns. sivumoduleita,jolloin tavallisesti näkyvissä on vain sivumodulin kuvake, mutta tarvittaessa esiinsaa sivumodulin sisällön, jossa mallin toiminnallisuus on toteutettu PSCADin loogisillatoimilohkoilla (ks. esim. seur. kuva).MeterIaRMSMeterNN/DO /CRelayIbpeakMeter2.828427125DRMSBrUaUaUbUbUcUcIa Ib IcIa Ib IcO/C and E/FProtectionRelayBrBRKIcUaUbUcMeterpeakMeterRMSMeterpeakXAXBXCXAXBXCNNN/D2.828427125DN/D2.828427125DMag+ Mag- Mag0(31) (31) (31)Ph+(31)F F TPh-(31)Mag+ Mag- Mag0(31) (31) (31)Ph+(31)F F TPh-(31)Ph0F = 50.0 [Hz](31)dcA dcB dc CU0Ph0F = 50.0 [Hz](31)dcA dcB dc CO /CRelayO /CRelayD - +FU0dfiiU0I0dfiidfiiE/FRelaySIVUMODULIN KUVAKESIVUMODULIN SISÄLTÖKuva 10. Esimerkki sivumodulina toteutetusta suojarelemallistaSivumodulien kopiointi simulointimallista toiseen on kuitenkin suhteellisen vaikeaa,joten tässä hankkeessa relemallit toteutettiin ns. komponenttimalleina, joissa toiminnallisuuson koodattu mallin sisään fortran-koodilla. Mallit ovat omassa kirjastossaan, jostane on kätevästi kopioitavissa kohteena olevaan verkkomalliin. Käytännössä laaditutrelemallit kuvaavat erilaisia suojarelefunktioita, joista voidaan tarvittaessa koostaa hy-Simulointiympäristö – Loppuraportti 16

vinkin monimutkaisia sovelluksia. Liitettäessä suojarelefunktioihin sopivasti loogisialohkoja voidaan helposti toteuttaa mm. erilaiset lukitukset ja jälleenkytkentätoiminnot.Tarkasti ottaen suojareleiden toimintaan vaikuttaa mm. koko mittausketju primääriarvoistaD/A-muuntimelle. Tältä osin mielenkiintoista olisi ollut sisällyttää mallikirjastoonmyös mittamuuntajia ja/tai sensoreita kuvaavat mallit, mutta tämä osuus rajattiinhankkeen ulkopuolelle.3 KOMPONENTTIMALLITPSCADissä komponenttimalleiksi kutsutaan simulointimallien rakentamisessa käytettäviäpalikoita. PSCADissä on valmiina laaja komponenttimalleja sisältävä kirjasto, masterlibrary, mutta mallien rakentamiseen voi käyttää tarvittaessa myös itse kehitettyjäkomponenttimalleja. Simulointiympäristöä varten tarvittiin useita uusia komponenttimallejaPSCADiin, jotta tavoitteena ollut toiminnallisuus ja helppokäyttöisyys saavutettiin.Komponenttimallit, jotka sisälsivät sekä sähköisiä että ohjaus/mittauskomponenttiakoottiin omaan kirjastoonsa, ns. VTT-kirjastoon, jonka tiedostonimi onvtt_V4.psl (tiedostomuotona PSCADin library file-muoto).Myös edellä mainitut relemallit ja sulakemallit ovat komponenttimalleja ja ne sisältyvättähän kirjastoon.Projektissa laaditut sähköiset komponenttimallit ovat:• syöttävän verkon malli• muutettava impedanssi (1 ja 3-vaiheinen)• valmiiksi parametroidut muuntajamallit (3 erilaista)• vikamalli• sulakemallit (3 erilaista)Ohjaus- ja mittaustarkoituksiin laaditut komponenttimallit ovat:• suuntaajamallin ohjauslohkot (virran referenssi, virtasäätäjä, PWM-modulaattori)• vektorin rajoitin• koodattu valitsin• relemallit (ks. ed. kappale)Kaikki laaditut komponenttimallit on esitelty tarkemmin seuraavissa kappaleissa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 17

3.1 SUOJARELEIDEN MALLITProjektissa kehitetyt suojarelemallit esitellään tässä kappaleessa. Ennen varsinaisia relemallejaesitellään cosini-filtteri, joka kehitettiin mitattavan vaihtojännitteen tai -virrantehollisarvon (rms-arvon) ja vaihekulman laskentaa varten.Relemallien toiminta ei vastaa suoraan minkään valmistajan todellista reletyyppiä vaanne on laadittu saatavilla olevien toiminnallisten kuvausten pohjalta. Relemalleissa onkäytössä vain tärkeimmät perusasettelut.3.1.1 Cosini−filtteriKehitetty cosini-filtteri on toiminnallisesti vaihtoehtoinen komponentti master–kirjastonFFT–komponentille signaalin tehollisarvon ja vaihekulman laskentaa varten. Etuna FFT−komponenttiin verrattuna voidaan todeta cosini–filtterin antavan jonkin verran nopeammanja tarkemman tuloksen muutostilanteissa, eron ollessa kylläkin vain muutamiaprosentteja.Cosini-filtteri-menetelmässä signaalin näytteitä kerrotaan sini−signaalin arvoihin synkronoidusti.Reaaliosa saadaan vaihesiirrolla nolla ja imaginaariosa 90º vaihesiirrolla.Näytteistä lasketaan liukuva summa yhdeltä signaalin jaksoa vastaavalta ajalta. Pinomuistiinlisätään uusi arvo vanhimman arvon poistuessa, ja lasketaan pinon alkioidensumma.Signaalin tehollisarvo saadaan summina laskettujen reaaliosan ja imaginaariosan neliösummanneliöjuurena jaettuna neliöjuuri kahdella:Re2 2+ ImRMS =(1)2Vaihekulma saadaan ottamalla arcus-tangentti imaginaari− ja reaaliosan osamäärästä: Im vaihekulma = arctan(2) Re Simulointiympäristö – Loppuraportti 18

Kuva 11. Cosini−filtterin ja FFT –komponentin käyttäytyminen muutostilanteessa. cosini–filtterinnäytteiden lukumäärän ollessa 10 ja 40 jaksoa kohden.Cosini-filtterin aliohjelmakoodi on tiedostossa vttlib.f, johon on koottu kaikki VTT–kirjastossa olevien komponenttien tarvitsemat koodit. Cosini–filtterin aliohjelman nimion U_cosinefilter.3.1.2 VakioaikaylivirtareleVakioaikaylivirtareleen komponenttimalli tehtiin aiemmin sivumoduulina toteutetunversion pohjalta. Tavanomaisten ylivirta- ja aikahidastus asetteluiden lisäksi komponentissaon aktivointi/de−aktivointi toiminto (Enable) sekä mahdollisen laukaisun palautustoiminto(Reset). Sisäänmenoina ovat aktivointi− ja palautussignaalit sekä kaikkienkolmen vaiheen virrat. Ulostuloina ovat havahtumis− ja laukaisusignaalit.Kuva 12. Vakioaikaylivirtarele - komponenttimalli.Releessä on kaksi toimintaporrasta, hidas ja nopea. Ne asetellaan seuraavassa kuvassaesitetyllä tavalla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 19

Kuva 13. Hitaan ja nopean toimintaportaan asettelu.Komponentti tarvitsee parametreikseen myös cosini−filtterin edellyttämät signaalitaajuudenja näytteiden lukumäärän jaksolle. Signaalitaajuus on valittavissa joko 50Hz tai60Hz, oletusarvona on 50Hz. Näytteiden lukumäärä on valittavissa väliltä 10 … 40,oletusarvo on 40.Kuva 14. Näytteidenottoon liittyvät parametrit.Komponentissa on sisäisinä mittauksina kaikkien kolmen vaiheen vaihevirrat.Kuva 15. Sisäiset mittaussignaalit.Komponentin käyttämä aliohjelmakoodi on tiedostossa vttlib.f nimellä U_OCR.Simulointiympäristö – Loppuraportti 20

3.1.3 Suunnattu vakioaikaylivirtareleSuunnatun vakioaikaylivirtareleen mallissa on kolme toimintaporrasta, hidas, nopea jaerittäin nopea. Kaksi ensin mainittua on toteutettu suuntatoiminnolla ja viimeinen erittäinnopea toimintaporras on suuntaamaton.Kuva 16. Suunnattu oikosulkurele - komponenttimalli.Komponentissa on myös aktivointi/de −aktivointi toiminto sekä mahdollisen laukaisunpalautustoiminto. Komponentti tarvitsee lisäksi parametreikseen cosini−filtterin edellyttämätsignaalitaajuuden ja näytteiden lukumäärän jaksolle.Kuva 17. Toimintaportaiden asetteluarvot.Simulointiympäristö – Loppuraportti 21

Sisäänmenoina ovat vaiheiden a ja c virrat sekä kaikkien kolmen vaiheen jännitteet.Lisäksi sisäänmenoina ovat aktivointi− ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis−ja laukaisusignaalit.Vaihejännitteistä on laskettu kaksi pääjännitettä, jännite välille b−c sekä jännite välillea−b. Pääjännitteiden pohjalta on laskettu kaksi niin sanottua perussuuntakulmaa a ja cvaiheiden virtoja varten.Havahtumisen yhtenä edellytyksenä on, että virran vaihekulma on ±80º vastaavasta perussuuntakulmastab. Lisäksi virta−arvon on ylitettävä aseteltu virtaraja. Mikäli ehdotpysyvät voimassa toiminta−ajan loppuun, tapahtuu laukaisu. Suuntaamattomassa tapauksessavirran vaihekulmaa ei verrata peruskulmaan, eikä se siten ole edellytyksenähavahtumiselle.Kuva 18. Suunnatun vakioaikaylivirtareleen toimintakarakteristika.Suunnatun vakioaikaylivirtareleen aliohjelman nimi on U_DirOCR.3.1.4 Maasulun suuntareleMaasulun suuntareleen komponenttimalli pohjautuu osin aiemmin tehtyyn sivumoduulinatoteutettu versioon.Simulointiympäristö – Loppuraportti 22

Kuva 19. Maasulun suuntarele – komponenttimalli.Komponenttimallina toteutetussa releessä on kolme esiaseteltua "toimintatilaa". Näidenavulla voidaan releen asetteluita muuttaa automaattisesti kun verkkomallin maadoitustapaavaihdetaan. Kussakin toimintatilassa määritellään raja−arvot summavirralle, nollajännitteelleja laukaisuajalle sekä valitaan valikosta verkon maadoitustavan määräämänämaasulkuvirran laskentatapa (I0sinfii tai I0cosfii). Seuraavassa kuvassa on esitetty toimintatilan1 (Set 1) asetteluarvot. Muiden tilojen asetteluiden oletusarvot ovat aivansamat.Kuva 20. Toimintatilan 1 asetteluarvot.Toimintatila valitaan sisäänmenon Set# avulla (sisäänmenon arvoksi annetaan 1,2 tai 3).Muita sisäänmenoja ovat kaikkien kolmen vaiheen jännitteet ja virrat. Lisäksi sisäänmenoinaovat aktivointi− ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis− ja laukaisusignaalit.Nollajännite saadaan laskemalla vaihejännitteet yhteen ja jakamalla summa sitten kolmosella.Saadun signaalin tehollisarvoa verrataan sitten asetteluarvoon. Nollajännitteenkulma määritetään erään relevalmistajan käytännön mukaisesti nollajännitevektorinvastavektorille − U0. Summavirta saadaan suoraan vaihevirtojen summana. Asetteluarvoonverrattava arvo I0(fii) saadaan kertomalla summavirta summavirran ja nollajännit-Simulointiympäristö – Loppuraportti 23

tevektorin − U0välisen kulman sinillä tai cosinilla (riippuen Mode of operation valinnasta).Esimerkiksi sammutetun järjestelmän tapauksessa valitaan cosini (I0cosfii) jamaasta erotetussa järjestelmässä sini (I0sinfii). Sini-funktiolla lauseke on siis muotoa( I + I + I ) ⋅sin( I − )I 0(fii)= U(3)a b c rms sumang0angmissäI0(fii) = virran asetteluarvoon I(fii) verrattava arvo,I a … I c = vaihevirtojen hetkellisarvot, joiden summasta lasketaan tehollisarvo,I sumang = summavirran vaihekulmaU0 ang = nollajännitteen vaihekulma.Komponentti tarvitsee parametreikseen cosini−filtterin edellyttämät signaalitaajuuden janäytteiden lukumäärän jaksolle. Komponentin aliohjelman nimi on U_EFR.3.1.5 DistanssireleDistanssireleen mallissa (kuva 21) lasketaan vaiheiden väliset sekä vaiheiden ja maanväliset impedanssit kaikille vaiheille erikseen. Vaiheiden välille lasketaan yksi impedanssiarvovaiheiden A ja B (eli L1 ja L2) mittausten perusteella. Laskennassa käytetäänmitattuja virtoja ja jännitteitä.Kuva 21. Distanssirele – komponenttimalli.Releen suojausalueet määritellään joko puoliautomaattisesti ulottumien ja johtopituuksiensekä suuntakulmien (Alpha ja Beta) avulla tai piste pisteeltä. Suojausalueita onkaikkiaan kymmenen, viisi oikosulkuimpedanssitasoa ja viisi maasulkuimpedanssitasoa.Suojausalueen määrittäminen edellyttää sekä resistanssin että reaktanssin laskemista.Suojausalueen määrittely voi sisältää kolmesta kahdeksaan nurkkapistettä. Oletusmäärittelyalueetovat yhdenmuotoisia, viisikulmaisia, sisäkkäisiä. Lisäksi myötäsuunnanalueet ovat yhdenmuotoisia vastasuuntaisen alueen kanssa. Oletusmäärittelynä alueetSimulointiympäristö – Loppuraportti 24

1…4 ovat myötäsuuntaisia ja alue 5 on vastasuuntainen, mutta kaikki alueet ovat käyttäjänvapaasti määriteltävissä joko vasta− tai myötäsuuntaisiksi.Sekä resistanssin että reaktanssin laskenta perustuu PSCADin master−kirjaston komponenttienkäyttämään koodiin, joka antaa vaiheiden väliset sekä vaiheiden ja maan välisetimpedanssit komponenteissaan (R ja X).Vaiheen ja maan välisten impedanssien laskennassa tarvittava kompensointivakio k onkäyttäjän määriteltävissä, oletusarvona on 1,2. Kompensointivakion arvoa laskettaessaon otettava huomioon, että verkon rakenne vaikuttaa ratkaisevasti laskennassa käytettäväänyhtälöön ja siten myös kompensointivakion arvoon.Myös suojausalueiden määrittelyssä on käytetty hyväksi master−kirjaston valmistakomponenttia, joka vertaa aliohjelmakutsun syötteessä olevaa impedanssia määrittelyalueenimpedanssitasoon.Simuloinnin alussa mahdollisesti esiintyvien transienttien ajaksi impedanssien (L2L jaL2G) arvot on kiinnitetty vakioarvoihin (1M ). Tämä ns. alustusaika on määriteltävissäMain data –sivun parametrilla Initialization time, jonka oletusarvo on 0,02s.Suojausalueiden määrittelyn suuntakulmien (ks. kuva 22) oletusarvot ovat: Alpha =- 5,0º ja Beta = 25,0º. Suuntakulmat voidaan antaa valinnaisesti myös radiaaneina, jolloinkohdasta Operation Angles are given in suoritetaan valinta Radians. Laukaisuaikojenja ulottumien oletusarvot alueesta 1 alueeseen 5 ovat• 0,01s/80,0%,• 0,25s/50,0%,• 0,6s/25,0%,• 1,0s/70,0% ja• 1,0s/20,0%.Simulointiympäristö – Loppuraportti 25

Kuva 22. Myötä− ja vastasuuntaisten suojausalueiden määrittely.Ulottumien määrittelyä edellä esitetyillä oletusarvoilla on havainnollistettu seuraavassakuvassa.Kuva 23. Ulottumien määrittely.Impedanssitasossa olevien suojaustasojen määrittelyssä käytetään johtojen sähköisiäparametreja sekä pituustietoja. Oletusarvot on esitetty jäljempänä (kuva 26). Parametritovat suuntaa antavia ja ne on aseteltava aina tapauskohtaisesti. Oletusparametrit ovatRaven−tyyppisen (Al/Fe 54/9) johdon pii−sijaiskytkentää vastaavia arvoja. Osa parametreistaperustuu lähtötietojen puuttuessa arvioihin.Seuraavassa on esitetty oletusarvoisilla ulottumilla tehdyn simulointiajon tuloksia. Kuvassaon sekä suojausalueiden vaiheiden väliset että vaiheiden ja maan väliset impedanssitasot.Vikojen aikaiset impedanssit näkyvät pieninä neliöinä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 26

Line to LineLine to Ground1125920715510351-5-15 15 25 350-20 0 20 40 60-5-3-10Kuva 24. Suojausalueet oikosulussa ja maasulussa sekä vikojen aikaisia impedansseja.Kuva 25. Distanssireleen yleiset parametrit, joita ovat mm. näytteidenottoon ja alustukseenliittyvät parametrit.Simulointiympäristö – Loppuraportti 27

Kuva 26. Suojattavien johtojen parametrit sisältävät myötä− ja nollajärjestelmien komponentitsekä johto−osuuksien pituudet.Kuva 27. Suojausalueen toiminnalliset parametrit.Simulointiympäristö – Loppuraportti 28

Kuva 28. Pisteittäin määriteltävien suojausalueiden impedanssitaso voi olla maksimissaankahdeksankulmio.Sisäänmenoina ovat kaikkien kolmen vaiheen virrat ja jännitteet. Lisäksi sisäänmenoinaovat aktivointi− ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis− ja laukaisusignaalit.Komponentti tarvitsee parametreikseen myös cosini−filtterin edellyttämät signaalitaajuudenja näytteiden lukumäärän jaksolle. Komponentin aliohjelman nimi on U_DISR.3.1.6 Yli-/alijännitereleLaadittu yli-/alijännitereleen komponenttimalli on esitetty seuraavassa kuvassa. Releessäon aseteltavissa enintään kolme ylijänniteporrasta ja kolme alijänniteporrasta. Releelletuodaan mittauksina vaihejännitteet, joiden tehollisarvot lasketaan cosini-filtterinavulla. Jänniteasettelut tehdään suhteellisina arvoina, joita vastaavat todelliset arvotlasketaan parametrina annettavan verkon pääjännitteen perusteella.EnableUaUbUcO/V+U/VrelayResetOvervoltageU> : 1.06 [pu]t> : 60.5 [s]U>> : 1.1 [pu]t>> : 0.8 [s]U>>> : 1.2 [pu]t>>> : 0.3 [s]UndervoltageU< : 0.9 [pu]t< : 60.5 [s]U

Yli-/alijännitereleen aseteltavat parametrit on esitetty seuraavissa kuvissa. Näiden lisäksikomponenttimalli tarvitsee parametreikseen myös cosini−filtterin edellyttämät signaalitaajuudenja näytteiden lukumäärän jaksolle. Sisäisinä mittauksina on mahdollista saadaulos vaihejännitteet (tehollisarvot).Kuva 30. Asetteluportaiden lukumäärän ja perusjännitteen asettelu.Kuva 31. Ylijänniteportaiden asettelut.Kuva 32. Alijänniteportaiden asettelut.Simulointiympäristö – Loppuraportti 30

Sisäänmenoina ovat kaikkien kolmen vaiheen jännitteet. Lisäksi sisäänmenoina ovataktivointi− ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis− ja laukaisusignaalit. Tämäkomponentti käyttää aliohjelmia Urelems ja Ureletoim.3.1.7 TaajuusreleLaadittu taajuusreleen komponenttimalli on esitetty seuraavassa kuvassa. Siinä on aseteltavissakaksi ylitaajuusporrasta ja kaksi alitaajuusporrasta.EnableUaUbUcFrequencyrelayResetOverfrequencyf> : 50.6 [Hz]t> : 30.5 [s]f>> : 53.5 [Hz]t>> : 0.3 [s]Underfrequencyf< : 47.5 [Hz]t< : 6.5 [s]f

Kuva 35. Ylitaajuusreleen asettelut.Kuva 36. Alitaajuusreleen asettelut.Sisäänmenoina ovat kaikkien kolmen vaiheen jännitteet. Lisäksi sisäänmenoina ovataktivointi− ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis− ja laukaisusignaalit. Tämäkomponentti käyttää aliohjelmaa G_rele.3.1.8 df/dt & vector shift –releLaadittua df/dt and vector shift –releen komponenttimallia voidaan tässä vaiheessa pitäävielä lähinnä prototyyppiversiona, jota tullaan jatkossa kehittämään käyttäjien tarpeidenmukaan. Releen on kuitenkin jo todettu toimivan tarkoitetulla tavalla Suojaus-hankkeenyhteydessä tehdyissä simuloinneissa.Releessä lasketaan taajuuksien muutosnopeudet ja jännitteiden kulmamuutokset kaikillevaiheille. Laskenta suoritetaan jännitteiden perättäisten nollakohtien välistä aikaa käyttäen.Nollakohtien tarkan ajan saamiseksi on kehitetty interpolointi-algoritmi, joka ottaahuomioon sen että PSCAD käyttää simuloinnissa vakiona pysyvää aika-askelta. Lisäksinollakohdat määrittävässä algoritmissa on pyritty eliminoimaan esim. jännitteen säröstäaiheutuvat ongelmat kun jännitteen suunta vaihtuu tiheästi perusaallon nollakohdan ympärillä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 32

EnableRes etUabdf/dt andvector shiftRelayRate of Changeof FrequencyUbc df/dt : 1 [Hz/s]t1 : 0.05 [s ]UcaVector ShiftAngle s tep : 6.0 [°]Cause of trip#1 : df/dt#2 : vector s hift#3 : df/dt & vector shiftTripStartCaus eKuva 37. df/dt and vector shift –releen komponenttimalli.Releen asetteluarvot syötetään taajuuden muutosnopeuden osalta yksikössä Hz/s sekälaukaisuajan osalta sekunteina. Kulmamuutoksen asetteluarvo määritellään asteina, [º].Taajuuden muutosnopeuden oletusarvo on 1,0 Hz/s sekä vastaavan laukaisuajan oletusarvoon 0,05 s. Kulmamuutoksen oletusarvo on 6º. Kulmamuutoksen tapauksessa eiole käytössä laukaisuaika toimintoa, vaan laukaisu tapahtuu välittömästi releen havaittuarajan ylittävät muutokset kulma-arvoissa. Molemmissa tapauksissa häiriö (df/dt taikulmamuutos) on havaittava kaikissa kolmessa vaiheessa samanaikaisesti, jotta kaikkilaukaisulle tai havahtumiselle asetetut ehdot täyttyvät.Releen ominaisuuksiin kuuluu myös referenssitaajuuden laskennan suorittaminen liukuvanakeskiarvona 5 … 60 jaksonajasta. Tällöin hitaasti kehittyvät, releen tarkastelunpiiriin kuulumattomista syistä johtuvat, taajuuden poikkeamat eivät aiheuta aiheetontalaukaisua. Käyttäjä valitsee keskiarvon laskentaan mukaan otettavien jaksojen lukumäärän.Viimeisin jakso ei ole mukana keskiarvossa.Releen toimittua, on käyttäjällä mahdollisuus tarkistaa laukaisun aiheuttanut häiriö ulostulostaCause. Ulostulon Cause arvo on• 1 mikäli laukaisun aiheutti taajuuden muutosnopeuden rajan ylittyminen,• 2 mikäli laukaisun aiheutti kulmamuutoksen rajan ylittyminen tai• 3 mikäli molemmat edellä mainitut rajat ovat ylittyneet.Tyypillisesti laukaisun aiheuttaa jompikumpi edellä mainituista ilmiöistä, ja signaalintila muuttuu arvoon 3 releen jo toimittua. Tällöin voidaan havaita, että myös toinen arvoylittyi, vaikka kyseinen häiriö ei kerinnyt laukaisua aiheuttaakaan.Kuva 38. Referenssitaajuuden laskentajaksojen lukumäärän asetteluarvo.Simulointiympäristö – Loppuraportti 33

Kuva 39. Taajuuden muutosnopeuden asetteluarvot.Kuva 40. Kulmamuutoksen asetteluarvo.Kuva 41. Mittaussignaalit.Releeseen on määritelty sisäänmenoiksi kaikkien kolmen vaiheen pääjännitteet. Lisäksisisäänmenoina ovat aktivointi- ja palautussignaalit. Ulostuloina ovat havahtumis- jalaukaisusignaalit sekä laukaisun aiheuttaneen häiriön koodin ilmaiseva signaali. Mittasignaaleinareleestä saadaan ulos taajuuden muutosnopeus, kulmamuutos sekä taajuus.Taajuuden mittauksessa ei käytetä liukuvan keskiarvon laskentaa, vaan taajuus on jaksottainenhetkellisarvo, jota päivitetään 6 kertaa jakson aikana eli jokaisessa nollakohdanylityksessä.Tämä komponenttimalli käyttää aliohjelmaa U_DFDTR.3.2 SULAKEMALLIT3.2.1 Pienjännitesulakkeiden mallitKehitetyt sulakkeiden komponenttimallit ovat OFAA gG-tyypin pienjännitesulakkeita.Käytännössä sulakkeet ovat 1-vaiheisia, mutta tässä yksivaiheisen mallin lisäksi on kehitetty3-vaiheinen sulakemalli simulointimallin käytettävyyden helpottamiseksi.Simulointiympäristö – Loppuraportti 34

Kuva 42. Yksi- ja kolmevaiheiset sulakemallit.Sulakkeiden oletusarvoiset sulamiskäyrät on määritelty pohjautuen ABB:n julkaisemiinarvoihin (ks. seur. kuva). Sulakkeisiin ei ole mallinnettu virranrajoitusominaisuutta.Kuva 43. Sulakkeiden oletusarvoiset sulamiskäyrät (www.abb.com)Kuvassa 44 on esitetty esimerkkinä 3-vaiheisen sulakkeen Configuration parametrit.Sulakkeen nimellisvirta voidaan valita Rated fuse current vetovalikosta. Valittavissaolevat nimellisvirrat ovat välillä 4-630A. Lisäksi voidaan valita, onko ns. sulakevahti(Fuse monitor) toiminnassa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että sulakevahdin ollessa toiminnassasulakkeen kaikki kolme vaihetta laukeavat, mikäli yksikin vaihe laukeaa. Näinvoidaan halutessa estää epäsymmetriset syöttötilanteet. Tämä ominaisuus on luonnollisestikäytössä vain 3-vaiheisessa sulakemallissa.Sulakkeen alkutila (ehjä/palanut) voidaan valita A-vaiheen osalta vetovalikoista PhaseA initial state. Vastaavasti voidaan valita alkutila vaiheille B ja C. Tässä yhteydessäOpen tarkoittaa, että virtapiiri on auki (eli sulake palanut). Vastaavasti Close tarkoittaa,että virtapiiri on suljettu (sulake ei ole palanut).Simulointiympäristö – Loppuraportti 35

Sulakemalliin on sisällytetty palaneen sulakkeen ilmaisin: palaneen sulakkeen vaiheenkohdalle ilmestyy punainen täplä (ks. kuva 42). Tämä helpottaa sulakkeen toiminnantarkkailua simulointiajon aikana.Kuva 44. Sulakkeen ”Configuration” parametrit.Mittauksina saadaan vaihevirrat sekä jokaisen vaiheen tila eli tieto siitä, onko ko. vaiheensulake ehjä vai palanut. Tämä toiminto on siis sikäli sama kuin edellä mainittupalanneen sulakkeen ilmaisin sillä erotuksella, että mittaussignaalin avulla tieto palaneestasulakkeesta voidaan saada esille kuvaajaan ja myös tallennettua tulostiedostoon.Sulakemalli perustuu katkaisijaan, jota ohjataan ulkoisella piirillä. Toimintaperiaate onesitetty seuraavassa kuvassa. Ensimmäisenä mitataan sulakkeen läpi kulkevan virranRMS-arvo. Tähän arvoon perustuen luetaan sulamiskäyrätaulukosta ko. virtaa vastaavasulamisaika. Sulamisajasta muodostetaan käänteisarvo, joka viedään integraattoriin.Integraattorin aikavakioksi on määritelty 1 s. Lisäksi integraattorin ulostulosta vähennetäänvakioarvo 1. Kun näin saatu arvo saavuttaa nollan, antaa piiri katkaisijalle avautumiskäskynja aukaisee virtapiirin (eli sulake on palanut). Tällöin on kulunut sulamiskäyränmukainen ajanjakso t.1 1/t 1/sT + -Nollan havaitsinLaukaisuIVirranmittausSulamiskäyrätt1Kuva 45. Sulakemallin toimintaperiaatetta kuvaava lohkokaavio.3-vaiheisen sulakkeen komponenttimalli käyttää aliohjelmaa FUSE3p ja 1-vaiheisensulakkeen malli aliohjelma FUSE1p.3.2.2 Yleiskäyttöinen sulakemalliKoska ulkomaisissa verkkomalleissa tulee olemaan tarvetta myös keskijännitesulakkeidenmalleille, kehitettiin pj-sulakemallien pohjalta yleiskäyttöinen sulakemalli, jokaSimulointiympäristö – Loppuraportti 36

voidaan määritellä kuvaamaan mitä tahansa sulaketta. Kyseinen sulakemalli toteutettutoistaiseksi vain 3-vaiheisena ja se on esitetty seuraavassa kuvassa. Nimellisjännite- javirta-arvot, jotka näkyvät komponentissa voidaan vapaasti määritellä. Niillä on kuitenkinainoastaan informatiivinen merkitys ja sulakemallin toiminta perustuu ainoastaansulamiskäyrään.Kuva 46. Yleiskäyttöinen sulakemalli.Sulamiskäyrä on määriteltävä malliin todellisen käyrän avulla enintään 10 pistettä käyttäen.Seuraavassa kuvassa esitettyyn lomakkeeseen tulee kunkin pisteen virta-arvo (kiloampeereina)ja sulamisaika (sekunteina). Muilta osin sulake vastaa aiemmin tehtyäsulakemallia ja siinä on myös käytettävissä ns. sulakevahti.Kuva 47. Sulamiskäyrän määrittelyTämä komponentti käyttää samaa fortran-aliohjelmaa FUSE3p kuin 3-vaiheinen OFAAgG sulakemallikin.Simulointiympäristö – Loppuraportti 37

3.3 PRIMÄÄRIKOMPONENTTIEN MALLIT3.3.1 Syöttävän verkon malliVerkkomallit on toteutettu siten, että syöttävä ylemmän jänniteportaan verkko kuvataanjännitelähteenä. Käytännössä tälle jännitelähteelle pitää määritellä sisäinen impedanssi,joka muodostuu resistanssista ja reaktanssista. Tämä impedanssi määrää jännitelähteenoikosulkuvirran. Varsin usein lähtötietona on kuitenkin oikosulkuteho (MVA), jotenuuden syöttävää verkkoa kuvaavan mallin keskeisin tavoite oli, että lähtötietona silleannettaisiin vain seuraavat tiedot:• oikosulkuteho• nimellisjännite• taajuus• R/X-suhdeOikosulkutehon ja R/X suhteen avulla saadaan laskettua tarvittavat resistanssit ja induktanssit.Toteutettu syöttävän verkon mallit VTT_source_1, laadittiin muokkaamalla master librarynkomponenttimallia source_3. Käytännössä parametrilomakkeet muokattiin siten,että siinä kysytään edellä mainitut tiedot. Mallin sisältämää virtapiiriä muutettiin siten,että siinä on aina pelkästään resistanssi ja induktanssi jännitelähteen kanssa sarjassa.Toteutettu malli on esitetty seuraavassa kuvassa.VpuARLBCRLRLVr = 110.0 [kV]Sk = 500 [MVA]VpuRLVr = 110.0 [kV]Sk = 500 [MVA]Kuva 48. Syöttävän verkon malli, oikealla yksiviivaesitys.Mallin kuvakkeeseen lisättiin myös tekstikentät nimellisjännitteelle ja oikosulkuteholle,jolloin nämä keskeisimmät arvot ovat näkyvissä simulointimallissa ilman että ko. komponentinparametrilomake avataan. Oletusarvoisesti mallissa on päällä ulkoinen ohjausjännitteelle (liitin Vpu), jolla jännitettä voidaan hienosäätää nimellisarvon ympärillä.Sisäänmeno Vpu on jännitteen suhteellinen arvo eli 1 (ykkönen) tarkoittaa nimellisarvoa.Tällöin esimerkiksi 10 % jännitteen nosto onnistuu syöttämällä tähän sisäänmenoonarvo 1.1.Simulointiympäristö – Loppuraportti 38

3.3.2 Muutettava impedanssiVerkkomallien kuormien kuvaamiseksi tarvittiin komponentit, joissa impedanssiarvotmääräytyisivät mallissa olevien muuttujien perusteella. Tällä tavoin voidaan samallaverkkomallilla tutkia ilmiötä erilaisissa verkon kuormitustilanteissa.PSCADin master libraryssä on perusmallit passiivikomponenteille (resistanssi, indutanssija kapasitanssi) myös sellaisessa muodossa että niiden arvoa voidaan säätääPSCADin ohjauskomponenteilla, esimerkiksi liukusäätimillä. Käytännössä mallista tuleenäitä komponentteja käyttäen nopeasti aika sekavan näköinen ja mahdollisuus virheisiinkasvaa. Seuraava kuva esittää mallia, jossa kaikkiin kolmeen vaiheeseen on sijoitettumuutettavat resistanssit ja induktanssit.+ 1.01.0+1.0 +1.01.0+1.0 ++Kuva 49. Muuttuvan impedanssi toteutus master libraryn komponenteillaTässä projektissa toteutettiin kompakti 3-vaiheinen yleiskäyttöinen impedanssikomponenttisekä vastaava yksivaiheinen versio, joka voi valinnaisesti pitää sisällään kaikkiyksittäiset passiivikomponentit (resistanssi, indutanssi ja kapasitanssi).R = RRL = LLC = CCR = RRL = LLC = CC1 phKuva 50. Muutettava impedanssi, 3-vaiheisena ja yksivaiheisena.Tästä komponenttimallista ei ole yksiviivaesitykseen perustuvaa versiota. Käytännössäon lisäksi havaittu että mallien yksinkertaistamiseksi näiden komponenttien sijasta tarvettaolisi malleille, joissa parametreina annetaan suoraan tehot.3.3.3 Valmiiksi parametroitu muuntajamalliEsimerkiksi keskijänniteverkon malleissa konfiguroitavuus merkitsee verkon päämuuntajanosalta sitä, että muuntajakoon vaihtaminen pitää olla helposti toteutettavissa. Aivanensimmäisissä kj-verkkomalleissa tämä oli toteutettu siten, että mallissa oli eri ko-Simulointiympäristö – Loppuraportti 39

koisia päämuuntajia rinnakkain ja näistä vain se halutun kokoinen muuntaja oli kytkettynä.Tämä tekniikka johtaa tarpeettoman monimutkaisen näköisiin malleihin. Tämänvuoksi muuntajamallista laadittiin uusi erikoisversio, jossa parametreissa on valittavissaainoastaan muuntajakoko ja muut parametrit vaihtuvat automaattisesti valitun muuntajakoonperusteella. Lähtökohtana uudessa mallissa oli master libraryn muuntajamallixfmr-3p2w. Laadituissa muuntajamalleissa muuntosuhde on vakio, jolloin komponenttimallinsisään määriteltävien parametrien määrä on pienempi.. Keskijänniteverkonpäämuuntajamallin VTT_tr_11021 muuntosuhde on 110/21 kV.SnA16 MVAAB#1 #2BC110 kV21 kVCKuva 51. Muuntajamalli VTT_tr_11021Jakelumuuntajamalleja on kaksi, joista VTT_tr_205041 sisältää muuntajakoot 30, 50 ja100. Nämä koot ovat tyypillisiä maaseudun ilmajohtoverkoissa. JakelumuuntajamalliVTT_tr_205041H kattaa suuremmat muuntajakoot väliltä 200 - 2000 kVA.SnSnA30 kVAAA800 kVAAB#1 #2BB#1 #2BC20.5 kV 0.41 kVCC20.5 kV 0.41 kVCKuva 52. JakelumuuntajamallitNäiden muuntajamallien ainoa näkyvä ero PSCADin master kirjaston muuntajamallehinverrattuna on ulostuloliitäntä Sn, joka antaa tiedon muuntajan koosta. Tätä tietoa tarvitaanverkkomallien muiden osien määrittelyssä konfiguroitavissa verkkomalleissa. Signaalivoidaan viedä esimerkiksi kuormitukset laskevaan toimilohkoon, joka määritteleeverkon kuorman siten että se on tietty prosenttimäärä päämuuntajan koosta.Nämä muuntajamallit laadittiin projektin alkuvaiheessa aiemman PSCAD version masterkirjaston muuntajamallien pohjalta, jolloin niihin mm. lisättiin muuntajakäämienresistanssi. Projektin aikana uudemman PSCAD version myötä mallit päivitettiin uusienmaster kirjaston mallien pohjalta, joissa oli jo valmiina käämiresistanssien mallinnusominaisuus.Tässä vaiheessa malleihin lisättiin myös yksiviivaesitys vaihtoehtoiseksiesitystavaksi.Simulointiympäristö – Loppuraportti 40

Sn 16 MVA110 / 21 kV#1 #2Sn 30 kVA20.5 / 0.41 kV#1 #2Sn 800 kVA20.5 / 0.41 kV#1 #2Kuva 53. Muuntajamallit yksiviivaesityksenä3.3.4 VikamalliErilaisten vikatilanteiden mallintamista varten PSCAD:in master-kirjastossa on olemassamalli, mutta ko. mallin pohjalta laadittiin tässä hankkeessa vielä kehittyneempi malli,johon sisäänrakennettiin mm. vikapaikan valintalogiikka.Aiemmissa hankkeissa on kehitetty looginen lohko, jonka avulla voidaan valita ainayksi mallissa olevista vikapaikoista aktiiviseksi. Kehitetty uusi vikamalli pitää sisällääntämän valintalogiikan samoin kuin jo master-kirjaston mallissa olleet signaalisisäänmenotvikatyypille ja vian päällekytkeytymiselle. Kehitetyssä mallissa nämä kontrollisignaalitovat yhdessä sisäänmenossa (Fcontrol) 3-pituisena vektorina (ks. seur. kuva).A# = 1FcontrolBCFAULTSKuva 54. Vikamalli.Uuden vikamallin parametrointi on esitetty seuraavassa kuvassa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 41

Kuva 55. Vikamallin parametrointiUutena vikatyyppinä tähän malliin on sisällytetty suuriresistanssisten vikojen mallinnus,joka master-kirjaston mallia käytettäessä vaatisi aina vikamallin resistanssin muuttamisen.Tässä uudessa vikamallissa on toinen vikaresistanssiarvo High fault resistance,joka saadaan käyttöön vaihtamalla vikatyyppiä kuvaavan signaali arvo haluttua suuriresistanssistavikatyyppiä vastaavaan arvoon. Normaalien vikatyyppien valintasignaalitovat samat kuin master-kirjaston mallissakin. Suuriresistanssisen vian koodi on normaalinvian koodi + 11. Esimerkiksi yksivaiheisen maasulun koodi on 1, jolloin suuriresistanssisenmaasulun koodi on 12.Mallissa on myös hyödynnetty PSCAD:in version 4 uusia graafisia ominaisuuksia siten,että vian tullessa päälle muuttuu vikakomponentin kuvakkeessa oleva nuolikuvio punaiseksi,jolloin vikapaikka on helpompi nähdä simulointimallissa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 42

3.4 OHJAUSPIIREISSÄ KÄYTETTÄVÄT KOMPONENTTIMALLIT3.4.1 Suuntaajamallien ohjauslohkotTässä hankkeessa kehitetyn PWM-vaihtosuuntaajan mallin säätäjät ja tyristorien ohjausperustuvat aiemmissa hankkeissa toteutettuihin malleihin, joissa ohjauspiirit oli toteutettusivumoduleihin sijoitetuilla erilliskomponenteilla. Mallin rakenteen selkiyttämiseksija käytettävyyden lisäämiseksi keskeisimmistä moduleista on tehty omat komponenttimallit(ks. seur. kuva).Ong_RpthetaI_m eag_RnIqIpCurrentreferenceI_refCurrentControllerV_refV_refPWMg_Spg_Sng_TpSwFreqg_TnKuva 56. Suuntaajien ohjauslohkojaEo. kuvassa ensimmäisenä vasemmalla on Current reference komponentti, joka laskeevaihevirtojen referenssiarvot käyttäen dq-tasossa annettuja virta-arvoja sekä vaihekulmaatheta. Keskimmäisenä kuvassa on Current Controller, joka nimensä mukaisesti onvirtasäätäjä. Säätäjä on PI-tyyppinen ja ulostulona on jännitteen referenssiarvo PWMmodulaattoriin. Oikeanpuoleinen komponentti onkin sitten PWM-modulaattori, sisäänmenoinaon jännitteen referenssiarvo (vektori sisältäen kaikki kolme vaihetta) ja kytkentätaajuudenmääräävä signaali. Lisäksi modulaattori ja sen myötä ohjattava suuntaajavoidaan kytkeä päälle/pois erillisellä signaalilla. Ulostuloina ovat suuntaajasillan puolijohdeventtiilienohjaussignaalit ns. interpoloidussa muodossa sisältäen myös tarkan kytkentäajankohdan.3.4.2 Vektorin rajoitinKaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin mallin ohjauspiireissä käytettäväksi kehitettiinerityinen rajoitinpiiri, joka rajaa virran dq-tason vektorin haluttuun arvoon. Säätöpiiritovat kuitenkin erilliset, eli virran arvoa d- ja q-suunnissa säädetään toisistaan riippumatta.Molemmissa säätäjissä on omat rajansa, mutta tuloksena oleva vektorin pituus voidaanrajata ainoastaan tällä komponentilla. Komponentti Mod_limit (ks. seur kuva) toimiisiten, että virtavektorin pituuden ollessa yli annetun rajan se rajataan tasan rajaarvonpituiseksi. Rajaus tehdään aina niin, että vektorin suunta (kulma) säilyy.Simulointiympäristö – Loppuraportti 43

dqLim iterdqKuva 57. Vektorin rajoitinVektorin rajoittimessa ovat sisäänmenoina virran dq-komponentit (tai vaihtoehtoisestiminkä tahansa suureen x- ja y-komponentit) ja ulostuloina rajoitetut dq-komponentit.3.4.3 Koodattu valitsinVerkkomallien konfiguroitavuuden selkiyttämiseksi kehitettiin ns. koodattu valitsin(Coded trigger). Se on looginen lohko, joka antaa ulostulona joko ykkösen tai nollan(määriteltävissä) silloin kun sisäänmenosignaali vastaa koodinumeroa. Seuraavassa kuvassavalitsimella on koodina lukuarvo 4,2.Trigger4.2Kuva 58. Koodattu valitsin.Tätä lohkoa on sovellettu jo mm. suomalaisessa taajaman keskijänniteverkkomallissa,jossa sen avulla ohjataan johdon varrella olevia erottimia auki siten, että johtolähdön 1pituus saa halutun arvon. Käytännössä johtopituus määritellään seuraavassa kuvassaesitetyllä valitsimella, jonka tuottama signaali menee kaikkiin mallissa oleviin koodattuihinvalitsimiin sisäänmenona. Se koodattu valitsin, jonka koodi on sama kuin johtopituudenvalitsimen tuottama signaalin arvo, antaa ulostulon yksi ja ohjaa ulostulosignaaliinliitetyn erottimen auki. Muiden koodattujen valitsinten ulostulot jäävät nollaan, eliniihin liitetyt erottimet jäävät kiinni.Kuva 59. Johtopituuden määrittelevä valitsin4 VERKKOMALLIT4.1 SUOMALAISET VERKKOMALLITProjektin aikana laadittiin seuraavat suomalaisen käytännön mukaiset verkkomallit:Simulointiympäristö – Loppuraportti 44

• keskijänniteavojohtoverkon malli• keskijännitemaakaapeliverkon malli• pienjännitemaakaapeliverkon malli• pienjänniteilmajohtoverkon malliKeskijänniteverkon malleista tehtiin molemmista kolme eri versiota. Perusversion lisäksitoteutettiin uuteen yksiviivaesitystekniikkaan perustuva malli sekä erillinen versiosolmumäärältään rajoitettua PSCADin Educational versiota varten.Pienjänniteverkon malleista projektissa saatiin valmiiksi vain perusversiot, joita ei olevielä dokumentoitu yksityiskohtaisemmin.4.1.1 Keskijänniteavojohtoverkon malliTyypillistä suomalaista keskijänniteavojohtoverkkoa kuvaavan mallin periaatteellinenrakenne on esitetty seuraavassa kuvassa.21Mallin osat:1. Syöttävä verkko2. Päämuuntaja3. Lähtö 14. Lähtö 255. Taustaverkko3 4Kuva 60. Keskijänniteavojohtoverkon malliSimulointiympäristö – Loppuraportti 45

Syöttävä verkko on kuvattu jännitelähteenä käyttäen projektissa laadittua syöttävän verkonmallia, jonka oikosulkuteho voidaan asetella haluttuun arvoon. Oletusarvona 110kV verkon oikosulkuteholle mallissa on 1000 MVA. Oletusarvoksi R/X suhteelle onlaitettu 0,2.Keskijännitteenä mallissa on 20 kV ja päämuuntajan muuntosuhteena on 110/21 kV.Muuntajan koko on mallissa valittavissa. Oletusarvona on 16 MVA.Mallin johtolähdöistä tarkemmin on kuvattu ainoastaan lähtö 1. Lähtö koostuu neljästämodulista, joiden avulla pituudeksi voidaan asetella joko 20, 35 tai 50 km. Johtolähdölläjakelumuuntajia on 1 km välein ja kaikkien muuntajien nimellisteho on 100 kVA. Johtolähdönalussa on ensin 100 m maakaapeliosuus (AHXAMK-W 3x240) ja sen jälkeen4,9 km moduli, jossa johtolajina on AL132. Muu osa lähdöstä muodostuu kolmesta 15km modulista, joissa johtolajeina ovat AL132, Pigeon ja Raven. Mainittujen johtolajienparametrit on esitetty seuraavissa kuvissa.Kuva 61. Kaapelin AHXAMK-W 3x240 parametritKuva 62. Johtolajin AL132 parametrit.Simulointiympäristö – Loppuraportti 46

Kuva 63. Johtolajin Pigeon parametrit.Kuva 64. Johtolajin Raven parametrit.Toinen johtolähtö, lähtö 2, on kuvattu yksinkertaistettuna siten, että sen avulla voidaansimuloida tutkittavaan lähtöön nähden viereisen lähdön vikoja. Lähtö 2 koostuukin pelkästään35 km pituisesta johdosta (AL132), jonka loppuun on sijoitettu keskitetysti kokolähdön kuormitus. Johto-osuus on jaettu kahtia siten, että keskellä on vikapaikanmalli. Vikapaikan etäisyyttä sähköaseman kiskoon nähden pääsee helposti muuttamaanvaihtamalla syöttävän johto-osuuden pituutta. Jotta kokonaisjohtopituus säilyy samanaon vastaava muutos tehtävä aina myös vikapaikan jälkeiseen johto-osuuteen.Taustaverkon avulla tarkoitus on kuvata ekvivalenttikytkennän avulla sähköasemankaikki muut lähdöt. Käytännössä taustaverkko koostuu muiden lähtöjen yhteenlaskettuakuormaa kuvaavasta komponentista sekä kapasitansseista, jotka tuottavat taustaverkonsyöttämän maasulkuvirran.Koska päämuuntajan toisiopuoli on kytketty kolmioon, on malliin lisätty erillinen maadoitusmuuntaja,jonka avulla keskijänniteverkosta voidaan tehdä valinnan mukaan jokomaasta erotettu, sammutettu tai resistanssilla maadoitettu.Simulointiympäristö – Loppuraportti 47

Mallin kuormitukset ovat säädettäviä siten, että jakelumuuntajien takana olevaa kuormaavoidaan säätää 10 - 120 % jakelumuuntajan nimellistehosta. Lähdöllä 2 oleva keskitettykuormitus säätyy samansuuruiseksi kuin lähdön 1 kuormien summa. Taustaverkonekvivalenttikytkennässä oleva kuormitus määräytyy siten, että päämuuntajan kokonaiskuormitusasettuu säädettyyn arvoon (10 - 120 % päämuuntajan nimellistehosta).Kuormien säätö tapahtuu liukukytkimillä jonka perusteella lasketaan kuormille aseteltavanäennäisteho. Tämä jakautuu pätö- ja loistehokomponentteihin mallissa vakiona olevantehokertoimen, 0,95, perusteella.Mallin lähdöt 1 ja 2 on varustettu vakioaikaylivirtareleillä ja maasulun suuntareleillä.Maasulkureleissä on eri asettelut maasta erotetulle verkolle ja muille maadoitustavoille(resistanssilla maadoitettu ja sammutettu). Relemalleihin on toteutettu automatiikka,jolla maasulkusuojauksen asettelut vaihtuvat automaattisesti verkon maadoitustavanperusteella. Sähköaseman syöttökentän releessä maasulkusuojaus toimii kiskoviassaaikaselektiivisesti pelkästään nollajännitteen perusteella. Mallin suojareleiden asetteluton esitelty seuraavassa taulukossa. Käytännössä asettelut on syytä tarkistaa aina kunmalliin tehdään merkittävämpiä muutoksia, jotka vaikuttavat joko verkon oikosulkutehoihintai maasulkuvirtoihin.Taulukko 2. Suojareleiden asettelutLähtö 1 Lähtö 2 SyöttöpäämuuntajaltaYlivirtarele I> 0.3 kA 0.4 kA 2.5 kAt> 0.5 s 0.5 s 0.65 sMaasulkurele Ifii> 0.004 kA 0.004 kA(maasta erotettu) t> 0.5 s 0.5 s 0.65 sU0> 0.1 kV 0.1 kV 0.1 kVMode sin sinMaasulkurele Ifii> 0.009 kA 0.009 kA(resist. maad.) t> 0.5 s 0.5 s 0.65 sU0> 0.1 kV 0.1 kV 0.1 kVMode cos cosMaasulkurele Ifii> 0.003 kA 0.003 kA(sammutettu) t> 0.5 s 0.5 s 0.65 sU0> 0.1 kV 0.1 kV 0.1 kVMode cos cos4.1.2 Keskijännitemaakaapeliverkon malliRakenteeltaan keskijännitekaapeliverkkomalli poikkeaa kuvassa 60 esitetystä avojohtoverkonmallista ainoastaan siten, että lähdöt 1 ja 2 on kytkettävissä renkaaksi. Lähdöt 1ja 2 kytkeytyvät toisiinsa erottimella, joka on normaalista auki, mutta joka voidaan sulkeaniin että osa toisen lähdön hännillä olevasta kuormasta voidaan syöttää toiselta lähdöltä(ns. korvaustilanne). Koska molempien lähtöjen pituus on 4,2 km, pisin mahdollinenjohtolähdön 1 pituus korvaustilanteessa on 8,4 km.Simulointiympäristö – Loppuraportti 48

Syöttävä verkko on kuvattu mallissa jännitelähteenä, jonka oikosulkuteho on oletuksenaaseteltu arvoon 4000 MVA. R/X-suhteen oletusarvona on 0,1. Päämuuntajia on kaksikappaletta, joista voi yhtä aikaa olla kytkettynä joko molemmat tai vain toinen muuntaja.Päämuuntajana on käytettyä muuntajamallia, jossa päämuuntajakoko on valittavissa.Oletusarvona on 40 MVA muuntaja.Johtolähdöllä 1 on erottimet 1,2 km ja 3 km etäisyydellä lähdön alusta. Tämän lisäksijohtolähtöjen 1 ja 2 välillä on erotin samoin kuin molempien lähtöjen alussa. Näitäkaikkia erottimia voidaan käyttää valittaessa jakoraja, eli lähdön 1 pituus voi ääritilanteissaolla 0 km tai 8,4 km.Kuormat on sijoitettu jakelumuuntajien taakse. Jakelumuuntajia on asetettu 600 m välein.Lähdöllä 1 on normaalitilanteessa 7 jakelumuuntajaa. Kaikkien muuntajien nimellistehoon 800 kVA ja kytkentäryhmä Dyn11. Kuormien koko voidaan asetella välille0…150 % jakelumuuntajien tehosta. Oletusarvoksi on määritelty 75 %.Taajamaverkon maakaapeli on tyypiltään AHXAMK-W240.Johtolähtö 2 on toteutettu siten, että lähdön kuorma on sijoitettu kokonaisuudessaanlähdön loppuun. Lähdön 2 kokonaiskuorman suuruus voidaan määritellä siten, että se on50, 100 tai 200% lähdön 1 kuormasta. Lähdön pituus on 4,2 km ja se on jaettu kahtiasiten, että puoliväliin on sijoitettu vikapaikan malli. Vikapaikkaa voidaan siis siirtäämuuttamalla lähdön johto-osuuksien pituuksia.Taustaverkolla kuvataan kaikkia muita sähköasemaan liitettyjä lähtöjä. Taustaverkonkuorma määräytyy päämuuntajan (110/21 kV) kuormitusasteen perusteella: kun kuormitusasteenmukaisesta kuormasta vähennetään lähtöjen 1 ja 2 kuormat, jää jäljelle taustaverkonkokonaiskuorma. Kokonaiskuorman lisäksi voidaan säätää lähdön syöttämänmaasulkuvirran suuruutta. Maasulkuvirta on aseteltavissa välille 5 - 500 A. Oletusarvonaon käytetty arvoa 100 A.Mallin maadoitustapa voidaan valita maasta erotetuksi, sammutetuksi tai resistanssinkautta maadoitetuksi. Päämuuntajien alajännitepuoli on tässä mallissa tähtikytkentäinenjoten erillistä maadoitusmuuntajaa ei tarvittu valinnaisen maadoituksen toteutuksessa.Sammutetun verkon parametroinnin helpottamiseksi malliin on sisällytetty automatiikka,joka laskee sopivan arvon muuntajan tähtipisteen ja maan väliin asennettavallesammutuskuristimelle. Kuristimen mitoitus perustuu lähtöjen 1, 2 ja 3 kulloiseenkinkytkentätilaan sekä valittavissa olevaan kompensointiasteeseen. Sama automatiikkatoteutettiin myös keskijänniteavojohtoverkon malliin.4.1.3 Pienjännitemaakaapeliverkon malliPienjännitteistä taajamaverkkoa kuvaava malli on esitetty kuvassa 65. Syöttävä 20 kVkeskijänniteverkko on kuvattu mallissa jännitelähteellä. Jakelumuuntajien nimellistehovoidaan vapaasti valita vakiokokosarjan mukaisesti väliltä 200-2000 kVA. Mallissaoletusarvona on käytetty 800 kVA:n kokoisia muuntajia. Jakelumuuntajien muuntosuhdettavoidaan säätää ±2x2,5% yläjännitepuolelle sijoitetulla väliottokytkimellä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 49

Malli koostuu kahdesta muuntajasta ja yhteensä neljästä pienjännitelähdöstä siten, ettäkumpikin muuntaja syöttää kahta lähtöä. Mallissa verkko on rakennettu siten, että käyttösekä säteittäisenä että rengasmaisena on mahdollista. Lähtöjen pituus on normaalissasäteittäiskäyttötilanteessa 400 m. Jokainen lähtö on suojattu nimellisvirraltaan 315 Akahvasulakkeella.Molemmissa muuntopiireissä on yhteensä 8 jakokaappia, jotka on sijoitettu lähdöille100 m välein. Kunkin jakokaapin takana olevia kuormia on kuvattu yhdellä ekvivalenttisellakuormalla. Kaikki mallin kuormat ovat yhtä suuria. Kuormien suuruutta voidaanmuuttaa säätämällä jakelumuuntajien kuormitusastetta välillä 0 - 150 % malliin asetetuillaliukusäätimillä.Mallissa on käytetty maakaapelia AXMK 4x185S. Sen sähköiset parametrit on esitettykuvassa 66. Osa parametreista perustuu lähtötietojen puuttuessa arvioihin.20/0,4 kV20/0,4 kV1 2 3 4315 A 315 A 315 A 315 AKuva 65. PJ-taajamaverkon periaatteellinen kuva.Simulointiympäristö – Loppuraportti 50

Kuva 66. Maakaapelin AXMK 4x185S parametrit.4.1.4 Pienjänniteilmajohtoverkon malliKuvassa 67 on esitetty tyypillistä suomalaista AMKA-johtoihin perustuvaa pienjänniteverkkoakuvaavan mallin periaatteellinen rakenne sulakkeineen, kuormineen ja kaapelityyppeineen.Mallissa on kaksi rakenteeltaan erilaista muuntopiiriä. Muista laadituistaverkkomalleista poiketen tämä ei ole täysin fiktiivinen malli vaan perustuu erääseentodelliseen verkkoon.Mallissa 20 kV verkko on kuvattu jännitelähteellä. Jakelumuuntajille käytetty muuntajamallia,jossa muuntajan nimellisteho voidaan valita kolmesta vaihtoehdosta: 30 kVA,50 kVA ja 100 kVA. Mallissa jakelumuuntajien nimellistehojen oletusarvoksi valittu 50kVA.Kuvassa käytetyt kaapelimerkinnätovat:20/0,4 kV20/0,4 kVRA50: AMKA 3x50+70RA35: AMKA 3x35+501 2 363 A 63 A 63 ARA 25: AMKA 3x25+35RA 16: AMKA 3x16+25S1RA35RA50MAX50:AXMK 4x50SRA35RA35RA35S225 ARA25RA35 RA35 RA16MAX50RA25RA16Kuva 67. PJ-AMKA verkon periaatteellinen rakenneSimulointiympäristö – Loppuraportti 51

Muuntopiirissä 1 syötetään kahta pienjännitelähtöä (lähdöt 1 ja 2). Lähdöllä 1 on yhteensäseitsemän kuormituspistettä. Vastaavasti lähdöllä 2 kuormituspisteitä on kolme.Molemmat lähdöt on suojattu 63 A sulakkeilla. Lisäksi lähdöillä 1 ja 2 on käytetty 25 Avälisulakkeita. Mallissa jakelumuuntajan kuormitusastetta voidaan säätää välillä0…150 % muuntajan nimellistehoon verrattuna. Muuntajan syöttämä teho jakaantuuedelleen erisuuruisille kuormituksille. Jokaisen kuormituspisteen teho on valmiiksi määriteltymalliin prosentteina suhteessa jakelumuuntajalle aseteltavaan kuormaan.Muuntopiirin 2 lähdöllä 3 on yhteensä neljä teholtaan yhtä suurta kuormituspistettä 100m välein. Näin lähdön kokonaispituudeksi muodostuu 400 m. Lähdön kokonaiskuormaavoidaan säätää 0…150% muuntajan nimelliskuormaan verrattuna. Lähdön sulake onnimellisarvoltaan 63 A.Mallissa käytettävät riippukierrekaapelit on mitoitettu jännitteenaleneman perusteella.Käytettävät AMKA-kaapelit ovat 3x35+50, 3x25+35 ja 3x16+25. Mallissa on myöskäytetty yhdelle kuormitukselle AMKA-kaapelin sijaan maakaapelia AXMK 4x50S.Lisäksi kuormituksien liittymiskaapeleina on käytetty MCMK-kaapeleista tyyppejä3x10+10 ja 3x6+6. Liittymiskaapeleita ei ole merkitty kuvaan 67.Mallin pienjännitelähtöön 1 on asennettu kaksi katkaisijaa, jolla lähdön pituutta voidaanhaluttaessa muuttaa. Katkaisijoiden sijainnit on merkitty kuvaan 67 symboleilla S1 jaS2. Katkaisijalla S1 voidaan kytkeä pois kolme kuormituspistettä. Vastaavasti katkaisijallaS2 voidaan kytkeä lähdön maakaapeliosuus pois.Pienjänniteverkkomallin johtojen sähköiset parametrit on esitetty kuvissa 21-27. Osaparametreista perustuu lähtötietojen puuttuessa arvioihin.Kuva 68. Parametrit kaapelille AMKA 3x50+70.Simulointiympäristö – Loppuraportti 52

Kuva 69. Parametrit kaapelille AMKA 3x35+50.Kuva 70. Parametrit kaapelille AMKA 3x25+35.Kuva 71. Parametrit kaapelille AMKA 3x16+25.Simulointiympäristö – Loppuraportti 53

Kuva 72. Parametrit kaapelille AXMK 4x50S.Kuva 73. Parametrit kaapelille MCMK 3x10+10.Kuva 74. Parametrit kaapelille MCMK 3x6+6.4.2 ULKOMAISET VERKKOMALLITEri maissa käytössä olevat verkko- ja suojausratkaisut selvitettiin Vaasan yliopistonosuudessa tehdyssä diplomityössä. Kesällä 2004 valmistuneessa Henry Låglandin diplomityössä[1] keskityttiin keskijänniteverkkoihin. Ennen diplomityön aloittamista Hen-Simulointiympäristö – Loppuraportti 54

y Lågland teki erikoistyön aiheenaan "Pienjänniteverkkoratkaisut eri maissa", jota voidaanhyödyntää myöhemmin laadittaessa ulkomaisia pienjänniteverkkomalleja. Tiivistelmätästä työstä on esitetty kappaleessa 4.2.1. Tehdyn diplomityön tuloksia on esiteltykappaleessa 4.2.2 ja toteutettavista verkkomalleista kerrotaan kappaleessa 4.2.3. Projektinpäättyessä valmiina olevat verkkomallit on esitelty kappaleessa 4.2.4.4.2.1 Pienjänniteverkot eri maissaJakelumuuntamotKäytettävät jakelumuuntamotyypit selvitettiin standardeista ja tutkimusraporteista.Verkkotyyppien, asutuksen ja kulutuksen luonteesta riippuen jakelumuuntamoita onerityyppisiä. Haja-asutusalueiden pylväsmuuntamot ovat teholtaan pienimpiä, kaupunkiasutuksenja teollisuuden jakelumuuntamoiden ollessa suuritehoisempia.Pylväs-, ulko-, sisä- ja teollisuusmuuntamoita käytetään useimmissa Euroopan maissa.Huvilamuuntamot on standardoitu Norjassa omakotialueille ja "markstation" tyyppiä onstandardiratkaisu Ruotsissa sellaisilla haja-asutusalueilla, joissa pienjännitekaapelitasennetaan kaapeliaurausta käyttäen.Pohjoismaissa kytkemöiden ja satelliittimuuntamoiden käyttöön perustuva satelliittiverkkootettiin 1970-luvulla ensimmäisenä käyttöön Norjassa josta se on levinnyt muihinPohjoismaihin. Keski-Euroopassa jakelumuuntamoiden muuntajakoot ovat suhteellisenpieniä, jolloin pienjänniteverkko pysyy kohtuullisen suppeana. Muuntamokokoapienennetään muuntamon laitteita ja toimintoja integroimalla. Muuntamoiden sijoituskaupunkiympäristöön helpottuu maanalaisia muuntamoita käytettäessä. Taulukossa 3 onEuroopassa käytettävien jakelumuuntamotyyppien ominaisuuksia.Taulukko 3 . Euroopassa käytettäviä jakelumuuntamotyyppejä.JakelumuuntamontyyppiAsutusSuurin jakelumuuntajaKeskijännitejohtoKeskijännitekytkinlaitteetPienjännitelähtöjenlkmHaja-asutusTaajamaKaupunkiIlmajohtoKaapeli0 kpl1 kpl3-4 kpl200 kVA315 kVA500 kVA1000 kVA1600 kVA2000 kVA1-5 kpl5-10 kpl10–20 kplPylväsmuuntamo X X X X X X XAlaslaskettupylväsmuuntamoX X X X X XTornimuuntamo X XMarkstation X X X X X XSimulointiympäristö – Loppuraportti 55

JakelumuuntamontyyppiAsutusSuurin jakelumuuntajaKeskijännitejohtoKeskijännitekytkinlaitteetPienjännitelähtöjenlkmHaja-asutusTaajamaKaupunkiIlmajohtoKaapeli0 kpl1 kpl3-4 kpl200 kVA315 kVA500 kVA1000 kVA1600 kVA2000 kVA1-5 kpl5-10 kpl10–20 kplHuvilamuuntamo X X X X XSatelliittimuuntamo X X X X X X XUlkomuuntamo X X X X X XSisämuuntamo X X X X X XTeollisuusmuuntamo X X X X X X Xmuunta-MaanalainenmoX X X X XVerkkorakenteetPienjännitejakeluverkkojen rakenteita selvitettiin kurssimateriaaleista, konferenssijulkaisuistaja tutkimusraporteista. Sähkölaitoksen rooli pienjänniteverkon käyttäjänä onmuuttumassa siten, että se yhä enenevässä määrin tarjoaa verkkoaan asiakkaidensa käyttöön.Täten energia-alan toimijoita on tullut lisää. Lainsäätäjän, energiantuottajan javerkon omistajan lisäksi toimijoita ovat verkkokäyttäjä, sitoutumaton sähköntuottaja,sähkön kuluttaja, sekä tietoliikennepalvelujen tuottaja.Verkostosuunnittelussa on muodostunut vakioituja maakohtaisia, alueellisia ja sähkölaitoskohtaisiakäytäntöjä, jotka määrittelevät periaatteet koskien esim. jännitetasoa, mitoitusta,verkon laajuutta, jakelun vaihelukua, johtotyyppiä, ja poikkipintojen porrastusta.Myös maantieteelliset eroavaisuudet vaikuttavat verkon mitoittamiseen kuten esim. ilmastoja maasto-olosuhteet. Maan kehitystaso vaikuttaa mitoitukseen siten, että kehitysmaissaverkot ovat yleisesti ottaen yksinkertaisimpia ja suunnittelukriteerit väljempiä,eli verkon pääomakustannusten suhde käyttökustannuksiin on näissä maissa pienempikuin teollistuneissa maissa.Käytettävät verkkomuodot on selvitetty lähinnä tutkimusraporteista. Verkkomuodoteroavat toisistaan riippuen siitä rakennetaanko verkkoa haja-asutusalueelle, taajamaalueelletai kaupunkialueelle.Korkeampi jännitetaso kasvattaa verkkokustannuksia, mutta samalla verkosta tulee stabiilimpiulkoisille vaikutuksille, kuten paikallistuotannolle. Myös generaattorikoot javerkkomuoto vaikuttavat jännitetason valintaan.Simulointiympäristö – Loppuraportti 56

Tarkasteltavista maista useimmat ovat valinneet pienjännitejakelujännitteeksi230/400 V. USA ja Japani poikkeavat kuitenkin kahdessakin mielessä edellisistä. Ensinnäkintavanomaisen kolmivaihejakelumuuntajan sijasta näissä maissa käytetään yksivaiheistajakelumuuntajaa, jonka toisio on varustettu keskiulosotolla. Toiseksi, näissämaissa käytettävä jakelujännite on noin puolta pienempi kuin yleisesti käytetty. Pienjännitejohtojenkorkea R/X suhde aikaansaa suuret tehohäviöt näissä verkoissa. Lisäksipienempi jännite suurentaa häviöitä entisestään, joten pienjänniteverkot pyritään pitämäänsuppeina käyttämällä pieniä jakelumuuntajia.Maadoitus- ja johdinjärjestelmätPienjännitejakelun maadoitus- ja johdinjärjestelmät selvitettiin lähinnä standardeista,teknisistä julkaisuista ja tutkimusraporteista. Pienjänniteverkot ovat yleensä maadoitettuja,joskin poikkeuksia esiintyy. Suurin osa pienjänniteverkoista on suoraan maadoitettuja.Suoraan pienjännitejakeluverkkoon liitetyt paikallistuotannon generaattorit ovatyleensä resistanssin kautta maadoitettuja.Käytettävän maadoitusjärjestelmän määrää usein maan, alueen tai sähkölaitoksen käytäntö.Useimmissa maissa valinnan määrää lainsäädäntö tai standardit. Erityiskulutuskohteitaovat sairaalat, koulut, laivasto, työpaikat, kaivokset jne. Eräissä tapauksissatietyt maadoitusjärjestelmät on kielletty, esim. TN-C-järjestelmä on kielletty räjähdysvaarallisissatiloissa. Pakollisten valintanäkökohtien lisäksi eri maadoitusjärjestelmientekniset ominaisuudet vaikuttavat maadoitusjärjestelmän valintaan.Sähkölaitosten runkojohdoilla käytetään yleisesti yhtä johdinjärjestelmää. Säältään leutojenteollisuusmaiden kuluttaja-asennuksissa käytetään kuitenkin kaikkia kolme johdinjärjestelmää.Eniten käytetty on TT-järjestelmä joka myös on optimaalisin (pienetvikavirrat) ja johon pyritään. Muutamassa maassa käytetään kahta johdinjärjestelmää.TN-järjestelmää käytetään USA:ssa, Suomessa, Saksassa ja Iso-Britanniassa. Teollisuus-ja yksityisverkoissa käytetään kaikkia kolmea maadoitusjärjestelmää ympäri maailmaa.Taulukossa 4 on esitetty eri maissa käytettävät johdinjärjestelmät ja jakelujärjestelmienjännitteet.Simulointiympäristö – Loppuraportti 57

Taulukko 4. Eri maiden sähkölaitosverkoissa käytettäviä johdinjärjestelmiä ja jännitteitä.MaaSaksaBelgiaEspanjaRanskaIso-BritanniaItaliaJapaniNorjaPortugaliUSASuomiKiinaJänniteV230/400230/400230/400230/400240/415230/400100/200230/400120/240230/400JohdinjärjestelmäTT ja TN-CTTTTTTTT ja TN-CTTTTITTTTN-CTNTTR uΩ

• verkko (johtolähdöt)• suojaus.Diplomityössä tehty selvitys pohjautui aika pitkälle paikalliselta projektoivalta vientiteollisuudeltasaataviin tietoihin. Työn puitteissa tehtiin myös kyselytutkimus, josta tarkemminjäljempänä. Lisäksi tarvittavia tietoja löytyi erilaisista kirjallisista lähteistä.Syöttävä verkko ja sähköasemaKeskijänniteverkkoa syöttävän suurjänniteverkon selvitettävät parametrit olivat nimellisjännite,oikosulkuteho ja R/X-suhde.Sähköaseman osalta selvitettäviä asioita olivat mm. päämuuntajien koko ja lukumäärä.Päämuuntajia on sähköasemalla 1...4, useimmin 1 tai 2. Käytettävä maadoitusratkaisutoteutetaan myös sähköasemalla, joko päämuuntajalla tai kokoojakiskossa. Verkkorakenne,verkon kuormat, turvallisuus- ja laatunäkökohdat, numeerisen suojauksen käyttösekä automaation laajuus vaikuttavat maadoitustavan valintaan. Useimmissa maissakäytössä on vähintään kaksi eri maadoitusmenetelmää. Yhteenveto eri maissa käytettävistämaadoitustavoista on esitetty seuraavassa taulukossa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 59

Taulukko 5. Maadoitustapoja eri maissa [1]MaadoitustapaMaaSuoraan maadoitettuImpedanssilla maadoitettuKompensoitu verkkoMaasta erotettuArgentiinaAustraliaBelgiaEcuadorEspanjaEtelä-AfrikkaIntiaIranIso-BritanniaBelgiaBulgariaEspanjaEtelä-AfrikkaIntiaIranIso-BritanniaItaliaKiinaKroatiaKuwaitBelgiaBulgariaEspanjaIrlantiItaliaItävaltaKiinaPuolaRanskaRomaniaRuotsiArgentiinaBelgiaEspanjaIntiaIranIrlantiItaliaItävaltaJapaniKiinaKolumbiaKroatia*) Maan nimi lihavoituna tarkoittaa että ko. maadoitusmenetelmä on maassa yleisin.KanadaKiinaKolumbiaKroatiaPakistanPeruTanskaUSAUusi-SeelantiPortugaliPuolaRanskaRomaniaRuotsiSaksaSlovakiaSloveeniaTshekkiUSAUusi-SeelantiVenäjäSaksaSuomiSveitsiTanskaTshekkiUnkariVenäjäViroNorjaPeruPortugaliPuolaRuotsiSaksaSlovakiaSuomiSveitsiTanskaTshekkiVenäjäViroSimulointiympäristö – Loppuraportti 60

KeskijänniteverkkoKeskijänniteverkkojen vallitseva tyyppi, ilmajohto-/maakaapeliverkko, vaihtelee merkitsevästimaittain. Trendi on kuitenkin kaikissa maissa sama, eli maakaapeliverkkojenosuus kasvaa myös haja-asutusalueilla.Taulukko 6. Ilmajohtojen ja maakaapelien käyttö taajama- ja haja-asutusalueilla erimaissa [1]MaaHollantiArgentiinaBelgiaEcuadorEspanjaEtelä-AfrikkaIntiaIranIso-BritanniaItaliaKanadaKiinaKolumbiaKroatiaKuwaitNorjaPakistaniRuotsiSlovakiaSloveniaSuomiSveitsiTanskaUusi-SeelantiVenäjäViroTaajamaHaja-asutusalueMaakaapeli / % Ilmajohto / % Maakaapeli / % Ilmajohto / %100010007030010075255545208001009010109050502987525257520–6535–805–2080–95928793955208040600100>50

välille. Järjestelmän tähtipiste on maadoittamaton, suoraan maadoitettu, resistanssillamaadoitettu tai kompensoitu.Irlannissa on laajassa käytössä yksivaiheinen järjestelmä (SWER, Single Wire EarthReturn), jossa maa toimii paluujohtimena. Tämä kustannuksiltaan edullinen johdinjärjestelmäsyöttää 15–25 kVA kuormia tuotantolaitoksien lähellä. Vuodenaikojen mukaanvaihteleva maaimpedanssi saattaa kuitenkin aiheuttaa liian suuria askeljännitteitä tässäjärjestelmässä. Sitä käytetään myös kuormien ollessa hajautettuina isolle alueelle, kutenesim. Australiassa. Edullisuutensa vuoksi sitä käytetään myös kehitysmaissa.Tutkimusraportit tyytyvät useimmiten jaottelemaan käytettävät verkkomuodot säteittäisiinja silmukoituihin. Käytettävät verkkorakenteet selvitettiin tehdyssä diplomityössätyössä kuitenkin perusteellisemmin.Keskijänniteverkkojen perusverkkomuodot ovat maaseudun säteittäisverkko ja taajamienavoin rengasverkko. Suljettu rengasverkko tulee yleistymään sitä mukaa kun lisääntyvätviestiyhteydet mahdollistavat verkostoautomaation ja jälleenkytkentäautomatiikallavarustettujen katkaisijoiden sijoittamisen verkkoon. Punosverkko voi sähköasemavikatapauksessahyödyntää toisen muuntoaseman sähkönsyöttöä. Satelliittiverkko on kustannuksiltaanedullinen jakelujärjestelmä jossa keskijännite tuodaan lähelle kuluttajaa.Silmukoitu verkko tarjoaa parhaan jakeluvarmuuden ja käytettävyyden.Käytännössä edellä kuvattuja perusverkkoja yhdistetään ja muunnellaan lisäämällä niihinpoikittais- ja varayhteyksiä. Erikoinen verkkomuoto on EDF:n lähinnä Pariisin alueellakäyttämä ”Double shunt” verkkomuoto jossa jakelumuuntamot saavat syöttönsäkahdelta muuntoasemalta. Kun käytössä olevaan syöttöön tulee käyttökeskeytys, automatiikkajärjestelmäkytkee jakelumuuntamon toisen muuntoaseman syöttöön.Tekniset arvotKansainvälisistä tutkimusraporteista selvitettiin myös keskijänniteverkkojen teknisiäarvoja. Käyttöjännitteiden suhteen eri maiden käytännöt löytyvät hyvin teknisistä julkaisuistaja aiemmista kyselyistä. Lisätietoja saatiin myös tehdyn kyselyn kautta. Yhteenvetokeskijänniteverkon käyttöjännitteistä eri maissa on esitetty seuraavassa taulukossa.Taulukko 7. Käyttöjännitteet eri maissa [1]MaaAlankomaatAntigua & BarbudaArgentiinaAustraliaBangladeshBarbadosBelgiaBrasiliaBulgariaChileColombiaKäyttöjännite /kV3–20, 101113,2, 3311,12, 13,8, 22, 3015256,3, 10, 11, 12, 1513,86, 10, 2013,84,16, 13,2, 33Simulointiympäristö – Loppuraportti 62

Dominikaaninen tasavaltaDubaiEgyptiEl SalvadorEcuadorEspanjaEtelä-AfrikkaFilippiinitGuatemalaHondurasIndonesiaIntiaIraniItaliaIrlantiIslantiIso-BritanniaItävaltaJamaikaJapaniJordaniaKanadaKiinaKolumbiaKreikkaKroatiaKuwaitKyprosLaosLatviaLiettuaMaxikoNepalNicaraguaNorjaOmanPakistanPalestiinaPanamaPeruPortugaliPuolaRanskaRomaniaRuotsiSaksaSaudiarabiaSlovakiaSloveniaSuomiSveitsiThaimaa13,8333,3, 6, 11, 22, 3313,813,8, 2313,2, 15, 20, 30, 456,6, 11, 22, 3313,8, 34,513,813,86, 1111, 22, 3311, 20, 3320, 10…2010, 386, 116, 11, 22, 25, 3310, 13,8, 20, 30116, 13,8, 2211, 334,16, 13,8, 27,66, 10…12, 20, 3511,5, 13,2, 34,51110, 20, 30, 3511112311613,81113,812, 2211, 33111113,810, 13,2, 3310, 15, 306, 10, 15, 20, 305,5, 10, 15, 20, 306, 10, 2011, 17,5, 20, 22, 33,556, 10, 16, 207,2, 13,86, 2210, 20, 356, 10, 20, 301711, 23Simulointiympäristö – Loppuraportti 63

TanskaTshekkiUnkariUruguayUSAUusi-SeelantiVenezuelaVenäjäVietnamViroTanskaTurkki10, 13,8, 206, 22, 3511, 3610,5, 11,5, 31,54–25, 13,811, 2213,86, 10, 356, 10…12, 23, 35, 406, 10, 12, 15, 35, 4010, 15, 2033*) Vaasan yliopiston kyselyyn vastanneet maat on lihavoitu. Maassa yleisimmin käytetty jännite on lihavoitu.KyselytutkimusKirjallisuustutkimuksia, tutkimusraportteja, standardeja, opinnäytetöitä, sekä haastattelujatäydentämään diplomityössä tehtiin keskijännitejakeluverkkoja koskeva kysely.Kyselyyn otettiin mukaan vain ne tiedot joita tarvitaan simulointimallien rakentamiseen.Tällä tavalla kysely saatiin pidettyä suppeana niin että vastaamisen kynnys oli mahdollisimmanmatala.Kyselyn kohteina olivat suurjänniteverkon pääarvot, muuntoaseman päämuuntajan pääarvotja maadoitustapa, sähköaseman keskijännitepuolen kokoojakiskon suojaus, keskijännitelähtöjensuojauskäytännöt, keskijänniteverkkojen tyyppi, verkkoratkaisut ja teknisettiedot, sekä jakelumuuntamoiden teknisiä tietoja. Lisäksi kyselyssä oli paikallistuotantomuotojaja –suojausta koskeva osuus. Näin saatiin myös kuva siitä minkä tyyppistähajautettua voimantuotantoa eri maissa on kytkeytyneenä jakeluverkkoihin ja mitensiihen liittyvä suojausongelmat on tässä vaiheessa ratkaistu. Lopuksi kyselyssä kysyttiinvastaajilta jakeluverkkojen tulevia trendejä.Jakeluverkkoja koskevat kyselytutkimukset ovat yleensä olleet kansainvälisten järjestöjen,kuten CIRED (1998) ja UNIPEDE (1995) toimeenpanemia. Vaikka tämän työnpuitteissa suoritettu kyselytutkimus onkin suoritettu vain paikallisin vähäisin voimavaroin,tulokset ovat kuitenkin kohtuullisen hyviä. Kyselyitä lähetettiin n. 35 kpl ja kohteenaoli n. 20 maata. Kyselyssä tavoitteena oli saada tietoa keskijänniteverkoista myösEuroopan ulkopuolelta. Saaduista kymmenestä vastauksesta neljä olikin Euroopan ulkopuolelta.Edellä mainitut muiden tekemät kyselyt oli suunnattu Eurooppaan. Tässäkyselyssä keskityttiin verkon mallintamisen kannalta keskeisiin kysymyksiin kun sensijaan muut mainitut kyselyt ovat suuntautuneet laajemmalle alueelle. Myös maantieteellisestikyselyt eroavat. Muut kaksi kyselyä on suoritettu 1990-luvulla, joten myösuuden tuoreen tiedon saanti oli tavoitteena. Yhteenveto tehdystä kyselystä löytyy diplomityöstä[1].Verkkomallien parametrien valinnastaVerkon mallinnuksessa lähdetään siitä, että vain yksi johtolähtö kuvataan tarkemmin, jamuut sopivan tasoisilla ekvivalenttikytkennöillä. Mikäli jossain simuloinnissa on tarvettakäyttää useampaa tarkemmin kuvattua johtolähtöä, tehdään tarkasti kuvatusta johto-Simulointiympäristö – Loppuraportti 64

lähdön mallista yksi tai useampi kopio. Johtolähdön rakenteen osalta peruslähtökohtaon, että kuormitukset on sijoitettu tasaisesti johtolähdön varrelle ja johtolähtö koostuupelkästään runkojohdosta. Poikkeuksena edellisestä ovat kuitenkin satelliittiverkkomallit,joissa kytkemön ja satelliittimuuntamon välinen johtoimpedanssi pitää myös mallintaa.Kuvan 75 mukainen luokitteluehdotus toimii keskijännitejakeluverkkojen mallintamisenperustana. Luokittelun lähtökohtana on verkkojen jako niiden verkkomuotojen mukaan.Verkot eroavat toisistaan käytön, konfiguraation, kuormitustiheyden ja verkkotyypinmukaan. Suoritetun kyselyn mukaan kaikkia muita verkkomuotoja paitsi suljettua rengasverkkoaja silmukoitua verkkoa käytetään sekä haja-asutusalueilla että taajamissa.Koska suljettu rengasverkko on kallis ratkaisu johtuen tarvittavista verkkokatkaisijoista,suojauksista ja viestiyhteyksistä odotetaan sen ensin tulevan käyttöön taajamissa. Taajamaverkotmallinnetaan kaapeliverkkoina. Maaseutuverkot mallinnetaan sekä avojohto-että maakaapeliverkkoina.VERKKOMUOTOSäteittäis -verkkoAvoinrengas -verkko ePunos -verkkoSatelliittiverkkoSuljetturengas -verkkoSilmukoituverkkoMUOTO VERKONKÄYTT ÖÄTEITTÄIS -VERKKOSäteittäisenäSilmukoitunaASUTUSHaja - asutus Taajama -asutusVERKKO -TYYPPIIlmajohto -verkkoTAAJAMAMaakaapeli --verkkoKuva 75. Keskijännitejakeluverkkojen ominaisuuksiin perustuva topologinen luokitteluehdotus.Vasemmalla ovat luokitteluperusteet.Lähtöjen suojaus määräytyy maadoitusjärjestelmän, johdinjärjestelmän, verkkotyypin,verkkokonfiguraation ja verkon luonteen mukaan (passiivinen/aktiivinen). Suojauksenparametreja ovat suojausjärjestelmä (keskitetty/hajautettu) ja suojaustoiminnot. Kaikissakyselyyn vastanneissa maissa paitsi Etelä-Afrikassa käytettiin vakioaikaylivirtasuojausta,käänteisaikaylivirtasuojauksen ollessa hieman harvinaisempi. Suunnattuaoikosulkusuojausta käytetään ainakin esimerkiksi Etelä-Afrikassa, Intiassa jaRuotsissa. Distanssisuojauksen käyttö on harvinaisempaa, mutta se on yleisessä käytössäainakin Espanjassa, Iso-Britanniassa, Itävallassa, Ruotsissa ja Saksassa. Nollavirtarelesuojauksenlisäksi käytetään myös yleisesti suunnattua maasulkusuojausta etenkinmaasta eristetyissä ja kompensoiduissa verkoissa. Vaiheen maadoitusta käytetään Ranskassaja Italiassa. Mallien lähtöjen vakiosuojaukset riippuvat täten suojausjärjestelmästä(keskitetty/hajautettu) ja verkkomuodosta.Keskijännitelähtöjä muuntoasemaa kohti on taajamissa noin 10 kpl (5–30 kpl). Itävallassalähtöjä on vähän (4–10 kpl) ja Ruotsissa runsaasti (15–40 kpl), kuten myös Kii-Simulointiympäristö – Loppuraportti 65

nassa (20 kpl). Haja-asutusalueilla lähtöjä on vähemmän vain noin 5 kpl (3–10 kpl).Etelä-Afrikassa maaseudulla on lähtöjä keskimäärin 3 kpl (1–7 kpl), mutta Sveitsissä(15–18 kpl) ja Ruotsissa (5–20 kpl) runsaasti. Lähtöjen pituus on taajamissa tyypillisestinoin 5 km (2–20 km). Puolassa, Ruotsissa, Sveitsissä ja Uudessa Seelannissa taajamienlähtöjen pituudet ovat keskimäärin vain noin kaksi km. Intiassa lähdöt ovat n. 10 kmpitkiä. Maaseudulla lähtöjen pituus on tyypillisesti noin 20 km (5–30 km). Lyhyitä lähtöjäon Kiinassa (5 km) ja Sveitsissä (7 km). Etelä-Afrikan maaseudulla lähdöt ovatkeskimäärin noin 50 km pitkiä ja pituus vaihtelee lisäksi laajoissa rajoissa (5 km–250km).Lähtöjen tehot ovat taajamissa tyypillisesti 5 MVA (1–10 MVA). Portugalissa ja Uudessa-Seelannissane ovat vain noin 1 MVA kun ne Intiassa ja Sveitsissä saattavat ollajopa 20 MVA. Haja-asutusalueilla lähtöjen tehot ovat tyypillisesti noin 3 MVA (1–5MVA). Ranskassa ja Uudessa-Seelannissa maaseudun lähtöjen tehot ovat pieniä, muttaIntiassa, Itävallassa ja Sveitsissä jopa 10 MVA. Lähtöjen poikkipinnat ovat taajamissatyypillisesti 240 mm 2 (150–300 mm 2 ), Portugalissa tosin vain 4–8 mm 2 . Espanja jaSveitsi ovat esimerkkejä maista joissa taajamien lähtöjen poikkipinnat saattavat ollajopa 630 mm 2. Haja-asutusalueilla poikkipinnat ovat luonnollisesti pienempiä, tyypillisestinoin 70 mm 2 (5–240 mm 2 ), Portugalin ollessa esimerkki maasta jossa lähtöjenpoikkipinnat maaseudulla ovat pienet (5–10 mm 2 ).Jakelumuuntamoiden kuormitus määrää verkon kuormituksen. Jakelumuuntamoidentyyppi ja suuruus määräytyy verkkotyypin mukaan. Malleissa jakelumuuntamoiden parametrejaovat jakelumuuntajan kytkentäryhmä, nimellisteho, kuormitustaso, tehokerroin,jännitteet ja lukumäärä/lähtö. Lukumäärä on tyypillisesti noin 20 kpl, mutta vaihteleemaaseudulla laajemmissa rajoissa (5–80 kpl) kuin taajamissa (10–40 kpl). TaajamissaUudessa-Seelannissa on noin 50 jakelumuuntamoa lähtöä kohti. Etelä-Afrikanmaaseudulla jakelumuuntamoita on noin 80 (1–635) kpl/lähtö. Muuntajakoko on maaseudunpylväsmuuntamoilla tyypillisesti 160 kVA ja taajamien ulkomuuntamoilla 630kVA. Norjassa ja Uudessa-Seelannissa niiden koot taajamissa ovat suhteellisen pienet(300 kVA) ja Kiinassa maaseudulla suuret tyypillisesti 630 kVA (315–1500 kVA). Jakelumuuntajienkuormitustaso vaihtelee maittain 40 % ja 75 % välillä kytkentäryhmänollessa yleisesti DY.4.2.3 Mallinnettavat verkotMallinnettavat verkot valittiin projektissa tehdyn diplomityön [1] pohjalta. Erilaiset verkonominaispiirteet ja keskeisimpien parametrien vaihtelevat eri maissa ja kaikkia mahdollisiakombinaatioita ei ole mahdollista eikä järkevääkään toteuttaa. Toteutettavatverkkomallit on määritelty verkon mm. tärkeimpien parametrien (ns. pääarvot, esim.jännite), verkkomuodon ja suojausperiaatteen (keskitetty, hajautettu) avulla liitteessä 1.Syöttävän verkon arvot perustuvat siihen onko malli haja-asutusjakelua tai taajamajakeluavarten. Suurjännite- ja keskijännitepuolen jännitteet, kuten myös päämuuntajan koot,on myös sisällytetty mallien pääarvoihin, koska ne määräävät päämuuntajan ominaisuudet.Vaikka malleja on yhdellä suurjännitteellä kolmella eri keskijännitetasolla (poikkeus145 kV) kattavuus on kuitenkin vain kohtuullinen. Päämuuntajan koot on valittu jakelutyypin(haja-asutus, taajama) sekä suurjännitetason perusteella. Keskitetyn suojauk-Simulointiympäristö – Loppuraportti 66

sen (yksi suojausvyöhyke) mallien oikosulkusuojana on käytetty ylivirtarelettä ja hajautetunsuojauksen (kolme suojausvyöhykettä) mallien oikosulkusuojana käänteisaikaylivirtarelettä.Maasulkusuojana malleissa on käytetty maasulun suuntarelettä.Seuraavaan taulukkoon on koottu tiedot mallien kiinteistä ja muutettavista parametreistasekä konfiguroitavuudesta (arvot, jotka ovat valittavissa esim. mallin kytkimillä).Taulukko 8. Mallien parametritKomponentti Parametri KonfiguroitavuusArvotTaajamat Haja-asutusSyöttävä verkko JänniteOikosulkutehoR/XMallissaMuutettavissaMuutettavissa66, 110, 132, 145 kV5000 MVA0,166, 110, 132, 145 kV1000 MVA0,2PäämuuntajaJakeluverkkoNimellistehoSuht. oikosulkuimpedanssiToisiojänniteKytkentäryhmäLukumääräMallissaMallissaMallissaMallissaValittavissa10–63 MVA10–12 %11, 13.8, 20, 33 kVYD, YY ja DY2Kolmijohdin, nelijohdinSäteittäisverkkoAvoin rengasverkkoPunosverkkoSatelliittiverkkoSuojaus Mallissa OikosulkusuojausMaasulkusuojausErovirtasuojausMaadoitus Valittavissa Maasta eristettyResistanssilla maadoitettuKompensoituSuoraan maadoitettuJohdinjärjestelmä Maadoitus määrää Kolmijohdin,nelijohdinVerkkomuoto Sisältyy malliin SäteittäisverkkoAvoin rengasverkkoPunosverkkoSuljettu rengasverkkoSilmukoitu verkkoSatelliittiverkkoLähtöjen suojaus SuojausvyöhykeSisältyy malleihin YksiUseampiOikosulkusuojausMaasulkusuojausLähdöt:– lukumäärä/ muuntoasemaa– pituus– teho– poikkipintaJakelu-muuntamo Lkm./ lähtöTehoSisältyy malleihinSisältyy malleihinSisältyy malliinMuutettavissaMuutettavissaSisältyy malliinSisältyy malliinYlivirtasuojausSuunnattu ylivirtasuojausMaasulkusuojausSuunnattu maasulku-suojaus10 kpl5 km5 MVA240 mm 2 Al20 kpl800 kVA5–40 MVA10–12 %11, 13.8, 20, 33 kVYD, YY ja DY2YksiUseampiYlivirtasuojausMaasulkusuojaus5 kpl20 km3 MVA70 mm 2 Al20 kpl160 kVAVerkkomallien suojauksen toteutuksestaKeskijännitejakeluverkon suojauksen toteutus riippuu verkkotyypistä eli siitä onkoverkko ilmajohto-, maakaapeli- vai sekaverkko. Ilmajohtoverkoissa käytetään huomattavastienemmän jälleenkytkentäautomatiikkaa kuin kaapeliverkoissa. Verkon maadoitustapavaikuttaa ratkaisevasti oiko- ja maasulkusuojauksen toteutukseen. Lisäksi käytettäväjohdinjärjestelmä määrää käytetäänkö keskitettyä (yksi suojausvyöhyke) tai hajautettuasuojausta (useampi suojausvyöhyke). Kolmijohdinjärjestelmässä verkon tähtipisteenimpedanssi määrää maapiirin impedanssin vikatapauksessa (taulukko 9). Nelijohdinjärjestelmässänollajohtimen impedanssi määrää maasulkuvirran suuruuden, jotenvikavirran suuruus riippuu vikapaikan sijainnista ja selektiivisyysvaatimukset johtavatSimulointiympäristö – Loppuraportti 67

suojaustoimintojen hajauttamiseen verkkoon (kuva 77). Kolmijohdin-järjestelmässäsuojaus voidaan sijoittaa keskitetysti sähköasemalle.Kuva 76. Esimerkki pohjoisamerikkalaisesta keskijänniteverkosta. Suojausjärjestelmäkoostuu useista perättäisistä suojareleistä, jotka muodostavat osittain päällekkäin meneviäsuojausvyöhykkeitä.Taulukko 9. Yhteenveto jakelujärjestelmien maadoitus- ja johdinjärjestelmistä [8]MaadoitusjärjestelmäSuoraanmaadoitetutImpedanssinkauttamaadoitetutMaasta erotetutverkotJakeluverkon maadoitusYhdestä pisteestä maadoitettu(unigrounded)Useammasta pisteestä maadoitettu(multigrounded)Yhdestä pisteestä maadoitettu(unigrounded)JohdinjärjestelmäNelijohdin-järjestelmä,SWER = Single Wire EarthReturnKolmijohdin-järjestelmäKolmijohdin kolmivaiheKolmijohdin yksivaiheKäytetty maadoitusmenetelmä ja johdinjärjestelmä määräävät verkossa käytettävän suojausperiaatteen.Maasta erotetuissa ja kompensoiduissa verkoissa käytetään keskitettyäsuojausta, jossa suojareleet sijaitsevat muuntoasemalla lähtöjen alussa. Suoraan maadoitetuissaja resistanssimaadoitetuissa verkoissa käytetään hajautettua suojausta, jossaSimulointiympäristö – Loppuraportti 68

suojaukset lisäksi sijaitsevat verkon varrella. Verkkomallien rakenteen kannalta verkonsuojausperiaate on verkkomuodon ohella tärkein tekijä.Keskitettyyn suojaukseen perustuvien verkkomallien suojausperiaatteet ovat suomalaistenverkkomallien mukaiset. Maadoitukseltaan (resistanssilla maadoitetut ja suoraanmaadoitetut), sekä verkkomuodoltaan (punosverkko, satelliittiverkko, silmukoitu verkko,suljettu rengasverkko) poikkeavien verkkojen suojausta voidaan tutkia laadituillaulkomaisilla verkkomalleilla.Hajautettuun suojaukseen perustuvissa verkkomalleissa keskeisin piirre on se että tarkimminkuvattu johtolähtö (lähtö 1) koostuu kolmesta runkojohto-osuudesta, jotkamuodostavat samalla omat suojausvyöhykkeensä (kuva 77). Jokaisen johto-osuudenalussa on verkkokatkaisija oiko- ja maasulkusuojauksineen. Oikosulkusuojaus on toteutettukäänteisaikaylivirtareleillä, jotka on aseteltu siten että ne toimivat aina myös seuraavanjohto-osuuden varasuojana (kuva 78). Maasulkusuojauksena on maasulun suuntarelekuten suomalaissa verkkomalleissa. Vaikkakin hajautettua suojausta käytetäänpääasiassa maadoitetuissa verkoissa, näissä verkkomalleissa voidaan helposti tutkia erimaadoitustapojen vaikutusta suojausten toimivuuteen, koska verkkomallien maadoituson valittavissa. Verkon tähtipisteeseen on toteutettu neljä eri valinnaista maadoitustapaa(kuva 79). Suomalaisissa verkoissa käytössä olleiden maadoitustapojen (maasta erotettu,sammutettu ja resistanssilla maadoitettu) lisäksi käyttöön on otettu suoraan maadoitettuverkko. Kun valittuna on suoraan maadoitettu verkko suunnattu maasulkusuojaus kytkeytyyautomaattisesti pois toiminnasta, koska ylivirtasuojat toimivat tällöin myös maasuluissa.Maasulkureleissä on eri asettelut valitusta maadoitustavasta riippuen. Syöttökentän releessämaasulkusuojaus toimii kiskoviassa aikaselektiivisesti pelkästään nollajännitteenperusteella. Tämä on toteutettu mallissa asettamalla virta-asettelu nollaan.Simulointiympäristö – Loppuraportti 69

Kuva 77. Hajautetulla suojauksella varustettu 66 kV avojohtoverkkomalli. Avoimenrengasverkon lähtö 1 on jaettu kolmeen moduuliin.Kuva 78. Hajautetun suojauksen oikosulkusuojauksena ovat käänteisaikaylivirtareleetja maasulkusuojauksena maasulun suuntareleet.Simulointiympäristö – Loppuraportti 70

Kuva 79. Konfiguroitava maadoitus. Valittaessa suoraan maadoitettu verkko verkonmaasulkusuojaus kytkeytyy automaattisesti pois toiminnasta.Avoimen rengasverkon runkojohtojen lähtiessä samalta sähköasemalta, punosverkonavoimen renkaan runkojohdot lähtevät eri sähköasemilta. Paitsi hajautetun energiantuotannonvaikutusta ja suojauksen toimintaa punosverkossa voidaan tutkia myös milläedellytyksillä normaalisti auki oleva kytkinlaite voidaan sulkea haluttaessa muuttaa verkonkytkentätilannetta. Kuvassa 80 on keskitetyllä suojauksella varustetun punosverkonmalli.Satelliittiverkon jakelumuuntamolähdöt on suojattu suurjännitesulakkeilla runkojohdonvarrella sijaitsevilla kytkemöillä. Kolmivaiheinen sulakemalli Fuse_3p_var on konfiguroitusuurjännitesulakemalliksi syöttämällä sulakemalliin verkkomalleissa esiintyviäoikosulkuvirtoja vastaavat sulakkeen sulamisajat (kuva 81). Sulakkeiden erotettua viallisenhaaran muun verkon toiminta jatkuu keskeytyttä. Simuloimalla on täten mahdollistatarkastella myös sulakkeiden ja releiden välistä selektiivisyyttä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 71

Kuva 80. Keskitetyllä suojauksella varustettu 115/13.8 kV punosverkko.Kuva 81. Kolmivaiheinen sulakemalli (oikealla) ja sen konfigurointi (vasemmalla) vastaamaanominaisuuksiltaan 25 A suurjännitesulaketta.Simulointiympäristö – Loppuraportti 72

4.2.4 Toteutetut verkkomallitLiitteessä 1 on esitetty myös mallien toteutusaikataulu. Koska kaikkia malleja ei tämänprojektin puitteissa ollut mahdollista toteuttaa on mallit aikataulua varten priorisoitumallien käyttäjien nähtävissä olevan tarpeen mukaan. Projektin päättyessä seuraavatmallit ovat valmiina:- avojohtoverkon avoin rengasverkko mvohl66_11_2x10or- maakaapeliverkon avoin rengasverkko mvcab66_11_2x16or- avojohtoverkon punosverkko mvohl115_13_8_2x16las- maakaapeliverkon punosverkko mvcab115_13_8_2x30las- avojohtoverkon avoin rengasverkko mvohl135_22_2x16or- maakaapeliverkon avoin rengasverkko mvcab135_22_2x16or- avojohtoverkon satelliittiverkko mvohl135_22_2x16sSeuraavassa on esitelty valmiina olevat ulkomaiset keskijänniteverkkomallit yksityiskohtaisemmin.Esittelyt on tehty lähinnä verkkomuodon ja suojauksen kannalta ja kuhunkinkohtaan liittyen on valmiina useampi verkkomalli (vrt. edellä esitetty lista valmiinaolevista malleista). Otsikoissa on esitetty viitteenä myös mallien tiedostonimet,joissa yleismerkkinä on käytetty merkkiä #, eli yhden otsikon alla on käsitelty aina useampaaeri mallia.135 kV verkosta syötetty 22 kV avoin rengasverkko keskitetyllä suojauksella(mv###135_22_2x16or)Keskijänniteverkon renkaaseen kytkeytyvät kaksi lähtöä näkyvät kuvassa 82. Lähtö 1on jaettu kolmeen osaan alasivuilla Feeder1_1, Feeder1_2 ja Feeder1_3. Lähtö 2 onalasivulla Feeder2 ja taustaverkko alasivulla Background network. Lähtöjen Suojausvyöhykkeitäon yksi kappaletta. Lähtöjen releet ohjaavat sähköaseman lähtökatkaisijoita.Releiden logiikka on esitetty omilla alasivuillaan. Releinä ovat ylivirta- jamaasulkureleet.Simulointiympäristö – Loppuraportti 73

Kuva 82. Avoimen rengasverkon mallien päärakenne pääsivutasolla.Johtolähtöä 1 kuvaavilla kolmella alasivulla on kuvassa 83 esitetty rakenne. Jokainenkolmesta alasivusta koostuu seitsemästä johto-osuudesta, jotka avojohtomalleissa ovat 1km pituisia avojohtoja ja maakaapelimalleissa 0,3 km pituisia maakaapeliosuuksia. Sekäavojohtoverkkojen että maakaapeliverkkojen johdon ensimmäisen osuuden (kaapeli)pituus on 100 m. Kunkin johto-osuuden välissä on jakelumuuntaja, johon on kytkettysäädettävä kuormamalli. Avojohtomallien jakelumuuntajien suuruus on 100 kVA jakaapeliverkkomallien 800 kVA. Jakelumuuntajia on johdolla 3x6 kpl = 18 kpl. Lähdönpäässä on liityntä rengasyhteyttä varten.Kuva 83. Johtolähdön 1 lohkon rakenne.Simulointiympäristö – Loppuraportti 74

Lähdöllä 1 jokaisella kolmella johto-osuudella on myös 2 erotinta (kuvattu master.breaker3-komponenteilla)joiden avulla rengasyhteyden avoimena oleva erotin saadaaneri etäisyyksille lähdön alusta. Avojohtoverkkojen johtopituus voidaan valita 1, 4,8, 11, 15, 18 tai 20 km. Maakaapeliverkon lähdön pituus voi olla 0.4, 1.3, 2.5, 3.4, 4.6,5.5 tai 6.1 km. Pääsivulla on näkyvissä myös rengasyhteydellä oleva erotin sekä molempienlähtöjen (lähdöt 1 ja 2) alussa olevat erottimet. Malleissa rengasyhteyden avoinkohta voidaan määritellä mille tahansa näistä kahdeksasta erottimesta. Lähdön 1 alussaoleva erotin mahdollistaa mm. sen, että koko lähtö voidaan syöttää rengasyhteydenavulla toiselta lähdöltä. Vastaavasti koko rengasyhteys voidaan syöttää myös lähdön 2kautta. Normaalitilanteessa jakoraja on pääsivulla näkyvällä erottimella Disc1_2.66 kV verkosta syötetty 11 kV avoin rengasverkko hajautetulla suojauksella(mv###66_11_2x##or)Keskijänniteverkon renkaaseen kytkeytyvät kaksi lähtöä näkyvät kuvassa 84. Lähtö 1on jaettu kolmeen osaan alasivuilla Feeder1_1, Feeder1_2 ja Feeder1_3. Lähtö 2 onalasivulla Feeder2 ja taustaverkko alasivulla Feeder3. Suojausvyöhykkeitä on kolmekappaletta. Lähdön 1 johto-osuuksien releet ohjaavat omia katkaisijoitaan. Johtoosuuksienrakenne on samanlainen kuten edellä. Releinä ovat käänteisaikaylivirta- jamaasulkureleet.Kuva 84. Hajautetulla suojauksella varustetun rengasverkon rakenne pääsivutasolla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 75

115 kV verkosta syötetty 13,8 kV punosverkko keskitetyllä suojauksella(mv###115_13_8_2x##las)Punosverkon johtojen lähdöt ovat samanlaisia kuin avoimen rengasverkon paitsi ettäpunosverkon renkaan lähdöt lähtevät eri muuntoasemilta (kuva 85). Myös lähdön johtoosuuksienalasivujen rakenne on samanlainen kuin avoimen rengasverkon.Kuva 85. Punosverkon ja satelliittiverkon lähdöt pääsivutasolla.135 kV verkosta syötettävä 22 kV satelliittiverkko keskitetyllä suojauksella(mv###135_22_2x16s)Satelliittiverkon pääsivun rakenne on samanlainen kuin punosverkon. Sen sijaan johtoosuuksienalasivujen rakenne eroaa punosverkon alasivujen rakenteesta (kuva 86).Kuva 86. Satelliittiverkon avojohtolähdön johto-osuuksien rakenne.Satelliittiverkon jokaisella johto-osuudella on kaksi kytkemöä (kuva 87). Kytkemö onkeskijänniteverkon runkojohdolla sijaitseva verkon haaroituspiste, josta varokekuormanerottimillasyötetään satelliittiverkon satelliittimuuntamoita. Satelliittimuuntamoidenpienten jakelumuuntajien (500 kVA) suojauksena ovat kytkemöillä sijaitsevat suur-Simulointiympäristö – Loppuraportti 76

jännitesulakkeet (25 A). Kytkemöiltä keskijännite jaellaan Al/Fe 54/9 (Raven) johdoillasatelliittimuuntamoille. Mallissa varokekuormanerottimista on selkeyden vuoksi kuvattuvain suurjännitesulakkeet.KytkemöKuva 87. Satelliittiverkon kytkemö satelliittilähtöineen5 TUULIVOIMALAMALLIT5.1 TUULEN JA TUULITURBIINIEN MALLITTuulen ja tuuliturbiinien mallien osalta tehtiin suppea kirjallisuustutkimus. Tutkimuksentarkoituksena on helpottaa lähitulevaisuudessa tehtävää mallinnustyötä niin, että mallinnuksenpääpiirteet ovat selvillä, ja oikeat kirjallisuuslähteet saadaan nopeasti käsille.Kirjallisuustutkimuksen tuloksia julkaistiin NORPIE 2004-konferenssiin tehdyssä paperissa[5], jonka tekijöinä olivat Martti Hokkanen (sähköinen järjestelmä), Heikki J. Salminen(tuuli, aerodynamiikka ja mekaniikka) ja Timo Vekara (yleiset suuntaviivat).5.1.1 YleistäTuuli on energianlähteenä vaikeasti ennustettava ja stokastinen. Tästä aiheutuu erityisiäongelmia sekä mallinnuksen, että säädön kannalta. Paperissa [5] on selvitetty tuuliturbiinienmallintamiseen tarvittavia tuulen ja tuuliturbiinien virtausmekaanisia ja tilastollisiamalleja. Näissä malleissa on yhdistettävä sekä teknologiaan että fysikaalisiin ilmi-Simulointiympäristö – Loppuraportti 77

öihin liittyvää tietämystä. Huomiota on kiinnitetty erityisesti DFIG (doubly-fed inductiongenerator)-tyyppisellä käytöllä varustettuun turbiinimalliin.Tuuliturbiinit voidaan jaotella seuraaviin pääluokkiin:1. vakionopeusturbiini suoraan verkkoon kytketyllä oikosulkukoneella varustetullaepätahtigeneraattorilla2. muuttuvanopeuksinen turbiini kaksoissyötetyllä induktiogeneraattorilla, tai3. muuttuvanopeuksinen turbiini suoravetoisella tahtigeneraattorilla, joka on kytkettytaajuusmuuttajan kautta verkkoon5.1.2 Kaksoissyötöllä varustetut induktiokoneetKuvissa 38, 39 ja 40 on esitetty eri tavoin toteutettuja muuttuvanopeuksisia turbiinejakaksoissyötetyllä induktiogeneraattorilla.Kuva 88. Liukurengaskone (Wound rotor with slip rings, WRIM)Kuva 89. Harjaton (Brushless, BDFM)Simulointiympäristö – Loppuraportti 78

Kuva 90. Reluktanssigeneraattori (Reluctance, BDFRM)5.1.3 Tuulen mallinnusTuulen mallintamisessa tarvitaan mm. rajakerroksen meteorologiaa, leikkausrajakerroksenkuvausta, tietoja ilmavirtauksen turbulenssista, ja klimatologisia tietoja. Tuuliatlastenavulla saadaan karkea yleiskuva paikallisista tuulioloista.Turbiinien sijoituspaikkoja arvioitaessa on selvitettävä, paitsi tuulen suuntaa ja nopeuksiakoskevat tiedot, myös sijoituspaikan erityisten maastonkohtien, puuston jne. vaikutuksiatuuleen. Paikallisiin erikoisuuksiin kuuluvat mm. Lapin tuntureilla talvisin syntyvätinversioilmiöt ja niiden vaikutukset. Tuulipuistoja rakennettaessa on huomioitavamyös lähekkäin toisiaan sijaitsevien turbiinien vanat. Merituulivoiman yhteydessä erikoinenpiirre on merenkäynnistä riippuva pinnan karheus ja sen mallintaminen.Tuulen mallit voidaan luokitella karkeasti kahteen luokkaan, todennäköisyysjakaumamalleihinja aikasarjamalleihin. Todennäköisyysjakaumamallit, kuten Weibull-jakauma,soveltuvat kannattavuuslaskelmissa käytettäviksi ja turbiinin suunnitteluparametrienoptimointiin. Vaikka todennäköisyysjakaumat sinällään sisältävät kaikki nopeus- ja aikaskaalatsekä niihin liittyvät tuulen suunnat, niihin ei sisälly mitään informaatiota vaihtelujenlaadusta, eikä niistä siis ole apua dynaamiseen simulointiin.5.1.4 Tuulen aikasarjamallitTuulella on jaksollisia ominaisuuksia hyvin laajalla aikaskaalalla. Näitä aikaskaalojavoidaan luokitella taulukossa 10 esitetyllä tavalla.Aikaskaalaspektriin kuuluu jaksonpituuksia, jotka ovat suurempia kuin tuuliturbiininodotettavissa oleva käyttöikä, aina millisekuntien aikaskaaloihin asti. Isommilla aikaskaaloillaon merkitystä laitoksen takaisinmaksuajan suhteen, kuormituksiin, ja tuotannonsuunnitteluun nähden. Puuskien ja turbulenssin aikaskaaloilla voi puolestaan ollavaikutusta sähkön laatuun.Simulointiympäristö – Loppuraportti 79

Taulukko 10. AikasarjamallitAikaskaala Ilmiö Jakson pituus VaikutusPitkä aikaväli Jaksottainen Vuosia TakaisinmaksuaikalaskelmatPitkä aikaväli Vuodenajat 5-10 kuukautta TuotantoennusteetKeskipitkä Synoptinen PäiviäTuotantoennusteetSäärintamien liikkeetKeskipitkä Päivittäinen Tunteja TuotantoennusteetPitkä aikaväli TuulenpuuskatTurbulenssiMinuutteja(sekunteja)StabiiliusSähkön laatu5.1.5 Tuuliturbiini energianmuuntajanaTuuliturbiini on laite, joka ottaa virtauksesta (tuulesta) kineettistä energiaa, jonka sesitten muuntaa sähköksi.Energian muuntoprosessissa tuuliturbiinin läpi kulkevaa virtausta hidastetaan, jolloinvirtauksen energiasisältö vähenee. Erotus saadaan haluttuun käyttöön, tavallisesti siissähkön tuotantoon. Prosessin luonteesta voidaan heti intuitiivisesti päätellä eräitä seikkoja:1. Jos virtaus ei hidastu turbiinissa lainkaan, ei turbiinista saada tehoa2. Jos virtaus pysäytetään kokonaan, ei myöskään saada tehoa, sillä prosessin aikaderivaatatovat nollia3. Koska kuitenkin reaalisilla virtausnopeuksilla turbiini tuottaa tehoa, on olemassajokin optimaalinen virtauksen hidastussuhde, jolla virtauksesta saadaan maksimitehoTämä optimaalinen hidastussuhde voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella yksinkertaistetunns. aktuaattorilevyteorian avulla. Perustana on idealisoitu virtaustilanne (kuva 91),johon sovelletaan virtauksen jatkuvuus- liikemäärä- ja energiayhtälöitä.Kuva 91. Aktuaattorilevyteorian mukainen kontrollitilavuus [6]Simulointiympäristö – Loppuraportti 80

Määritellään hidastussuhdea = U ω /U (4)missä U = häiriintymättömän tuulen nopeusU ω = virtauksen nopeus tuuliturbiinin jälkeen (kuva 92).Kuva 92. Aktuaattorilevyteorian merkintöjä [6]Aktuaattorilevyteorian perusteella tulokseksi saadaan, että optimaalinen hidastussuhde a= 1/3, jolloin turbiinin teoreettisesti tuottama teho voi olla maksimissaan täsmälleen16/27 ¡ 0,59 – kertainen häiriintymättömän tuulen tehosisältöön verrattuna.Tuloksen johti ensimmäisenä saksalainen Albert Betz, jonka mukaan tätä maksimiarvoavastaavaa kerrointa nimitetään Betzin vakioksi.Aktuaattorilevyteorian avulla saadaan ratkaistua tuulesta talteen otettu teho myös muillahidastussuhteilla. Talteen saadun tehon osuutta tuulen sisältämästä tehosta P/P merkitääntehokertoimella C p , joka siis korkeimmillaan voi saada em. arvon 16/27. Tulos onkauniin yksinkertainenC p = 4a(1-a)² (5)Seuraavassa kuvassa on esitetty C p hidastussuhteen a funktiona.Simulointiympäristö – Loppuraportti 81

1,00Cp = P/P0,900,800,700,600,500,400,300,200,100,000 0,2 0,4 0,6 0,8 1a = U w /U Kuva 93. Tehokertoimen riippuvuus hidastussuhteestaTurbiinin tuottama hetkellinen teho P t voidaan lausua yhtälölläP t = ½ ρ C p A U3(6)missäρ = ilman tiheysC p = tehokerroinA = roottorin pinta-alaU = virtausnopeus kaukana roottoristaAktuaattorilevyteoriassa tehdyistä yksinkertaistuksista poiketen roottorin vaikutus todellisessavirtauskentässä ulottuu tarkkaan ottaen roottoria kauemmaksi, millä perusteellatuuliturbiinin teho voisi ylittää aktuaattorilevyteorian antaman ylärajan. Vaakaakselisillavoimaloilla tämä vaikutus on käytännössä pieni, ja häviöiden takia kaikki C p -arvot sattuvat aktuaattorilevyteorian antaman optimaalisen tehokäyrän alapuolelle. Pystyroottorisellavoimalalla vaikutus voisi olla hieman suurempi. Pystyroottoriselle voimalalleon johdettu myös potentiaalivirtausteoriaan perustuva malli, jonka avulla tämäseikka voidaan ottaa huomioon.Todellisessa turbiinissa hidastussuhde riippuu turbiinin rakenteesta ja sen säädöstä. Optimisäätötilanteessakinturbiinista saatava teho jää aina jonkin verran teoreettista pienemmäksi.Todellinen tehokerroin on aina enemmän tai vähemmän ideaalista tehokerrointapienempi. Todellisen tehokertoimen suhdetta aktuaattorilevyteorian mukaiseentehokertoimeen voitaisiin nimittää turbiinin hyötysuhteeksi. Tällainen hyötysuhde omaakuitenkin tuuliturbiinin käyttäjän kannalta verraten vähän mielenkiintoa, sillä tuuliturbiininhyvyyden määrää viime kädessä tuotetun energian arvon suhde kustannuksiin.Simulointiympäristö – Loppuraportti 82

Roottorilevyteoriasta saadaan kärkinopeussuhde λ = R/U , jossa on roottorin kulmanopeus.R on roottorin säde ja U virtausnopeus etäällä roottorista. Tällaisen mallinavulla saadaan yhteys tehokertoimen ja roottorin pyörimisnopeuden ja geometrian välille.Jos kyseessä on muuttuvalla lapakulmalla varustettu roottori, malliin tulee lisäksi lavanasetuskulma ß.Kuva 94. C p , λ, ß-avaruus [7]5.1.6 Turbiinin säätöHidastussuhde on tietylle roottorin geometrialle ominainen arvo, joka riippuu roottorinkärkinopeussuhteesta. Roottorin lapakulmia säädettäessä vaikutetaan hidastussuhteeseen,joten aerodynaamisella säädöllä varustetulle roottorille saadaan kuvassa 44 näkyvätehokerroinpinta.Turbiinin säädöllä pyritään toisaalta sovittamaan sähköenergian tuotto tarpeeseen, toisaaltasuojaamaan turbiinia ylikuormitukselta. Säätö voi olla aktiivista tai passiivista.Säätöstrategiat voivat olla hyvin erilaisia riippuen turbiinikoneikon mekaanisesta jasähköisestä rakenteesta. Säädön toteutustapa on uusissa suurissa turbiineissa tärkeä alue,jolla valmistajat pyrkivät löytämään tuotteelle kilpailijoista erottavaa lisäarvoa.5.1.7 Mahdollisia jatkosuunnitelmiaVaasan Yliopistolla ollaan kehittämässä kokeellista toimintaa edelleen. Mittauksia on jotehty paikallisista tuulioloista, ja myös Windside-turbiinien toiminnasta on mahdollistasaada kokeellista mittaustietoa. Tuulimittauksista saatavaa dataa voidaan käyttää hyväksisimuloinnissa. Muita mahdollisia jatkossa tehtäviä toimenpiteitä on lueteltu seuraavassa:Simulointiympäristö – Loppuraportti 83

• C p -käyrästön luominen lapaelementtiteorian perusteella. C p -pintojen mallintamiseensoveltuu esimerkiksi MatLab.• Kehitetään säätöalgoritmi PSCAD:iin.• Testataan alkuvaiheessa turbiinimallin ja säätöalgoritmin toimintaa puuskamallienavulla (PSCAD, extreme value-standardimallit)• Tutkitaan tapoja muodostaa deterministisiä synteettisen tuulen malleja, jotka karakterisoivattodellista tuulta• Kehitetään synteettisen tuulen malli aikasarja-analyysin avulla omaan mittausdataannojautuen• Vertaillaan simuloinnin tuottamaa sähköverkon käyttäytymistä synteettisellä tuulella/ suoraan mittausdatalla laskettuna5.2 KAKSOISSYÖTETTY EPÄTAHTIGENERAATTORITämä luku käsittelee kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin (Doubly-Fed Induction Generator,DFIG) ja sen säätöpiirien mallinnusta. Tätä generaattorityyppiä sovelletaanmuuttuvanopeuksisissa tuulivoimalakonsepteissa.Tässä työssä tavoitteena oli kaksoissyötetyn generaattorin mallinnus PSCADohjelmalla.Toteutettu malli sisältää epätahtikoneen lisäksi roottoripiirin konvertterin,verkon puoleisen konvertterin sekä roottorikonvertterin suojauksen käyttäen ns. crowbar-suojausta.Lapakulmasäätöä ja lapakulmasäädön vaikutusta tehon tuottoon, tuulenvaikutusta sekä mekaanisia häviöitä ei ole vielä mallinnettu tässä työssä.Epätahtikoneen malli löytyy suoraan PSCADin master-kirjastosta, samoin pääosin muuttarvittavat komponentit. Roottorin kulma-anturi sen sijaan jouduttiin rakentamaan erillislohkoista.Roottoripiirin säädöillä pystytään säätämään verkolle menevä teho sekäloisteho verkkoon päin tai verkosta poispäin. Verkkopuolen konvertteri ylläpitää välijännitepiirinjännitettä ja säätää loisvirtaa verkkoon. Konvertterit toteutettiin pulssinleveysmodulaatiotekniikallaPWM, (Pulse Width Modulation) ja ovat tyypiltään jännitejäykkiäkonverttereita (VSC, voltage source converter) joissa on käytetty IGBT (IsolatedGate Bipolar Transistor) transistoreita.Kaksoissyötetyn generaattorin teho muodostuu ns. jättämätehosta (slip power), eli roottorintehon suunta on joko positiivinen tai negatiivinen riippuen jättämästä. Tämä tarkoittaasitä, että verkkoon menevä teho on staattorin teho plus tai miinus roottorin tehoriippuen roottorin kierrosluvusta verrattuna kentän nopeuteen (kuva 95) [3].Simulointiympäristö – Loppuraportti 84

Kuva 95. Kaksoissyötetyn generaattorin toiminta-alue. [3]Kaksoissyötettyyn epätahtigeneraattoriin perustuvan tuulivoimalan periaatteellinen rakenneon esitetty seuraavassa kuvassa.Kuva 96. Kaksoissyötetyn generaattorin lohkokaavio.Eo. kuvan esittämässä tuulivoimalassa on lapasäädöllä varustettu tuuliturbiini, joka akselinja vaihteiston välityksellä pyörittää liukurenkailla varustettua induktiogeneraattoria.Generaattorin staattori on suoraan kytketty verkkoon ja roottoria syötetään liukurenkaittenkautta itsekommutoivilla taajuusmuuttajilla (ns. nelikvadrantti toiminta).Taajuusmuuttajan avulla säädetään roottorijännitteen amplitudi ja vaihekulma siten ettäsaadaan aikaan haluttu pätöteho verkkoon tai loisteho verkkoon tai verkosta.Mallissa on kuvattu tarkasti sekä taajuusmuuttajat ohjauksineen. Sekä verkko- että roottoripuolensäätäjät mallinnetaan tarkasti, sisältäen kaikki takaisinkytkennät lapasäätöälukuun ottamatta.Simulointiympäristö – Loppuraportti 85

Roottoripuolen konvertteri on suojattava ylivirralta niin, että se kytketään irti samallakun roottoripiiri oikosuljetaan (ns. crowbar protection). Tällä tavoin generaattori pystyyosittain tukemaan verkon stabiilisuutta vikatilanteissa.5.2.1 Epätahtikone generaattorinaKun epätahtimoottoria pyöritetään voimakoneella ylitahtinopeudella, ja moottori onliitettynä verkkoon, muuttuu staattorivirran suunta ja teho kulkee verkkoon päin ja konetoimii generaattorina. Magnetoimisvirtansa kone ottaa verkosta joka on reaktiivinen(kuva 97). Tehokerroin on induktiivinen samoin kuin moottorikäytössä. Tämäntyyppinenepätahtikone on halpa ja toimintavarma generaattori joka soveltuu tuulivoimalakäyttöön.Kuva 97. Epätahtikone generaattorina.Alitahtinopeusalueella epätahtikone pitää olla varustettuna käämityllä roottorilla, jottaroottoria voidaan magnetisoida niin että teho virtaa verkkoon päin (kuva 98).Kuva 98. Kaksoissyötetty epätahtigeneraattori.Jättämän määritelmä on seuraavasnsynkr−ngen= (7)n synkrGeneraattori toimii ali- tai ylisynkronisella alueella, niin että alisynkroninen jättämä onpositiivinen ja ylisynkroninen jättämä negatiivinen. Jos koneen häviöt oletetaan nollak-Simulointiympäristö – Loppuraportti 86

si, niin jättämäteho, joka menee kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin konverttereidenläpi, voidaan laskea seuraavasti:Proottori= − s P(8)staattoriP staattori voidaan myös lausua käyttämällä verkon tehoa P verkko:P1Pmek= P =η1−s 1−sstaattori verkko gen(9)missä η gen on generaattorin hyötysuhde ja P mek on mekaaninen teho. Riippuen jättämästä(positiivinen tai negatiivinen) teho syötetään joko roottoriin tai roottorista konverttereidenläpi. Molemmissa tapauksissa kuitenkin syötetään verkkoon tehoa, P staattori >0.5.2.2 Päävirtapiiri ja sen komponentitKuvassa 99 on esitetty mallissa olevat kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin päävirtapiiri,konvertterin pääteasteet, ulkoista verkkoa kuvaava jännitelähde ja crowbar-kytkentä(6-pulssidiodisilta ja vastus) sekä vikamalli. Crowbar-kytkennässä vastus, joka on 6-pulssidiodisillan tasajännitepuolella, kytketään tässä tapauksessa tyristorilla, sopivienvikakriteerien täyttyessä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 87

Kuva 99. Kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorin päävirtapiiri kytkettynä verkkoon.Simulointiympäristö – Loppuraportti 88

Seuraavassa kuvassa on esitetty PSCADin master-kirjastosta löytyvä liukurengaskoneenmalli. Sen parametreja voidaan havainnollistaa kuvan 101 piirroksella, josta ilmeneesijaiskytkennän rakenne. Kuvassa on näkyvissä myös roottoripuolen konvertteri.Kuva 100. Liukurengaskoneen malli.Kuva 101. Sijaiskytkentä.Tässä mallissa käytetyt epätahtikoneen parametrit on esitetty seuraavissa kuvissa. Staattori-ja roottorikäämien väliselle kierroslukusuhteelle on käytetty arvoa 1, mutta se voiperiaatteessa olla mikä tahansa muukin riippuen halutusta roottorin jännitteestä suhteessastaattorijännitteeseen, hyvin yleinen suhde on 1:3.Simulointiympäristö – Loppuraportti 89

Kuva 102. Epätahtikoneen parametrit, sivu 1/4.Kuva 103. Epätahtikoneen parametrit, sivu 2/4Simulointiympäristö – Loppuraportti 90

Kuva 104. Epätahtikoneen parametrit, sivu 3/4Kuva 105. Epätahtikoneen parametrit, sivu 4/4Lisäksi koneen parametreissa olisi mahdollista määritellä kyllästyminen, mutta sitä eitässä tapauksessa ole tehty. Sisäisinä mittauksina konemalliin määriteltiin sähköinen jamekaaninen väätömomentti (Te ja Tm) sekä pyörimisnopeus (Wrotor). Näistä viimeksimainittuatarvitaan, jotta roottoripuolen tasasuuntaajan ohjaus saadaan toimimaan.Momenttimittauksia voidaan käyttää lähinnä mallin toiminnan tutkimiseen.Simulointiympäristö – Loppuraportti 91

Ulkoista verkkoa kuvaava jännitelähde on sama mitä käytetään myös verkkomalleissa.Verkon taajuus on 50 Hz, jännite 690V ja keskipiste maadoitettu. Oikosulkuimpedanssion oletuksena 1000 MVA, mutta se on vaihdettavissa vapaasti. Generaattorimallin toimintakuitenkin edellyttää että oikosulkuimpedanssi on tietyissä rajoissa. Näitä rajoja eiole vielä tässä vaiheessa määritetty.Kuva 106. Ulkoista verkkoa kuvaava jännitelähde.Suuntaajien välipiiri on yksinkertainen sisältäen vain kondensaattorin, jonka avulla piirinjännite pysyy hyvin vakaana. Kondensaattorin suuruus vaikuttaa oleellisesti piirintoimintaan koska sen varausaika on hyvin lyhyt.Kuva 107. Jännitevälipiiri.Välipiirin jännite on3 2Udc= Uπ in(10)Piirissä on myös kolmivaiheisia kytkimiä joissa on virran ja tehon mittaus.Simulointiympäristö – Loppuraportti 92

Vikakomponentti löytyy valmiina kirjastosta. Sitä ohjataan tässä mallissa ajastimella(Timed Fault Logic), johon voidaan määritellä vian alkamis- ja poistumisaika.Kuva 108. Vikasimulaattori ja ajastin.Mallin aiemmissa kehitysversioissa crowbar-suojauksen toimintaa ohjattiin ylivirtareleella,joka mittasi staattorivirran tehollisarvoa. Uusimmissa kehitysversioissa on siirryttykäyttämään vertailuelintä, joka tarkkailee roottorivirran virtavektorin pituutta.5.2.3 SuuntaajatMallissa käytetty kaksisuuntaisesti toimiva tasasuuntaaja- / vaihtosuuntaajasilta (back-toback converter) on esitetty seuraavassa kuvassa.Kuva 109. Suuntaajasilta.Mallissa IGBT-transistorien parametreissa (ks. seur kuva) on valittuna interpolated pulse,jolloin PSCADissä puolijohdekytkinten ohjaussignaali on kaksi elementtiä sisältäväävektori. Tällöin interpolaatioalgoritmin ansiosta voidaan kytkentähetket laskea hyvintarkasti, huolimatta vakiomittaisesta simuloinnin aika-askeleesta.Simulointiympäristö – Loppuraportti 93

Kuva 110. Transistorikomponenttien parametrit.Transistorien sähköiset parametrit sisältäen myös snubberi-piirin arvot on esitetty seuraavassakuvassa.Kuva 111. Transistorikomponenttien sähköiset parametrit.Suuntaajasillassa olevien diodien parametrit on esitetty seuraavassa kuvassa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 94

Kuva 112. Diodien parametrit.Suuntaajia on mallissa kaksi. Toinen kytkeytyy generaattorin roottoripuolelle ja toinenverkkoon. Suuntaajat ovat tyypiltään jännitejäykkiä (VSC, Voltage Source Converter),joissa jännitteen amplitudi pysyy lähes vakiona välipiirin ansiosta. Aktiivinen PWMtasasuuntaussiltasisältää IGBT-transistoreja jolloin silta on täysin ohjattavissa. Käyttöon nelikvadranttikäyttö eli tehon suuntaa voi olla molempiin suuntiin (ks. seur. kuva).Kuva 113. Itsekommutoiva aktiivinen tasasuuntaussilta.Ohjauksen periaatekaavio on esitetty seuraavassa kuvassa. Perustana on d-q esitys, jossaroottorivirtaa merkitään alaindeksillä r ja staattorivirtaa alaindeksillä s. Verkkovirranalaindeksi on v.Simulointiympäristö – Loppuraportti 95

Kuva 114. Ohjauksen periaatekaavio.PSCADissä on käytettävissä DQ-koordinaatistomuunnokseen seuraavassa esitetty lohko.Tässä lohkossa voidaan vielä erikseen asettaa D ja A vektorien välinen kulma.Kuva 115. PSCADin koordinaatistomuunnoksen lohko.Roottorivirran säätö staattorivuohon kiinnitetyssä koordinaatistossa mahdollistaa senettä pätö- ja loistehoa voidaan säätää erikseen toisistaan riippumatta. Tämä säätötapaedellyttää että malli toteutetaan DQ-koordinaatistossa. Roottorivirran ohjaus ja säätöpiiriton esitetty seuraavassa kuvassa.Kuva 116. Roottorivirran ohjaus ja säätö.Roottoripuolen konvertterilla saadaan aikaan virtakomponentit I rd ja I rq . I rd on roottorinvirtakomponentti joka on samassa vaiheessa staattorivuon kanssa. Tällä ohjataan koneenmagnetointia ja samalla loistehoa. I rq on roottorin virtakomponentti joka on kohtisuoras-Simulointiympäristö – Loppuraportti 96

¡sa staattorivuon kanssa (90˚ vaihesiirto) ja tällä ohjataan sähköinen momentti eli käytännössäkoneesta ulos saatavaa pätötehoa.Jotta roottorinvirtojen ohjaus voidaan toteuttaa edellä kuvatulla periaatteella, on tunnettavaroottorin kulma verrattuna staattoriin. Se voidaan laskea seuraavasti:tΘ = ω dtr r(11)0missär = roottorin kulmar = roottorin pyörimisnopeust = aika.Roottorikulman laskenta on mallissa toteutettu seuraavassa kuvassa esitetyllä tavalla.Integroitavana on moottorimallista saatava pyörimisnopeus Wrotor.Kuva 117. Roottorin kulman laskenta.Verkkopuolen konvertterin tehtävä on säilyttää välipiirin tasajännite vakiona riippumattaroottorin pyörimissuunasta ja tehosta. Lisäksi tavoitteena on, että se toimii tehokertoimellayksi. Tehonsäätö tapahtuu epäsuorasti välipiirin tasajännitettä säätämälläVdcref ja loisteho säädetään suoraan säätämällä tämän konvertterin virtaa Iinref.Kuva 118. Verkkopuolen konvertterin ohjaus.Simulointiympäristö – Loppuraportti 97

Verkkopuolen konvertterin ohjausvirrat ovat seuraavat:• I sd on verkon virtakomponentti, joka on samassa vaiheessa staattorijännitteen kanssa,ja tällä ohjataan välipiirin tasajännitettä.• I sq on verkon virtakomponentti, joka on kohtisuorassa staattorijännitteen kanssa, 90˚vaihesiirto ja tällä ohjataan loistehoa verkkoon tai verkosta.5.2.4 EsimerkkisimulointiSimuloinnin alussa konvertterien ohjaukset eivät ole aluksi päällä vaan verkkopuolenkonvertteri toimii 6-pulssitasasuuntaajana ja välipiirin kondensaattori latautuu, välipiirinjännite U dc on silloin noin 980 V.Udc3 2= Uin2(12)πmissä U in on 690 V.Konvertterit käynnistyvät yhden sekunnin kohdalla, jonka jälkeen generaattori alkaatuottaa tehoa.Simuloinnissa generaattoria pyöritetään valitulla vakionopeudella ja tämän simuloinninaikana nopeutta muutettiin välillä 0.6 - 1.3 x n nom . Lisäksi generaattorin tuottaman tehonasetteluarvoa muutettiin ajon aikana.Kuva 119. Generaattorin tehot esimerkkisimuloinnissa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 98

5.2.5 MomenttiajoEnsimmäinen versio kaksoissyötetyn generaattorin mallista perustui siihen, että generaattoriapyöritettiin mallissa vakionopeudella. Tällöin mallista on lähtökohtaisesti jätettypois kaikki mekaaniset ilmiöt eli malli kuvaa tarkasti vain niin nopeita ilmiöitä, ettänopeus ei ehdi muuttua.Ensimmäisen malliversion pohjalta kehitettiin toinen malliversio, jossa nopeus perustuumekaanisen järjestelmän käyttäytymiseen. Käytännössä periaate on että nopeus määräytyyturbiinia pyörittävän momentin, sähköisen vastamomentin ja järjestelmän inertianperusteella. Tällä tavoin mahdollistetaan se, että generaattorimalliin voidaan kytkeätuulen ja tuuliturbiinin käyttäytymistä kuvaavat mallit. Periaatteena on että näistä malleistageneraattorimalliin saadaan turbiinia pyörittävä momentti ja generaattorimallilaskee momenttien ja inertioiden perusteella nopeuden, joka syötetään takaisin tuuliturbiininmalliin, koska puolestaan tuuliturbiinin teho riippuu myös turbiinin pyörimisnopeudesta.Tätä simulointitapaa kutsutaan tässä momenttiajoksi.Tuulen teho jatkuvassa tilassa saadaan kaavastaPmek=1 2 3ρπ R u C2 p(13)missä ρ = ilman tiheysR = turbiinin sädeu = tuulen nopeusC p = aerodynaaminen tehokkuusja siten momentti T onPT mek = ω(14)missä ω = generaattorin kierrosluku.Momenttiajon valinta PSCADin epätahtikoneen mallissa perustuu seuraavassa kuvassaesitettyyn kytkimeen (konemallin sisäänmeno S). Kytkimen ollessa asennossa OFF(ulostulosignaali = 0) ulkoinen momentti pyörittää konetta.Simulointiympäristö – Loppuraportti 99

Kuva 120. PSCAD momenttiohjaus.Toteutetussa mallissa tuuliturbiinin kytkentä momenttiajoon on toteutettu komparaattorinavulla niin, että alle 4m/s tuulella generaattori pyörii vakionopeudella 0,6 p.u. jokavastaa generaattorin pyörimisnopeutta 900 rpm (kuva 21).Kuva 121. Tuuliturbiinin lähtöarvot.Tuulen dynamiikka on toteutetussa mallissa toistaiseksi otettu huomioon hieman yksinkertaistaenkäyttäen hyväksi seuraavia riippuvuussuhteita• mekaaninen teho tuulen nopeuden funktiona, kuva 122, ja• optimaalinen generaattorin pyörimisnopeus generaattorin sähköisen tehon funktiona,kuva 123.Nämä kuvaajat perustuvat laskettuihin optimaalisiin toimintapisteisiin, joihin siis sisältyymm. lapakulmasäädön vaikutus.Simulointiympäristö – Loppuraportti 100

0,40,81,21,2Tuulen teho- ja nopeuskäyräTuulen nopeus [pu]1,210,80,60,40,20Tuulen teho[pu]0Tuulen teho [pu]Kuva 122. Mekaaninen teho tuulen nopeuden funktiona.Sähköinen tehoGeneraattorin nopeus [pu]1,210,80,60,40,200 0,1 0,4 0,45 1Sähköinen tehoSähköinen teho [pu]Kuva 123. Generaattorin pyörimisnopeus sähköisen tehon funktiona.Eo. kuvassa esitetyn suhteen avulla mallissa lasketaan sähköisen tehon ohjearvo P refseuraavassa kuvassa esitetyllä tavalla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 101

Kuva 124. Tehon ohjearvon laskenta.Seuraavassa kuvassa on esimerkkisimulointi, jossa tuulen nopeutta on nostettu portaittain0 – 12 m/s.Kuva 125. Generaattorin tehot momenttiajossa tuulen nopeuden muuttuessa.5.2.6 Mallin kehitystyön nykytilaMallin kehitystyöstä pääosa on tehty malliversiolla, jossa simulointi tapahtuu vakionopeudella.Tämä tarkoittaa sitä että epätahtikoneen pyörimisnopeus asetellaan liukusäätimellä(välille 0,6…1,3 x nimellisnopeus) ja nopeus pysyy aina tarkalleen asetellussaarvossa. Pyörimisnopeutta voi myös muuttaa ajon aikana liukusäätimellä. Tässämalliversiossa generaattorista saatava pätöteho on aseteltavissa liukusäätimellä mihintahansa arvoon.Lähemmäs todellisen kaksoissyötettyyn epätahtigeneraattoriin perustuvan tuulivoimalansäätötapaa pyritään ns. momenttiajoon perustuvalla generaattorimallilla. Momenttiajoonperustuvan malliin oli tarkoitus saada toteutettua myös valmiin tuulidatan syöttö vakionaannettavan tuulennopeuden sijasta. Tätä ei kuitenkaan ehditty toteuttaa vielä tämänprojektin puitteissa. Mallin toiminta testattiin kuitenkin vaihtelevalla tuulella, joka saatiinaikaan PSCADin omalla tuulimallilla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 102

Viimeisimpänä kehitysaskeleena mallissa on pyritty parantamaan crowbar-suojauksenmallinnusta. Crowbar-suojauksen patentin tultua julkiseksi, on saataville tullut aineistoa,jolla sitä kuvaavat mallin osat on voitu kuvata paremmin todellisuutta vastaavasti.Edellä kuvatun 1 MW voimalaitoksen lisäksi on toteutettu myös vastaava 2 MW malli.Yksityiskohtaisempaatietoa DFIG-malleista sekä viimeisimmistä testisimuloinneistalöytyy erillisestä raportista, joka valmistui samanaikaisesti tämän loppuraportin kanssa.5.3 SUORAAN KYTKETYN TUULIVOIMALAITOKSEN MALLITätä hanketta edeltäneessä CODGUNet hankkeessa laadittiin malli 1.65 MW tuulivoimalaitoksesta[4]. Kyseisen mallin pohjalta on tähän simulointiympäristöön muokattukompakti ja käyttäjäystävällinen voimalaitosmalli. Kyseessä on suoraan verkkoon kytkettyynepätahtigeneraattoriin perustuva ratkaisu. Toteutettu malli on esitetty seuraavassakuvassa. Erityispiirteenä mallissa ovat ohjaukset, joiden avulla malli saadaan tuottamaanhaluttu teho. Loistehon osalta kondensaattoriparistojen kytkentä on automatisoitusiten, että tehokerroin säätyy lähelle ykköstä. Loistehonsäätöautomatiikka voidaan myöskytkeä pois jolloin kytkettyinä olevien kondensaattoriparistojen määrä voidaan valitamanuaalisesti.Kuva 126. Malli 1,65 MW tuulivoimalaitoksesta.1,65 MW epätahtikoneeseen perustuva tuulivoimalaitoksen mallin pohjaa hyödyntäenon tehty myös malli 2,3 MW generaattorista. Molemmissa näissä malleissa tuulta jaroottoria ei ole mallinnettu vaan generaattoria pyöritetään vakiomomentilla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 103

6 MUUT VOIMALAITOSMALLIT6.1 DIESEL-VOIMALAITOKSEN MALLITProjektissa toteutettiin kolme erikokoista voimalaitosta: 8 MW, 11 MW ja 20 MW. 11MW ja 20 MW voimaloista laadittiin sekä 50 Hz että 60 Hz versiot. Mallit ovat ulkonäöltäänja toteutukseltaan yhtäläisiä - vain parametrit ovat erilaisia. Mallit perustuvatpääosin tietoihin, jotka Wärtsilä on toimittanut tämän projektin aikana. Jännitteensäätäjänmalli ja 8 MW generaattori ovat peräisin aiemmista hankkeista.Esimerkkinä mallien rakenteesta on seuraavassa kuvassa esitetty 8 MW voimalan malli.IfEfEf0GPoutGQouttrEfInitEfGPoutGQoutEf0 EfTeTmG DieselwIfTm Tm 0ABC3 Phas eR MSABCTm 0TmUgRMSBR KpABCTm 0VoltI2TaI2TbI2TcABCT DieselSn = 8 [MVA]f = 50.0 [Hz]Pkn = 100.0 [kW]P0 = 10 [kW]#1 #211.0 20.0Zk = 6 [%]ABCRated voltage21.0kVABC3 Phas eRMSABCVolt_2DroopDroop [p.u.]PsPs [MW]*Pinit1.0Nom inal power of generator[MW]7.9PNTmwL2NwTmBC trlGen_PGPoutGen_wwAGP_fFilt_PFilterFilt_wC trl = 1Filt_PFilt_wSpeed_refw_refD roop_puD_puL2NL2NSpeed_ctrlPID _outActuators peed_inAct_outAct_outEngineTmTmVoltExciterVolttau_Eftau_EfSpeedwwWatchtrEftrEfBRKpBRKpTm 0Tm 0TmS2MTmInitializationtrEfL2NtrEfInitEfTstatInitEfDroopw_refDroopS2ML2NTstatw _refS2ML2NFilt_PGP_fD_puD _puPNPNtau_Eftau_EfPsPsKuva 127. Diesel-voimalamallin rakenne.Generaattorien nimellisjännitteet ovat:• 8 MW ja 50 Hz generaattorilla 11,0 kV• 11 MW ja 50 Hz generaattorilla 11,0 kV• 11 MW ja 60 Hz generaattorilla 13,8 kV• 20 MW ja 50 Hz generaattorilla 15,0 kV20 MW ja 60 Hz generaattorilla 13,8 kV.Generaattorien nimellisjännitteet ovat erilaisia, mutta malleihin sisältyvän muuntajanavulla liityntäpisteen jännite on kaikissa malleissa sama 21,0 kV.Simulointiympäristö – Loppuraportti 104

Malleissa on PSCAD master –kirjastosta löytyvät generaattorit ja muuntajat. Muut osakokonaisuudeton kasattu erilliskomponenteista sivumoduuleihin.Malleja ajetaan nopeuden droop –säätöä käyttäen. Kun tällä säätötavalla ajattava generaattorion kytkettynä jäykkään verkkoon voidaan generaattorin teho asetella nopeudenohjearvoa muuttamalla. Näissä dieselvoimalamalleissa ohjearvo annetaan suoraan tehona,joka sitten muokataan säätimelle nopeuden ohjearvoksi.6.1.1 Mallien käyttöPSCAD ohjelmassa generaattorit tarvitsevat erityisen ylösajovaiheen, jotta malli saadaanpyörimään halutussa pysyvässä tilassa. Diesel-voimalamallissa tämä ylösajovaiheon automatisoitu käyttäen sopivia vertailuelimiä. Mallissa olevien säätimien avulla generaattorisaadaan pyörimään halutussa toimintatilassa. Liukusäätimellä Ps asetellaangeneraattorin tuottama pätöteho (MW). Teho asettuu ylösajossa tähän arvoon käytännössämelko tarkasti. Luokkaa 1,5 – 3,5 s ylösajon jälkeen virhe on pienentynyt ±2 %asettelutehosta. Säädin (PID) integroi pysyvän tilan virheen käytännössä kokonaan pois,jos ylösajoa jatketaan riittävän pitkään. Asettumisajoissa on pieniä eroja diesel-voimalaitoksenkoosta riippuen. Seuraavassa kuvassa on esitetty 8 MW –mallin ylösajon aikaisetpätötehot (suodattamaton ja suodatettu). Aika-akselin skaalaus on 1,0 s/ruutu,pystyakselilla näkyvät tehot MW:na. Asetteluteho oli 7,9 MW eli 100 % nimellistehosta,droop –arvo oli 5 %. Kuvassa on näkyvissä myös asetteluteho sekä vastaavat ±2 %asettumisrajat. Testiajossa voimalaitosmalli oli kytkettynä FIN_kj_taajama_A_0_1 –verkkomalliin. Diesel-voimalamalli oli johtolähdön 1 (Feeder 1) alussa.Kuva 128. 8MW mallin ylösajon aikaiset pätötehot.Jännitteensäätö on toteutettu ulkoisena säätöpiirinä, joka pyrkii pitämään generaattorinnapajänniteen halutussa arvossa magnetointia säätämällä. Jännitteensäädössä haluttunapajännite asetellaan suhteellisarvona liukusäätimellä Vset. Ylösajon aikana generaattorinnapajännite asettuu erittäin tarkasti aseteltuun arvoon.Ajoituksen osalta generaattorimallin ylösajo on toteutettu niin, että aluksi generaattoritoimii jännitelähteenä. Kun generaattorin liitinjännitteet ovat saavuttaneet pysyvän tilanarvonsa riittävällä tarkkuudella, vertailuelimen signaalin (S2M) avulla generaattorin tilamuutetaan koneeksi. Tämä tilanvaihto tapahtuu noin 1,0 – 1,5 s kohdalla. Tässä vaiheessageneraattori pyörii vielä ns. lukitun roottorin tilassa. Kun sekä dieselin että generaattorinmomentit ovat saavuttaneet pysyvän tilan arvonsa riittävällä tarkkuudella, siirrytäängeneraattorin osalta normaalitilaan (signaali L2N). Normaalitilaan siirrytään noin1,5 – 2,0 s kohdalla. Samalla signaalilla L2N ohjataan kytkintä, jolla nopeussäätimenreferenssiksi valitaan momentin sijasta suodatettu generaattorin ulostulon pätöteho.Simulointiympäristö – Loppuraportti 105

Tässä vaiheessa syntyy vielä muutostilanne, joka näkyy muutamien sekuntien pituisenatransienttina. ±2 % tarkkuus eli pysyvätila saavutetaan viimeistään noin 6,0 s sekunninkohdalla. Nopeuden säätöpiirin droop –arvo on jo tässä vaiheessa asettunut liukusäätimenarvoon. Tämä tapahtuu noin 2,7 s kohdalla (99 % tarkkuus saavutettu) jolloin automaattisellakytkimen käännöllä droop –arvo saa ohjeensa liukusäätimeltä ja säätöpiirinylösajojärjestys on kokonaisuudessaan käyty läpi. Käytännössä mallissa kannattaakuitenkin aina mittauksin seurata generaattorin jännitteitä ja tehoja sekä momentteja,jotta halutun pysyväntilan saavuttaminen voidaan varmistaa. Ylösajovaiheen nopeuteenvaikuttaa selvästi myös verkon oikosulkuteho generaattorin kytkentäpisteessä.Ylösajoa on nopeutettu muokkaamalla säätimien parametreja sekä droop –arvoa ylösajonajaksi. Jännitesäätöpiirissä on osa piirin ”pitkistä” aikavakiosta ylösajon aikanaasetettu pienempään arvoon. Nopeussäätimen referenssiksi on valittu ylösajon ajaksimomentti. Momenttireferenssillä päästään pienempiin askelmuutoksiin ja täten värähtelyihin,kun siirrytään lukitun roottorin tilasta vapaasti pyörivän roottorin tilaan eli ns.normaalitilaan.6.1.2 Mallien osakokonaisuudetGeneraattoriGeneraattorit on parametroitu käyttäen generaattorivalmistajan datalehden arvoja.MuuntajaMuuntajat on parametroitu skaalaamalla 8 MW –mallissa ollutta muuntajaa tehojenosalta. Jännitteet on asetettu vastaamaan generaattorien liitinjännitteitä ja toisiojännitteiksion valittu kaikissa kokoluokissa 21,0 kV.NopeussäätäjäNopeuden säätö on toteutettu ns. droop –säätönä. Säätimen tyyppinä on yleinen PID–säädin.Nopeuden ohjearvo saadaan tehon liukusäätimeltä muunnettuna droop –säädön edellyttämäänmuotoon. Droop –säädössä nopeuden ohjearvo yksi vastaa asettelutehoa nolla.Nimellinen teho saavutetaan nopeuden ohjearvolla yksi lisättynä valittu droop –arvo.Droop –arvo asetellaan liukusäätimellä. Droop –arvolla vaikutetaan säätimen vasteennopeuteen.Nopeussäätimen ulostulo syötetään dieselinkoneen toimielimelle nopeuden p.u. –arvona.Ylösajon ajaksi säätimen P– osan vahvistusta on kasvatettu ylösajon nopeuttamiseksi.Generaattorin toimiessa normaalitilassa, on vahvistusta laskettu värähtelyjen pienentämiseksi.Simulointiympäristö – Loppuraportti 106

Dieselkoneen toimielinDieselkoneen toimielimessä muokataan nopeusohjeesta momenttiohje varsinaiselle dieselkoneenmallille. Toimielimen hitaudet ovat mallissa mukana.DieselkoneDieselkoneen mallissa on mukana polttoaineen syöttösuhdetta kuvaava vahvistinlohko,rajoituselin sekä dieselin muuta toimintaa kuvaava siirtofunktio omana lohkonaan. Dieselkoneenmalli antaa ulostulonaan momentin p.u. –arvon, joka syötetään generaattorinvastaavaan sisääntuloon momenttiohjeeksi.JännitesäätäjäDiesel-voimalamalleissa käytetään jännitteensäätäjänä erilliskomponenteista koottuajännitteensäätäjän mallia.Säätäjän integraattoreiden integrointiajat on muokattu mallin ylösajon ajaksi siten, ettäsäätö saatiin huomattavasti nopeammaksi ilman ylimääräistä värähtelytaipumusta.Ylösajon lopussa integraattoreiden aikavakiot on palautettu vastaamaan todellisen jännitesäätäjänvastaavia aikavakioita.NopeusvahtiMallissa on mukana generaattorin nopeutta tarkkaileva piiri. Nopeusvahdilla ohjataangeneraattorin ja muuntaja välillä olevaa katkaisijaa. Jos generaattorin nopeus poikkeaanimellisestä arvostaan enemmän kuin 10 %, avataan ks. katkaisija. Piirin toimintaa onviivästetty 10s, jotta ylösajon aikaiset transientit eivät turhaan laukaise nopeutta tarkkailevanpiirin ohjaamaa katkaisijaa.YlösajopiiritDieselvoimalaitosmalleissa on erityiset ylösajopiirit, joiden avulla simulointimallinylösajoa on saatu nopeutettua merkittävästi. Piirien avulla ajastetaan generaattorimallintilanmuutoksia lähteestä koneeksi (S2M) sekä lukitun roottorin tilasta normaaliin, vapaastipyörivän roottorin tilaan (L2N). Lisäksi ylösajopiireillä muokataan droop –arvoasekä jännitesäätöpiirin aikavakioita hetkellisesti ylösajon nopeuttamiseksi. Piirien käytölläon pyritty tilanmuutokset suorittamaan optimaalisella ajanhetkellä sopivia arvojavertailemalla. Vertailtavina suureina on momentteja, jännitteitä sekä tehoja.Lisäksi ylösajopiireissä on mukana muunnospiiri, jolla liukusäätimellä annettu asettelutehomuokataan droop –säädön tarvitsemaksi nopeusohjeeksi.6.2 PIENTEN TAHTIGENERAATTORIEN MALLITLähteestä [2] löytyvien data-arvojen pohjalta toteutettiin kokoelma pienjänniteverkkoon(0,4 kV) kytkettäviä tahtigeneraattoreita. Kokoelma sisältää neljä erikokoista generaat-Simulointiympäristö – Loppuraportti 107

toria: 40 kVA, 100 kVA, 180 kVA ja 250 kVA. Mallit ovat ulkonäöltään ja toteutukseltaanidenttisiä - vain parametrit ovat erilaisia.Mallit on toteutettu käyttäen PSCADin master-kirjaston tahtigeneraattorimallia, jokaparametroitiin viitteessä [2] esitettyjä tahtigeneraattorien arvoja soveltaen.Esimerkkinä mallien rakenteesta on seuraavassa kuvassa esitetty 100 kVA generaattorinmalli.DGQout*40.0D - +FNN/DD + +FG1 + sTModeCtrlBACtrl = 040.0D1.0VsetACtrl = 0VrefQsetBCtrlL2NPsetDGPoutDGQout*0.001PoutQoutPiniExciter_(AC8B)Ef0EfEf0 EfIfVT3DG40kVAIT ATeTmVTIT 3Ifw Tm Tm0BCABCRMS3 PhaseVrm sBRKABCRated voltage: 0.4 kVABCTIME 1S2MS / Hout inhold1BRKL2NTIME1L2NKuva 129. Generaattorimallin rakenneGeneraattorien nimellisjännite on 0,4 kV ja taajuus 50 Hz.Generaattorimallit eivät sisällä voimakonemallia, vaan ne pyörivät vakiomomentilla,joka määräytyy automaattisesti mallin ylösajossa. Mallissa on säädin, jolla voidaan asetellaylösajossa tavoitteena oleva teho.Mallissa on PSCAD master-kirjastosta löytyvä jännitteensäätäjä. Mallia voidaan ajaajoko suoraan jännitesäädöllä tai yksinkertaista loistehonsäätöä käyttäen.6.3 PWM-VAIHTOSUUNTAAJAYleiskäyttöinen PWM-vaihtosuuntaajaan perustuva voimalaitosmalli kehitettiin COD-GUNet hankkeessa käytetyn mallin pohjalta. Kyseisellä mallilla kuvattiin mikroturbiinia[4], mutta koska mallissa primäärienergian lähteenä on pelkkä tasajännitelähde, voidaanajatella, että malli on yleiskäyttöinen ja soveltuu myös esim. aurinkovoimalaitostensimulointiin.Simulointiympäristöä varten mallista tehtiin helposti käytettävä ja muokattava. Käytännössätämä tarkoittaa mm. sitä, että ohjauspiirit paketoitiin omiksi lohkoiksi (ks. kpl.3.4.1). Malli on aseteltavissa käymään halutulla teholla (näennäisteho) ja tehokertoimella.Suuntaajan nimellisteho on 120 kVA ja jännite 0,4 kV. Tarvittaessa nämä arvot voi-Simulointiympäristö – Loppuraportti 108

**daan vaihtaa haluttuihin arvoihin, jos esim. halutaan simuloida tilannetta, jossa verkonjännite on joku muu.120.0SratedRated power (kVA)Vrated0.4Rated voltage (L-L, kV)2.0IdcT12g_RpD12g_SpT3D32g_TpT5D5PQVrmsRMS3 PhaseSqrt (2)* NN/DSqrt (3) D0.002VVdc_measBRK0.0014 Va A0.0014 Vb B0.0014 Vc CIavIbvIcvABCAA0.5 [MVA]BB#2 #1C 0.4 20.0 CABCT42g_RnD4T6D6T2D222g_Sng_Tn1BRKVdc_measIdcIav*IbaseInverter is turnedon at time 0.1 s*Srated*I_actPsetNSratedN/DNN/D1000.0*NN/DIbaseDVaVbVaVbPLLthetaIbvIcv*Ibase*Ibase123TIMEOnSratedSqrt (3)DDSqrt (2)VcVcOng_Rpg_RpArcCosSin***I_reactQsetVratedVrmsI_react ACtrl = 1BIq0.0CtrlIpthetaCurrentreferenceI_refI_meaCurrentV_refControllerV_refPWMg_Rng_Spg_Sng_Rng_SpQset *0.001QD + -G F1 + sTIPdteOnI_act ACtrl = 1B0.0CtrlSwFreq3000.0Switching freq.g_Tpg_Tng_Sng_Tpg_TnOnKuva 130. PWM-vaihtosuuntaajaan perustuva voimalaitosmalli7 MALLIEN TOTEUTUS DIGSILENT YMPÄRIS-TÖSSÄOsasta toteutetuista PSCAD malleista tehtiin vastaavat verkko- ja voimalaitosmallitDIgSILENT ohjelmaa käyttäen. DIgSILENT malleja on tarkoitus hyödyntää jatkotutkimuksissaja myös opetuksessa. DIgSILENT PowerFactory on Saksassa kehitetty sähköverkkojensimulointi- ja laskentaohjelma. Tässä hankkeessa käytettiin simulointiohjelmanversiota 13. Nimi DIgSILENT tulee kirjaimista “DIgital SImuLation and ElectricalNeTwork calculations program”.7.1 AURINKOVOIMALAITOSMALLIDIgSILENTissä yhdistetty aurinkovoimalaitos- ja verkkomalli on toteutettu yksiviivaesityksenä,koska käytettävissä ei ole PSCADin esitystapaa, jossa kukin vaihe on esitettyerikseen. Toteutettu malli sisältää tasasähkölähteet (jännite ja virta), vaihtosuuntaajansekä vaihtosähköverkon, johon on syöttö myös ulkoisesta verkosta. Verkkomalli vastaaPSCADillä toteutettua keskijänniteavojohtoverkon mallia.Vaihtosuuntaajan pätö- ja loisteho ovat säädettävissä haluttuihin arvoihin. Yliaaltolähteinamallissa ovat vaihtosuuntaaja ja/tai kuormat. Mallissa ei ole yliaaltosuodinta. Mittauspaikatja komponenttien parametrit voidaan muokata tarpeen mukaisesti. MallinSimulointiympäristö – Loppuraportti 109

avulla voidaan tehdä tehonjako- ja oikosulkulaskelmia, suojauksien tarkistuksia, muutosilmiöidensimulointia sekä yliaaltojen määrien ja verkon taajuusvasteen laskentaa.Kuva 131. Aurinkovoimala- ja verkkomalli DIgSILENT ohjelmassa.7.1.1 Tehonjaon laskentaTehonjaon laskenta suoritetaan painamalla Calculate Load Flow painiketta. Tuloksenasaadaan tehot, jännitteet ja virrat mallin eri kohdista. Seuraavassa kuvassa on otettuesiin tehot ja tehokerroin 110 kV ulkoisen verkon kohdalla.Simulointiympäristö – Loppuraportti 110

Kuva 132. Tehonjaon laskenta.7.1.2 MuutosilmiötMuutosilmiöt voidaan simuloida tehonjakolaskennan jälkeen. Muutosilmiöiden vikatapahtumat(esim. oikosulut) ja katkaisijoiden tilamuutokset määritetään klikkaamallahiireen oikealla näppäimellä haluttua kiskoa tai johtoa ja valikosta valitaan Define sekäavautuvasta valikosta (jos kysymyksessä on johto) Control Switch … tai Short CircuitEvents. Avautuvasta ikkunasta annetaan arvot halutulle kohteelle valitsemalla ensinkohdetta vastaava rivi taulukossa jonka jälkeen Edit Object painikkeella avautuu määrittelyikkuna.Seuraavasta kuvasta nähdään katkaisijatapahtuman määrittelyikkunan.Simulointiympäristö – Loppuraportti 111

Kuva 133. Muutosilmiöiden määrittely.Suljetaan määrittelyikkunat ja valitaan Stability painikepalkki käyttöön ja painetaanCalculate Initial Condition painiketta. Valitaan seuraavassa kuvassa esitetystä ikkunastahaluttu simulointimetodi (Method of Simulation) ja painetaan Execute.Simulointiympäristö – Loppuraportti 112

Kuva 134. Alkuarvojen laskenta (Calculate Initial Conditions).Simulointi käynnistyy kun painetaan ensin Start Simulation painiketta ja sen jälkeenesiin tulevassa seuraavan kuvan esittämässä ikkunassa (Run Simulation) painetaan Executepainiketta.Kuva 135. Simuloinnin käynnistys.Valittuja muutosilmiöitä voidaan tarkkailla kuvaajista. Seuraavassa kuvassa ylärivissäkaksi ensimmäistä kuvaajaa ovat vaihtosuuntaajan d ja q akselien suuntaiset virrat sekäkolmas kuvaaja on suuntaajan vaihtojännitepuolen kiskon jännite suhteellisarvoina. Alarivistävoidaan samassa järjestyksessä nähdä loisteho, pätöteho ja vaihtosuuntaajan säätösignaali.Simulointiympäristö – Loppuraportti 113

Kuva 136. Muutosilmiöiden kuvaajat.Simulointiympäristö – Loppuraportti 114

7.1.3 YliaallotYliaaltovirtoja voidaan DIgSILENTissä määritellä kuormille ja vaihtosuuntaajille. Käytännössämäärittely tapahtuu seuraavassa kuvassa esitetyn taulukon avulla, jossa kullekinyliaaltokomponentille voidaan määritellä suuruudet ja vaihekulmat.Kuva 137. Kuorman yliaallot.Yliaaltolaskennan tulosten esittämiseksi kuvaajina määritellään haluttuun kiskoon taiverkonosaan tulostettavat muuttujat klikkaamalla kiskoa tai verkonosaa hiiren oikeallanäppäimellä ja valitsemalla Define -> Variable Set (Harmonics Load Flow) (ks. seur.kuva).Simulointiympäristö – Loppuraportti 115

Kuva 138. Tulostuksen määrittely.Kun tämän jälkeen valitaan esiin tulevasta taulukosta kohteena oleva objekti muokattavaksi(Edit) päästään seuraavassa kuvassa esitettyyn ikkunaan, josta voidaan valita tulostukseenmukaan otettavat suureet.Simulointiympäristö – Loppuraportti 116

Kuva 139. Tulostukseen tallennettavien suureiden valitseminen.Kun valitaan esimerkiksi Harmonics ja HD voidaan kuvaajasivulle (Virtual InstrumentPanel) luoda kyseisen yliaaltospektriä kuvaavan suureen tulostus kuten seuraavassakuvassa on tehty. Ennen kuin kuvan saa esille on tehtävä ao. laskenta, joka käynnistyypainamalla Calculate Harmonic Load Flow painiketta.Simulointiympäristö – Loppuraportti 117

Kuva 140. Yliaaltospektri (Unbalanced).7.1.4 Impedanssin taajuusvasteVerkon impedanssi taajuuden funktiona nähtynä tietyssä verkon pisteessä lasketaanvastaavalla tavalla kuin yliaallot edellisessä kappaleessa. Valitaan kohde tai paikka,tulostettavat impedanssit ja luodaan Virtual Instrument Panel, johon tehdään impedanssienkuvaajat. Tulostettavia suureita määritettäessä on valittava Variable Set (FrequencySweep). Laskenta käynnistyy painikkeella Calculate Impedance Frequency Characteristic.Seuraavassa kuvassa on esimerkki tuloksena saatavasta impedanssikäyrästä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 118

Kuva 141. Impedanssin kuvaaja.7.2 TUULIVOIMALAITOSMALLIDIgSILENTissä yhdistetty tuulivoimala- ja verkkomalli on toteutettu myös yksiviivaesityksenä.Malli sisältää tuulivoimalan epätahtigeneraattorin kytkettynä muuntajanvälityksellä samaan keskijänniteverkkomalliin jota käytettiin myös aurinkovoimalamallissa.Mallissa epätahtigeneraattorin rinnalla on myös kompensointikondensaattorin.Mallilla voidaan tehdä vastaavat laskelmat kuin aurinkovoimalamallillakin.Simulointiympäristö – Loppuraportti 119

Kuva 142. Tuulivoimala- ja verkkomalli DIgSILENT ohjelmassaTuuligeneraattorin jännite on 0,69 kV ja teho on 1,65 MW. Napapariluku on 2. Koneenparametrit on esitetty seuraavissa kuvissa.Simulointiympäristö – Loppuraportti 120

Kuva 143. Generaattorin parametrit (Basic Data).Simulointiympäristö – Loppuraportti 121

Kuva 144. Generaattorin parametrit (Load Flow).Tuulivoimalan teho voidaan laskentaa varten määritellä syöttämällä suoraan tuulen nopeus.Generaattorin teho määräytyy tällöin ennalta määritetyn tehokäyrän perusteella(ks. seur. kuva).Kuva 145. Tehokäyrä.Simulointiympäristö – Loppuraportti 122

7.3 YHTEENVETOTässä projektiosuudessa keskijänniteverkkoon liitetty aurinkovoimalamalli oli ensimmäinenDIgSILENT ohjelmalla luotu malli. Komponenttien parametrit voidaan vaihtaatarpeen mukaisesti joten samaa mallia voi soveltaa esim. maakaapeliverkolle. Toisenatoteutettuna mallina esiteltiin tuulivoimalan malli.Tämän työn myötä saadun lyhyen kokemuksen perusteella DIgSILENT on erittäin monipuolinenmutta käyttäjäystävällinen simulointiohjelma. DIgSILENT sisältää kattavankomponenttikirjaston ja myös omia komponentteja voidaan luoda.Tässä projektiosuudessa oli tarkoitus kehittää DIgSILENT-malleja myös muille voimalaitostyypeille.Seuraavana vuorossa olivat suunnitelmien mukaan diesel- ja vesivoimalanmallit. Projektin päättyessä dieselvoimalaitosmalli oli vielä työn alla. Primääripuolenosalta malli oli valmis, mutta osa säätäjistä oli vielä kesken. Kesken jääneet osuudettehtäneen loppuun mahdollisen jatkohankkeen puitteissa.8 SIMULOINTIYMPÄRISTÖN DOKUMENTOINTI JATESTAUSSimulointiympäristön kaikki mallien toiminta pyrittiin jo kehitysvaiheessa testaamaanmahdollisimman kattavasti. Suomalaisilla keskijänniteverkkomalleilla on ajettu testiajot,joissa PSCAD:n multirun ominaisuuden avulla on käyty yhdellä kertaa läpi kaikkivikatilanteen. Näissä ajoissa on katsottu että verkon suojaus toimii kaikissa tilanteissa.Verkkomallien konfiguroitavuuden vuoksi on kuitenkin ollut mahdoton ottaa huomioonkaikkia variaatioita, mitä verkkomallilla voi toteuttaa. Suomalaisia pienjänniteverkkomallejaei ole näin systemaattisesti testattu, mutta niitä on kuitenkin käytetty joSuojaus-hankkeessa, jossa ne on todettu toimiviksi. Ulkomaisten verkkomallien osaltamalleista on olemassa vasta ensimmäiset versiot, joissa kaikkia vikatilanteita ei ole vieläkäyty systemaattisesti läpi.Generaattorimallit on testattu vähintään jonkinlaisessa testipenkissä, mikä tarkoittaa,että niitä on ajettu pelkkää jännitelähdettä vasten. Lähinnä tavoitteena on ollut että mallienylösajo tapahtuu toivotulla tavalla kaikkiin tehoarvoihin. Käytännössä jännitelähdeon vastannut tietyn oikosulkutehon omaavaa liityntäpistettä verkkoon.Suojarelemalleja on testattu sekä kehitysvaiheessa, että osana verkkomalleja. Poikkeuksenaon ainoastaan distanssirele, jota ei ole vielä testattu laajemmissa verkkomalleissa.Viimeisimpänä luotettavasti toimivaksi saatiin df/dt & vector shift -rele, jota on jo myöskäytetty Suojaus-hankkeessa.Simulointiympäristön dokumentointi on toteutettu kolmella tasolla. Ylimmän tasonmuodostavat projektin raportointi käytännössä tämä loppuraportti, jossa toteutettu simulointiympäristöon kuvattu yleisemmällä tasolla. Seuraavan tason muodostavat sittenmallikohtaiset dokumentit. Ne toimivat sekä yksityiskohtaisina mallikohtaisina kuvauk-Simulointiympäristö – Loppuraportti 123

sina sisältäen mm. tarkat tiedot mallien parametreista että käyttäjille suunnattuina ohjekirjasina.Niiden sisältö muodostuu tavallisesti seuraavista pääkohdista:• mallin rakenne• mallin käyttö• tekniset tiedot.Mallien parametrien osalta on pyritty jäljitettävyyteen, eli dokumentteihin on kirjattuparametrien lähde, jolloin ne ovat tarkistettavissa. Joiltain osin parametrit ovat vain"hyviä arvauksia", jolloin myös tämä on tuotu dokumenteissa ilmi. Näissä tapauksissakäyttäjän suositellaan ainakin tarkistavan parametrit, mikäli hänellä on parempaa tietoaparametrien arvoista.Alimman tason dokumentaatiosta muodostaa PSCAD-ympäristössä esitetty informaatio.Malleihin on pyritty lisäämään lisäinformaatiota sisältäviä tekstilaatikoita (sticky note).Lisäksi komponenttimalleille on laadittu erilliset help-tiedostot. Nämä avautuvat ainakyseiseen komponenttiin liittyvästä valikosta PSCAD:issä. Help-tiedostot ovat htmlmuotoisia,joten niitä voi katsella myös suoraan selaimella ilman PSCAD:iä. Tällä tasolladokumentaatio on poikkeuksellisesti englanniksi, koska ohjelmisto on englanninkielinenja käyttäjän näkymä on haluttu pitää tässä suhteessa yhtenäisenä.9 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSETTämän projektin aikana saatiin valmiiksi keskeisimmät osat tavoitteena olleesta simulointimallienkokoelmasta. Verkkomallien osalta suomalaiset verkkomallit ovat täysinvalmiit ja keskijänniteverkkomallien osalta myös dokumentoitu. Ulkomaisten verkkomallienosalta toteutettua saatiin vasta muutama keskijänniteverkon malli. Verkkomalleissakäytettävien suojareleiden kokoelmasta tuli tavoitteiden mukainen. Voimalaitosmallienosalta tavoitteena olleesta mallien skaalattavuudesta jouduttiin jossain määrinluopumaan ja toteutettu kokoelma sisältää pääosin erikoisia voimalaitoksia. Voimalaitostyyppienosalta kokoelmasta saatiin kuitenkin melko kattava. Etenkin erilaisia suuntaajatekniikkaahyödyntäviä ratkaisuja on kuitenkin olemassa sen verran suuri määräettä aivan kaikkia niitä ei mallikokoelma vielä kata vaikka otettaisiin huomioon mahdollisuusyhdistellä eri malleja. Suunnitelmissa olleita pelkällä jännitelähteellä kuvattujastaattisia voimalaitosmalleja ei toteutettu osin aikataulusyistä. Käytännössä tämäntyyppisillemalleille ei ole myöskään ilmennyt vielä tarvetta.Tälle projektille on vireillä jatkohanke, jossa keskeisin tavoite on saattaa kehitetty mallikokoelmasiihen pisteeseen, että eri tahot voivat vaivatta sitä hyödyntää. Tämä merkitseejonkin verran panostusta sekä uusien mallien kehittämiseen (mm. ulkomaiset verkkomallit)että dokumentoinnin täydentämiseen. Jatkohankkeessa on tarkoitus myös aktiivisestipyrkiä saamaan kehitetty simulointiympäristö muiden tahojen käyttöön.Simulointiympäristö – Loppuraportti 124

10 LÄHTEET[1] Lågland, H., Keskijänniteverkkojen analyysi mallintamista varten, diplomityö,Vaasan yliopisto, 2004[2] Andrieu, C., Caire, R., Tran-Quoc, T., Retiere, N., Hadjsaid, N., Martino, S., "CaseStudies on the Operating of 20 kV Distribution Network with Largescale Low-Voltage Dispersed Generators", CIRED 17 th International Conference on ElectricityDistribution, Barcelona, 12-15 May, 2003[3] Leino, J., Verkkohäiriöiden vaikutus tuulivoimalaitoksen toimintaan, diplomityö,TKK, Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto, 2003[4] Kauhaniemi, K. (ed.), CODGUNet WP4 - Technical analysis of network connectionof different types of generation units, Technobothnia, Vaasa, 22.04.2003[5] Hokkanen, M., Salminen, H.J., Vekara, V., A short review of models for gridconnecteddoubly-fed variable speed wind turbines, 2004 NORPIE conference,Trondheim[6] Hoffren, J., Tuulivoimalan aerodynamiikkaa, luennot, Ko-0.210 Tuulivoiman konetekniikka,TKK, Lentotekniikka, elokuu 2003[7] Mullane, A., Lightbody, G., Yacamini, R.,and Grimes, S., The simulation andcontrol of a grid connected variable speed wind turbine, National University ofIreland, Cork, Ireland, Department of Electrical Engineering[8] IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems,Part IV- Distribution, IEEE Std C62.92.4-1991, August 1992Simulointiympäristö – Loppuraportti 125

VVinDCdcC ur522g52g2362g32g6142g12g4LIITE 1Taulukko 1. Eritasoisten voimalaitosmallien toteutusperiaatteetTaso 1StaattinenmalliRyhmä 1.Tahtigeneraattoriin perustuvatvoimalaitoksetRRLCRRLBRRLARyhmä 2.Epätahtigeneraattoriinperustuvat voimalaitoksetRyhmä 3.Vaihtosuuntaajia hyödyntävätvoimalaitoksetMallinnus jännitelähteenä:• syöttää verkkoon pätötehon P• pitää napajännitteen asetellussa arvossa V (jännitesäätö) taituottaa/kuluttaa loistehon Q• tuottaa määrätynsuuruisen oikosulkuvirranTaso 2VakiotehoinendynaaminenmalliTeTmEf IfG02w Tm0.0ABCTahtikonemalli, joka pyöriivakionopeudella tuottaenvakiotehon.Magnetointi pidetään vakiona.Optio: jännitteen-säätäjämukana.1.041-1.0WS 1T0Ind_genEpätahtikoneen malli,jota pyöritetään vakionopeudella.Lisäksi kondensaattoreita,joilla loistehotase aseteltavissahaluttuun arvoon.ABC0.0250.0Vaihtosuuntaaja jossatasajännite-puolella tasajännitelähde.Toteutus erityyppisillämodulaatiotekniikoilla.Verkkoon syötettäväpätöteho säädettävissä,mahdollisesti myös loisteho.Taso 3Tarkka dynaaminenmalliVoltagecontrolEf0 Ef If VTAABB1MW_SMTeTmBCMultimassTe Wpu( IndM/c)TLWTeTL1.65 MW ABTLCWSTLab cI MABCPoutEnginecontrolDieselenginewTm Tm0Tahtikonemalli, johon onkytketty voimakone ja sensäätäjä. Myös jännitteensäätäjämukana.Optio: voimakone säätäjineenkorvataan pelkällävakiomomentilla.Optio: Akselilla olevienmassojen dynamiikka kuvataanPSCADin multimasskomponentilla.tm0*-0.921Epätahtikone-malli, jokapyörii voimakoneenmomentin perusteella.Myös voimakoneen säätömukana.Optio: Akselilla olevienmassojen dynamiikkakuvataan PSCADin multimass-komponentilla.Mallissa kuvattu myöskaikki järjestelmän osattasajännitepuolelta ainaprimäärienergialähteeseensaakka (esim.tasasuuntaaja, generaattori,aurinkokenno jne.).Myös säätäjät mukana.

LIITE 1Taulukko 2. Toteutettavat voimalaitostyypit (alkuperäinen suunnitelma)Taso 1StaattinenmalliTaso 2VakiotehoinendynaaminenmalliTaso 3Tarkka dynaaminenmalliRyhmä 1.Tahtigeneraattoriin perustuvatvoimalaitoksetYleinen tahtigeneraattoriinperustuva voimalaitosmalli:• tuottaa merkittävän oikosulkuvirran.Yleinen tahtigeneraattoriinperustuva voimalaitosmalli:• generaattorimalli, jossatyypilliset parametrit valituissateholuokissa(esim. 100 kW, 500 kW,1 MW 10 MW)• generaattorimallin parametrointitoteutettuniin, että tehoa (kokoluokansisällä) ja nimellis-jännitettävoidaanmuuttaa ilman että mallinkäytös merkittävästikärsiiMallinnettavat voimalaitostyypit:• dieselvoimalaitos• pieni vesivoimalaitos• höyryturpiinivoimalaitosRyhmä 2. EpätahtigeneraattoriinperustuvatvoimalaitoksetYleinen epätahtigeneraattoriinperustuvan voimalaitoksenmalli:• oikosulkuvirta riippuujännitteestäYleinen epätahtigeneraattoriinperustuvan voimalaitoksenmalli:• generaattorimallit erikokoluokkiin (kutentahtigeneraattorilla)Mallinnettavat voimalaitostyypit:• tuulivoimalaitos• pieni vesivoimalaitosRyhmä 3. Vaihtosuuntaajiahyödyntävät voimalaitoksetYleinen verkkoon syöttäväävaihtosuuntaajaakuvaava malli:• oikosulkuvirta vainvähän yli nimellisvirran.Optio: käytetään virtalähdettä,joka tuottaasuuntaajatyypille ominaisenspektrin (malli yliaaltojenleviämisen tutkimiseen)IGBT-siltana toteutettuvaihtosuuntaaja, jossatasajännitepuolella vakionapidettävä jännitelähde.Toteutetaan erimodulaatiotekniikat:• PWM• hystereesi• jne.Säädössä eri toteutustapoja:• vakiovirta• vakioteho• jne.Mallinnettavat voimalaitostyypit:• aurinkovoimalaitos• polttokennovoimalaitos• mikroturbiini• tuulivoimalaitos: ns.doubly-fed konsepti• tuulivoimalaitos:vaihtosuuntaaja +kestomagneettigeneraattori

ULKOMAISET KESKIJÄNNITEVERKKOMALLITLIITE 2Koodi (tiedostonimi)66 KV NETWORK-mvohl66_11_2x10or-mvohl66_11_1x10las-mvohl66_11_1x10s-mvcab66_11_2x16or-mvcab66_6,3_2x40las-mvcab66_6,3_2x40s-mvohl69_13_8_1x33or-mvohl69_13_8_1x33las-mvohl69_13_8_1x33s110 KV NETWORK-mvohl110_21_1x16or-mvohl110_21_1x16las-mvohl110_21_1x16s-mvcab110_10,5_2x50or-mvcab110_10,5_2x50las-mvcab110_10,5_2x50s-mvcab115_13,8_2x30or-mvohl115_13,8_2x16las-mvcab115_13,8_2x30las-mvcab115_13,8_2x30s135 KV NETWORK-mvohl135_22_2x16or-mvcab135_22_2x16or-mvohl135_22_1x16las-mvohl135_22_2x16s-mvcab135_11_2x16or-mvcab132_11_2x45las-mvcab132_11_2x45s-mvcab138_13,8_2x70or-mvcab138_13,8_2x70las-mvcab138_13,8_2x70s145 KV NETWORK-mvcab145_13,8_2x75or-mvcab145_13,8_2x75las-mvcab145_13,8_2x75sPääarvot Suojaus JohtolajiAikatauluU1, kV U2, kV U3, kV S1, MVA S2, kVA R/X Sähköasema LähdötValmiina Tarv. myöh.666666666666696969110110110110110110115115115115135135135135135132132138138138145145145111111116,36,313,813,813,821212110,510,510,513,813,813,813,82222222222111113,813,813,813,813,813,80,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,40,41010102x162x402x403333331616162x502x502x502x302x162x302x30161616162x162x452x452x702x702x702x752x752x7510010050080010005001001005001001005001000100050010008008005001008001005001000100050010001000500100010005000,20,20,20,10,10,10,20,20,20,20,20,20,10,10,10,10,20,10,10,20,10,20,20,10,10,10,10,10,10,10,10,151, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N51, 51N63 A51, 51N100 A40 A25 A63 A40 A25 A63 A40 A51, 51N51, 51N51, 51N 40 AOR=avoin rengasverkko (open ring), LAS=punosverkko (link arrangement system), S=satelliittiverkko (satellite)Al132Al_Fe 54_9 RavenAl_Fe 54_9 RavenNAKBA 3x240NAKRA3x240smNAKRA3x240smAL132AL132AL132Al_Fe 54_9 RavenAl_Fe 54_9 RavenAl_Fe 54_9 RavenNAKRA3x185smNAKRA3x185smNAKRA3x185smNA2XSEY3x185rmAL132NAEKBA 3x240NA2XSEY3x185rmAL132NAEKBA 3x240Al_Fe 54_9 RavenAL132_ RavenNAKRA3x185smNAKRA3x185smNAKRA3x185smNA2XSEY3x185rmNA2XSEY3x185rmNA2XSEY3x185rmNA2XSEY3x185rmNA2XSEY3x185rmNA2XSEY3x185rmXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX