Kirjoitin suprajohtavin kaapelein tehdystä SuperGrid verkkohaaveesta aiemmin.
Tämä nykyisin osattu ja siksi niin kovin epäseksikäs HVDC tekniikkaan perustuva systeemi on hieman erilaista. EU:ssa on kuitenkin juurikin tätä HVDC tekniikkaa pitkillä yhteyksillä. (Periaatteessa koko tuo keskinen manner-eurooppa on samaa taajuussäätöaluetta, mutta se koostuu silti useista erillisistä saarekkeista joita ei ole aivan pakko ajaa yhdessä.)
Teknisiä vaihtoehtoja on pari:
Tämä nykyisin osattu ja siksi niin kovin epäseksikäs HVDC tekniikkaan perustuva systeemi on hieman erilaista. EU:ssa on kuitenkin juurikin tätä HVDC tekniikkaa pitkillä yhteyksillä. (Periaatteessa koko tuo keskinen manner-eurooppa on samaa taajuussäätöaluetta, mutta se koostuu silti useista erillisistä saarekkeista joita ei ole aivan pakko ajaa yhdessä.)
Teknisiä vaihtoehtoja on pari:
- Line Commutated Converter High Voltage Direct Current
- Voltage Sourced Converter HVDC
LCC-HVDC on näistä vanhempaa tekniikkaa, mutta sen toteuttamiseen tarvittavat tyristorikytkimet ovat hyvin hallussa ja AC/DC muuntoaseman häviöt ovat luokkaa 0.8% per asema. Tekniikka kaipaa myös synkronointia ja ohjausparametreja siirtämään jatkuvan tiedonsiirtoyhteyden linkin päiden välillä.
VSC-HVDC on uudempaa, IGBT transistoreja käyttävää tekniikkaa ja mm. suuremman kytkentätaajuuden takia siinä on LCC:tä suuremmat häviöt: noin 2.0% per asema. Tämä ei tarvitse jatkuvaa tiedonsiirtoyhteyttä linkin päiden välillä, vaan tulee toimeen ilmankin. Lisäksi VSC kykenee syöttämään tehoa jopa pimeään verkkoon, mihin LCC ei pysty.
Suomella on kolme tasasähköyhteyttä:
Miksi pitkiä yhteyksiä kannattaa tehdä tasavirralla, eikä vaihtovirralla?
Tähän on syynä linjassa kulkevan vaihtovirran reagointi ympäristön ja kaapelin ominaisuuksien kanssa.
Tämä reagointi on pitkittäisen kaapelin ominaisinduktanssin ja kaapelista sen naapureihin/ympäristöön olevien kapasitanssien vaikutusta. Kun suurjännitteisen vaihtovirran jännite muuttuu, kaapelin ja ympäristön välisen kapasitanssin sisältämä energia muuttuu. Tämä energiamuutos pitää syöttää jostakin ja se tunnetaan nimellä loisteho.
Loistehoa voidaan kompensoida sopivasti mitoitetuilla keloilla ja kondensaattoreilla (vaihtovirtatekniikassa termi: reaktanssi → laitenimi reaktori), jotka ovat resonanssissa 50 hertsillä linjan ominaiskapasitanssin kanssa. Käytännössä näitä kompensointisysteemejä tarvitaan vaihtosähköä siirtävillä meri- ja maakaapeleilla 50-70 km välein ja avolinjoilla 500-1000 km välein.
LCC-HVDC muuntoasema tuottaa yliaaltoja ja syö loistehoa noin puolet pätötehostaan, mutta onneksi molempia voidaan kompensoida erittäin korkealla hyötysuhteella tekemällä oikean kokoiset kelat ja kondensaattorit ilman että sitä energiaa pitää oikeasti tuottaa - pelkästään siirtää sitä hiukan ajallisesti.
Siinä missä vaihtovirtaverkko rajoittuu osittain linjaimpedanssin Z (noin 300 ohmia) ja jännitteen ansiosta: P = U2/Z, tasavirtalinkin ainoa rajoitus on linjan ohminen resistanssi. Puhutaankin termisestä rajasta: kuinka paljon systeemikomponenttien resistanssit saavat muuttaa virtaa lämmöksi. Tavallisesti rajoittava osa ei ole kaapeli, vaan linjan päissä olevat muuntimet.
Pääsääntönä voi pitää että kaikki isotehoiset merikaapelit ovat HVDC:tä. Muutamia poikkeuksiakin on: 130 kV AC linkki Ruotsista Ahvenanmaalle - se myös kenkkuilee kerran tai pari viikossa.
Jos Suomeen halutaan 2000 MW tuulivoimaa, joka tarkoittaa 30% optimistisella tehokkuuskertoimella joko että siitä saadaan noin 600 MW sähköä, tai että voimaloita pitää olla noin 6700 MW verran...
Huipputuulella (myrskyllä) systeemistä saadaan ulos 5000-6000 MW verran ja jos kaikki säätökelpoinen vesivoima on tuossa vaiheessa jo suljettu ja kulutusta ei ole riittävästi, silloin pitää joko alkaa sulkea tuulimyllyjä (eihän se käy!) tai sitten siirtää tehoa muualle, jossa on toivottavasti lisää suljettavissa olevaa säätövoimaa. Toisaalta viimeisen noin 10 vuoden aikana huippukuormatunnin aikana tuulituotantoa on ollut 4-40% asennetusta kapasiteetista — nykyinen muutama kymmenen MW asennettua kapasiteettia on käytännössä myös merkityksetön minkään kuorman palvelemiseksi.
Fenno-Skan ja Estlink -tyyppisiä yhteyksiä pitäisi olla ainakin 10 kertaa nykyinen määrä jotta tuulivoimaa saa laitettua verkkoon kaivattuja määriä vähemmin verkkostabiiliuden riskein. Niille tietysti kaveriksi järeitä pumppuvoimaloita. Suomen ja muidenkin maiden sisäisiä verkkoja pitää järeyttää että tällaiset isot ulkoiset siirtolinkit voivat ylipäätään toimia.
VSC-HVDC on uudempaa, IGBT transistoreja käyttävää tekniikkaa ja mm. suuremman kytkentätaajuuden takia siinä on LCC:tä suuremmat häviöt: noin 2.0% per asema. Tämä ei tarvitse jatkuvaa tiedonsiirtoyhteyttä linkin päiden välillä, vaan tulee toimeen ilmankin. Lisäksi VSC kykenee syöttämään tehoa jopa pimeään verkkoon, mihin LCC ei pysty.
Suomella on kolme tasasähköyhteyttä:
- Fenno-Skan (Rauma-Forsmark) LCC-HVDC n. 550 MW, 400 kV
- Estlink VSC-HVDC, 350 MW, 150 kV
- Viipuri LCC-HVDC, 4x 350 MW, 85 kV
Miksi pitkiä yhteyksiä kannattaa tehdä tasavirralla, eikä vaihtovirralla?
Tähän on syynä linjassa kulkevan vaihtovirran reagointi ympäristön ja kaapelin ominaisuuksien kanssa.
Tämä reagointi on pitkittäisen kaapelin ominaisinduktanssin ja kaapelista sen naapureihin/ympäristöön olevien kapasitanssien vaikutusta. Kun suurjännitteisen vaihtovirran jännite muuttuu, kaapelin ja ympäristön välisen kapasitanssin sisältämä energia muuttuu. Tämä energiamuutos pitää syöttää jostakin ja se tunnetaan nimellä loisteho.
Loistehoa voidaan kompensoida sopivasti mitoitetuilla keloilla ja kondensaattoreilla (vaihtovirtatekniikassa termi: reaktanssi → laitenimi reaktori), jotka ovat resonanssissa 50 hertsillä linjan ominaiskapasitanssin kanssa. Käytännössä näitä kompensointisysteemejä tarvitaan vaihtosähköä siirtävillä meri- ja maakaapeleilla 50-70 km välein ja avolinjoilla 500-1000 km välein.
LCC-HVDC muuntoasema tuottaa yliaaltoja ja syö loistehoa noin puolet pätötehostaan, mutta onneksi molempia voidaan kompensoida erittäin korkealla hyötysuhteella tekemällä oikean kokoiset kelat ja kondensaattorit ilman että sitä energiaa pitää oikeasti tuottaa - pelkästään siirtää sitä hiukan ajallisesti.
Siinä missä vaihtovirtaverkko rajoittuu osittain linjaimpedanssin Z (noin 300 ohmia) ja jännitteen ansiosta: P = U2/Z, tasavirtalinkin ainoa rajoitus on linjan ohminen resistanssi. Puhutaankin termisestä rajasta: kuinka paljon systeemikomponenttien resistanssit saavat muuttaa virtaa lämmöksi. Tavallisesti rajoittava osa ei ole kaapeli, vaan linjan päissä olevat muuntimet.
Pääsääntönä voi pitää että kaikki isotehoiset merikaapelit ovat HVDC:tä. Muutamia poikkeuksiakin on: 130 kV AC linkki Ruotsista Ahvenanmaalle - se myös kenkkuilee kerran tai pari viikossa.
Jos Suomeen halutaan 2000 MW tuulivoimaa, joka tarkoittaa 30% optimistisella tehokkuuskertoimella joko että siitä saadaan noin 600 MW sähköä, tai että voimaloita pitää olla noin 6700 MW verran...
Huipputuulella (myrskyllä) systeemistä saadaan ulos 5000-6000 MW verran ja jos kaikki säätökelpoinen vesivoima on tuossa vaiheessa jo suljettu ja kulutusta ei ole riittävästi, silloin pitää joko alkaa sulkea tuulimyllyjä (eihän se käy!) tai sitten siirtää tehoa muualle, jossa on toivottavasti lisää suljettavissa olevaa säätövoimaa. Toisaalta viimeisen noin 10 vuoden aikana huippukuormatunnin aikana tuulituotantoa on ollut 4-40% asennetusta kapasiteetista — nykyinen muutama kymmenen MW asennettua kapasiteettia on käytännössä myös merkityksetön minkään kuorman palvelemiseksi.
Fenno-Skan ja Estlink -tyyppisiä yhteyksiä pitäisi olla ainakin 10 kertaa nykyinen määrä jotta tuulivoimaa saa laitettua verkkoon kaivattuja määriä vähemmin verkkostabiiliuden riskein. Niille tietysti kaveriksi järeitä pumppuvoimaloita. Suomen ja muidenkin maiden sisäisiä verkkoja pitää järeyttää että tällaiset isot ulkoiset siirtolinkit voivat ylipäätään toimia.
- https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/s-18.3200/luennot Sähkönsiirtojärjestelmät 1
- https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/s-18.3201/luennot Sähkönsiirtojärjestelmät 2
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti