Laajakaistamenetelmät varmistavat sähköverkon toiminnan keskellä tuotannon ja kulutuksen murrosta

Sähköverkkomme muodostuu suurista tahtigeneraattoreista, joiden tuottama energia kulutetaan suoraan verkkoon kytkeytyvissä laitteissa, kuten moottoreissa tai vastuksissa. Tämä rakenne on kuitenkin jäämässä historiaan, sillä 2000-luvun sähköverkossa sekä sähköntuotanto että sähkön kulutus ovat muuttumassa merkittävällä tavalla.

– Uudistuvaa sähköverkkoa muokkaa toisaalta uusiutuvan sähköenergiantuotannon, kuten tuuli- ja aurinkovoiman, yleistyminen. Samaan aikaan vastaavasti sähköä kulutetaan enenevissä määrin informaatioteknologian sovellutuksissa, Henrik Alenius kertoo.

Tulevaisuuden sähköverkossa kulutukselle ja tuotannolle on yhteistä tehoelektroninen verkkorajapinta, jonka avulla sähköenergiaa muokataan kunkin sovellutuksen vaatimaan muotoon. Esimerkiksi aurinkopaneelissa tuotettu tasavirta tulee muokata vaihtovirraksi ennen sähköverkkoon syöttämistä. Vastaavasti pilvipalvelut mahdollistavien datakeskusten elektroniikka toimii tasavirralla, jota saadaan kytkeytymällä sähköverkkoon tasasuuntaajan avulla.

– Tehoelektronisten rajapintojen nopea yleistyminen muuttaa sähköverkon dynamiikkaa perustavanlaatuisella tavalla. Tehoelektroniset laitteet, kuten vaihto- ja tasasuuntaajat, vuorovaikuttavat toistensa ja sähköverkon kanssa poikkeuksellisen laajalla taajuusalueella. Tämä altistaa sähköverkon häiriötoiminnalle tai jopa pahimmassa tapauksessa romahdukselle, mikäli verkon hallinta menetetään, Alenius sanoo.

Väitöskirjassaan Henrik Alenius esittelee menetelmiä tehoelektroniikkakeskeisen sähköverkon stabiiliuden tai toiminnan tarkasteluun. Menetelmät soveltuvat laajan taajuusalueen tarkasteluun. Lisäksi niitä voidaan soveltaa reaaliaikaiseen tarkasteluun hyödyntämällä laitteilla itsellään tuotettua mittausdataa.

– Menetelmä kykenee tarkasti ennustamaan mahdolliset haitalliset vuorovaikutukset jo suunnitteluvaiheessa. Siten sen avulla voidaan ennaltaehkäistä paremmin häiriötilanteita ja parantaa sähkön toimitusvarmuutta, Alenius sanoo.

Esitellyt laajakaistamenetelmät mahdollistavat myös aiempaa älykkäämmän sähköverkon hyödyntämisen. Siinä yksittäisten laitteiden on mahdollista mukautua sen hetkiseen toimintaympäristöön ja toisaalta verkon valvontaan voidaan tuottaa reaaliaikaista stabiiliustietoa.

– Stabiiliustarkastelumenetelmien yhtenä merkittävänä sovellutuksena on sähköverkkomme kantokyvyn varmistaminen uusiutuvalle sähköntuotannolle. Ilman tarkkoja menetelmiä vuorovaikutusten tunnistamiseen ja ennaltaehkäisyyn uusiutuvien energianlähteiden liittäminen sähköverkkoomme vaikeutuu verkon rajallisen kantokyvyn vuoksi. Näin uusiutuvan tuotannon kapasiteetti jää rajoitetuksi.

Diplomi-insinööri Henrik Aleniuksen tehoelektroniikan alaan kuuluva väitöskirja Broadband Methods for Stability Analysis of Multi-Parallel Grid-Connected Converters tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa perjantaina 1.10.2021 kello 12 Hervannan kampuksella Tietotalon auditoriossa TB109 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Väitöstilaisuuteen voi osallistua Panopto-etäyhteydellä. Vastaväittäjänä toimii professori Marko Hinkkanen Aalto-yliopistosta. Kustoksena toimii professori Tomi Roinila informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta.