Uudet mallit ja uusi mittausmenetelmä helpottavat uusiutuvien energianlähteiden liittämistä sähköverkkoon

Jotta hiilidioksidipäästöjä saadaan vähennettyä, energiantuotannossa on siirryttävä uusiutuviin energialähteisiin. Monet uusiutuviin energialähteisiin perustuvat generaattorit tuottavat sähköä, jota ei voida syöttää sellaisenaan vaihtosähköverkkoon. Esimerkiksi aurinkopaneelien ja sähköverkon väliin kytketty aurinkovaihtosuuntaaja säätää tasavirtaa tuottavien aurinkopaneelien tehoa ja syöttää tuotetun tehon vaihtovirtana sähköverkkoon.

– Verkkoon kytkettyjen vaihtosuuntaajien määrän kasvaessa laitteiden välinen vuorovaikutus voi johtaa sähköjärjestelmän epästabiiliuteen. Ongelma voidaan kuitenkin välttää suunnittelu- ja käyttöönottovaiheissa säätösuunnittelulla, joka perustuu mallintamiseen sekä taajuustason mittauksiin sähköverkosta ja laitteista, Matias Berg sanoo.

Perinteinen vaihtosuuntaajien säätösuunnittelu perustuu lineaarisiin malleihin ja oletukseen järjestelmän riittävästä lineaarisuudesta toimintapisteessä. Yleisesti järjestelmä tulee mallintaa ja mitata oikeassa toimintapisteessä, mutta tyhjäkäynnissä, jossa vaihtosuuntaaja ei syötä tehoa, vaihtosuuntaaja muuttuu merkittävästi epälineaariseksi. Epälineaarisuus näkyy vaimennuksena, joka voi poistaa vaihtosuuntaajan suotimen resonanssista huipun, joka on normaalisti potentiaalinen epästabiiliuden aiheuttaja. Mittaus voikin antaa ylioptimistisen kuvan vaihtosuuntaajaan stabiiliusvaroista, ja tyhjäkäynnissä tehty mittaus ei vastaa perinteistä lineaarista mallia. Berg kehitti väitöstutkimuksessaan taajuustason mallin vaihtosuuntaajaan epälineaariselle käyttäytymiselle tyhjäkäynnissä.

– Vastaan tutkimuksessani myös kysymykseen, miten kolmivaiheisen sähköverkon paikallinen dynamiikka voidaan mitata nopeasti ja tarkasti käyttäen vaihtosuuntaajaa. Kolmivaiheisen sähköverkon mittaamiseen haasteellisuutta tuo laajasti käytetyn synkronisen koordinaatiston kanavat, joiden välillä on ristikkäisvaikutus. Käyttämäni mittausmenetelmä perustuu mittauksessa käytettyjen laajakaistaherätesignaalien ominaisuuksien hyödyntämiseen mittausdatan jälkiprosessoinnissa, Berg kertoo.

– Kehitetyillä malleilla ja menetelmillä voidaan ymmärtää ja ehkäistä uusiutuvaa energiaa prosessoivien vaihtosuuntaajien ja kuluttajien sähkölaitteiden välisiä haitallisia vuorovaikutuksia, mikä mahdollistaa sähköverkkoon syötettävän uusiutuvan energian määrän lisäämisen, Berg jatkaa.

Diplomi-insinööri Matias Bergin sähkötekniikan alaan kuuluva väitöskirja Deadtime Effect and Impedance Coupling in Dynamic Analysis of Grid-Connected Inverters tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa 24.9.2021 klo 12.00 Hervannan kampuksella, Sähkötalon salissa S4, (Korkeakoulunkatu 3, Tampere). Vastaväittäjänä toimii Associate Professor Pasi Peltoniemi LUT-yliopistosta. Kustoksena toimii Assistant Professor Tomi Roinila.