MIKA LÖTJÖNEN SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUKSEN OHJAUS
MIKA LÖTJÖNEN SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUKSEN OHJAUS SÄHKÖVOIMAJÄRJESTELMÄN VAKAUTUSRESERVINÄ Diplomityö Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 12. elokuuta 2015 ii TIIVISTELMÄ MIKA LÖTJÖNEN: Sähköajoneuvojen latauksen ohjaus sähkövoimajärjestelmän vakautusreservinä Tampereen teknillinen yliopisto Diplomityö, 85 sivua Lokakuu 2015 Sähkötekniikan koulutusohjelma Pääaine: Tehoelektroniikan sähkökäytöt Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Avainsanat: taajuus, lataus, ohjaus, sähköajoneuvo, reservi, vakautusreservi, häiriöreservi, voimajärjestelmä Sähköajoneuvojen, niiden latauslaitteiden ja muun ohjattavan kuormituksen määrä jakeluverkoissa on kasvanut. Sähköajoneuvojen voimajärjestelmävaikutuksia ei juuri ole tutkittu, koska sähköajoneuvokanta on pieni. Tuotantokapasiteettia, kuten tuulivoimalaitoksia ja aurinkovoimaloita on liittynyt entistä enemmän verkkoon, ja ne eivät suoraan osallistu taajuuden säätöön. Toisaalta uutta taajuudensäätöön osallistuvaa vesivoimaa ei juurikaan rakenneta, vaan vesivoimakapasiteetin on ennustettu säilyvän lähes ennallaan. Kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj vastaa Suomessa taajuudensäädöstä. Taajuudensäätö tapahtuu taajuuden vakautus- ja palautusreservien avulla. Vakautusreservit jakautuvat taajuusohjattuihin käyttö- ja häiriöreserveihin. Käyttöreservien avulla taajuus pyritään pitämään normaalialueella 49,9 Hz - 50,1 Hz ja häiriöreserveillä vähintään arvossa 49,5 Hz. Suomessa taajuushäiriöistä on selvitty reservien avulla. Työssä sähköajoneuvon latauksen voimajärjestelmävaikutuksia on tarkasteltu vakautusreservien näkökulmasta. Lisäksi on tarkasteltu standardien asettamia vaatimuksia sähköajoneuvon lataukselle ja erilaisia latausratkaisuja pistokelatauksen, virroitinlatauksen ja langattoman latauksen osalta. Myös sähköajoneuvojen latauskäyttäytymistä, latauksen saatavuutta, hinnoittelua, akkuja ja lataustehoja on tarkasteltu. Työtä varten käytettävissä on verkkoekvivalentti, joka kuvaa yleisellä tasolla Suomen, Ruotsin ja Norjan siirtoverkkojen rakennetta. Ekvivalentista on erotettu ja päivitetty Suomea edustava osa siten, että mallia on voitu hyödyntää taajuushäiriötarkasteluissa. Lisäksi tehonjako- ja oikosulkulaskennan tuloksien avulla on rakennettu keski- ja pienjännitejakeluverkkolähtöjä. Työssä sähköajoneuvojen latauksen yhteisvaikutus voimajärjestelmään on mallinnettu kolmivaiheisella suuritehoisella tasasuuntaajalla. Sähköajoneuvojen aggregoidun latauslaitemallin pätötehoa on ohjattu taajuusmittaukseen perustuen. Taajuusohjattavien latauslaitteiden yhteisvaikutusta on tarkasteltu konseptitasolla siten, että ladattavia sähköajoneuvoja on noin 200 000 – 500 000 kpl. Käytännössä näin suurta sähköajoneuvokantaa ei ole, vaan ohjauksen on voitu ajatella mallintavan myös muiden ohjattavien kuormien voimajärjestelmävaikutuksia reserveinä. Sähköajoneuvojen latauslaitteiden yhteistoimintaa voimajärjestelmän taajuusohjattavana reservinä on mallinnettu ja tuloksia on verrattu ohjaamattoman kuormituksen käyttötapauksiin. Aggregoidulla sähköajoneuvojen latauksen taajuusohjauksella on mahdollista vaikuttaa esimerkiksi generaattorivian jälkeiseen taajuusminimin arvoon ja sen saavuttamishetkeen pienentävästi. iii ABSTRACT MIKA LÖTJÖNEN: Electric vehicle charging control as a power system frequency containment reserve Tampere University of Technology Master of Science Thesis, 85 pages October 2015 Master’s Degree Programme in Electrical Engineering Major: Power electronics Examiner: Professor Pertti Järventausta Keywords: reserve, frequency, charging, electric vehicle, frequency containment, grid The amount of electric vehicles, electric vehicle charging systems and controllable loads has increased in recent years. More wind power capacity and other intermittent renewables (i.e solar power) is connected to the grid. Wind power and solar power do not directly participate in the frequency control of the power system. Moreover, there is no significant need to increase capacity of hydro power generation which participates at present in the frequency control in the grid. In this thesis power system reserves of Finland are reviewed. Power system reserves are divided to frequency containment and frequency restoration reserves. During normal operation frequency is kept between 49.9 – 50.1 Hz and under disturbances frequency is kept above 49.5 Hz via reserves. Currently the frequency is controlled during disturbances via load shedding and hydro power generation and other power reserves. In this thesis electric vehicle charging as frequency containment reserve is studied. Electric charging via plug-in, pantograph and wireless power transfer is studied and charging standards, customer charging behavior, availability of the charging capacity and the impacts of pricing are discussed. Lithium-ion batteries and the potential of vehicle-to-grid (V2G) operation are discussed. The power system model utilized in this thesis is based on the Nordic grid equivalent received from Fingrid Oyj, the transmission system operator of Finland. Models of distribution network models are built based on power flow and short circuit data received from Tampereen Sähkölaitos Oy, the distribution system operator of Tampere. In this thesis the aggregated electric vehicle charging is modelled as high power three phase converters. The impacts of frequency controlled charging as a power system reserve are studied via case studies. In the situation where the penetration level of electric vehicles is high the frequency minimum is increased and duration until frequency minimum is reduced in the power system when there is a generator disturbance. The aggregated model may be able to represent other controllable loads as well since currently such reserve capacity of electric vehicles does not exist. Based on the case studies electric vehicle charging has potential as a power system reserve. However power system reserves such as load shedding and hydro power generation should still be utilized since loads that are behind power electronics cannot replace the high inertia of hydro power machines totally. iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähkötekniikan laitokselle osana eCharge-työpakettia. Työpaketti on osa laajempaa sähköajoneuvoihin liittyvää Tekesin rahoittamaa sähköajoneuvoihin liittyvää ECV-projektia. Työ on tehty tammi- ja lokakuun välisenä aikana. Työssä on hyödynnetty Simulink- ja PSCAD-ohjelmistoja. Haluan kiittää professori Pertti Järventaustaa mielenkiintoisesta diplomityön aiheesta, työn ohjaamisesta, tarkastamisesta ja kommenteista työn aikana. Kiitokset Fingrid Oyj:lle siirtoverkkoekvivalentin toimittamisesta. Haluan kiittää Tampereen Sähkölaitos Oy:n Jussi Järvistä ja Petri Sihvoa jakeluverkkolähtöjen tehonjako- ja oikosulkulaskennan tuloksien toimittamisesta ja tuloksien kommentoinnista. Lopuksi haluan kiittää DI Antti Rautiaista ja Fingrid Oyj:n Tuomas Rauhalaa hyvistä kommenteista työn loppuvaiheilla. 23.9.2015. Tampere Mika Lötjönen v SISÄLLYS Tiivistelmä .................................................................................................................... ii Abstract ....................................................................................................................... iii Lyhenteet ja merkinnät................................................................................................ vii 1 Johdanto ................................................................................................................ 1 2 Sähköajoneuvot ja niiden lataus............................................................................. 4 2.1 Sähköajoneuvojen latausjärjestelmien verkkoliityntä ..................................... 4 2.1.1 Sähkön laatu liityntäpisteessä............................................................ 4 2.1.2 Verkkoliitynnän vaatimukset ............................................................ 5 2.2 Sähköajoneuvon latauksen perusrakenne ..................................................... 10 2.2.1 Sähköajoneuvon rakenne ja toiminta ............................................... 10 2.2.2 Sähköbussien rakenne ja lataus ....................................................... 11 2.2.3 Langaton lataus............................................................................... 13 2.2.4 Sähköajoneuvojen akut ja energiavarastot ....................................... 15 2.2.5 Latauskäyttäytyminen ja lataustapahtumat ...................................... 19 3 Sähkövoimajärjestelmän taajuusohjattavat reservit .............................................. 24 3.1 Sähkövoimajärjestelmän stabiilisuus............................................................ 24 3.1.1 Tahtigeneraattorit ........................................................................... 25 3.1.2 Tuulivoima ja aurinkoenergia verkon reserveinä ............................. 26 3.2 Taajuusohjattavat reservilajit ....................................................................... 28 3.2.1 Taajuusohjattavat reservit ............................................................... 30 3.2.2 Taajuushäiriöt kantaverkossa .......................................................... 30 4 Sähköajoneuvojen latauslaitteiden simulointimalli .............................................. 32 4.1 Sähköajoneuvon latauslaitteiden suuntaajat ................................................. 32 4.1.1 Kolmivaiheiset suuntaajat ............................................................... 32 4.1.2 Vaihtosuuntaajan modulointimenetelmät ja säätö ............................ 35 4.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen mallintaminen .............................................. 36 4.2.1 Tilaesitys ........................................................................................ 36 4.2.2 Koordinaatiston muunnos ............................................................... 37 4.2.3 Kolmivaiheisen kaksitasoisen virtasyöttöisen vaihtosuuntaajan piensignaalimalli ......................................................................................... 38 4.2.4 Vaihtosuuntaajamallin rakenne ....................................................... 45 4.2.5 Suuntaajamallin toiminnan verifioiminen........................................ 49 5 Verkkomallit ja latauksen taajuusohjauksen simulointimalli ................................ 52 5.1 Verkkomallit ............................................................................................... 52 5.1.1 Kantaverkko ................................................................................... 52 5.1.2 Keskijännitejakeluverkko ............................................................... 54 5.1.3 Pienjännitejakeluverkko .................................................................. 55 5.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjaus ............................................... 56 5.2.1 Taajuuden mittaus .......................................................................... 56 vi 5.2.2 Sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus ........................................ 59 6 Taajuusohjattavan latausjärjestelmän simulointitulokset ...................................... 61 6.1 Taajuusohjattavat sähköajoneuvojen latauslaitteet vakautusreservinä ........... 61 6.1.1 Ohjaamaton kuormitus – case 1 ...................................................... 62 6.1.2 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 2............................ 65 6.1.3 Ohjaamaton kuormitus – case 3 ...................................................... 69 6.1.4 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 4............................ 70 6.1.5 Ohjaamaton kuormitus – case 5 ...................................................... 71 6.1.6 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 6............................ 72 6.2 Tulosten arviointi ........................................................................................ 73 7 Yhteenveto .......................................................................................................... 77 Lähteet ........................................................................................................................ 78 vii LYHENTEET JA MERKINNÄT LYHENTEET AC engl. alternating current, vaihtovirta BMS engl. battery management system, akunhallintajärjestelmä CAN engl. controller area network, automaatioväylästandardi CCS engl. combined charging standard, pistokelatauksen standardi DC engl. direct current, tasavirta DC/AC vaihtosuuntaaja DC/DC tasajännitemuuttaja DFIG engl. doubly fed induction generation, kaksoissyötetty induktiogenaattori DFT engl. discrete Fourier transform, diskreetti Fourier-muunnos DI diplomi-insinööri FACTS engl. flexible alternating current transmission system, tehoelektroniikkaan tai muuhun staattiseen laitteistoon perustuva järjestelmä FFT engl. fast Fourier transform, Fourier-muunnos FCR engl. frequency containment reserve, taajuuden vakautusreservi FRR engl. frequency restoration reserve, taajuuden palautusreservi HVDC engl. high voltage direct current, suurjännitteinen tasasähköyhteys IEC International Electrotechnical Commission, kansainvälinen standardointikomitea KJ keskijännite MSc engl. Master of Science, diplomi-insinööri NEDC engl. New European Drive Cycle, ajoneuvon ajosykli PF engl. power factor, tehokerroin PFC engl. power factor correction, loistehon minimointi tehokertoimen avulla PJ pienjännite PLL engl. phase locked loop, vaihelukittu silmukka PMSG engl. permanent magnet synchronous generator, kestomagnetoitu tahtigeneraattori PWM engl. pulse width modulation, pulssinleveysmodulaatio RR engl. replacement reserve, korvaava reservi SFS Suomen Standardisoimisliitto SFS ry SOC engl. state of charge, akun varaustila SRF-PLL engl. synchronous reference phase locked loop, synkronisen koordinaatiston vaihelukittu silmukka SPWM engl. sinusoidal pulse width modulation, sinimuotoinen PWM SVPWM engl. space vector pulse width modulation, tilavektorimodulointi THD engl. total harmonic distortion, kokonaisharmoninen särö TTY Tampereen teknillinen yliopisto U.S engl. United States of America, Yhdysvallat viii US DOE V2G United States Department of Energy engl. vehicle-to-grid, tehon syöttö sähköajoneuvon akulta verkkoon päin MERKINNÄT vaihelukitun silmukan kulman ohjearvo virran ja jännitteen välinen vaihe-ero δ roottorin kulmaero suhteessa synkroniseen koordinaatistoon vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen arvo vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen ohjearvo verkon kulmataajuus vaihelukitun silmukan kulmanmuutoksen arvo systeemimatriisi sisäänmenomatriisi tilojen kerroinmatriisi, tasajännitelähteen rinnalla oleva kapasitanssi tasajännitelähteen rinnalla oleva kapasitanssi differentiaalioperaattori pulssisuhteen -komponentti pulssisuhteen -komponentti pulssisuhteen d-komponentti pulssisuhteen linearisoitu d-komponentti pulssisuhteen q-komponentti pulssisuhteen linearisoitu q-komponentti _ _ pulssisuhteen vaiheen a arvo pulssisuhteen vaiheen b arvo pulssisuhteen vaiheen c arvo sisäänmenojen kerroinmatriisi pulssisuhteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo pulssisuhteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo pulssisuhteen nollakomponentin jatkuvan tilan arvo Neperin luku taajuus vaihelukitun silmukan suodatettu taajuusmittaus vaihtosuuntaajan verkkojännitteiden alipäästösuodattimen rajataajuus vaihtosuuntaajan virtamittausten alipäästösuodattimen rajataajuus taajuusohjauksen alempi minimiraja taajuudelle taajuusohjauksen ylempi minimiraja taajuudelle vaihtosuuntaajan PLL-säätimen siirtofunktion napa nimellistaajuus vaihtosuuntaajan PWM:n kytkentätaajuus ix vaihtosuuntaajan virran d-komponentin säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan PLL-säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan virran q-komponentin säätimen siirtofunktion nolla vaihtosuuntaajan jännitesäätimen siirtofunktion nolla siirtofunktiomatriisi vaihtosuuntaajan virran d-komponentin säädin vaihtosuuntaajan virran q-komponentin säädin vaihtosuuntaajan tasajännitesäätimen siirtofunktio jännitteiden myötäkytkennän d-komponentin siirtofunktio jännitteiden myötäkytkennän q-komponentin siirtofunktio tahtigeneraattorin inertia virtasäätimen mittauksen d-komponentin vahvistus virtasäätimen mittauksen q-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan kondensaattorin virta vaihtosuuntaajan tasavirta ̇ 〈 〉 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〈 ̇ ̇ 〈 〈 〈 ̇ 〉 〉 〉 〉 〉 〉 〉 〉 〉 〉 vaihtosuuntaajan linearisoitu tasavirta vaihtosuuntaajan tasavirran keskiarvo kelavirtojen -komponentit tilavektorimuodossa kelavirtojen dq-komponentit tilavektorimuodossa vaihtosuuntaajan kelavirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan kelavirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulovirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulovirran -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa a vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa a vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa b vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa b vaihtosuuntaajan kelavirta vaiheessa c vaihtosuuntaajan kelavirran keskiarvo vaiheessa c vaihtosuuntaajan kelavirran linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan kelavirran linearisoitu q-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa a vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa a vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa b vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa b vaihtosuuntaajan ulostulovirta vaiheessa c vaihtosuuntaajan ulostulovirran keskiarvo vaiheessa d vaihtosuuntaajan ulostulovirran d-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran d-komponentin asetusarvo x vaihtosuuntaajan ulostulovirran q-komponentti ̇ vaihtosuuntaajan ulostulovirran linearisoitu q-komponentti vaihtosuuntaajan ulostulovirran q-komponentin asetusarvo vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien virta vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien virran keskiarvo vaihtosuuntaajan kytkinkomponenttien linearisoitu virta yksikkömatriisi vaihtosuuntaajaan sisäänmenovirran jatkuvan tilan arvo virran perusaallon j monikerta 〈 〉 ̇ kelavirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo kelavirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo verkkovirran jatkuvan tilan d-komponentin arvo verkkovirran jatkuvan tilan q-komponentin arvo virran perusaalto vaihtosuuntaajan virtasäätimen d-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan virtasäätimen q-komponentin vahvistus vaihtosuuntaajan PLL:n vahvistus vaihtosuuntaajan jännitesäätimen vahvistus vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa a vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa b vaihtosuuntaajan suodattimen induktanssi vaiheessa c tahtigeneraattorin sähköteho vaihtosuuntaajan verkosta ottama teho ilman suodatinta vaihtosuuntaajan verkosta ottama teho suodattimen kanssa taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen tehon asetusarvo taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen taajuusohjatun tehon maksimi taajuusohjatun sähköajoneuvon latauksen taajuusohjatun tehon minimi → mekaaninen teho sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksen nimellisteho sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksen apumuuttuja vaihtosuuntaajan ekvivalenttinen resistanssi vaihtosuuntaajan kelan resistanssi vaihtosuuntaajan kytkinkomponentin johtavan tilan resistanssi Laplace-muuttuja aika reservien toiminta-aika Clarken muunnos tilaesityksen sisäänmenovektori aikatasossa vaihtosuuntaajan vaihejännite a xi 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〉 〉 〉 〉 〉 〉 〉 vaihtosuuntaajan vaihejännitteen a keskiarvo vaihtosuuntaajan vaihejännite b vaihtosuuntaajan vaihejännitteen b keskiarvo vaihtosuuntaajan kondensaattorin tasajännite vaihtosuuntaajan kondensaattorin tasajännitteen keskiarvo vaihtosuuntaajan tasajännitepuolen kondensaattorin linearisoitu jännite vaihtosuuntaajan vaihejännite b vaihtosuuntaajan vaihejännitteen c keskiarvo vaihtosuuntaajan tasajännite vaihtosuuntaajan linearisoitu tasajännite vaihtosuuntaajan jännite napojen n ja N välillä vaihtosuuntaajan jännitteen keskiarvo napojen n ja N välillä vaihtosuuntaajan ulostulojännitteen -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan ulostulojännitteen -komponentin keskiarvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen linearisoitu d-komponentti vaihtosuuntaajan verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo vaihtosuuntaajan verkkojännitteen linearisoitu q-komponentti tilaesityksen sisäänmenojen Laplace-esitys vaihtosuuntaajan tasajännitteen jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo verkkojännitteen q-komponentin jatkuvan tilan ohjearvo synkronisen koordinaatiston pyörimisnopeus tilaesityksen tilamuuttujavektori suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentti suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentti suureen suureen suureen suureen suureen vaihesuure a vaihesuure b vaihesuure c synkronisen koordinaatiston d-komponentti synkronisen koordinaatiston q-komponentti suureen stationäärisen koordinaatiston -komponentit tilavektorimuodossa suureen synkronisen koordinaatiston dq-komponentit tilavektorimuodossa suureen nollakomponentti tilamuuttujien Laplace-esitys ALAINDEKSIT harmonisen komponentin monikerta 1 1 JOHDANTO Suomen sähköajoneuvokanta on hyvin pieni verrattuna polttoainekäyttöisiin diesel- ja bensiiniajoneuvoihin. Sähköajoneuvojen määrä on ollut kuitenkin kasvussa viime vuosina. Sähköajoneuvoilla ei toistaiseksi ole koko maan kattavaa julkista latausinfrastruktuuria. Sähköajoneuvojen latauslaitteiden ja paikkojen vaatimuksia ei ole myöskään tarkkaan määritelty. Sähköajoneuvojen penetraatioasteella tarkoitetaan sähköajoneuvojen määrää suhteessa kaikkien ajoneuvojen määrään. Sähköajoneuvojen penetraatioasteen kasvaminen aiheuttaa lisäkuormaa sähköverkolle. Jos sähköajoneuvojen määrä tulevaisuudessa kasvaa merkittävästi niillä voidaan ajatella olevan vaikutusta sähkönjakeluverkkoon tai laajemmin kantaverkkoon. Huippukuormitukset todennäköisesti kasvavat henkilöajoneuvojen lataustapahtumien johdosta. Penetraatioasteen ollessa pieni myös verkkovaikutukset ovat pieniä. Suuren penetraatioasteen tapauksessa verkkoa joudutaan vahvistamaan. Sähköajoneuvojen latauslaitteet ottavat verkosta tehoa, jolla ladataan sähköajoneuvojen akkuja. Teoriassa sähköajoneuvojen akkuja voidaan hyödyntää energiavarastona, mikäli latauslaite mahdollistaa kaksisuuntaisen tehonsyötön. Kaksisuuntaisella tehonsyötöllä tarkoitetaan sitä, että tehoa voidaan siirtää myös verkkoon päin. Lataustavalla ja sen ajoituksella on merkitystä kuormituksen hallinnan kannalta. Ohjaamattomassa latauksessa sähköajoneuvon akkuja ladataan silloin, kun ne ovat kytkettyinä verkkoon. Hinnoittelun avulla, sähköajoneuvojen lataus voidaan ohjata huippukuormitusten ulkopuolelle. Siirto ja jakeluverkon kannalta kuormanhallinta on oleellista. Kuormituksen ja tuotannon halutaan pysyvän tasapainossa. Muuntajien huippukuormituksia voidaan hallita, mikäli sähköajoneuvojen lataustapahtumahetkeä voidaan hallita. Sähköajoneuvot eivät ole ainoa kuorma verkossa, joten niiden rinnalla huippukuormituksiin voidaan vaikuttaa ohjaamalla muuta kuormitusta, kuten lämmitys ja ilmastointilaitteita. Laajemmin ajateltuna sähköajoneuvojen latausta olisi mahdollista hyödyntää vakautusreservinä, mikäli sähköajoneuvoja on merkittävän paljon. Aikaisemmassa tutkimuksessa (Rautiainen et al. 2009) on tarkasteltu lämmityksen hyödyntämistä verkon taajuuden käyttöreservinä ja häiriöreservinä. Tutkimuksessa on tarkasteltu lämmittävän tehon ohjausta verkon taajuuden suhteen. Lämmitysteho ei riipu nykyään ohjaamattomana verkon taajuudesta, eikä lämmityslaitteita ole käytetty Suomessa taajuuden hallintaan. Perinteisesti lämmityslaitetta ohjataan siten että se kytketään päälle kun lämpötila laskee riittävän alas ja pois päältä kun lämpötila nousee tarpeeksi suureksi. Tutkimuksessa mainitaan että lämmityslaitteilla on kuitenkin poten- 2 tiaalia häiriöreservinä. Lämmityslaitteiden ohjausta tarkasteltiin siten, että lämmityslaite on joko päällä tai pois päältä. Tutkimuksessa lämmityslaitteita hyödynnettiin voimajärjestelmän häiriöreservinä. Lämpötilan asetusarvo määräytyi voimajärjestelmän taajuuden funktiona. Lämmityslaitteiden saatavuuden voimajärjestelmän reservinä mainittiin olevan voimakkaasti riippuvainen ulkoilman lämpötilasta. Lämpötilan ollessa tarpeeksi korkea, lämmityslaitteet eivät ole päällä. Toisessa tutkimuksessa (Härkönen 2011) tutkittiin sähköajoneuvon pikalatausta teknis-taloudellisesta näkökulmasta. Tutkimuksessa huomattiin että sähköajoneuvojen latauslaitteet poikkeavat paljon toisistaan verkkoon syötettyjen yliaaltojen perusteella. Verkkojännitteiden huomattiin olevan suhteellisen sinimäisiä, mutta virrat vastaavasti poikkesivat merkittävästi sinimuotoisista virroista. Tämän työn tavoitteena on selvittää sähköajoneuvon latauksen ohjauksen vaikutuksia sähkövoimajärjestelmään järjestelmän vakautusreservinä. Sähköajoneuvojen voimajärjestelmävaikutuksia ei ole juuri tutkittu, koska sähköajoneuvoja on toistaiseksi vähän. Ohjattavan kuormituksen ja tehoelektroniikan määrä jakeluverkoissa kuitenkin kasvaa. Aluksi työssä tarkastellaan sähköajoneuvon verkkoliitynnän vaatimuksia ja olemassa olevia latausstandardeja. Latausratkaisujen standardit ovat oleellisia sähköajoneuvojen yleistymisen kannalta. Sähköajoneuvoja ja niiden latauslaitteiden perusrakenteita tarkastellaan. Latausrakenteista käsitellään pistokelatausta, virroitinlatausta ja langatonta latausta. Pistokelataus on näistä lataustavoista yleisin. Toisaalta sähköajoneuvon lataustapahtumasta voidaan haluta mahdollisimman lyhyt, jolloin tarvitaan virroitinlatausta tai langatonta latausta. Virroitinlatauksella lataustapahtumat ovat lyhyempiä, koska siirtyvät tehot ovat suurempia. Langaton lataus on kehittynyt viime vuosina kilpailukykyisemmäksi johtumalla tapahtuvan latauksen kanssa. Latauskäyttäytymistä ja lataustapahtumia käsitellään. Lisäksi akkujen latausta käsitellään, koska se vaikuttaa jakeluverkoista otettuihin tehoihin. Akkujen hyödyntämistä energiavarastoina tarkastellaan tutkimusten avulla. Kolmannessa kappaleessa voimajärjestelmän dynamiikkaa taajuusvaihteluiden ja taajuushäiriöiden osalta tutkittavan voimajärjestelmän käyttäytymisen hahmottamiseksi. Uusiutuvien energialähteiden kapasiteettien oletetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, joten lisäksi esitellään tuulivoiman ja aurinkosähkön vaikutuksia voimajärjestelmän dynamiikkaan. Taajuuden säädöstä vastaa Suomessa kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj. Taajuuden säätö tarkoittaa tehotasapainon ylläpitoa tuotannon ja kuormituksen välillä. Taajuudensäätöön osallistuvat vakautus ja palautusreservit käydään läpi. Palautusreservit ovat kiinnostavia, koska niiden avulla voimajärjestelmä saatetaan takaisin normaalitilaan. Voimajärjestelmien häiriötä esitellään lyhyesti. Häiriötilanteiden vasteet antavat suuntaviivoja sille, millaisia haasteita ne asettavat verkon reserveille ja niiden toteutukselle. Neljännessä kappaleessa esitellään suuntaajien topologioita ja luodaan topologioiden avulla simulointimalli ohjattavalle aggregoidulle latauslaitemallille. Aggregoidulla sähköajoneuvon latauslaitemallilla tarkoitetaan usean samanaikaisen sähköajoneuvon 3 latauksen yhteisvaikutusta. Simulointimallia varten hyödynnetään kolmivaiheista vaihtosuuntaajaa. Erilaisia kolmivaiheisia suuntaajia vertaillaan ja perustellaan malliksi valittu ratkaisu simulointituloksien avulla. Viidennessä kappaleessa käydään läpi simulointien verkkomallit, taajuusmittaus ja taajuusohjauksen malli. Kappaleessa esitellään tehonjako- ja oikosulkulaskennan pohjalta rakennetut pien- ja keskijännitelähdöt. Lisäksi esitellään työssä käytetty siirtoverkkoekvivalentti. Taajuusmittausmenetelmiä vertaillaan ja valitaan sopiva sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjausta varten. Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjausmenetelmä esitellään. Kuudennessa kappaleessa verrataan simulointien avulla sähköajoneuvon latauksen ohjausta voimajärjestelmän häiriöreserviä tilanteeseen, jossa kuormien verkosta ottamaa tehoa ei ohjata. Vertailun avulla voidaan selvittää latauksen ohjauksen vaikutuksia voimajärjestelmään. Voimajärjestelmän taajuuden muutosnopeuksia, jännitteitä, ja pätötehojen muutoksia vertaillaan tilanteiden kesken. Vikapaikan vaikutusta suhteessa sijaitsevaan reserviin tarkastellaan. Lisäksi inertiaa muuttamalla saadaan järjestelmän taajuusmuutosnopeudet vikojen seurauksena vastaamaan todellisia. Kappaleessa verifioidaan jakeluverkkolähtöjen oikea toiminta jännite- ja taajuussimulointien avulla. Lisäksi arvioidaan simulointitulosten todenmukaisuutta. Seitsemännessä kappaleessa on yhteenveto työstä, simulointitulosten johtopäätökset ja niiden merkitykset reservien ja ohjattavan kuormituksen kannalta. 4 2 SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUS Tässä kappaleessa käsitellään sähköajoneuvojen latausta ja latauksen verkkovaikutuksia. Erilaisia latausratkaisuja käsitellään verkon näkökulmasta. Lisäksi esitellään muutama latauskäyttäytymiseen liittyvä tutkimus ja luodaan arvio sähköajoneuvon latauksen vaikutuksista verkon voimajärjestelmän näkökulmasta. Sähköajoneuvon akut ja niiden käyttö energiavarastoina esitellään voimajärjestelmän näkökulmasta. 2.1 Sähköajoneuvojen latausjärjestelmien verkkoliityntä 2.1.1 Sähkön laatu liityntäpisteessä Tehoelektroniikkaa sisältävät laitteet ovat epälineaarisia kuormia. Epälineaarisen kuorman virrat ja jännitteet eivät ole sinimäisiä vaan sisältävät yliaaltoja. Yliaallolla tarkoitetaan sinimäistä komponenttia, jonka taajuus on perusaallon taajuuden monikerta. Täysin lineaarisessa järjestelmässä jännitteet ja virrat ovat sinimäisiä. Epälineaarisen järjestelmän virrat ja jännitteet voidaan kuitenkin kuvata Fourier-muunnoksen avulla sinimuotoisten aaltojen summana. Yliaaltojen suhteellista amplitudia perusaaltoon nähden kuvataan kokonaisharmonisen särön (THD, total harmonic distortion) avulla. Kokonaisharmoninen särö tarkoittaa kaikkien yliaaltojen neliöllisen summan suhdetta perusaaltoon nähden. Perusaallon tehokertoimen ollessa lähellä arvoa yksi harmonisen särön ja tehokertoimen välillä on kaavojen 1.1 ja 1.2 välinen yhteys. = ∑ , (1.1) missä j on perusaallon monikerta, on perusaallon monikerran amplitudi ja on perusaallon amplitudi. ( )= = missä PF on tehokerroin. , (1.2) Yhtälöistä (1.1) ja (1.2) voidaan huomata tehokertoimen riippuvuus kokonaissärökertoimesta. Tehokerroin on yksi silloin, kun kokonaissärö on nolla. Virta ja jännite ovat tässä tilanteessa samassa vaiheessa ja sisältävät vain perustaajuisen sinimuotoisen komponentin. Jakeluverkkoasiakkaan verkkoliitynnän yliaaltovirroille ei ole eurooppalaisissa standardeissa määritelty velvoittavia rajoja. Jännitteen yliaalloille sen sijaan on määritelty rajat standardissa (SFS-EN 50160). Standardin mukaan suurin sallittu jakelujännit- 4 5 teen THD on 8 %. Standardin mukaan käytännöksi on muodostunut yliaaltojen laskeminen 40:en yliaaltokomponenttiin asti. Lisäksi standardissa määritellään muun muassa rajat välkynnän häiritsevyysindeksille sekä jakelujännitteen epäsymmetrialle. Välkynnällä tarkoitetaan valolähteen luminanssin tai spektrin ajallisen vaihtelun aiheuttamaa näköaistimuksen vaihtelua. Jännitteen muutokset voidaan havaita valojen kirkkauden muutoksena, jota kutsutaan välkynnäksi. Yksi esimerkki välkyntää aiheuttavista laitteista on yksitehoiset hitsauslaitteet. Näiden laitteiden verkosta ottama teho kohdistuu yhdelle vaiheelle aiheuttaen epäsymmetriaa verkon jännitteisiin ja virtoihin. Vastaavasti suuritehoiset yksivaiheiset latauslaitteet aiheuttavat epäsymmetriaa. Standardi (SFS-EN 50160) määrittää jännitteen epäsymmetrian raja-arvoksi 3 % nimellisarvosta. Epäsymmetriaa voidaan vähentää jakamalla kuormitus kaikille kolmelle vaiheelle tasaisesti. Suuritehoisten latauslaitteiden verkkoon liittyminen on käytännössä toteutettu kolmivaiheisesti. Yliaaltoja voidaan kompensoida tai suodattaa. Verkkoon liitettävän laitteen ja verkon väliin voidaan liittää passiivinen tai aktiivinen kompensointilaite. Verkon kannalta kompensointilaitteen tehtävä on vaimentaa jännitteen ja virran yliaaltoja siten että liittymisen raja-arvot täyttyvät liityntäpisteessä. Passiivinen kompensointi sisältää vain passiivisia komponentteja, mutta aktiivinen tehokertoimen korjauspiiri sisältää passiivikomponenttien lisäksi aktiivisia komponentteja. Kompensointilaitteet suunnitellaan järjestelmäkohtaisesti. Yksinkertaisimmillaan kompensointi voi koostua verkon ja laitteen väliin kytkettävästä passiivisesta alipäästösuodattimesta. Toisaalta mikäli järjestelmän sisäänmenovirta on säröytynyt voimakkaasti, voidaan tarvita aktiivista kompensointia. Aktiivinen kompensointi on tavallinen esimerkiksi tasavirtalähteissä. Aktiivisen kompensoinnin etuna ovat magneettisten materiaalien kustannusten kasvu ja puolijohteiden alenevat kustannukset. Käytännössä tämä voi tehdä aktiivisesta tehokertoimen korjauksesta taloudellisesti kannattavaa. Lisäksi puolijohteiden alenevat kustannukset mahdollistavat aktiivisten kompensaatiolaitteiden jatkuvan kehityksen. Aktiivisen kompensoinnin haittapuolena on sen monimutkaisuus. Vastaavasti passiivisen kompensoinnin etuna on sen yksinkertaisuus. Haittapuolena voi olla kalliit kustannukset. Suurikokoisen kelan kustannukset voivat olla merkittäviä koko järjestelmän kannalta ja vaikuttaa samalla taloudelliseen kannattavuuteen. (ON Semiconductor 2014, s. 11 - 13) Verkkoon liitettävä laite ei saa heikentää merkittävästi sähkön laatua. Muita vaatimuksia verkkoon liittymiselle asettaa tarvittavan muuntajan nimellisteho, kuormituksen tai tuotannon suuruus, verkon vahvistamistarve, etäisyydet lähimmälle sähköasemalle sekä suojaus. 2.1.2 Verkkoliitynnän vaatimukset Sähköajoneuvon latauksen verkkoliitynnän vaatimukset jakautuvat usean eri standardin alle. Sähköajoneuvon johdollisen latausjärjestelmän vaatimukset on määritelty standardin IEC 61851 alla olevissa standardeissa. Standardin (IEC 61851 2010) ensimmäisessä 6 osassa määritellään johtumalla tapahtuvan latauksen yleiset vaatimukset. Yleisten vaatimusten perusteella standardi koskee erillisiä ja ajoneuvoon sisäänrakennettuja latauslaitteita, joiden verkkoliityntä on vaihtojännitteellä 1,0 kV asti ja tasajännitteellä 1,5 kV asti. Standardissa käsitellään latauksen ominaispiirteitä, toimintaehtoja, sähköturvallisuutta ja syöttävän järjestelmän liityntää sähköajoneuvoon. Standardissa on eritelty vaatimukset pistokkeesta riippuen. Standardi (IEC 61851–21:2001) täydentää ensimmäisen osan yleisiä vaatimuksia ja sen avulla määritellään sähköajoneuvon liitynnän vaatimukset AC tai DC järjestelmään. Standardi koskee vaihtojännitteitä 690 V asti ja tasajännitteitä 1,0 kV asti, kun sähköajoneuvo on liitettynä syöttävään verkkoon. Tasajännitesyöttöisen latausaseman vaatimuksia täsmennetään standardissa (IEC 61851–23:2014) ja vaihtojännitesyöttöisen latausaseman vaatimuksia standardissa (IEC 61851–22:2001). Standardissa (IEC 61851–24:2014) käsitellään latausjärjestelmän kommunikaatiojärjestelmien vaatimuksia. Standardin (IEC 61851) määrittämät lataustavat voidaan jakaa neljään eri luokkaan. Ensimmäinen lataustapa (mode 1) soveltuu pienitehoisille ajoneuvoille kuten sähköpolkupyörille tai skoottereille. Lataus tapahtuu tavallisesta kotitalouspistorasiasta. Lataustapaa ei ole sallittu kaikissa maissa. Ajoneuvo liitetään yksi tai kolmivaiheiseen verkkoon. Suomessa tämä tarkoittaa käytännössä yksivaiheista schuko-pistorasiaa. Kuvassa 2.1 on standardin (IEC 61851) täyttävän pienitehoisen sähköajoneuvon latauslaitteen rakenne. Kuvassa 1.5 pistorasia on suojattu johdonsuojakatkaisijalla, ylijännitesuojalla ja vikavirtasuojakytkimellä. Käytännössä vanhoissa asennuksissa ei välttämättä ole kaikkia näitä suojauksia, vaan esimerkiksi pelkästään sulake tai johdonsuojakatkaisija. Toinen saman standardin määrittelemä lataustapa (mode 2) poikkeaa edellisestä latausjohdon osalta. Lataustavan (mode 2) latausjohto sisältää vikavirtasuojakytkimen ja virran suuruutta ohjaavaa toiminnallisuutta. Lataustavan (mode 2) latauspistoke määritellään standardissa (SFS 61961). Lataus tapahtuu joko yksi tai kolmivaiheisesti. Lataustavassa hyödynnetään yleensä tavallista 230V maadoitettua kotitalouspistorasiaa. Pitkäaikaisessa latauksessa latausvirta tulee rajoittaa riittävän pieneksi. Kuvassa 2.2 on standardin (IEC 61851) täyttävän pienitehoisen sähköajoneuvon (mode 2)- latauslaitteen rakenne. Kolmannen lataustavan (mode 3) latausjärjestelmä sisältää tunnistus – ja valvontajärjestelmän. Lisäksi järjestelmä on irrotettavissa verkosta erillisen suojakytkimen avulla. Tunnistus ja valvontajärjestelmän tehtävä on varmistaa, että latausjohto on kytketty oikein ja turvallisesti paikoillaan pistorasiassa. Mode 3- tyyppinen lataus soveltuu keskisuurille 10 - 40 kW tehoille. Kuvassa 2.3 on mode 3 -latauksen rakenne. Neljäs lataustapa on pikalataus hyödyntäen tasajännitettä. Pikalatauksessa tai teholatauksessa (mode 4) sähköajoneuvon akkua ladataan tasajännitteellä sähköajoneuvon ulkopuolella olevalla latausasemalla. Latausteho voi vaihdella välillä 22 – 50 kW (SESKO 2015). Kuvassa 2.4 on pikalatauksen rakenne. Sähköajoneuvon langattoman latausjärjestelmän yleiset vaatimukset on määritelty standardissa (IEC 61980–1:2015). Standardi koskee latauslaitteita, joiden verkkoliityntä on vaihtojännitteellä 1,0 kV asti ja tasajännitteellä 1,5 kV asti. Langattoman lata- 7 uksen standardi on vielä työvaiheessa eikä kaupallisia ratkaisuja ole vielä olemassa. Useita langattomaan lataukseen liittyviä pilottihankkeita on käynnissä. Kuva 2.1. Standardin (IEC 61851) täyttävä kevyen sähköajoneuvon lataustapa (mode 1). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.2. Standardin (IEC 61851) täyttävä sähköajoneuvon hidas lataus (mode 2). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.3. Sähköajoneuvon peruslataus (mode 3). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) Kuva 2.4. Sähköajoneuvon pikalataus (mode 4). (Muokattu lähteestä Siemens 2015a) 8 Pistokeladattavien sähköautojen pikalatausasemien liityntästandardit voidaan jakaa CCS:n (Combined Charging Standard, Combo), CHAdeMO:n ja Tesla:n pikalatausasemiin. Koska yhtä yhtenäistä standardia ei ole, latausstandardit kilpailevat käytännössä keskenään. CHAdeMO standardi kehitettiin Japanissa vuonna 2008, Mitsubishin i-MiEV sähköajoneuvoa ja muita sähköajoneuvoja varten (Chademo 2015). Nissan Leaf hyödyntää myös vastaavasti CHAdeMO standardia. CHAdeMO standardin tietoliikenne tapahtuu CAN-väylän avulla. Latauskaapeli on lukittuna mekaanisesti sähköajoneuvon pistorasiaan latauksen ajan. Tehonsäätöjärjestelmä saa syöttönsä latauslaitteensa, joten latausjohto on jännitteetön kunnes molemmat päät latauskaapelista on kiinnitettynä. Virtapiirin eristys ja latauslaitteen ja sähköajoneuvon pistokkeen välinen oikosulku testataan ennen jokaista lataustapahtumaa. Syöttävä verkko ja akkujärjestelmä ovat erotettuna toisistaan suojaerotusmuuntajan avulla. Sähköajoneuvo ja latauslaite valvovat vikatilanteiden varalta latauksen ajan. Sähköiskuilta suojaudutaan vuotovirtaa mittaavan laitteen avulla. Tietoliikenne on rakennettu redundanttiseksi lisäämällä toinen tietoliikennejohto ajoneuvosta latauslaitteelle. Jos maadoitusjohto tai toinen (Pilot) tietoliikennejohto katkeaa, samalla katkeaa myös sähkönsyöttö, valokaarien välttämiseksi. (Chademo 2015) CCS on Yhdysvalloissa toimivan SAE Internationalin kehittämä pikalatausstandardi. Standardi hyväksyttiin vuonna 2012 ja vuonna 2013 julkaistiin ensimmäinen standardia hyödyntävä ajoneuvo Chevy Spark EV. Muita standardia hyödyntäviä ajoneuvoja on esimerkiksi BMW i3. Tesla Motorsin pikalatausta hyödyntävät kirjoitushetkellä vain Tesla Motorsin omat ajoneuvot. Teslan pikalatauslaiteverkosto on kansainvälinen ja latausasemia on useilla eri mantereilla (Tesla 2015a). Osa latausasemien valmistajista tarjoaa saman latausaseman yhteydessä useita eri lataustapoja. Latausstandardeissa on hyvät ja huonot puolensa. Kaikki sähköajoneuvot eivät siis hyödynnä samaa latausstandardia. Taulukkoon 2.1 on koottu muutamien eri valmistajien pikalatausasemien teknisiä tietoja. Taulukko 2.1. Sähköajoneuvon latausaseman teknisiä tietoja. Latausasema Teho (kW) Jännite AC (V) Latausvirta (A) Jännite DC (V) Standardi ABB Terra 53CJ (ABB 2015) 50 - 125 50 - 500 CCS / CHAdeMO ABB Terra 53G (ABB 2015) ABB Terra 53T (ABB 2015) DBT CEV QC AC-DC (DBT 2015) DBT CEV QC AC-DC (DBT 2015) Schneider Electric Mode 3 (Schneider Electric 2015) Schneider Electric Mode 4 (Schneider Electric 2015) Tesla Supercharger (Tesla 2015a) 43 22 44 400 400 - 63 32 125 200 - 500 Type 2- kaapeli Type 2- rasia CHAdeMO 43 400 63 - Type 2- kaapeli 43 400 63 - Type 2- kaapeli 50 - 120 500 CHAdeMO 120 - 240* 400-500* Tesla 9 Latausteho määräytyy heikoimman komponentin mukaan. Mikäli sähköajoneuvon akun maksimiteho on pienempi kuin latauslaitteen, akunhallintajärjestelmä rajoittaa lataustehoa. Sähköautojen valmistajat hyödyntävät pistokkeen suhteen eri standardeja. Useat eri autonvalmistajat ovat tuoneet sähköautoja markkinoille. Taulukkoon 2.2 on koottu sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. Taulukko 2.2. Kuluttajakäyttöön tarkoitettujen sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. Sähköajoneuvo BMW i3 (BMW 2014) Mitsubishi i-MiEV (Mitsubishi 2010) Nissan Leaf 2013 (Nissan 2013) Renault Zoe (Renault 2014) Tesla Model S 70D (Tesla 2015b) Volkswagen e-Golf (Volkswagen 2015a) Akkukapasiteetti (kWh) 18,8 16 24 22 70 24 Moottori (kW) 125 49 80 65 310 85 Lataustapa (mode) 2 x x x x x x 3 4 x SAE CCS x CHAdeMO CHAdeMO CHAdeMO x Tesla Supercharger x SAE CCS Taulukon 2.2 sähköajoneuvoista kaikki mahdollistavat pikalatauksen ja perinteisen hitaan kotilatauksen. Teslan ajoneuvoa lukuun ottamatta muut taulukon autot edustavat pienen ja pienen kokoluokan autoja. Sähköajoneuvon latauslaite voi olla erillinen tai integroituna ajoneuvoon. Sähköajoneuvoon sisäänrakennetun latauslaitteen etuna on latauspaikkojen saatavuus. Käytännössä suurin osa pistokeladattavista sähköajoneuvoista voidaan ladata mistä tahansa kotitalouspistorasiasta. Kuvassa 2.5 on sisäänrakennetun (on-board) latauslaitteen perusrakenne sähköautossa. Kuva 2.5. On-board tyyppisen yksivaiheisen latausjärjestelmän perusrakenne. Ajoneuvon verkkoliityntäkohta on mallinnettu pisteellä. Pelkän erillisen latauslaitteen etuna se, että ajoneuvossa tarvittavan tehoelektroniikan määrä yleensä vähenee ja rakenne yksinkertaistuu. Erillinen latauslaite vaatii kuitenkin asennuksen jakeluverkkoon ja latauslaitteen soveltuvuudesta verkkoon on varmistuttava. Toisaalta suuritehoisten latauslaitteiden kokoluokat ja massat aiheuttavat sen, että niitä ei ole kannattavaa tai välttämättä edes mahdollista sijoittaa ajoneuvoon. Haittapuolena erillisessä latauslaitteessa on myös sen aiheuttamat lisäkustannukset ja latauslaitteen asennus. Erillinen latauslaite mahdollistaa jännitteen sovittamisen suoraan akulle. Kuvassa 2.6 on kolmivaiheisen erillisen (off-board) latauslaitteen yleinen malli. 10 Kuva 2.6. Off-board tyyppisen latausjärjestelmän perusrakenne. Ajoneuvon verkkoliityntäkohta on mallinnettu pisteillä. Sähköajoneuvon tyyppi ja käyttötarkoitus määrittelevät millainen latausratkaisu on taloudellisesti kannattavin. Suuremmissa ajoneuvoissa valintakriteerinä voi olla esimerkiksi ajoneuvon keveys, jolloin erillinen latauslaite tarjoaa tämän vaihtoehdon. 2.2 Sähköajoneuvon latauksen perusrakenne Sähköajoneuvolla tarkoitetaan sähkömoottoria liikkumiseen hyödyntävää ajoneuvoa. Sähkömoottori muuttaa sähköisen tehon mekaaniseksi tehoksi. Sähköajoneuvon moottori on tavallisesti oikosulkumoottori tai kestomagnetoitu tahtimoottori. Sähköajoneuvoksi luokitellaan myös sähkömoottorilliset hybridiajoneuvot, jotka sisältävät sähkömoottorin lisäksi esimerkiksi polttomoottorin. Energiavarastonaan sähköajoneuvo hyödyntää yleensä litium-ioni akkua. 2.2.1 Sähköajoneuvon rakenne ja toiminta Yksinkertaisen täyssähköauton tai täyssähköbussin sisäinen sähköjärjestelmä koostuu yleensä sähkömoottorista, vaihteistosta, pääakusta, lyijyakusta, vaihtosuuntaajasta, tasajännitemuuttajasta, auton valoista ja auton muusta elektroniikasta. Pääakku toimii energiavarastona moottorille ja muille järjestelmille. Energiavarasto voi teoriassa olla mikä tahansa sähköenergiaa varastoiva komponentti. Käytännössä sähköajoneuvot hyödyntävät litium-ioniakkuja, niiden hyvän energiatiheyden vuoksi. Pääakun ja sähkömoottorin välinen vaihtosuuntaaja tuottaa sinimuotoisen jännitteen ja virran vaihtosähkömoottorille. Pääakkua ladataan ajoneuvossa olevan tai erillisen latauslaitteen avulla. Pääakun valvonnasta vastaa akunhallintajärjestelmä (Battery management system, BMS). Lyijyakun tehtävä on toimia sähköenergiavarastona valoille ja muulle elektroniikalle. Lyijyakun tehonsyöttö saadaan pääakulta tasajännitemuuttajan kautta. Kaikki osajärjestelmät vaativat omat suojaukset ja omat säätöjärjestelmänsä. Latauslaitteen sisältävän yksinkertaisen sähköajoneuvon yleinen rakenne on kuvassa 2.7. Kuvan 2.7 ajoneuvoa voidaan ladata sekä vaihto että tasajännitteellä. 11 Kuva 2.7. Yksinkertaisen kaupallisen pistokeladattavan täyssähköauton sähköjärjestelmän rakenne. Kuvassa AC-latauksella tarkoitetaan hidasta, teholtaan pientä latausta vaihtovirralla. DC-latauksella tarkoitetaan suuritehoista, niin sanottua pikalatausta tasajännitteellä. Ajoneuvo sisältää tasasuuntaajan pienjännitejakeluverkkoliityntää varten. 2.2.2 Sähköbussien rakenne ja lataus Sähköbusseja voidaan valmistaa eri käyttötarkoituksiin ja bussit voidaan jakaa suurempiin sekä pienempiin bussin matkustajapaikkojen määrän perusteella. Hybridibussit ovat kirjoitushetkellä täyssähköbusseja yleisempiä. Energiankulutuksen kannalta on edullista että bussin rakenne on mahdollisimman kevyt. Ajoneuvon liikuttamiseen tarvitaan sitä enemmän energiaa mitä suurempi on ajoneuvon massa ja nopeus. Lisäksi kiihdytykset ja jarrutukset kuluttavat energiaa. Sähköbussin massaan vaikuttavat matkustajapaikkojen määrä, moottori, ajoneuvon koko, tehoelektroniikka, latauslaite, akku ja muu rakenne. Akun kapasiteetin kasvaessa myös ajoneuvon massa ja kustannukset kasvavat. Mikäli ajoneuvon akkua ladataan riittävän usein, voidaan akun kapasiteetti pitää pienenä. Lisäksi ajoneuvon kustannuksiin ja massaan voidaan vaikuttaa jättämällä erillinen latauslaite pois bussista. Mikäli tarvetta usealle eri lataustavalle ei ole, voidaan erillistä bussin sisältämää latauslaitetta pitää tarpeettomana. Tarve erilaisille latausratkaisuille vaikuttaa sähköbussin rakenteeseen. Varikkolatauksessa sähköbusseja ladataan yön yli varikolla. Varikkolatauksessa lataustehon ei tarvitse olla kovin suuri, joten lataus voi tapahtua pistokkeesta. Päätepysäkkilatauksessa bussia ladataan päätepysäkeillä. Päätepysäkkilatauksessa lataustehon tulee olla riittävän suuri, koska pysähtymisaika on rajallinen. Matkan varrella tapahtuvassa pysäkkilatauksessa lataustehon tulee vastaavasti olla huomattavan suuri tai latauspysäkkejä on oltava riittävän paljon, jotta akkuja voidaan ladata tarpeeksi. Pidempiin matkoihin tarvitaan yleensä kapasiteetiltaan suurempi akku tai mahdollisesti polttomoottori, mikäli lataustapahtumien määrä ja kesto halutaan pitää kohtuullisena. Maantieajoon tarkoitetussa sähköbussissa liikennöintinopeus ja massa ovat kevyttä paikallisliikennebussia suuremmat, joten myös ajoneuvon energiankulutus kasvaa. Kuvassa 2.8 on täyssähköbussin rakenne, kun latausjärjestelmänä on sekä pistokelataus tasajännitteellä että lataus virroittimen avulla. 12 Kuva 2.8. Yksinkertaisen pistoke- ja virroitinladattavan täyssähköbussin sähköjärjestelmän rakenne sisäänrakennetulla latauslaitteella. Kuvan 2.8 rakenteessa on paljon samankaltaisuuksia kuvan (2.7) täyssähköajoneuvon rakenteen kanssa. Latausjärjestelmän rakenne kuitenkin poikkeaa täyssähköauton latausjärjestelmästä. Kuvassa 2.8 sähköbussin akkua ladataan kahdella eri latauslaitteella. Kuvan sähköbussi sisältää aiemman sähköajoneuvon tapaan vaihtosuuntaajan jolla tasasuunnataan kolmivaihesuureet tasasuureiksi. Sähköbussi sisältää lisäksi tasajännitemuuttajan, jolla virroittimen tasajännite saadaan akulle sopivaksi. Virroittimen avulla sähköbussia voidaan ladata sen yläpuolella olevasta latauslaitteesta. Toisaalta latauslaite voi olla ajoneuvon ulkopuolella, kuten aikaisemmassa kappaleessa mainittiin. Kuvassa 2.9 on sähköbussi, jota ladataan erillisen suuritehoisen virroittimen sisältävän latausaseman avulla, jossa on langaton tiedonsiirto ajoneuvon ja latausaseman välillä. Kuva 2.9. Sähköajoneuvon lataus erillisen 300 kW:n virroitinlatausaseman avulla, jossa on langaton tiedonsiirto ajoneuvon ja latausaseman välillä. (Muokattu lähteestä Siemens 2015b, s. 6 ) Aluksi langattoman tiedonsiirron ja suojauslaitteiden avulla varmistetaan, että sähköbussi on pysähtynyt virroittimen alle oikein. Tämän jälkeen virroitin lasketaan, ja suojauslaitteilla varmistetaan latausaseman maadoitus ja suojaerotus. Lataus alkaa, kun suojaustarkistukset on läpäisty. Kuljettaja voi seurata lataustapahtuman edistymistä sähköajoneuvon näytöltä ja keskeyttää latauksen tarvittaessa. Kuvan 2.9 latauslaitteen siirtämä teho on 300 kW ja se on tarkoitettu päätepysäkkilataukseen. (Siemens 2015b, s. 78) 13 2.2.3 Langaton lataus Langattoman latauksen toimintaperiaatteita on tavallisesti joko induktiivinen tai sähkömagneettiseen resonanssiin perustuva lataus. Suurimmat erot toimintaperiaatteilla ovat rakenteessa, toimintataajuudessa ja keskinäisinduktanssissa. Magneettiseen resonanssiin perustuvalla latauslaitteella toimitaan kilo- tai megahertsien taajuudella, kun induktiivisella latauslaitteen toiminta on verrattavissa muuntajaan. Induktiivisessa tai resonanssiin perustuvassa latauksessa ei tarvita erillisiä johtimia ajoneuvon ja latauslaitteen välille, joten se tunnetaan myös langattomana latauksena. Langattomassa latauksessa sähköenergia siirtyy ajoneuvon käämitysten ja latauslaitteen välisen ilmavälin magneettikentän kautta ajoneuvossa sijaitsevalle käämille. Ajoneuvon käämit sijaitsevat tavallisesti ajoneuvon pohjassa ja latausaseman vastakappale sijaitsee ajoneuvon alla esimerkiksi tien pinnalla tai tien alustaan upotettuna. Ajoneuvon käämien vaihtojännite on tasasuunnattava ennen kuin se voidaan siirtää akulle Hyviä puolia langattomassa lataustavassa ovat muun muassa sen käytön helppous ja vaikutus käyttökustannuksiin. Ajoneuvon kuljettajan ei välttämättä tarvitse poistua ajoneuvosta, toisin kuin johdollisessa latauksessa. Induktiivisesta latauksesta ei myöskään aiheudu maisemallista haittaa, koska latausaseman ei tarvitse olla näkyvissä. Lisäksi vaikutuksena voi olla vähentynyt vandalismi, koska latausasemaan ei pääse käsiksi. Langattomuudella vältytään lisäksi johdollisen latauksen liittimien ja johdon kulumiselta, ja niiden aiheuttamilta kustannuksilta. Induktiivinen lataus ei ole yleistynyt yhtä nopeasti kuin johdollinen tai virroittimen avulla tehtävä lataus, mutta useita pilottiprojekteja (Primove 2015; BMW 2015; Volkswagen 2015b) on käynnissä. Näiden lisäksi osajärjestelmät vaativat suojaukset verkkohäiriötä, ihmisten suojausta ja laitteiden komponentteja varten. Resonanssi-ilmiön avulla tehtävässä latauksessa yksi haaste on magneettikentän nopea heikkeneminen etäisyyden kasvaessa. Magneettikentän voimakkuus on kääntäen verrannollinen muuntajan kelojen välisen etäisyyden kuutioon. Lisäksi hyötysuhteeseen vaikuttava käämien välinen keskinäisinduktanssi on vain 10 % - 20 % itseisinduktanssista, toisin kuin perinteisessä muuntajassa. Pieni keskinäisinduktanssi yleensä heikentää resonanssiin perustuvan latauslaitteen hyötysuhdetta. Resonanssiin perustuva latauslaite on maksimitoimintapisteessään, kun toimitaan resonanssitaajuudella. Halutun resonanssitaajuuden aikaansaamiseksi muuntajan ensiötä ja toisiota kompensoidaan passiivisesti sarja ja rinnakkaiskompensoinnilla. (Mi 2014) Resonanssiin perustuvan latauslaitteen haasteena on lisäksi monimutkainen rakenne verrattuna johdolliseen lataukseen ja virroitinlataukseen. Monimutkaisen rakenteen seurauksena hankintakustannukset ovat suuret. Verkosta saatava vaihtojännite on ensiksi tasasuunnattava. Tasasuuntaajan tyypistä riippuen tarvitaan tietynlainen tehokertoimen korjaus esimerkiksi aktiivinen PFC (Power Factor Correction, tehokertoimen optimointi). Lisäksi tasajännite on sovitettava akun vaatimalle tasajännitteelle, joten tarvitaan jännitettä laskeva buck-tasajännitemuuttaja. Resonanssimuuttajan avulla tasajännite saadaan sopivaksi akulle. Resonanssimuuttaja sisältää LC-tyyppiset resonanssi- 14 piirit, vaihtosuuntaajan, kelat ja tasasuuntaajan. Erityisesti suurilla jännitteillä ja tehoilla, kelat voivat olla huomattavan kalliita. Kuvassa 2.10 on esimerkki induktiivisen latauslaitteen rakenteesta. Kuva 2.10. Induktiivisen latauslaitteen rakenne. (Mi 2014, s. 29) Resonanssimuuttajan muuntajan toiminta perustuu resonanssiin muuntajan kelojen ja rinnan tai sarjaankytkettyjen kondensaattoreiden välillä. Resonanssipiirin hajainduktanssit riippuvat ajoneuvossa olevien kelojen ja latauslaitteessa olevien kelojen välisestä sijainnista suhteessa toisiinsa. Mikäli sijainti muuttuu, hajainduktanssi vastaavasti muuttuu. Maksimitoimintapisteen saavuttamiseksi taajuus pitää säätää uudelle resonanssitaajuudelle induktanssin muuttuessa. Resonanssimuuttajan toimiessa vakiotaajuisella ohjauksella hyötysuhde heikkenee hyvin nopeasti resonanssitaajuuden ulkopuolella. Korkealla hyvyysluvulla voidaan parantaa hyötysuhdetta resonanssitaajuudella. Hyvyysluvulla kuvataan resistanssin, induktanssin ja resonanssitaajuuden välistä suhdetta. (Mi 2014) Pysäkkilataus on mahdollista toteuttaa resonanssiin perustuvalla latauksella. Resonanssiin perustuva lataus mahdollistaa akun säännöllisen latauksen, mikäli latauspaikkoja on matkan varrella. Akkua ladataan vähän kerrallaan, jolloin akkua ei tarvitse ladata täyteen eikä päästää täysin tyhjäksi. Hyvä puoli menetelmässä on akun eliniän kasvaminen jos sitä ladataan vähän kerrallaan. Johdollisen latauksen haittapuolena on sähköturvallisuus. Johdollisen latauksen sähköturvallisuuteen vaikuttavat muun muassa kosteus ja alttius viallisten latauslaitteiden käsittelylle. Latauskaapelit, latausrasiat ja latauspistokkeet kuluvat, jolloin niitä tulee säännöllisesti huoltaa. Kaikki akkutyypit eivät sovellu pikalataukseen, ja suurella virroilla ladattaessa akun elinikä lyhenee. Latauslaitteen suojausjärjestelmien tulee huolehtia siitä, ettei latauslaitteesta aiheudu haittaa ihmiselle tai eläimelle . Virroitinlatauksella on mahdollista saavuttaa huomattavia hyötyjä verrattuna langattomaan lataukseen. Virroitinlataus soveltuu suurille tehoille ja erillinen latauslaite mahdollistaa bussin kevyen rakenteen. Toisin kuin langattomassa latauksessa virroitinlatauksen latauslaitteessa ei tarvita raskaita ja kalliita keloja. Lisäksi rakenne voi olla yksinkertainen, hyötysuhde on hyvä ja latauslaitteella voidaan siirtää suuria tehoja jopa 450 kW asti (Siemens 2015a). Kaupallisten sähköbussien lataustapoja on useampia kuin henkilöajoneuvoilla. Lataustavat voidaan jakaa johdolliseen lataukseen, virroittimen avulla tapahtuvaan lataukseen ja langattomaan lataukseen. Johdollinen lataus soveltuu pienille ja keskisuurille tehoille. Virroitinlatausta käytetään puolestaan suuritehoisessa latauksessa. Täyssähköbussien teknisiä tietoja on koottu taulukkoon 2.3. 15 Taulukko 2.3. Sähköbussien teknisiä tietoja. Sähköbussi ABB TOSA (ABB 2014) BYD Electric Bus (BYD 2013) Ebusco 2.0 2013 (Ebusco 2013) Linkker (Linkker 2015) AkkuRange kapasiteetti (km) (kWh) 38 324 Latausteho (kW) a - Proterra EcoRide BE35(Proterra 2014) 74 Siemens eBus (Siemens 2013, Siemens 2015b) 96 40/200/400 b c x 249 40/80/100/200 x 242-311 249-300 40-48 Lataustapa 30-50 42 - 96-124 x 200 x x 500 x 300 x Solaris Urbino 12 electric (Solaris 2015) * * * x x* x* Taulukossa a on pistokelataus, b on virroitin, c on induktiivinen. Yläindeksi (1) on arvio, ja yläindeksillä (*) on merkitty teknisten tietojen riippuvuutta asiakkaan tarpeista. Virroitinta käytetään tavallisesti suuritehoiseen lataukseen. Latausasema voidaan liittää pienjännite tai keskijänniteverkkoon. Keskijänniteverkkoon liitetty latausasema koostuu muuntajasta, siihen liitetystä tasasuuntaajasta ja virroittimesta. Virroittimen avulla tehty lataus toimii tasajännitteellä. Virroitin mahdollistaa nopean bussipysäkillä tapahtuvan latauksen sekä varikkolatauksen. Hyvänä puolena lataustavassa on sen nopeus ja yksinkertaisuus. Haittapuolena ovat suuret latausaseman investointikustannukset. Lisäksi haittapuolena on mahdollisesti se, että latausaseman jännitetasoa pitää mahdollisesti pienentää tasajännitemuuttajalla, joka sijaitsee bussissa. Johdon avulla tehtävä pistoke lataus soveltuu varikolla tai päätepysäkillä tapahtuvaan lataukseen. Hyvänä puolena ovat sen edulliset kustannukset verrattuna suuritehoiseen lataukseen. Haittapuolena on sen hitaus. Pistokelataus ei ole automaattinen vaan kuljettajan tai muun henkilön on irrotettava ja liitettävä ajoneuvo sähköverkkoon pistokkeen avulla. Pikalatausasema voi ylikuormittaa pienjännitejakelujakeluverkkoa, mikäli se sijaitsee samalla lähdöllä muun kuormituksen kanssa. Erityisesti muuntajien ja syöttävien johtojen mitoitukset tulevat olla riittävän suuria. Sähköverkon ja sen vaatiman infrastruktuurin rakentaminen on kuitenkin kallista. Suuritehoisia yli 50 kW:n pikalatausasemia on toistaiseksi vain julkisissa ja kaupallisissa paikoissa. Verkosta otetun pätötehon perusteella pienempitehoiset alle 11 kW:n latausasemat ovat verrattavissa esimerkiksi saunan kiukaaseen. 2.2.4 Sähköajoneuvojen akut ja energiavarastot Sähköajoneuvojen yleistymisten rajoitteena ovat toistaiseksi olleet akkujen suhteellisen suuret kustannukset verrattuna auton kokonaiskustannuksiin. Akkujen suuri hinta vaikuttaa sähköajoneuvojen kustannuksiin ja sitä kautta sähköajoneuvojen kannattavuuteen. Akkujen hinnan oletetaan usein laskevan tulevaisuudessa uusien teknologioiden ansiosta. 16 Akut eivät ole kuitenkaan ikuisia, vaan niillä on rajallinen käyttöikä. Elinkaaren loppuvaiheessa akut tulee vaihtaa, jotta sähköajoneuvojen käyttöä voi jatkaa. Akun vaihdosta aiheutuu myös kustannuksia. Akun normaalilla elinkaarella tarkoitetaan hetkeä, jolloin akkujen täyteen ladatusta käytettävästä kapasiteetista on jäljellä noin 70 % verrattuna alkuperäiseen kapasiteettiin. Normaalin elinkaaren jälkeen akkujen kapasiteetti ei ole enää riittävä ajoneuvon normaalin toiminnan kannalta. Akkujen elinkaareen vaikuttaa myös ympäristötekijät kuten lämpötila ja kosteus. Riittävästä jäähdytyksestä tulisi huolehtia, jotta akkukennojen lämpötila säilyy akun käyttölämpötila-alueella. Toisaalta sähköajoneuvojen akuilla saattaisi olla potentiaalia energiavarastoina normaalin elinkaarensa jälkeen (Ademe 2011; Neubauer & Pesaran 2010). Tutkimuksen (Ademe 2011) mukaan energiavarastona käytettävää kapasiteettia on 50 %:n asti alkuperäisestä kapasiteetista. Taloudellisesti tehon syöttö verkkoon päin on voimakkaasti riippuvainen muun muassa akkujen hinnoista. Tutkimusten (Mullan et al. 2012; Denholm et al. 2013) mukaan nykyiset kannustinjärjestelmät eivät tee tehon takaisinsyötöstä verkkoon taloudellisesti kannattavaa. Sähköajoneuvojen latauslaitteet voidaan jaotella latauksessa siirtyvän tehon perusteella. Pienillä tehoilla akut latautuvat hitaasti. Hyöty pienitehoisessa latauksessa on se, että akun elinikä pitenee. Pienemmillä virta-arvoilla akun elinikä pitenee verrattuna suurempiin virtoihin. Haittapuolena on se, että akun latautuminen on hidasta. Sähköajoneuvot käyttävät tavallisesti litiumioniakkuja. Akut koostuvat akkukennoista. Litiumioniakkukennon jännite on luokkaa 3V - 4V. Akkukennoja rinnankytkemällä voidaan kasvattaa akkukennoston kapasiteettia. Akkukennojen kapasiteetti on lineaarisesti riippuvainen rinnakkain kytkettyjen akkukennojen lukumäärästä. Kennoja sarjaankytkemällä akkumoduulin napajännite saadaan halutuksi. Akku on kokonaisuus, joka koostuu sarjaankytketyistä akkukennoista, kennoista, jotka voivat olla myös rinnankytkettyinä. Akkupaketiksi sanotaan kokonaisuutta, joka koostuu akuista, jotka ovat sarjaan ja/tai rinnankytkettyjä. (Andrea 2010, s. 1) Sähköajoneuvoille ei ole standardinmukaisia akkupakettikokoja vaan ne vaihtelevat ajoneuvon tyypistä ja valmistajasta riippuen. Litium-ioniakku voidaan mallintaa jännitelähteen, resistanssin ja rinnankytketyn RC-piirin sarjakytkennän avulla. Akun ekvivalenttinen malli on kuvassa 2.11. Kuva 2.11 Akun ekvivalenttinen malli. (Andrea 2010, s.11) 17 Akun dynamiikan mallintamista on tutkittu runsaasti. Tutkimuksessa (Tremblay et al. 2007) kehitettiin akkumalli, jonka toiminta kuvaa akun käyttäytymistä vakiovirta- ja vakiojännitealueilla. Akkumallin varaustila, SOC (state of charge), täyttyy sitä mukaa, kun akkua ladataan. Mallin avulla voidaan kuvata verkosta ladattavan akun käyttäytymistä virtaohjattuna. Akun jännite riippuu epälineaarisesti sen varaustilasta. Nimellisjännitteellään akku on lineaarisella alueella. Eksponentiaalisella alueella ollaan akun ollessa täysi. Akkua ladataan varaustilan ollessa aseteltujen hystereesirajojen sisällä. Ala - ja yläraja voidaan asetella halutun suuruiseksi. Akun malli muodostuu ideaalisesta jännitelähteestä ja sen kanssa sarjaankytketystä resistanssista. Mallissa virta on positiivinen, kun akku purkautuu. Virta on vastaavasti negatiivinen, kun akkua ladataan. Epälineaarinen akkumalli on kuvattu yhtälössä 5.1. = − + (− ), (5.1) missä on akun lähdejännite kuormittamattomana, akun vakiojännite, on polarisaatiojännite, on akun kapasiteetti, on akun varaustila, akun jännite eksponentiaalisella alueella, on eksponentiaalisen alueen aikavakion inverssi. (Tremblay et al. 2007) Tutkimuksessa (Tremblay et al. 2007) hyödynnetty akkumalli ei ole täysin tarkka vaan siinä on käytetty tiettyjä oletuksia. Akun sisäinen resistanssi ei riipu virran suuruudesta eikä suunnasta. Mallissa akun kaikki parametrit ovat samoja riippumatta siitä, ladataanko vai puretaanko akkua. Lisäksi akun kapasiteetti on riippumaton virrasta. Lämpötila ei vaikuta myöskään mallin toimintaan. Lisäksi akulla ei ole muistiefektiä. Mallin toiminnalle on tiettyjä rajoituksia. Minimikuormajännite voi olla 0 V, mutta maksimijännitteelle ei ole rajoja. Vastaavasti minimikapasiteetti on 0 Ah mutta maksimille ei ole rajaa. Akkumallin varaustila voi siis olla suurempi kuin 100 %, vaikka käytännössä tämä ei ole mahdollista. Akkumallin parametrit voidaan määritellä akkuvalmistajien purkauskäyriä tarkastelemalla. Tutkimuksessa (Tremblay 2007) mallin toiminta on verifioitu vertaamalla akkumallin purkauskäyriä Panasonic Corporation ilmoittamiin. Akun parametrien arvot riippuvat akun materiaaleista, lämpötilasta ja muista tekijöistä (Andrea 2010, s. 11). Tyypillisesti akun resistanssi on kuitenkin muutamista milliohmeista muutamiin kymmeniin milliohmeihin. Resistanssi ei todellisuudessa ole vakio vaan vaihtelee lämpötilan, virran, varaustilan ja syklien määrän perusteella. Akun varaustila (SOC, state of charge) kuvaa akun hetkellistä varauksen suhdetta akun koko kapasiteettiin. Akkukennon purkautumiskäyrä ampeerituntien suhteen on kuvassa 2.12. 18 4.6 0,7 A 4.4 Jännite (V) 4.2 4 Vakiojännite 3.8 Vakiovirta 3.6 3.4 3.2 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Ampeerituntia (Ah) Kuva 2.12. Panasonic 16850 3,5 Ah akkukennon (Litium-ioni / NCA Nikkeli koboltti alumiini, kapasiteetti 3,5Ah) purkautumiskäyrä 0,7 A virralla. Litiumakun kemia koostuu nikkelin, alumiinin ja koboltin seoksesta (NCA) Purkautumiskäyrämalli kuvaa akkukennon jännitettä purkuvirran eri arvoilla akkuun varastoituneen varauksen suhteen. Purkautumiskäyrän vasemmassa laidassa akku on täysi ja vastaavasti oikeassa laidassa tyhjä. Purkautumiskäyrä voidaan jakaa vakiojännitealueeseen (CV, Constant voltage) ja vakiovirta-alueeseen (CC, Constant current). Vakiovirta-alueella akkua ladataan vakiovirralla. Vakiojännitealueella jännite on vakio mutta latausvirta pienenee eksponentiaalisesti. Valmistajien ilmoittamat purkautumiskäyrät ovat suuntaa-antavia arvioita akun toiminnalle. Akkukennoja ei ole käytännössä mahdollista ladata lämpötilan laskiessa nollan alapuolelle. Akkuja pitää siis lämmittää mikä heikentää latauksen hyötysuhdetta. Mikäli ajoneuvoa ja akkuja on lämmitetty etukäteen, akkuja voidaan käyttää normaalisti. Akkupaketit vaativat tavallisesti oman akunhallintajärjestelmän (BMS, Battery Management system). Akunhallintajärjestelmän tehtävä on varmistaa, että akkuja käytetään niiden turvallisella käyttöalueella (SOA, safe operating area). Turvallisella käyttöalueella tarkoitetaan akun kennojen lämpötila, jännite ja virtarajoja joilla akut toimivat turvallisesti ja luotettavasti. Akunhallintajärjestelmän tehtäviin voivat kuulua akun monitorointi, akun suojaus, akun varaustilan valvonta, akun suorituskyvyn optimointi, raportointi käyttäjälle tai muille ulkoisille laitteille. (Andrea 2010, s. 11 - 16) Koska kaikissa osajärjestelmissä aiheutuu häviöitä, on osajärjestelmiä myös jäähdytettävä. Jäähdytysjärjestelmän tarve riippuu siirtyvästä tehosta. Mitä suurempi siirtyvä teho on, sitä enemmän häviöitä aiheutuu. Häviöitä energiansiirtoon aiheuttavat latauslaitteen häviöt, akun häviöt, akunhallintajärjestelmän häviöt, akun lämmittämisen häviöt, ajoneuvon apujärjestelmien häviöt, vaihtosuuntaajan häviöt, moottorin häviöt, 19 vaihteiston häviöt, voimansiirron häviöt, kitkahäviöt renkaissa ja ilmanvastuksen aiheuttamat häviöt. Kuvassa 2.13 on sähköajoneuvon latausaseman ja sähköajoneuvon häviöt. Kuva 2.13. Sähköajoneuvon latausaseman ja sähköajoneuvon häviöt. Latauslaitteen häviöihin voidaan vaikuttaa yksinkertaistamalla latauslaitteen rakennetta. Samalla sähkön laatu tavallisesti kuitenkin heikkenee. Tasasuuntaajan ja vaihtosuuntaajan hyötysuhde riippuu käytetyistä komponenteista. Mitä enemmän komponentteja tasasuuntaajaan rakenteessa on, sitä enemmän on komponentteja, joissa aiheutuu häviöitä. Suuntaajien suunnittelussa on otettava huomioon vaatimukset sähkön laadulle, aiheutuvat häviöt, komponenttien virta ja jännitekestoisuudet sekä kustannukset. 2.2.5 Latauskäyttäytyminen ja lataustapahtumat Yksittäisen henkilön tapa ladata sähköajoneuvon akkua riippuu monesta eri tekijästä. Ajoneuvon käyttötarkoitus, tyyppi, lataustarve, latauspaikka, hinnoitteluperiaate ja aika voivat määritellä latauskäyttäytymistä. Esimerkiksi hybridiajoneuvoissa on yleensä kapasiteetiltaan pienempi akku kuin saman kokoluokan täyssähköajoneuvoissa. Tämän seurauksena hybridiajoneuvon akku on mahdollista ladata täyteen pienellä teholla nopeammin kuin vastaavan täyssähköajoneuvon akku. Toisaalta akkujen ollessa identtisiä suuremman ajoneuvon toimintaetäisyys on pienempi kuin pienemmällä ajoneuvolla, joten kyseistä ajoneuvoa on ladattava useammin tai suuremmalla teholla. Yksityisen henkilön sähköajoneuvon latauspaikkana voi olla oma asuinalue, julkinen tai kaupallinen latauspaikka. Kotitalouspistokelatauksessa tehot ovat pieniä ja latausajat pitkiä ilman erillistä latausasemaa. Julkisella ja kaupallisella latausasemalla lataustehot voivat olla suurempia, jolloin lataustapahtuman kesto lyhenee. Kotitalouslatauksessa hinnoittelu perustuu Suomessa asiakkaan kotitalouden sähkösopimukseen. Julkisilla latausasemilla hinnoittelu voi olla maksuton. Kaupallisilla latausasemilla hinnoitteluperiaate voi olla esimerkiksi kulutukseen, aikaan tai kertamaksuun perustuva 20 (United States Department of Energy, US DOE 2014). Minuuttiperusteisella latauspalvelun hinnoittelumallilla on huomattu olevan positiivia vaikutuksia pikalatauspalvelun saatavuuteen ja käytön tehokkuuteen (Fortum 2015). Sähköajoneuvon latauksen vaikutuksia ja latauskäyttäytymistä on tutkittu muun muassa Yhdysvalloissa (US DOE 2014). Tutkimuksessa käsiteltiin kuuden eri osavaltion tuloksia sähköajoneuvohankkeista. Yhtenä tutkimisalueena hankkeessa (US DOE 2014) oli sähköajoneuvon lataustietojen analysointi ja latauskäyttäytymisen mallin selvittäminen. Latauskäyttäytymistutkimuksessa (US DOE 2014, s.8-9) tarkasteltavana oli yli 300 kotitalouslatausasemaa, 188 julkista latausasemaa ja 114 kaupallista latausasemaa. Kuvassa 2.14 on latausenergioiden jakautuminen päivän tunneille Progress Energyn omistamassa verkossa, kun lataustapahtumien hinnoittelu oli aikaperusteinen ja ohjaamaton. Kulutus (kWh) 1 0,8 0,6 Ohjaamaton hinnoittelu Aikaperusteinen hinnoittelu 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Kellonaika (h) Kuva 2.14. Aikaperusteisesti ja ohjaamattomasti hinnoitellun sähköajoneuvolatauksen tuntikohtaiset kulutukset. (Muokattu lähteestä US DOE 2014, s. 11) Progress Energyn verkossa huippukuormatunnit kaiken kuormituksen osalta kohdistuivat aikavälille 10:00 – 20:00. Aikaperusteisesti hinnoittelussa latauspalvelussa ajoneuvoa ladattiin pääosin huippukuormatuntien ulkopuolella, edullisemman hinnoittelun takia. Suurin osa ohjaamattomasti hinnoitellusta kulutuksesta sijoittui klo 16:00 – 02:00 väliselle ajalle. Keskimäärin kaupallisilla latausasemilla ladattiin yhtä ajoneuvoa noin 6,9 kWh päivän aikana. Vaihteluväli kulutukselle näillä latausasemilla oli suuri, noin 4,8 kWh. Kotitalouksissa sähkön käyttö päivän ajalta oli noin 7,1 kWh, mutta vaihteluväli oli huomattavasti pienempi kaupallisia latausasemia pienempi. (US DOE 2014, s. 14) Lisäksi tutkimuksessa huomattiin, että latauskäyttäytymisessä on eroja (US DOE 2014, s. 15) arkipäivien ja viikonlopun välillä. Kuvassa 2.15 on asuinalueiden sähköajoneuvon latauksen sähkönkäyttö tunneittain viikon ajalta. 21 Kulutus (kWh) 0,7 Keskiarvo 0,6 0,5 Arkipäivä Viikonloppu 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Kellonaika (h) Kuva 2.15. Progress Energyn mittaustiedosta muodostettu sähköajoneuvon kuormamalli arkipäivinä, viikonloppuisin ja koko viikon keskiarvo. (Muokattu lähteestä US DOE 2014, s. 15) Tutkimuksen (DOE 2014, s. 10) kotitalouslataus tapahtui kolmivaiheisesti 240 V:n jännitteellä. Mikäli tuloksia vertaillaan Suomen jakeluverkoissa hybridiajoneuvoille tehtyyn tutkimukseen (Rautiainen et al. 2013, s. 4), ovat yksittäisen ajoneuvon vaikutukset samaa suuruusluokkaa molemmissa tutkimuksissa. Samassa tutkimuksessa huomattiin myös sähköajoneuvojen latauksen kasvattava vaikutus muuntajien ja lähtöjen huippukuormituksiin jakeluverkossa. Tutkimuksen (Rautiainen et al. 2013, s. 5 - 6) arvion mukaan huippukuormitusten kasvua on mahdollista pienentää ohjaamalla kuormitusta yöajalle. Vaikutukset jännitteen laskuun olivat pieniä. Tutkimuksessa ei kuitenkaan otettu huomioon lämpötilan mahdollisia vaikutuksia. Sähköhenkilöajoneuvon kulutus riippuu muun muassa ajosyklistä, lämmityslaitteesta, ajoalustasta, ajoneuvon aerodynamiikasta sekä ajoneuvon massasta. Sähköajoneuvon ajoalustan, ajosyklin ja lämmityslaitteen vaikutusta energiankulutukseen on tutkittu (VTT 2014, s. 24 - 30) laboratorio-olosuhteissa. Ajosyklillä tarkoitetaan ajoneuvon nopeutta ajetun matkan ajan. Ajosykli voi käytännössä olla maantieajoa, kaupunkiajoa tai haja-asutusalueella ajoa. Laboratoriomittaukset tehdään tavallisesti dynamometrin avulla. Tutkimuksessa (VTT 2014, s. 27) havaittiin, että ajoalustalla on pieni vaikutus kokonaiskulutukseen maantieajossa ja NEDC-ajosyklillä (New European Drive Cycle). Verkosta otetut tehot kasvoivat jonkin verran, kun ajoalustana oli lumi asvaltin sijaan. Kaupunkiajossa verkosta otettu teho kasvoi 20 % ajoalustan ollessa lunta. Lämmityslaitteella oli merkittävä vaikutus kokonaiskulutukseen talviolosuhteissa. Ajosyklillä oli lisäksi merkittävä vaikutus kulutukseen. Kuvassa 2.16 on tutkimuksen tulokset ajoneuvon kulutuksen riippuvuudesta suhteessa lämmityslaitteeseen ja ajosykliin. 22 Kulutus (kWh/km) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 NEDC Kulutus T = 23 °C Kulutus lämmityslaitteen kanssa T = -20 °C Artemis, Helsinki, Artemis, Suomi, Artemis, kaupunkiajo kaupunkiajo maantieajo maantieajo, moottoritie, EV EV Ajosykli Kuva 2.16. Lämmityslaitteen ja ajosyklin vaikutus sähköajoneuvon kulutukseen. (VTT 2014, s. 28) Kuvan 2.16 perusteella sähköllä toimiva lämmityslaite voi pahimmassa tapauksessa yli kaksinkertaistaa sähköajoneuvon kulutuksen. Sähköajoneuvon lämmitys sähköllä tulisi tulosten perusteella minimoida ajon aikana. Esimerkiksi sähköbussien lämmitys voidaan tästä syystä toteuttaa pienellä dieselmoottorilla. Tutkimuksen (VTT 2014) mittauksissa ei ole otettu huomioon energian siirtymistä takaisin moottorilta akulle niin sanotussa hyötyjarrutuksessa. Hyötyjarrutuksessa sähköenergiaa otetaan talteen akkuun jarrutuksissa, jolloin kilometrikohtainen kulutus pienenee. Tutkimuksen (VTT 2014a, s. 26) mukaan verkosta otettu teho voi olla keskimäärin 30 % suurempi talvella kuin kesällä. Tutkimuksen mukaan syynä kasvuun ovat renkaiden jäykistyminen, laakereiden kitkan kasvaminen ja ajoneuvon voimansiirtojärjestelmän hyötysuhteen heikkeneminen, kun lämpötila pienenee. Tutkimuksessa lataus tapahtui samassa lämpötilassa ympäristön lämpötilan kanssa. Akkuja ei lämmitetty, vaan latauslaite rajoitti virtaa pienellä lämpötilalla. Ajoneuvon sisätilaa ja akkuja voidaan lämmittää, jolloin lataus tapahtuu nopeammin. Lämmityslaitteet voivat käytännössä olla samaa suuruusluokkaa polttomoottorikäyttöisten ajoneuvojen sisätilalämmittimen kanssa. Latauslaitteen hyötysuhde on myös riippuvainen käyttölämpötilasta. Sähköajoneuvojen litium-akkuja ei tavallisesti saa ladata lämpötilan laskiessa nollan alapuolella. Rekisterissä olevan henkilöajoneuvokanta oli Suomessa 2,62 miljoonaa vuoden 2014 lopussa. Yhdellä henkilöajoneuvolla ajetaan päivittäin noin 50 km. Mikäli kilometrikohtainen kulutus kerrotaan keskimääräisellä ajosuoritteella ja sähköajoneuvojen määrällä saadaan arvio sähköajoneuvojen vaikutukselle päivän aikana. Tulos kuvaa keskimääräistä päivittäistä kuormaa. Kuormitusvaihtelun aikaan saamiseksi päivittäinen latauskäyttäytyminen yksittäiselle ajoneuvolle on tunnettava. Järjestelmätasolla vaikutukset riippuvat sähköajoneuvojen penetraatioasteesta. Penetraatioasteella tarkoitetaan sähköajoneuvojen määrää suhteessa koko ajoneuvokantaan. Kuvassa 2.17 on henkilösähköajoneuvojen järjestelmävaikutus, mikäli sähköajoneuvojen kulutuskäyttäytyminen vastaa kuvaa 2.15, ajosykli vastaa kuvan 2.16 Suomen maantieajoa ja keskimääräinen päivittäinen ajosuorite on 50 km. 23 Kulutus (MWh) 30 25 10000 sähköajoneuvoa 20000 sähköajoneuvoa 20 30000 sähköajoneuvoa 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Kellonaika (h) Kuva 2.17. Arvio sähköajoneuvon latauksen verkkovaikutuksesta sähköenergian kulutuksen kannalta eri penetraatioasteilla, kun ajosyklinä on Suomen maantieajo. Pienimmällä sähköajoneuvomäärällä päivän aikainen järjestelmävaikutus olisi noin 94,5 MWh, 20 000 ajoneuvolla kaksinkertainen (189 MWh) ja 30 000 kolminkertainen (284 MWh). Vaikutus on suurimmillaan klo 16:00 ja 02:00 välisenä aikana. Huipputunteina sähköenergian kulutus kasvaa suurimmillaan noin 26 MWh latauksen takia. Pienimmillään vaikutus on aamutunteina, jolloin lataus vaikuttaa muutaman megawattitunnin verran. Mikäli lataustehoa voitaisiin käyttää sähkövoimajärjestelmän reservinä, on sitä oltava saatavissa hyvin nopeasti. Jos tarve on huippukuormatuntien aikana, on reserviä todennäköisesti saatavissa. Sähköajoneuvoja tulee olla merkittävä määrä, jotta sen potentiaalinen reservivaikutus järjestelmään on huomattavissa. 24 3 SÄHKÖVOIMAJÄRJESTELMÄN TAAJUUSOHJATTAVAT RESERVIT Tässä kappaleessa käydään läpi voimajärjestelmän dynamiikkaa taajuusvaihteluiden ja taajuushäiriöiden osalta tutkittavan voimajärjestelmän käyttäytymisen hahmottamiseksi. Uusiutuvien energialähteiden kapasiteettien oletetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, joten lisäksi esitellään tuulivoiman ja aurinkosähkön vaikutuksia voimajärjestelmän dynamiikkaan. Myös taajuuden säätöön liittyvät reservilajit käydään läpi. Lisäksi voimajärjestelmän varavoimakoneita esitellään. Voimajärjestelmien häiriötä esitellään lyhyesti. Häiriötilanteet ovat olennaisia työssä käytettävien häiriöreservien näkökulmasta. Häiriötilanteiden vasteet antavat suuntaviivoja sille, millaisia haasteita ne asettavat verkon reserveille ja niiden toteutukselle. 3.1 Sähkövoimajärjestelmän stabiilisuus Yksittäinen vikatilanne sähköverkossa ei saa aiheuttaa koko järjestelmän stabiiliuden menetystä. Sähkövoimajärjestelmän stabiilisuudella tarkoitetaan järjestelmän kykyä palautua takaisin normaalitilaan häiriön jälkeisestä tilanteesta. Epästabiilius tarkoittaa vastaavasti sitä, että järjestelmä ei palaudu normaalitilaan. Mikäli järjestelmä ei palaudu vaan menee epästabiiliksi, sähkövoimajärjestelmän tahtikäytössä olevat koneet tippuvat pois tahdista. Sähkövoimajärjestelmän stabiilisuus voidaan jakaa jatkuvan tilan, dynaamiseen- ja transienttistabiilisuuteen. (Kothari & Nagrath 2003, s. 433 - 434) Sähkövoimajärjestelmän jatkuvan tilan stabiilisuudella tarkoitetaan sähkökoneiden kuormitusten maksimirajojen määrittelemistä siten, ettei tahtikäyttöä menetetä. Sähkövoimajärjestelmän dynaamisella stabiilisuudella tarkoitetaan järjestelmän kykyä selviytyä muutoksista ja häiriöistä järjestelmässä. Muutostilanne voi olla esimerkiksi kuorman muutos. (Kothari & Nagrath 2003, s. 433 - 434) Transienttistabiilisuuteen voidaan vaikuttaa esimerkiksi pienentämällä verkon ja generaattoreiden reaktansseja. Reaktanssia voidaan pienentää valitsemalla muuntajan reaktanssi pieneksi, sarjakompensoinnin avulla ja rakentamalla rinnakkaisia johtoja. Kuormituksen dynamiikka vaikuttaa myös transienttistabiilisuuteen. Myös FACTS-laitteiden (Flexible alternating current transmission system) avulla voidaan vaikuttaa verkon stabiilisuuteen. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) määrittelee FACTS-laitteet tehoelektroniikkaan tai staattisiin säätimiin perustuviksi järjestelmiksi, joilla voidaan parantaa verkon säädettävyyttä ja kasvattaa verkon tehonsiirtokykyä (IEEE 1997). 25 3.1.1 Tahtigeneraattorit Tahtigeneraattorit tuottavat sähkötehoa muuttamalla mekaanista tehoa sähköiseksi. Tahtigeneraattorit voidaan jaotella rakenteensa perusteella avonapageneraattoreihin ja umpinapageneraattoreihin. Tahtigeneraattorien roottoreiden pyörittämiseen vaadittava mekaaninen energia tuotetaan turbiineilla. Turbiinit voidaan jaotella höyry- ja vesiturbiineihin. Sekä turbiinit että generaattorit vaativat omat säätöjärjestelmät. Magnetointipiirin avulla säädetään generaattorin magnetointivirtaa. Turbiinisäädön avulla säädetään turbiinin toimintaa. Usean koneen järjestelmissä on tavallista, että järjestelmä sisältää PSS-lisästabilointipiirin (Power system stabilizer). Lisästabilointipiirin tehtävä on vaimentaa järjestelmän roottoreiden matalataajuisia eli järjestelmätaajuisia ja konekohtaisia heilahteluja. Kuvassa 3.1 on lohkokaavio generaattorin osajärjestelmistä. Kuva 3.1. Vesivoimalan tahtigeneraattorijärjestelmä, jossa on lisästabilointi ja automaattinen tuotannon säätö (Automatic Generation Control, AGC). (Perustuu lähteisiin IEEE 1992; IEEE 2006) Vesiturbiinin tehtävä on välittää mekaaninen teho generaattorin roottorille niitä yhdistävän akselin kautta. Vesiturbiinien turbiinisäätö voi olla mekaanis-hydraulinen, sähkö-hydraulinen (PID) tai muu säätöteoriaan perustuva järjestelmä. Turbiinisäätäjän sisäänmenoina ovat generaattorin roottorin pyörimisnopeus ja pyörimisnopeuden asetusarvo. PID-turbiinisäädön ulostuloina on turbiinin portin asento. Inertialla tarkoitetaan aineen kykyä pysyä levossa tai kykyä ylläpitää nopeutensa, mikäli siihen ei kohdistu ulkopuolista voimaa. Tahtigeneraattorin roottoriin on varastoitunut suuri määrä liike-energiaa. Kun tuotanto koostuu pyörivistä tahtigeneraattoreista, pyörivien massojen liike-energia määrää verkon taajuuden dynamiikan. 26 Tahtigeneraattorin roottorin dynamiikkaa voidaan mallintaa heilahteluyhtälön avulla. Heilahteluyhtälö voidaan ilmaista tehojen avulla olettamalla, että roottorin pyörimisnopeus säilyy lähes vakiona synkronisella pyörimisnopeudella. Heilahteluyhtälö on tehomuodossa yhtälössä 3.1. (Kothari & Nagrath 2003, s. 433) = − , (3.1) missä on koneen inertiavakio, on järjestelmän taajuus, δ on roottorin kulmaero suhteessa synkroniseen koordinaatistoon, on mekaaninen teho ja on tahtigeneraattorin sähköteho. Heilahteluyhtälön (3.1) avulla ilmaistaan roottorin kulmakiihtyvyyden riippuvuutta mekaanisesta tehosta, tahtigeneraattorin sähkötehosta ja inertiasta. Yhtälöllä (3.1) mallinnetaan yksittäistä konetta, mutta vastaavalla tavalla voidaan mallintaa useita tahtigeneraattoreita sisältävä järjestelmä. Usean koneen yhteisvaikutus voidaan mallintaa laskemalla koneiden inertioiden ja tehojen vaikutukset yhteen. Heilahteluyhtälössä (3.1) on oletettu, että mekaaninen teho säilyy vakiona transientin ajan. Lisäksi roottorin pyörimisnopeus oletetaan yhtälössä (3.1) lähes vakioksi transientin ajan. Heilahteluyhtälö (3.1) ei myöskään ota huomioon vaimennuskäämitysten vaikutusta. Käytännön järjestelmissä tahtikoneen pyörimisnopeutta, momenttia ja magnetointia säädetään. Jos säätö ei ole stabiili, siihen kytkeytyvä generaattori ei pysy tahtikäytössä. Säätöjen viirtyksen pitää mahdollistaa generaattorin käyttö verkossa ja yksittäisten säätöjen tukea järjestelmän stabiilisuutta. Todellinen järjestelmä sisältää turbiinisäädön sen sijaan, että mekaaninen teho säilyisi vakiona. Turbiinisäädöllä saadaan aikaan stabiloiva vaikutus järjestelmään. Magnetointisäätäjän vaikutusta ei myöskään oteta huomioon, vaan sähkömotorinen voima oletetaan vakioksi. Stabiileiksi viritetyillä säätöjärjestelmillä on yleensä vakauttava vaikutus järjestelmään. Toisaalta säätöjärjestelmillä voi olla negatiivinen vaikutus kulmastabiilisuuteen. 3.1.2 Tuulivoima ja aurinkoenergia verkon reserveinä Tuulivoiman määrä on ollut voimakkaassa kasvussa Pohjoismaissa viime vuosina. Pohjoismaiden yhteenlaskettu asennettu tuulivoimakapasiteetti oli vuoden 2014 lopulla 11,6 GW (The European Wind Energy Association 2015). Tarve uusiutuvalle energialle pohjautuu päästötavoitteisiin. Mikäli vanhaa tahtikoneilla tuotettua energiaa korvataan tuulivoimalla, voimajärjestelmän inertia myös pienenee. Inertia pienenee, koska tuulivoimalaa ei liitetä suoraan verkkoon. Tuulivoimalat eivät osallistu suoraan taajuuden säätöön. Käytännössä modernin tuulivoimalan generaattori on tyypiltään joko kaksoissyötetty induktiogeneraattori tai kestomagnetoitu tahtigeneraattori. Kaksoissyötetty induktiogeneraattori syöttää suurimman osan tehostaan suoraan verkkoon muuntajan välityksellä. Loput tehosta syötetään tasa- ja vaihtosuuntaajan kautta. Kestomagnetoidulla 27 tahtimoottorilla varustettu tuulivoimala syöttää kaiken tuotetun tehon suuntaajien välityksellä. Kuvassa 3.2 on kaksoissyötetyn epätahtigeneraattorilla varustetun tuulivoimalan lohkokaavio. Kuvassa 3.3. on kestomagnetoidulla tahtigeneraattorilla varustetun tuulivoimalan lohkokaavio. Kuva 3.2. Tuulivoimala kaksoissyötetyllä epätahtigeneraattorilla. Kuva 3.3. Tuulivoimala kestomagnetoidulla tahtigeneraattorilla. Kuvassa 3.3 vaihdelaatikko on merkitty katkoviivalla, koska sitä ei välttämättä tarvita suuntaajien ja kestomagneettikoneen ansiosta. Koska tuulivoimalat eivät ole suoraan verkossa, ne eivät voi osallistua suoraan taajuudensäätöön koneiden todellisten inertioiden avulla. Tuulivoimaloiden määrän kasvaessa niiden osuus kaikesta tuotannosta kasvaa. Tuulivoimalla tuotettu teho on riippuvainen tuulennopeudesta ja tuulen saatavuudesta. Tuulen teho kasvaa kuutiollisesti verrattuna tuulen nopeuteen. Tuulen nopeuden kaksinkertaistuminen vastaa siten tuulen tehon kahdeksankertaistumista. Tuuliturbiinin lapojen pyörimisnopeus on kuitenkin rajallinen, joten lapojen pyörimisnopeutta joudutaan rajoittamaan myrskytuulien varalta. Tuulettomassa säässä tuulivoimala ei tuota tehoa. Tuulivoimalan roottorin lapaan on varastoitunut merkittävä määrä liike-energiaa. Tuulipuiston turbiinien pyörivien massojen inertia voi olla verkon kannalta merkittävän suuri. Tuulivoimalat eivät kuitenkaan ole suoraan liitettyinä sähköverkkoon, joten roottorien lapojen sisältämää inertiaa ei voida suoraan hyödyntää. Tuotettua tehoa voisi mahdollisesti hyödyntää sähköverkon taajuussäädössä, mikäli tarkastelua laajennetaan synteettisen inertian avulla. Synteettisellä inertialla tarkoitetaan tuulivoimalan roottorin lapaan varastoitunutta inertiaa, jota hyödynnetään taajuuden tuennassa. Taajuuden säätö olisi potentiaalisesti mahdollista, jos osa saatavissa olevasta tehosta pidetään reservinä mahdollisten häiriöiden varalta. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että synteettistä inertiaa tarjoava tuulivoi- 28 mala ei toimi täydellä teholla verkon normaalissa käyttötilanteessa. Tutkimuksen (Gonzalez-Longatt et al. 2013) mukaan synteettisen inertian avulla voidaan hidastaa häiriön seurauksena tapahtuvaa taajuuden muutosta. Taajuudenmuutoksen hidastuminen tarjoaa lisää aikaa taajuuden säätöön osallistuville turbiinisäätimille. Tuulivoimaloiden synteettisen inertian avulla voidaan viivästyttää verkon reservinä toimivien reservien toimintaa, mutta se ei poista niiden tarvetta. Raportin (European Photovoltaic Industry Association 2014, s. 24) mukaan voimajärjestelmään liitettyä aurinkosähkökapasiteettia on Pohjoismaissa Tanskaa lukuun ottamatta hyvin vähän. Syynä yleistymisen hitauteen on ollut viime vuosiin asti aurinkosähköjärjestelmien suuret kustannukset. Toisaalta esimerkiksi Ruotsissa asennettu aurinkosähkökapasiteetti on ollut kasvussa viime vuosina. Aurinkoenergian tuotanto on riippuvainen muun muassa pilvisyydestä ja auringonsäteilyn intensiteetistä. Talvella aurinkopaneelien tuottoa pienentää valon niukkuus, mahdollisesti lumi ja jää. Aurinkosähköjärjestelmät yhdessä akkujen kanssa mahdollistavat energian lyhytaikaisen varastoinnin. Energiavarasto on hyödyllinen, koska vain osa aurinkosähköjärjestelmien asennetusta kapasiteetista on kytkettynä sähkövoimajärjestelmään Suomessa. Aurinkosähköjärjestelmät ovat nykyään entistä kilpailukykyisempiä muiden tuotantomuotojen kanssa, joten niiden yleistyminen on todennäköistä. Suomessa ei ole toistaiseksi niin paljoa aurinkosähkökapasiteettia, jotta sillä olisi vaikutuksia voimajärjestelmään. Kapasiteettia tulisi hallita aggregoituna, jotta sen avulla voitaisiin osallistua käyttöreservimarkkinoille. Voimajärjestelmään kytketty aurinkosähkökapasiteetti on kuitenkin kasvussa. Julkaisun (Huvilinna 2015) mukaan aurinkosähkökapasiteettia olisi mahdollista hyödyntää järjestelmätasolla taajuuden pitämisessä normaalialueella, jolloin energiavarastona toimiva akku syöttäisi tehoa verkkoon päin. Tehoelektroniikka mahdollistaa akulta verkkoon päin syötetyn tehonsäädön virta ja jännitesäätimien, modulointimenetelmien ja mikropiirien avulla. Ensimmäisiä pilottiprojekteja on käynnissä (Caterva 2015), joissa energiavarastoja hyödynnetään verkon vakautusreserveinä. Pilottiprojektissa 65 energiavarastoasennuksena toimivaa 21 kWh litiumioni-akkuvarastoa on eri puolilla Saksalaisen N-ERGIE-yrityksen omistamaa jakeluverkkoa. Pyörivät kuormat ovat tavallisesti tehoelektroniikan takana säädettävyyden, turvallisuuden ja sähkön laadun takia. Ne eivät tarjoa verkolle reservikapasiteettia pyörivien massojen kautta. Tehoelektroniikkaa on hyödynnetty jo vuosikymmeniä moottorien suojaukseen, käynnistyksen ja sammutuksen aikaisten ilmiöiden vaimentamiseen. Suoraan verkkoon kytketyillä moottoreilla on vaikeuksia selvitä erilaisista muutostilanteista verkossa. Esimerkiksi moottorin suorassa käynnistyksestä aiheutuvat virta- ja momenttipiikit aiheuttavat suuria rasituksia kuormalle. 3.2 Taajuusohjattavat reservilajit Taajuuden pitäminen normaalialueella vaatii säätötoimenpiteitä päivittäin. Kuormituksen ja tuotannon päivittäiset vaihtelut aiheuttavat sen, että taajuus voi vaihdella normaa- 29 lialueella 49,9 Hz – 50,1 Hz. Toisaalta häiriötilanteessa taajuus voi poiketa merkittävästi normaalitilanteen arvosta. Suurin osa häiriöreservistä, käyttöreservistä ja taajuudenhallintareservistä on vesivoimakoneita. Lisäksi reservinä on lauhdevoimaa, relekytkettyjä kuormia ja seisovia varavoimakoneita. Reservien avulla hallitaan verkon tuotannon ja kuormituksen tasapainotilaa. Reservit aktivoituvat tai niitä aktivoidaan, kun tasapainotilassa on ollut riittävän pitkään tarpeeksi suuri taajuuspoikkeama. Reserveillä pyritään pitämään verkon tila normaalina tai palauttamaan verkon tila normaaliksi. Reservit voidaan jakaa taajuusohjattuun käyttöreserviin, taajuusohjattuun häiriöreserviin, automaattiseen taajuudenhallintaan, säätösähkömarkkinoihin ja nopeaan häiriöreserviin. Kuvassa 3.4 on käytössä olevat reservilajit Suomessa. Reservien ylläpitovelvoitteet sovitaan Suomen, Ruotsin, Norjan ja Itä-Tanskan välisesti. Ylläpitovelvoitteet määritellään Pohjoismaiden järjestelmävastaavien välisellä käyttösopimuksella. (Fingrid 2015b) Kuva 3.4. Reservilajit Suomessa. (Fingrid 2015b) Taajuuden vakautusreservejä (FCR, Frequency Containment Reserve) hyödynnetään taajuuden jatkuvassa hallinnassa. Taajuuden vakautusreservit koostuvat taajuusohjatusta häiriöreservistä (FCR-D, Frequency containment reserve for disturbances) ja taajuusohjatusta käyttöreservistä (FCR-N, Frequency containment reserve normal). Vakautusreservit ovat taajuuden muutoksista automaattisesti aktivoituvia pätötehoreservejä. Taajuusohjatun käyttöreservin avulla taajuus pyritään pitämään 49,9 Hz - 50,1 Hz välillä. Taajuusohjatun häiriöreservin avulla taajuus pyritään pitämään vähintään 49,5 Hz:ssä. (Fingrid 2015b) Taajuuden palautusreservien (Frequency Restoration Reserve, FRR) tarkoitus on saada taajuus takaisin normaalialueelle ja vapauttaa aktivoituneet taajuuden vakautus- 30 reservit takaisin käyttöön. Taajuuden palautusreservit koostuvat taajuudenhallintareservistä (FRR-A), säätösähkömarkkinoista ja nopeasta häiriöreserveistä (FRR-M). Fingrid Oyj:n nopeat häiriöreservit koostuvat Fingrid Oyj:n varavoimalaitoksista, käyttösopimuslaitoksista ja irtikytkettävistä kuormista. Varavoimalaitosten teho on 935 MW, käyttösopimuslaitosten 295 MW ja irtikytkettävien kuormien 354 MW. Korvaavia reservejä (RR, Replacement Reserve) käytetään häiriötilanteiden jälkeisiä uusia vikatilanteita varten. Aikaisemmin aktivoituneet reservit asetellaan takaisin valmiustilaan korvaavilla reserveillä. (Fingrid 2015b) 3.2.1 Taajuusohjattavat reservit Suomessa taajuusohjattua käyttöreserviä ylläpidetään 140 MW, joka hetki normaalitilan taajuudensäätöä varten. Taajuuden häiriöreserviä ylläpidetään 260 MW. Automaattista taajuudenhallintareserviä ylläpidetään 70 MW ja nopeaa häiriöreserviä 880 MW. Yhteisesti ylläpidettävä reservi jakaantuu pohjoismaiden kantaverkkoyhtiöiden kesken maiden käyttämien vuosienergioiden suhteen mukaan. (Fingrid 2015b) Taajuusohjattua häiriöreserviä ylläpidetään niin paljon, että esimerkiksi suuren tuotantoyksikön irtoaminen verkosta ei aiheuta taajuuspoikkeamaa, joka on suurempi kuin 0,5 Hz. Koko Pohjoismaisen järjestelmän reservin suuruus on suurimman yksittäisen vian aikana irtoava tuotanto vähennettynä järjestelmän luonnollisella säätökyvyllä, joka on teholtaan 200 MW. Vaadittava reservi määritellään viikoittain. Normaalissa käyttötilanteessa pohjoismaissa ylläpidetään yhteensä 1200 MW taajuusohjattua häiriöreserviä. (Fingrid 2015b) Automaattista taajuudenhallintareserviä (FRR-A) ylläpidetään vuonna 2015 Pohjoismaissa 300 MW aamu-, ilta- ja vuorokauden vaihdetunneilla. Maakohtaiset velvoitteet on jaettu vastaavasti kuin taajuusohjatun reservin kohdalla. (Fingrid 2015b) 3.2.2 Taajuushäiriöt kantaverkossa Sähköverkon häiriöllä tarkoitetaan sähköverkon normaalitilanteesta poikkeavaa tilaa. Normaalissa käyttötilanteessa sähköverkon taajuus pysyy lähellä nimellistä. Suurin osa kantaverkon häiriöistä on ukkosesta tai muusta syystä aiheutuvia ohimeneviä hetkellisiä katkoksia. Nopeat ohimenevät viat korjautuvat usein jälleenkytkennöillä. Kantaverkossa tapahtuvat häiriöt tilastoidaan Fingridin toimesta. Kuvassa 3.5 on kaikkien häiriöiden lukumäärät vuosittain. Vuonna 2014 oli 485 häiriötä, joista 354 kpl oli kantaverkossa. Yleisimpiä kantaverkon häiriöiden aiheuttajia ovat ukkonen, eläimet, kunnossapito ja luonnonilmiöt. (Fingrid 2015c) Häiriöt voivat aiheuttaa taajuusheilahteluja. Esimerkiksi 30.6.2014 Alankomaiden ja Norjan välillä oleva HVDC-siirtoyhteys (High Voltage Direct Current, suurjännitteinen tasasähköyhteys) irtosi viennistä. Irtoavan tehon suuruus oli 700 MW. Irtoamisen seurauksena Suomen kantaverkon taajuus heilahti välillä 49,89 Hz – 50,33 Hz. Alimmillaan Suomen kantaverkon taajuus oli vian seurauksena 49,89 Hz. (Fingrid 2014) 31 Myös häiriöstä aiheutuvat saareketilanteet ovat mahdollisia. Saarekekäytössä voimajärjestelmän kyky selviytyä vioista on huonompi verrattuna normaalitilaan. Saareketilanteet ovat harvinaisia Suomessa. Kuvassa 3.5 on Pohjoismaiden ja Suomen taajuus, kun Suomen verkko oli saarekkeena lyhyen ajan 10.8.2009. Kuva 3.5. Suomen ja Pohjoismaiden voimajärjestelmien taajuus Suomen saarekekäytön aikana 10.8.2009 klo 17:50 – 17:55. (Fingrid 2009a) Kuvan 3.5 saareketilanne oli seuraus ukkoshäiriöstä Suomen ja Ruotsin välisellä Petäjäskoski-Letsi johdolla. Suomen voimajärjestelmän taajuus kävi alimmillaan 49,3 Hz:ssä. Pohjoismaiden taajuus vastaavasti kasvoi hetkellisesti saareketilanteen alkuhetkellä. Tehotasapaino palautettiin taajuusohjattujen reservien, Fenno-Skan 1 tehonsäädön ja säätösähkömarkkinoiden avulla. Saarekekäytön kesto oli noin 5 minuuttia. (Fingrid 2009b) 32 4 SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUSLAITTEIDEN SIMULOINTIMALLI Tässä kappaleessa esitellään yksinkertaisia sähköajoneuvon latauslaitetopologioita sekä luodaan topologioiden ja niitä kuvaavien yhtälöiden avulla simulointimalli ohjattavalle ajoneuvojen latauslatteiden aggregoidulle mallille. Aggregoidulla sähköajoneuvon latauslaitemallilla tarkoitetaan usean samanaikaisen sähköajoneuvon latauksen yhteisvaikutusta. Latauslaitteiden yhteistoiminta on toivottavaa johtuen minimireservikapasiteetista, jonka Fingrid on määritellyt tarjottavalle reserville. Latauslaitteista esitellään muutamia esimerkkejä sekä yksi että kolmivaiheisista latausratkaisuista. Kolmivaiheinen latauslaitemalli valitaan ja perustellaan simulointitulosten avulla. Kaikki simulointimallit rakennetaan PSCAD-simulointiympäristöön. Aggregoidulle latauslaitemallille suunnitellaan taajuusohjaus, jonka avulla sitä voidaan käyttää verkon taajuusohjattavana häiriöreservinä. Taajuuden mittausmenetelmä valitaan ja valitun taajuusohjauksen toimintaperiaate esitellään. 4.1 Sähköajoneuvon latauslaitteiden suuntaajat 4.1.1 Kolmivaiheiset suuntaajat Verkkosuuntaajia on sekä yksivaiheisina sekä kolmivaiheisina. Kolmivaiheisen rakenteen hyviä puolia yksivaiheiseen nähden on siirrettävän pätötehokapasiteetin kolminkertaistuminen ja kuorman jakautuminen tasaisesti kaikille vaiheille. Kolmivaiheiset suuntaajat voidaan jaotella kaksi ja useampitasoisiin suuntaajiin. Kaksitasoisen suuntaajaan hyötynä ovat sen suhteellisen yksinkertainen rakenne ja alhaiset kustannukset. Toisaalta yksinkertainen rakenne aiheuttaa ongelmia verkkoon harmonisten yliaaltojen kannalta. Suodatinkela voidaan joutua mitoittamaan kohtuuttoman suureksi, jolloin suodatuksen kustannukset toisaalta kasvavat. Lisäksi kaksitasoisten suuntaajien yksittäisiin puolijohdekomponentteihin voi kohdistua suuria jänniterasituksia. Kuvassa 4.1 on LC-suotimen avulla verkkoon liitetty PWM-tasasuuntaaja (Pulse width modulation). Kuvan suuntaaja mahdollistaa kaksisuuntaisen tehonsiirron, mikäli tasajännitteen polariteettia voidaan vaihtaa. LC-suotimen tehtävä on suodattaa tasasuuntaajan aiheuttamia yliaaltoja. Verkko on mallinnettu kuvassa ideaaliseksi jännitelähteeksi. Tasasuuntaajan tasajännite riippuu käytettävästä säätömenetelmästä. Tasajännitteen on oltava riittävän suuri verkon pääjännitteisiin nähden. Kuvan 4.1 rakenne on luonteeltaan jännitettä nostava. Rakenne tunnetaan myös aktiivisena tasasuuntaajana (Active PFC) sen säätöominaisuuksien takia. Rakennetta voidaan hyödyntää verkon puoleisena 33 suuntaajana sähköajoneuvon latausjärjestelmissä. Rakenne mahdollistaa tasajännitteen ja verkosta otettujen virtojen säädön. Erilaisia kuvan 4.1 rakenteeseen perustuvia säädettäviä kolmivaiheisia tasasuuntaajakonsepteja on esitelty paljon kirjallisuudessa (Rong & Chen 1994; Vlatkovic & Borojevic 1994; Cichowlas et al. 2003). Mainittujen konseptien modulointimenetelmistä yleisin on avaruusvektorimodulointi SVPWM (Space vector pulse width modulation). Avaruusvektorimodulointiin perustuvassa säädössä kytkinkomponenttien tilaa ohjataan digitaalisesti mikroprosessorien ja mikrokontrollerien avulla. Kytkinkomponenttien kytkentätilojen ja kytkentätilojen kestojen yhdistelmillä muodostetaan jännitteen asetusarvo. Tilavektorimoduloinnissa kytkentätaajuus on vakio. Erilaisilla säätö- ja modulointimenetelmillä pyritään muun muassa vähentämään verkkovirtojenvirran yliaaltoja, vaimentamaan resonansseja, minimoimaan tarvittavien mittauslaitteiden ja komponenttien määriä. Tutkimuksessa (Friedli et al. 2014) vertailtiin kahta tyypiltään jännitettä nostavaa kolmivaiheista PWM-tasasuuntaajaa keskenään sekä kahta tyypiltään jännitettä laskevaa suuntaajaa. Tutkimuksessa vertailtiin muun muassa suuntaajakonseptien hyötysuhteita ja tehotiheyksiä. Enemmän puolijohdekomponentteja sisältävällä rakenteella oli mahdollista saavuttaa suurempi tehotiheys ja pienempi koko. Suorituskyvyt olivat samaa suuruusluokkaa vertailtaessa yksinkertaisempia suuntaajarakenteita monimutkaisempiin. Yksinkertaisella jännitettä nostavalla rakenteella suodinkela jouduttiin mitoittamaan kaksinkertaiseksi verrattuna monimutkaisempaan rakenteeseen. Suuntaajan valinnan todettiin olevan riippuvainen myös teholuokituksen suhteesta kustannuksiin. Kuva 4.1. Jännitesyötetty kaksitasoinen kolmivaiheinen PWM-tasasuuntaaja. Kolmi- ja useampitasoisilla suuntaajilla voidaan saavuttaa paremmat jännitteet ja virrat harmonisten kannalta kaksitasoisiin nähden. Haittapuolena ovat monimutkaisempi rakenne ja suuremmat kustannukset. Vaihtoehtoisesti yliaaltoja voidaan suodattaa tai hyödyntää kehittyneempiä modulaatioratkaisuja. Yksittäisiin komponentteihin ei kohdistu yhtä suuria virta- ja jänniterasituksia verrattuna kaksitasoisiin suuntaajiin. Kuvassa 4.2 on kaksitasoinen virtasyöttöinen vaihtosuuntaaja. Kuvan 4.2 vaihtosuuntaajarakenne vastaa kolmivaiheisen aurinkosähkötuotannon vaihtosuuntaajan topologiaa. 34 Verkon puolella on L-suodin suodattamassa virtoja. Suuntaajan puolella on virtalähde, jonka kanssa on rinnan kondensaattori. Kondensaattorin tehtävä on vaimentaa jänniteheilahteluja. Resistanssin tehtävä on vastaavasti vaimentaa resonanssin vaikutuksia. Resonanssi aiheutuu sillä taajuudella, kun verkon puolella olevan kelan reaktanssi on yhtä suuri kondensaattorin reaktanssin kanssa. Mallin komponenttien parametrien valinnassa on otettava huomioon koko järjestelmän dynamiikka. Järjestelmän ja siihen liitettyjen säätöjärjestelmien on oltava stabiileja. Vaihtosuuntaajan tasajännitepuolella on lisäksi tavallisesti tasajännitemuuttaja. Kuva 4.2. Kaksitasoinen virtasyöttöinen vaihtosuuntaaja. (Muokattu lähteestä Messo 2014, s. 33) Julkaisussa (Yu et al. 2010) vertailtiin erilaisten kaksisuuntaisen tehonsiirron mahdollistavia tasajännitemuuttajatopologioita keskenään. Vertailussa oli sekä kaksi että kolmitasoisia tasajännitemuuttajia. Vertailtavien topologioiden hyötysuhteet vaihtelivat akun jännitteen suhteen 91 % - 98 % välillä. Vertailussa kolmitasoisen topologialla saavutettiin paras hyötysuhde, joka oli noin 2 % - 3 % suurempi kuin puoliaaltosuuntaajalla. Vastaavasti kuin tutkimuksessa (Friedli et al. 2014) suodinkelan induktanssin arvo oli huomattavasti suurempi puoliaaltosuuntaajalla verrattuna kolmitasoiseen suuntaajaan. Kuvassa 4.3 on kaksitasoisen puoliaaltosillan ja kolmitasoisen DC/DC-suuntaajan topologiat. (a) (b) Kuva 4.3 Kaksitasoisen puolisuuntajasillan (a) ja kolmitasoinen suuntaajasillan (b) topologiat. (Muokattu lähteestä Yu et al. 2010) DC-DC- 35 Kuvan 4.3 topologia voidaan liittää vaihtosuuntaajan tasajännitepuolelle. Rakenne mahdollistaa yhdessä säätöjärjestelmän kanssa virtasäädön. Kuvassa 4.4 on geneerisen yksivaiheisen sähköajoneuvon latausjärjestelmän rakenne. Topologia on tarkoitettu hitaaseen lataukseen. Akkua syötetään kuvassa tasajännitteellä ja verkonpuoleisen verkon ja muuntajan välissä on LC-tyyppinen suodin. Kuva 4.4. Geneerisen yksivaiheisen hitaan latausaseman topologia. Erilaisia sähköajoneuvon lataustopologioita on vertailtu kirjallisuudessa (Yilmaz et al. 2013). Tutkimuksen (Yilmaz et al. 2013) mukaan on todennäköistä, että yksisuuntaisen tehonsiirto on yleisempää tulevaisuudessa, vaikka lataustopologiat voivat mahdollistaa tehonsiirron myös verkkoon. 4.1.2 Vaihtosuuntaajan modulointimenetelmät ja säätö Suuntaajan modulointimenetelmät voidaan jakaa avoimen silmukan modulointimenetelmiin ja suljetun silmukan modulointimenetelmiin. Suljetun silmukan modulointimenetelmissä modulointi sisältää takaisinkytkennän. Suljetun silmukan PWM:n etuna avoimen silmukan PWM:n on virtasäädön tarkkuus, huippuvirtasuojaus, parempi ylikuormitussietoisuus ja erinomainen dynamiikka. Lisäksi voidaan kompensoida kuormituksen muutoksien vaikutuksia, puolijohdekomponenttien jännitehäviöitä ja kuollut aika suuntaajassa. Jännitemuutoksia voidaan kompensoida sekä vaihtojännite että tasajännitepuolella. (Kazmierkowski et al. 2002, s. 114) Perusvaatimuksena moduloinnille ja suorituskyvylle ovat (Kazmierkowski et al. 2002, s. 115) mukaan · Ei vaihe ja amplitudivirheitä laajalla taajuusalueella · Nopea dynaaminen järjestelmävaste · Rajoitettu- tai vakiokytkentätaajuus, jotta suuntaajan puolijohdekomponentit toimivat turvallisella alueella · Vähän harmonisia yliaaltoja · Hyvä tasajännitteen hyödyntämisaste Modulointimenetelmät voidaan jakaa karkeasti tilavektorimodulointiin (SVPWM) ja sini-kolmiovertailuun (Sinusoidal pulse width modulation, SPWM). Tilavektorimodulointi perustuu suuntaajan vaihtojännitepuolen jännitteen tilavektoriesitykseen. Tilavektorimodulointi on yleistynyt voimakkaasti yksinkertaisuutensa ansiosta. 36 Kolmivaiheisen kaksitasoinen suuntaaja mahdollistaa kahdeksan eri tilaa. Tilavektorin asetusarvo muodostetaan tiloja ja niiden kytkentäaikoja yhdistelemällä siten, että haluttu asetusarvo saadaan aikaiseksi. Toisin kuin SPWM:n tapauksessa modulaattoreita on vain yksi kaikille vaiheille. Tilavektorimoduloinnin kytkentätaajuus on vakio. Tilavektorimoduloinnista on esitetty kirjallisuudessa useita erilaisia variaatioita. Modulaatiomenetelmillä pyritään muun muassa minimoimaan virran THD:tä, yksinkertaistamaan modulaation rakennetta ja kasvattamaan SVPWM:n lineaarista toiminta-aluetta. Lineaarisella toiminta-alueella tarkoitetaan aluetta, jolla modulointi-indeksi on lineaarisesti riippuvainen vaihtojännitteen tehollisarvosta. Lineaarisen alueen ulkopuolella jännitteet muuttuvat kuusipulssiksi. (Kazmierkowski et al. 2002, s. 93 - 98) 4.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen mallintaminen Sähköajoneuvon latauslaitteen mallin rakentamiseksi tutkittiin erilaisia vaihtoehtoja. Malliksi valikoitui kolmivaiheinen PWM-suuntaaja. Erilaisia säätöjärjestelmiä vertailtiin keskenään. Kolmivaiheinen tasasuuntaaja valittiin, koska kuormitus jakaantuu tasaisesti kaikille vaiheille ja koska epäsymmetriaa ei haluttu tutkia. Lisäksi kolmivaiheinen suuntaaja mahdollistaa kolminkertaisen tehon verrattuna yksivaiheiseen suuntaajaan. Yhdellä kolmivaiheisella suuntaajalla voidaan periaatteessa korvata kolme yksivaiheista suuntaajaa, jolloin simulointiohjelmalta vaadittavaa laskentamäärää saadaan pienemmäksi. Käytännössä kolmivaiheinen tasasuuntaaja kuvaa vain verkkosuuntaajan osuuden sähköajoneuvon latauslaitemallista. Vastaavalla rakenteella voidaan toisaalta kuvata myös energiavarastojen toimintaa, kun tehoa siirtyy verkkoon päin. Ensimmäiseksi määritellään mallinnettava järjestelmä. Mallintamisessa hyödynnetään kolmivaiheisen järjestelmän kaksivaiheista esitystapaa. Latauslaitteen mallinnustapa on sovellettu versio julkaisun (Messo 2014) kolmivaiheisesta aurinkovoimalan mallista. Työtä varten mallia on skaalattu ylöspäin passiivisten komponenttien, jännitteiden, virtojen ja säätöjärjestelmien osalta, jotta mallilla voidaan simuloida aggregoitua sähköajoneuvon latausta järjestelmätasolla. Mallin ymmärtämiseksi seuraavassa kappaleessa käydään läpi lineaaristen järjestelmien mallintamista tilaesityksen avulla. 4.2.1 Tilaesitys Tilaesityksen avulla voidaan mallintaa lineaarisen järjestelmän toimintaa. Lineaarisella järjestelmällä tarkoitetaan järjestelmää, joka täyttää ehdot superpositiolle ja homogeenisuudelle. Tilaesityksessä funktiot ovat ajan muuttujia ja sen muodostaminen lähtee liikkeelle tilamuuttujien valinnasta. Tilamuuttujien derivaatat ratkaistaan ja derivaatat esitetään tilamuuttujien ja sisäänmenojen avulla. Järjestelmän ulostulo esitetään vastaavasti tilojen ja sisäänmenojen avulla. Tilamuuttujien derivaattoja voidaan mallintaa aikatasossa (4.1) avulla. Järjestelmän ulostulo voidaan mallintaa vastaavalla tavalla. Yhtälössä (4.2) on ulostulon tilaesitys. 37 ̇ = + (4.1) = + , (4.2) missä on tilamuuttujavektori, on systeemimatriisi, on sisäänmenomatriisi, on sisäänmenovektori, on tilojen kerroinmatriisi, on sisäänmenojen kerroinmatriisi. Tilaesityksestä voidaan muodostaa taajuustason esitys Laplace-muunnoksella. Laplace-muunnoksella voidaan mallintaa lineaarisia differentiaaliyhtälöitä taajuustasossa. Tilamuuttujien derivaattojen Laplace-muunnos on yhtälössä (4.3). Ulostulon Laplace-muunnos on yhtälössä (4.4). ( )= ( )= ( )+ ( )+ ( ) ( ), (4.3) (4.4) missä ( ) on tilamuuttujien aikatason Laplace-muunnos, ( ) on sisäänmenojen tilamuuttujien Laplace-muunnos. Ratkaistaan yhtälöiden (4.3) ja (4.4) avulla tilamuuttujat ja sijoitetaan tämä ulostulon tilamuuttujaesitykseen (4.6). Laplace-muuttuja s on kerrottava yksikkömatriisilla, jotta kaikki suureet ovat vektori tai matriisimuodossa. Siirtämällä yhtälön (4.3) termit vasemmalle puolelle ja hyödyntämällä matriisilaskentaa saadaan yhtälö (4.5). Sijoittamalla (4.5) yhtälöön (4.4) saadaan (4.6). ( )=( − ) ( )= ( − ) ( ). + ) ( )= ( ). (4.5) (4.6) Yhtälöstä (4.6) voidaan havaita lineaarisen järjestelmän ulostulon ja sisäänmeno välinen riippuvuus taajuustasossa. Matriisilla mallinnetaan järjestelmän dynaamisia ominaisuuksia. 4.2.2 Koordinaatiston muunnos Kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan säätöjärjestelmä on toteutettu tavallisesti joko stationäärisessä koordinaatistossa tai muun järjestelmän kanssa samalla nopeudella pyörivässä koordinaatistossa. Synkronisessa koordinaatistossa suureet ovat sidottuina verkon taajuuteen. Koordinaattimuunnoksen idea on saada suureista helpommin käsiteltäviä ohjauksen tai säädön kannalta. Kolmivaiheisen symmetrisen järjestelmän vaihesuureet voidaan kuvata stationäärisessä koordinaatistossa yhtälön 4.7 avulla seuraavasti ⎡1 ⎢ = ⎢0 ⎢ ⎣ missä ja komponentit, − − ⎤ √ √ ⎥ , (4.7) − ⎥ ⎥ ⎦ ovat stationäärisen koordinaatiston toisiinsa nähden kohtisuorassa olevat , ja ovat vaihesuureita. 38 Muunnosmatriisi vaihesuureista stationäärisiin on amplitudi-invariantti Clarken muunnos. Amplitudi-invariantin muunnoksen seurauksena kolmivaihesuureiden huippuarvot vastaavat tasasuureiden amplitudeja. Stationäärisen koordinaatiston kaksivaihesuureet ( ja ) ovat sinimuotoisia. Stationäärisen koordinaatiston suureet voidaan muuttaa tasasuureiksi synkroniseen koordinaatistoon muunnosmatriisin (4.8) avulla cos( ) = −sin( ) 0 0 0 1 , (4.8) ja ovat toisiinsa nähden kohtisuoria komponentteja ja on vaihekulmaohje. Kolmivaihesuureiden, stationäärisen koordinaatiston ja synkronisen koordinaatiston komponentteja on havainnollistettu kuvassa 4.6. xa xb xc 0.5 0 -0.5 -1 0 xalfa xbeta xo 1 Amplitudi (pu) Amplitudi (pu) 1 0.5 0 -0.5 -1 0.01 Aika(s) 0.02 0 xd xq xo 1 Amplitudi (pu) missä sin( ) cos( ) 0 0.5 0 -0.5 -1 0.01 Aika(s) 0.02 0 0.01 Aika(s) 0.02 (a) (b) (c) Kuva 4.6 Kolmivaiheisen järjestelmän kolmivaihesuureet (a), Clarken amplitudiinvariantti muunnos (b) ja muunnos synkroniseen koordinaatistoon (c). Valitussa synkronisessa koordinaatistossa -komponentti saa arvon yksi ja komponentti arvon nolla. Synkronisessa koordinaatistossa komponentit ovat tasasuureita. Muunnoksen etuna on se, että säädettäviä suureita on vähemmän, jolloin säätöjärjestelmästä voidaan tehdä yksinkertaisempi. Symmetrisessä kolmijohtoisessa ja kolmivaiheisessa järjestelmässä nollavirtaa ei ole. Nollakomponenttia ei siis ole välttämätöntä mallintaa symmetrisessä järjestelmässä. Haittapuolena pyörivän koordinaatiston hyödyntämisessä on kolmivaiheisen tasa- tai vaihtosuuntaajan verkkovirtojen ristikkäisvaikutukset. Nämä ristikkäisvaikutukset tulee ottaa huomioon järjestelmän säätöä suunnitellessa. 4.2.3 Kolmivaiheisen kaksitasoisen virtasyöttöisen vaihtosuuntaajan piensignaalimalli Järjestelmän piensignaalimallin luomiseksi ratkaistaan ensin jännite ja virtalakien avulla järjestelmän kolmivaiheinen malli. Kolmivaiheisen mallin avulla muodostetaan järjestelmän keskiarvomalli. Keskiarvomallin avulla ratkaistaan järjestelmän jatkuvan tilan parametrit. Jatkuvassa tilassa tilamuuttujien derivaatat ovat nollia. Jatkuvassa tilassa tilamuuttujat, sisäänmenosuureet ja ulostulot ovat vakioita. Kun jatkuvan tilan arvot on 39 ratkaistu, voidaan muodostaa piensignaalimalli. Piensignaalimallin avulla järjestelmää kuvaavat siirtofunktiot ovat ratkaistavissa ja yhtälön (4.6) mukainen järjestelmän avoimen silmukan dynamiikkaa kuvaava matriisi voidaan ratkaista. Kuvan 4.2 mallin perusteella määritellään sisäänmenosuureet, tilamuuttujat ja ulostulomuuttujat. Sisäänmenosuureet ja ulostulosuureet ovat duaalisia keskenään. Virtasyötetyn vaihtosuuntaajan kohdalla tämä tarkoittaa sitä, että sisäänmenoina ovat tasavirta ja verkon kolmivaihejännitteet , ja . Ulostuloina ovat vastaavasti tasajännite , kolmivaiheverkkovirrat , , . Sisäänmenoiksi määritellään lisäksi pulssisuhteet , ja . Tilamuuttujiksi määritellään järjestelmän tilat, joita ovat mallinnustavassa kondensaattorin jännitteen derivaatta ja kolmivaiheisten kelavirtojen , ja derivaatat. Taulukkoon 4.1. on koottu järjestelmän sisäänmenot, tilamuuttujat ja ulostulot. Taulukko 4.1. Virtasyöttöisen vaihtosuuntaajan sisäänmenot, tilamuuttujat, ulostulot ja muut parametrit. Sisäänmenot , , , , Tilamuuttujat , , - Ulostulot , , - Parametrit L, Mallintamisen ensimmäisessä vaiheessa määritellään Kirchoffin virta- ja jännitelakien perusteella järjestelmän kolmivaiheinen malli. Kolmivaiheiset ulostulovirrat ( , , ) ovat yhtä suuria kelavirtojen ( , , ) kanssa. Sisäänmenovirta on yhtä suuri kondensaattorin virran ja kytkimeltä tulevan virran kanssa (4.9). Yhtälöstä (4.9) voidaan ratkaista kondensaattorin virta yhtälön (4.10) avulla. Tasavirtalähteen kanssa rinnan olevan kondensaattorin yli oleva jännite on yhtä suuri sisäänmenojännitteen kanssa. Järjestelmän kytkinten ja käämin resistanssit voidaan laskea yhteen mallintamista varten. Ekvivalenttinen resistanssi saadaan (4.11) avulla. = = = + − + (4.9) (4.10) (4.11) , missä on kondensaattorin virta, on kytkimeltä tuleva virta, on vaihtojännitepuolella olevan käämin resistanssi, ja on puolijohdekomponentin resistanssi, kun komponentti on johtavassa tilassa. Seuraavaksi ratkaistaan kelavirtojen derivaatat. Kun kytkinkomponentti on liitettynä kuvan 4.2 P-terminaaliin, kelavirrat ovat (4.12), (4.13) ja (4.14) mukaiset =− =− + + − − + + (4.12) (4.13) 40 =− + =− − missä − + , (4.14) on neutraalin n ja N-terminaalin välinen jännite. Vastaavasti ratkaistaan kelavirtojen derivaatat kun kytkinkomponentit ovat liitettyinä N-terminaaliin (4.15), (4.16) ja (4.17) avulla. Kondensaattorin jännitteen derivaatat saadaan ratkaistua (4.18) avulla. =− =− =− − + + (4.15) + (4.17) + − (4.16) (4.18) Keskiarvomalli Keskiarvomallin tarkoitus on kuvata järjestelmän tilamuuttujien, sisäänmenojen ja ulostulojen keskiarvoja. Kelavirtojen derivaattojen keskiarvot saadaan ratkaistua laskemalla yhteen vaiheen pulssisuhde kerrottuna vastaavan vaiheen kytkimen (4.12) – (4.14) ja pulssisuhteen negaatio yhtälöillä (4.15) – (4.17). Keskimääräiset kelavirtojen derivaatat ratkaistaan (4.19) – (4.21) avulla. Keskimääräiset kelavirtojen derivaatat supistuvat muotoihin (4.22), (4.23) ja (4.24). Kytkinten läpi kulkevan virran keskiarvo voidaan ratkaista pulssisuhteiden ja kelavirtojen (4.25) mukaisesti. 〈 〉 = 〈 〉 = 〈 〉 = 〈 〉 〈 〉 =− − 〈 − 〈 − 〈 +(1 − +(1 − +(1 − =− 〈 〈 〉+ 〈 〉− 〈 〉+ 〈 〉− 〈 〉+ 〈 〉− 〈 )(− 〈 )(− )(− 〉+ 〉+ 〈 〈 〈 〈 〉− 〈 〉− 〈 〉− 〈 〉− 〈 〉− 〈 〉+ 〈 〉+ 〈 〉+ 〈 〉+ 〈 〉 (4.20) 〉 (4.21) 〉) 〉+ 〈 〉+ 〈 (4.19) 〉) 〉+ 〈 〉+ 〈 〉 〉 〉 〉) (4.22) (4.23) 41 〈 〉 =− 〈 〉 = missä 〈 〈 〈 〉+ 〉+ 〈 〈 〉− 〈 〉+ 〈 〉, 〉+ 〈 〉 (4.24) (4.25) 〉 on keskimääräinen kondensaattorin yli oleva jännite. Kondensaattorin jännitteen derivaatan keskiarvo voidaan ratkaista (4.26) ja (4.27) perusteella. Keskimääräiset verkkovirrat ovat yhtä suuria kelavirtojen (4.28), (4.29) ja (4.30) kanssa. 〈 〈 〈 〈 〈 〉 〉 =− 〈 〉 + 〈 =− ( 〉=〈 〉=〈 〉=〈 〈 〉 〉 〉 〉 〉+ (4.26) 〈 〉+ 〈 〉) + 〈 〉 (4.27) (4.28) (4.29) (4.30) Ratkaistaan stationäärisen koordinaatiston dynaaminen malli. Merkitään Clarken muunnosta (4.7) uudella tavalla (4.31). Stationäärisen koordinaatiston kelavirtojen keskiarvojen derivaatat saadaan kertomalla (4.28) ja kolmivaiheiset kelavirtojen keskiarvot (4.22), (4.23) ja (4.24) keskenään. Vektorimuodossa derivaatat voidaan esittää (4.32) avulla. ⎡1 − ⎢ = ⎢0 √ ⎢ ⎣ → − ⎤ √ ⎥ − ⎥ ⎥ ⎦ (4.31) Ratkaistaan (4.32) kohtisuorat virtakomponentit (4.33) ja (4.34). Keskimääräiset kelavirrat 〈 〉 ja 〈 〉 ovat stationäärisessä koordinaatistossa yhtä suuria keskimääräisten verkkovirtojen 〈 〉 ja 〈 〉 kanssa. Jännitteen vaikutus kumoutuu kolmivaiheisessa kolmi- johtoisessa symmetrisessä järjestelmässä. → 〈 〉 =− 〈 〈 〈 〉 〉 =− 〉 → → − 〈 〉+ 〈 〉− 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〉 〉 〉 + 〉 〉 〉 + 〉 → → 〈 〈 〈 〈 〉 〉 〉 〉 (4.32) (4.33) 42 〈 〈 〈 〉 =− 〉=〈 〉=〈 〈 〉+ 〉 〉, 〈 〉− 〈 〉 (4.34) (4.35) (4.36) 〉 ja 〈 〉 ovat keskimääräiset ulostulojännitteet stationäärisessä koordinaamissä 〈 tistossa. Stationäärisen ja synkronisen koordinaatiston välillä on (4.37) ja (4.38) yhteys. Synkronisen koordinaatiston dynaaminen malli voidaan ratkaista vektorimuodossa sijoittamalla stationäärisen mallin muuttujien tilalle (4.38). Stationäärisen koordinaatiston kelavirtojen derivaattavektoriin sijoittamalla (4.38) saadaan (4.39), josta synkronisen koordinaatiston malli voidaan ratkaista. Synkronisen koordinaatiston kelavirtojen derivaattavektori on esitetty (4.40):ssa. = = missä (4.37) (4.38) , on synkronisen koordinaatiston pyörimisnopeus ja t on aika. = = =− = − missä sa, + − 〈 〉 + + 〈 〉 − − (4.39) , (4.40) on kelavirtakomponentit vektorimuodossa, verkkojännitteet vektorimuodossa. pulssisuhde vektorimuodos- Kelavirtojen keskiarvojen derivaattavektorin (4.40) voidaan esittää komponenttimuodossa (4.41) ja (4.42) avulla. Kytkimen keskiarvovirta on esitetty yhtälössä (4.43). Verkkovirtojen komponentit (4.44) ja (4.45) ovat yhtä suuria kelavirtojen komponenttien kanssa. Kondensaattorin keskiarvojännite on yhtä suuri tasajännitteen keskiarvon kanssa (4.46). Kondensaattorin jännitteen derivaatan keskiarvo on kuvattu (4.47) avulla. 〈 〈 〉 〉 =− =− 〈 〉= 〈 〈 〈 〈 〈 〈 〉= 〈 〉 〉=〈 〉 〉=〈 〉 〉+ 〉− 〉+ 〈 〈 〈 〉+ 〉+ 〉 〈 〈 〉 〉 − 〈 − 〈 〉 〉 (4.41) (4.42) (4.43) (4.44) (4.45) (4.46) 43 〈 〉 =− = − 〈 〈 〉− 〉+ 〈 〈 〉 + 〈 〉 + 〈 〉, 〉 missä ja ovat synkronisen koordinaatiston pulssisuhdekomponentit, 〈 〈 〉 ovat verkkojännitteiden keskiarvot synkronisessa koordinaatistossa. (4.47) 〉 ja Jatkuvan tilan arvot Jatkuvassa tilassa kaikki synkronisen koordinaatiston ja tasajännitepuolen suureet ovat vakioita. Koska arvot ovat vakiota, jännitteiden ja virtojen derivaatat ovat nollia synkronisessa koordinaatistossa. Jatkuvan tilan arvot kuvaavat mallin toimintaa tavallisesti nimellistoimintapisteessä. Verkkovirrat ovat yhtä suuria kelavirtojen kanssa (4.48) ja (4.49). = = (4.48) (4.49) = (4.50) Pulssisuhteiden jatkuvan tilan arvot voidaan ratkaista asettamalla keskiarvoyhtälöiden (4.41), (4.42) ja (4.47) derivaatat nolliksi. Järjestelmän tehokertoimen ollessa yksi komponentti = 0. Pulssisuhteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo on ratkaistavissa yhtälöstä (4.51). Pulssisuhteen jatkuvan tilan arvo ratkeaa toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla (4.54). Kelavirran ja sisäänmenovirran yhteys (4.50) ratkeaa asettamalla (4.47) kondensaattorin jännitteen derivaatta nollaksi. − − + − − − + = ± ( − ) =0 (4.51) =0 (4.52) , (4.54) =0 (4.53) missä on tasajännitteen jatkuvan tilan arvo, on verkkojännitteen d-komponentin jatkuvan tilan arvo ja tasavirran jatkuvan tilan arvo. Pulssisuhteen q-komponentin jatkuvan tilan arvo (4.57) on ratkaistavissa vastaavasti yhtälöstä (4.54). Jos on nolla, (4.55) supistuu muotoon (4.56). − − + + − =0 =0 (4.55) (4.56) 44 = = (4.57) Keskiarvomallin linearisointi Piensignaalimallin muodostamiseksi keskiarvomallin yhtälöt on oltava lineaarisia. Linearisointi tarkoittaa epälineaarisen järjestelmän mallintamista lineaarisilla yhtälöillä. Keskiarvomallin kaikista muuttujista otetaan osittaisderivaatat. Muuttujia ovat kaikki muut keskiarvomallin sähköiset suureet paitsi vakiona pysyvät arvot. Lisäksi kulmataajuus oletetaan tässä vaiheessa vakioksi, vaikka käytännössä näin ei ole. Lähtöoletus on, että passiivisten komponenttien parametrit pysyvät vakioina. Oletuksella ei todennäköisesti ole merkittävää vaikutusta mallin paikkansapitävyyteen. Kelavirrat on linearisoitu komponenteittain yhtälöissä (4.58) ja (4.59). ̇ =− ̇ =− ̇ ̇ + − ̇ ̇ + − + + − (4.58) + (4.59) Puolijohdekomponenttien virran linearisointi on esitetty (4.60):ssa ja verkkovirtojen komponenttien linearisoinnit vastaavasti (4.61):ssa ja (4.62):ssa. Kondensaattorin derivaatan linearisointi on esitetty yhtälössä (4.63). Kondensaattorin yli oleva jännite on yhtä suuri sisäänmenojännitteen kanssa (4.64). ̇ = ̇ ̇ = ̇ = ̇ =− = − = ̇ + ̇ ̇ ̇ − + + ̇ + ̇ + + (4.60) (4.61) (4.62) + ̇ − + − ̇ (4.63) (4.64) Lineaarisoinnin jälkeen on mahdollista muodostaa tilaesitys. Virtasyöttöisen kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan tilaesitys on mallinnettu (4.65) ja (4.66) avulla. ̇ ̇ ⎤ 0 0 ⎤⎡ ⎡ ⎤ ⎡ − ⎡0 − ⎤ ̇ ⎢ ⎥ ⎢ ̇ ⎥ ⎢ ⎢0 0 − ⎥⎢ ⎥ ⎥ (4.65) 0 = − − + ̇ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 − − ⎢ ⎥ − − 0⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ ⎦ 45 ̇ ⎡ ⎤ ⎥ 0 0 1 ̇ 0 0 0 0 0 ⎢ ⎥ ̇ = 1 0 0 ̇ + 0 0 0 0 0 ⎢ (4.66) ⎢ ⎥ 0 1 0 0 0 0 0 0 ̇ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Tilaesityksen (4.65), (4.66) ja sen Laplace-tason kuvauksen (4.6) avulla voidaan muodostaa siirtofunktiomatriisi (4.67) ̇ ̇ = ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ̇ ⎤ ⎥ ⎥= ⎥ ⎥ ⎦ − − ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ − − ̇ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ (4.67) Matriisin ensimmäisen rivin siirtofunktiot kuvaavat suuntaajan tasajännitteen riippuvuutta sisäänmenosuureista avoimessa silmukassa. Vastaavasti matriisin toinen ja kolmas rivi kuvaavat verkkovirran ̇ ja ̇ riippuvuutta sisäänmenosuureista. Ristikkäisvaikutuksia kuvaavien siirtofunktioiden , , ja vaikutuksia ei oteta huomioon säätöä suunnitellessa. Tasajännitteen dynamiikkaa on approksimoitu pelkästään d-komponenttien siirtofunktioilla, koska verkosta otetaan vain pätötehoa. 4.2.4 Vaihtosuuntaajamallin rakenne Työn sähköajoneuvon latauslaitemallia approksimoiva vaihtosuuntaaja suunniteltiin Matlab- ja Simulink-ohjelmistojen avulla. Vaihtosuuntaajan säätöjärjestelmä koostuu virtasäädöstä sen kanssa kaskadissa olevasta jännitesäädöstä, vaihelukitusta silmukasta (PLL, phase locked loop) ja verkkojännitteiden myötäkytkennästä. Suuntaajan säätöjärjestelmän rakenne on kuvassa 4.7. Virtasäätimien ja sisäänmenoina ovat virtakomponenttien asetusarvojen ja mittausten erotuksena muodostetut erosuureet. Virtamittaukset suodatetaan, jotta korkeasta kytkentätaajuudesta johtuva virran aaltoilu minimoituu. Virtasäätimien ulostuloina saadaan pulssisuhteet, joiden arvoihin summataan myötäkytkennän vaikutus. Tasajännitettä säädetään jännitesäätimellä , jonka ulostulona saadaan synkronisen koordinaatiston verkkovirran d-komponentin asetusarvoarvo . 46 , , ̇ , , ̇ , , ̇ Kuva 4.7. Kolmivaiheisen suuntaajan säätöjärjestelmän rakenne. Myötäkytkennän seurauksena vaihtosuuntaaja on entistä stabiilimpi heikossa verkossa, koska vaihtosuuntaajan ulostuloimpedanssi kasvaa (Messo 2014, s. 94). Heikolla verkolla tarkoitetaan järjestelmää, jonka induktanssi on suuri. Myötäkytkennän siirtofunktioita ja voidaan approksimoida (Messo 2014, s. 90) mukaan tasajännitteen ≈ käänteisarvolla. ≈ 1/ (4.68) Kuvassa 4.8 on vaihtosuuntaajamalli, jossa on mitattu verkosta otettu pätöteho , verkosta otettu teho ilman suodatinta , tasavirta ja tasajännitemitta- us . Simuloinneissa positiivinen tehon suunta on voimajärjestelmästä tasavirtalähteelle. Vaihtosuuntaajan säätöjärjestelmät viritetään stabiileiksi Bode-diagrammien avulla siten, että vahvistusvarat ja vaihevarat ovat riittävän suuret. Käytännössä vahvistus- ja vaihevarat eivät vielä välttämättä takaa stabiilisuutta, joten suuntaajan stabiilisuus todetaan simulointien avulla. 47 g1 g3 g5 A iin + 2.5e3 uin Pev-con 66.5e-3 A 250e-3 V B g6 MV_Aggregated_EV 1 g4 A V + C Pe v-grid g2 Kuva 4.8. Vaihtosuuntaajan rakenne ja verkkoliityntä. Taulukossa 4.2 on vaihtosuuntaajan parametrisointi. Taulukon 4.2 jännitteiden ja virtojen isot etukirjaimet tarkoittavat nimellistoimintapisteen arvoja. Pulssisuhteen nollakomponentti oletetaan vakioksi. Taulukossa 4.3 on vaihtosuuntaajan säätimien parametrisointi. Taulukon 4.3 taajuuden etuliite p tarkoittaa napaa ja z tarkoittaa nollaa säätimien siirtofunktioissa. Virtojen alipäästösuodatuksen rajataajuus _ on 2 kHz ja verkkojännitteiden suodatuksen rajataajuus _ on 5 kHz. Taulukon kapasitanssin arvo on hieman pienempi taulukossa 4.2, kuin kuvassa 4.8. Muutoksella ei ole kovin suurta vaikutusta simulointeihin. Taulukko 4.2. Vaihtosuuntaajan parametrisointi. Parametri Arvo 50 kV Parametri Arvo 0 Parametri Arvo 2,0 mF 0 66,5 mH 10 kHz 110 kV 0,909 kA 0,25 Ω 0,05 Ω 50 Hz 0,5 Taulukko 4.3. Vaihtosuuntaajan säätimien parametrisointi. Parametri Arvo 1,4125 1,4125 Parametri _ Arvo 2 kHz Parametri 53 Hz 22,3872 53 Hz 0,0079 10 Hz Arvo 1 Hz 100 Hz _ 5 kHz Vaihtosuuntaajan modulointimenetelmä on SPWM, jonka sisäänmenoina ovat kolmivaiheiset sinimuotoiset pulssisuhteet ja kolmioaalto. Kolmioaaltoa ohjataan 10 kHz kytkentätaajuudella. Ulostuloina saadaan kytkinkomponenttien asentoa ohjaavat signaalit. Verkkojännitteiden ja verkkovirtojen koordinaatistonmuunnokset ovat kuvassa 4.9. Kuvassa 4.10 on SPWM ja pulssisuhteiden koordinaatistonmuunnos synkronisesta koordinaatistosta kolmivaiheiseen. Kuvassa 4.11 on jännitesäätö, jonka ulostulona saadaan verkkovirran d-komponentin asetusarvo. 48 uabc uabc iod ioq0 A B C D Q 0 uod uoq0 2 D Q 0 Va Vb 3 A B C 3 2 1 3 2 1 1 iabc Vc PLL uoq0 * -1 uoq ioq0 * -1 ioq theta thetap fH f_PLL Kuva 4.9. Kolmivaiheisten verkkovirtojen ja verkkojännitteiden koordinaatistomuunnokset ja PLL taajuusmittausta varten. Kuvan 4.12 virtasäädön ulostulona saadaan pulssisuhteet. Pulssisuhteisiin summataan myötäkytkennän vaikutus, joka on kuvassa 4.13. g1 pwm_tri A dd dq D Q 0 * -1 Dz A B C 1 B Comparator A 2 B Comparator A g4 g3 g6 1 2 3 g5 dabc 0.5 3 B Comparator g2 Kuva 4.10. Pulssisuhteiden koordinaatistonmuunnos synkronisesta kolmivaiheiseen ja SPWM. uin_control * uinref * 1e3 N(s) D(s) Order = 1 Mai... iodref Uin_control 1.1 F Uin_control Uin * Kv D + - uin 0.9 * 1e3 1 Kuva 4.11. Tasajännitteen säädin. iodref iod * 1e3 ioq * 1e3 N(s) D(s) Order = 1 N(s) D(s) Order = 1 Kuva 4.12. Virtasäätö. * Kid D + - N(s) D(s) Order = 1 D ++ F Ioq D + * Kiq F N(s) D(s) Order = 1 dd F ddff D + dq + F dqff 49 uod uoq N(s) D(s) Order = 1 * i_Uin ddff N(s) D(s) Order = 1 * i_Uin dqff Kuva 4.13. Verkkojännitteiden myötäkytkentä pulssisuhteiden muodostusta varten. Uoq + D uoq * 1e3 * Kpll - N(s) D(s) Order = 1 1 sT * -1 1 sT D + thet aPLL + F F 50.0 1 sT * 2 Pi Kuva 4.14. Suuntaajan PLL. Kuvassa 4.14 on suuntaajan PLL. Sen ulostulona saadaan kulman ohjearvo koordinaatistonmuutoksia varten. 4.2.5 Suuntaajamallin toiminnan verifioiminen Suuntaajan säätöjärjestelmän toiminnan verifioimiseksi simuloitiin tilanne, jossa tasavirran ja jännitteen arvoa muutetaan. Suuntaajan synkronisen koordinaatiston verkkovirtakomponentit ja verkkojännitekomponentit ovat kuvassa 4.15. 2000 6 x 10 4 uod uoq 5 uo0 1500 4 Virta(A) Jännite(V) 1000 500 3 2 1 iod 0 ioq 0 io0 -500 0 0.1 0.2 Aika (s) 0.3 0.4 -1 0 0.1 0.2 Aika(s) 0.3 0.4 (a) (b) Kuva 4.15. Suuntaajan suodatetut verkkovirtojen (a) ja verkkojännitteiden (b) komponentit synkronisessa koordinaatistossa, kun tasavirran ohjearvo kaksinkertaistuu ja jännitteen asetusarvo suurenee hetkellä 0,3 s. 50 Verkkovirrat käyttäytyvät hallitusti, ja verkkovirran synkronisen koordinaatiston dkomponentin asetusarvo seuraa jännitesäätimen ulostuloa. Jännitesäätimen ohjearvon ylitykset näkyvät verkkovirroissa. Synkronisen koordinaatiston virroissa on aaltoilua, jonka amplitudiin voidaan vaikuttaa verkon puoleisen kelan avulla. Synkronisen koordinaatiston jännitekomponentit säilyvät lähes vakiona simuloinnin aikana. Suurin muutos on jännitteen q-komponentissa silloin, kun tasavirran ohjearvoa muutetaan. Kuvassa 4.16 on tasavirtalähteen virta ja tasajännitesäätö. Suuntaajan puoleisessa tasajännitteessä voidaan huomata alkutransientti simuloinnin käynnistyessä. 5 950 1.115 x 10 900 1.11 850 800 1.105 Jännite(V) Virta(A) 750 700 650 1.095 600 550 1.09 500 450 1.1 ref uin iin 0 0.1 0.2 Aika (s) 0.3 0.4 uin 1.085 0 0.1 0.2 Aika (s) 0.3 0.4 (a) (b) Kuva 4.16. Suuntaajan tasajännitesäätö (b), kun tasavirtaa (a) ohjataan hetkellä 0,1 s arvosta 454,5 A arvoon 909 A ja jännitteen asetusarvo suurenee hetkellä 0,3 s. Tasajännitteen ohjearvo on 110 kV alkuhetkellä. Kondensaattorin jännitteen muutos riippuu kondensaattorin kapasitanssista ja kondensaattorin virrasta. Kondensaattorin virta puolestaan riippuu Kirchhoffin virtalain mukaan verkosta tulevasta virrasta ja kuormalle menevästä virrasta. Kondensaattorin virta ei ole vakio, vaan se muuttuu suuntaajan puolijohdekomponenttien kytkentätaajuuden perusteella. Jännitesäädössä on hieman ylitystä, mutta jännitetransientin suuruuteen voidaan vaikuttaa kondensaattorin kapasitanssia kasvattamalla tai jännitesäätimen vahvistusta pienentämällä. Vahvistuksen pienentäminen hidastaa vastetta. Kondensaattorin resistanssia ei ole mallinnettu, joka vaimentaa resonanssia. Tasavirta muutetaan hetkellä 0,1 s arvosta 454,5 A arvoon 909 A. Käytännössä simulointien mukaista ideaalista tasavirtalähdettä ei ole olemassa. Kuvassa 4.17 on kolmivaiheiset verkkovirrat ja verkkojännitteet. Sekä virrat että jännitteet ovat sinimuotoisia, kun virran ohjearvo on 909 A ja 454,5 A. 51 ia Virta(V) 1000 ib ic 0 -1000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Aika (s) 0.25 0.3 0.35 0.4 4 Jännite(V) x 10 4 ua 2 ub uc 0 -2 -4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Aika (s) 0.25 0.3 0.35 0.4 Kuva 4.17. Kolmivaiheiset verkkovirrat ja verkkojännitteet, kun tasavirtaa ohjataan hetkellä 0,1 s arvosta 454,5 A arvoon 909 A ja jännitteen asetusarvo suurenee hetkellä 0,3 s. Simulointituloksien perusteella jännitesäätö ja virtasäätö toimivat hyvin. Tasavirran ohjearvoa voidaan ohjata nimellistä arvoa pienemmäksi, joka mahdollistaa suuntaajan tehonsäädön. 52 5 VERKKOMALLIT JA LATAUKSEN TAAJUUSOHJAUKSEN SIMULOINTIMALLI Tässä kappaleessa esitellään työssä käytetty kantaverkkomalli ja jakeluverkkomallit. Lisäksi neljännessä kappaleessa kehitetty sähköajoneuvon latauslaitteen malli liitetään osaksi voimajärjestelmämallin taajuusohjattua reserviä. 5.1 Verkkomallit 5.1.1 Kantaverkko Tässä työssä siirtoverkkomallina on käytetty verkkoekvivalenttia, joka on kuvaa hyvin yleisellä tasolla Suomen, Ruotsin ja Norjan siirtoverkkojen rakennetta. Työtä varten Fingrid Oyj:n toimittamasta alkuperäisestä ekvivalentista erotettiin ja päivitettiin Suomea edustava osa siten, että mallia oli mahdollista hyödyntää taajuushäiriötarkasteluihin. Alkuperäinen malli oli suunniteltu alueiden välisten heilahtelujen periaatteellista tarkastelemista varten, eikä se soveltunut käytettäväksi tämän työn vaatimiin tarkasteluihin. Yksinkertaistetun mallin solmupisteiden lukumäärä on 73 kpl. Mallissa on 6 tahtigeneraattoria, joista 2 edustaa vesivoimalaitoksia. Loput 4 tahtigeneraattoria kuvaavat lämpövoimaa, ydinvoimaa ja muita voimalatyyppejä. Lisäksi malli kuvaa kahden tahtigeneraattorin muodostaman ekvivalentin avulla laajempaa voimajärjestelmää. Ensimmäisellä ekvivalenttisella tahtigeneraattorilla on mallinnettu taajuussäätöön osallistuvaa vesivoimaa. Toisella ekvivalenttisella tahtigeneraattorilla on mallinnettu tuotantomuotoja, jotka eivät osallistu taajuuden säätöön. Kuormat on mallinnettu vakioimpedansseina ja niitä on siirtoverkkomallissa 7 kpl.. Tahtigeneraattorit ja vakioimpedanssikuormat liittyvät verkkoon omien muuntajien kautta. Siirtojohdot on mallinnettu piisijaiskytkennöillä. Kuvassa 5.1 on yksinkertaistettu kantaverkkomalli. Taulukkoon 5.1 on koottu solmupisteiden ja verkkokomponenttien lukumääriä. 53 Ekvivalentti Pohjoismaisesta voimajärjestelmästä: 2 generaattoria 1 kuorma Pohjoinen (North) Luode (Northwest) Länsi (West) Kaakko (Southeast) Lounas (Southwest) Etelä (South) Kuva 5.1. Yksinkertaistettu siirtoverkkomalli (400 kV). Taulukko 5.1. Kantaverkon solmupisteet ja verkkokomponenttien lukumäärät. TahtiImpedanssiSolmupisteiden Muuntajien generaattoreiden kuormien Siirtojohtojen lukumäärä (kpl) lukumäärä (kpl) lukumäärä (kpl) lukumäärä (kpl) lukumäärä (kpl) 73 14 6+2 6+1 16 Alkuperäisessä Fingridiltä saadussa ekvivalenttiverkkomallissa parametrit on skaalattu todellisia arvoja pienemmäksi. Tuotannon tehot, kuormitukset ja siirtojohtojen parametrit ovat noin viidesosan todellisista arvoista. Skaalaus vaikuttaa mallin avulla saatuihin simulointituloksiin. Skaalaus pienentää siirtojohdoilla tapahtuvia häviöitä, koska sähköiset etäisyydet lyhenevät. Muutostilanteessa tuotannon ja kuormituksen tehojen pienentyminen hidastaa taajuuden muutosnopeutta verrattuna todelliseen, jos järjestelmän inertia säilyy ennallaan. Fingrid Oyj:n todellinen voimajärjestelmä sisältää 400 kV:n siirtojohtojen lisäksi 110 kV:n ja 220 kV:n siirtojohdot. Myös Ruotsiin ja Norjaan on 220 kV vaihtosähköyhteydet. Suomen ja Ruotsin välillä on Fennoskan 1 ja 2 tasajänniteyhteydet. Suomen ja Viron välillä on Estlink 1 ja 2 tasajänniteyhteydet. Fennoskan-yhteyksien yhdistetty 54 siirtokapasiteetti on 1350 MW ja Estlink-yhteyksien siirtokapasiteetti on yhteensä 1000 MW. Lisäksi Venäjälle on kolme 400 kV siirtoyhteyttä ja 110 kV siirtoyhteydet Ivalosta ja Imatralta. Yksinkertaistetun siirtoverkkomallin simulointitulokset antavat edellä mainituista syistä suuntaa antavan arvion todellisen järjestelmän toiminnasta. Yksinkertaistettu malli on kuitenkin riittävä konseptitarkasteluja varten. 5.1.2 Keskijännitejakeluverkko Ennen diplomityön aloitusta Tampereen teknillisellä yliopistolla on tutkittu erillisenä työnä pikalatausasemien teknis-taloudellista soveltuvuutta jakeluverkkoon. Verkostovaikutusten tutkimista varten Tampereen Sähkölaitos Oy toimitti Tampereen teknilliselle yliopistolle (TTY) jakeluverkkolähtöjen tehonjakolaskennan ja oikosulkulaskennan tuloksia kahdelta eri johtolähdöltä. Tampereen kaupungin suunnitelmissa on käynnistää sähköbusseihin liittyvä pilottihanke, jossa latausasemien potentiaaliset sijoituspaikat olivat näillä johtolähdöillä. Kuvassa 5.2 on keskijännitelähtöjen rakenteet. North_MV RL RL RL RL RL RL RL RL RL RL #2 P+jQ RL P+jQ RL #2 P+jQ #2 #2 #2 P+jQ #1 #1 #1 #1 RL P+jQ RL RL #1 #1 #1 #1 #1 RL P+jQ RL P+jQ RL #2 #2 P+jQ #1 #2 P+jQ #2 #2 P+jQ #1 #2 P+jQ #2 #2 P+jQ #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 P+jQ RL #2 #2 #2 P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ #1 #2 #2 #2 P+jQ P+jQ (a) SouthW est_MV RL RL RL RL RL RL RL RL RL #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 #1 #2 #2 #2 #2 #2 #2 #2 #2 #2 #2 P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ RL #2 P+jQ P+jQ (b) Kuva 5.2. Keskijänniteverkon lähdöt (a) ja (b). Keskijännitelähtö (a) perustuu esikaupunkialueen lähtöön ja lähtö (b) kaupunkialueen lähtöön. Keskijänniteverkon rakenne on huomattavasti pienjännitelähtöjä monimutkaisempi. Ensimmäinen KJ-lähdöistä on rakenteeltaan vähän haaroittunut lähtö, joka kuvaa kaupunkialueen keskijännitejakeluverkkoa. Toinen lähdöistä on enemmän haaroittunut ja kuvaa kaupungin reuna-alueen lähtöä. Jakeluverkkomallin lähtöjä kytketään eri puolille kantaverkkoa, jolloin voidaan tutkia esimerkiksi erilaisten mittauslaitteiden viiveiden vaikutusta. 55 5.1.3 Pienjännitejakeluverkko #1 R R R #2 R P+jQ R R R R R P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ RL R R R RL R R P+jQ P+jQ R P+jQ P+jQ R P+jQ P+jQ R R R R P+jQ R R RL R #2 R P+jQ R #1 P+jQ RL RL P+jQ P+jQ P+jQ RL RL (b) P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ #2 R R (a) #1 P+jQ R P+jQ R RL P+jQ R #2 P+jQ #1 RL R P+jQ R P+jQ RL R P+jQ R P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ Jakeluverkkomalli haluttiin mallintaa, koska sähköajoneuvojen latausasemat sijaitsevat todellisuudessa pienjänniteverkossa. Jakeluverkkomalli muodostettiin Tampereen Sähkölaitoksen toimittaman pien- ja keskijänniteverkon tehonjako- ja oikosulkulaskennan perusteella. Pienjännitelähtöjä on kaksi kaupunkialueelta, Tampereen keskustasta, ja kaksi Tampereen esikaupunkialueelta. Pienjännitelähdöt sijaitsevat vastaavilla esikaupunkialueen tai kaupunkialueen lähdöllä. Mallinnetut pienjännitelähdöt ovat rakenteeltaan samankaltaisia keskenään. Eroja on kuitenkin solmupisteiden määrissä, kuormituksessa ja muuntajien nimellistehoissa. Sähköiseltä pituudeltaan lähdöt ovat lyhyitä. Resistanssit ja kuormitukset ovat pieniä koko mallin kannalta. Pienjänniteverkon lähdöt ovat haaroittuneet kymmenestä kahteenkymmeneen solmuun. Pienjännitelähdön rakennetta on havainnollistettu kuvassa 5.3. (c) (d) Kuva 5.3. Oikosulkulaskennan ja tehonjakolaskennan perusteella muodostetut pienjännitelähdöt (a), (b), (c) ja (d). Lähdöt (a) ja (b) edustavat kaupunkialuetta ja lähdöt (c) ja (d) esikaupunkialuetta. 56 Lähdöissä (c) ja (d) on lähtöjä (a) ja (b) enemmän haaroja. Lisäksi johtojen pituudet ovat suuremmat. Verkon kannalta jännitehäviöt ovat huippukuormitustilanteissa suuremmat pidemmän johtopituuden seurauksena. Kuvassa 5.4 on keskijännitelähtö, jolla sijaitsee kaksi kuvan 5.3 pienjännitelähdöistä. Taulukkoon 5.2 on koottu jakeluverkkolähtöjen tietoja. RL R P+jQ A V RL ULV _Southw est1 fLV_Southw est1 P+jQ P+jQ ULV _Sout hw est2 fLV_Southw est2 RL P+jQ P+jQ P = 0.007651 Q = 0.002512 V = 0.3752 A V RL P+jQ #2 P+jQ #1 #2 R P+jQ P = 0.08137 Q = 0.02673 V = 0.3737 R R R #1 R #2 R #1 R P+jQ #2 #2 RL RL #2 P+jQ UMV _Sout hw est1 fMV _Southw est1 #1 #2 P+jQ RL #2 #2 P+jQ RL #1 #2 P+jQ R A V #1 #1 #1 #2 #1 P+jQ RL #1 #1 #2 UMV _Southw est1 fMV_Southw est1 RL P+jQ RL R R R RL P+jQ P+jQ RL P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ P+jQ RL #1 A SouthWest _MV V P = 1.197 Q = 0.5298 V = 20.31 P+jQ P+jQ P = 1.935 Q = 0.8357 V = 20.32 Kuva 5.4. Simuloinneissa hyödynnettävä jakeluverkkokokonaisuus. Taulukko 5.2. Jakeluverkon lähdöt, solmupisteet, muuntajat ja kuormien lukumäärä. Verkko Lähtö Solmupisteiden Syöttävän Kuormien lukumäärä (kpl) muuntajan teho (MVA) lukumäärä (kpl) Keskijännite Kaupunki Esikaupunki 23 40 13 39 40 19 Kaupunki 1 10 1 8 Kaupunki 2 10 1 5 Esikaupunki 1 14 1 10 Pienjännite Esikaupunki 2 18 1 12 Kuvassa 5.4 jännitettä ja taajuutta mitataan kahdesta eri solmupisteestä sekä pienjännite että keskijännitepuolella. Ensimmäinen tarkasteltava solmupiste sijaitsee keskijännitelähdön alussa. Toinen keskijännitelähdön tarkasteltava solmupiste sijaitsee keskijännitelähdön keskiosassa. Ensimmäinen tarkasteltava pienjännitesolmupiste sijaitsee pienjännitemuuntajan takana keskijännitelähdön alkuosassa. Toinen tarkasteltava pienjännitesolmupiste sijaitsee keskijännitelähdön keskiosassa olevan pienjännitemuuntajan takana. 5.2 Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjaus 5.2.1 Taajuuden mittaus Taajuusmittauksen vaatimuksena on riittävä tarkkuus ja nopeus, jotta sen perusteella voidaan ohjata sähköajoneuvon latauslaitteen toimintaa. Tässä työssä taajuuden mittaukseen hyödynnetään simulointiohjelmasta valmiiksi löytyvää menetelmää, joka suodat- 57 taa pois ei halutun taajuushäiriön. Epätarkkuutta taajuusmittaukseen aiheuttavat jännitteen epäsymmetria ja yliaaltopitoisuus. Vaihelukitun silmukan (Phase locked loop, PLL) ulostulona saadaan kulmaarvo, jonka avulla suuntaaja synkronoidaan verkkoon. Lisäksi PLL:n avulla voidaan mitata järjestelmän taajuutta. Vaihelukitun silmukan sisäänmenoina ovat tavallisesti vaihejännitteet. Kulmaero viedään sisäänmenona koordinaattimuunnoksessa stationäärisestä synkroniseen. Vaihelukitun silmukan muuttujana on taajuus. Yksinkertaisen SRFPLL:n (Synchronous reference frame phase locked loop) rakenne on kuvassa 5.5. , , 1 Kuva 5.5. Yksinkertaisen verkkosynkronointiin käytettävän vaihelukitun silmukan toimintaperiaate. Useiden tutkimusten perusteella (Limongi et al. 2007; Siyu & Barnes 2012; Carugati et al. 2012) perusteella PLL:n toimivuuden ongelmana voi olla voimakkaasti säröytyneet verkkojännitteet, jännitteiden epäsymmetria ja nopeat kulmanmuutokset. Tutkimuksen (Siyu & Barnes 2012) perusteella PSCAD-ohjelman sisältämän PLL:n suorituskyky on riittävä oletusparametreilla, kun tarkastellaan alitaajuustilanteita tai jännitekuoppia. Tutkimustulosten perusteella sama PLL kykenee suodattamaan tai kompensoimaan yliaaltojen vaikutuksen, mutta ei ole riittävä epäsymmetristen vikojen taajuusmittaukseen. Tutkimuksessa todettiin PSCAD-ohjelman sisältämän PLL:n toimivan samantapaisesti SRF-PLL:n kanssa. SRF-PLL on altis yliaalloille toisin kuin PSCADohjelman oma PLL, joten SRF-PLL ei sellaisenaan sovellu taajuusohjaukseen. SRFPLL antamaa taajuutta voidaan suodattaa, mutta suodatus hidastaa vastetta. Kehittyneemmillä PLL-malleilla voidaan tutkimusten (Limongi et al. 2007; Carugati et al. 2012) perusteella saavuttaa parempi suorituskyky epäsymmetriatilanteissa ja parempi yliaaltojen sietokyky. Tutkimuksessa (Carugati et al. 2012) esiteltiin yksivaiheinen PLL. Yksivaiheisen PLL:n etu kolmivaiheiseen on sen yksinkertaisuus. Tarvittavien mittausten määrä vähenee ja mittauslaitteen koko pienenee. Erilaisia taajuusmittausmenetelmiä on vertailtu laajasti kirjallisuudessa. Yksinkertaisessa nollakohtamenetelmässä taajuus voidaan ratkaista jännitteen kahden nollakohdan välisen aikaeron avulla. Tutkimuksen (Kotsopoulos et al. 2005) perusteella nollakohtamenetelmä on altis jännitteen yliaalloille. Jännitteen yliaaltojen on todettu aiheuttavan ylimääräisiä nollakohtia vaihtosuuntaajan liityntäkohdan jännitteisiin. Nollakohtamenetelmän yliaaltojen ja muiden ilmiöiden kompensoimiseksi jännitteistä on mahdollista laskea keskiarvo useamman jakson yli. Keskiarvostuksen haittapuolena on kas- 58 vava mittausviive. Keskiarvostuksen seurauksena nopeiden taajuusilmiöiden tarkka mallintaminen voi olla haastavampaa. Julkaisussa (Phadke et al. 1983) taajuutta on estimoitu diskreetin Fouriermuunnoksen (DFT, discrete Fourier transform) avulla ja julkaisussa (Crinon 1989) siitä yksinkertaistetun nopean Fourier-muunnoksen (FFT, fast Fourier transform) avulla. FFT on nopeampi kuin DFT, koska laskennan määrä on pienempi. FFT ei sellaisenaan mahdollista yhtä tarkkaa estimaattia taajuudesta kuin DFT. Fourier-muunnokseen perustuvan taajuusmittauksen etuna on sen epäalttius jännitteen yliaalloille, koska yliaallot voidaan erotella perusaallosta. Julkaisussa (Koponen & Vehviläinen 2001) esiteltiin adaptiiviseen tilatarkkailijaan perustuvaa etäluettavaa sähkömittaria, jota voidaan hyödyntää taajuuden mittaukseen. Tilatarkkailijan toiminta perustuu vaihejännitteiden mittaukseen ja taajuuden estimointiin harvalla näytteenotolla. Harvan näytteenoton haittapuolena voi olla signaalin laskostuminen. Julkaisun mukaan tilatarkkailijaan perustuvalla mittauksella voidaan kompensoida yliaaltojen vaikutusta. Julkaisun perusteella esitellyn mittauslaitteen jännitteiden yliaaltojen laskenta on tarkkuudeltaan samalla tasolla Dranetz 4300 sähkönlaatumittarin kanssa. Kuvassa 5.6 on adaptiiviseen tilatarkkailijaan perustuvan sähkön laadun mittaajan rakenne. Kuva 5.6. Adaptiivinen tilatarkkailija harvalla näytteenotolla. (Muokattu lähteestä Koponen & Vehviläinen 2001) Kuvassa 5.6 vaihejännitteiden mittauksen ja tilatarkkailijoiden avulla muodostetaan taajuusestimaatti. Tämän taajuusestimaatin avulla voidaan approksimoida syöttävän verkon todellista taajuutta. 59 5.2.2 Sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus Sähköajoneuvon lataustehon taajuusohjaus halutaan tehdä mahdollisimman yksinkertaiseksi. Ajoneuvon lataustehoa ohjataan lineaarisesti suhteessa taajuuteen. Taajuuden ollessa normaalialueella latauksen tehoa ei ohjata. Jos taajuus laskee alle asetellun ylemmän minimirajataajuuden , niin lataustehoa ohjataan lineaarisesti pienemmäksi aina alarajalle asti. Taajuusrajat valittiin siten, että järjestelmän taajuus pysyi eri simuloinneissa taajuuden 49,0 Hz yläpuolella. Lisäksi reservien haluttiin toimivan hallitusti häiriötilanteissa. Taajuusrajat olisi ollut mahdollista valita suuremmiksi aina nimellistaajuuteen saakka. Yksittäisen aggregoidun latauslaitteen nimellisteho on 100 MW. Taajuusmittaukset suodatetaan alipäästösuotimilla, joiden avulla nopeat alle 10 ms kestoiset taajuustransientit vaimennetaan. Kuvassa 5.7 on sähköajoneuvon latauksen ohjauksen toiminta voimajärjestelmän vakautusreservinä. Sähköajoneuvonlataustehon ohjauksen parametrisointi on taulukossa 5.3. Kuva 5.7. Aggregoidun sähköajoneuvojen latauksen toiminta voimajärjestelmän taajuusohjattavana vakautusreservinä. 60 Taulukko 5.3. Sähköajoneuvon lataustehon taajuusohjauksen muuttujat. Parametri Arvo 49,4 Hz 49,8 Hz Parametri 0,5 s Arvo 100 MW 100 MW 0 MW Taajuusohjauksen pätötehon asetusarvo on yhtälössä (5.1) ja siinä hyö- dynnetyt muuttujat on yhtälöissä (5.2) ja (5.3). Taajuusmittauksen saavuttaessa arvon reserviteho saa arvon , koska taajuuksien erotus on nolla. Jos mitattu taajuus on yhtä suuri taajuuden alemman minimirajan kanssa, niin tehon asetusarvo on nolla. Taajuusohjatun reservin havahtuminen on yhtälössä (5.3). Kuvassa 5.8 on reservin havahtuminen ja aktivoituminen. Reservit aktivoituvat toimintaviiveen kuluttua havahtumisesta. = = = _ fmit − 1, 0, _ | ≤ > d_res_a A fmin2 (5.1) B Comparator | ( − ) Delay (5.2) (5.3) d_res_c T Kuva 5.8. Taajuusohjatun reservin havahtuminen, aktivoiminen ja toimintaviive. Pevrefmax Pnim D + Pev-ref F Pevrefmin N N/D iin D uin Pres Kuva 5.9. Vaihtosuuntaajan avulla tehtävän taajuusohjatun latauksen pätötehon asetusarvon ja tasavirran asetusarvon muodostus. Pätötehon asetusarvon ja jännitemittauksen osamäärän avulla muodostetaan tasavirran asetusarvo kuvassa 5.9. Pätötehon asetusarvon maksimin ja minimin avulla asetellaan rajat tehon ohjaukselle. 61 6 TAAJUUSOHJATTAVAN LATAUSJÄRJESTELMÄN SIMULOINTITULOKSET Tässä kappaleessa vertaillaan simulointien avulla sähköajoneuvon latauslaitteen ohjausta voimajärjestelmän häiriöreservinä tilanteeseen, jossa kuormanohjausta ei tehdä. Tarkastelu kohdistuu vain häiriöreserveihin, joten taajuuden palautumista takaisin normaalialueelle ei simuloida. Voimajärjestelmän taajuuden muutosnopeuksia, jännitteitä, ja pätötehojen muutoksia vertaillaan tilanteiden kesken. Häiriötilanteena on verkosta irtoava tahtigeneraattori kahdessa eri solmupisteessä. Rakennetun jakeluverkkolähdön toimintaa tarkastellaan jännite- ja taajuussimulointien avulla. 6.1 Taajuusohjattavat sähköajoneuvojen latauslaitteet vakautusreservinä Tässä kappaleessa vertaillaan simulointien avulla sähköajoneuvon latauslaitteen ohjausta voimajärjestelmän vakautusreservinä tilanteeseen, jossa kuormien verkosta ottamaa tehoa ei ohjata. Ensimmäisessä, kolmannessa ja viidennessä käyttötapauksessa voimajärjestelmän kuormitusta ei ohjata. Toisessa, neljännessä ja kuudennessa käyttötapauksessa voimajärjestelmä sisältää sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksen. Käyttötapauksien tahtigeneraattoreiden inertiat ja nimellistehot on koottu taulukkoon 6.1. Käyttötapauksien tuotannot ja kuormat vastaavat taulukon 6.2 arvoja simulointien alussa. Irtoavien generaattoreiden tehot valittiin siten, että taajuuden muutosnopeus häiriön jälkeen oli 0,1 – 0,2 Hz/s. Muutosnopeus vastaa likimäärin voimajärjestelmän taajuuden muutosnopeutta generaattorin irtoamisen jälkeen Suomen siirtoverkossa. Taajuusohjattavan ja ohjaamattoman vakiotehon eroja tarkastellaan kolmessa eri tilanteessa: · Ensimmäisessä ja toisessa käyttötapauksessa verkosta irtoaa 200 MW pätötehotuotantoa pohjoisessa. · Kolmannessa ja neljännessä käyttötapauksessa verkosta irtoaa 500 MW pätötehotuotantoa lounaassa. · Viidennessä ja kuudennessa käyttötapauksessa verkosta irtoaa 200 MW pätötehotuotantoa pohjoisessa. Tahtigeneraattoreiden inertiat ovat puolittuneet aikaisemmista käyttötapauksista 1 - 4. Käyttötapauksissa 2, 4 ja 6 käytettävissä oleva sähköajoneuvon latauksen aggregoitu vakautusreservi on yhteensä 200 MW, koska latauslaitteita on kahdessa eri solmupisteessä. Sähköajoneuvon latauslaitemallit liittyvät voimajärjestelmään lounaassa ja etelässä muuntajien avulla. 62 Taulukko 6.1. Kantaverkon tahtigeneraattoreiden inertiat ja nimellistehot eri käyttötapauksissa. Case 1 ja 2 generaattorit Inertia Pnim (1/s) (GVA) Tahtigeneraattori Case 3 ja 4 generaattorit Inertia Pnim (1/s) (GVA) Case 5 ja 6 generaattorit Inertia Pnim (1/s) (GVA) 1 Etelä 4 0,7 4 0,7 2 0,7 2 Kaakko 4 0,7 4 0,7 2 0,7 2,2 0,5 2,2 0,5 1,1 0,5 4 Lounas 4 1,05 4 1,05 2 1,05 5 Länsi 5 0,55 5 0,55 2,5 0,55 2,2 0,5 2,2 0,5 1,1 0,5 7 Ekvivalentin vesivoima 3 0,5 3 0,5 1,5 0,5 8 Ekvivalentin ydinvoima + muut 3 10 3 10 1,5 10 3 Keskipohjoinen 6 Pohjoinen Taulukko 6.2. Käyttötapauksien generaattoreiden tuotannot ja kuormat ennen vikaa. Solmupiste 1 Etelä (South) Generaattoreiden Case 1, 3 ja 5 Case 2, 4 ja 6 tuotanto (MW) kuorma (MW) kuorma (MW) 700 540 440 + 100 2 Kaakko (Southeast) 430 440 440 3 Luode (Northwest) 150 100 100 4 Lounas (Southwest) 480 540 440 + 100 5 Länsi (West) 280 440 440 6 Pohjoinen (North) 205 300 300 0 0 200 200 2560 2560 7 Ekvivalentin vesivoima 100 (EkvHydro) 8 Ekvivalentin ydin+muu 250 (EkvGen) 2595 Yhteensä Yksittäisen latauslaitemallin tehoa ohjataan lineaarisesti pienemmäksi viiveen 0,5 s kuluttua siitä, kun taajuus alittaa asetellun minimirajan 49,8 Hz. Taajuuden saavuttaessa arvon 49,4 Hz latauslaitteen taajuusohjattava reserviteho on kokonaan käytössä. 6.1.1 Ohjaamaton kuormitus – case 1 Voimajärjestelmän toimintaa simuloidaan tilanteessa, jossa pohjoisen solmupisteen generaattori irtoaa verkosta. Kuormanohjausta ei ole, joten taajuuden säätöön osallistuu vain vesivoimatuotanto pohjoisessa. Ohjaamattoman kuormituksen käyttötapaus generaattorin irtoamisen seurauksena etenee seuraavasti: 1. Generaattori irtoaa verkosta, mistä seuraa jännitteiden, taajuuden ja tehojen muutos, 2. Voimajärjestelmään liittyneet vesivoimalat osallistuvat tehon- ja jännitteen säätöön, muut voimalat ekvivalenttista EkvGen-voimalaa lukuun ottamatta osallistuvat jännitteensäätöön 63 3. Kuormitusta ei ohjata, 4. Jännitteiden, taajuuden ja generaattoreiden tehotuotannon muutokset hidastuvat, 5. Häiriön jälkeen saavutetaan tasapainotila ja taajuusminimi. Pohjoisen solmupisteen generaattori irtoaa verkosta, joten se tuottamat tehot menevät nollaan. Irronnut generaattori tuotti ennen irtoamistaan noin 205 MW pätötehoa. Irtoamisen jälkeen pohjoisen verkossa olevat kaksi vesivoimalaa alkavat tuottaa enemmän pätötehoa. Vesivoimaloiden tehontuotanto kasvaa noin 250 MW häiriötä edeltäneestä tilanteesta. Kuvassa 6.1 on generaattorisolmupisteiden taajuus ja ohjaamaton kuormitus häiriön jälkeen. Luoteesta mitatun solmupisteen taajuus laskee arvosta 49,99 Hz arvoon 48,607 Hz häiriön seurauksena. Taajuusminimi saavutetaan 24,4 s kuluttua generaattorin irtoamisesta. Ohjaamattoman kuormituksen verkosta ottama teho riippuu jännitteestä. Ohjaamaton kuormitus muuttuu vain hetkellisesti, koska lounaan ja etelän liityntäkohtien jännitteet palautuvat takaisin vikaa edeltävälle tasolle. Kuvassa 6.2 on tarkasteltu tarkemmin taajuuden muutosta ja taajuusminimiä häiriön jälkeen. Kuvan 6.3 perusteella taajuuden muutosnopeus säilyy lähes vakiona, kun häiriöstä on kulunut 0,5 s - 2,0 s. Taajuuden värähtely on voimakkainta luoteen solmupisteessä heti häiriön jälkeen, koska solmupiste on lähimpänä irronnutta generaattoria. Kuvassa 6.2 taajuus pienenee arvosta 49,94 Hz arvoon 49,78 Hz ajassa 1,5 s. Taajuuden muutosnopeudeksi saadaan 0,107 Hz / s jakamalla taajuuden muutos ajan muutoksella. Taajuusminimin kesto on noin 1,5 s. 50 104 fNorth X: 20 Y: 49.99 1. fNorthwest 49.8 fSouth 49.4 2. & 3. fSoutheast 49.2 49 Pätöteho(MW) Taajuus(Hz) fSouthwest PZloadr-South 103 fWest 49.6 PZloadr-Southwest 102 2. & 3. 101 1. 4. 100 5. 4. 99 48.8 X: 44.44 5. Y: 48.61 48.6 98 20 30 40 Aika (s) 50 20 30 40 Aika (s) 50 (a) (b) Kuva. 6.1. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja ohjaamaton kuormitus (b) häiriön jälkeen. 64 49.96 X: 20.5 Y: 49.94 fWest 49.92 fNorthwest fWest 48.63 fSouthwest fSouth 49.88 fSoutheast X: 21 Y: 49.88 49.86 X: 21.5 Y: 49.83 49.84 Taajuus(Hz) fSouthwest 49.9 49.82 48.625 fSouth fSoutheast 48.62 48.615 48.61 49.8 X: 22 Y: 49.78 49.78 49.76 fNorth 48.635 fNorthwest 49.94 Taajuus(Hz) 48.64 fNorth 20.5 21 21.5 Aika (s) 48.6 40 22 X: 45.8 Y: 48.61 X: 44.3 Y: 48.61 48.605 45 Aika (s) 50 (a) (b) Kuva. 6.2. Generaattorisolmupisteiden taajuuden muutos (a) ja taajuusminimi (b) häiriön jälkeen. Kuvassa 6.3 on kantaverkkoon muuntajan avulla lounaaseen liittyneen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon pääjännitteiden tehollisarvot eri mittauspisteissä. Jakeluverkon jännitteet määräytyvät muuntajien muuntosuhteiden perusteella. Kantaverkon jännitetransientti voidaan havaita jakeluverkon jännitteissä. Pienjänniteverkko on mallinnettu huippukuormitustilanteessa, joten sen jännitteet ovat nimellistä 0,4 kV pienemmät 21 0.4 UMV-Southwest1 UMV-Southwest2 20 19.5 ULV-Southwest2 0.39 4. 2. & 3. Jännite(kV) Jännite(kV) 20.5 1. ULV-Southwest1 0.395 0.385 0.38 0.375 1. 2. & 3. 4. 0.37 0.365 19 20 25 Aika (s) 30 0.36 20 25 Aika (s) 30 (a) (b) Kuva 6.3. Keskijänniteverkon (a) ja pienjänniteverkon (b) pääjännitteiden tehollisarvot häiriön jälkeen. 65 Kuvassa 6.4 on keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon mittauspisteiden taajuudet. 50 50 1. fMV-Southwest1 X: 20 Y: 49.99 fMV-Southwest2 49.99 fLV-Southwest1 49.98 fLV-Southwest2 Taajuus(Hz) Taajuus(Hz) 49.5 2. & 3. 49 49.97 49.96 49.95 fMV-Southwest1 4. X: 44.44 Y: 48.61 5. 49.94 fMV-Southwest2 49.93 fLV-Southwest1 X: 20 Y: 49.94 fLV-Southwest2 48.5 20 30 40 Aika (s) 50 49.92 19 19.5 20 Aika (s) 20.5 (a) (b) Kuva 6.4. Pienjänniteverkon ja keskijänniteverkon mittauspisteiden taajuudet. Generaattorin (1) irrotessa verkosta tapahtuu nopea taajuuden muutos. PLL:n avulla mitatut taajuudet ovat käytännössä yhtä suuria eri puolilla samaa keskijännitelähtöä. Taajuudet ovat yhtä suuria myös saman lähdön pienjännitelähdöillä. Simulointien perusteella taajuus ei riipu jännitetasossa tässä häiriötilanteessa. Kuvassa 6.4 generaattorin irtoaminen (1.) havaitaan nopeana taajuuden muutoksena. Sama ilmiö on havaittavissa myös voimajärjestelmätasolla. 6.1.2 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 2 Tässä käyttötapauksessa vakioimpedanssikuormat korvataan sähköajoneuvojen latauslaitteilla, joiden tehoa ohjataan taajuusmittaukseen perustuen. Sama generaattori irtoaa verkosta, ja sähköajoneuvon lataus toimii voimajärjestelmän häiriöreservinä. Sähköajoneuvon latauksen ohjaus generaattorin irtoamisen seurauksena etenee seuraavasti: 1. Generaattori irtoaa verkosta, josta seuraa jännitteiden, taajuuden ja tehojen muutos, 2. Voimajärjestelmään liittyneet vesivoimalat osallistuvat tehon- ja jännitteen säätöön, muut voimalat ekvivalenttista EkvGen-voimalaa lukuun ottamatta osallistuvat jännitteensäätöön 3. Sähköajoneuvon latauksen ohjaus toimii voimajärjestelmän häiriöreservinä, 4. Jännitteiden, taajuuden ja generaattoreiden tehotuotannon muutokset hidastuvat, 5. Häiriön jälkeen saavutetaan tasapainotila ja taajuusminimi. Ennen irtoamista generaattori tuottaa verkkoon noin 205 MW pätötehoa. Pätötehovajeen seurauksena järjestelmän tehotasapaino muuttuu. Taajuussäätöön osallistuvat generaat- 66 torit alkavat tuottaa lisää tehoa verkkoon. Etelän solmupisteiden jatkuvan tilan tehotasapaino ei juuri muutu ennen vikaa edeltäneestä tilanteesta. Muutosilmiöön vaikuttavat muun muassa verkon pienet reaktanssit, generaattorien jännite- ja tehonsäätimet ja generaattoreiden inertiat. Vesivoimaloiden yhteistuotanto kasvaa noin 90 MW häiriön jälkeen. Kuvassa 6.5 on generaattorisolmupisteiden taajuus ja sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus. Luoteesta mitatun solmupisteen taajuus laskee arvosta 50,0 Hz arvoon 49,51 Hz häiriön jälkeen. Taajuusminimi saavutetaan noin 11,2 s kuluttua häiriöstä. Latauksen ohjauksen viive on 0,5 s ja lataustehon muutos on noin 73 MW. fNorth 50 fNorthwest Taajuus(Hz) fSouthwest X: 21.9 Y: 49.8 2. 49.8 fSouth X: 22.42 Y: 49.74 49.75 fSoutheast 3. 49.7 4. 49.65 X: 23.99 Y: 49.63 X: 22.44 Y: 103.4 2. 90 fWest 49.9 49.85 100 1. PLoadEV-Southwes t 3. 80 Pätöteho(MW) 49.95 1. X: 20 Y: 50 PLoadEV-South 70 4. 60 50 40 49.6 49.55 5. 20 30 Aika (s) X: 31.19 5. Y: 30.06 X: 31.21 Y: 49.51 30 40 20 25 30 35 Aika (s) 40 (a) (b) Kuva. 6.5. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja sähköajoneuvon latauksen ohjaus häiriön jälkeen (b). Kuvassa 6.6 on tarkasteltu tarkemmin taajuuden muutosta ja taajuusminimiä häiriön jälkeen. Taajuuden muutosnopeus säilyy lähes vakiona, kun häiriöstä on kulunut 0,5 s - 2,0 s. Generaattorin irtoamisesta seuraa taajuuden vaimeneva värähtely. Taajuuden värähtely on voimakkainta luoteen solmupisteessä heti häiriön jälkeen. Taajuuden muutosnopeus on 0,5 s – 1,5 s häiriön jälkeen noin 0,107 Hz / s. Taajuusminimin kesto on noin 2,3 s, joka on suurempi kuin ohjaamattoman kuormituksen tapauksessa. Taajuusminimin keston kasvaminen johtuu todennäköisesti vesivoimaloiden tehontuotannon pienentymisestä, jolloin ne osallistuvat vähemmän taajuuden säätöön. Kuvassa 6.7 on keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon pääjännitteiden tehollisarvot. Nämä jännitteet pienenevät häiriön alkutransientin aikana, koska kantaverkon jännitteet pienenevät. Häiriön jälkeen pienjänniteverkon jännitteet ovat noin 0,37 kV. Jännitteet palautuvat häiriön jälkeen takaisin häiriötä edeltävälle tasolle. 67 X: 20.5 Y: 49.95 49.96 fNorthwest fNorthwes t 49.518 fWes t fWest 49.92 fSouthwest fSouth X: 21 Y: 49.89 49.88 fSoutheast 49.86 49.84 X: 21.5 Y: 49.84 49.82 49.516 f 49.514 fSouth Southwes t Taajuus(Hz) 49.9 fSoutheas t 49.512 49.51 49.8 X: 32.61 Y: 49.51 X: 30.3 Y: 49.51 49.508 49.78 49.76 fNorth North 49.94 Taajuus(Hz) 49.52 f X: 22 Y: 49.79 20.5 21 21.5 Aika (s) 49.506 28 22 30 32 Aika (s) 34 36 (a) (b) Kuva. 6.6. Generaattorisolmupisteiden taajuuden muutos (a) ja taajuusminimi (b) häiriön jälkeen. Kuvassa 6.8 on keski- ja pienjänniteverkon taajuudet. Taajuuksissa voidaan havaita sähköajoneuvon latauksen aiheuttama jännitesärö. Taajuudet ovat lähes samoja riippumatta jännitetasosta. 21 0.4 UMV-Southwest1 20.8 ULV-Southwest1 UMV-Southwest2 0.395 ULV-Southwest2 20.6 0.39 4. 1. 2. & 3. 20.2 Jännite(kV) Jännite(kV) 20.4 20 19.8 0.385 0.38 1. 2. & 3. 4. 0.375 19.6 0.37 19.4 0.365 19.2 19 20 25 Aika (s) 30 0.36 20 25 Aika (s) 30 (a) (b) Kuva 6.7. Keski- ja pienjänniteverkon pääjännitteiden tehollisarvot häiriön jälkeen. 68 50 fMV-Southwest1 X: 20 Y: 49.99 fMV-Southwest2 50 49.9 fLV-Southwest1 49.99 49.85 fLV-Southwest2 49.8 2. 49.75 3. 49.7 49.97 49.96 49.95 49.65 49.6 5. 20 25 X: 31.25 Y: 49.51 30 35 Aika (s) fMV-Southwest1 49.94 fMV-Southwest2 49.93 fLV-Southwest1 4. 49.55 49.5 49.98 Taajuus(Hz) Taajuus(Hz) 49.95 1. X: 20 Y: 49.93 fLV-Southwest2 49.92 19 40 19.5 20 Aika (s) 20.5 (a) (b) Kuva 6.8. Pienjänniteverkon ja keskijänniteverkon mittauspisteiden taajuudet. Generaattorin (1.) irrotessa verkosta tapahtuu nopea taajuuden muutos. Kuvassa 6.9 on latauslaitteen PLL:n mittaama taajuus ja pätötehot häiriön jälkeen. Latauslaitteen ohjaus taajuusohjattuna häiriöreservinä aktivoituu 0,5 s kuluttua siitä, kun taajuus on alittanut arvon 49,8 Hz. Reservien aktivoiminen aiheuttaa paikallisesti hetkellisen 0,02 Hz taajuuden mittausvirheen, joka vaimenee nopeasti. 105 50 49.95 X: 22.4 Y: 100.1 Pev-grid 100 49.9 Pev-con X: 21.9 Y: 99.98 49.85 X: 21.9 Y: 49.8 49.8 Pätöteho(MW) Taajuus(Hz) Pev-ref fev-pll X: 20 Y: 50 X: 22.4 Y: 49.75 49.75 49.7 49.65 95 90 X: 22.44 Y: 85.59 85 49.6 49.5 80 X: 31.22 Y: 49.51 49.55 20 25 30 35 Aika (s) 40 21.5 22 22.5 Aika (s) 23 23.5 (a) (b) Kuva 6.9. Latauslaitteen PLL:n mittaama taajuus (a) ja latauslaitteen tehot (b): asetusarvo , verkosta otettu teho passiivinen suodatin mukaan lukien ja latauslaitteen verkosta ottama teho ilman suodatinta . 69 Taajuusmittauksen virheeseen on mahdollista vaikuttaa hyödyntämällä kehittyneempää taajuuden mittausmenetelmää. Pätötehon asetusarvo ja verkosta otettu teho ilman suodatinta ovat käytännössä samoja. Passiivisen suodattimen resistanssi aiheuttaa 0,8 MW häviöitä. Tästä syystä verkosta otettu teho on suurempi kuin pätötehon asetusarvo . Käytännössä jakeluverkossa sijaitsevat latauslaitteet ovat nimellistehoiltaan ja muilta parametreiltaan huomattavasti simuloitua järjestelmää pienempiä. 6.1.3 Ohjaamaton kuormitus – case 3 Tässä käyttötapauksessa lounaassa irtoaa tahtigeneraattori verkosta tilanteessa, jossa kuormitusta ei ohjata. Simuloinneissa tarkastellaan voimajärjestelmän taajuutta, jännitteitä ja tehoja Seuraavassa kappaleessa tuloksia verrataan taajuusohjattavan latauksen ohjaukseen. Verkosta irtoaa 500 MW pätötehotuotantoa. Käyttötapaus etenee vastaavasti kuin kappaleen 6.1.1 ohjaamattoman kuormituksen käyttötapaus. Vesivoimalaitokset pohjoisessa osallistuvat taajuuden säätöön. Muiden voimaloiden tehotuotannossa on värähtelyä. Kolmen vesivoimalan yhteenlaskettu tehontuotanto kasvaa noin 430 MW häiriön jälkeen. Kuvassa 6.10 on generaattorisolmupisteiden taajuudet ja ohjaamaton kuormitus häiriön jälkeen. Luoteen ja koko verkon taajuus käy alimmillaan arvossa 48,23 Hz. 105 50 fNorth X: 0.001 Y: 49.99 fNorthwest Taajuus(Hz) fSouthwest 2. 49.4 fSouth 3. 49.2 100 fWest 1. 49.6 fSoutheast 49 PLoadEV-South 1. 2. 3. Pätöteho(MW) 49.8 PLoadEV-Southwest 5. 4. 95 90 48.8 4. 48.6 85 48.4 5. 48.2 0 5 10 Aika (s) 15 X: 17.29 Y: 48.23 80 5 10 Aika (s) 15 (a) (b) Kuva. 6.10. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja ohjaamaton kuormitus (b) häiriön jälkeen. 70 Mitattu taajuus on merkittävästi Fingridin häiriöreservin aktivoitumisrajaa 49,5 Hz pienempi. Taajuusminimin saavuttaminen kestää noin 16 s. Vakioimpedanssikuorman verkosta ottamat pätötehot muuttuvat hieman jatkuvasta tilasta. Pätötehot asettuvat välille 87,5 MW – 96 MW. Vakioimpedanssin verkosta ottama teho on neliöllisesti riippuvainen liityntäpisteen jännitteestä. 6.1.4 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 4 Tässä käyttötapauksessa lounaan tahtigeneraattori irtoaa verkosta tilanteessa, jossa sähköajoneuvon lataustehoa ohjataan voimajärjestelmän taajuusohjattavana reservinä. Käyttötapaus etenee vastaavasti kuin kappaleessa 6.1.2. Irtoavan generaattorin tehontuotanto on 500 MW. Kolmen vesivoimalan yhteenlaskettu tehontuotanto kasvaa noin 230 MW häiriön jälkeen. Kuvassa 6.11 on generaattorisolmupisteiden taajuus ja sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus. Luoteesta mitatun solmupisteen taajuus laskee arvosta 50,0 Hz arvoon 48,98 Hz häiriön jälkeen. Taajuusminimi saavutetaan noin 14 s kuluttua häiriöstä. Taajuudessa on havaittavissa heilahteluja erityisesti kaakon, etelän ja lännen mittauspisteessä. Käytännössä nämä ovat generaattoreiden heikosti vaimenevia sähkömekaanisia heilahteluja. Latauksen ohjaus aktivoituu 1,6 s kuluttua häiriöstä. Kaikki 200 MW taajuusohjattava latausteho ohjataan pois päältä aikavälillä 3,0 – 5,0 s. Taajuusohjatut sähköajoneuvon latausmallit irrotetaan verkosta ajanhetkellä 5,0 s. 50 fNorth X: 1.29 Y: 50 49.8 Taajuus(Hz) 2. X: 2.308 Y: 49.8 49.6 fNorthwest 90 fWest 80 fSouthwest fSouth X: 2.966 Y: 49.66 fSoutheast 3. 49.4 100 4. PLoadEV-Southwest 3. PLoadEV-South 60 50 40 30 49.2 5. 49 0 X: 2.959 Y: 103.4 1. 70 Pätöteho(MW) 1. 5 10 Aika (s) 15 X: 15.16 Y: 48.98 20 10 0 4. 0 5. 5 10 Aika (s) 15 (a) (b) Kuva. 6.11. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja sähköajoneuvon latauksen ohjaus häiriön jälkeen (b). 71 Kuvassa 6.12 on latauslaitteen PLL:n mittaama taajuus ja latauslaitteen tehot. 50 100 X: 0.988 Y: 50 X: 2.149 Y: 49.8 X: 2.674 Y: 49.72 2. X: 2.648 Y: 100.3 1. 2. 80 70 49.6 X: 1.024 Y: 49.56 X: 2.647 Y: 49.62 Pätöteho(MW) Taajuus(Hz) 49.8 90 3. 1. 49.4 4. 50 49 fev-pll 0 1 2 Aika (s) 3 4 3. 40 30 49.2 X: 2.648 Y: 56.19 60 Pev-ref 20 Pev-grid 10 P 0 0 1 4. X: 4.079 Y: 2.047 ev-con 2 Aika (s) 3 4 (a) (b) Kuva 6.12. Latauslaitteen PLL:n mittaama taajuus (a) ja latauslaitteen tehot (b). Taajuus ennen häiriötä on noin 50,0 Hz. Generaattorin irtoaminen voidaan havaita taajuuden nopeana muutoksena arvoon 49,56 Hz latauslaitteen PLL mallilta saatavassa taajuusmittauksessa ajanhetkellä 1,02 s. Taajuus pienenee noin 0,2 Hz sekunnissa alun transientin jälkeen ja saavuttaa ohjauksen 49,8 Hz minimirajan ajanhetkellä 2,15 s. Ajanhetkellä 2,65 s taajuusohjattu lataus saa ohjauskäskyn. Latauksen tehon ohjaus aiheuttaa paikallisen ohimenevän mittausvirheen. Taajuuden saavuttaessa arvon 49,4 Hz ajanhetkellä 4,08 s latausteho on 2 MW. Tämän jälkeen latauslaite irrotetaan hallitusti verkosta. 6.1.5 Ohjaamaton kuormitus – case 5 Tässä käyttötapauksessa voimajärjestelmästä irtoaa 200 MW tahtigeneraattori pohjoisessa tilanteessa, jossa kuormitusta ei ohjata. Käyttötapaus on muuten samanlainen kuin kappaleessa 6.1.1, mutta tahtigeneraattoreiden inertiat ovat vain puolet alkuperäisestä. Vesivoimaloiden yhteenlaskettu tehontuotanto kasvaa noin 250 MW. Kuvassa 6.13 on generaattorisolmupisteiden taajuus ja ohjaamaton kuormitus. 72 105 50 2. Taajuus(Hz) 49.6 49 fNorthwest PLoadEV-South fSouthwest X: 2.997 Y: 49.35 49.2 PLoadEV-Southwest fWest 3. 49.4 fNorth fSouth fSoutheast 4. 48.8 Pätöteho(MW) 49.8 1. X: 0.001 Y: 49.97 100 2. 3. 5. 4. 1. 95 48.6 X: 14.5 Y: 48.26 48.4 5. 48.2 0 5 10 Aika (s) 15 90 0 5 10 Aika (s) 15 (a) (b) Kuva. 6.13. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja ohjaamaton kuormitus (b) häiriön jälkeen. Luoteesta mitattu taajuus pienenee arvosta 49,97 Hz arvoon 48,26 Hz häiriön jälkeen. Taajuusminimi saavutetaan noin 14,5 s kuluttua häiriön alkuhetkestä. 6.1.6 Taajuusohjattava sähköajoneuvon lataus – case 6 Viimeisessä käyttötapauksessa voimajärjestelmästä irtoaa tahtigeneraattori, jonka tuotanto on 200 MW. Sähköajoneuvon latausta hyödynnetään taajuusohjattavana reservinä. Käyttötapaus on muuten samanlainen kuin kappaleessa 6.1.2, mutta tahtigeneraattoreiden inertiat ovat vain puolet alkuperäisestä. Vesivoimaloiden yhteenlaskettu tehontuotanto kasvaa noin 60 MW. Kuvassa 6.14 on generaattorisolmupisteiden taajuus ja sähköajoneuvon latauksen taajuusohjaus. Taajuusminimi saavutetaan noin 4,5 s kuluttua häiriön alkuhetkestä. 73 X: 0.001 Y: 49.99 50 fNorth 100 fNorthwest 1. 2. X: 0.676 Y: 49.85 fWest Taajuus(Hz) fSouth X: 0.919 Y: 49.8 X: 1.383 Y: 49.7 fSoutheast 49.7 3. 49.6 P LoadEV-South 3. fSouthwest 49.8 P LoadEV-Southwest X: 1.395 Y: 103.3 2. 90 80 Pätöteho(MW) 49.9 1. 70 60 4. 50 4. 5. 49.5 X: 4.509 Y: 49.49 49.4 0 1 2 3 Aika (s) 4 40 X: 4.507 Y: 25.52 30 0 1 2 3 Aika (s) 5. 4 (a) (b) Kuva. 6.14. Generaattorisolmupisteiden taajuudet (a) ja sähköajoneuvon latauksen ohjaus häiriön jälkeen (b). Taajuus käy alimmillaan arvossa 49,49 Hz. Taajuusminimi saavutetaan huomattavasti nopeammin kuin ohjaamattoman kuorman tapauksessa. 6.2 Tulosten arviointi Tässä kappaleessa vertaillaan eri käyttötapauksien tuloksia. Lisäksi arvioidaan tuloksien todenmukaisuutta. Simulointitulosten oikeellisuuteen vaikuttaa muun muassa käytetty laskenta-askeleen suuruus, taajuusmittauksen tarkkuus, hyödynnettävissä olevan reservikapasiteetin määrä, lataustehon taajuusohjauksen toteutustapa, latauslaitteen malli, järjestelmän parametrisoinnit ja koko järjestelmän dynamiikka. Alkuperäisellä verkkoekvivalentilla mallinnettiin yleisellä tasolla Suomen, Ruotsin ja Norjan siirtoverkon rakennetta. Laajuutensa takia se ei sellaisenaan soveltunut Suomen siirtoverkon taajuushäiriötarkasteluja varten. Mallin parametrit on skaalattu tehojen, reaktanssien ja resistanssien osalta. Suomen osalta mallissa ei ole loistehon kompensointilaitteita, taajuudenhallintaan osallistuvia HVDC-yhteyksiä, reservikapasiteettina toimivia relekytkettyjä kuormia tai lauhdevoimaa. Alkuperäisestä mallista erotettiin ja päivitettiin Suomen siirtoverkkomalli. Muiden Pohjoismaiden siirtoverkon ekvivalentti koostui kahdesta generaattorista, joiden toiminta on hyvin karkeaa. Kehittämistarpeita on siirtoverkkomallin rakenteessa, parametrisoinnissa, eri tuotantomuotojen mallintamisessa ja taajuudensäätöön osallistuvien reservien mallintamisessa. Taulukkoon 6.3 on koottu eri käyttötapauksien taajuuden arvoja muutosnopeuden, taajuusminimien arvojen ja taajuusminimin saavuttamishetken osalta. Ennen reser- 74 vien aktivoitumista taajuuden muutosnopeudet ovat lähes yhtä suuria, mutta sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjatun reservin toimiessa taajuuden muutosnopeus pienenee merkittävästi. Taajuusminimi on suurempi ja taajuusminimi saavutetaan aikaisemmin sähköajoneuvon latauksen taajuusohjauksella kuin ohjaamattomalla kuormituksella. Taulukko 6.3. Käyttötapauksien vertailu taajuuden ja taajuuden muutosnopeuden ja taajuusminimin saavutushetken avulla. Käyttötapaus Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 Taajuuden muutosnopeus (Hz/s) Ennen Jälkeen 0,107 0,107 0,107 0,07 0,203 0,203 0,196 0,170 0,205 0,205 0,20 0,134 Taajuusminimi (Hz) Taajuusminimin saavutus (s) 48,61 49,51 48,23 48,98 48,26 49,49 24,4 11,2 16,0 14,0 14,5 4,5 Ohjaamattomalla kuormituksella taajuudet laskivat kaikissa käyttötapauksissa merkittävästi 49,0 Hz pienemmäksi. Taajuusohjattavalla latauslaitteella taajuus kävi alimmillaan 48,98 Hz:ssä. Pohjoismaisessa järjestelmässä noin 49,4 Hz:n taajuusminimi saavutetaan noin 10 s kuluttua häiriöstä, jossa suuri tuotantoyksikkö irtoaa verkosta järjestelmän ollessa tahtikäytössä. Taulukon 6.3 arvot poikkeavat näistä arvoista selvästi. Mallia olisi hyvä kehittää, jotta tulokset vastaisivat paremmin todellisen järjestelmän toimintaa. Taulukkoon 6.4 on koottu vesivoimantuotannot eri käyttötapauksissa. Vesivoiman tuotanto vähenee, kun sähköajoneuvon latausta ohjataan vakautusreservinä. Todellisuudessa vesivoimantuotannolla osallistutaan taajuudensäätöön. Taulukko 6.4. Käyttötapauksien vesivoimannon tuotannon näkökulmasta. Käyttötapaus Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 Vesivoiman yhteistuotanto (MW) käyttötapauksen edetessä Ennen häiriötä 1 2 3 4 5 440 240 270 300 350 490 440 240 250 260 280 330 440 440 470 520 640 870 440 440 470 520 610 670 440 240 270 300 350 390 440 240 250 260 280 300 Mallissa vesivoiman käyttäytyminen ei vastaa todellisen järjestelmän toimintaa. Todellisuudessa järjestelmä sisältää lisäksi muitakin reservejä erilaisia reservimääriä ja niiden aktivoitumiskriteereitä. Eroja todellisen järjestelmän ja työssä hyödynnetyn mallin välille aiheuttavat lisäksi järjestelmän parametrien skaalaukset. Sekä irtoava generaattorin teho että ohjattava teho on skaalattu viidesosaan todellisista arvoista. 75 Tämä kasvattaa generaattorin irtoamisesta seuraavaa taajuuden muutosnopeutta, jos järjestelmän inertia säilyy ennallaan. Simulointien laskenta-askel valittiin siten, ettei se vaikuttanut simulointituloksiin merkittävästi. Laskenta-askeleen ollessa liian suuri simulointitulokset ovat virheellisiä. Laskenta-askel aseteltiin siten, että vakioimpedanssikuormisten ja taajuusohjatun lataustehon käyttötapaukset olivat vertailukelpoisia keskenään. Käytännössä häiriötä edeltäneen jatkuvan tilan taajuudet olivat 49,97 – 49,99 Hz, kun laskenta-askel tarkasteluissa oli 1 – 50 s laskenta-askeleella, koska tehotasapaino oli sama 1 - 2 MW tarkkuudella. Taajuuden muutosilmiöiden kannalta erot järjestelmän häiriötä edeltäneessä taajuudessa erilaisilla laskenta-askeleilla olivat merkityksettömiä. Työssä käytetty sähköajoneuvon latauslaitemalli perustuu julkaisun (Messo 2014) aurinkovoimalan vaihtosuuntaajamalliin. Latauslaitemallilla tehoa voidaan syöttää tarvittaessa myös verkkoon päin. Käytännössä osa uusista sähköajoneuvon latauslaitetopologioista mahdollistaa kaksisuuntaisen tehonsyötön, mutta toistaiseksi latauslaitteita käytetään lähinnä akkujen lataamiseen. Tehoa voidaan ohjata nimellistä arvoa pienemmäksi, mutta THD kasvaa virran perusaallon pienentyessä. Käytetyn PLL-taajuusmittauksen arvo sisältää suodattamattomana jännitteen yliaalloista johtuvaa säröä. Taajuusohjausta varten mitatut taajuudet suodatettiin, jotta ohjaus tapahtuisi hallitusti. Alipäästösuodatus aiheuttaa jonkin verran viivettä ohjaukseen, mutta järjestelmän dynamiikan kannalta viiveen suuruus ei ole merkittävä. Taajuusohjauksen mittausta suunnitellessa on otettava huomioon mittauksen tarkkuus. Taajuusminimin saavuttaminen kesti simuloinneissa noin 4,5 - 24,4 s. Taajuusmittauksen suodatuksen aiheuttama 1 - 5 ms viive hidastaa ohjauksen toimintaa, mutta ei merkittävästi suhteessa tarkasteltavaan ilmiöön. Viiveen ja vaimennuksen suuruus riippuu alipäästösuodattimen rajataajuudesta. Alipäästösuodattimen avulla haluttiin vaimentaa nopeat alle 10 ms jaksonajan taajuusmuutosilmiöt mittauksista. Vaihtoehtoisesti olisi ollut mahdollista optimoida PSCAD-ohjelman oman PLL:n parametreja tai hyödyntää toista taajuusmittausmenetelmää, esimerkiksi adaptiivista tilatarkkailijaan perustuvaa taajuusmittausta. Reservikapasiteetin määrällä on merkittävä vaikutus tulosten oikeellisuuteen. Mitä suurempi reservikapasiteetti on, sitä enemmän tehoa voidaan häiriötilanteessa ohjata. Taajuusohjattavien latauslaitteiden yhteisvaikutusta tarkasteltiin konseptitasolla siten, että ladattavia sähköajoneuvoja on noin 200 000 – 500 000 kpl. Käytännössä saatavissa olevan reservikapasiteetin määrä on rajallinen. Nykyhetkellä sähköajoneuvoja on vain vähän, eikä simulointitilanteen kaltaista lataustehon ohjausta ole järjestelmätasolla saatavissa. Paikallisella tasolla lataustehon ohjaus on kuitenkin mahdollista, joten konseptitasolla tämä on mahdollista toteuttaa myös koko sähkövoimajärjestelmässä. Ohjattavaa lataustehoa ei välttämättä ole saatavilla, koska sähköajoneuvot eivät ole aina latauksessa. Järjestelmätasolla lataustehon määrä riippuu pienjännitejakeluverkkojen paikallisista lataustehoista. Jos sähköajoneuvojen muodostoma aggregoitu taajuusohjattava reservi koostuisi tuhannesta sähköajoneuvon 76 latauslaitteesta, vakautusreservi voisi olla 1 – 3 MW, jos yksittäisen latauslaitteen keskimääräinen latausteho olisi 1 – 3 kW. Akkujen mallintaminen vakiovirtakuormina aiheuttaa epätarkkuuttaa tuloksiin. Yksittäisen ajoneuvon akun latausvirta riippuu akun sen hetkisestä varaustilasta ja virran ohjauksesta. Paikallisella tasolla latausvirtaa on mahdollista säätää nimellisvirtaan saakka sähköajoneuvolle tarkoitetuissa lataustavoissa. Vakiojännitetilassa virta pienenee eksponentiaalisesti, kun akkua ladataan. Osa akun latauksesta tapahtuu kuitenkin vakiovirralla ja loput vakiojännitteellä, joten tuloksia voidaan pitää suuntaa antavina. Sähköajoneuvon latauksen hinnoittelumalli vaikuttaa lataustehon saatavuuteen. Ohjaamattamassa latauksessa lataustehon aiheuttama kuormitus kohdistuu huipputunneille ja reservikapasiteettia ei ole merkittävästi saatavissa minimikuormatuntien aikaan. Toisaalta minimikuormituksen aikaan tapahtuva lataus tarkoittaa, että lataustehoa ei ole saatavissa huippukuormitusten aikaan. Kiinteällä latauksen kestoon perustuvalla hinnoittelulla kuormitus kohdistuu vastaavasti huippukuormatunneille. Reservitehoa tulisi olla jatkuvasti saatavilla, jotta simulointimallin kaltainen tilanne on mahdollinen. Taajuusohjattavan tehon maantieteellinen sijainti vaikuttaa tuloksiin. Aggregoitu taajuusohjattu reservi sijaitsi simuloinneissa kahdessa eri solmupisteessä kantaverkkoon liitettyjen muuntajien takana. Aggregoituja taajuusohjattavia latauslaitteita olisi voinut lisätä myös muihin solmupisteisiin, mutta laskenta-aika PSCADsimulointiympäristössä kasvoi kohtuuttomiksi, kun latauslaitteita oli tätä enemmän. Käytännössä latauslaitteita on eri puolella jakeluverkkoa. Suurimmat lataustehosta aiheutuvat kuormitukset ovat todennäköisesti suurissa kaupungeissa, missä verkko on vahva tai sitä on kannattavaa vahvistaa. Laajamittaisempia reservitarkasteluja on mahdollista tehdä esimerkiksi RTDS-simulointiympäristössä, jossa laskenta tapahtuu reaaliajassa. Nopealla suuritehoisella sähköajoneuvon latauksen ohjauksella huomattiin olevan vaikutus jännitteen vaihekulmaan, mikä heijastuu taajuusmittaukseen. Sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusmittaukseen perustuvassa ohjauksen toteutuksessa on simulointien perusteella kehitysmahdollisuuksia. Taajuusrajoihin perustuvan ohjauksen rajoitteena on sen alttius nopeille taajuuden muutoksille. Nopeiden ilmiöiden suodattaminen kasvattaa toimintaviivettä ja heikentää ohjauksen toimintaa. 77 7 YHTEENVETO Aluksi työssä tarkasteltiin sähköajoneuvojen lataukseen liittyviä standardeja, sähköajoneuvon rakennetta ja erilaisia latausratkaisuja. Erilaisista lataustavoista tarkasteltiin pistokelatausta, virroitinlatausta ja langatonta latausta. Lisäksi esiteltiin sähköajoneuvojen akkujen ja akunhallintajärjestelmän ominaisuuksia.. Sähköajoneuvojen akuilla on potentiaalia energiavarastoina, jolloin tehoa siirtyy akuilta verkkoon. Kolmannessa luvussa käytiin läpi voimajärjestelmän dynamiikkaa stabiilisuuden ja häiriöiden osalta tutkittavan voimajärjestelmän käyttäytymisen hahmottamiseksi. Uusiutuvien energialähteiden kapasiteettien oletetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, joten työssä tarkasteltiin tuulivoiman ja aurinkosähkön vaikutuksia voimajärjestelmän inertiaan. Tuulivoima ja aurinkosähkö eivät osallistu suoraan taajuudensäätöön. Luvussa 3 esiteltiin myös taajuuden säätöön osallistuvat reservilajit ja vesivoimalat. Työssä sähköajoneuvon latauslaitemallina toimi suuritehoinen vaihtosuuntaaja, jonka avulla tehoa siirrettiin verkosta akulle päin. Taajuusohjausta varten latauslaitemallin pätötehoa ohjattiin lineaarisesti taajuusmittaukseen perustuen. Voimajärjestelmämallina hyödynnettiin Fingrid Oyj:ltä saadun siirtoverkkoekvivalentin pohjalta rakennettua yksinkertaistettua PSCAD-mallia. Hyödynnetty malli ei vastaa toiminnaltaan Suomen voimajärjestelmän toimintaa, mutta sen avulla voidaan saada suuntaa-antavia tuloksia. Simuloinneissa ohjaamattoman kuormituksen tilannetta verrattiin tilanteeseen, jossa voimajärjestelmä sisältää taajuusohjattavaa reservikapasiteettia. Simulointien perusteella sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjattavilla reserveillä on mahdollista vaikuttaa voimajärjestelmän taajuuteen häiriötilanteen aikana. Generaattorin irtoamisen seurauksena sähköajoneuvon latauslaitteen taajuusohjauksella oli mahdollista kasvattaa taajuusminimin arvoa ja aikaistaa taajuusminimin saavuttamishetkeä. Vaikutukset riippuvat siitä kuinka paljon lataustehoa on saatavilla. Taajuusohjattavien latauslaitteiden yhteisvaikutusta tarkasteltiin konseptitasolla siten, että ladattavia sähköajoneuvoja olisi noin 200 000 – 500 000 kappaletta. Toistaiseksi sähköajoneuvoja ei ole niin paljoa, että latauslaitteilla voisi olla käytännössä merkitystä voimajärjestelmän reservinä. Työssä hyödynnetyssä taajuusohjauksessa huomattiin olevan jatkokehittämismahdollisuuksia. Latauslaitemallia voi tarkentaa lisäämällä tasajännitepuolelle tasajännitemuuttajan ja mallintamalla akun toiminnan. Lisäksi todettiin, että siirtoverkkoekvivalenttia pitäisi kehittää edelleen, jotta se kuvaisi paremmin pohjoismaisen voimajärjestelmän toimintaa järjestelmän dynamiikan kannalta. 78 LÄHTEET ABB. (2014). Tosa 2013 Trolleybus optimisation systeme alimentation. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.apta.com/mc/annual/previous/2014/LZpresentations/Learning%20Zone%20 Presentations/BTMCT_Simounet.pdf ABB. (2015). Terra 53 CJG, Cost effective multi-standard AC and DC fast charger, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.6.2015): http://new.abb.com/ev-charging/multistandard/terra-53-cjg Ademe. (2011). Study on the second life batteries for electric and plug-in hybrid vehicles, French Environment and Energy Management Agency (ADEME). Andrea, D. (2010). Battery Management Systems for Large Lithium Ion Battery Packs, Artech House, 300 p. BMW. (2014). BMW i3 Technical data, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.bmw.com/com/en/newvehicles/i/i3/2013/showroom/technical_data.html BMW. (2015). BMW Introducing Wireless Charger at CES, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.7.2015): http://www.hybridcars.com/bmw-introducing-wireless-charger-atces/ BYD. (2014). Electric Bus, BYD Auto, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.byd.com/na/auto/ElectricBus.html# Campbell, A.M. (2014). Assessing the economical viability of electric vehicle-to-grid services through infrastructure and market participation investments, MSc Thesis, Humboldt State University, Carugati, I., Donato, P., Maestri, S., Carrica, D., Benedetti, M. (2012). Frequency Adaptive PLL for Polluted Single-Phase Grids, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.27, no.5, pp. 2396-2404. Caterva. (2015). For the first time: Frequency Containment Reserve by privately used swarm of Energy Storage Systems, Joint press release by N-ERGIE Aktiengesellschaft and Caterva GmbH,. Saatavissa (viitattu 21.9.2015) http://www.caterva.de/pdf/Press_release_Caterva_N-ERGIE_SwarmPrequalification.pdf 79 Chademo. (2015). Technological details, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.6.2015): http://www.chademo.com/wp/technology/details/ Chapman, S.J. (2005). Electric machinery fundamentals, 4th edition, McGraw-Hill, Australia, 744 p. Chinabuses. (2014). Solaris Urbino Electric Bus in German Braunschweig, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.chinabuses.org/news/2014/0402/article_7998.html Cichowlas, M., Malinowski, M., Kazmierkowski, M.P., Blaabjerg, F. (2003). Direct power control for three-phase PWM rectifier with active filtering function, Eighteenth Annual IEEE in Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC 03’, vol.2, pp. 913-918. Crinon, R.J. (1989). Sinusoid parameter estimation using the fast Fourier transform, IEEE International Symposium Circuits and Systems, IEEE , vol.2, pp. 1033-1036. DBT CEV. (2015). Quick Charger DUAL DC / The Universal Quick Charger, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.6.2015): http://www.dbtcev.fr/quick-charger-dual-dc-the-universal-quick-charger/ DBT CEV. (2015). Universal Quick Charger, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.6.2015): http://www.dbtcev.fr/universal-quick-charger-quick-charge-for-all/ Denholm, P., Jorgenson, J., Hummon, M., Jenkin, T., Pachak, D., Kirby, B., Ma, O., O’Malley, M. (2013). The Value of Energy Storage for Grid Applications, National Renewable Energy Laboratory, U.S Department of Energy, 45 p. Ebusco. (2013). Ebusco 2.0, verkkosivu. Saatavissa http://www.ebusco.eu/en/electric-buses/ebusco-2-0 (viitattu 20.5.2015): European Photovoltaic Industry Association. (2014). Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018, 60 p. European Wind Energy Association. (2015). Wind in power, 2014 European statistics. 12 p. Fingrid. (2009a). Suurhäiriö on aina mahdollinen – kuinka siihen voidaan varautua? Saatavissa (viitattu 1.9.2015): http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakasliitteet/Seminaarit/K%C3%A4ytt%C3%B6var muusp%C3%A4iv%C3%A4/2009/kayttovarmuuspaiva_2009__timo_kaukonen.pdf 80 Fingrid. (2009b). Suomi saarekkeena 10.8.2009 17:50–17:55. Saatavissa (viitattu 21.9.2015): http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakasliitteet/Kayttotoimikunta/2009/24.9.2009/suom i_saarekkeena_100809.pdf Fingrid. (2014). Merkittävimmät häiriöt - kesä 2014. Saatavissa (viitattu 21.8.2015): http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakastoiminta/asiakastoimikunnat/kayttotoimikunta/ 2014/Sivut/default.aspx Fingrid. (2015a). Fingridin kysyntäjoustopilottien esittely. Saatavissa (viitattu 21.8.2015): http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakasliitteet/Markkinatoimikunta/2015/20150210%2 0Markkinatoimikunta%20-%203%20 %20Fingridin%20kysynt%C3%A4joustopilotit.pdf Fingrid. (2015b). Fingrid – Reservit, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 13.1.2015): http://www.fingrid.fi/fi/voimajarjestelma/reservit/ Fingrid. (2015c). Katsaus häiriöihin - 24.6.2015. Saatavissa (viitattu 29.6.2015): http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakastoiminta/asiakastoimikunnat/kayttotoimikunta/ 2015/Sivut/default.aspx Fortum. (2015). Sähköautojen pikalatauksen oikealla hinnoittelulla varmistetaan palvelun saatavuus, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 13.7.2015): http://www.fortum.com/countries/fi/asiakkaille/ajankohtaista/Pages/S%C3%A4hk%C3 %B6autojen-lataus-maksulliseksi.aspx Friedli, T., Hartmann, M., Kolar, J.W. (2014). The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems—Part II, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.29, no.2, pp. 543560. Gonzalez-Longatt, F., Chikuni, E., Rashayi, E. (2013). Effects of the Synthetic Inertia from wind power on the total system inertia after a frequency disturbance, 2013 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), pp. 826-832. Huvilinna, J. (2015). Value of Battery Energy Storage at Ancillary Service Markets, MSc Thesis, Aalto University, p 65. Härkönen, T. (2011). Techno-economical studies for grid impacts of electric vehicle fast charging. Master of Science Thesis, Tampere University of Technology, 100 p. IEC 61851-1:2010. (2010). Electric vehicle conductive charging system - Part 1: General requirements, IEC, 99 p. 81 IEC 61851-21:2001. (2001). Electric vehicle conductive charging system - Part 21: Electric vehicle requirements for conductive connection to an a.c./d.c. supply, IEC, 29 p. IEC 61851-22:2001. (2001). Electric vehicle conductive charging system - Part 22: AC electric vehicle charging station, IEC, 41 p. IEC 61851-23:2014. (2014). Electric vehicle conductive charging system - Part 23: DC electric vehicle charging station, IEC, 159 p. IEC 61851-24:2011. (2011). Electric vehicle conductive charging system - Part 24: Digital communication between a d.c. EV charging station and an electric vehicle for control of d.c. charging, IEC, 63 p. IEC 62196-1:2014. (2014). Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets Conductive charging of electric vehicles - Part 1: General requirements, IEC, 176 p. IEC 62196-2:2011. (2011). Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets Conductive charging of electric vehicles - Part 2: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and contact-tube accessories, IEC, 74 p. IEC 62196-3:2014. (2014). Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets Conductive charging of electric vehicles - Part 3: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for d.c. and a.c./d.c. pin and contact-tube vehicle couplers, IEC, 71 p. IEEE. (1992). Hydraulic turbine and turbine control models for system dynamic studies, IEEE Transactions on Power Systems, , vol.7, no.1, pp.167-179. IEEE. (1997). Proposed terms and definitions for flexible AC transmission system (FACTS), IEEE Transactions on Power Delivery, vol.12, no.4, pp.1848-1853. IEEE. (2006). Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies, IEEE Std 421.5-2005 (Revision of IEEE Std 421.5-1992), pp.1-85. Kazmierkowski, M.P., Krishnan, R., Blaabjerg, F. (2002). Control in power electronics: selected problems, Elsevier Science (USA), Academic Press, 518 p. Kothari, D. P, Nagrath, I.J. (2003), Modern Power System Analysis, Tata McGraw-Hill Education, Third Edition, 694 p. 82 Kotsopoulos, A., Heskes, P.J.M., Jansen, M.J. (2005). Zero-crossing distortion in gridconnected PV inverters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE, vol.52, no.2, pp. 558-565. Limongi, L.R., Bojoi, R., Pica, C., Profumo, F., Tenconi, A. (2007). Analysis and comparison of phase locked loop techniques for grid utility applications, IEEE Power Conversion Conference – Nagoya PCC '07 , pp. 674-681. Linkker. (2015). Lightweight bus construction, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.linkkerbus.com/naytasivu/Lightweight+bus+construction/5 Messo, T. (2014). Factors Affecting Stable Operation of Grid Connected Three-Phase Photovoltaic Inverters, Tampere University of Technology, Tampere, 114 p. Mi, C. (2014). Development of an Extremely Efficient Wireless EV Charger, University of Michigan-Dearborn. Saatavissa (viitattu 14.7.2015): http://web.stanford.edu/group/peec/cgi-bin/docs/events/2014/10-24-14%20Mi.pdf Mitsubishi. (2010). Mitsubishi i-MiEV specifications, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.mitsubishi-cars.co.uk/imiev/specifications.aspx Mullan, J., Harries, D., Bräunl, T., Whitely, S. (2012). The technical, economical and commercial viability of the vehicle-to-grid concept, Elsevier Energy Policy, vol. 48, pp. 394-406. Neubauer, J., Pesaran, A. (2010). PHEV/EV Li-Ion Battery Second-Use Project, National Renewable Energy Laboratory, U.S Department of Energy, 29 p. Nissan. (2013). Nissan Leaf Electric, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.nissanusa.com/electric-cars/leaf/ ON Semiconductor. (2014). Power Factor Correction (PFC) Handbook. Saatavissa (viitattu 14.7.2015): www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD853-D.PDF Phadke, A.G., Thorp, J.S., Adamiak, M.G. (1983). A New Measurement Technique for Tracking Voltage Phasors, Local System Frequency, and Rate of Change of Frequency, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, IEEE, vol. PAS-102, no.5, pp. 1025-1038. Primove. (2015). Berlin e-bus Primove, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.7.2015): http://primove.bombardier.com/projects/europe/germany-berlin-primove-e-bus.html 83 Proterra. (2015). The Proterra Catalyst Platform. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.proterra.com/wp-content/uploads/2015/05/Tearsheets_CatalystPlatform.pdf Rautiainen, A., Repo, S., Järventausta, P. (2009). Using frequency dependent electric space heating loads to manage frequency disturbances in power systems, PowerTech, 2009 IEEE Bucharest, pp. 1-6. Rautiainen, A., Mutanen, A., Repo, S., Järventausta P., Ryynin, R., Helin, J., Tammi, A., Unkuri, A., Pekkinen, M. (2013). Case studies on impacts of plug-in vehicle charging load on planning of urban electricity distribution networks, 2013 Eight International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), IEEE, pp. 1-7. Renault. (2014). Zoe Electric Renault, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): https://www.renault.co.uk/vehicles/new-vehicles/zoe.html Rong-Jie, T., Chen, C. (1994). A new three-phase space-vector-modulated power factor corrector, Ninth Annual Conference Proceedings in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1994, APEC '94, vol. 2, pp. 725-730. Schneider Electric. (2015). EVlink Fast Charge Solution - Charging solutions for electric vehicles, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.6.2015): http://www.schneider-electric.com/products/ww/en/1800-evlink-charging-solutions-forelectric-vehicles/1830-evlink-fast-charge/60852-evlink-fast-charge-solution/ SESKO. (2015). Sähköajoneuvojen lataaminen kiinteistöjen sähköverkoissa. Saatavissa (viitattu 8.5.2015): http://www.sesko.fi/portal/fi/standardointikomiteat/komitealista_ja_komiteasivut/sk_69 __sahkoautot_/lataussuositus2014/ Siemens. (2013). Wiener Linien Electric Bus12 - midibuses for the city centre. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.siemens.com/press/pool/de/events/2013/infrastructure-cities/2013-03-UITPPK/background-ebus-wiener-linien-e.pdf Siemens. (2015a). Charging modes for electric vehicles. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.automation.siemens.com/tip-static/dlc/en/Green-Applications/StandardCompliant_Solution_Packages_for_Charging_Stations.pdf Siemens. (2015b). eBus – High Power Charging Solutions. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.siemens.com/press/pool/de/events/2015/mobility/2015-06uitp/presentation-ebus-e.pdf 84 Siyu G., Barnes, M. (2012). Phase-locked loop for AC systems: Analyses and comparisons, 6th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), IET, pp.1-6. Solaris. (2014). Urbino 12 electric – Solaris Bus and Coach. Saatavissa (viitattu 20.5.2015): http://www.solarisbus.com/vehicle/urbino-12-electric Tesla. (2015a). Supercharger | Tesla Motors, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.teslamotors.com/supercharger Tesla. (2015b). Model S | Tesla Motors, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://www.teslamotors.com/models Tremblay, O., Dessaint, L.-A., Dekkiche, A.-I. (2007). A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles, Vehicle Power and Propulsion Conference, 2007. VPPC 2007. IEEE, pp.284-289. United States Department of Energy. (2014). Evaluating Electric Vehicle Charging Impacts and Customer Charging Behaviors – Experiences from Six Smart Grid Investment Grant Projects. Saatavissa (viitattu 3.7.2015): https://www.smartgrid.gov/files/B3_revised_master-12-17-2014_report.pdf Vlatkovic, V., Borojevic, D. (1994). Digital-signal-processor-based control of threephase space vector modulated converters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.41, issue 3, pp. 326-332. Volkswagen. (2015a). 2015 VW e-Golf – Well Equipped Electric Cars. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): https://www.vw.com/models/e-golf/ Volkswagen. (2015b). CES 2015: Volkswagen introduces advanced gesture control and networking for a new age of mobility, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 27.5.2015): http://media.vw.com/release/908/ VTT. (2014). Asssessing range and performance of electric vehicles in Nordic driving conditions – Project Final Report. Saatavissa (viitattu 3.7.2015) : http://www.transeco.fi/files/794/Assessing_Range_and_Performance_of_Electric_vehic les_in_Nordic_Driving_Conditions_Project_Final_Report.pdf Yilmaz, M., Krein, P.T. (2013). Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles, IEEE Transactions on Power Electronics, , vol.28, no.5, pp.2151-2169. 85 Yu, D., Xiaohu, Z., Sanzhong B., Lukic, S., Huang, A. (2010). Review of non-isolated bi-directional DC-DC converters for plug-in hybrid electric vehicle charge station application at municipal parking decks, Twenty-Fifth Annual IEEE in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) 2010, pp. 1145-1151.
© Copyright 2024