Miten älyverkon sähkönlaatua hallitaan?

Uusien energialähteiden, kuten aurinkoenergian, tuulivoiman ja biomassan, laajan integroinnin myötä jakeluverkkoihin, joihin sisältyy hajautettua sähköntuotantoa, mikroverkkoja ja keskisuuria voimalaitoksia (mukaan lukien energiavarastointilaitokset ja sähköautojen latauspisteet), älyverkkoihin liittyy monia uusia ongelmia. Älyverkkokonfiguraation jännitelaadun hallintarakenteeseen kuuluvat ensisijaisesti hajautettu sähköntuotanto, siirto- ja jakelukerrostot, sähkön käyttökuormat sekä jännitelaatua kompensoivat laitteet.

Uusien energialähteiden, kuten aurinkoenergian, tuulienergian ja biomassanenergian, laajan integroinnin myötä jakeluverkkoihin, joihin sisältyy hajautettuja sähköntuotantotapoja, mikroverkkoja ja keskisuuria voimalaitoksia (mukaan lukien energianvarastointilaitokset ja sähköautojen latauspisteet), älyverkot uusissa olosuhteissa kohtaavat monia uusia ongelmia. Älyverkkokonfiguraation alla sähkönlaadun hallintarakenteeseen kuuluvat ensisijaisesti hajautettu sähköntuotanto, siirto- ja jakeluverkot, sähkönkulutuskuormat, sähkönlaadun kompensointilaitteet jne. Toisaalta, uusien energioiden integroinnin keskeisenä ajavana voimana, tehoelektroniikkamuuntolaitteiden laaja integrointi on johtanut uusiin sähkönlaadun ominaispiirteisiin ja ongelmiin siirto- ja jakeluverkoissa, joiden ratkaiseminen on akuutisti tarpeellista. Toisaalta sähkönkulutuspuolen kuormien moninaisuus, epälineaarisuus ja vaikutukset ovat lisääntyneet entisestään, mikä tekee sähköenergian tehokkaasta käytöstä akuutin kysymyksen. Näin syntyneet uudet ongelmat tuo mukanaan sekä mahdollisuuksia että haasteita sähkönlaadun hallintatekniikalle. Älyverkon ydinosana mikroverkko on epälineaarinen monimutkainen järjestelmä, joka yhdistää useita energialähteitä. Sen sisäiset hajautetut energialähteet ovat epäjatkuvia, monimutkaisia, moninaisia ja epävakaaita. Mikroverkkojen liitännän yhteydessä jakeluverkon turvallisen ja vakaan toiminnan takaamiseksi on eräs keskeinen ja akuutisti tutkittava ja ratkaistava kysymys sähkönlaatuihin liittyen.
Tehonlaadun kompensointilaitteiden luokittelu
Sähkönlaadun kompensointiohjauksen teknologia voidaan jakaa aktiiviseen ohjausteknologiaan ja passiiviseen käsittelytekniikkaan. Eri sähkönlaadun ongelmia varten vastaavat kompensointilaitteet luokitellaan ja esitellään. Passiivinen ohjauksetekniikka hillitsee tai ratkaisee sähkönlaadun ongelmia, kuten harmoniset, loisteho ja kolmivaiheinen epätasapaino, lisäämällä sähkömekaanisia kompensointeja rinnan tai sarjaan. Kompensointilaitteisiin kuuluu muun muassa passiiviset tehon suodattimet (PPF), aktiiviset tehon suodattimet (APF), hybriditeho suodattimet (HAPF), loistehokompensoijat, dynaaminen jännitteenpalautin (DVR) ja integroitu sähkönlaadun säädin (UPQC). Näistä erityisesti modulaarisen monitasoisen muuntajan (MMC) perustuvat sähkönlaadun kompensoijat ovat tulleet tutkimuskohdennuksen ja tulevaisuuden suuntauksen kohteeksi keski- ja korkeajänniteteknologiassa sähkönlaadun hallinnassa, jossa on matalajännite modulaarinen sarjakehitysrakenne. Aktiivinen ohjausteknologia sisältää sähkölaite- tai jakeluteholähteiden muuttamisen syöttö- tai lähtöimpedanssin ominaisuuksia tasapainottamaan sähkönlaadun hallinnan toimintoa. Aktiivinen sähkönlaadun ohjauksen teknologia ei ainoastaan paranna sähköntuotannon käyttöastetta, vaan myös parantaa järjestelmän kokonaissähkönlaatua lisäämättä tarpeettomia kompensoivia laitteita.
2. Tehonlaadun kompensointilaitteiden ohjausmenetelmät
Tällä hetkellä tehonlaadun kompensointilaitteet käyttävät pääasiassa jännitelähdetyyppisiä tai virtalähdetyyppisiä muuntajia. Yleisimmät kompensointilaitteiden virranohjausmenetelmät sisältävät muun muassa: hystereesiohjaus, vaiheeton ohjaus, mallinpohjainen ennakoiva ohjaus, suhteellinen integroiva (PI) ohjaus, suhteellinen resonanssi (PR) ohjaus, toistuva ohjaus ja epälineaarinen robusti ohjaus. Lisäksi perinteisen virranohjauksen parantamalla voidaan parantaa yksittäisen virranohjaustavan ohjauksen suorituskykyä. Esimerkiksi perinteisen PI- ja vektori-PI-ohjauksen yhdistävä menetelmä yksinkertaistaa harmonisen värin havaitsemisprosessia. Taajuusjakokompensointimenetelmä parantaa havaitsemistarkkuutta ja kompensointitarkkuutta verrattuna perinteiseen koko taajuusalueen kompensointimenetelmään ja soveltuu erityisesti erilaisiin korkean ja matalan jännitteen hybridisten aktiivisten suodatinlaitteiden yhteyteen.
3. Sähkönlaadun analyysi ja suuriyksiköiden jakelutehtaiden säätö
Kasvavan suurten hajautettujen sähköntuotantolaitosten, kuten aurinko- ja tuulivoimalaitosten (10 kV - 35 kV tasot), läpimurto edellyttää yhä enemmän huomiota hajautettujen voimalaitosjärjestelmien, jotka koostuvat pääasiassa useista inverttereistä, aiheuttamien yliaaltojen vuorovaikutukseen ja kytkentään sähkönsiirto- ja jakelujärjestelmän kanssa. Hajautettujen voimalaitosten tuottamilla yliaalloilla on korkeataajuus- ja laajakaistaiset ominaisuudet. Tyypillisen hajautetun voimalaitoksen resonanssivahvistuskertoimen, yliaaltomuuttujan ja siirtoetäisyyden välinen riippuvuus. Siirtoverkossa etenevät yliaallot vaikuttavat siirtojohtojen jakautuneen kapasitanssin ja taustan yliaaltosähköjännitteen kaltaiset tekijät, mikä voi aiheuttaa virran ja jännitteen resonanssivahvistumista. On olemassa kaksi hallintaratkaisua, joilla voidaan estää laajakaistaisten yliaaltojen sarja- ja rinnakkaisresonanssiongelmat siirtoverkossa, eli: muuttaa siirtoverkon parametreja ja poistaa resonanssi reaktoreiden avulla; asennetaan korkeajännitteisiä hybridityyppisiä aktiivisuodattimia vähentämään sähköverkkoon pääsevän yliaaltovirran määrää.