Tuulivoimapuiston keskijänniteverkon teknistaloudellinen optimointi

Euroopan Unionin asettamat tavoitteet uusiutuvien energialähteiden lisäämiselle sähköntuotannossa ovat johtamassa tuulivoimalla tuotetun sähkön merkittävään kasvamiseen. Suomeenkin suunnitellaan suuria, useista kymmenistä tuulivoimaloista koostuvia tuulivoimapuistoja niin maalle kuin merelle. Tuulivoimapuiston suunnittelu on kokonaisuudessaan pitkä prosessi, johon sisältyy sähköteknisen suunnittelun lisäksi myös ympäristövaikutusten arviointiohjelma ja erinäiset lupa-asiat. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää menetelmiä, joiden avulla suurten tuulivoimapuistojen keskijänniteverkon teknistaloudellinen suunnittelu helpottuisi. Tuulivoimapuiston keskijänniteverkon parhaan teknistaloudellisen ratkaisun löytyminen riippuu useista muuttujista. Työssä kehitettiin laskentamallipohja, jonka avulla voidaan helposti ja nopeasti tarkastella erilaisten ratkaisuiden vaikutusta kokonaisuuteen. Tavoite on optimoida teknistaloudellisessa mielessä koko tuulivoimapuiston sisäinen keskijänniteverkko. Kehitettyä laskentamallipohjaa hyödynnettiin esimerkkiprojektina olleen tuulivoimapuiston keskijänniteverkon suunnittelussa. Mallin avulla voidaan laskea nopeasti verkon kustannukset koko pitoajalta. Kustannuslaskelmissa otetaan huomioon investointi-, häviö- ja keskeytyskustannukset.

Nikkilän ja Savion sähkönjakeluverkkojen kunnossapito- ja saneeraussuunnitelma

Keravan Energian ja Etelä-Suomen Energian sähkönjakeluverkot sijaitsevat kasvavalla alueella Etelä-Suomessa ja varsinkin Etelä-Suomen Energian alueelle Sipooseen on ennustettu suurta väestönkasvua. Sipoossa sähköverkko on pääasiassa avojohtovoittoista maaseutuverkkoa kun taas Keravalla sähköverkko on kaapeloitua kaupunkiverkkoa. Väkiluvun ja sähkön kulutuksen kasvu tuovat omat vaatimuksensa sähkönjakeluverkolle varsinkin Sipoon Nikkilässä. Diplomityössä selvitetään Etelä-Suomen Energia Oy:n ja Keravan Energia Oy:n keskijänniteverkkojen nykytila Nikkilän ja Savion alueilla sekä alueiden kasvuennusteet ja uusien asuinalueiden tehontarpeet vuonna 2025. Näiden pohjalta laaditaan keskijänniteverkkojen rakentamiseen ja mahdollisimman tehokkaaseen käyttöön johtava suunnitelma seuraavien viiden vuoden aikana tehtäville saneerauksille.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaarianalyysi

Tässä työssä on tarkasteltu sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaaria niiden energiankulutuksen näkökulmasta. Työssä kerrotaan elinkaarianalyysin käyttämisestä tutkimusmenetelmänä erityisesti sähkönjakeluverkkojen tarkastelussa. Tarkasteltaviksi komponenteiksi on valittu 110 kV/20 kV sähköasemalta päämuuntajat ja keskijännitepuolen kojeistot, keskijännitejohtolähdön maakaapeli ja ilmajohtorakenteet sekä jake-lumuuntajat, pienjännitemaakaapelit ja -avojohdot. Työssä esitetään yksinkertainen menetelmä komponenttien elinkaarien aikana kuluvan energiamäärän ja siitä aiheutuvien CO2-päästöjen arviointiin. Lisäksi esitetään tuloksia tehdyistä esimerkkitarkasteluista ja analyysin lähtötietojen määrittämisestä. Työn tarkoitus on auttaa verkkoyhtiöitä arvioimaan komponentti-investointien kannattavuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Energiahäviöt ovat usein verkkoyhtiön suurin asiakas ja päästökaupan myötä myös CO2-päästöillä on hintansa. Energiatehokkaiden ratkaisujen käyttäminen on tullut entistä tärkeämmäksi komponentteja uusittaessa.

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.

Strategic Development of Electricity Distribution Networks – Concept and Methods

Strategic development of distribution networks plays a key role in the asset management in electricity distribution companies. Owing to the capital-intensive nature of the field and longspan operations of companies, the significance of a strategy is emphasised. A well-devised strategy combines awareness of challenges posed by the operating environment and the future targets of the distribution company. Economic regulation, ageing infrastructure, scarcity of resources and tightening supply requirements with challenges created by the climate change put a pressure on the strategy work. On the other hand, technology development related to network automation and underground cabling assists in answering these challenges. This dissertation aims at developing process knowledge and establishing a methodological framework by which key issues related to network development can be addressed. Moreover, the work develops tools by which the effects of changes in the operating environment on the distribution business can be analysed in the strategy work. To this end, the work discusses certain characteristics of the distribution business and describes the strategy process at a principle level. Further, the work defines the subtasks in the strategy process and presents the key elements in the strategy work and long-term network planning. The work delineates the factors having either a direct or indirect effect on strategic planning and development needs in the networks; in particular, outage costs constitute an important part of the economic regulation of the distribution business, reliability being thus a key driver in network planning. The dissertation describes the methodology and tools applied to cost and reliability analyses in the strategy work. The work focuses on determination of the techno-economic feasibility of different network development technologies; these feasibility surveys are linked to the economic regulation model of the distribution business, in particular from the viewpoint of reliability of electricity supply and allowed return. The work introduces the asset management system developed for research purposes and to support the strategy work, the calculation elements of the system and initial data used in the network analysis. The key elements of this asset management system are utilised in the dissertation. Finally, the study addresses the stages of strategic decision-making and compilation of investment strategies. Further, the work illustrates implementation of strategic planning in an actual distribution company environment.

Keskijänniteverkon käyttövarmuuden parantaminen verkostoautomaatiolla

Tässä työssä tutkitaan maastokatkaisijoiden ja kauko-ohjattavien erottimien kannattavia sijoituskohteita keskijänniteverkkoon. Kannattavuutta lasketaan kannattavuuslaskennalla, jonka lopputuloksena saadaan automaatiolaitteiden aiheuttama keskeytyskustannussäästö. Saaduille keskeytyskustannussäästöille lasketaan investoinnin takaisinmaksuaika, joka määrää kohteiden tärkeysjärjestyksen. Lisäksi tarkastellaan verkostomuutosten vaikutusta automaatiolaitteiden kannattavuuteen. Kannattavuuslaskentaa varten keskijänniteverkko jaetaan vyöhykkeisiin. Vyöhykkeiden avulla huomioidaan olemassa olevien kauko-ohjattavien erottimien ja varasyöttöjen vaikutukset. Laskentaparametrit määritetään yhtiön tilastoista. Tutkimuksessa on esitetty automaatiolaitteiden kannattavuuslaskentaa esimerkkikohteiden avulla, jotka on valittu keskijänniteverkon rakenteen perusteella. Maastokatkaisijoille ja kauko-ohjattaville erottimille löytyi paljon kannattavia sijoituskohteita. Maastokatkaisijalle havaittu lisäominaisuus parantaa sen kannattavuutta entisestään. Automaatiolaitteiden aiheuttamat keskeytyskustannussäästöt riippuvat siirrettävästä tehosta, vikataajuuksista ja keskeytyskustannusten arvoista, joiden vaikutusta on kuvattu herkkyystarkasteluilla.

Sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutukset

Euroopan unionin energiapolitiikka on luonut paineen parantaa energiatehokkuutta kaikilla energiankäytön aloilla. Merkittävä osa energiasta kulutetaan liikenteessä, joten sähköautojen käyttöönotolla voidaan parantaa energiatehokkuutta merkittävästi. Tämän vuoksi on tarkasteltava sähköautojen laajamittaisen levinneisyyden aiheuttamia vaikutuksia sähköverkolle. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutuksia. Tarkastelu painottuu kotilatauksen tarkasteluun taajamissa ja maaseudulla. Kuormituksen kasvu simuloidaan hyödyntäen sähköauton lataukselle laskettua kuormituskäyrää, jonka laskenta perustuu keskimääräiseen henkilöauton liikkumiseen, joka on saatavilla Suomen henkilöliikennetutkimuksesta. Simuloinnin tulosten perusteella sähköauton pikalatauksen verkkovaikutukset ovat merkittäviä keskijänniteverkossa ja pienjänniteverkossa. Suuremmat vaikutukset kohdistuvat pienjänniteverkkoon.

Erään teollisuuslaitoksen suur- ja keskijännitesähkönjakelun ennakkohuoltoperiaatteet

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda suuren teollisuuslaitoksen suur- ja keskijännitesähkönjakelujärjestelmälle ennakkohuoltosuunnitelmaesitys, joka selkeyttää järjestelmän ennakkohuoltotoimintaa. Ennakkohuoltosuunnitelmaesityksen perusteella voidaan tulevaisuudessa luoda ennakkohuolto-ohjelma kunnossapitojärjestelmään. Ennakkohuoltosuunnitelmaesityksen kehittäminen aloitettiin selvittämällä suur- ja keskijännitesähkönjakelujärjestelmien ennakkohuoltotoimintaan vaikuttavaa lainsäädäntöä, määräyksiä, ohjeita sekä standardeja. Myös sähkönjakelujärjestelmän komponenttien luotettavuudesta ja pitoajasta saatavilla olevaa informaatiota etsittiin eri lähteistä. Tutkittavana olevaan suur- ja keskijännitesähkönjakelujärjestelmään perehtymisen yhteydessä selvitettiin myös järjestelmän komponenttien varaosatilanne, sekä järjestelmässä käytettävissä olevat varayhteydet. Tutkittavalle suur- ja keskijännitesähkönjakelujärjestelmälle suoritettiin kriittisyysluokittelu, sekä selvitettiin järjestelmän ennakkohuoltotoiminnan nykytilanne. Lisäksi tutkittiin järjestelmän vikahistoriakirjauksia kymmenen vuoden ajalta. Työn viimeisessä osassa laadittiin ennakkohuoltosuunnitelmaesitys tutkittavalle suur- ja keskijännitesähkönjakelujärjestelmälle. Ennakkohuoltosuunnitelmaesitykseen ovat osaltaan vaikuttaneet suoritettu kriittisyysluokittelu sekä vikahistoriasta selvinneet asiat. Lisäksi työssä tutustuttiin sähkönjakelun ennakkohuoltotöiden optimointiin. Työssä esiteltiin optimointilaskennan laskentayhtälöt, sekä suoritettiin esimerkkioptimointilaskenta kuvitteellisen sähkönjakelujärjestelmän muuntajien ennakkohuollolle.

Rovakaira Oy:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta

Diplomityössä tavoitteena on etsiä teknistaloudellisimmat ratkaisut sekä tutkia niiden vaikutuksia sähkönjakeluverkoston käyttövarmuuteen ja luotettavuuteen toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta. Lisäksi työssä esitetään uusi tunnusluku kriteeristön ylityksestä aiheutuvan haitan arvostukseen. Merkittävä osa Rovakaira Oy:n keskijänniteverkosta joudutaan uusimaan lähivuosikymmeninä teknistaloudellisen pitoajan täyttyessä. Verkon uusiminen antaa mahdollisuuden toteuttaa verkkoa nykyisiin vaatimuksiin paremmin sopivilla ratkaisuilla. Kehitysvaihtoehtoina vertaillaan johdon tien varteen siirtoa, maastokatkaisijoiden lisäämistä, pienitehoisten ja päättyvien haarajohtojen korvaamista 1 kV tekniikalla sekä pienoissähköaseman kannattavuutta. Työssä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin Sodankylän käyttövarmuuden parantamista sähköasemavian aikana ja alueen kuormituksenkasvuun varautumista.

Integration of microgrids into electricity distribution networks

Existing electricity distribution system is under pressure because implementation of distributed generation changes the grid configuration and also because some customers demand for better distribution reliability. In a short term, traditional network planning does not offer techno-economical solutions for the challenges and therefore the idea of microgrids is introduced. Islanding capability of microgrids is expected to enable better reliability by reducing effects of faults. The aim of the thesis is to discuss challenges in integration of microgrids into distribution networks. Study discusses development of microgrid related smart grid features and gives estimation of the guideline of microgrid implementation. Thesis also scans microgrid pilots around the world and introduces the most relevant projects. Analysis reveals that the main focus of researched studies is on low voltage microgrids. This thesis extends the idea to medium voltage distribution system and introduces challenges related to medium voltage microgrid implementation. Differences of centralized and distributed microgrid models are analyzed and the centralized model is discovered to be easiest to implement into existing distribution system. Preplan of medium voltage microgrid pilot is also carried out in this thesis.

Keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuus

Tämän työn tavoitteena oli löytää tekijöitä jotka vaikuttavat keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuuteen. 1950–1970 luvuilla verkkoa rakennettiin halvimmalla mahdollisella tavalla, eikä sähkönjakelun luotettavuuteen kiinnitetty huomiota. Tämä tuo verkkoyhtiöille haasteen vanhoja verkkoja saneerattaessa, sillä keskeytyskustannusten arvostus on noussut merkittävään asemaan. Työssä tarkoituksena oli vertailla avojohdon sekä maakaapeloinnin elinkaarikustannuksia kahden erilaisen johtolähdön avulla. Toisella johtolähdöllä oli suuri julkinen kuorma ja toinen johtolähtö oli pitkä maaseutulähtö jolla esiintyi paljon vikoja. Työssä tarkastellaan myös sähkönjakeluverkon käyttövarmuutta ja maakaapeloinnin ominaisuuksia. Elinkaarikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä olivat investointikustannukset, keskeytyskustannukset sekä ylläpitokustannukset. Tuloksista voidaan huomata, että keskeytyskustannuksilla voi olla joissain tapauksissa hyvinkin suuri vaikutus johtolähdön elinkaareen. Pitkillä ja pienitehoisilla johtolähdöillä keskeytyskustannusten merkitys pienenee, eikä kaapeloinnilla saavuteta yhtä suurta hyötyä kuin suuritehoisemmilla lähdöillä.

Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

Reducing contact resistance in graphene devices

In this thesis, the contact resistance of graphene devices was investigated because high contact resistance is detrimental to the performance of graphene field-effect transistors (GFET). Method for increasing so-called edge-contact area was applied in device fabrication process, as few nanometers thick Ni layer was used as a catalytic etchant during the annealing process. Finally, Ni was also used as a metal for contact. GFETs were fabricated using electron beam lithography using graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD). Critical part of the fabrication process was to preserve the high quality of the graphene channel while etching the graphene at contact areas with Ni during the annealing. This was achieved by optimizing the combination of temperature and gas flows. The structural properties of graphene were studied using scanning electron microscopy, scanning confocal μ-Raman spectroscopy and optical microscopy. Evaluation of electric transport properties including contact resistance was carried out by transmission line method and four-probe method. The lowest contact resistance found was about at 350 Ωμm. In addition, different methods to transfer CVD graphene synthesized on copper were studied. Typical method using PMMA as a supporting layer leaves some residues after its removal, thus effecting on the performance of a graphene devices. In a metal assisted transfer method, metal is used as an interfacial layer between PMMA and graphene. This allows more effective removal of PMMA. However, Raman spectra of graphene transferred by metal assisted method showed somewhat lower quality than the PMMA assisted method

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.