LEMENE- ja ProCemPlus-hankkeiden yhteistyönä on toteutettu mittaus- ja datanhallintajärjestelmä sähkön laadun monitorointia varten Lempäälän Marjamäen mikroverkkoon. Monitoroinnista kerättyä dataa käytetään osana mikroverkon energiaresurssien ja saarekekäytön toiminnan analysointia ja kehitystä. Mittausdataa voidaan hyödyntää myös LEMENE-mikroverkosta kehitetyn transienttisimulointimallin toiminnan todentamisessa.
LEMENE
LEMENE-hanke on syntynyt ajatuksesta tuottaa ja käyttää energiaa (sähkö, lämpö, kylmä) paikallisesti, jolloin investointeja voidaan tehdä keskitetysti ja saada tätä kautta investointien kannattavuutta korkeammalle tasolle. Samalla LEMENE osaltaan vastaa energiamurrokseen ja auttaa saavuttamaan päästötavoitteita keskittämällä investoinnit uusiutuvaan energiaan. Kun energiaa tuotetaan ja käytetään paikallisesti, vähentää se myös jakelu- ja siirtoverkkojen kuormitusta ja sitä kautta pienentää julkisen jakeluverkon investointi- ja kustannuspainetta. LEMENE:n tyyppiset sektori-integraation mahdollistavat energiayhteisöt tulevat näyttelemään suurta roolia, kun maailma sähköistyy ja menee kohti hiilineutraaliutta. Tässä blogissa käsitellään LEMENE:ä sähköverkon kannalta.
LEMENE:ssä rakennettiin toimiva energiayhteisö, jossa mikroverkko-ohjain ennustaa ja optimoi energiantuotantoa ja -kulutusta olemassa olevien resurssien perusteella. LEMENE-mikroverkko pystyy vastaamaan uusiutuvan energian tuotannonvaihtelun aiheuttamiin haasteisiin muuttamalla omaa tuotantoa ja kulutusta sekuntitasolla. Paikallisen sähköverkon saarekekäytöllä voidaan tarvittaessa parantaa sähkön toimitusvarmuutta ja sähkön laatua. Energiaresursseina LEMENE:ssä toimii kaksi aurinkovoimalaa, kaksi sähköenergiavarastoa, kaksi polttokennoa ja kuusi kaasumoottoria. Energiaresurssit on sijoitettu kuuden älysähköverkkoaseman yhteyteen. LEMENE:ssä myös kuluttajat pystyvät osallistumaan energiayhteisön energiatasapainon saavuttamiseen antamalla ohjattavat kuormansa mikroverkko-ohjaimen säädettäviksi.
Tällä hetkellä LEMENE toimii energiantuotantoyksikkönä osallistumalla Nord Poolin sähkömarkkinoille ja Fingridin reservimarkkinoille. Tuotannon käynnistyksen jälkeen kokemuksien kautta on tunnistettu kehitettäviä ja uusia toimintoja tarvittavilta osin, joilla saadaan vietyä LEMENE:n kehitysastetta vieläkin korkeammalle. Muun muassa optimointia on parannettu ja automaatioastetta on saatettu suuremmaksi. LEMENE-mikroverkko toimii lähes täysin automaattisesti ja tarvitsee vain vähäistä ihmisen operointia. Kun lainsäädäntöä kehitetään eteenpäin, voidaan LEMENE-sähköverkkoon ottaa mukaan myös teollisuusasiakkaita. Asiakkaiden saaminen LEMENE-sähköverkkoon on alkuperäisistä tavoitteista viimeinen, joka on vielä saavuttamatta.
Sähkön laadun mittaukset ja mittausdatan hallinta
LEMENE-mikroverkon sähkön laatua monitoroimaan on asennettu neljä mittaria kummallekin aurinkovoimalalle ja akkuvarastolle. Jokaisesta mittauspisteestä mitataan noin 180 sähkön suuretta joka sekunti. Sähkön perussuureiden lisäksi mittauksiin kuuluvat mm. jännitteiden ja virtojen harmoniset yliaallot ja kokonaissäröt, ja jännitteen symmetriset komponentit. Mittareiden dataa kerätään ja hallitaan paikallisella tietokoneella, joka on yhteydessä Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen tietokantaan ja IoT-alustalle. Kuvassa 1 on havainnollistettu LEMENE-mikroverkko ja sen energiaresurssit, sähkön laadun mittaukset ja datanhallintajärjestelmä pääpiirteissään. Mittausdataa käytetään LEMENE-mikroverkon energiaresurssien ja saarekekäytön sähkön laadun tutkimuksissa. Datanhallintajärjestelmän avulla on tarkoitus kehittää sähkönlaatudatan prosessoinnin ja automaattisen analyysin tapoja. LEMENE-mikroverkon mittaukset ovat olleet toiminnassa syyskuusta 2020 lähtien.
Esimerkki saarekekäytöstä
LEMENE-mikroverkkoa on käytetty saarekkeessa onnistuneesti useita kertoja, ja näitä tapahtumia on tallennettu toteutetuilla sähkön laadun mittauksilla. Kuvan 2 kuvaajissa näkyy tilanne, jossa mikroverkko kokee odottamattoman irtoamisen paikallisen jakeluverkkoyhtiön julkisesta jakeluverkosta, ja noin kahdeksan minuutin jälkeen mikroverkko palaa takaisin osaksi jakeluverkkoa. Kuvaajien mittaukset ovat toisen akkuvaraston muuntajan keskijännitepuolelta. Saarekkeeseen siirtymisen hetkellä jakeluverkkoon syötettiin pätötehoa 1,3 MW. Muutostilan jälkeen taajuus tasaantuu pian lähelle 50 Hz:ä, kun akkuvarastot reagoivat tilanteeseen kasvattamalla pätötehon kulutustaan. Myös jännite stabiloituu nopeasti nimellisarvoon saarekkeeseen siirtymisen jälkeen. Sekä taajuuden että jännitteen arvot pysyvät jakeluverkkojen jännitteen laadun standardin SFS-EN 50160 määrittelemien raja-arvojen sisällä myös muutostilassa. Mikroverkon kytkeytyessä takaisin osaksi jakeluverkkoa mittauksissa ei näy merkittäviä muutostilan taajuuden tai jännitteen vaihteluita.
Kirjoittajat:
Antti Hildén, Tampereen yliopisto
Mikko Kettunen, Lempäälän Lämpö Oy