Väitös

Roni Luhtala: Reaaliaikaiset sähköverkon mittaukset tukemaan uusiutuvan energian hyödyntämistä

Roni Luhtala.
Vaihtelevan sään vaikutukset uusiutuvan energian, kuten aurinko- ja tuulivoiman, tuotantoon ovat tuttuja monille. Vastaavasti vähemmän tunnettua on alueellisen sähköverkon vaikutukset näillä uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön laatuun. Roni Luhtala pureutuu väitöskirjassaan tähän ongelmaan ja esittelee sähköverkon toimintaan älykkäästi sopeutuvia menetelmiä uusiutuvan energian tehokkaamman hyödyntämisen tueksi.

Ilmastokriisin kirittämänä uusiutuvan energian osuus on kasvanut nopeasti niin Suomessa kuin maailmallakin. Kiistattomien myönteisten ympäristövaikutusten varjopuolena uusiutuvilla energialähteillä ovat niiden sähköverkon toimintaa hankaloittavat ominaisuudet, joiden tautalla on sähköntuotannon riippuvuus säästä.

– Uusiutuvien energialähteiden yleistymisen vaikutukset sähkönjakeluun näkyvät jo nyt alueilla, joissa suuri osa sähköstä on tuotettu esimerkiksi aurinko- tai tuulivoimalla. Kuluttajille näkyviä negatiivisia vaikutuksia voivat olla esimerkiksi heikentynyt sähkönlaatu tai jopa yleistyneet sähkökatkokset. Suurimmat ongelmat tällaisilla alueilla voidaan yleensä välttää ylimitoittamalla sähköverkkoa, mikä on kuitenkin hyvin kallista ja joissain tapauksissa tarpeetonta, Roni Luhtala kertoo.

Uusiutuvat energialähteet kytketään sähköverkkoon miltei aina tehoelektronisia laitteita hyödyntämällä. Tällaiset laitteet ovat herkkiä häiriöille ja erilaisille muutoksille niiden toimintaympäristössä. Uusiutuvaa energiaa verkkoon kytkevien laitteiden toimivuus riippuukin suuresti siitä sähköverkon pisteestä, johon ne on sijoitettu.

Uudet menetelmät mahdollistavat jatkuvat mittaukset ilman lisälaitteita

Uusiutuvaa energiaa hyödynnetäänkin hyvin erilaisissa paikoissa niin suurkaupungin keskustassa kuin kaukana autiomaassa tai merelläkin. Täten myös sähköverkon ominaisuudet vaihtelevat hyvin paljon kytkentäpisteiden mukaan. Yhdessä pisteessä täydellisesti toimiva laite voi olla täysin toimimaton toisaalla. Lisäksi sähköverkon ominaisuudet saattavat vaihdella ajan kuluessa esimerkiksi sähköverkon vikojen tai uusien voimaloiden ja kuluttajien mukaan.

– Näistä seikoista johtuvat ongelmat tulevat lisääntymään uusiutuvan energian yleistyessä, mikäli niihin ei reagoida jo nyt. Yksi apu voivat olla jatkuvat mittaukset, joiden avulla uusiutuvaa energiaa verkkoon kytkevät laitteet saisivat hyvin tarkkaa tietoa kytkentäpisteestään. Tällaisten mittausten avulla pystyttäisiin havainnoimaan kyseiseen pisteeseen kytketyn uusiutuvan energialähteen toimivuutta sekä myös alueellisen sähköjärjestelmän toimintaa eri tilanteissa, Luhtala sanoo.

Roni Luhtala esittelee väitöskirjassaan tehokkaita menetelmiä sähköverkon mittaamiseksi reaaliajassa. Menetelmät ovat edistyksellisiä, koska ne pystytään toteuttamaan tuolla kytketyllä laitteella itsellään, eikä erillistä mittalaitteistoa tarvita lainkaan.

– Reaaliaikaisia mittauksia sähköverkon tietyistä ominaisuuksista voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi mahdollisten ongelmien tunnistamiseen jo etukäteen. Tällöin myös verkkoon kytkettyjen laitteiden älykäs ohjausjärjestelmä voitaisiin ohjelmoida välttämään itsenäisesti ainakin yleisimpiä ongelmatilanteita, Luhtala sanoo.

Älykkäästi kytkentäpisteeseensä sopeutuva laite mittaisi itsenäisesti omaa kytkentäpistettään, tunnistaisi mahdollisia ongelmatilanteita ja muokkaisi automaattisesti omaa toimintaansa tilanteen vaatimalla tavalla. Luhtalan tutkimuksessa esitellään myös tekniikoita näiden yleisimpien ongelmatilanteiden tunnistamiseksi sekä tietenkin myös niiden välttämiseksi.

– Nykyajan sähkölaitteita voi käsitellä käytännössä tietokoneina ja niiden suorittama digitaalinen ohjelma määrää suuresti laitteen toimintaa. Tällaisille laitteille on helppoa ja kustannustehokasta ohjelmoida erilaisia älykkäitä toimintoja, koska varsinaisia fyysisiä muutoksia ei välttämättä tarvita toiminnan mukauttamiseen, Luhtala täsmentää kehittelemiensä menetelmien käytännöllisyyttä.

Uusia menetelmiä tarvitaan, jotta uusiutuvan energian tuotannon kasvu voidaan varmistaa. Uusiutuvan energian nopeasti lisääntyvä osuus sähkötuotannosta monimutkaistaa sähköjärjestelmäämme oleellisesti ja tuo mukanaan myös uudenlaisia ongelmia.

– Pahimmillaan nämä ongelmat voivat estää uusiutuvan energian osuuden lisäämisen tietyn rajan yli tai vastaavasti heikentää sähkönlaatua ja sähkönjakelun varmuutta. Mikään näistä ongelmista ei kuitenkaan ole ylitsepääsemätön. Tutkimuksen ja tuotekehityksen avulla voidaan edelleen jatkaa taivalta kohti tulevaisuuden kestävää – pelkästään uusiutuvasta energiasta koostuvaa – energiajärjestelmää, Luhtala sanoo.

Diplomi-insinööri Roni Luhtalan tehoelektroniikan alaan kuuluva väitöskirja Real-Time Identification and Adaptive Control of Grid-Connected Three-Phase Inverters tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 27.11.2020 alkaen kello 12.00 Hervannan kampuksella Konetalon auditoriossa K1702, Korkeakoulunkatu 6, Tampere. Vastaväittäjinä toimivat professori Marko Hinkkanen Aalto-yliopistosta sekä tekniikan tohtori Juha Jokipii (Danfoss Drives). Kustoksena toimii professori Tomi Roinila informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1785-0

Kuva: Minna Talvitie