Aurinkosähköjärjestelmätjakeluverkon rinnalla - Sähkön käyttäjien turvallisuuteen ja sähkönlaatuun liittyvä standardointi

1. Aurinkosähköjärjestelmät
jakeluverkon rinnalla
Sähkön käyttäjien turvallisuuteen ja
sähkönlaatuun liittyvä standardointi
Tero Kaipia
18.9.2012

2. …miksei aurinkovoima Saksalaiset normit eivät ole millään
sitten yleisty? tavoin sovellettavissa Suomessa…
Jakeluverkon suojaus ei toimi oikein
josta seuraa vaaratilanteita ja turhia
katkoja…
Voimalat pilaavat sähkön laadun
aiheuttamalla laiterikkoihin johtavia
jännitehäiriöitä…
Aurinkovoimalat voivat
sähköturvallisuuden vaarantaen
ylläpitää jännitettä paikallisesti sähkön
katkettua muualta jakeluverkosta…
Paikalliset saarekkeet aiheuttavat
hallitsemattomia turvallisuusriskejä
alueella työskenteleville asentajille…
Suurin haaste tuntuu olevan sekä
sähkönkäyttäjien että verkkoyhtiöiden
piirissä tekninen epätietoisuus ja
epäselvät toimintatavat… …mistä tiedän voiko aurinkovoimalan
turvallisesti liittää jakeluverkkoon?
Tero Kaipia 18.9.2012 2

3. Lainsäädännön ja standardoinnin rooleista
Lainsäädäntö tähtää kaikkien osapuolten syrjimättömään kohteluun ja
turvallisuuden varmistamiseen
”Verkonhaltijan tulee pyynnöstä ja kohtuullista korvausta vastaan liittää verkkoonsa tekniset
vaatimukset täyttävät sähkönkäyttöpaikat ja sähköntuotantolaitokset toiminta-alueellaan
(liittämisvelvollisuus).”
–410/1996 Sähkömarkkinalaki 9§
Standardointi tarjoaa työkalut teknisten tavoitteiden saavuttamiseen
ETA-alueen
yhden- Eurooppalai Kansainvälin
kansallinen sovelletta-
mukaistettu nen en
SFS vissa oleva,
SFS-EN EN IEC
esim. VDE
Jollei ole olemassa laitetta koskevaa Euroopassa yhdenmukaistettua standardia, valtiollista
standardia tai maailmanlaajuista standardia, katsotaan laitetta koskevien turvallisuusvaatimusten
täyttyvän, jos se on valmistettu noudattaen ETA-alueeseen kuuluvan valtion kansallisia
määräyksiä –KTMp 1694/1993, 8§, 9§, 10§
Muut ohjeet rinnastettavissa standardointiin vain jollei standardia ole
olemassa
Tero Kaipia 18.9.2012 3

4. Aurinkovoiman liittämisen standardointi
SFS-EN 50438: Tekniset vaatimukset yleisen pienjännitejakelu-
verkon kanssa rinnan toimiville mikrogeneraattoreille
(Suomessa < 30 kVA voimalat)
SFS 6000-7-712: Valosähköiset tehonsyöttöjärjestelmät
SFS 6000-5-55: Sähkölaitteiden valinta ja asentaminen. Muut
sähkölaitteet – Luku 551: Pienjännitteiset generaattorilaitteistot
SFS-EN 62446: Sähköverkkoon kytketyt valosähköiset järjestelmät.
Minimivaatimukset järjestelmän dokumentaatiolle, käyttöönotto-
testeille ja tarkastuksille
SFS-EN 62116: Test procedure of islanding prevention measures for
utility-interconnected photovoltaic inverters
SFS 6002: Sähkötyöturvallisuus
SFS-EN 50160: Yleisestä jakeluverkosta syötetyn sähkön
jänniteominaisuudet
VDE AR-N-4105 – Vaatimukset IEC 61000-6-1: (EMC). Generic standards. Immunity for residential,
linjassa SFS, EN ja IEC commercial and light-industrial environments
standardoinnin kanssa (samoin
IEC 61000-6-3: (EMC). Generic standards. Emission standard for
pääosin myös VDE 0126-01-01)
residential, commercial and light-industrial environments
Tero Kaipia 18.9.2012 4

5. Muita keskeisiä mikrotuotannon jakeluverkkoon
liittämistä koskevia ohjeita
Suomalaiset ohjeet:
Verkostosuositus YA9:09: Mikrotuotannon liittäminen
sähkönjakeluverkkoon. Energiateollisuus ry. 2009
Ohje: Sähköntuotantolaitoksen liittäminen jakeluverkkoon.
Energiateollisuus ry. 2011
Sähkönkäytön- ja tuotannon liittämis- ja verkkopalveluehdot (VPE, LE,
TVPE, TLE). Energiateollisuus ry. 2011
Pääosin linjassa em. suomalaisen standardoinnin kanssa
Yhteiseurooppalainen valmisteilla oleva verkkokoodi
Järjestelmätekniset vaatimukset: ENTSO-E Network Code for
Requirements for Grid Connection Applicable to all Generators.
ENTSO-E. 2012
Tero Kaipia 18.9.2012 5

6. SFS-EN 50438
Keskeisin yksittäinen liitynnän ominaisuudet määrittävä standardi
50438.4.1 - Tuotantolaitos on asennettava ja liitettävä verkkoon eurooppalaisen ja
kansallisen standardoinnin vaatimusten mukaisesti
50438.4.2 - Mikrogeneraattorin liittäminen ei saa heikentää jakeluverkon
toimintakykyä eikä käyttöturvallisuutta
- Liitäntälaitteen tulee sietää jakeluverkon normaalit jännite- ja
taajuusvaihtelut.
- Liitäntälaitteen suojaus-, valvonta- ja säätölaitteet voivat olla osa
mikrogeneraattorin säätöjärjestelmää tai sijoittua erilliseen laitteeseen
- Generaattori on varustettava kytkinlaitteella, jolla se voidaan irrottaa
yleisestä jakeluverkosta. Jollei verkkoyhtiöllä ole jatkuvaa pääsyä
erotuskytkimelle voidaan laite varustaa kahdella automaattisella
erotuskytkimellä, joilla on yhteinen laukaisu suojausjärjestelmästä
- Liitäntälaitteen suojaustoimintojen asetusarvoja voidaan muuttaa
alkuperäisistä poikkeaviksi vain laitteen käyttöönoton yhteydessä
verkkoyhtiöllä kanssa tehtyyn kirjalliseen sopimukseen perustuen ja
tällöinkin vain valmistajan ohjeiden mukaisesti
- Asetteluarvot suojaukselle
Tero Kaipia 18.9.2012 6

7. Suojauksen asetteluarvot
Toiminta- Suomi Saksa VDE-EN 50438 ja ENTSO-E
Parametri
aika SFS-EN 50438 VDE-1-1-0126 VDE-AR-N 4105 verkkokoodi
Ylijännite 0.2 s UN + 10% UN + 15% UN + 10%*
Alijännite 0.2 s UN - 15% UN - 20% UN - 20%
Ylitaajuus 0.2 s 51 Hz 50.2 Hz 51.5 Hz** 51.5 Hz***
Alitaajuus 0.2 s 48 Hz 47.5 Hz 47.5 Hz 47.5 Hz***
Verkkojännitteen
5s 5s 5s
katoaminen
(LoM)
* Integroitu suojalaite, 30 kVA;
** 50.2 Hz alkaen pätötehon vähennys 40%/Hz
*** 47.5-48.5 Hz & 51.0-51.5 Hz min. 30min käyttö, 48.5-49 Hz >30 min, 49-51 Hz jatkuva
käyttö. 50,2-50,5 Hz, 2-12%:n lineaarinen pätötehon vähennys ja <49.5 Hz sallittu pätötehon
pienentyminen paikallisen järjestelmävastaavan ohjeiden mukaan.
Verkkoyhtiön luvalla voidaan poiketa SFS-EN 50438:n asetteluarvoista
ENTSO-E: Voidaan hyväksyä esim. valmistajan tyyppitestauksesta
antaman sertifikaatin perusteella
Lähde: Karppanen, J., diplomityö, LUT, 2012
Tero Kaipia 18.9.2012 7

8. SFS-EN -standardoinnin aukot…
SFS-EN 50438 määrittää tuotantolaitteistoa ja sen verkkoliityntää koskevat
vaatimukset yhdessä EMC-standardoinnin ja muiden kansallisten sekä EN
standardien kanssa
SFS 6000-sarja määrittää tuotantolaitteiston ja sen verkkoliitynnän asennusta koskevat
vaatimukset ja ohjeet
SFS-EN 62446 määrittää tuotantolaitteiston ja sen verkkoliitynnän sekä niiden käyttöönoton
ja tarkastusten suorittamisen dokumentaatiota koskevat vaatimukset ja ohjeet
SFS-EN 62116 määrittää tuotantolaitteiston verkkoliitynnän saarekekäytön estosuojauksen
(LoM) testausmenetelmät
Kuinka voidaan varmistua laitteiston täyttävän muut suojaukselle
asetetut vaatimukset???
50438 ______ 6000 & 62446
• Laitteen on • Laite asennetaan
toimittava näin näin
• Laite testataan näin
• Laitteen voisi • Laite dokumen-
testata näin toidaan näin
Lähde: Karppanen, J., diplomityö, LUT, 2012
Täytetään aukko soveltamalla saksalaisia VDE-AR-N 4105 ja/tai
VDE 0126-1-1 standardeja
KTMp 1694/1993: Yhdenmukaistettujen EN ja maailmanlaajuisten IEC standardien
puuttuessa voidaan vaatimustenmukaisuus osoittaa kansallisin standardein
laitevalmistajien jo nyt soveltama selkeä standardikokonaisuus
Tero Kaipia 18.9.2012 8

9. Entä jakeluvekon
suojauksen toiminta?
Lähde: CODGUNet, tutkimusraportti, VTT, 2003
Liki 10 vuodessa ei tuotannon liittämiseen liittyvät pelkotilat ole
Sulakesuojauksen sokaistuminen
juurikaan alalla muuttuneet, vaikka tutkimustieto ja tuotteet
ovat kehittyneet huimasta, Miksi näin?
Sulakesuojauksen virhelaukaisut
Lähde: Karppanen, J., diplomityö, LUT, 2012 generaattorin sisältävän pienjännitejakeluverkon symmetristen
komponenttiverkkojen sijaiskytkentä yksivaiheisessa oikosulussa
Tero Kaipia 18.9.2012 9

10. Jakeluverkon sulakesuojaus ja aurinkovoima
Virransyötössä selvä ero suoraan verkkoon kytkettyjen ja suuntaajalla
kytkettyjen generaattoreiden välillä Suoraan kytketty Suuntaajalla kytketty
epätahtigeneraattori generaattori
Verkko
Paneelit
Lähde: Waqar A. Qureshi, Large scale wind integration and
emerging protection requirements, conference presentation,
Aurinkovoimalat aina suuntaajakytkettyjä NZ Wind Energy Conference and Exhibition, 2011
Suuntaaja rajoittaa vikavirran yleensä 1- 1,5 x IN tasolle
Suuntaaja toimii aina verkosta katsottuna virtalähteenä – ei
automaattisesti muutu jännitelähteeksi muun verkon jännitteen katkettua
(ellei toimintoa erikseen säätöalgoritmissa tällaista määritelty)
Jos pienjänniteverkon suojaus on muutoin mitoitettu SFS 6000-8-801
mukaan, voi jakelumuuntopiiriin kytkeä suojauksen näkökulmasta tuotantoa
vähintään syöttävän jakelumuuntajan nimellistehon verran
Suojauksen toimivuuden toteutuminen em. ehdon puitteissa hyvä
tarkastaa jo etukäteen kaikissa jakeluverkkoyhtiössä
Tero Kaipia 18.9.2012 10

11. Mitkä ovat suojauksen toimimattomuuteen
liittyvät riskit pahimmassa tapauksessa
Kuolema Onnettomuus
Tapahtumia
vuodessa
1
Syöpä 10-2
Sydänsairaus IAEA:n tavoite olemassa olevien
Itsemurha 10-4 ydinvoimaloiden vakaville
sydänonnettomuuksille
Liikenneonnettomuus
IAEA:n tavoite uusien
Hukkuminen ydinvoimaloiden vakaville
10-6
Murhatuksi joutuminen sydänonnettomuuksille
10-8
Sähköiskun riski
työhenkilökunnalle Jakeluverkon saareke
Sähköiskun riski 10-10
asiakkaalle
10-12
Lähteet: Karppanen, J., diplomityö, LUT, 2012
Ehara, T., 2009, Overcoming PV grid issues in urban areas. Technical Report. International energy agency
photovoltaic power systems program. Mizuho Information & Research Institute, Inc., Japan.
Tero Kaipia 18.9.2012 11

12. Lopuksi
Saksalaisen VDE –normiston soveltamiselle ei ole teknisiä tai
lainsäädännöllisiä esteitä
Saksalaisen standardoinnin ja siihen nojaavien valmistajien
sertifikaattien hyväksyminen poistaisi toistaiseksi alalla vallitsevan
laitteiden teknisiin ominaisuuksiin liittyvän epävarmuuden
Jollei tuotannon nimellisteho ylitä jakeluverkon kuormituksen huipputehoa,
ei aurinkovoima aiheuta ongelmia määräysten mukaan toteutetulle
jakeluverkon suojaukselle
Hei, entä se jännitteen laatu…
EMC-standardointi varmistaa johtuvien ja säteilevien sähkömagneettisten
häiriöiden pysymisen kohtuullisissa rajoissa
Jakeluverkkoyhtiössä voidaan helposti tehdä laskelmat tuotannon
vaikutuksista jännitetasoihin samalla selviää välkyntäriskit
PN
U 2
( R cos X tan )
U
Jollei tuotantoteho ylitä kuormituksen huipputehoa, pysyy
jännitteen nousu kaikissa tilanteissa SFS-EN 50160 standardissa
määritellyissä rajoissa
Tero Kaipia 18.9.2012 12

13. Summa summarum…
Taloudellinen Asiakkaat ja Valtakunnalliset Kansainväliset Eri tasoiset
Kuntalaiset
hyöty omistajat markkinat markkinat markkinat
Ajurit Ideologia Imago Lainsäädäntö Imago Pioneeriasema Pioneeriasema
Energia-
Kokeilunhalu Imago Imago
politiikka
Jakelu- Järjestel-
Asiakas / Energia- Laite-
Toimijat Kunta verkko- mätoimit-
tuottaja yhtiö valmistaja
yhtiö taja
Kunnallinen Kunnallinen Sähkömarkkina- Sähköma rkkina-
SFS-EN 50438 SFS-EN 50438
ra kennusla ki rakennuslaki la insä ädäntö lainsää däntö
Ka avoitus ja Valtuuston poliit- Muu
Verola inssä däntö EN 62116 VDE AR-N 4105
rakennusvalvonta tiset päätökset lainsäädäntö?
Määräykset
ja ohjeet ET:n ja verkko- Maa kuntahallinnon
SFS-EN 50438 ET:n ohjeet VDE AR-N 4105 SFS 6000-sa rja
yhtiön ohjeet päätökset
Jä rjestelmätoi- EN-IEC 61000-
VDE AR-N 4105 SFS-EN 62446
mitta jan ohjeet sa rja
ET:n ohjeet ISO -standardit SFS 6002
ET:n ja verkko-
EU-direktiivit
yhtiön ohjeet
Laiteturvallisuus- La itetoimittajien
lainsä ädäntö ohjeet
Tero Kaipia 18.9.2012 13

14. Kiitos mielenkiinnosta!