Exam text content

SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 6.2.2010
Sami Repo

Tentissä saa käyttää omaa ohjelmoitavaa laskinta. Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan
itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on
palautettava tentin mukana.

1. Jännitteen säätö

Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. Valitse
jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää
jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät
ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla.

2. Tuotannon optimointi

a) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen,
kun kokonaiskuorma on 850 MW.

b) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa
tilanteessa.

Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot.

 

 

 

 

 

Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen —Maxteho Minteho — Sisäänmeno -ulostulo käyrä
hinta [R/MBtu] — [MW] [MW] [MBtuw/h]

1 Hiili 1.1 600 150 Hi=510+7.2P1+0.00142P;*

2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P>+0.00194P2?

3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P3?

 

 

 

3. Stabiilisuus

Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja
cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen
siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian
syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla
katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi.

O-O5*'— 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xxg=1.0
x'a=0.3
x"'a=0.1

Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u

Kuva 1.
4. Vastaa lyhyesti

a) Selosta silmukoidun siirtoverkon distanssisuojan suojausvyöhykkeiden asetteluperiaatteita.

b) Minkälaiset tekijät vaikuttavat ja miten voimalaitosten ajojärjestykseen?

c) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden
palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä.

5. Valitse toinen tehtävistä
A) Kuvaa SVC-yksikön rakenne ja toimintaperiaate sähköverkon jännitteen säädössä. Selosta
myös mihin muihin tarkoituksiin SV C-laitetta voidaan soveltaa.

B) Selosta mitä ovat PU-käyrät ja miten niitä voidaan hyödyntää analysoitaessa sähköverkon
jännitestabiilisuutta. Voit käyttää selostuksesi apuna yksinkertaista esimerkkiä, missä kahden
rinnakkaisen siirtojohdon kautta syötetään kuormitusta. Tarkastele normaalitilanteen lisäksi
häiriötilannetta, missä toinen siirtojohdoista irtikytkeytyy.
SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 5.10.2009
Sami Repo

Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden.
Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää
minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana.

1. Jännitteen säätö

Siirtojohdon jännitetason hallinnassa sovelletaan loistehon kompensointia. Selosta mistä syystä
johdon jännitetason hallitsemiseksi tarvitaan loistehon kompensointia. V oit käyttää apuna johdon
sijaiskytkentää ja = osoitinpiirrosta. = Selosta kompensointitarvetta johdon = erilaisissa
kuormitustilanteissa. Valitse tarkastelun kohteeksi toinen kompensointitavoista rinnakkais- tai
sarjakompensointi. Merkitse vastaukseesi selkeästi kumpaa kompensointitapaa käsittelet.

2. Tehonsäätö
Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3,
joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori
G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät
ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan
muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a
generaattoreiden nimellistehojen suhteen.

a) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt?

b) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja

tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta?
c) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos?

3. Stabiilisuus

Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja
cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen
siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian
syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla
katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi.

A
Oota 0
Xg=1.0 -
x'a=03 =14
w4=01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u

Kuva 1.
4. Vastaa lyhyesti

d) Mitä ovat tahtikoneen muuntajajännitteet ja miten niiden huomiotta jättäminen vaikuttaa
tahtikoneiden muutostilanteiden analysointiin?

e) Minkälaiset tekijät vaikuttavat ja miten voimalaitosten ajojärjestykseen?

f) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden
palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä.

5. Valitse toinen tehtävistä

A) Kuvaile millä tavalla sähkömarkkinat vaikuttavat sähkönsiirtoverkon toimintaan. Pyri
kuvaamaan vaikutuksia mahdollisimman laaja-alaisesti ilman takertumista yksityiskohtiin. Syy-
yhteys, millä tavalla markkinat vaikuttavat siirtoverkkoon, tulee kuitenkin olla selkeästi esitetty.

B) Kuvaa HVDC-linkin tehonsäätömenetelmän pääpiirteet.
SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 15.5.2009
Sami Repo

Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden.
Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää
minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana.

1. Jännitteen säätö

Generaattori syöttää verkkoon tehon P = 80 MW, O =0. Verkon liityntäpisteen jännite U = 110 kV
ja verkon oikosulkuteho Sx =1 000 MVA jännitteellä 110 kV. Paljonko aseman jännite muuttuu, jos
sinne kytketään kondensaattori, jonka nimellisarvot ovat Un = 120 kV, O, = 60 Mvar. Generaattorin
nimellisteho on 100 MVA, nimellisjännite 10,5 kV ja tahtireaktanssi 1,5 pu. Generaattorimuuntajan
nimellisteho on 100 MVA, nimellisjännitteet ovat 110 / 10,5 kV ja oikosulkuimpedanssi on 10 %.

2. Tehonsäätö
Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3,
joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori
G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät
ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan
muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a
generaattoreiden nimellistehojen suhteen.

d) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt?

e) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja

tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta?
f) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos?

3. Stabiilisuus

Kuvassa 1 esitetyt kuvaajat ovat järjestelmästä, jossa generaattori syöttää tehoa kahden
rinnakkaisen johdon kautta jäykkään verkkoon. Tutkittava vika esiintyy toisen johdon
puolivälissä. P = pätöteho, 6 = tehokulma, alaindeksit 0 ja c viittaavat vastaavasti ennen vikaa
vallitsevaan tasapainotilaan ja vian erottamisajankohtaan.

a) Perustele ovatko kuvan 1 tilanteet A ja B stabiileja pinta-alakriteerion perusteella. Arvioi
pinta-alakriteerion avulla maksimikulmaa johon järjestelmä vian seurauksena heilahtaa ja
piirrä kulma kuvaajiin. Piirrä lisäksi kuvaajiin stabiilisuuden määrittämisessä käytettävät
pinta-alat.

b) Perustele miksi tehokäyrät ovat erilaiset ennen vikaa, vian aikana ja vian jälkeen.

c) Kuvaa generaattorin pätötehon, pyörimisnopeuden ja tehokulman käyttäytymistä
tapauksessa A.
Tapaus A Tapaus B
P.- ennen vikaa P,- ennen vikaa

/ Pe - vian jälkeen

Pe - vian aikana

   
  

P

Pe - vian jälkeen

   

Pe - vian aikana

 

Kuva 1.

4. Vastaa lyhyesti

g) Kuinka määritetään voimalaitoksen polttoaineen lisäkustannukset?

h) Piirrä distanssireleen RX -diagrammi ja selitä sen perusteella distanssireleen toimintaperiaate.
Nimeä minkä tyyppinen distanssirele on kyseessä.

i) Jostaajuus alenee äkillisesti 49 Hz:iin, niin millaisia asioita ilmenee ja toteutetaan taajuuden
palauttamiseksi 50 Hz:iin. Kerro asiat pääpiirteissään ja aikajärjestyksessä.

5. Valitse toinen tehtävistä

A) Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. V alitse
jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää
jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät
ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla.

B) Selosta keinoja joilla voidaan parantaa siirtoverkon jännitestabiilisuutta.
SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 16.2.2009
Sami Repo

1. Jännitteen säätö

Siirtojohdon jännitetason hallinnassa sovelletaan loistehon kompensointia. Selosta mistä syystä
johdon jännitetason hallitsemiseksi tarvitaan loistehon kompensointia. Voit käyttää apuna johdon
sijaiskytkentää ja osoitinpiirrosta. Selosta kompensointitarvetta johdon erilaisissa
kuormitustilanteissa.

2. Tuotannon optimointi

c) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen,
kun kokonaiskuorma on 850 MW.

d) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa
tilanteessa.

Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot.

 

 

 

 

 

Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen — Maxteho Minteho = Sisäänmeno -ulostulo käyrä
hinta [R/MBtu] [MW] [MW] [MBtwh]
Hiili 1.1 600 150 H1=510+7.2P1+0.00142P;
2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P2+0.00194P;?
3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P3?

 

 

3. Tehonsäätö

Kaksinapaisen tahtigeneraattorin inertiavakio H=4 MJ/MVA, nimellisteho 100 MVA ja
nimellistaajuus 50 Hz. Nimellisteholla toimivan generaattorin kuormitus pienenee 50 MW:iin.
Mikä on roottorin pyörimisnopeus, kun tehonsäätäjä alkaa toimia 0.2 s kuluttua häiriöstä? V oit
olettaa, että roottori kiihtyy vakiokiihtyvyydessä koko ajan. Generaattorin häviöitä ei tarvitse
myöskään huomioida.

4. Vastaa lyhyesti

j) Mikäon tahtigeneraattorin vaimennuskäämien tehtävä? Missä ne sijaitsevat ja mikä on se
ilmiö, jonka kautta ne vaikuttavat?

k) Selosta silmukoidun siirtoverkon distanssisuojan suojausvyöhykkeiden asetteluperiaatteita.

1) Mistä syystä tavallinen kondensaattori ei tue siirtoverkon jännitestabiilisuutta kovinkaan
hyvin?

5. Valitse toinen tehtävistä

A) Selosta siirtoverkon pullonkaulojen hallintamenetelmien periaatteet ja vaikutukset
Pohjoismaisilla sähkö markkinoilla.

B) Selosta keinoja joilla voidaan parantaa siirtoverkon transienttistabiilisuutta.

 
SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 9.10.2008
Sami Repo ja Pasi Vuorenpää

Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden.
Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää
minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana.

1. Jännitteen säätö

Kuvaa tahtikoneen jännitteensäätöjärjestelmä toimintaa normaali- ja häiriötilanteessa. V alitse
jokin selkeästi nimetty kokonaisuus, jonka toimintaa kuvaat. Toiminnan kuvauksen tulee sisältää
jännitteensäädön perusidea, toiminnan syy ja seuraus suhteet ja säätöjärjestelmän keskeisimmät
ominaisuudet. Voit tarvittaessa havainnollistaa asiaa kuvien avulla.

2. Tuotannon optimointi

e) Määritä tuotantoyksiköiden 1, 2 ja 3 tuottamat optimitehot tuotantokustannusten suhteen,
kun kokonaiskuorma on 850 MW.

f) Hiilen hinta pienenee arvoon 0.9 R/MBtu. Määritä kunkin yksikön lisäkustannukset uudessa
tilanteessa.

Taulukko 1. Tuotantoyksiköiden tiedot.

 

 

 

 

 

Yksikkö | Polttoaine — Polttoaineen — Maxteho Minteho = Sisäänmeno -ulostulo käyrä
hinta [R/MBtu] [MW] [MW] [MBtwh]
Hiili 1.1 600 150 H1=510+7.2P1+0.00142P;
2 Öljy 1.0 400 100 H2=310+7.85P>+0.00194P;?
3 Öljy 1.0 200 50 H3=78+7.97P3+0.00482P;?

 

 

3. Stabiilisuus

Generaattori syöttää yhden säteittäisen siirtojohdon kautta jäykkään verkkoon tehon p = 0.8 pu ja
cosp = 0.85jna. Pisteessä A tapahtuu vikaresistanssiton kolmivaiheinen oikosulku aiheuttaen
siirtojohdon päissä olevien katkaisijoiden (nelikulmiot) aukeamisen 0.1 s kuluttua vian
syntymisestä. Oletetaan, että vika häviää katkaisijoiden toimittua. Laske tehokulma &', jolla
katkaisijoiden on viimeistään sulkeuduttava, jotta stabiilisuus säilyisi.

O-O5*'— 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xxg=1.0
x'a=0.3
x"'a=0.1

Xm = 0.12 x; = 0.15 Xm=0.1 u

Kuva 1.

 
4. Vastaa lyhyesti

a) Mikäon(n-1) -kriteeri?

) Mikä on sähköverkon pullonkaula? Mitä sen ilmetessä tulisi tehdä?

) Mitä on vastakauppa ja mihin sitä tarvitaan? Kuinka vastakaupat käytännössä toteutetaan?

) Jos jostain syystä, esimerkiksi kahden yhtäaikaisen vian seurauksena, menetetään
siirtoverkon käyttövarmuus, on kantaverkkoyhtiöllä joukko toimenpiteitä tämän
häiriötilanteen hallitsemiseksi. Mitä nämä toimenpiteet ovat ja kuinka niitä käytetään ko.
häiriötilanteessa?

e) Mikä on hetkellinen häiriöreservi ja mihin sitä tarvitaan?

f) Mikä ja minkälainen on käyttötilan luokittelun palautustila?

2 o 0

5. Valitse toinen tehtävistä
A) Kuvaile ja perustele tasasähkönsiirron etuja ja haittoja verrattuna vaihtosähkövoimansiirtoon.

B) Selosta siirtojohdon distanssisuojauksen perusperiaate. Kuvaa lisäksi kuinka siirtojohdon
varasuojaus toteutetaan distanssisuojilla. Selosta myös distanssisuojauksen mahdollisia
ongelmakohtia: niiden syntymekanismeja ja mahdollisia ratkaisukeino ja.
SVT-3411 Sähkövoimajärjestelmän säätö ja käyttö
Tentti, 12.5.2008
Sami Repo ja Pasi Vuorenpää

Tentissä saa olla mukana ohjelmoitava laskin, jos se on luotettavasti resetoitu valvojan nähden.
Lisäksi tentissä saa olla mukana opiskelijan itsensä laatima kaavaluettelo, joka ei saa sisältää
minkäänlaista tekstiä. Kaavaluettelo on palautettava tentin mukana.

1. Jännitteen säätö

a) Selosta mitkä tekijät ja millä tavalla vaikuttavat siirtojohdon alku- ja loppupään
jännitteisiin siirrettävän tehon suhteen. Hyödynnä selostuksessa siirtojohdon m-
sijaiskytkentää.
Millä tavalla johdon loppupäähän asennettava rinnakkaiskondensaattori vaikuttaa
siirtojohdon jännitteisiin ja siirtokykyyn?
Piirrä osoitindiagrammi yliluonnollisella tehoalueella toimivasta siirtojohdosta, kun
johdon loppupäässä on rinnakkaiskondensaattori. Diagrammissa tulee näkyvät sekä
johdon alku- ja loppupään jännitteet ja jännitehäviöosoittimet että näennäis-, pätö- ja
loisvirtaosoittimet. Siirtojohdon kuormitusvirran suuruuden voit valita itse. Tehtävässä
on oleellista, että osoittimet ovat selvästi oikeansuuntaisia.

=

a

2. Tehonsäätö
Pieni saarekkeena toimiva sähköjärjestelmä koostuu kolmesta generaattorista G1, G2 ja G3,
joiden nimellistehot ovat 30, 40 ja 60 MW ja ne toimivat 50 %:a nimellistehostaan. Generaattori
G1 irtikytkeytyy yllättäen, jolloin generaattoreiden G2 ja G3 taajuudensäätäjät säätävät
ulostulotehoaan taajuuden pitämiseksi nimellisenä (50 Hz). Kuormituksen oletetaan olevan
muuttumaton koko tapahtuman ajan. Kaikkien generaattoreiden säätövoima on 5 %:a
generaattoreiden nimellistehojen suhteen.

g) Mikä on koko järjestelmän statiikka, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt?

h) Mikä on jatkuvuustilan taajuus, kun generaattori G1 on irtikytkeytynyt ja

tehonsäätöjärjestelmä ei ole ennättänyt vielä ”korjaamaan” taajuutta?
i) Mikä on generaattoreiden G2 ja G3 tehojen muutos?