Dynamic Simulation of Electric Power Systems with Matlab/Simscape software

Energiajärjestelmiä tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti. Nykypäivänä uusiutuvaa energiaa pyritään lisäämään sähköverkkoihin yhä enemmän. Kasvava uusiutuvan energian osuus sähköverkossa lisää kuitenkin myös vaihtelevan energiantuotannon määrää. Tämä aiheuttaa siten säädön ja säätövoiman kasvavaa tarvetta. Tässä työssä tutkimuskohteena on sähköenergiajärjestelmien dynaaminen mallinnus ja simulointi Matlab/Simscape-ympäristössä. Työssä esitellään energiajärjestelmien ominaisuuksia sekä Matlabin Simscapen toimintaa. Lisäksi perehdytään aurinko- ja tuulivoimamalleihin. Lopuksi työssä esitetään kaksi mallinnusesimerkkiä, joista toisessa on esitetty dynaaminen sähköverkkomalli

Tasemallin muutoksen vaikutukset vesivoiman tuottajalle

Vesivoima on pohjoismaisen sähköjärjestelmän kannalta tärkein uusiutuva energianlähde. Sähköjärjestelmässä sähkön tuotannon ja kulutuksen on oltava jatkuvasti tasapainossa. Tasapainoa ylläpitääkseen järjestelmä tarvitsee säätövoimaa. Vesivoiman ominaisuudet soveltuvat erinomaisesti säätövoiman tuotantoon ja siksi se toimiikin merkittävimpänä säätövoiman tuottajana Pohjoismaissa. Sähköverkossa jatkuvasti muuttuvan kulutuksen lisäksi myös uusiutuvien energianlähteiden osuuden kasvaminen lisää säätövoiman tarvetta entisestään. Sähköjärjestelmän on oltava myös kaupallisesti tasapainossa. Taseselvityksen tarkoituksena on muodostaa sähkömarkkinoille taloudellinen tasapaino kunkin käyttötunnin jälkeen. Taseselvityksen tuloksena selviää sähkömarkkinaosapuolten väliset sähköntoimitukset. Taseselvityksessä sähkön tuotantoa ja kulutusta käsitellään sähkötaseiden avulla. Nykyisin voimassa olevassa taseselvitysmallissa sähkön tuotanto ja kulutus käsitellään omissa taseissaan. Sähkön kulutus käsitellään kulutustaseessa ja tuotettu sähkö tuotantotaseessa. Tuotantotaseen poikkeama syntyy, kun taseselvitysjaksolla tuotettu sähköenergia eroaa tuotantosuunnitelmasta. Nykyisin tuotantotaseen poikkeamalle sovelletaan niin kutsuttua kaksihinnoittelua. Siinä tasesähkön ostolle ja myynnille sovelletaan kahta eri hintaa. Eurooppalaisen sähkömarkkinoiden harmonisoinnin myötä pohjoismaissa ollaan siirtymässä yhden taseen ja hinnan malliin. Siinä sähkön tuotanto ja kulutus käsitellään samassa taseessa. Tuotantotaseen myötä taseselvityksestä poistuvat myös tuotantosuunnitelmat, ja yhden taseen kokonaistasepoikkeamalle sovelletaan vain yhtä hintaa. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli analysoida tulevan taseselvitysmallin muutoksen taloudellisia vaikutuksia vesivoiman tuottajan näkökulmasta. Lisäksi työssä pohdittiin, miten markkina tulee reagoimaan muutokseen, ja mitä lieveilmiöitä mahdollisesti voidaan havaita. Työ toteutettiin kirjallisuusselvityksen ja laadullisen haastattelututkimuksen keinoin. Tärkeimpinä kirjallisuuslähteinä toimivat Suomen kantaverkon Fingridin, pohjoismaisen taseselvitysyksikkö eSettin ja pohjoismaisen tasehallintahankkeen sähköiset aineistot. Tutkimuksen haastattelut toteutettiin puolistrukturoituina teemahaastatteluina. Haastateltavat olivat sähkömarkkinoiden asiantuntijoita eri puolilta energiasektoria. Lähdeaineiston ja haastatteluiden avulla saatiin kattavasti monipuolisia näkemyksiä markkinoiden kehitysnäkymistä tasemallin muutoksen aikana ja sen jälkeen. Haastatteluissa taseselvitysmallin muutos nähtiin luonnollisena osana jatkuvasti muuttuvaa ympäristöä. Yleisesti muutoksesta nähtiin hyötyvän kaikkien sähköntuottajien. Erityisesti säätökykyisen tuotannon näkökulmasta taseselvitysmallin muutoksen nähtiin tuovan lisää joustavuutta ja taloudellista vakautta toiminnalle. Vesivoiman tuottajan näkökulmasta katsottuna oman taseen tasapainottaminen helpottuu ja tasekustannukset laskevat yksitasemalliin siirryttäessä. Tuotantotaseen poistumisen myötä esimerkiksi sähköntuotannon äkilliset muutokset eivät enää altista toimijoita yhtä voimakkaalle tasesähkön hintariskille kuin kaksitasemallissa. Työssä vertailtiin myös todelliseen sähkömarkkinadataan perustuen taloudellisia vaikutuksia tasemallien välillä. Tulokset tukivat haastatteluissa esiin nousseita näkemyksiä hyödyistä, mitä taseselvitysmallin muutoksen myötä voidaan saavuttaa.Hydropower is the most essential renewable energy source in the Nordic power grid. The frequency of the grid must continuously stay in balance in the power system. To maintain the balance of the grid there must always be load following power resources available. The features of hydropower are highly suitable for load following power generation and therefore hydropower is a major operator in balancing power on the grid of Nordic countries. Furthermore, the continuous increase of renewable energy production in power grid leads to increasing need of regulation power. The imbalance settlement is conducted after every imbalance settlement period. Imbalance settlement determines the electricity deliveries between the parties operating in the electricity market. Electricity production and consumption are handled with in two different balances called production balance and consumption balance. The deviation in production balance is formed when the actual production differs from the production plan. Separate prices are calculated for the purchase and sales of imbalance power in the two-price system. Due to the European harmonization of the electricity market, the balance settlement model in Nordic countries will change to a one balance and price model in future. Renewed model includes a single imbalance price and a single balancing responsible party position. The aim of this study was to analyze the economic influence on hydropower producers when transitioning to the new single balance settlement model and to consider, if there were any un-foreseen events that would affect the electricity market participants on this turning point. The study was conducted with the methods of a literature review and a qualitative interview survey. The interviewees consisted of electricity market specialists around the energy sector. The interview surveys in this study provided comprehensive and diverse insight into the development prospects of the electricity markets during the change of the balance settlement model. The change was considered as a natural part of a continuously changing environment. In general, it was deducted, that all electricity producers were seen to will benefit from the change. Especially from hydropower productions point of view, the change of the balance settlement model was considered to bring more flexibility and financial stability to operations. In addition, the balance control will be more effortless, and the costs of balance deviations will decrease. For example, the sudden changes in power generation will no longer expose the participants to as high imbalance power price risk as in two balance model. In this study it was also compared the economic effects between balance models based on actual electricity market data were compared. The results supported the views expressed in the interviews on the benefits that can be achieved with the model change

Dynamic Simulation of Electric Power Systems with Matlab/Simscape software

Energiajärjestelmiä tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti. Nykypäivänä uusiutuvaa energiaa pyritään lisäämään sähköverkkoihin yhä enemmän. Kasvava uusiutuvan energian osuus sähköverkossa lisää kuitenkin myös vaihtelevan energiantuotannon määrää. Tämä aiheuttaa siten säädön ja säätövoiman kasvavaa tarvetta. Tässä työssä tutkimuskohteena on sähköenergiajärjestelmien dynaaminen mallinnus ja simulointi Matlab/Simscape-ympäristössä. Työssä esitellään energiajärjestelmien ominaisuuksia sekä Matlabin Simscapen toimintaa. Lisäksi perehdytään aurinko- ja tuulivoimamalleihin. Lopuksi työssä esitetään kaksi mallinnusesimerkkiä, joista toisessa on esitetty dynaaminen sähköverkkomalli