Tuuleelektrijaama keskpingevõrgu optimeerimine

Pärast aastat 1973, mil algas ülemaailmne kütusekriis, hakati uurima alternatiivseid energiaallikaid, sealhulgas ka tuule kasutamise võimalikkust. Tuul, aga ka teised mittefossiilseid taastuvaid allikaid nimetatakse taastuvateks energiaallikateks. Kuid just tuulest saadud energia on see, mis pälvis diplomandi tähelepanu, sellele lisaks on ta varem töötanud tuulikute hooldustehnikuna. Globaalses mastaabis on taastuvenergeetika, peaasjalikult tuuleenergeetika aktuaalne. 2015. aasta oli Hiina aasta, purustades võimalikud rekordid, sest riigi aastane tuuleenergeetika paigaldamise maht ületas pool kogu USA-s olevat tuuleenergeetikat. Sellised kardinaalsed ning märkimisväärsed sammud Hiina poolt, viisid viis Hiina tuulikutootjat maailma top 10 suurimate hulka, mille eesotsas Goldwind, Vestas ja GE. Kuid mitte ainult Hiina ei ole antud valdkonnas edusamme teinud, võitlemaks globaalse kliima soojenemisega. Ka USA- ja Euroopa, eesotsas Saksamaa on saavutanud suuri edusamme, muutes meie tänaseid energiatootmisviise, leides uusi võimalusi suurtemate, efektiivsemate ja tasuvamate tuulikute rajamiseks. Selline teguviis võib täna tunduda tähtsusetu, kohati moeasi, kuid tulevikus jätab kindla „jalajälje“ KHG vähendamise nöol. Nii oli USA-s toodetud 2015. aasta taastuvenergia maht 190 TWh, mil paigaldati tuulikuid mahus 8,4 GW, Euroopas paigaldati aga 12,8 GW. Kogu selline tegevus on siiski reglementeeritud ja piltlikult öeldes „pandud raamidesse“. Täpsemalt sõltub arendustegevus ning uute tuuleparkide rajamine riikide toetusskeemidest ning erinevatest arengukavadest tulenevatest nõuetes, milles riigid on kokku leppinud. Eestis kiireloomulist ja järsku arengut aga näha pole. 2015. aastal ei lisandunud ühtegi uut tuuleelektrijaama ning 2016. aastal on üks TP siiski arendamisel. Osaliselt seisneb põhjus selles, et esmakordselt täitus 2015. aastal toetatav tuulest toodetud taastuvenergia maht 600 GWh. Selline juhtum on arendajatele ja investoritele pigem negatiivne signaal, et Eesti elektrivõrk ei soovi uusi tuuleelektrijaamu. Lõputöö põhiosas käsitleti Eestis asuvat taastuvenergia objekti, milleks on Aseriaru tuuleelektrijaam. Töö eesmärgiks oli leida optimaalseim nimipinge, kus kaod kaabelliinides ja seadmete maksumused oleksid minimaalseimad. Selleks analüüsis diplomand lisaks olemasolevale 20 kV nimipingele veel nimipingeid 10- ja 35 kV. Analüüsi teostemiseks uuriti Eesti ettevõtetelt seadmete hindu, koostati teoreetiline tuulepargi aseskeem, käsitleti seadmete valikuid ja sobivusi ning lahendati elektrotehnilisest seisukohast kaabelliinide kadude ülesanne. Saadud tulemustele leiti hinnanguline väärtus, tuginedes elektrituru Nord Pool hindadele ja Elektrituruseaduses põhivõrgu ettevõtja poolt makstava toetusele. Kolmel nimipingel saadud tulemused olid mõneti diplomandi jaoks üllatavad. Kuigi suurema pinge korral on voolud väiksemad, siis kaoenergia maksumused on samuti madalamad. Paraku suurimal pingel kokku hoitud tasud kaabelliinide kadude arvelt ei olnud piisavad, et 35kV nimipinge oleks optimaalseim. Nimetatud pinge korral tuleb tehniliste tingimuste täitmiseks valida seadmed, mis vastaksid kõrgepinge standardi nõuetele. Sellele vastavad seadmed on aga kallimad. Nii selgus, et olemasolev 20 kV kontseptsioon on samast tehnilisest ja tasuvuslikust küljest võrreldes planeeritud tuulepargi eluea vältel 5,9% odavam kui 35 kV ja 41,5% odavam kui 10 kV lahendatud teoreetiline kontseptsioon. Saadud tulemuste põhjal võib väita, Aseriaru tuuleelektrijaama kontseptsioon, keskpinge nimipingega 20 kV on käsitletud nimipingetest optimaalseim. Püstitatud hüpotees: Aseriaru tuuleelektrijaama planeeritud eluea vältel oleks keskpingevõrk nimipingega 35 kV optimaalseim valik, ei saanud kinnitust. Arendajatel, kui ka investoritel, kellele antud tööst võib kasu olla, tuleks tuuleelektrijaama rajamisel tähelepanu pöörata ka jõutrafode valikule. Nii tasuvusanalüüsides, kui nimipingete valikul soovitab diplomand kaasata jõutrafo käsitlus, sest olulisel määral on nimipinge valik seotud just trafo parameetritest ja maksumusest.

Title of the thesis is „The Optimisation of Medium Voltage Network of Wind Power Plant“. Choosing the topics of thesis was due to interest, came from work. Author had a special opportunity to work as a wind turbine field technician in 2015, which gave a good overview of wind energetics. The Estonian power system with a voltage range from 20 to 110 kV is underdeveloped gray area. That´s why many businesses relied on network operators and built a 20 kV equipment as well as wind power. The exception is the Tamba–Mäli wind power plant with a 33KV medium voltage network. Researching wind generators architecture and standards of nominal voltages, turns out that it´s possible to install wind turbines with rated voltages from 6-35 kV. Therefore, it is reasoned to control the selection of wind power equipment at the maximum possible nominal voltage of 35 kV and step lower voltage of 10 kV and to calculate the technical parameters of the electricity grid. The analyte is an object of Aseriaru wind power plant, which have entered into a confidentiality agreement. The objective of thesis is to find the optimal nominal voltage of network at which power losses are minimal in cable lines, analyzing three different nominal voltages: 10; 20 and 35 kV. Author also takes into account the prize of the cable lines and switchgears, finding the most effective concept by the end of the 20th. Work author has established a hypothesis that the optimal choice of Aseriaru wind power plant planned lifetime would be the medium voltage network with a nominal voltage of 35 kV. The thesis consists of three chapters. The first chapter provides an overview of the global scale - concerning the various renewable energy development plans and examines the impact of wind turbines to the environment. In addition, 10 largest producers of wind turbines and finally an overview of wind energy statistics for year 2015, which was an exceptional year of China. Second chapter provides an overview of Estonian wind energetics. There are briefly discussed the history and development plans of energetics. Also, the reader will have an overview of wind energetics support schemes and 2015 statistics in Estonia, which was a superb in terms of average wind speeds. Final part covers Aseriaru wind power optimization task. Prepared a solution method, and found power losses of cabel lines, also costs of cable lines and switchgear. For visualizing large amount of statistic values, author of thesis has made the graphics with 20-year forecast based on the 2015 data. The results are surprising. Analysis shows that existing 20 kV is the most optimal solution. Increasing the voltage up to 35 kV will not achieve significant energy savings. Therefore 35 kV nominal voltage isn´t more optimum for typical Aseriaru wind power plant configuration than 20 kV solution. It turns out that in the case of 10 kV losses become too great and the 35 kV nominal voltage cost of equipment exceeds loss savings of charge. Hypothesis could not be confirmed. Author of diploma wishes to emphasize that wind power plants to be constructed in the future, investors and developers should take into account the impact of power transformer when choosing rated voltage of distribution network of wind power plant.