Kandidaatintyö 25.1.2018 LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka
LVDC sähkönjakelussa ja kuluttaja-asennuksissa LVDC in electricity distribution and customer
installations
Aleksi Porkola
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka
Aleksi Porkola
LVDC sähkönjakelussa ja kuluttaja-asennuksissa
2018
Kandidaatintyö.
33 s.
Tarkastaja: Professori Jarmo Partanen
Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksena pienjännitteisiä LVDC -ta- sasähköjärjestelmiä loppupään sähkönjakelussa ja kuluttaja-asennuksissa. Työssä esitetään tyypillisiä käyttö- ja toteutussovelluksia, vertaillaan LVDC -järjestelmiä perinteisiin pien- jännitteisiin vaihtosähköjärjestelmiin erilaisissa käyttökohteissa ja -ympäristöissä, sekä tuo- daan esille lupaavia LVDC-järjestelmien kehitysmahdollisuuksia. Työssä tutkitaan useita eri tahojen- ja järjestöjen, kuten IEEE:n, CIRED:in ja IEC:n julkaisemia konferenssiesitelmiä ja tieteellisiä artikkeleja. Nämä dokumentit perustuvat moniin eri tutkimuksiin, vaikkakin Suomessa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehdyt tutkimukset ovat pääroolissa.
Näistä lähteistä on koottu laaja, mutta mahdollisimman tiivis kuvaus LVDC-järjestelmien mahdollisesta roolista loppupään sähkönsiirrossa ja kuluttaja-asennuksissa.
LVDC-järjestelmät ovat laajasti eri puolilla maailmaa tutkittu aihe. Suurin ongelma niiden kehittämisessä on puuttuva standardointi. Vielä nykyään monissa tapauksissa tasasähköjär- jestelmän on todettu olevan vielä taloudellisesti kannattamattomampi, kuin perinteinen vaihtosähköjärjestelmä. Varsinkin tehoelektronisten suuntaajalaitteiden lyhyt käyttöikä ja huomattavat tehohäviöt ovat ongelma. Hajautetun tuotannon ja tasasähköä käyttävien lait- teiden yleistyessä LVDC-verkon käytön edellytykset kuitenkin lisääntyvät. Varsinkin ke- hittyvissä maissa LVDC-verkko yhdistettynä hajautettuun aurinkosähköntuotantoon tarjoaa jo nyt entistä paremman mahdollisuuden sähkönsaantiin. Tehoelektroniikan kehittyminen tulevaisuudessa tekee LVDC-järjestelmistä yhä kannattavampia myös kehittyneissä maissa. Lupaavat tekniikat, kuten SiC-komponentit, mahdollistavat puolijohteille tyypilli- sen ripeän kehittymisen. Tulevaisuudessa LVDC:n käyttö voi mullistaa loppupään sähkön- jakelun, sekä sähköjärjestelmät ja tarjota luotettavamman, energiatehokkaamman ja älyk- käämmän vaihtoehdon perinteiselle vaihtosähköverkolle.
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems
Electrical Engineering Aleksi Porkola
LVDC in electricity distribution and customer installations
2018
Bachelor’s Thesis.
33 p.
Examiner: Professor Jarmo Partanen
In this bachelor’s thesis low voltage direct current (LVDC) electricity systems in end of electricity distribution and in property installations are examined as a literature review. Typ- ical usage and implementation applications, comparison of LVDC -systems to traditional low voltage alternative current systems in different usage environments and promising de- velopment possibilities are presented. In this work multiple scientific articles and conference presentations published by different organizations, like IEEE, CIRED and IEC, are studied.
These documents base on many different research’s even though Finnish research made in Lappeenranta University of Technology is in main role. From those sources, a wide and compact description is made about possible role of LVDC systems in end-grid electricity distribution and customer installations.
LVDC systems are widely researched subject all around the world. The biggest problem in their development is lack of standardization. Currently in many applications, LVDC systems are noticed to be economically more unprofitable than traditional AC systems. Especially short lifetime and significant power losses of power electronic converters are problematic.
However, as distributed generation and direct current using devices become more common, conditions for usage of LVDC increase. Especially in developing countries, a combination of LVDC systems and distributed photovoltaic electricity generation provides a better change for electricity access even today. The continuing development of power electronics in the future, also makes these systems more profitable in developed countries. Promising new technologies, like SiC components, make rapid advancing typical to semiconductors possible. In the future, usage of LVDC can overturn end-grid electricity distribution and electrical systems, and it can offer more reliable, energy efficient and smarter option for traditional technologies.
SISÄLLYSLUETTELO
Käytetyt merkit ja lyhenteet ... 5
1. Johdanto ... 6
2. LVDC-sähkönjakelu ... 7
2.1 Rakenne ... 7
2.2 Hyödyt ... 8
2.3 Hajautettu tuotanto ... 9
2.3.1 Hajautettu aurinkosähkön tuotanto ... 9
2.4 Älykäs sähköverkko ... 10
3. Tehoelektroniikka ... 10
3.1 Käyttöikä ja vikaherkkyys ... 11
3.2 Tehohäviöt ... 12
3.3 Sähkömagneettinen yhteensopivuus ... 13
3.4 Kehitysmahdollisuudet ... 13
3.4.1 SiC komponentit ... 13
4. LVDC kiinteistöasennuksissa ja -järjestelmissä ... 15
4.1 Toteutusmallit ... 15
4.2 Suojausmenetelmät ja sähköturvallisuus ... 17
4.3 Mahdollisuudet ... 19
5. Mahdollisuudet kehittyvissä maissa ... 20
5.1 Sähkön saatavuus ... 21
5.1.1 Sähköverkkoliittymällä ... 22
5.1.2 Ilman sähköverkkoa ... 22
6. Yhteenveto ... 23
Lähteet ... 25
KÄYTETYT MERKIT JA LYHENTEET
AMR Automaattinen mittarinluenta (Automatic Meter Reading) CCB Ohjattava johdonsuojakatkaisija (Controlled Circuit Breaker) ELVDC Pienoisjännitteinen tasasähkö (Extra Low Voltage Direct Current) EMC Sähkömagneettinen yhteensopivuus (Electomagnetic Compatibility) EMI Sähkömagneettiset häiriöt (Electromagnetic interference)
HVDC Suurjännitteinen tasasähkö (High Voltage Direct Current)
IGBT Hilaeristetty bipolaaritransistori (Insulated Gate Bipolar Transistor) IT Maasta erotettu (Insulate Terra)
JFET Kanavatransistori (Junction gate Field-Effect Transistor)
LVAC Pienjännitteinen vaihtosähkö (Low Voltage Alternative Current) LVDC Pienjännitteinen tasasähkö (Low Voltage Direct Current)
MOSFET Metallioksidi kanavatransistori (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)
PLC Datasähkö (Powerline Communication)
PV Aurinkosähkö (Photo Voltaic)
RF Radiotaajuus (Radio Frequency)
SiC Piikarbidi (Silicon Carbide)
SSCB Puolijohdejohdonsuojakatkaisija (Solid-State Circuit Breaker) TN Käyttömaadoitettu (Terra Neutral)
1. JOHDANTO
Tulevaisuudessa hajautettu tuotanto tulee olemaan yhä suurempi tekijä sähköntuotannossa ja perinteisesti kuluttajina toimineet tahot tulevat näyttäytymään yhä enemmän myös sähkön tuottajina. Nykyistä LVAC-pienjänniteverkkoa ei ole kuitenkaan suunniteltu tämän tyyppi- seen tarkoitukseen (Niehoff, 2017). Lisäksi tulevaisuudessa haasteita sähköverkolle asetta- vat kasvavat tarpeet energiatehokkaammalle ja parempilaatuiselle sähkönjakelulle, sekä mahdollinen älykkäämpi sähköverkko (Smart Grid). Pienjännitteinen tasasähkö- eli LVDC- verkko voisikin tarjota perinteistä LVAC- verkkoa korvaamaan luotettavamman, kannatta- vamman ja helposti hallittavamman pohjan tulevaisuuden loppupään sähkönjakelulle (Par- tanen, 2010).
DC-sähkönjakelu ei ole uusi asia. Yli sata vuotta sitten tasasähkö kilpaili asemastaan vaih- tosähkön kanssa, mutta vaihtosähkö oli tuolloisella tekniikalla ylivoimainen vaihtoehto. Ta- sasähköä on kuitenkin käytetty pienemmässä mittakaavassa ja erikoiskohteissa, kuten raitio- liikenteessä, datakeskuksissa ja laivojen sähköjärjestelmissä (Partanen, 2010). Tasasähkön uuden tulemisen sähkönjakeluun on mahdollistanut tehoelektroniikan ja erilaisten konvert- terien ripeä kehittyminen. Viime vuosikymmeninä ja varsinkin viime vuosina kiinnostus laa- jempaa tasasähkönjakelua kohtaan onkin taas kasvanut ja siihen liittyvää tutkimustyötä on tehty runsaasti. Lisäksi toimivia koejärjestelmiä on rakennettu ja ylläpidetty hyvällä menes- tyksellä esimerkiksi suomalaisella maaseudulla (Kaipia, 2012) ja Etelä-Korean vuoristossa (Youngpyo, 2017).
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan LVDC-verkkoja, -sähkönjakelua ja -asennuksia tekemällä kokoava kirjallisuuskatsaus erinäisten pääasiassa tieteellisten lähteiden ja tutkimusten poh- jalta. Tärkeitä lähteitä ovat järjestöjen kuten IEEE:n ja CIRED:in järjestämät konferenssit sähkönjakelusta ja tehoelektroniikasta, kansalliset ja kansainväliset standardit, sekä Lap- peenrannan ja Tampereen teknillisten yliopistojen ”Tehoelektroniikka sähkönjakelussa” - tutkimushanke ja siitä saadut kokemukset ja tulokset. Pääpainopisteenä työssä on LVDC- jakeluverkon loppupää ja kiinteistöasennukset. Työssä perehdytään siihen, miksi LVDC- verkon tutkiminen on ajankohtaista, sen hyötyihin ja haittoihin suhteessa perinteiseen LVAC- verkkoon ja minkälaisella kehityksellä kiinteistöasennuksissa ja -järjestelmissä siitä
saisi yhä kannattavamman. Lisäksi selvitetään minkälaisia mahdollisuuksia LVDC- sähkön- jakelulla ja -järjestelmillä on kehittyvissä maissa, kuten Intiassa ja Afrikan valtioissa, joissa kaikissa kohteissa sähkönsiirtoinfrastruktuuria ei ole tai se on heikko.
2. LVDC-SÄHKÖNJAKELU
Suomessa ja maailmalla sähkönjakelu perustuu nykyään pääasiassa vaihtosähköä hyödyntä- vään järjestelmään. Kuitenkin sähkönsiirrossa on jo pitkään Suomessakin käytetty tasasäh- köisiä HVDC- siirtoyhteyksiä esimerkiksi merikaapeliyhteyksiin nostamaan yhteyksien te- honsiirtokapasiteettia (Fingrid, 2017). Periaatteeltaan samankaltaiset, mutta pienjännitettä hyödyntävät LVDC-sähkönsiirtojärjestelmät saattavat olla mahdollinen keino toteuttaa säh- könjakelua tulevaisuudessa. Kansainvälisten ja kansallisten standardien puute on kuitenkin hidastanut näiden järjestelmien kehitystä ja käyttöönottoa (IEC, 2017a).
2.1 Rakenne
LVDC-siirtoverkon tyypillinen tämänhetkinen sovellus koostuu tasasuuntaajasta, DC-siirto- johdosta ja kuluttajan päässä olevasta vaihtosuuntaajasta. Suuntaajien välisen siirtojohdon on hyvä olla toteutettu maasta erotettuna IT-järjestelmänä, sillä tavallista suurempi jännite aiheuttaa varsinkin Suomen heikoissa maadoitusolosuhteissa suuria maadoitusjännitteitä maadoitetussa TN-järjestelmässä (Partanen, 2010). Kuitenkin kuluttajan verkko tulisi pitää käyttömaadoitettuna TN-järjestelmänä sähköturvallisuuden vuoksi, mikä onnistuu erotus- muuntajalla tai erottavalla DC/DC konvertterilla (Rekola, 2015). Lisäksi LVDC-järjestelmä vaatii häiriöiden torjumiseksi suodattimia (Nuutinen, 2012). Jakeluverkko voidaan toteuttaa uni- tai bipolaarisena järjestelmänä, jolloin kannattava siirtojännite on unipolaarinen 1500 VDC tai bipolaarinen ± 750 VDC (Kaipia, 2007). Huolimatta korkeampijännitteisen unipo- laarisen verkon korkeammasta tehonsiirtokapasiteetista on bipolaarista vaihtoehtoa pidetty parempana vaihtoehtona suuntaajien ja johtojen jännitelujuuksia ajatellen (Partanen, 2010).
LVDC-jakeluverkon mahdollista rakennetta havainnollistava malli on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Eräs LVDC-jakeluverkkojärjestelmän toteutusmalli. (Nuutinen, 2012)
2.2 Hyödyt
LVDC-siirtoyhteydessä tasajännite voidaan EU:n pienjännitedirektiivin puitteissa nostaa 1500 volttiin, kun vaihtosähköyhteyden maksimijännite on 1000 V (Eur-Lex, 2014). Korke- ammalla jännitteellä siirtoyhteyden häviöt pienenevät ja tehonsiirtokapasiteetti kasvaa mer- kittävästi. Tasasähköyhteydellä ei myöskään ole reaktiivisia komponentteja, jolloin LVDC- yhteyden tehokerroin on aina yksi, mikä taas parantaa tehonsiirtokapasiteettia entisestään.
Lisäksi kaikkia olemassa olevia kaapeleita ei tarvitse korvata uusilla, sillä AC-kaapelit so- pivat hyvin myös DC-kuorman siirtämiseen ja tällöin ne pystyvät siirtämään jopa enemmän tehoa, sillä tasajännite voidaan nostaa AC-jännitteen huippuarvon suuruiseksi (Antoniou, 2013). Vanhojen kaapeleiden käyttö kuitenkin edellyttää nykystandarteilla bipolaarisen ± 750 VDC linjojen käytön, sillä vaiheen ja maan välisen jännitteen tulee vanhoilla pienjänni- temaakaapeleilla olla alle 900 V (SFS 4879, 2008).
Siirtolinjan pienemmistä häviöistä huolimatta DC-yhteydessä syntyy vielä nykytekniikalla enemmän häviöitä, kuin perinteisessä AC-verkossa johtuen suuntaajista ja varsinkin kulut- tajan pään vaihtosuuntauksessa tapahtuvista häviöistä (Rekola, 2015). Kaapelin investointi- kustannukset kuitenkin laskevat, johtuen siirtolinjan pienemmän poikkipinta-alan käytön
mahdollisuudesta. Lisäksi todellisia säästöjä saadaan aikaan, kun LVDC-verkon avulla saa- daan korvattua keskijänniteverkkoa ja vähennettyä paljon häviöitä aiheuttavia 20/0.4 kV muuntopiirejä. Tämä on mahdollista vähän tehonkulutusta sisältävissä yhteyksissä harvaan asutulla seudulla, jossa osa 20 kV siirtolinjan loppupäästä saataisiin korvattua LVDC yhtey- dellä (Hakala, 2015).
2.3 Hajautettu tuotanto
LVDC-verkko toimisi luonnollisempana pohjana hajautetulle tuotannolle, kuin nykyinen LVAC-verkko. Tulevaisuudessa hajautettu tuotanto tulee olemaan paljolti aurinkopaneeleja, pienoistuulivoimaloita ja mahdollisesti polttokennoja. Tällaiset hajautetun tuotannon muo- dot on helpompi liittää LVDC-, kuin LVAC-verkkoon, sillä ne usein tuottavat tasavirtaa ja niiden ulostulot ovat muutenkin tehoelektroniikka- ohjattuja (Jackson, 2013). Lisäksi tasa- sähköyhteys mahdollistaa hajautetun tuotannon ja siirretyn sähkön energiaa varastoivien ak- kuenergiavarastojen, jotka mahdollistavat LVDC-verkon toiminnan hetkellisesti omana saa- rekkeenaan, liittämisen verkkoon ilman tasasuuntausta (Lana, 2015a). LVDC-järjestelmä siis pienentäisi hajautetun tuotannon ja energiavarastojen konversioasteita ja näin suuntauk- siin kuluvia tehohäviöitä.
2.3.1 Hajautettu aurinkosähkön tuotanto
Aurinkopaneeleilla tuotettu aurinkosähkö (PV) on tällä hetkellä ja tulee myös lähitulevai- suudessa olemaan tärkein hajautetun energian tuotantomuoto. Vuonna 2016 aurinkosähkön pientuotantokapasiteetti yli kolmikertaistui Suomessa 27:än megawattiin (Energiavirasto, 2017). Tämä kuvaa hyvin aurinkosähkön pientuotannon tärkeää roolia tulevaisuuden pien- jänniteverkoissa, sillä kapasiteetin lisäys tulee olemaan tulevaisuudessa yhä voimakkaam- paa.
Aurinkosähköä tuottava aurinkopaneeli tuottaa tasasähköä, joka pitää ohjata DC-DC kon- vertteriin, jossa jännite nostetaan tarpeeksi korkeaksi ja pidetään tasaisessa arvossa (Walker, 2004). Perinteisessä pienjänniteverkossa tämän jälkeen piirissä pitää olla vielä vaihtosuun- taaja, jolla tuotettu sähkö saadaan käytettävään muotoon. LVDC-verkolla aurinkosähkön saisi liitettyä verkkoon ilman häviöitä aiheuttavaa vaihtosuuntaajaa.
2.4 Älykäs sähköverkko
LVDC-verkon käyttöä älykkään sähköverkon pohjana tukee myös DC-verkon helpompi oh- jattavuus. Tasa- ja vaihtosuuntaajat ovat ohjattavissa luoden perustan älykkään sähköverkon ohjaukselle. DC-järjestelmässä ei ole myöskään AC-järjestelmän tavoin ohjausta vaikeutta- via reaktiivisia ja harmonisia tehoja, eikä ohjausta tarvitse synkronoida verkon taajuuteen (Dragicevic, 2014). Verkon ohjaamiseen voidaan käyttää IP-protokollaan perustuvaa kom- munikaatiojärjestelmää, joka toimii esimerkiksi datasähköllä (PLC) siirtokaapeliyhteyttä pitkin (Pinomaa, 2011). PLC-tekniikkaa käytettäessä riskinä ovat suuntaajien aiheuttamat häiriöt, jollei niitä suodateta kattavasti ja tietysti myös itse suodatus, jos se on mitoitettu myös tiedonsiirtoon käytetyille taajuuksille. Tiedonsiirrosta saa luotettavamman ja katkot- tomamman käyttämällä valokuituyhteyttä, joka voidaan kaivaa LVDC-kaapelin viereen (Lana, 2015b). Tämä tosin nostaa hieman, mutta tuskin merkittävästi järjestelmän hintaa.
LVDC-järjestelmässä vaihtosuuntaajat voivat kommunikoida keskenään, sekä yhteisen ta- sasuuntaajan kanssa ja näin säätää esimerkiksi jännitettään tilanteen mukaan (Nuutinen, 2014). Lisäksi asiakkaan pään vaihtosuuntaaja voi huolehtia nykyisten AMR-energiamitta- rien toiminnoista, kuten energian mittauksesta ja tallennetun datan rekisteröinnistä AMR- tietokantaan (Partanen, 2010). Lisäksi LVDC-järjestelmässä voidaan esimerkiksi säätää asi- akkaiden tehokuormia, seurata maaresistanssia eristystason valvontalaitteella ja ohjata ak- kuenergiavaraston, sekä kuormien toimintaa saarekekäytössä (Nuutinen, 2014). Erilaisia mahdollisia ohjaustoimintoja on myös lukemattomia muita ja osaa niistä on testattu onnis- tuneesti esimerkiksi julkisen verkon koejärjestelmässä (Nuutinen, 2013).
3. TEHOELEKTRONIIKKA
LVDC-järjestelmän mahdollistavat tasa- ja vaihtosuuntaajat koostuvat suuria jännitteitä ja virtoja kestävästä tehoelektroniikasta. Tämän tyyppisten komponenttien hintatrendi on ollut muunkin puolijohdetekniikan lailla laskevaa samalla, kun perinteisten muuntajien ja verk- kokomponenttien materiaalina käytettävien metallien hinta ja valmistuskulut ovat nousseet (Teknologiateollisuus, 2017). Tämä kehitys on esitetty kuvassa 2. Tehoelektroniikka on LVDC-verkon sydän ja sen kehittyminen on tärkein tekijä tasasähköverkon mahdollistumi-
selle, mutta se tuo mukanaan myös haasteita, kuten tehohäviöitä, lyhyen käyttöiän ja sähkö- magneettisia häiriöitä. Lisäksi tehoelektroniset konvertterit ovat vielä hinnaltaan moninker- taisia verrattuna perinteisiin verkostokomponentteihin (Tani, 2017).
Kuva 2. Elektroniikan, metalliteollisuuden ja mekaanisen suunnittelun hintakehitys 2000-luvulla (Teknologiateollisuus, 2017).
3.1 Käyttöikä ja vikaherkkyys
Suuntaajalaitteiden elinikä on huomattavasti lyhyempi, kuin perinteisillä verkkokomponen- teilla. Tyypillisen perinteisen verkostokomponentin, kuten muuntajan, elinikä on tavallisesti 30 – 50 vuotta, kun tyypillisillä teollisuudessa käytetyillä tehoelektronisilla konverttereilla se on noin 5 – 10 vuotta (Partanen, 2010). Näin lyhyt käyttöikä ei ole suotuisaa sähkönsiir- rossa ja laitteiden uusiminen muodostuu huonoimmassa tapauksessa kalliiksi tiheällä 5 vuo- den vaihtovälillä. Parempaan 10 vuoden käyttöikään päästään varmemmin käyttämällä lait- teissa halpojen elektrolyyttikondensaattorien sijaan kestävämpiä kondensaattorivaihtoeh- toja, kuten filmikondensaattoreita (Rodriguez, 2008). Suuntaajien käyttöikää voidaan nostaa myös huolto-ohjelmalla ja laitteen itsediagnostiikalla noin 15 vuoteen, mikä kuitenkin edel- lyttää vikaherkimpien komponenttien vaihtoa jossain kohtaa elinkaarta (Partanen, 2010).
Yksi LVDC-jakeluverkon käyttötarkoituksista on parantaa sähkön toimitusvarmuutta. Te- hoelektronisten suuntaajien lyhyt käyttöikä lisää myös vikaantumisriskiä. Vaihtosuuntaajien
arvioitu vikaantumisväli on noin 2 – 3 vuotta ja tasasuuntaajilla vastaavasti 4 -5 vuotta (Par- tanen, 2010). Asiakkaan pään vaihtosuuntaajan vikaantuminen todennäköisesti katkaisee sähköt koko asiakkaan järjestelmästä, ellei järjestelmään ole rinnakkaista sähkönsyöttöä.
Sen sijaan LVDC-yhteyden tasasuuntaajan vikaantuminen ei välttämättä aiheuta sähkön toi- mituskatkoa, jos järjestelmässä on käytössä akkuenergiavarasto ja vika pystytään korjaa- maan tarpeeksi nopeasti. Joka tapauksessa suuntaajien elinikä ja vikaherkkyys ovat huomat- tavia ongelmia LVDC-jakeluverkon toteutuksessa.
3.2 Tehohäviöt
Virran kulkiessa tehoelektroniikassa, siinä syntyy tehohäviöitä. Nämä tehohäviöt ovat pää- asiassa kytkentähäviöitä ja johtumishäviöitä (Rekola, 2015). Kokonaisuudessaan LVDC-jär- jestelmä saattaa tuottaa joissain tapauksissa huomattavasti enemmän häviöitä kuin perintei- nen LVAC-järjestelmä, johtuen juurikin tehoelektronisista suuntaajista (Partanen, 2010).
Suuntaajien tehoelektroniikan lisäksi huomattavasti häiriöitä syntyy myös suuntaajien ja verkon passiivisissa komponenteissa, kuten suodattimissa ja muuntajissa (Rekola, 2014).
Suurin osa LVDC-järjestelmän häviöistä syntyy kuitenkin asiakkaan pään vaihtosuuntauk- sessa ja siihen liittyvissä toiminnoissa (Peltoniemi, 2008). Vaihtosuuntauksen tehohäviöiden määrään vaikuttavat suuntaajan topologian ja käytettyjen komponenttien lisäksi myös säh- kömagneettisten häiriöiden (EMI) suodatin ja verkkojen galvaaniseen erottamiseen käytetty erotusmuuntaja tai DC-DC konvertteri (Mattsson, 2014). Tämän takia asiakkaan pään vaih- tosuuntauksen energiatehokkuus korostuu suhteessa muihin verkkokomponentteihin.
Asiakkaan pään vaihtosuuntaaja joutuu usein toimimaan matalalla teholla suhteessa nimel- listehoonsa, mikä johtuu tyypillisen kuluttajan matalasta peruskuormasta suhteessa huippu- tehoon (Nuutinen, 2015). Tämä asettaa haasteita vaihtosuuntaajan suunnitteluun, sillä sen nimellisteho tulisi mitoittaa tarpeeksi suureksi kestämään suuria kuormia kuten kiukaita ja lämminvesivaraajia, mutta samalla sen tulisi toimia hyvällä hyötysuhteella myös paljon ma- talammilla kuormilla. Pienimmät tehohäviöt saavuttavat topologiat ovat yksivaiheisissa jär- jestelmissä yksivaiheinen kokosiltavaihtosuuntaaja ja kolmivaiheisilla järjestelmillä kolmi- vaiheinen neljäosainen suuntaaja, joka mahdollistaa tehokkaan toiminnan myös vaihe-epä- symmetrisissä kuormitustilanteissa (Nuutinen, 2015). Lisäksi suuntaajan kokonaistehohävi- öihin vaikuttaa suuresti käytetty kytkentätaajuus, joka suurentuessaan kasvattaa tehoelektro- niikan kytkentähäviöitä, mutta pienentää passiivisissa komponenteissa syntyviä häviöitä
(Hussein, 2016). Tehohäviöiden pienentäminen tulee olemaan tulevaisuudessa tärkeä osa LVDC-verkon kehitystyötä.
3.3 Sähkömagneettinen yhteensopivuus
Sähkömagneettinen yhteensopivuus eli EMC vaarantuu LVDC-jakelujärjestelmässä, sillä varsinkin asiakkaan pään vaihtosuuntaajien kytkentätaajuus aiheuttaa verkkoon yhteismuo- toisia häiriöjännitteitä ja -virtoja (Partanen, 2010). Nämä häiriöt ovat johtuvia ja RF-taajuisia EMI häiriöitä, joita ilmenee kytkentätaajuudella ja sen monikerroilla (Nuutinen, 2015). Häi- riöt aiheuttavat ylimääräisiä tehohäviöitä, sähkönjakelun tehokapasiteetin pienenemistä, häi- ritsevät tiedonsiirtoa ja pahimmassa tapauksessa saattavat johtaa nollajohtimen ylikuormi- tukseen, joka saattaa rikkoa verkkoon kytkettyjä laitteita (Rekola, 2015). Häiriöiden määrää voidaan kuitenkin rajoittaa alipäästösuodattimilla, jotka estävät korkeataajuisten häiriöiden kulun verkossa häiritsemättä itse sähkönsiirtoa (Nuutinen, 2015). Häiriöiden leviämisen voi myös estää häiriösuojattua kaapelointia ja kotelointia käyttämällä. Tämäntyyppinen toteutus pitää tehdä ainakin vaihtosuuntaajan ja suodattimien väliseen verkonosaan. Häiriöiden esto kuitenkin lisää aina järjestelmän investointikustannuksia ja suodattimen tehohäviöt myös käyttökustannuksia.
3.4 Kehitysmahdollisuudet
Tehoelektroniikka on kehittynyt tällä vuosituhannella ja viime vuosisadalla erittäin merkit- tävästi. Tämä kehitys ei tule loppumaan jatkossakaan ja uusia lupaavia tehoelektroniikan puolijohdemateriaaleja ja rakenteita tutkitaan runsaasti. Tehoelektroniikan kehittyessä myös LVDC-verkko tulee kehittymään yhä paremmaksi ja varteenotettavammaksi vaihtoehdoksi.
3.4.1 SiC komponentit
Perinteisesti suuntaajien tehoelektroniikka on ollut IGBT transistori-tyyppisiä komponent- teja, joita käytetään laajasti muissakin tehoelektroniikan konverttereissa, kuten taajuusmuut- tajissa (Iwamuro, 2017). Lähivuosina järkeväksi vaihtoehdoksi on kehittynyt myös Piikar- bidista (SiC) valmistetut komponentit, jotka tarjoavat paremman jännitekestoisuuden, pie- nemmät tehohäviöt ja kestävät lämpöä paremmin kuin perinteiset IGBT transistorit (Rabkowski, 2012). Tämän tyyppiset komponentit ovat yksi lupaavimpia tekniikoita te- hoelektronisten komponenttien kehityksessä. Varsinkin SiC MOSFET:it ovat kehittyneet ja
niiden hintakehitys, joka on esitetty kuvassa 3, on ollut rajusti laskevaa tällä vuosikymme- nellä (Cree Inc., 2014).
Kuva 3. SiC 1200V MOSFET:ien hintakehitys ja ennustettu kehitys tuotantomäärän suhteen vuodelta 2014 (CreeInc., 2014).
SiC MOSFET:it soveltuvat hyvin myös LVDC-verkossa tarvittavien konvertterien kom- ponenteiksi (Rekola, 2015). Vaikka ne ovat kalliimpia kuin perinteiset IGBT-transistorit, suuntaajien hinta saattaa silti tippua, sillä SiC MOSFET:ien mahdollistama suurempi kyt- kentätaajuus ja paremmat lämpöominaisuudet mahdollistavat passiivisten komponenttien ja jäähdytyksen pienentämisen (Hussein, 2016). Tämä pienentää myös konvertterien kokoa, mikä tekee LVDC- verkon asiakkaan pään vaihtosuuntaajan sijoittamisesta rakennuksen nousu- tai pääkeskuksen yhteyteen mukavampaa. SiC MOSFET:ien käyttö esimerkiksi vaih- tosuuntaajassa parantaa energiatehokkuutta tyypillisesti noin yhden prosentin verrattuna IGBT transistoreihin (Rekola, 2015). Tämä tarkoittaa lähellä 100% hyötysuhdetta toimivilla konverttereilla jopa tehohäviöiden puolittumista, mikä taas vaikuttaa jo huomattavasti LVDC-järjestelmän kokonaishäviöihin.
4. LVDC KIINTEISTÖASENNUKSISSA JA -JÄRJESTELMISSÄ
Nykyään syötämme kaikkia kulutuskojeita vaihtosähköllä, vaikka tasasähkö sopisi parem- min monen kojeen syötöksi. Lämmitykset ja lämminvesivaraajat ovat resistiivisiä kuormia, jotka toimivat vastaavasti tasasähköllä. Valaistuksessa nykyään yleiset ledit ovat tasasähkö- laitteita ja myös muut perinteiset valonlähteet kuten loisteputket ja halogeenivalaisimet so- veltuvat tasasähköllä syötettäväksi (Partanen, 2010). Elektronisissa kulutuskojeissa, kuten tietokoneissa, televisioissa ja mikroaaltouuneissa virtapiirit toimivat tasasähköllä. Lisäksi elektronisten laitteiden liitäntälaitteet ovat yleensä hakkuriteholähteitä, jotka toimivat ta- sasähköllä. Elektronisten laitteiden tasasuuntaustehohäviöt voivat olla jopa 20 – 50 % lait- teen tehonkulutuksesta (Jhunjuhunwala, 2015).
Ainoat todella vaihtosähköä käyttävät todella yleiset laitteet ovat vaihtosähkömoottorit, joita on esimerkiksi pesukoneissa, ilmastoinnissa ja hisseissä. Samoin teollisuudessa käytetään paljon moottoreita ja suurin osa teollisuuden sähkönkulutuksesta tuleekin moottoreista (Sha- han, 2011). Teollisuudessa kuitenkin on yleistymässä taajuusmuuntajien käyttö moottorei- den ohjaukseen. Tällainen ohjaus tarjoaa helpomman moottorin säädön, sekä energiatehok- kuuden parantumisen (Bhase, 2015). Taajuusmuuttajat ensin tasasuuntaavat verkkovirran ja tämän jälkeen vaihtosuuntaavat tuottamansa tasavirran halutulla taajuudella (Bhase, 2015).
LVDC- verkon käyttö jättäisi tasasuuntauksen pois ja näin parantaisi myös taajuusmuunta- jien hyötysuhdetta. Vaihtoehtoisesti vaihtovirralla toimivia moottoreita voitaisiin korvata DC-moottoreilla, jotka toimisivat suoraan tasasähköllä.
4.1 Toteutusmallit
LVDC-sähkönjakelu mahdollistaa monien erilaisten jännitetasojen ja -laatujen käyttämisen kiinteistöjen asennuksissa. Ehdotettuja jännitetasoja ovat esimerkiksi perinteinen 230 VAC vaihejännite, 220 VDC, 440 VDC ja suoraan LVDC-verkosta saatava 750 VDC (Paajanen, 2009). Perinteinen 230/400 VAC olisi realistisin vaihtoehto tällä hetkellä, sillä kaikki ylei- simmät sähkölaitteet yhä suunnitellaan AC-verkolle. Tosin tämä ratkaisumalli luo paljon hä- viöitä käyttösähkön vaihtosuuntaajissa. Lisäksi on mahdollista käyttää monia eri jänniteta- soja samaan aikaan, kuten esimerkiksi pistorasioille ja ilmastoinnille 230 VAC, valaistuk- selle 220 VDC ja lämmitykselle, sekä sähköauton lataamiseen 750 VDC (Paajanen, 2009).
Eräs toteutusmalli on myös kuvan 4 mukainen bipolaarisella ± 375 VDC syötöllä varustettu
järjestelmä, jossa laitteelle valittu syöttöjännite riippuu sen tehosta (Rodriguez-Diaz, 2016).
Tapauksissa, joissa tarvitaan asiakkaan pään vaihtosuuntaaja, on se kannattavaa sijoittaa asi- akkaan sähkötiloihin. Eräs kannattava vaihtoehto on myös pienoisjännitteinen 48 Voltin ELVDC sähköjärjestelmä, jonka on todettu olevan kannattava vaihtoehto yksityisissä vähän suuria kuormia sisältävissä kiinteistöissä (Anand, 2010).
Kuva 4. Eräs toteutusmalli kiinteistön sähköjärjestelmälle. Pienikuormaisia valaistusta ja elektroniik- kaa syötetään pienoisjännitteellä 48 V, suurempaa kuormaa tarvitsevia kodinkoneita jännit- teellä 375 V ja suurikuormaisia hissiä ja sähköauton latauspistettä jännitteellä 750 V. Lisäksi suurimpaan jännitetasoon on kytketty akkuenergiavarasto ja sähköntuotantoa. (Rodriguez- Diaz, 2016)
Kiinteistöjen nykyisten sähköjärjestelmien kannalta jännitteen nostaminen yli nykyisen 230 VAC on ongelmallista. Monet nykyiset sähkökalusteet -ja kojeet, kuten johdonsuojakatkai- sijat, pistorasiat ja jakorasiat on mitoitettu alle 250 V jännitteelle. Korkeammallekin jännit- teelle löytyy ratkaisuja, mutta nämä ovat yleensä kalliimpia. Ongelmaksi muodostuu myös
tasasähköön vaihdettaessa nykyiset pistotulppa ja -rasiatyypit, sillä tasavirta saattaa suurilla kuormilla luoda vaarallisen valokaaren pistotulppaa irrotettaessa (IEC, 2017a). Sähkökalus- teiden vaihto on sinänsä helppoa ja se usein ei vaadi rakenteiden purkamista, joten työn kus- tannukset pysyvät kohtuullisina.
Usein huomattavasti kiinteistön kalusteiden vaihtoa hankalampaa on kaapeloinnin uusimi- nen, mikä vaatii usein rakenteiden purkua ja pitkiä työaikoja. Perinteisesti sisäjohtoasennuk- sissa käytetyn 1,5 mm2 ja 2,5 mm2 johdinpoikkipintaisen MMJ-kaapelin jännitekestoisuus on riittämätön (500 V) suoralle LVDC-jakeluverkon (750 V) jännitteelle (SFS 2091, 2011).
Tarpeeksi suuren jännitekestoisuuden (750 V) tarjoavat yli 6 mm2 johdinpoikkipinnan MMJ- kaapelit, sekä kaikki MKMJ-asennuskaapelit (SFS 2091, 2011). Tämän lisäksi myös sisä- ulko- ja maa-asennukseen sopivilla MCMK ja EMCMK kaapeleilla on tarpeeksi suuri 1000 voltin jännitekestoisuus (Ahoranta, 2009). Lisäksi EMCMK kaapeli on häiriösuojattua, mikä mahdollistaa sen käytön esimerkiksi suuntaajilta lähtevien yhteyksien tekoon yhteiselle suo- dattimelle. Hinnaltaan MKMJ ja MCMK ovat hieman kalliimpia kuin MMJ. Esimerkiksi suomalaisen Reka Kaapeli Oy:n vastaavat kaapelit 3x2,5 mm2 johdinpoikkipinnalla ovat suuressa suomalaisessa sähkötukkuliikkeessä SLO:ssa perushinnaltaan 1,64€/m (MMJ), 2,95 €/m (MKMJ) ja 2,07 €/m (MCMK) sadan metrin nipuissa. EMCMK on taas kalliimpi ja esimerkiksi Drakan valmistama EMCMK 3x2,5+2,5 maksaa 4,13 € /m (SLO, 2017). Hin- taerot eivät kuitenkaan ole kannattamattoman suuria ja varsinkin MCMK on varteenotettava vaihtoehto käytettäväksi korkeammilla jännitteillä. Lisäksi kaikkia kaapeleita ei tarvitse kor- vata suurempaa jännitettä kestävillä kaapeleilla, jos käytetään useita eri jännitetasoja ja vain suurimpia kuormia syötetään yli 500 voltin jännitteellä. Lisäksi sopivien jännitetasojen ja kaapelien valinta riippuu siitä, onko kohde uudisrakennus vai restaurointikohde.
4.2 Suojausmenetelmät ja sähköturvallisuus
Tasasähkö itsessään on turvallisempaa kuin vaihtosähkö, johtuen vaihtosähkön tehoarvoa korkeammasta huippuarvosta. Vaihtosähkö aiheuttaa myös taajuutensa vuoksi helpommin sydänkammiovärinää, mikä on hengenvaarallinen tila. Tasasähköstä on lisäksi helpompi ir- rottautua, kuin vaihtosähköstä ja saman ärsytysvaikutuksen, eli kivun, tuottamiseen tarvitaan vaihtosähkön tehollisarvoon suhteessa 2-4 kertainen tasasähkö (Mäkinen, 2017).
Suomessa ja yleisesti kansainvälisesti on sallittua käyttää sähköverkon suojaamiseen vain standardisoituja suojausmenetelmiä, kuten sulakkeita ja johdonsuojakatkaisijoita. Näiden toiminta perustuu usein tarpeeksi suureen oikosulku- tai ylikuormitusvirtaan, joka katkaisee virtapiirin. Kuluttaja-asennuksissa suojan tulee toimia oikosulussa yleisesti alle 0,4 sekun- nissa, mutta pääjohdoille ja yli 32 A lähdöille sallitaan 5 sekunnin toiminta-aika (Mäkinen, 2017). LVDC-verkossa ongelmaksi saattaa muodostua suuntaajien virrankesto, esimerkiksi IGBT-transistorit kestävät vain noin 2-3 kertaa nimellisvirtansa suuruista oikosulkuvirtaa, mikä taas on usein riittämätön oikosulkusuojauksen toiminnalle (Partanen, 2010). SiC-kom- ponenttien oikosulkuvirran kestokyky on teoriassa vielä huonompi, kuin IGBT-transistorien, johtuen niiden suuremmasta virtatiheydestä (Wang, 2014). SiC- MOSFET:ien on kuitenkin todettu kestävän oikosulkuvirtoja suhteellisen hyvin verrattuna IGBT-transistoreihin ja ni- mellisarvoiltaan 1200 V/150A SiC-MOSFET:in on todettu kestävän 2 Hz taajuista nelinker- taista virtaa yli 750 000 pulssia (Schrock, 2016). Oikeissa asennuksissa vastaavansuuruisia oikosulkuvirtoja sattuu erittäin harvoin ja tämän perusteella vain nimellisvirtaa neljä kertaa suuremmat oikosulkuvirrat eivät vaikuta ratkaisevasti SiC-MOSFET konvertterien te- hoelektroniikan elinikään. Usein asiakkaan konvertterit ovat kuitenkin mitoitettu pienem- pien kustannusten takia niin pienille virroille, että suojauksen tarvitsemat laukaisuvirrat ovat huomattavasti suurempia, kuin nelinkertainen nimellisvirta. Esimerkiksi yleisesti pistorasia- ryhmille käytetty C16- johdonsuojakatkaisija, mikä myös yleensä on pienasiakkaan sähkö- järjestelmän hitain suoja, vaatii 0,4 sekunnin toiminta-aikaan vähintään 160 A virran, mikä on yli kymmenkertainen normaaliin toimintavirtaan nähden (SFS 6000, 2017). Mitoitetta- essa vaihtosuuntaaja syöttämään tarpeeksi suuria oikosulkuvirtoja, sen hinta ja häviöt taas kasvavat kannattamattoman suuriksi.
LVDC-sähköjärjestelmän suojaukseen on esitetty myös muunlaisia suojausmenetelmiä, joista kaikkia ei ole määritelty standardeissa, joten niiden käyttö ei ole vielä sallittua varsi- naisissa sähköasennuksissa. Suojauksen valinta riippuu suuresti siitä, onko kiinteistön TN- verkko erotettu galvaanisesti IT-jakeluverkosta ja erottamaton verkko onkin vaikeampi ja kalliimpi suojata, mikä on taas yksi syy käyttää TN-verkkoa kiinteistöjen sähköjärjestel- missä (Partanen, 2010).
Eräitä vaihtoehtoja LVDC-verkon suojaamiseen on suuntaajan ylivirtalaukaisu ja ohjattava johdonsuojakatkaisija eli CCB, joissa molemmissa oikosulkuvirtaa voidaan rajoittaa suun- taajan tehoelektroniikan suojaamiseksi. Asiakkaan vaihtosuuntaajan ylivirtalaukaisussa on- gelmana on heikosti toteutuva selektiivisyys varsinkin, jos koko kiinteistöä syötetään sa- malla suuntaajalla. CCB-suojaus on selektiivisempi ja siinä ulkoinen signaali, joka saadaan virtamittauksella, laukaisee suojan. Tällöin katkaisijan laukaisemiseen ei tarvita tehoelekt- roniikkaa vahingoittavaa suurta virtaa. Signaali voi tulla katkaisijalta itseltään tai asiakkaan vaihtosuuntaajalta. Ongelmaksi saattaa tulla oikean laukaisuvirran asettaminen, jotta suoja toimisi mahdollisimman nopeasti vikatilanteessa, mutta se ei laukeaisi normaalissa käytössä esiintyvistä virtapiikeistä. (Nuutinen, 2012)
Lisäksi LVDC-järjestelmän suojaamiseen saattaisi käydä myös tehoelektroniikkaan perus- tuvat SSCB puolijohdejohdonsuojakatkaisijat. Tämän tyyppiset ratkaisut ovat tulleet kan- nattavaksi SiC-puolijohteiden kehittyessä ja ne eivät välttämättä tarvitse ollenkaan erillistä virranmittausta ja ulkoista laukaisusignaalia. Tällaiset tehonsa pääpiiristä ottavat katkaisijat reagoivat niiden yli olevaan jännitteeseen, joka kasvaa oikosulkuvirran ilmetessä. Tämä yli- jännite ei vain ilmaise oikosulkua, vaan toimii myös piirin katkaisemisen tehonlähteenä. Yli- jännitteen sattuessa virran kulkureittinä toimivan JFET transistorin hilan ja lähteen välille syntyy biasoiva jännite, joka sammuttaa transistorin ja pitää sen myös estotilassa niin kauan kuin vika ilmenee. (Shen, 2015)
Ihmistä ja eläimiä sähköiskulta suojaavat vikavirtasuojat käyvät myös DC-verkon suojaami- seen. Vikavirtasuojat perustuvat lähtevän ja tulevan virran eron aistimiseen, mikä on sama ilmiö niin DC, kuin AC-verkoissakin. Tosin A-tyypin vikavirtasuoja ei välttämättä tunnista verkkojen välistä oikosulkua maan kautta, vaan suojaukseen tulee käyttää B-tyypin suojaa, joka havaitsee erovirran myös sekavirralle, jossa on molemmat AC- ja DC -komponentti (Partanen, 2010).
4.3 Mahdollisuudet
Kiinteistöasennusten tasasähköistäminen mahdollistaa paremmin älykkäämmän järjestel- män, sillä aivan kuten älykkäässä jakeluverkossa eri konvertterit mahdollistavat suoraan esi- merkiksi kulutetun energian mittauksen. Tämä mahdollistaa myös kehittyneemmän kiinteis- töautomaatikan hyödyntämisen ja kulutusprofiilin optimoinnin esimerkiksi sähkön hinnan
suhteen. Sähkölasku pienenee myös häviöiden laskiessa ja optimaalisesti toteutetun kiinteis- tön LVDC-sähköjärjestelmä saattaa pienentää tehohäviöitä jopa 15 % AC-järjestelmään ver- rattuna, mikä tosin on tyypillisessä kerrostaloasunnossa vain noin 50 kWh vuodessa (Kaki- gano, 2010).
Kiinteistöasennusten sähkösuunnittelua ja -asennusta monien eri jänniteportaiden käyttö väistämättäkin monimutkaistaa. Lisäksi syntyy vaara jänniteportaiden sekoittumisesta, mikä taas aiheuttaa helposti vaaratilanteita ja laitteiden rikkoutumisia. Tällaisia tilanteita voitaisiin ehkäistä sopivilla teknisillä ratkaisuilla ja tarpeeksi kattavalla standardoimisella.
5. MAHDOLLISUUDET KEHITTYVISSÄ MAISSA
Kehittyvissä maissa elintaso nousee ja yhä useammalle ihmiselle syntyy tarve sähkön saan- tiin, mutta yhä noin 1,2 miljardilla ihmisellä ei ole minkäänlaista mahdollisuutta sähkön saantiin (IEC, 2017b). Suurin osa näistä ihmisistä asuu juurikin kehittyvissä maissa, jotka sijaitsevat pääasiassa lähellä päiväntasaajaa Afrikassa, Aasiassa ja Latinalaisessa Ameri- kassa (UNDP, 2017). Lähellä päiväntasaajaa Kravun ja Kauriin kääntöpiirien välissä on myös auringon säteilyn puolesta hyvät mahdollisuudet tuottaa aurinkosähköä (Solargis, 2017). Näiden kahden suhde kartalla on esitetty kuvassa 5, josta huomataan kehittyvissä maissa olevan ilmaston puolesta hyvät mahdollisuudet tuottaa tehokkaasti PV-sähköä.
Kuva 5. Auringon säteilyn määrä maantieteellisen sijainnin perusteella (Ylempi) ja kansainväliset in- himillisen kehityksen indeksit eri valtioille (Alempi). Mukaillen (Solargis, 2017) ja (UNDP, 2017).
5.1 Sähkön saatavuus
Sähkön saanti on tärkeä osa yhteiskuntaa ja elämänlaatua. Sitä pidetäänkin yhtenä tärkeim- pänä tekijänä taloudelliselle kehitykselle, mutta todellisen kehityksen luomiseksi sitä on saa- tava luotettavasti, pitkäkestoisesti ja tarpeeksi suurina tehoina (IEC, 2017b). Kuitenkin usein kehittyvissä maissa varsinkin maaseudulla sähkönsiirtoinfrastruktuuria ei ole tai se on erit- täin heikko. Esimerkiksi vuonna 2015 Intiassa lähes 70 miljoonaa kotitaloutta oli sähköver- kon ulkopuolella ja melkein 40 miljoonaa kotitaloutta sai sähköä vain alle 12 tuntia päivässä heikon verkkoinfrastruktuurin takia (Kaur, 2015). LVDC-sähkönjakelu ja -järjestelmät yh- distettynä hajautettuun tuotantoon voisivatkin tarjota paremman sähkönsaannin monelle var- sinkin maaseudulla.
5.1.1 Sähköverkkoliittymällä
Heikon infrastruktuurin takia sähkön laatu ja toimitusvarmuus ovat osassa kehittyviä maita erittäin heikkoja. LVDC-verkko yhdistettynä hajautettuun sähköntuotantoon ja akkuenergia- varastoon voisi taata paremman sähkönsaannin esimerkiksi kokonaisille kyläyhteisöille.
Haasteena jakeluverkolle varsinkin lähellä päiväntasaajaa on todella usein syntyvät ja voi- makkaat ukkosmyrskyt. On kuitenkin todettu, että hyvin suunniteltu LVDC-järjestelmä kes- tää ilmastollisia ylijännitteitä ja akkuenergiavaraston avulla se takaa paremman sähkönsaan- nin ukkosella, kuin perinteinen LVAC-verkko (Nuutinen, 2013). Akkuenergiavarastot ja tar- peeksi suuret aurinkosähkön tuotantoyksiköt ovat kuitenkin vielä suhteellisen kalliita ja mo- nissa kehittyvissä maissa niiden hankkiminen edes yhdessä koko yhteisölle ei ole aina mah- dollista ilman ulkoista avustusta, mutta on silti usein halvempi vaihtoehto kuin keskitetysti tuotetun sähkön osto ja jakeluverkon ylläpito (Jhunjhunwala, 2016).
5.1.2 Ilman sähköverkkoa
Ilman sähköverkkoa saattavat olla yksittäiset kotitaloudet tai kokonaiset yhteisöt, kuten ky- lät. Näissä tapauksissa hyvä tapa taata luotettava sähkönsaanti on aurinkosähkön tuotannon ja akkuenergiavaraston yhdistelmä. Kuitenkin yksittäisille kotitalouksille tällaisten järjestel- mien hankkiminen on yleensä taloudellisesti mahdotonta, mutta suuremmilla yhteisöillä tämä on jo mahdollista. Suurempiin järjestelmiin LVDC-järjestelmä on varteenotettava vaih- toehto, mutta pieniin kohteisiin, kuten yksittäisiin kotitalouksiin tai useamman talouden kiin- teistöihin sopisi hyvin pienoisjännitteinen esimerkiksi 48 voltin ELVDC sähköjärjestelmä (Jhunjhunwala, 2016). Pienoisjännitteen käyttö perustuu suurten kuormien, kuten lämmityk- sen puuttumiseen, mutta esimerkiksi suurien jäähdytyslaitteiden kanssa se tuskin on kannat- tavaa.
Pienoisjännitteen käyttö tuo useita hyötyjä ja esimerkiksi tarvittavien laitteiden hinnat pie- nenevät ja järjestelmä on monissa tapauksissa kustannustehokkaampi huolimatta suurem- mista johdinpoikkipinta-aloista (Anand, 2010). Lisäksi pienoisjännite, joka on standartin SFS 6000 mukaan maksimissaan 50 VAC tai 120 VDC, katsotaan itsessään jo perussuo- jaukseksi, sillä jännite on liian pieni aiheuttaakseen ihmiskehossa vaarallista virtaa (Mäki- nen, 2017). Tämä tarkoittaa, että tasasähkö mahdollistaa siis yli puolet suuremman turvalli-
semman jännitteen, kuin vaihtosähkö. Otettaessa huomioon kehittyvissä maissa todennäköi- sesti tapahtuva kontrolloimaton sähköasennusten rakentaminen usein ilman sähköalan am- mattilaista, on pienoisjännite kaikista turvallisin tapa varmistaa ihmisten sähköturvallisuus.
6. YHTEENVETO
LVDC-sähkönjakelu ja kiinteistöasennukset ovat lupaavia keinoja kehittää tulevaisuuden sähköverkkoja. Elektronisten sähkölaitteiden yleistyessä, hajautetun tuotannon lisääntyessä ja paremman laatuisen sähkön tarpeen kasvaessa LVDC on yhä varteenotettavampi keino toteuttaa loppupään sähkönjakelu ja -järjestelmät.
Suurin ongelma LVDC-järjestelmiin liittyen on puuttuva standardointi, jonka avulla järjes- telmille saataisiin yhteiset pelissäännöt ja kehitystutkimusta ympäri maailmaa saataisiin yh- denmukaistettua ja näin päästä tehokkaammin yhteisiin päämääriin. Standardoinnin puute aiheuttaa tutkimuksissa ristiriitoja, sillä eri puolilla maailmaa olevat koejärjestelyt ja niiden tavoitteet eroavat merkittävästi. Myös sähköverkon suojaustapojen standardeja tulisi kehit- tää ja näin tehdä mahdolliseksi CCB ja SSCB- suojausjärjestelmien kaltaisten uusien te- hoelektroniikalle sopivien suojausmenetelmien käyttö kiinteistöasennuksissa. Onneksi tämä ongelma on saanut suurta huomiota maailmalla ja standardien kehittämiseen keskitytään suuresti esimerkiksi IEC:n toimesta.
Kehitystä vaativa kohde on myös niin tasa- kuin vaihtosuuntaajien käyttöikä ja vikaherk- kyys. Tämä on myös vaikein kehitettävä kohde ja LVDC-verkko ei voi ilman näiden asioi- den kehittymistä täyttää tavoitettaan toimitusvarmuuden ja sähkön laadun paranemisesta.
Kannattavuuden kannalta myös tehohäviöiden pienentäminen varsinkin asiakkaan pään vaihtosuuntaajassa on tärkeä kehityskohde. Tähän on kuitenkin lupaavia menetelmiä, kuten SiC-komponentit, jotka hinnan tippuessa ja tekniikan kehittyessä tulevat todennäköisesti korvaamaan perinteisiä IGBT-transistoreja vaihtosuuntaajissa. Vaihtosuuntaajat ovat kui- tenkin pakollinen osa LVDC-järjestelmää vain kiinteistön sähköjärjestelmän toimiessa vaih- tosähköllä ja niiden jäädessä pois järjestelmän häviöt vähenevät huomattavasti.
Hajautetun tuotannon ja varsinkin hajautetun aurinkosähkön tuotannon yleistyessä LVDC- verkosta tulee yhä houkuttelevampi vaihtoehto toteuttaa myös kiinteistöjen sähköverkkoja.
Se tarjoaa paremman pohjan älykkään verkon toteutukselle ja pienentää myös häviöitä kodin
sähkölaitteissa. Tämä kuitenkin vaatii myös sähkölaitteiden suunnittelua tasasähköllä käy- tettäviksi. Erilaisten jännitetasojen hyödyntäminen kiinteistöissä on tasasähköjärjestelmässä järkevää ja jännitteiden käyttö 48:sta aina 750:en volttiin on perusteltua. Nykyistä 230 volttia suurempien jännitteiden käyttöön liittyy kuitenkin ongelma nykyisten sähköasennuskalus- teiden ja kaapelien jännitekestoisuudessa. Tämä kuitenkaan ei ole suuri este, varsinkaan jos korkeita jännitteitä käytetään vain suurissa kuormissa, kuten sähköauton latauksessa ja läm- mityksessä.
Kehittyvissä maissa tasasähkön hyödyntäminen on lähitulevaisuudessa perustellumpaa, sillä yhdistettynä aurinkosähkön tuotantoon se tarjoaa huomattavasti paremman ratkaisun ihmis- ten sähkön saantiin kuin vaihtosähkö. Jo nyt tasasähköjärjestelmät ovat monissa kehittyvissä maissa osoittaneet potentiaalinsa yhteiskunnan sähköistämiseen. Ne mahdollistavat ihmisten elintason kehittymiselle kriittisen sähkönsaannin tarpeeksi varmasti ja halvemmalla kuin pe- rinteinen keskitetty sähköntuotanto yhdistettynä vaihtosähkön jakeluun.
Tulevaisuudessa pienjännitteinen tasasähköverkko tulee varmasti yleistymään niin kehitty- neissä, kuin kehittyvissäkin maissa. Kehittyessään se tarjoaa hyötyjä niin sähkön jakelijalle, kuin kuluttajillekin. Kehitystyötä kuitenkin vaaditaan vielä tähän päämäärään pääsemiseksi, mutta toisaalta teknillistaloudellisia kehitysmahdollisuuksia on runsaasti.
LÄHTEET
(Ahoranta, 2009) Ahoranta, J., 2009. Sisäjohtoasennukset. 5. painos, Helsinki, WSOY- pro. ISBN 978-951-0-26037-1
(Anand, 2010) Anand, S., Fernandes, B., 2010. Optimal voltage level for DC mi- crogrids. 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics So- ciety, 7. – 10.11.2010, Glendale, Yhdysvallat, IEEE.
(Antoniou, 2013) Antoniou, D., Tzimas, A., Rowland, S.M., 2013. DC utilization of ex- isting LVAC distribution cables. Electrical Insulation Conference (EIC), 2. – 5.6.2013, Ottawa, Kanada, IEEE.
(Bhase, 2015) Bhase, P., Lathkar, M., 2015. Energy conservation using VFD. Inter- national Conference on Energy Systems and Applications, 30.10. – 1.11.2015, Pune, Intia, IEEE.
(Cree Inc., 2014) Casady, J., Palmour, J., 2014. Power products commercial roadmap for SiC from 2012-2020 and power products rel. data & pricing fore- casts for 650V-15kV SiC power modules, MOSFETs & diodes [Verk- kodokumentti]. [Viitattu 13.11.2017] Saatavissa:
https://www.nist.gov/document-2374
(Dragicevic, 2014) Dragicevic, T., Vasquez, J., Guerrero, J., Skrlec, D., 2014. Advanced LVDC Electrical Power Architectures and Microgrids: A step toward a new generation of power distribution networks. IEEE Electrifi- cation Magazine (Volume: 2, Issue: 1, March 2014). sivut 54-65.
(Energiavirasto, 2017)
Energiavirasto, 2017. Sähköverkkoon kytketty aurinkosähkökapasi- teetti yli kolminkertaistui vuodessa [Verkkodokumentti]. [Viitattu 9.11.2017]. Saatavissa https://www.energiavirasto.fi/-/sahkoverk- koon-kytketty-aurinkosahkokapasiteetti-yli-kolminkertaistui-vuo- dessa
(Eur-Lex, 2014) Euroopan parlamentti ja neuvosto, 2014. Pienjännitedirektiivi LVD 2014/35/EU.
(Fingrid, 2017) Fingrid Oy, Pohjoismainen voimajärjestelmä ja liitynnät muihin jär- jestelmiin [Verkkodokumentti]. [Viitattu 16.10.2017]. Saatavissa http://www.fingrid.fi/fi/voimajarjestelma/voimajärjestelmä/Pohjois- mainen%20voimajärjestelmä%20ja%20liitynnät%20muihin%20jär- jestelmiin/Sivut/default.aspx
(Hakala, 2015) Hakala, T., Lähdeaho, T., Järventausta, P., 2015. Low-Voltage DC Distribution—Utilization Potential in a Large Distribution Network Company. IEEE Transactions on Power Delivery (Volume: 30, Issue:
4, Aug. 2015), sivut 1694-1701.
(Hussein, 2016) Hussein, A., Castellazzi, A., Wheeler, P., Klumpner, C., 2016. Per- formance benchmark of Si IGBTs vs. SiC MOSFETs in small-scale wind energy conversion systems. IEEE international Power Electron- ics and Motion Control Conference (PEMC), 25. – 28.9.2016, Varna, Bulgaria.
(IEC, 2017a) IEC Systems Evaluation Group 4, 2017. Technology Report, LVDC:
electricity for the 21st century. International Electrotechnical Com- mission, 09/2017.
(IEC, 2017b) International Electrotechnical Commission, 2017. Electricity access More than a promise: LVDC [Verkkodokumentti]. [Viitattu 28.11.2017] Saatavissa https://basecamp.iec.ch/download/brochure- lvdc-electricity-access-more-than-a-promise/
(Iwamuro, 2017) Iwamuro, N., Laska, T., 2017. IGBT History, State-of-the-Art, and Future Prospects. IEEE Transactions on Electron Devices (Vol- ume:64, Issue: 3, March 2017), Pages 741 – 752, IEEE.
(Jackson, 2013) Jackson, J.J., Mwasilu, F., Lee, J., Jung, J., 2013. AC-microgrids ver- sus DC-microgrids with distributed energy resources: A review. Re- newable and Sustainable Energy Reviews Volume 24, Pages 387-405, Elsevier.
(Jhunjhunwala, 2015)
Jhunjhunwala, A., Vasudevan, K., Narasamma, L., Ramamurthi, B., 2015. Technological and deployment challenges and user-response to uninterrupted DC (UDC) deployment in Indian homes. IEEE First In- ternational Conference on DC Microgrids (ICDCM), 7. – 10.6.2015, Atlanta, Yhdysvallat, IEEE.
(Jhunjhunwala, 2016)
Jhunjhunwala, A., Lolla, A., Kaur, P., 2016. Solar-dc Microgrid for Indian Homes: A Transforming Power Scenario. IEEE Electrification magazine, June 2016, IEEE, sivut 10 – 19.
(Kaipia, 2007) Kaipia, T., Salonen, P., Lassila, J., Partanen J., 2007. Application of Low Voltage DC-Distribution system – A Techno-Economical Study.
19th International Conference on Electricity Distribution, 21. – 24.5.2007, Wien, Itävalta, CIRED.
(Kaipia, 2012) Kaipia, T., Nuutinen, P., Pinomaa, A., Lana, A., Partanen, J., Lohjala, J., Matikainen, M., 2012. Field test environment for LVDC distribu- tion — Implementation experiences. CIRED 2012 Workshop: Inte- gration of Renewables into the Distribution Grid, 29. – 30.5.2012, Lissabon, Portugali, CIRED.
(Kakigano, 2010) Kakigano, H., Nomura, M., Ise, T., 2010. Loss evaluation of DC dis- tribution for residential houses compared with AC system. 2010 In- ternational Power Electronics Conference, 21. – 24.6.2010, Sapporo, Japani, IEEE.
(Kaur, 2015) Kaur, P., Sudeep, J., Jhunjhunwala, A., 2015. Solar-DC deployment experience in off-grid and near off-grid homes: Economics, technol- ogy and policy analysis. IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM), 7. – 10.6.2015, Atlanta, Yhdysvallat, IEEE.
(Lana, 2015a) Lana, A., Nuutinen, P., Karppanen, J., Peltoniemi, P., Kaipia, T., Par- tanen, J., 2015. Control of directly connected energy storage in LVDC distribution network. 11th IET International conference on AC and DC Power transmission, 10. – 12.2.2015, Birmingham, Iso-Britannia, IET.
(Lana, 2015b) Lana, A., Pinomaa, A., Nuutinen, P. Kaipia, T., Partanen, J., 2015.
Control and monitoring solution for the LVDC power distribution network research site. IEEE First International Conference on DC Microgrids, 7. – 10.6.2015, Atlanta, Yhdysvallat.
(Mattsson, 2014) Mattsson, A., Lana, A., Nuutinen, P., Väisänen, V., Peltoniemi, P., Kaipia, T., Silventoinen, P., Partanen, J., 2014. Galvanic Isolation and Output LC Filter Design for the Low-Voltage DC Customer-End Inverter. IEEE Transactions on Smart Grid (Volume: 5, Issue: 5, Sep- tember 2014), IEEE, sivut: 2593 – 2601.
(Mäkinen, 2017) Mäkinen, P., Rousku, H., 2017. SFS 6002 käytännössä. 28. painos, Helsinki, Sähkö- ja teleurakoitsijaliito STUL. ISBN 978-952-231- 194-8.
(Niehoff, 2017) Niehoff, R., Kuipers, F., Stokman, H., 2017. Adjustment of Available and Needed Energy and Necessary Additional Functionalities in the Distribution Grid, caused by the Energy Transition, Can Better Be Solved by DC Distribution Grids. 24th International Conference on Electricity Distribution, 12. – 15.6.2017, Glasgow, Iso-Britannia, CIRED.
(Nuutinen, 2012) Nuutinen, P., Peltoniemi, P., Silventoinen, P., 2012. Short-Circuit Protection in a Converter-Fed Low-Voltage Distribution Network.
IEEE Transactions on Power Electronics (Volume: 28, Issue: 4, April 2013), 17.8.2012, IEEE, sivut 1587 – 1597.
(Nuutinen, 2013) Nuutinen, P., Kaipia, T., Peltoniemi, P., Lana, A., Pinomaa, A., Salo- nen, P., Partanen, J., Lohjala, J., Matikainen, M., 2013. Experiences from Use of an LVDC System in Public Electricity Distribution. 22nd International Conference on Electricity Distribution, 10. – 13.6.2013, Tukholma, Ruotsi, CIRED.
(Nuutinen, 2014) Nuutinen, P., Kaipia, T., Peltoniemi, P., Lana, A., Pinomaa, A., Mattsson, A., Silventoinen, P., Partanen, J., Lohjala, J., Matikainen, M., 2014. Research Site for Low-Voltage Direct Current Distribution in a Utility Network—Structure, Functions, and Operation. IEEE Transactions on Smart Grid (Volume: 5, Issue: 5, September 2014), 21.3.2014, IEEE, sivut 2574 – 2582.
(Nuutinen, 2015) Nuuutinen, P., 2015. Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation. Väitös- kirja, Lappeenrannan teknillinen yliopisto. ISBN 978-952-265-890- 6.
(Paajanen, 2009) Paajanen, P., Kaipia, T., Partanen, J., 2009. DC supply of low-voltage electricity appliances in residential buildings. 20th International Con- ference and Exhibition on Electricity distribution – Part 1, 8. – 11.6.2009, Praha, Tšekin tasavalta, CIRED.
(Partanen, 2010) Partanen, J., Pyrhönen, J., Silventoinen, P., Niemelä, M., Lassila, J., Kaipia, T., Salonen, P., Peltoniemi, P., Nuutinen, P., Lana, A., Haa- kana, J., Pinomaa, A., Makkonen, H., Voutilainen, V., Paajanen, P., Järventausta, P., Tuusa, H., Suntio, T., Kannus, K., Lahti, K., Nikan- der, A., Mäkinen, A., Alahuhtala, J., Suntila, T., Nousiainen, L., Re- kola, J., Vornanen, T., 2010 Tehoelektroniikka sähkönjakelussa – Pienjännitteinen tasasähkönjakelu. ISBN 978-952-214-981-7
(Peltoniemi, 2008) Peltoniemi, P., Nuutinen, P., Salonen, P., Niemelä, M, Pyrhönen, J., 2008. Output filtering of the customer-end inverter in a low-voltage DC distribution network. 13th Power Electronics and Motion Control Conference, 1. – 3.9.2008, Poznan, Puola, IEEE.
(Pinomaa, 2011) Pinomaa, A., Ahola, J., Kosonen, A., 2011. Power-line communica- tion-based network architecture for LVDC distribution system. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Ap- plications (ISPLC), 3. – 6.4.2011, Udine, Italia.
(Rekola, 2014) Rekola, J., Tuusa, H., 2014. Efficiency of converters and amorphous core AC-filters in an LVDC distribution. 29th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 16. – 20.3.2014, Fort Worth, Yhdysvallat.
(Rekola, 2015) Rekola, J., 2015. Factors Affecting Efficiency of LVDC Distribution Network – Power Electronics Perspective. Väitöskirja, Tampereen teknillinen yliopisto. ISBN 978-952-15-3622-9.
(Rabkowski, 2012) Rabkowski, J., Peftitsis, D., Nee, H., 2012. Silicon Carbide Power Transistors: A New Era in Power Electronics Is Initiated. IEEE In- dustrial Electronics Magazine (Volume: 6, Issue: 2, June 2012), 15.6.2012, IEEE.
(Rodriguez, 2008) Rodriguez, C., Amaratunga, G., 2008. Long-Lifetime Power Inverter for Photovoltaic AC Modules. IEEE transactions on Industrial Elec- tronics (Volume: 55, Issue: 7, July 2008), sivut 2593 – 2601.
(Rodriguez-Diaz, 2016)
Rodriguez-Diaz, E., Chen, F., Vasquez, J., Guerrero, J., Burgos, R., Boroyevich, D., 2016. Voltage-Level Selection of Future Two-Level LVdc Distribution Grids: A Compromise Between Grid Compatibiliy, Safety, and Efficiency. IEEE Electrification Magazine, June 2016, si- vut 20-28.
(Salonen, 2008) Salonen, P., Kaipia, T., Nuutinen, P., Peltoniemi, P., Partanen, J., 2008. An LVDC Distribution System Concept. Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, 9. – 11.6.2008, NORPIE.
(Schrock, 2016) Schrock, J., Pushpakaran, B., Bilbao, A., Ray, W., Hirsch, E., Kelley, M., Holt, S., Bayne, S., 2016. Failure Analysis of 1200-V/150-A SiC MOSFET Under Repetitive Pulsed Overcurrent Conditions. IEEE Transactions on Power Electronics (Volume: 31, Issue: 3, March 2016), sivut 1816 – 1821.
(SFS 2091, 2011) SFS standardi. Asennuskaapelit. Muovivaippakaapeli MMJ ja MKMJ. Suomen Standardisoimisliitto SFS ry, Helsinki, 2011.
(SFS 4879, 2008) SFS standardi. 0,6/1 kV voimakaapelit. PEX-eristeiset AL- ja CU joh- timiset kaapelit. Mitoitus ja käyttöohje. Suomen Standardisoimisliitto SFS ry, Helsinki, 2008.
(SFS 6000, 2017) SFS standardi. Pienjännitesähköasennukset. Suomen Standardisoi- misliitto SFS ry, Helsinki, 2017.
(Shahan, 2011) Shahan, Z., 2011. Electric Motors Use 45% of Global Electricity, Eu- rope Responding {+ Electric Motor Efficiency Infographic}. Clean- Technica, 16.6.2011 [verkkodokumentti]. [Viitattu 30.10.2017]. Saa- tavilla https://cleantechnica.com/2011/06/16/electric-motors-con- sume-45-of-global-electricity-europe-responding-electric-motor-ef- ficiency-infographic/
(Shen, 2015) Shen, Z., Sabui, G., Miao, Z., Shuai, Z., 2015. Wide-Bandgap Solid- State Circuit Breakers for DC Power Systems: Device and Circuit Considerations. IEEE Transactions on Electron Devices, Issue Date:
Feb. 2015, IEEE, sivut 294 – 300.
(SLO, 2017) SLO Oy, 2017. SLO verkkokauppa [Verkkosivusto]. [Viitattu 15.11.2017]. Saatavilla https://verkkokauppa.slo.fi/fi/
(Solargis, 2017) Solargis, 2017. Global Horizontal Irradiation Solar Map [Verk- kodokumentti]. [Viitattu 28.11.2017] Saatavilla: http://solar- gis.com/products/maps-and-gis-data/free/download/world
(Tani, 2017) Tani, J., 2017. Pienjännitteisen tasasähkönjakelun liiketaloudellinen kannattavuus jakeluverkkoyhtiöille. Diplomityö, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, sähkötekniikka.
(Teknologiateollisuus, 2017)
Producer price indices of industry and technology industry. Teknolo- giateollisuus Ry, 2017 [Verkkodokumentti]. [Viitattu: 29.10.2017]
Saatavissa: http://teknologiateollisuus.fi/sites/default/files/file_at- tachments/prices_1.pdf
(UNDP, 2017) United Nations Development Programme, 2017. International Hu- man Devevelopment Indicators, Country Profiles [Verkkodoku- mentti]. [Viitattu 28.11.2017] Saatavissa:
http://hdr.undp.org/en/countries
(Youngpyo, 2017) Youngpyo, C., Hongjoo, K., Jaehan, K., Jintae, C., Juyong, K., 2017.
Construction of Actual LVDC Distribution Line. 24th International Conference on Electricity Distribution, 12. – 15.6.2017, Glasgow, Iso-Britannia, CIRED.
(Walker, 2004) Walker, G., Sernia, P., 2004. Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules. IEEE Transaction on Power Electronics (Volume: 19, Issue: 4, July 2004), 12.7.2004.
(Wang, 2014) Wang, Z., Shi, X., Xue, Y., Tolbert, L., Wang, F., Blalock, B., 2014.
Design and Performance Evaluation of Overcurrent Protection Schemes for Silicon Carbide (SiC) Power MOSFETs. IEEE Transac- tions on Indrustial Electronics, Issue date: Oct. 2014, sivut 5570- 5581.
