Harmoninen resonanssi - muuttuvan sähköverkon nouseva haaste 

13.12.2021/Teksti: Henrik Alenius

Henrik Alenius

Ilmastonmuutos kuuluu vuosituhannen suurimpiin globaaleihin haasteisiin, jonka ratkaisut riippuvat ensisijaisesti puhtaiden energianlähteiden käyttöönotosta. Puhtaista energiamuodoista erityisesti tuuli- ja aurinkovoima ovat osoittaneet huomattavaa potentiaalia. Näiden energiamuotojen sähköverkkoon liittämiseen kuitenkin liittyy teknisiä haasteita, sillä tuuli- ja aurinkosähkö edellyttävät monimutkaisempaa tehonmuokkausta verkkorajapinnassa verrattuna perinteisiin energiamuotoihin. Tämä tehonmuokkaus toteutetaan yleensä tehoelektronisella laitteella, invertterillä. Yhtäaikaisesti muuttuvan sähköntuotannon kanssa, myös sähköenergian kulutus siirtyy enenevissä määrin tehoelektroniikalla kytketyksi. Informaatioajan uudet sovellutukset, kuten pilvipalveluita toteuttavat datakeskukset, kuluttavat kasvavan osan sähköenergiastamme.

Ongelmakuvaus

Rinnakkaiset invertterit vuorovaikuttavat sekä sähköverkon että myös toistensa kanssa. Tämä rinnakkainen vuorovaikutus ilmenee harmonisena resonanssina, jossa vierekkäiset invertterit alkavat tuottaa verkkotaajuudesta poikkeavaa jaksollista häiriötä. Harmoninen resonanssi voi pahimmassa tapauksessa johtaa merkittäviin haasteisiin sähkönlaadussa sekä jopa koko sähköverkon stabiiliudessa. Vastaavasti harmonista resonanssia voi esiintyä myös rinnakkaisten virtalähteiden välillä, ja siten samoja ongelmia havaitaan myös esimerkiksi datakeskuksissa. Menetelmät harmonisen resonanssin ennustamiseen ja ennaltaehkäisyyn ovat välttämättömiä matkalla kohti modernia informaatioajan energiajärjestelmää, jossa huomattava osa sähköenergiasta tuotetaan tuuli- ja aurinkovoimalla ja vastaavasti kulutetaan tietoteknisissä sovellutuksissa.

Tutkimuksen tavoite

Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on luoda luotettavia ja helppokäyttöisiä menetelmiä harmonisen resonanssin ennakoimiseen. Tutkimus keskittyy erityisesti mittauksiin perustuviin menetelmiin, joissa laajakaistamittauksien avulla tunnistetaan järjestelmän stabiiliusmarginaalit ja kyetään ennustamaan sähköverkon rajapinnan kantokyky uusiutuvalle sähköntuotannolle ja tietotekniikan käyttämille virtalähteille. Näin sähköverkon vakaa toiminta voidaan varmistaa myös siirryttäessä kohti modernia tehoelektroniikkapohjaista sähköverkkoa.

Saavutukset apurahakaudella

Apurahakauden (vuosi 2020) aikana väitöskirjatutkimus eteni suunnitellusti, ja laajakaistamittausten hyödyntämisessä stabiiliusongelmien ennakoinnissa edettiin useita askeleita. Tutkimukseni tuloksia julkaistiin vuonna 2020 yhteensä neljässä lehtiartikkelissa ja kahdessa konferenssiartikkelissa. Nämä julkaisut muodostavat pohjan väitöskirjalleni, joka valmistui vuonna 2021.

Tutkimuksestani voit lukea lisää esimerkiksi datakeskuksien häiriöitä käsittelevästä julkaisustani: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/8/2109

Henrik Alenius väitteli tohtoriksi Tampereen yliopistossa lokakuussa 2021. Hän sai kokovuosiapuarahan Tekniikan edistämissäätiöltä vuonna 2019.

 

Uusimmat artikkelit

Grant celebration 2025

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 9.6.2025

Grant celebration 2025   Photo: Finnish Foundation for Technology Promotion The Finnish Foundation for Technology Promotion’s grant celebration was held at HSS Paviljonki on 3 June.  Congratulations once again to all our grantees!     Uusimmat artikkelit

The Young Researcher Award to Muhammad Mujtaba (Ph.D.)

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 21.5.2025

The Young Researcher Award to Muhammad Mujtaba (Ph.D.)   Photo: Vilja Pursiainen The Finnish Foundation for Technology Promotion has awarded the 2025 Young Researcher Award to VTT Research Scientist Muhammad Mujtaba. He has become known for his long-term work on developing bio-inspired biodegradable materials, bio-based functional coatings, and cellulose-based nanocomposites. These solutions have the potential…

Nuoren tutkijan palkinto tohtori Muhammad Mujtaballe

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 21.5.2025

Nuoren tutkijan palkinto tohtori Muhammad Mujtaballe   Tekniikan edistämissäätiö myönsi vuoden 2025 Nuoren tutkijan palkinnon VTT:n tutkija Muhammad Mujtaballe. Hän on tullut tunnetuksi biohajoavien materiaalien, biopohjaisten pinnoitteiden ja selluloosapohjaisten nanokomposiittien pitkäjännitteisestä kehitystyöstä. Näiden ratkaisujen avulla voidaan lähitulevaisuudessa vaikuttaa merkittävästi hiilijalanjälkeen sekä ihmisten terveyteen.   Muhammad Mujtaba, 33, on nuoresta iästään huolimatta ehtinyt tehdä uraauurtavaa tutkimusta…