Harmoninen resonanssi - muuttuvan sähköverkon nouseva haaste 

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.