Producere Distribuita A Energiei Electrice [PDF]

Zitiervorschau

CUPRINS Introducere privind DG şi RES ........................................................................................5 Rezumat ............................................................................................................................ 5 Introducere........................................................................................................................5 Capitolul 1. CONCEPTUL DE GENERARE DISTRIBUITĂ ŞI DE SISTEME LOCALE DE APROVIZIONARE CU ENERGIE .........................................................................8 1.1.

Generarea distribuită (GD) - o tendinţă a energeticii europene şi mondiale ......8

Noua situaţi eenergetică la rascruce de milenii ................................................................ 8 Conceptul de generare distribuită .....................................................................................9 1.2.

Producerea energiei electrice ...........................................................................11

Capitolul 2. UTILIZAREA RESURSELOR GEOTERMALE ......................................15 2.1.

Aspecte generale privind energia geotermală ..................................................15

2.2.

Centrale electrice geotermale ...........................................................................17

2.2.1.

Centrală electrică geotermală cu abur uscat ..............................................18

2.2.2.

Centrală electrică geotermală utilizand apa fierbinte ................................ 19

2.2.3.

Centrală electrică geotermală cu ciclu binar ..............................................20

2.2.4.

Dezvoltarea centralelor electrice geotermale .............................................20

2.2.5.

Utilizarea directă a energiei geotermale ....................................................21

Capitolul 3. IMPACTUL GENERĂRII DISTRIBUITE (DG) .....................................23 3.1. Sistemul electroenergetic......................................................................................... 24 3.2. Nivelul de penetrare al generării distribuite ............................................................ 25 3.3. Impactul generării distribuite (DG) asupra protecţiilor ...........................................27 3.4. Impactul tipului generatorului .................................................................................28 3.5. Impactul asupra curenţilor de scurtcircuit .............................................................. 29 3.6. Influenţa generării distribuite asupra sensibilităţii protecţiei fiderului ..................29 3.7. Influenţa generării distribuite asupra selectivităţii protecţiei fiderului ...................31 3.8. Influenţa generării distribuite asupra RAR-ului ......................................................32 Concluzii ........................................................................................................................33 Capitolul 4. SISTEME HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI DIN SURSE REGENERABILE ŞI REŢELE INTELIGENTE..........................................................................35 4.1. Structuri de MR si sisteme de control .....................................................................37 4.2. Combinatii de SER in MR.......................................................................................39 4.2.1. PV – GD ...............................................................................................................40 2

4.2.2. TE – GD ...............................................................................................................41 4.2.3. PV-TE ...................................................................................................................41 4.2.4. PV-TE-GD ............................................................................................................42 4.2.5. PV – MHC ............................................................................................................45 4.3. Conectarea la retea ..................................................................................................46 4.4. Calitatea energiei .....................................................................................................48 4.4.1. Controlul tensiunii ................................................................................................ 48 4.4.2. Controlul frecventei .............................................................................................. 50 4.4.3. Compensarea armonicilor.....................................................................................53 Concluzii ........................................................................................................................54 Capitolul 5. REŢELE ELECTRICE INTELIGENTE ....................................................56 5.1. Conceptul de reţele electrice inteligente..................................................................56 5.2. SMART GRIDS în viziunea UE şi SUA.................................................................58 CONCLUZII ..................................................................................................................61 BIBLIOGRAFIE ............................................................................................................62

LISTA FIGURILOR

Capitolul 1 Figura 1. 1. Privire generală asupra generării distribuite şi utilizările lor tipice. ....................7 Figura 1. 2. Sectorul energetic într-un nou context ..................................................................8 Figura 1.3. Conceptul generarii distribuite ............................................................................10 Figura 1. 4. Contribuţii la generarea electricităţii ..................................................................11 Figura 1. 5. Obţinerea electricităţii din diferite forme de energie primară ............................ 12 Figura 1. 6. Contribuţia la reducerea emisiilor de carbon: CCS – capturarea şi stocarea carbonului; dCHP -producerea combinată de energiei electrică şi termică...................................13 Figura 1. 7. Resurse regenerabile de energie..........................................................................14 Capitolul 2 Figura 2. 1. Potenţialul energiei geotermale...........................................................................15 Figura 2. 2. Sistem cascadă ce utilizează energia geotermală ................................................16 Figura 2. 3.Schema unei centrale electrice geotermale cu abur uscat. ...................................18 Figura 2. 4. Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed. .................................19 Figura 2. 5. Schema centralei electrice geotermale de la Neustadt (Germania). ...................19 Figura 2. 6. Centrală electrică geotermală cu ciclu binar. ......................................................20

3

Capitolul 3 Figura 3.1. O posibilă schemă de integrare a surselor regenerabile de energie .....................23 Figura 3.2. Reducerea pierderlor în reţele de distribuţie ........................................................23 Figura 3.3. Structura sistemelor electroenergetice: a. cu producţie centralizată; b. cu producţie distribuită .......................................................................................................................24 Figura 3. 4. Structura noului sistem electroenergetic ............................................................. 25 Figura 3.5. Prezentarea simplificată a unei situaţii în care protecţia fiderul este insensibilă “oarbă” ...........................................................................................................................................30 Figura 3.6. Situaţia în care poate să apară posibilitatea de declanşare prin simpatie a fiderului cu DG, dacă protecţia acestuia nu este direcţionată........................................................32 Figura 3.7. Reanclanşare nereuşită datorită prezenţei unităţii de generare distribuită DG ....33 Capitolul 4 Figura 4. 1. Transmisia energiei electrice in: a)sisteme clasice b) sisteme distribuite...........35 Figura 4. 2. Evoluţia sistemelor energetice ............................................................................36 Figura 4. 3 Micro-retea functionand autonom sau conectata la SEN .....................................37 Figura 4. 4. Structura de MR, cu punerea in evidenta a controlerului de reţea ......................38 Figura 4. 5. Instalatie TE-PV experimentala ..........................................................................42 Figura 4. 6. Schema de principiu a unui sistem hibrid PV/TE/GD [3] ..................................43 Figura 4. 7. Doua MR trifazate, pentru alimentarea a 11 case[5] ..........................................44 Figura 4. 8 Structura unui sistem hibrid trifazat, PV/Diesel[5]..............................................44 Figura 4. 9. Moduri de conectare a unui generator micro-hidro şi a unui panou fotovoltaic .45 Figura 4. 10. MR conectata la o retea de distributie de joasa tensiune ..................................47 Figura 4. 11. MR cu un generator sincron cu rol de reglare a tensiunii .................................49 Figura 4. 12. Controlul puterii reactive utilizand STATCOM ...............................................49 Figura 4. 13. Caracteristica ΔQ /ΔV a unei unitati de generare. ...........................................50 Figura 4. 14. Reglarea frecventei utilizând un dispozitiv de stocare .....................................51 Figura 4. 15. Reglarea frecventei cu sarcina de balast ........................................................... 52 Figura 4. 16. Repartizarea puterii active intre dispozitivul de stocare (Ps) si sarcina de balast(PD)…………………………………………………………………………………...........53 Capitlul 5 Figura 5. 1. Înglobarea generatoarelor distribuite în sistemele electroenergetice clasice ......58 Figura 5. 2. Dezvoltarea sistemelor inteligente. .....................................................................60

4

Introducere privind DG şi RES

Rezumat Producerea distribuită (DG - Distributed Generation) şi Sursele de Energie Regenerabile (RES – Renewable Energy Sources) se bucură de multă atenţie în Europa. Ambele sunt considerate a avea un rol important în creşterea securităţii surselor energetice prin reducerea dependenţei de combustibilii fosili importaţi şi în reducerea gazelor cu efect de seră. Producerea distribuită se referă la generarea locală a energiei electrice şi, în cazul sistemelor de cogenerare, a energiei termice necesară proceselor industriale sau încălzirii etc. Numeroşi factori influenţează aspectele economice referitoare la DG şi RES. Aspectele cele mai importante se referă la investiţiile iniţiale, costul combustibilului, preţul energiei (electrică şi termică) şi la costul conectării la reţea. În general, utilizarea biomasei conduce la cel mai redus cost al energiei electrice dintre toate variantele de utilizare a RES, pe locul secund se situiază energia eoliană folosită în instalaţii “on-shore”şi instalaţiile hidro, iar celulele solare (fotocelulele) reprezintă cea mai scumpă variantă. Cu toate acestea, numeroase ţări stimulează măsuri de susţinere a sistemelor de energii regenerabile, incluzând fotocelulele. Viabilitatea DG şi RES depinde, în mare măsură, de deciziile politice ale EU şi naţionale. Un curs politic stabil privind măsurile stimulative este necesare pentru a încuraja entităţile comerciale să investească din plin în capacităţi suplimentare DG şi RES.

Introducere DG şi RES sunt considerate aavea un rol important în realizarea următoarelor două obiective:  Creşterea securităţii surselor energetice prin reducerea dependenţei de combustibili fosili importaţi: petrol, gaz natural şicărbune;  Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, în special, dioxid de carbon provenit din arderea combustibilului fosil. Pentru început este necesar să definim termenii DG şi RES şi să introducem termenii “Producere combinată de energie termică şi electrică” (CHP - Combined Heat and Power) şi “Resurse distribuite de energie” (DER - Distributed Energy Resources) care sunt frecvent folosiţi în relaţie cu DG şi RES

5

Termenul “sursă de energie regenerabilă”1 se referă la sursele naturale “veşnice” cum sunt soarele şi vântul. Sistemele de energie regenerabilă convertesc aceste surse naturale de energie în energie utilă (electric şi termică). RES sunt adesea relaţionate cu producerea de energie electrică, dar producerea de energie termică (colector solar/geotermal) etc. În aceast referat se consideră numai RES care sunt folosite pentru producerea de energie electrică (RES-E). În conformitate cu Directiva Europeană privind RES-E2, sursele de energie regenerabilă includ:  Centrale hidroelectrice mici  biomasă (solidă, biocombustibili, gaz din deşeuri, gaz din tratarea apelor reziuale şi biogaz);  vânt;  energie solară (fotoelectrică şi fototermică);  energie geotermică;  energia valurilor şi a mareelor;  deşeuri biodegradabile. Pentru producerea distribuită există mai multe definiţii 34. Ca şi în cazul RES, DG se referă, de regulă, la sistemele care produc energie electrică (şi posibil termică), dar acest text este limitat la DG electrică. În general, producerea distribuită se realizează în apropierea zonei în care energia este utilizată. Alte aspecte ale DG se referă la faptul că:  nu este planificată centralizat şi, de cele mai multe ori, produsă de producători independenţi sau de consumatori;  nu este dispecerizată centralizat (deşi dezvoltarea unor centrale electrice virtuale, în care numeroase unităţi descentralizate DG funcţionează ca o singurăunitate, încalcă această definiţie);  au puteri mai mici de 50 MW (deşi unii autori consideră că anumite sisteme cu puteripână la 300 MW ar putea fi clasificate ca DG).  Sunt conectate la reţeaua electrică de distribuţie care, deşi are niveluri de tensiune ce variază de la o ţară la alta, se referă, în general, la acea parte a reţelei care funcţionează la tensiuni de la 230/400 V până la 110 kV. 1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabilă Directive 2001/77/EC of the European Parliament and of the Council of 27 September 2001 on the promotion of electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market, Official Journal of the European Communities, L 283/33. 3 Ackerman, T, Andersson, G and Söder, L. Distributed Generation: A Definition, Electric Power System Research 57 (2001) 195-204. 4 Van Werven, M J N, and Scheepers, M J J. DISPOWER, The Changing Role of Energy Suppliers and Distribution System Operators in the Deployment of Distributed Generation in Liberalised Electricity Markets, Report ECN-C— 05- 048, June 2005 (http://www.ecn.nl/library/reports/index.html). 2

6

Resurse de Energie Distribuite5 se referă la producerea distribuită a energiei electrice sau stocarea acesteia (în apropierea sau chiar la locul de consum (utilizare)) la puteri având o valoare mai mare decât puterea reţelei. Producerea combinată de energie electrică şi termică (CHP), denumită adesea cogenerare, indică producerea şi utilizarea simultană a electricităţii şi a căldurii. În general, o parte din energia electrică este consumată local şi cea care prisoseşte este transferată în reţea, iar căldura este folosită întotdeauna local deoarece transportul ei este costisitor şi antrenează pierderi relativ mari de energie. În general, generarea distribuită bazată pe combustibili fosili este deasemenea cogenerare având în vedere faptul că utilizarea locală a ‘deşeurilor’ termice este, de asemenea, un important beneficiu al DG. Domeniile de utilizare tipice pentru DG sunt:  casnic (microgenerare: energie electrică şi termică).  comercial (referitor la clădiri: energie electrică şi termică).  efect de seră (referitor la proces: electricitate, căldură şi dioxid de carbon pentru fertilizarea culturilor agricole)  industrial (referitor la proces: energie electrică şi abur).  Încălzire districtuală (referitor la clădire: energie electrică şi termică prin reţeaua de distribuţie).  Energie electrică (numai energie electrică în reţea). Figura 1.1 dă o privire generală asupra energiei distribuite şi a principalelor utilizări ale energiei produse.

Figura 1. 1. Privire generală asupra generării distribuite şi utilizările lor tipice. 5

CADER, California Alliance For Distributed Energy Resources (http://www.cader.org).

7

Capitolul 1. CONCEPTUL DE GENERARE DISTRIBUITĂ ŞI DE SISTEME LOCALE DE APROVIZIONARE CU ENERGIE 1.1. Generarea distribuită (GD) - o tendinţă a energeticii europene şi mondiale Noua situaţi eenergetică la rascruce de milenii Complexitatea problemelor existente în prezent în sectorul energetic şi imporţanta vitală a energiei impune ca dezvoltarea complexului energetic să nu fie lăsată la voia întâmplării. În scopul consolidării situaţiei energetice prezente, statele lumii promovează politici energetice ce au la baza trei obiective strategice –securitatea aprovizionarii cu resurse energetice şi energie, liberalizarea pieţelor de energie şi protecţia mediului. În condiţiile de fluctuaţie crescândă a preţurilor pe piaţa internatională a produselor energetice, existenţei riscului întreruperilor fizice în aprovizionarea cu resurse energetice din import şi a calamitatilor naturale, securitatea energetică ramâne a fi una din cele mai importante preocupări a politicii energetice statale. Cea mai buna soluţie de asigurare a aprovizionarii cu energie în condiţiile menţionate mai sus este eficientizarea şi reducerea consumurilor interne şi orientarea spre diverse resurse energetice substituante, astfel casursele de energie regenerabilă, şi diversificarea importului – pe regiuni geografice, pe surse, produse şi cai de transport. Liberalizarea pieţelor de energie a fost considerată ca obiectiv strategic al politicii energetice statale din motiv că industria energetică fiind dominată aproape un veac de un singur model de gestionare şi organizare, în întregime sub controlul centralizat al statului, nu mai putea asigura creşterea productivitatii şi competitivitatii economiei. Aceasta a condus ca zeci de state să iniţieze o reformă profundă în sectorul energetic, reformă bazată pe proprietatea privată, mecanisme de piaţă şi concurentă. Principalele caracteristici ale noului concept de piată sunt ilustrate în figura 1.2.

Figura 1. 2. Sectorul energetic într-un nou context 8

Combaterea schimbarilor climatice a devenit o prioritate de baza a umanităţii către finalul mileniului doi, când s-a pronunţat încalzirea globală şi pericolul distrugerii mediului. Industria energetică fiind un consumator important de combustibili fosili, la arderea carora se degajă cantităţi enorme de gaze cu efect de seră şi alte substante nocive, contribuie esenţial la poluarea şi degradarea mediului ambiant. În acest context, la nivel planetar, se întreprind masuri de stopare a poluării atmosferei, de reducere a emisiilor de gaze cuefect de sera. Pentru atingerea obiectivelor menţionate mai sus, altfel spus pentru o aprovizionare mai sigură, mai diversă, mai curata şi mai eficientă cu energie a consumatorilor, în prezent, se pune accent pe utilizarea generarii distribuite, precum şi dezvoltarea şi punerea în practică a sistemelor locale, descentralizate, de aprovizionare cu energie6. Conceptul de generare distribuită Generarea distribuită de energie este un concept care se va dezvolta din ce în ce mai mult în urmatorii ani. Tehnologiile aferente producerii distribuite au potentialul de a contribui la reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera şi la economii de energie. De aceea una din tendinţele generale ale energeticii mondiale tine de dezvoltarea rapidă a generarii distribuite şi a sistemelor locale de alimentare cu energie. E vorba de o revenire, într-un fel, la timpurile lui Thomas Edison si Dolivo-Dobrovolski, când se construiau centrale electrice de capacităţi mici şi mijlocii pentru alimentarea consumatorilor locali. Între timp, progresul tehnico-stiintific a condus la o îmbunatăţire substanţială a performanţei centralelor mici şi medii, fabricaţii de tip module, ce pot fi instalate şi puse în functiune în timp scurt. Majoritatea surselor distribuite de energie utilizeaza tehnologiile traditionale de producere a energiei, astfel ca - motoarele cu ardere internă (motorul diesel, motorul pe gaze naturale), turbina cu gaze, însă sunt utilizate şi tehnologii noi - motorul cu ardere externă (motorul Stirling), microturbina, pilele de combustie, turbina eoliana, celulele fotoelectrice etc. Traditional energia electrica se produce la centralele electrice cu capacitati mari – de sute si mii de megawati, fiind enorme sub aspect fizic si necesitând mijloace colosale pentru întretinere si reparatii. Pentru aceste surse de energie este prezent efectul de scara - cu cât este mai mare capacitatea cu atât este mai eficienta instalatia. Eficienta centralelor existente variaza între 28-35%, în dependenta de tehnologia utilizata si de durata de functionare, însa tehnologiile noi de generare distribuita pot concura cu cele traditionale ale centralelor mari în ceea ce priveste eficienta.

6

Valentin Arion, Strategii și politici energetice (Uniunea Europeana și Republica Moldova). Editura Universul, Chişinău, 2004.

9

Microturbinele, pilele de combustie au o eficienta de cca 40-50%, alte tehnologii GD pot oferi posibilitati de cogenerare, astfel se ridica eficienta pâna la aproximativ 90%. Totodata, noile tehnologii GD nu polueaza mediul si au un nivel redus de zgomot. Ele pot functiona folosind o gama larga de combustibili - combustibili fosili (gaze naturale, carbune si produse derivate din petrol - benzina, motorina), combustibili regenerabili (reziduuri lemnoase, deseuri agricole, biogazul, biodiselul) sau surse regenerabile (energia solara, energia euliana), combustibili alternativi (hidrogenul etc). Acest lucru ofera flexibilitate si reduce costul infrastructurii necesare pentru a aduce sursa primara de energie pâna la sursa generatoare. Generarea distribuita mai este atractiva si din urmatoarele considerente :  Sursa poate fi amplasata în apropierea consumatorului final, în acest felmicsorându-se pierderile de energie aferente retelelor de transport si contribuind laîmbunatatirea calitatii energiei si aprovizionarii cu energiei (figura 1.3).

Figura 1.3 Conceptul generarii distribuite 7  alta latura forte a generarii distribuite este durata redusa în planificarea si instalarea unui sistem, datorita capacitatii mici. În prisma utilizatorilor finali, GD este atragatoare din motivele :  Energia electrica este usor accesibila, iar alimentarea cu energie este mult mai fiabila în comparatie cu alimentarea centralizata.  În dependenta de natura combustibilului utilizat si de tehnologia de producere , costul energiei poate varia. 7

H. Lee Willis, Walter G. Scott. Distributed Power Generation. Planning and Evaluation. Marcel Dekker, Inc. New York, 2000.

10

Alte avantaje:  îmbunatatirea sigurantei în alimentarea consumatorilor, prin reducerea timpului de întrerupere a alimentarii;  scaderea costurilor de transport si distributie a energiei electrice, prin faptul ca energia electrica este generata mai aproape de zonele de consum, iar pierderile aferente sunt mai reduse;  diversificarea si utilizarea rationala a surselor de energie primara;  protectia mediului înconjurator, pentru centralele care utilizeaza reziduuri menajere sau industriale.  reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera, prin utilizarea formelor de energie primara regenerabila (solara; eoliana; biomasa; hidraulica) pentru anumite unitati de productie;

Alaturi de multimea de avantaje prezentate mai sus, SDE prezinta si o serie de dezavantaje:  Provoaca perturbatii de tensiune (goluri de tensiune si supratensiuni);  Disponibilitate incerta de putere (neprognozarea puterii solare si eoliene), precum si alte dezavantaje de natura economica  Productia distribuita de energie are si dezavantaje care pot fi de natura tehnica si denatura economica. 1.2. Producerea energiei electrice Dezvoltarea sistemelor energetice de mari dimensiuni este bazată pe producerea energiei electrice în centrale de mare putere amplasate în apropierea resurselor de energie primară. In ceea ce priveşte combustibilii utilizaţi, ponderea principală revine combustibililor fosili, aşa cum se observă în Figura 1.4. Aceştia reprezintă aproximativ 64% din total (cărbunele deţine cota dominant cu cca. 40%) şi contribuie cu aproape trei sferturi la emisiile totale de CO2.

Figura 1. 4. Contribuţii la generarea electricităţii 11

Pe de altă parte, obţinerea energiei electrice din aceste resurse primare presupune o serie de transformări intermediare ce afectează eficienţa glovală a procesului de generare a electricităţii – Figura 1.5.

Figura 1. 5. Obţinerea electricităţii din diferite forme de energie primară Din păcate, procesul de generare a electricităţii este caracterizat prin emiterea unor gaze cu efect de seră şi a altor componente gazoase sau solide ce au un puternic impact negativ asupra mediului ambient, cel mai cunoscut fiind schimbările climatice. Acestea sunt globale, astfel încât reducerea acestora necesită eforturi coordinate; cea mai mare responsabilitate o au desigur naţiunile care produc cea mai mare emisie de CO2 pe cap de locuitor şi cele a căror emisie creşte rapid (se aşteaptă ca emisiile în China să le depăşească pe cele ale SUA până în 2025)

Table 1. Emisiile de CO2 la nivel mondial 12

Semnat în 1997, Protocolul Kyoto urmăreşte reducerea gazelor cu efect de seră, în perioada 2008 – 2012, cu 5.2% faţă de cele din 1990. Din păcate, rezultatele obţinute în realitate nu au corespuns speranţelor iniţiale; de exemplu, emisiile de astfel gaze în SUA sunt în prezent cu 20% mari decât în 1990, în timp ce cifra ţintă din protocol era o reducere cu 7%. Pe termen lung, este de dorit ca ţările industrializate să-şi reducă emisiile cu 60% până în 2050 pentru ca efectele cele mai grave ale schimbărilor climatice să fie sigur. Din fericire, alte ţări sau organisme supranaţionale sunt mult mai sensibile la această problemă. Astfel, la 1 Ianuarie 2007, Comunitatea Europeană a lansat un Pachet Energetic prin care se propune ca până în anul 2020 emisiile cu efect de seră la nivelul uniunii să fie reduse cu 30 %, dacă se va ajunge la un acord global, sau cu 20 % în mod unilateral. Cercetările desfăşurate pe plan mondial au evidenţiat câteva căi posibile pentru reducerea impactului asupra mediului a procesului de generare a electricităţii – Figura 1.6; principalele sunt creşterea eficienţei în producerea şi utilizarea energiei electrice şi producerea acesteia din resurse regenerabile.

Figura 1. 6. Contribuţia la reducerea emisiilor de carbon: CCS – capturarea şi stocarea carbonului; dCHP -producerea combinată de energiei electrică şi termică In Pachetul Energetic European, una dintre componentele majore pentru atingerea ţelului propus o constituie intenţia de a asigura 20 % din totalul energiei produse la nivelul comunităţii din surse regenerabile; în plus, se urmăreşte reducerea consumului energetic tot cu 20 %. La nivel global, resursele regenerabile existente sunt prezentate în Figura 1.7.

13

Figura 1. 7. Resurse regenerabile de energie

14

Capitolul 2. UTILIZAREA RESURSELOR GEOTERMALE 2.1. Aspecte generale privind energia geotermală Necesitatea asiguraii unei dezvoltari energetice durabile, concomitent cu protejarea mediului inconjurator a condus, in ultimii 10 – 15 ani, la intensificarea preocuparilor privind promovarea resurselor regenerabile de energie si a tehnologiilor industriale suport. Politica UE in acest domeniu, exprimata prin Carta Alba si Directiva Europeana 2001/77/CE privind producerea de energie din surse regenerabile, prevede ca, pana in anul 2010, Uniunea Europeana largita sa isi asigure necesarul de energie in proportie de circa 12 % prin valorificarea surselor regenerabile. In acest context, in multe tari europene dezvoltate (Franta, Italia, Germania, Austria), posesoare de resurse geotermale similare cu cele ale Romaniei, preocuparile s-au concretizat prin valorificarea pe plan local/regional, prin conceperea si realizarea unor tehnologii eficiente si durabile, care au condus la o exploatare profitabila, atat in partea de exploatare a resurselor (tehnologii de foraj si de extractie din sondele geotermale), cat si in instalatiile energetice de suprafata. Fluxul termic mediu de căldură dinspre interiorul Pământului: 58 MW/km2. Fluxul termic:

Cantitatea

de

Fluxul termic mediu de căldură pentru Europa: 62 MW/km2

căldura

conţinută

în interiorul 30

Pământului este estimată la 126 x 10 Joule. Acest lucru echivalează cu 3.5 x 1025 kWh = 3.5 x 1022 MWh. Dacă toată căldura ar fi degajată pe durata unui singur an ar rezulta o putere echivalentă de 4 x 1017 MW. Source: © 2000 Geothermal Education Office

Figura 2. 1. Potenţialul energiei geotermale. Utilizarea energiei geotermale depinde de parametrii termici ai resursei. Spre exemplu resursele cu fluide geotermale ce depăşesc 150°C pot fi utilizate la producerea de energie electrică, fiind pe deplin justificate tehnic şi economic (pragul minim actual pentru producerea de energie electrică este de 97°C). Sub această temperatură, energia geotermală este utilizată în tehnologii de prelucrare directă, majoritatea construite ca sisteme în cascadă (figura 2.2).

15

Figura 2. 2. Sistem cascadă ce utilizează energia geotermală Cu toate că energia geotermală este prezentă pe toată suprafaţa scoarţei terestre, utilizarea ei este posibilă doar în anumite condiţii:  Din considerente economice, sursa geotermală trebuie să fie accesibilă prin foraje la adâncimi care să nu depăşească în general 3 km. Doar în condiţii favorabile această adâncime poate creşte până la 6 – 7 km ;  Sursa geotermală trebuie să aibă un potenţial suficient de ridicat (atât cantitativ cât şi calitativ) pentru a rezulta o exploatare a acesteia în condiţii economice avantajoase.  Distanţa până la care poate fi transportată căldura prin intermediul unui agent termic (ex. apa) este limitată la valori de ordinul kilometrilor. În consecinţă, consumatorii sunt captivi, ei trebuind să fie amplasaţi în apropierea sursei geotermale. În Tabelul 2 sunt prezentate posibilităţile de utilizare ale surselor geotermale, în funcţie de potenţialul lor termic. Tabel 2. Posibilităţi de utilizare a surselor geotermale Tip sursă

De înaltă temperatură ( > 220 C)

Tipul de fluid aferent sursei geotermale

Domeniu de utilizare Producere energie electrică

Apă sau abur Utilizare directă Producere energie electrică

De medie temperatură ( 100 - 220 C)

Apă

De joasă temperatură ( 50 - 100 C)

Apă

Utilizare directă

Utilizare directă

16

Tehnologie             

Ciclu cu abur Ciclu binar Utilizare directă a agentului termic Schimbătoare de căldură Pompe de căldură Ciclu cu abur Ciclu binar Utilizare directă a agentului termic Schimbătoare de căldură Pompe de căldură Utilizare directă a agentului termic Schimbătoare de căldură Pompe de căldură

Pe ansamblu, energia geotermală prezintă o serie de avantaje certe :  Este o sursă locală de energie primară care poate reduce importul unor combustibili fosili scumpi (gaz natural, petrol) ;  Are un impact pozitiv asupra mediului înconjurător prin înlocuirea unor combustibili fosili puternic poluanţi (cărbunele) ;  Spre deosebire de alte forme de energie regenerabilă (solară, eoliană) poate fi exploatată în mod continuu, indiferent de condiţiile atmosferice ;  Reprezintă o sursă de energie primară sigură care nu necesită instalaţii de stocare. 2.2. Centrale electrice geotermale Producerea energiei electrice având la bază energia geotermală reprezintă o opţiune deosebit de interesantă pentru ţările care posedă un potenţial important din această resursă de energie primară. Se menţionează în acest sens următoarele avantaje :  Scade consumul de combustibili fosili necesar acoperirii cererii de energie electrică ;  Scade impactul produs asupra mediului prin arderea combustibililor fosili. După cum s-a precizat mai sus, principalul dezavantaj constă din faptul că o centrală electrică de acest tip trebuie amplasată în imediata vecinătate a sursei geotermale. În general, tehnologiile de producere a energiei electrice sunt:  Centrale geotermale pe bază de „abur uscat”: Folosesc abur la temperatură ridicată (>235 oC). Aburul este adus de la rezervor printr-o conductă direct în turbină, pentru a antrena un generator ce produce energie electrică.  Centrale geotermale cu “abur saturat umed”: este varianta uzuală pentru centrale de 5 MW până la 100 MW capacitate instalată. Aceste centrale folosesc apă fierbinte

(>182 oC)

din rezervorul geotermal. Apa este pompată în expandor la presiunea furnizată de rezervorul subteran. Aici are loc o scădere bruscă de presiune, ceea ce determină ca o parte din apă să vaporizeze, aburul format antrenând turbina.  Centrale cu ciclu binar: În sistemele binare, fluidele geotermale fierbinţi sunt vehiculate printr-una din părţile unui schimbător de căldură, pentru a încălzi un fluid de lucru. Fluidul de lucru, cu un punct de fierbere scăzut, vaporizează şi străbate o turbină pentru a genera energie electrică. Un exemplu este ciclul Kalina în care ca agent de lucru este folosită o soluţie apoasă pe bază de amoniac. Autorii acestuia susţin că ciclul măreşte eficienţa unei centrale geotermale cu 20 – 40 % şi reduce costurile de construcţie ale centralei cu 20 – 30 %, în plus scăzând costul generării puterii geotermale. Capacitatea instalată uzuală la această categorie este în gama 500 kWe - 10 MWe.  Ciclul combinat (ciclu cu abur şi ciclu binar): Acesta constă dintr-o combinaţie între cele două precizate mai sus, care permite atingerea unei eficienţe ridicate a centralei. 17

Centrală electrică geotermală cu abur uscat

2.2.1.

Reprezintă cea mai veche variantă de centrală electrică geotermală. Soluţia poate fi utilizată în condiţiile existenţei unei surse geotermale care produce abur uscat sau cu un conţinut redus de umiditate. În figura 2.3. este prezentată schema pentru acest tip de centrală. Aburul care alimentează turbina provine direct din sursa geotermală. După cum s-a precizat mai sus, aburul nu trebuie să conţină umiditate deoarece schema nu prevede instalaţii de separare a picăturilor de apă. După destinderea în turbină, aburul condensează, iar condensul este reinjectat în rezervorul geotermal.

Figura 2. 3.Schema unei centrale electrice geotermale cu abur uscat. Prima centrală de acest tip a fost pusă în funcţiune la Larderello, în Italia, în anul 1904. Totuşi, sursele geotermale care să ofere direct abur uscat sunt foarte rare. În prezent, cea mai mare centrală existentă se găseşte la Geysers (SUA), având o putere de aproximativ 1130 MW şi cuprinzând grupuri cu puteri unitare de 55 şi 110 MW.

18

Centrală electrică geotermală utilizand apa fierbinte

2.2.2.

Centrala electrică geotermală cu abur umed reprezintă soluţia cea mai des întâlnită (Figura 2.4.).

Figura 2. 4. Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed. Principiul constă din prelevarea de apă fierbinte sub presiune dintr-o sursă hidrotermală şi introducerea acesteia într-un expandor. Aburul format se destinde într-o turbină producând lucru mecanic şi apoi condensând. Condensul astfel format se amestecă cu faza lichidă rezultată de la expandor şi este reinjectat în rezervorul geotermal sau este trimis către un consummator termic. Puterea unitară pentru o astfel de unitate energetică se situează în intervalul 5 – 100 MW. În funcţie de nivelul termic al sursei hidrotermale este posibilă realizarea unei scheme cu două nivele de presiune, în care producţia de abur se realizează în două expandoare înseriate. Apa evacuată din expandorul de înaltă presiune este introdusă în expandorul de joasă presiune, producând o cantitate de abur ce este injectată în turbină. Un alt exemplu, prezentat in figura 2.5., este constituit de prima centrala geotermala construita in Germania la Neustadt care produce energie electrica utilizand o resursa geotermala cu cel mai redus nivel termic (98 0C).

Figura 2. 5. Schema centralei electrice geotermale de la Neustadt (Germania). 19

Spre deosebire de schema anterioara, in cazul centralei de la Neustadt condensatul rezultat in condensator este preincalzit inainte de a intra in expandor. In felul acesta, apa fierbinte extrasa din rezervorul geotermal este trecuta prin doua schimbatoare de caldura, unul de amestec si unul de suprafata, inainte de a fi reinjectata in rezervor. Centrală electrică geotermală cu ciclu binar

2.2.3.

O mare parte a rezervoarelor geotermale se caracterizează prin temperaturi relative coborate, sub nivelul de 180 C. În acest caz pentru conversia energiei geotermale în energie electrică soluţia optimă este utilizarea ciclurilor binare (Figura 2.6). Apa provenită din sursa geotermală cedează căldura (prin intermediul unui schimbător de căldură) către un alt fluid (ex. pentan, butan) care evoluează în ciclul motor al centralei. Acest fluid se caracterizează printr-o temperatură de fierbere sensibil mai coborâtă decât cea a apei. În acest mod poate fi utilizat un potenţial termic geotermal relativ scăzut.

Figura 2. 6. Centrală electrică geotermală cu ciclu binar. 2.2.4.

Dezvoltarea centralelor electrice geotermale După cum s-a precizat mai sus, centralele electrice geotermale trebuiesc amplasate în

imediata apropiere a surselor de căldură. Va rezulta o răspândire neuniformă a acestei categorii de centrală electrică, în funcţie de potenţialul geotermal al fiecărei regiuni geografice. În Tabelul3 sunt prezentate principalele ţări producătoare de energie electrică pe bază de energie geotermală. Prima centrală geotermală din lume a fost pusă în funcţiune în 1904 la Lardarello, Italia, având la bază un ciclu cu abur uscat. A doua centrală a intrat în exploatare în anii ’50 la Waikarei (Noua Zeelandă), fiind urmată în anii ’60 de Geysers (SUA). 20

Centralele electrice geotermale cu abur uscat reprezintă filiera cea mai răspândită la ora actuală. Totuşi, se remarcă şi o preocupare înspre dezvoltarea unor unităţi de mică putere bazate pe cicluri binare. Centralele electrice geotermale reprezintă una din soluţiile cele mai avantajoase pentru alimentarea unor consumatori izolaţi. Se elimină astfel necesitatea unor linii lungi de transport a energiei electrice care generează costuri investiţionale şi de mentenanţă importante. Tehnologiile utilizate nu sunt sofisticate, bazându-se pe echipamente mature din punct de vedere comercial, iar sursa de energie geotermală este practic inepuizabilă. Rezultă o disponibilitate de timp deosebit de ridicată în raport cu alte categorii de centrale electrice. Centralele electrice geotermale sunt utilizate cu precădere pentru acoperirea bazei curbei de sarcină a unui sistem electroenergetic. Tabelul 3. Capacităţi instalate în centralele electrice geotermale (Sursă: International Geothermal Association)

2.2.5.

Ţară

Putere instalată (MWe)

China

29.17

Costa Rica

142.5

El Salvador

161

Islanda

170

Indonezia

589.5

Italia

785

Japonia

546.9

Mexic

755

Noua Zealandă

437

Filipine

1909

Statele Unite ale Americii

2228

Utilizarea directă a energiei geotermale În afara producţiei de energie electrică, energia geotermală are o gamă largă de

utilizare directă :  Balneologie  Agricultură : sere, încălzire terenuri de cultură  Industrie : încălzire şi uscare produse  Acoperirea cererii de căldură a consumatorilor rezidenţiali Se menţionează că în peste 35 de ţări există o capacitate instalată de utilizare directă a energiei geotermale de peste 12 000 MWt. 21

Utilizarea energiei geotermale presupune o serie de investiţii relativ ridicate, îndeosebi în ceea ce privesc operaţiunile de foraj. O utilizare eficientă a energiei geotermale este cea în cascadă:  Termoficare la o temperatură de 90 - 60 °C;  Alimentare sere sau procese industriale la o temperatură de aproximativ 60 °C;  Preparare apă caldă menajeră pentru temperature sub 60 °C.

22

Capitolul 3. IMPACTUL GENERĂRII DISTRIBUITE (DG) Creşterea semnificativă a electricităţii obţinute din surse regenerabile impune o revizuire a modului în care sistemele energetice sunt proiectate şi exploatate în scopul de a asigura o mai bună acomodare cu aceste surse variabile – Figura 3.1.

Figura 3. 1. O posibilă schemă de integrare a surselor regenerabile de energie Principalele avantaje ale sistemelor cu surse regenerabile sunt:  contribuţie zero la generarea gazelor cu efect de seră (nu sunt implicaţi combustibili fosili);  nu sunt sensibile la variaţiile de preţ de pe piaţa combustibililor;  beneficii adiţionale legate de furnizarea electricităţii (creşterea securităţii în alimentare, evitarea unor capacităţi suplimentare de generare, reducerea cererii la vârf de sarcină, reducerea pierderilor în reţea – Figura 3.2.) sau de reţelele de distribuţie (reeşalonarea costurilor pentru infrastructura reţelelor de distribuţie, suport pentru calitatea energiei, creşterea securităţii).

Figura 3. 2. Reducerea pierderlor în reţele de distribuţie 23

Totuşi, trebuie avute în vedere şi următoarele dezavantaje:  investiţii iniţiale mai ridicate;  cerinţe specifice la racordarea la reţea;  impredictibilitate privind energia generată (aceasta presupune un cost mai ridicat pentru echilibrarea reţelei şi menţinerea capacităţii de rezervă);  costul conectării, măsurii şi echilibrării (între 10% şi 30% din investiţia totală);  influenţe asupra performanţelor reţelei electrice. Cu excepţia cazului în care fuziunea nucleară se va dovedi un succes, ceea ce este puţin probabil în viitorii 50 de ani, există o părere unanimă că până la sfârşitul acestui secol, majoritatea energiei electrice va proveni din surse regenerabile.

3.1. Sistemul electroenergetic Timp îndelungat, energetica a fost bazată pe o paradigmă ce impunea generarea electricităţii în unităţi centralizate de mare putere (amplasate în zone determinate de anumite condiţii de producere şi/sau consum), transmiterea acesteia în zonele de consum prin linii de transport şi livrarea la consumatori printr-o infrastructură pasivă la tensiuni mai scăzute. In acest sistem, puterea circula într-o singură direcţie, de la nivelurile mai ridicate de tensiune spre cele mai joase; azi, acest model tinde să treacă de la livrarea centralizată unidirecţională a puterii generate la reţele cu generare distribuită şi circulaţie bidirecţională – Figura 3.3..

Figura 3. 3. Structura sistemelor electroenergetice: a. cu producţie centralizată; b. cu producţie distribuită

24

Figura 3. 4. Structura noului sistem electroenergetic8 3.2. Nivelul de penetrare al generării distribuite Prezenţa generatoarelor distribuite are o serie de efecte asupra reţelelor la care sunt racordate; în funcţionarea sistemelor de distribuţie cu o cantitate importantă de generare distribuită pot fi identificate următoarele aspecte:  profilul de tensiune se schimbă de-a lungul reţelei, depinzând de puterea produsă la nivelul de consum, conducând la o comportare diferită de cea tipică;  apar tensiuni tranzitorii ca rezultat al conectării şi deconectării generatoarelor sau chiar ca rezultat al funcţionării acestora;  nivelul de scurtcircuit creşte;  pierderile se modifică în funcţie de nivelurile de producţie şi încărcare;  congestia în laturile sistemului este funcţie de nivelurile de producţie;  calitatea energiei şi fiabilitatea pot fi afectate;  protecţia reţelei de distribuţie trebuie coordonată cu cele instalate la generator.

8

http://projekter.aau.dk/projekter/files/52595515/Report_Angel_Fern_ndez_Sarabia.pdf

25

Aceste efecte depind de ponderea GD în puterea totală, respectiv de cantitatea de energie produsă de aceste generatoare; această proporţie este denumită de obicei penetrare şi poate fi exprimată prin factorul de penetrare9 PF calculat cu relaţia: 𝑃𝐹 =

𝑆𝐺𝐷 𝑆𝑀𝐴𝑋

în care SGD reprezintă puterea totală a generatoarelor distribuite existente pe linie, în kVA, iar Smax este puterea maximă vehiculată pe linie, în kVA. Dacă PF ≤ 0.3 se spune că există o penetrare scăzută; în caz contrar există o penetrare mare. De exemplu, să considerăm un cablu care vehiculează la vârf de sarcină 6 MVA; la linie există conectat un generator cu puterea nominală de 1.5 MVA, iar un consumator doreşte să instaleze un nou generator sincron cu puterea de 1 MVA. In acest caz, factorul de penetrare are valoarea PF=(1 + 1.5)/6= 0.42, astfel încât instalarea noului generator va conduce la un nivel ridicat de penetrare. Uneori se ia în considerare numai energia produsă din surse regenerabile. Dacă se are în vedere determinarea reducerii consumului de combustibil sau a emisiilor de CO 2, este util să se determine un nivel mediu de penetrare medie: 𝑃𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑟𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑒 =

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑣𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑙𝑜𝑟 𝑘𝑊ℎ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑙𝑖𝑣𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑛 𝑠𝑢𝑟𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒 𝑘𝑊ℎ

In acest caz, energia (kWh) este măsurată o mare perioadă de timp, poate un an. La prima vedere, ar părea mai natural ca numitorul (energia totală furnizată consumatorilor) să fie exprimată ca fiind energia furnizată de toate generatoarele (inclusive cele cu combustibili fosili). Totuşi, în sistemele izolate, pot exista sarcini de înmagazinare (sarcini unde energia este înmagazinată ca şi căldură) care trebuie considerate, iar în sistemele cu conectare la reţele de distribuţie, există de multe ori interes pentru penetrarea într-o zonă geografică dată, situaţie în care se foloseşte denumirea de penetrare locală. Pentru alte scopuri, inclusiv controlul sistemului, este necesar să se considere penetrarea instantanee: 𝑃𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑒 =

𝑃𝑢𝑡𝑒𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑟𝑛𝑖𝑧𝑎𝑡𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑙𝑜𝑟 𝐾𝑊 𝑃𝑢𝑡𝑒𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑢𝑟𝑛𝑖𝑧𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑎𝑟𝑒𝑙𝑒 𝑐𝑢 𝑆𝑅 𝑘𝑊

Deoarece ieşirea electrică a unor generatoare acţionate din SR este variabilă, valoarea maximă a penetrării instantanee va fi în mod normal mai mare decât penetrarea medie.

9

http://www.engineering.upm.ro/master-ie/mse/mat_did/elen087/curs/Cap4.pdf

26

3.3. Impactul generării distribuite (DG) asupra protecţiilor În cazul reţelei de distribuţie cu unităţii de generare distribuită instalate, preocuparea principală este funcţionarea corectă a dispozitivelor de protecţie pe durata tuturor defectelor posibile. Fiderii reţelei sunt de obicei echipaţi cu relee de protecţie dedicate pentru scurtcircuite şi defecte cu punere la pământ. Staţia de alimentare este de obicei echipată cu protecţie de bare, care de asemenea acţionează ca o protecţia de rezervă pentru protecţia fiderului. Punctul de conectare a unităţii de generare distribuită DG este echipată cu relee similare cu caracteristici de funcţionare dedicate. Majoritatea echipamentelor de protecţie tradiţionale ale punctului de conectare a DG sunt relee de frecvenţă şi de tensiune. Ele sunt utilizate pentru a detecta regimurile anormale din punctul de conectare, care sunt cauzate de defectele din reţea sau alte perturbaţii. Funcţionarea lor este stabilită prin dezechilibre ale puterii active şi reactive. Sensibilitatea lor şi timpii de acţionare pot fi reglaţi. În special protecţia de tensiune este adesea reglată cu trepte de timp de acţionare pentru declanşare rapidă sau temporizată. Punctul de conectare a DG este de asemenea echipat cu protecţie maximală de curent. Cu toate acestea, protecţia maximală de curent simplă nu este considerată o protecţie sigură datorită comportamentului tipurilor diferite de generatoare. În acest fel protecţia maximală de curent adesea acţionează ca o protecţie împotriva defectelor interne ale unităţii DG şi a scurcircuitelor în apropierea unităţii DG. În multe cazuri în loc de relee protecţia este realizată cu siguranţe de joasă tensiune. Funcţiile de protecţie maximală/minimală de tensiune, de protecţie maximală/minimală de frecvenţă şi protecţia maximală de curent formează protecţia elementară a unităţii DG. În plus, punctul de conectare este în zilele noastre de obicei echipat cu protecţia împotriva pierderii alimentării de la reţea, care este de adesea necesară pentru evitarea situaţiilor în care unitatea DG menţine tensiunea în partea reţelei în timp ce legătura cu sistemul principal este pierdută. Aceasta este mai presus de toate o problemă de siguranţă. Un releu împotriva punerilor la pământ dedicat poate fi de asemenea necesar în funcţie de circumstanţele reţelei. Coordonarea funcţionării protecţiei DG şi a fiderului în timpul diferitelor defecte este bineînţeles o problemă importantă. De obicei se preferă deconectarea unităţii DG în timpul defectului, pentru ca protecţia fiderului să elimine scurtcircuitul. Aceasta este o cerinţa puternică în cazuri în care unitatea de generare DG poate perturba funcţionarea protecţia fiderului. Chiar dacă unitatea DG nu poate perturba protecţia fiderului, ea trebuie să fie deconectată imediat după acţionarea întreruptorului fiderului pentru a evita situaţia de insularizare.

27

Unitatea de generare distribuită DG are posibilităţi mici pentru a diferenţia scurtcircuitele solicitând acţionarea acelora care sunt localizate pe alte fidere alimentate din aceeaşi staţie. Dacă se consideră că apare un scurtcircuit sau o punere la pământ în apropierea staţiei pe fiderul cu DG sau pe un fider adiacent este practic imposibil se diferenţieze această situaţie din punct de vedere al unităţii. Până în prezent, soluţie simplă şi generală de a rezolva această problemă este adaptarea protecţiei DG pentru ca în timpul tuturor defectelor din reţea, aceasta să dea comandă de declanşare a întreruptorului unităţii de generare, asigurând astfel siguranţa în funcţionare a reţelei. Principiul de bază care stă la funcţionarea protecţiilor reţelei este acela că, în primul rând, acestea trebuie să asigure siguranţa reţelelor, iar acest principiu nu se poate modifica datorită prezenţei unităţilor de generare distribuită DG10

3.4. Impactul tipului generatorului Tipul de generator are un impact esenţial asupra comportării unităţilor de generare distribuită pe durata scurtcircuitelor şi perturbaţiilor. In mod tradiţional generatoarele se împart în generatoare sincrone şi generatoare asincrone. Din punct de vedere al sistemului electroenergetic interfaţa convertizor de electronică de putere poate fi considerată ca un al treilea tip de generator cu toate că nu este un generator în întregime. Convertizorul poate fi alimentat de diferite tipuri de generatoare sau de surse de curent continuu. Convertizoarele sunt aplicate în special pentru utilizarea puterii evacuate variabilă a sursei de energie primare sau pentru convertirea curentului continuu în curent alternativ. Datorită posibilităţii de control a lor, convertizoarele seamănă cu generatoarele sincrone din punct de vedere al reţelei în timpul condiţiilor normale de funcţionare. Multe dintre acestea au legătură cu energia eoliană sau alte aplicaţii ce folosesc resursele regenerabile de energie şi utilizează pentru control componente de electronică de putere. Cea mai importantă diferenţă în comportamentul din timpului defectului este contribuţia la curentul de scurtcircuit. Generatorul tradiţional sincron este capabil să alimenteze curentul de scurtcircuit de durată. Contribuţia de curent este probabil să scadă după primele cicluri, dar este adesea mărită iarăşi prin forţarea câmpului. Forţarea câmpului este dependentă de sistemul de excitaţie. Contribuţia de lungă durată poate fi considerată problematică şi poate perturba sistemul electroenergetic, dar se poate detecta simplu contribuţia de curent. Curenţii de scurtcircuit pot limita numărul de unităţi DG cu generatoare sincrone ce urmează a fi instalate într-o reţea. Generatoarele de inducţie pot furniza un curent de scurtcircuit iniţial care este chiar mai mare decât cel furnizat de un generator sincron. 10

http://www.eng.uwo.ca/people/tsidhu/Documents/DG%20Protection%20V4.pdf

28

Cu toate acestea curentul poate scade rapid în timpul scurtcircuitelor simetrice deoarece se pierde excitaţia. Aceasta situaţie face dificilă detectarea în punctul de cuplare comun al DG. În cazul generatorului de inducţie cu autoexcitaţie sau pe durata scurtcircuitelor nesimetrice, curenţii de durată sunt posibili. Convertorul electronic de putere este probabil cea mai complexă componentă, deoarece comportamentul lui depinde puternic de construcţia sistemului de control şi de dimensiunea hardware-ului de conversie. Cea mai tipică ipoteză este aceea că contribuţia la curentul de scurtcircuit este un vârf de curent cu amplitudinea curentului nominal multiplicat cu un anumit factor. Aceşti factori variază între 1..3 în funcţie de sursă şi de dispozitivul considerat. De asemenea trebuie menţionat că , contribuţia la curentul de scurtcircuit a generatorului echipat cu convertor este între 10..20% din cel al unui generator sincron. În unele contexte, convertorul poate fi considerat ca un generator de inducţie. Alimentarea locului de scurtcircuit poate fi este restricţionată de protecţia internă a convertorului11. 3.5. Impactul asupra curenţilor de scurtcircuit Un impact important al unităţilor de generare distribuită asupra reţelei este cauzat de creşterea curenţilor de scurtcircuit. De exemplu, unitatea de generare distribuită contribuie la scurtcircuite prin creşterea curenţilor de scurcircuit totali în apropierea locului de defect. O problemă a creşterii curenţilor de scurtcircuit în apropierea unităţii de generare şi a locului de defect este aceea că se poate depăşi limitele termice ale elementelor de reţea. Creşterea curenţilor de scurtcircuit poate cauza daune datorită solicitărilor termice sau forţelor electrodinamice. Pe de altă parte prezenţa unităţii de generare poate întârzia funcţionarea protecţiei fiderului, (contribuţia alimentării principale la curentul de scurtcircuit total scade), care asociată cu creşterea curentului de scurtcircuit poate conduce la solicitări termice şi dinamice a elementelor de reţea. De asemenea reanclanşare nereuşită poate conduce la probleme termice pe o perioade mai lungi, la scurtcircuite pe linie12. 3.6. Influenţa generării distribuite asupra sensibilităţii protecţiei fiderului Probleme de sensibilitate sunt posibile în cazul în care reglajele protecţiilor fiderului nu sunt verificate de îndată ce unitatea de generare distribuită este instalată în reţea. Prin problema de sensibilitate se înţelege faptul că un scurtcircuit nu mai este detectat sau este eliminat mai târziu decât în schema iniţială fără DG. Este evident că aceasta poate conduce la probleme grave de siguranţă. Temporizările în funcţionarea protecţiilor pot avea ca rezultat depăşirea limitelor termice ale elementelor reţelei. 11 12

http://www.eng.uwo.ca/people/tsidhu/Documents/DG%20Protection%20V4.pdf http://www.indjst.org/index.php/indjst/article/view/30172/26109

29

Totodată trebuie menţionat faptul că, curenţii totali de scurtcircuit cresc datorită integrării unităţii de generare distribuită în reţea, care face ca funcţionarea temporizată a protecţiilor să fie mai critică. Problema sensibilităţii raportată la funcţionarea protecţiilor fiderului este adesea numită „protection blinding” (protecţie insensibilă). O situaţie în care protecţia fiderului este insensibilă este prezentată în figura 3.5.. Datorită prezenţei unităţii de generare contribuţia sursei de alimentare a fiderului la curentul de scurtcircuit total este mai mică şi prin urmare curentul măsurat de releu poate fi mai mic decât cel reglat. În acest caz protecţia nu dă comandă de declanşare a întreruptorului de la începutul fiderului, iar locul de scurtcircuit este în continuare alimentat. Curentul de scurtcircuit măsurat de releu

G Contribuţia unităţii de generare DG la curentul de scurtcircuit

Figura 3. 5. Prezentarea simplificată a unei situaţii în care protecţia fiderul este insensibilă “oarbă” Problema sensibilităţii este mult mai probabilă în cazul în care unitatea de generare distribuită este mai departe de staţia de alimentare. Natura problemei depinde de tipul generatorului utilizat de unitate de generare. În cazul unui generator sincron curentul de scurtcircuit măsurat de releul de pe fider poate fi micşorat semnificativ conducând astfel la blocarea totală a funcţionării protecţiei fiderului. În cazul generatorului de inducţie magnetizat, impactul rezultant este mult mai adecvat pentru o întârziere în funcţionarea protecţiei, deoarece contribuţia generatorului asincron la curentul de scurtcircuit scade repede. Funcţionarea generatorului de inducţie cu magnet permanent poate fi similară cu cea a unui generator sincron. Unităţile echipate cu convertoare electronice de putere creează mai puţine probleme privind sensibilitatea, deoarece în majoritatea cazurilor nu contribuie la scurtcircuitele din reţea. Pe de altă parte comportamentul convertoarelor depinde puternic de construcţia lor şi astfel nu pot să fie generalizate. Un convertor poate fi construit să furnizeze un curent de scurtcircuit de durată chiar la amplitudini mai mari decât curentul nominal şi astfel poate fi o problemă din punct de vedere al insensibilităţii protecţiei.

30

Un alt factor care influenţează problemele de sensibilitate este caracteristica de acţionare a protecţiei fiderului. Protecţiile cu temporizarea prescrisă pot să se înfrunte cu blocaje totale dacă limita de declanşare nu mai este depăşită. Distanţa limită până care scurtcircuitele au drept rezultat acţionarea rapidă sau temporizată a protecţiei fiderului poate fi deplasată. Releele cu caracteristică dependentă de timp înfruntă teoretic acţionarea temporizată la toate scurtcircuitele. Releele cu caracteristică dependentă de timp nu posibil să se înfruntă blocaje totale ale funcţionării. Totuşi, chiar temporizările acţionărilor ridică probleme în majoritatea cazurilor datorită limitelor termice ale elementelor reţelei, deoarece condiţiile de siguranţă sunt calculate anumiţi timpi de acţionare. Impactul asupra algoritmilor de detectare a locului de scurtcircuit este consecinţă directă a insensibilităţii protecţiei, care poate fi considerată în majoritatea cazurilor foarte problematică. Dacă nu se ia în considerare curentul de scurcircuit măsurat, modificat de prezenta unităţii de generare, distanţa până la locul de defect poate fi calculată greşit. Impactul este minor dacă scurtcircuitul este între staţie şi unitatea de generare, dar creşte semnificativ după punctul de conectare al DG. În cazul protecţiilor de distanţă, care măsoară impedanţă Alte problemelor de sensibilitate sunt ale unităţii de generare în detectarea defectelor din reţea. În unele cazuri, scurtcircuitele sau punerile la pământ apar la nivelul de medie tensiune şi apar probleme în detectarea lor pe partea de joasă tensiune a transformatorului unităţii. Cele mai problematice situaţii sunt cele în detectarea pierderii alimentării normale şi în detectarea punerilor la pământ13. 3.7. Influenţa generării distribuite asupra selectivităţii protecţiei fiderului Discuţiile privind selectivitatea raportată la DG includ două probleme tipice: posibilitatea de deconectare inutilă (falsă) (numită declanşare prin simpatie) a fiderului cu DG şi posibilitatea de declanşare nedorită (falsă) a unităţilor DG. In cazul declanşării prin simpatie, consumatorii întregului fider sunt afectaţi de întreruperea inutilă, care are drept rezultat reducerea siguranţei în funcţionare din punct de vedere al operatorilor reţelei de distribuţie. De asemenea declanşarea falsă a DG conduce la variaţii de tensiune şi la o calitate redusă a energiei furnizate. Teoria declanşării prin simpatie este simplă şi constă în faptul că la un scurtcircuit pe un alt fider, care este conectat la aceeaşi bară a staţiei ca şi fiderul cu DG, unitatea de generare contribuie la curentul de scurtcircuit printr-un curent care circulă dinspre fider spre bara staţie. 13

http://www.ramp.ase.ro/_data/files/articole/6_04.pdf

31

Curentul sesizat de protecţia fiderului cu DG poate fi mai mare decât curentul reglat şi protecţia fiderului să dea comandă de declanşare a întrerupătorului. Prin urmare, deconectarea fiderul cu DG care nu este avariat conduce la nealimentarea consumatorilor racordaţi la acesta. Pentru a evita acest lucru protecţia fiderului cu DG trebuie să fie direcţionată. În figura 3.6. s-a reprezentat situaţia în care poate să apară o declanşare prin simpatie. Curentul de scurtcircuit de la sursa de alimentare normala

G Protecţia poate sa actioneze datorita curentului care circula în sens invers

Unitatea de generare DG contribuie la curentul de scurtcircuit

Figura 3. 6. Situaţia în care poate să apară posibilitatea de declanşare prin simpatie a fiderului cu DG, dacă protecţia acestuia nu este direcţionată.

Declanşarea prin simpatie ar putea fi evitată prin coordonarea timpilor de acţionare ai protecţiilor celor două fidere, astfel încât fiderul adiacent avariat să fie deconectat mai repede decât fiderul cu DG. De obicei, caracteristicile protecţiilor fiderilor racordaţi la barele aceleaşi staţii sunt identice, iar coordonarea protecţiilor să nu se poată realiza. Deconectarea falsă a unităţii de generare poate să apară şi în cazul în care scurtcircuitul este pe partea de înaltă tensiune, pe un fider adiacent sau pe barele staţie. Datorită timpilor de acţionare ai protecţiilor pentru locurile de defect menţionate, scurtcircuitul pe fiderul adiacent poate produce probleme privind abaterea tensiunii sau a frecvenţei în punctul de racord al unităţii de generare, ceea ce conduce la declanşarea DG14. 3.8. Influenţa generării distribuite asupra RAR-ului Reanclanşarea automată este în general aplicată în reţelele de distribuţie pentru eliminarea defectelor trecătoare, adică scurtcircuite monofazate. Aceasta înseamnă că întrerupătorul fiderului este deschis pentru o perioadă scurtă (pauza de RAR), pe durata căreia arcul electric din punctul de defect se poate stinge. Dacă unitatea de generare distribuită nu este deconectată exact în timpul secvenţei de reanclanşare, ea poate să menţină tensiunea în reţea şi să alimenteze locul de defect în caz de scurtcircuit. În plus unitatea de generare poate menţine arcul în punctul de defect.

14

http://www.powersystem.org/docs/publications/dg-resouces-connected-to-ds.pdf

32

Ca urmare, când este realizată reconectarea scurtcircuitul pare permanent, adică nu a fost eliminat pe perioada pauzei de RAR. În figura 3.7. se prezintă un caz în care reanclanşarea să fie nereuşită.

Protecţia dectectează scurtcircuitul şi dă comandă de declanşare a întrerupătorului, urmând apoi o reanclanşare

G Unitatea de generare DG menţine tensiunea în reţea Figura 3. 7. Reanclanşare nereuşită datorită prezenţei unităţii de generare distribuită DG Reanclanşarea nereuşită are consecinţe semnificative, în primul rând se reduce siguranţa reţelei, deoarece reanclanşarea automată rapidă nu mai este adecvată şi este necesară o întrerupere mai lungă cu anclanşare automată temporizată. Creşterea duratei de întrerupere afectează consumatorii. Arcul electric continuând să ardă poate cauza deteriorări ale conductoarelor şi izolatoarelor, ceea ce conduce la întreruperea în funcţionarea a acestora pe termen lung. Dacă pe durata pauzei de RAR unitatea de generare nu este deconectată, la reanclanşare se poate realiza o conectare în asincron a fiderului cu DG la reţeaua de alimentare15, cu posibile consecinţe asupra altor consumatori din reţea.

Concluzii Energiile regenerabile sunt foarte importante în zilele noastre şi se pune mare accent pe ele datorită faptului că a crescut foarte mult consumul de energie electrică în ultimi ani şi totodată ele sunt surse de energie inepuizabile, ajutând la creşterea securităţii surselor energetice prin reducerea dependenţei de combustibili fosili importanţi cum ar fi petrolul, gaze naturale şi cărbune. Generarea distribuita (DG) se realizează cu ajutorul acestor forme de energii regenerabile inepuizabile care prezintă un set de avantaje, dar în acelaşi timp prezintă şi un dezavantaj.

15

http://www.pes-psrc.org/Reports/wgD3ImpactDR.pdf

33

Acest dezavantaj constă în influenţa generării distribuite atunci când sunt montate întro reţea de distribuţie asupra protecţiilor, care au rolul cel mai important într-o reţea electrică de distribuţie, care trebuie să dea comanda pentru separarea elementului avariat, sesizarea şi semnalizarea regimurilor anormale de funcţionare din reţeaua de distribuţie. Pe lângă alte elemente care au influenţe negative asupra performanţelor protecţiilor (legate de sensibilitate, selectivitate şi rapiditate) este şi generarea distribuită. Din studiul efectuat privind impactul generării distribuite asupra funcţionării protecţiei fiderului prevăzut cu unităţi de generare distribuită se pot trage următoarele concluzii:  cu cât unitatea de generare este mai departe de staţia de distribuţie la care este conectat fiderul impactul asupra funcţionării protecţiei maximale de curent în treapta I este mai redus;  dacă unitatea de generare (DG) este amplasată mai aproape de începutul fiderului, la scurtcircuite după DG, protecţia maximală de curent a fiderului nu „vede” defectul în prima treapta, deci protecţia este insensibilă;  lungimea de linie protejată în prima treaptă a protecţie se reduce pe măsură ce unitatea de generare se apropie de începutul linie sau dacă pe linie sunt mai mult unităţi de generare;  dacă unitatea de generare este mai aproape de începutul fiderului, la scurtcircuite pe alte fidere, racordate la aceeaşi bară ca şi fiderul cu DG sau la scurtcircuite pe bara de 110 kV, protecţia fiderului „vede” un curent mare, care circulă dinspre DG spre bara colectoare (în sens invers) şi poate acţiona în prima treaptă, deconectând fiderul. În aceste condiţii protecţia acţionează fals şi deconectează fiderul cu DG neavariat, intrerupând alimentarea tuturo consumatorilor racordaţi la acesta. Pentru a preveni această situaţie se impune ca protecţia fiderului cu DG să fie cu direcţionare.  cu cât puterea unităţii de generare distribuită DG este mai mare cu atât scade contribuţia reţelei la curentul de scurcircut, adică curentul „văzut” de protecţia fiderului este mai mic, dar pe tronsoanele de liniei între locul de scurcircut şi DG curenţii au valori mari, care pot să conducă la solicitări termice inadmisibile pentru conductoarele linie.

34

Capitolul 4. SISTEME HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI DIN SURSE REGENERABILE ŞI REŢELE INTELIGENTE Modelul clasic al instalaţiilor de producere a energiei electrice consta intr-un lanţ bine definit de producere, transmisie si distribuţie. Conform acestui model energia electrica este produsa in generatoare de mare putere, după care este transmisa prin intermediul reţelelor de transport la tensiune înalta (>110kV) si distribuita consumatorilor prin intermediul unei infrastructuri de distribuţie in medie si joasa tensiune. Astfel, traseul energia are o direcţie bine definita de la centralele electrice spre consumatori, aşa cum se prezintă in figura 4.1a. Acest model este pe cale sa se schimbe datorita numărului din ce in ce mai mare de sisteme de generare distribuite cuplate la retelele de medie sau joasa tensiune. Energia este produsa aproape de consumatori, asa cum se prezinta in figura 4.1b16. Centralele electrice de mare putere sunt astfel concurate de aceste generatoare de mica putere dar numeroase, care vor modifica modul de proiectare a sistemelor de producere a energiei electrice in viitor.

Figura 4. 1. Transmisia energiei electrice in: a)sisteme clasice b) sisteme distribuite Creşterea ponderii de generatoare distribuite va necesita o implicare mai activa a detinatorului retelei de distributie, in vederea creşterii stabilitatii sistemului, prin implementarea de puncte de dispecerizare si control automat. Functionarea unui sistem cu un numar mare de generatoare distribuite prezinta cateva aspecte diferite fata de varianta clasica, astfel:  profilul tensiunii se modifica de-a lungul retelei, fata de varianta clasica; 16

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

35

 vor aparea tensiuni tranzitorii ca rezultat al conectarii si deconectarii generatoarelor, sau ca rezultat a funcţionarii acestora;  Puterea de scurt-circuit intr-un anumit punct al reţelei va creste;  Calitatea puterii si siguranţa in funcţionare pot fi afectate;  Protecţiile reţelei trebuie sa fie in concordanta cu cele ale generatoarelor. Evoluţia sistemelor energetice, aşa cum a fost relatata mai sus, este prezentata mai concis in figura 4.217.

Figura 4. 2. Evoluţia sistemelor energetice Migratia sistemelor energetice catre generarea distribuita aduce si unele avantaje legate de autonomia si securitatea energetica a consumatorilor din zona de operare a acestor grupuri de generare. Astfel, se pot realiza micro-retele formate din grupuri de generare de energie electrica (si termica uneori) si consumatori, care pot functiona conectate la SEN sau in regim izolat, asigurand alimentarea consumatorilor interni. O astfel de structura se prezinta in figura 4.3, in care se disting mai multe generatoare cu surse regenerabile de energie. Acestea pot fi MHC-uri, generatoare eoliene sau panouri fotovoltaice. Astfel de sisteme, se practica in general la puteri de pana in 100kW, in gama de sisteme de generare micro.

17

Lucian TOMA, Mircea EREMIA, Constantin BULAC, Universitatea “Politehnică ” din Bucureşti, O viziune asupra reţelelor electrice inteligente

36

Figura 4. 3 Micro-retea functionand autonom sau conectata la SEN In acelasi timp cresterea numarului entitatilor generatoare de energie electrica cit si lipsa de semnificatie a puterii lor individuale pentru SEN, duce atit la imposibilitatea dispeceratelor de a prelua si prelucra informatia cit si la lipsa lor de interes, datorita puterilor relativ scazute implicate local. Sub forta evenimentelor in „Codul Tehnic al Retelelor de distributie” editat de S.C. Electrica S.A. se face distinctia

intre grupurile generatoare dispecerizabile si

nedispecerizabile. In acest context se dezvolta conceptul de retele inteligente. Ideea este ca aceste elemente generatoare distribuite sa se auto-conduca in conditii de stabilitate functionala pentru reteaua din care face parte. In acest fel dispeceratele SEN este degrevat de supravegherea surselor distribuite.

4.1. Structuri de MR si sisteme de control Structura unei MR presupune existenţa mai multor micro-surse şi sarcini, operând ca un sistem unitar, producând energie electrică şi energie termică (uneori). Majoritatea micro-surselor trebuie să conţină dispozitive de electronică de putere pentru a oferi flexibilitatea necesară unui sistem cu funcţionare controlată si automată. Controlul MR presupune existenţa elementelor de interfaţă, de protecţie şi control a fiecărei microsurse, elemente de control al tensiunii, al transferului de putere, etc. O altă funcţie importantă a unei MR este posibilitatea de a opera conectată la reţeaua publică. Utilizarea surselor regenerabile interconectate în reţele izolate au tot mai mare răspândire în întreaga lume, acestea fiind implementate acolo unde există mai multe surse de energie regenerabilă, într-un spaţiu relativ restrâns. Aceste reţele pot fi de curent continuu sau de curent alternativ (mono sau trifazate).

37

Utilizarea reţelelor de curent continuu se impune acolo unde sunt alimentaţi consumatori universali (pot funcţiona atât în c.c. cat şi c.a.) şi acolo unde generatorul de energie furnizează direct curent continuu18 (ex. panouri fotovoltaice - PV). Puterile acestor reţele pot varia de la câteva sute de watti până la zeci sau chiar sute de kilowaţi. În aceste sisteme trebuie să existe un control strict al fluxului energetic de la fiecare element generator spre MR si sa asigure buna functionare a elementelor care fac parte din sistem. Pentru aceasta se impune prezenţa unui aşa zis controler de MR care este de fapt un dispecer local automat. In zilele noastre, datorita dezvoltării elementelor hardware de prelucrare a datelor, un astfel de sistem beneficiază de o putere de calcul impresionanta, putându-se implementa algoritmi complecşi, reducându-se astfel, considerabil intervenţia operatorului uman. Schema de principiu al unui astfel de sistem, în care sunt legate mai multe surse diferite sau de acelaşi fel este prezentat în figura 4.4.

Figura 4. 4. Structura de MR, cu punerea in evidenta a controlerului de reţea Este important sa se separe aspectele controlului unui SHE in doua grupuri:  Controlul dinamic, care corespunde intervalelor mici de timp, secunde sau milisecunde, incluzând aici controlul tensiunii si frecventei, stabilitatea retelei, protectii, etc.  Strategia de operare, care implica decizii

in legatura cu fluxul energetic in timp

indelungat de câteva minute sau ore, si actiuni pentru imbunatatirea functionarii sistemului. Strategia de control adoptata trebuie sa determine cel mai bun mod de functionare al sistemului.

18

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

38

Aceasta este influentata de mai multi factori:  Variatia cererii de energie in timp – locurile indepartate care beneficiaza de retele electrice izolate, pot produce modificari rapide in cererea de putere (in mod normal aceasta creste) ;  Variatia puterii – curba de sarcina in mod normal, in astfel de sisteme prezinta variatii mari, la intervale de minute, cu scaderi si vârfuri foarte pronuntate, etc.;  Numarul generatoarelor de energie regenerabila – incertitudinea puterii produse de anumite surse , de exemplu un generator eolian va depinde de puterea momentana a vântului, un panou solar va depinde de starea vremii, a puterii soarelui, etc.;  Numarul si marimea generatoarelor diesel – sistemele care includ si generatoare diesel de diferite capacitati, sunt mai flexibile;  Calitatea ceruta – calitatea energiei furnizate, adica variatia frecventei si tensiunii in jurul valorii nominale, si alti factori sunt luate in considerare când se alege ce generatoare sa functioneze la un moment dat pentru a se obtine efectul dorit.

4.2. Combinatii de SER in MR Prin definiţie, un SHE este un sistem electric în care se combină diverse surse de energii regenerabile (si/sau energii clasice), care generează energie electrică pe o reţea izolată (microreţea), care poate avea posibilitatea conectării la o reţea publică. Aceste sisteme în cele mai multe cazuri sunt proiectate în MR mono sau trifazate, care alimentează în general consumatori casnici. Pe o astfel de reţea debitează mai multe surse de energii regenerabile, cum ar fi panouri fotovoltaice, mini (micro) – centrale eoliene, microhidrocentrale, pile de combustie, etc. Legarea acestor surse în paralel pe o reţea comună ridică numeroase probleme, cauzate de modul de funcţionare diferit al acestora, de puterea instalată diferită şi de alţi factori. Controlul unui astfel de sistem implică rezolvarea individuală a problemelor legate de funcţionarea proprie a tuturor surselor, după care trebuie analizată problema legării acestora în paralel. De asemenea trebuie ţinut cont de performanţele pe care trebuie să le îndeplinească respectivul sistem, legate de calitatea energiei furnizate, de capacitatea de stocare a energiei (electrice sau energia primară), etc. Toate acestea trebuie raportate în fiecare moment la costul final al sistemului. De foarte multe ori într-un astfel de sistem, pe lângă sursele regenerabile de energie, sunt cuplate şi surse de energie clasice cum sunt generatoarele cu motoare diesel. Acestea sunt utilizate în cazurile în care cererea de energie depăşeşte capacitatea surselor regenerabile, în anumite momente ale zile si/sau ale anului.

39

In multe cazuri in astfel de sisteme, sursele de energie sunt complementare, asigurind o uniformitate in furnizarea energiei electrice. Producerea energiei se poate face direct in curent alternativ (masini rotative) sau in curent continuu (panouri solare, turbine eoliene de viteza variabila). Cel de-al doilea tip de generatoare se bazeaza pe transformarea energiei in curent continuu, dupa care aceasta este transformata in curent alternativ prin intermediul invertoarelor. O astfel de schema este fiabila in cazul sistemelor de putere relativ mica si acolo unde se impune stocarea energiei in baterii, pile de combustie, etc. In cazul sistemelor de puteri mai mari o astfel de schema devine ineficienta din cauza numeroaselor etaje de transformare, redresare + conversie c.c. – c.a. Astfel, fiecare sursa trebuie sa fie prevazuta cu un convertor a carui tensiune sa fie adaptata la elementul de stocare. Aceste convertoare pot fi redresoare in cazul generatoarelor de curent alternativ, sau choppere in cazul generatoarelor de curent continuu (panouri fotovoltaice – PV). Puterea acestora este determinata de puterea generatorului atribuit. Numeroase combinaţii hibride de turbine eoliene (TE), panouri fotovoltaice (PV), microhidrocentrale (MHC) şi generatoare diesel (GD), cu sau fără elemente de stocare a energiei, sunt studiate şi comercializate în întreaga lume. Cele mai răspândite SHE sunt combinaţii de două tipuri de surse regenerabile, şi/sau GD. De foarte multe ori pe o MR sunt legate mai multe surse de acelaşi fel, de exemplu mai multe MHC sau mai multe PV. Legarea în paralel a surselor de acelaşi tip ridică de asemenea probleme de interconectare. 4.2.1. PV – GD Combinarea PV cu GD reprezintă o soluţie simplă şi fiabilă pentru producerea de energie electrică în zonele cu resurse solare bogate. Aceste panouri produc numai energie în curent continuu, astfel ca sunt necesare invertoare DC/AC, pentru a putea debita energie intr-o reţea de curent alternativ. Această combinaţie poate fi utilizată cu succes pentru alimentarea consumatorilor casnici din zone neelectrificate, şi acolo unde există potenţial solar ridicat. Strategia de funcţionare a unui astfel de sistem este relativ simplă, şi are la bază utilizarea la maxim a energiei provenite de la panourile solare, iar deficitul să fie asigurat de GD. De asemenea se impune utilizarea unei baterii electrice de stocare, astfel încât pe timpul zilei, când puterea furnizată de panouri este mare, bateriile se vor încărca şi vor asigura o parte din cerinţa de energie de pe timpul nopţii. De asemenea, strategia de comanda a GD trebuie sa urmărească obţinerea unui randament maxim a motorului diesel de antrenare, prin stabilirea unui timp de functionare optim si a unei anumite incarcari.

40

4.2.2. TE – GD Această combinaţie este utilizată în aceleaşi condiţii ca şi precedenta, numai că aceasta se implementează acolo unde există resurse eoliene considerabile. Este o solutie des utilizata in zone neelectrificate. In majoritatea cazurilor se utilizează şi stocarea energiei electrice în baterii de acumulatoare. Astfel, în momentele în care viteza vântului este mare, generatorul va pompa energie pe baterii, astfel că randamentul întregului sistem va creşte. În perioadele cu vânt puţin, necesitatea de putere va fi asigurata de baterii şi de GD. Utilizarea bateriilor implică şi prezenţa unui sistem care să asigure controlul fluxului energetic intre baterii şi linia de alimentare, adică va presupune existenţa a cel puţin un invertor mono sau trifazat în funcţie de tipul reţelei. In sistemele hibride TE-GD, în general motorul Diesel antrenează un generator sincron şi generatorul eolian antrenează un generator asincron. Intrucat viteza vântului poate varia in intervale scurte de timp, sistemul pe care debiteaza TE va resimti variaţii ale puterii active şi reactive19 . Aceste variaţii duc la apariţia de fluctuaţii în tensiunea şi frecvenţa, impunand-u-se anumite masuri pentru îmbunătăţirea calităţii energiei. Întrucât de cele mai multe ori atât frecvenţa cât şi tensiunea sunt afectate în astfel de sisteme, pentru controlul acestor parametrii sunt utilizate dispozitive capabile să schimbe rapid atât putere activă cât şi reactivă în toate cele 4 cadrane ale planului P-Q. Aceste dispozitive, cel mai des sunt implementate cu ajutorul convertoarelor de putere, sub formă de invertoare special controlate pentru controlul frecvenţei si/sau tensiunii, sau convertoare din componenţa elementelor de stocare. 4.2.3. PV-TE In unele regiuni există atât resurse solare cât şi eoliene, cum sunt zonele de coastă sau zonele montane cu unghi mare. De remarcat faptul că în cazul unui astfel de sistem energia furnizată este aproximativ constantă în toate perioadele anului, dat fiind faptul că sursele sunt într-un fel complementare, asigurând o uniformitate în furnizarea energiei electrice. In figura 4.5. se prezinta o astfel de instalatie experimentala. Schema este fiabilă în cazul sistemelor de putere relativ mică şi acolo unde se impune stocarea energiei în baterii. În cazul sistemelor de puteri mai mari o astfel de schema devine ineficientă din cauza numeroaselor etaje de transformare – redresare si conversie C.C. – C.A. Astfel fiecare sursă trebuie sa aibă cate un convertor a cărui tensiune trebuie sa fie adaptată la bateria de stocare a energiei. Aceste convertoare pot fi redresoare în cazul generatoarelor de curent alternativ, sau choppere în cazul generatoarelor de curent continuu (PV).

19

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

41

Puterea acestora este determinată de puterea generatorului atribuit. Producerea curentului alternativ se face printr-un invertor monofazat sau trifazat, în funcţie de tipul MR din locul respectiv. Dimensionarea acestui invertor se face în funcţie de puterile instalate în toate generatoarele.

Figura 4. 5. Instalatie TE-PV experimentala

4.2.4. PV-TE-GD O schemă de principiu a unui astfel de sistem este prezentata în figura 4.6. După cum se poate observa acest tip de schemă se bazează pe transformarea energiei în curent continuu, după care aceasta este transformată în curent alternativ prin intermediul invertoarelor. Schema este fiabilă în cazul sistemelor de putere relativ mică şi acolo unde se impune stocarea energiei în baterii. În cazul sistemelor de puteri mai mari o astfel de schema devine ineficientă din cauza numeroaselor etaje de transformare – redresare + conversie c.c. – c.a. Astfel fiecare sursă trebuie sa aibă cate un convertor a cărui tensiune trebuie sa fie adaptată la bateria (bateriile) de stocare. Producerea curentului alternativ se face printr-un invertor monofazat sau trifazat, în funcţie de tipul MR din locul respectiv.

42

Figura 4. 6. Schema de principiu a unui sistem hibrid PV/TE/GD20 Un alt aspect negativ al unui astfel de sistem este acela că în orice moment transferul energiei se realizează prin baterie, acest lucru ducând la scăderea duratei de viaţă a acesteia. O reţea implementată practic, de acest gen este prezentată si în figura 4.7 de mai jos, în care sunt alimentate 11 case dintr-o insulă a Greciei. Linia este trifazată şi pe aceasta sunt cuplate mai multe panouri solare, şi un generator diesel, iar ca elemente de stocare s-au utilizat baterii electrice. Studiul prezentat, arată că, din experienţa dobândită în urma realizării unei MR electrice izolate cu PV, componenta principală a unui astfel de sistem independent este ansamblul baterieinvertor (figura 4.8), care trebuie practic să controleze parametrii energiei din reţeaua respectivă (la funcţionarea în regim autonom). Invertoarele, prin intermediul cărora se realizează legătura între partea de curent continuu a bateriei, sau PV, cu reţeaua, pot fi monofazate sau trifazate. În fig. 5.8 sunt utilizate invertoare monofazate pentru cuplarea la o reţea monofazata. Astfel, în cazul în care grupul baterie-invertor controlează tensiunea şi frecvenţa din reţea, primul invertor va avea rolul de referinta pentru celelalte surse. Acesta se numeşte invertor master, restul de invertoare sincronizand-u-se la primul si furnizând la ieşire aceeaşi tensiune şi aceeaşi frecvenţă, cu defazajul de 120 respectiv 240 grade, în funcţie de succesiunea fazelor.

20

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

43

Figura 4. 7. Doua MR trifazate, pentru alimentarea a 11 case

Figura 4. 8 Structura unui sistem hibrid trifazat, PV/Diesel După cum se observă în figura 4.8 GD poate fi decuplat din reţea, atunci când există un potenţial energetic mai mare decât cererea. De cele mai multe ori acest generator se cuplează la reţea numai în perioadele de vârf de sarcină, sau pentru încărcarea bateriilor. În alte cazuri acest generator este cuplat continuu la reţea, având rolul de a controla tensiunea şi frecvenţa reţelei, în acest caz utilizându-se un generator sincron cu elementele de reglare corespunzătoare, dar randamentul sistemului va scădea, din cauza faptului ca motorul diesel nu va funcţiona tot timpul în zona de randament maxim, ci în funcţie de cerinţele consumatorilor.

44

4.2.5. PV – MHC În zonele cu potenţial hidro şi PV ridicat implementarea unui astfel de sistem este de foarte multe ori o soluţie excelentă pentru rezolvarea problemelor legate de lipsa energiei electrice. Se considera aceasta structura importanta dat fiind faptul ca tara noastra detine o retea hidrografica bogata. Microhidrocentralele se postează de regulă pe râuri mici de munte unde debitul apei este aproximativ constant pe toată durata anului. Legarea intr-o reţea comună a mai multor microhidrocentrale şi a panourilor solare sau generatoarelor eoliene este o soluţie tot mai des întâlnită în multe ţări cu astfel de resurse. Aceste surse produc energie în curent continuu şi în curent alternativ, de aici derivând şi cele două moduri de cuplare, asa cum se prezinta in figura 4.9. In primul caz, energia din curent alternativ provenită de la generatorul micro-hidro, este redresată şi aplicată unui dispozitiv de control al încărcării/descărcării unei baterii electrice. Etajul imediat următor realizează conversia c.c./c.a. prin intermediul unui invertor, care se cuplează la linia de alimentare a consumatorilor din reţeaua respectivă. Principalul dezavantaj al acestui mod, este faptul că energia suferă o serie de transformări (c.a. – c.c. şi c.c – c.a.), care implică pierderi de putere considerabile pe dispozitivele semiconductoare din cadrul convertoarelor respective. Soluţia cea mai eficientă în cazul acestui tip de sistem hibrid (PV – Microhidro) este aceea ca generatorul sincron sau asincron al microhidrocentralei să debiteze direct curent alternativ în reţea, şi să controleze parametrii acesteia, iar panoul solar va fi cuplat la sistem prin intermediul unui invertor (mono sau trifazat).

Figura 4. 9. Moduri de conectare a unui generator micro-hidro şi a unui panou fotovoltaic 45

4.3. Conectarea la retea Conectarea SHE la un sistem de distributie locala a adus o noua dimensiune in domeniul generarii de energie electrica. Un micro-sistem de acest gen poate functiona in regim de generator sau de consumator in funcţie de cerinţele sarcinilor pe care le contine. De aceea in punctul comun de conectare cu reţeaua de distribuţie trebuie sa existe doua contoare de energie electrica activa, unul care sa măsoare energia furnizata de micro-sistem in reţeaua locala şi altul care sa măsoare energia absorbita de micro-sistem in perioadele in care cererea sarcinilor este mai mare decat capacitatea sistemului. In multe cazuri energiile masurate de catre cele doua contoare au preturi de cost diferite, in functie de legislatia existenta in domeniul producerii de energii regenerabile. Siguranta in functionare a unui micro-sistem de producere a energiei electrice conectat la o retea de distributie, este o preocupare importanta. Sistemul de interconectare trebuie sa asigure o monitorizare continua astfel incat MR sa fie deconectata automat in momentul in care reteaua de distributie sufera vreo avarie si apar variatii anormale ale tensiunii si frecventei. Situatia cea mai des intalnita este cand tensiunea retelei dispare complet pentru un anumit interval de timp. Mentinerea sistemului conectat intr-o astfel de situatie, poate genera probleme de protectie si securitate a retelei, si poate duce la avarii ale echipamentelor. De asemenea in cazul in care tensiunea retelei dispare numai pentru o perioada scurta de timp, la revenire, tensiunea MR nu va mai fi in faza cu tensiunea retelei de distributie, conducand la curenti de scurt-circuit foarte mari ce pot avaria instalatia. De aceea orice sistem conectat in cadrul unei retele de mare putere trebuie sa detina dispozitive de protectie la anti-insularizare, specifica sistemelor distribuite de energie. In figura 4.10 se prezinta un exemplu de MR interconectata cu un sistem de distributie de joasa tensiune, specificandu-se

principalele protectii necesare. MR este formata dintr-o

microhidrocentrala (MHC) cu generator sincron, o turbina eoliana (TE) cu generator asincron, si un panou fotovoltaic (PV) conectat prin intermediul unui invertor. MR poate functiona atat in mod autonom cat si conectata la reţea. In regimul de functionare autonom, generatorul sincron are rol de regulator principal. La reglarea frecventei se mai utilizeaza un dispozitiv de balast electronic, ce permite un control foarte riguros si rapid a puterii produse si a puterii generate. In regim de conectare la reţea generatorul sincron va controla numai tensiunea in punctul comun de cuplare (PCC), atât cat ii permite capacitatea acestuia. O astfel de MR se doreşte a fi complet automatizata. De acea toate acţiunile si evenimentele ce au loc la nivelul ei trebuie supervizate si controlate continuu, prin intermediul unui dispecer automat, care poate comunica la distanta cu un alt dispecer superior ierarhic.

46

Un proces foarte important îl constituie sincronizarea MR la reţeaua de distribuţie, utilizandu-se dispozitive automate de sincronizare. Deconectarea controlata este de asemenea un alt proces foarte important, deoarece acesta poate duce la destabilizarea MR. Astfel, anterior deconectării intreruptorului principal trebuie luate masuri de asigurare a stabilitatii reţelei, cum ar fi de exemplu reducerea puterii reactive produsa de generatoare la nivelul consumului local (sarcini locale) pentru a evita fluctuaţii puternice de tensiune in momentul deconectării. Puterea activa trebuie adaptata la consumul intern, astfel încât in momentul deconectării puterea activa furnizata in reţeaua de distribuţie sa fie aproape nula, evitând astfel fluctuaţii exagerate ale frecventei in momentul deconectării. In funcţie de cerinţele locale unele generatoare pot fi chiar deconectate complet. Toate manevrele si valorile de referinţa pentru regulatoare sunt furnizate de către dispecerul automat. Acest proces nu se poate considera in cazul deconectarilor rapide de urgenta, cum ar fi de exemplu in cazul actionarii protectiei de anti-insularizare21.

Figura 4. 10. MR conectata la o retea de distributie de joasa tensiune

In timpul proceselor de conectare-deconectare dispozitivele de control rapid al tensiunii si/sau frecventei (balast) au rolul de atenuare sau chiar eliminare a variaţiile mari de frecventa si tensiune care apar inevitabil in procesele tranzitorii. Trebuie ţinut cont insa si de efectul acestor dispozitive asupra calitatii energiei.

21

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

47

De aceea acestea pot fi utilizate permanent sau numai temporar, in funcţie de necesitatile MR. Printr-o administrare corespunzătoare a resurselor se pot dezvolta algoritmi care sa poată fi implementaţi cu usurinta in sistemele numerice de calcul, prin intermediul cărora procesele de sincronizare, conectare si deconectare la reţea sa producă perturbaţii minime atât in MR locala cat si in reţeaua de distribuţie.

4.4. Calitatea energiei Calitatea puterii reprezinta o preocupare principala in retelele electrice, mai ales in zilele noastre cand convertoarele de putere producatoare de armonici sunt tot mai des intalnite in toate ramurile industriei si in sectorul rezidential. Imbunatatirea calitatii puterii presupune urmatoarele:  controlul tensiunii ;  controlul frecventei;  compensarea nesimetriilor;  compensarea armonicilor;  compensarea flickerului si a golurilor de tensiune; Dintre acestea reglarea tensiunii si frecventei reprezinta cele mai importante aspecte din cadrul sistemului de control al unei MR. Pe langa acestea un alt aspect foarte important il reprezinta asigurarea continuitatii in alimentare cu energie a consumatorilor. Acest deziderat depinde in principal de structura MR si tipurile de surse de energie implicate, strategia de control adoptata, si de consumatori. 4.4.1. Controlul tensiunii Reglarea tensiunii intr-o MR, in special in cazul functionarii in regim autonom, este o problema ce se poate rezolva prin doua metode: utilizand generatoarele din sistem pentru controlul puterii reactive, sau utilizand dispozitive speciale de control static al puterii reactive (STATCOM). In retelele electrice izolate in care exista cel putin un generator sincron multe probleme legate de reglarea tensiunii sunt rezolvate mai simplu, dar exista dezavantajul pretului mai ridicat al unui astfel de generator, decit al unuia asincron. De asemenea sursa primara de energie care antreneaza generatorul sincron trebuie sa fie cit mai stabila, cum ar fi un motor diesel, a carui turatie este constanta in timp si reglabila relativ usor. Pentru a nu incarca generatorul sincron cu puterea reactiva necesara autoexcitatiei generatoarelor asincrone, acestea din urma vor fi prevazute cu cite o baterie de condensatoare, astfel calculata incit sa asigure cea mai mare parte din puterea reactiva necesara, asa cum este prezentat in figura 4.11, in care este ilustrat un sistem simplu in care exista un generator sincron cu rol de control si reglare a MR in care este inclus. 48

Figura 4. 11. MR cu un generator sincron cu rol de reglare a tensiunii Dispozitivele speciale de control static a puterii reactive (STATCOM) se bazeaza pe convertoare de electronica de putere, comandate prin intermediul circuitelor specializate cu microcontrolere sau controlere digitale de semnal (DSP). Acestea controleaza fluxul de energie reactiva din sistem pentru a mentine tensiunea MR in limite admisibile. De asemenea, aceste dispozitive pot fi utilizate si ca filtre active de armonici, pentru compensarea nesimetriile fazelor MR, compensarea flickerului. Figura 4.1222 prezinta o schema de reglare a tensiunii intr-o MR utilizand dispozitive statice de compensare a puterii reactive. Calitatea energiei electrice poate fi mult imbunatatita prin utilizarea STATCOM, datorita functiilor multiple care pot fi implemente. De asemenea un interes aparte il prezinta combinatiile de STATCOM si dispozitive clasice de compensare a factorului de putere (baterii de condensatoare in trepte), sau filtre pasive de armonici. Bateria de condensatoare in trepte ofera o reglare bruta, iar STATCOM-ul realizeaza o modificare fina a puterii reactive. O astfel de structura permite utilizarea unui STATCOM de putere mai redusa, micsorandu-se astfel costul final al instalatiei.

Figura 4. 12. Controlul puterii reactive utilizand STATCOM 22

www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente”

49

In cazul in care la reglarea tentiunii participa mai multe generatoare, se pune problema repartizarii uniforme a puterii reactive Q pe fiecare. Se disting doua solutii pentru aceasta problema. Prima se bazeaza pe implementarea unui mediu de comunicatie intre unitatile de generare, si impartirea sarcinii Q, de catre un dispecer local. Cea de a doua deriva din sistemele de mare putere si se bazeaza pe repartizarea sarcinii Q pe unitatile de generare dupa caracteristica ΔQ /ΔV, asa cum se prezinta in Figura 4.13. In acest caz nu mai este necesara comunicatia intre unitati. Solutia se poate aplica in cazul in care impedanta liniei este inductiva. In cazul in care liniile de distributie pe care sunt conectate sursele sunt rezistive nu se mai poate aplica aceasta metoda [19]. Panta ΔU este astfel aleasa ca sa nu se depaseasca limita maxim admisibila de ±10%.

Figura 4. 13. Caracteristica ΔQ /ΔV a unei unitati de generare. 4.4.2. Controlul frecventei Reglarea frecventei este un proces ce stabilizeaza reteaua de putere prin mentinerea unui echilibru in orice moment intre puterea produsa si puterea ceruta de sarcini. Variatiile de sarcina duc la modificarea frecventei MR, in sensul cresterii sau scaderii fata de valoarea nominala de 50Hz. Deviatii mici ale frecventei nu produc influente negative mari in sistem, insa modificari mari ale acesteia pot provoca functionari defectuase ale echipamentelor si sarcinilor, si chiar pagube sau avarii in sistem. In prima faza dezechilibrele de putere sunt preluate de inertia generatoarelor aflate in miscare de rotatie. In continuare se impune utilizarea unui regulator automat care sa readuca echilibrul puterilor in sistem, si indirect sa restabilizeze frecventa. In sistemele energetice de putere mare acest lucru se obtine prin controlul puterii mecanice a motorului primar (turbina). Momentul de inertie foarte mare a generatoarelor de putere furnizeaza regulatorului de frecventa un timp mai mare ca sa actioneze. In schimb, in sistemele de mica putere sau izolate, nu se dispune de un moment de inertie asa mare, si ca urmare modificarile frecventei vor fi mult mai rapide.

50

De aceea, sistemele de mica putere trebuie sa aiba capabilitatea de raspuns rapid la deviatii ale frecventei. In acest sens MR functionand in regim autonom, dispun de sisteme de control automate a frecventei, bazate pe stocarea sau disiparea controlata a energiei, de scurta sau lunga durata. Astfel, modificarile rapide ale frecventei pot fi compensate intr-un timp foarte scurt, fara a produce dezechilibre majore in sistem. Controlul fluxului energetic se realizeaza cu ajutorul convertoarelor de putere, care pot avea diferite configuratii in functie de principiul de reglare utilizat. Acestea se mai numesc si regulatoare electronice de sarcina. Se intalnesc regulatoare automate a frecventei bazate pe elemente de stocare, cum ar fi baterii de acumulatoare, pile de combustie, baterii redox-flow, volante rotative, bobine supercondutoare, etc. Acestea au rolul de a stoca energia in momentele in care cererea este mai mica decat puterea furnizata de generatoare si de a furniza energie in MR in momentele de cerere mare. In figura 4.14 se prezinta o MR cu mai multe generatoare, consumatori si un dispozitiv de stocare, care asigura echilibrul puterilor in sistem, si astfel se poate mentine frecventa la valoarea nominala.

Figura 4. 14. Reglarea frecventei utilizând un dispozitiv de stocare O alta topologie de regulator de frecventa se bazeaza pe disiparea energiei furnizate in exces de generatoare, formandu-se un sistem hibrid de producere a energiei electrice si termice (cogenerare). Diferenta dintre puterea produsa de generatoarele cu surse regenerabile si cererea consumatorilor se disipa pe niste rezistente de putere. Controlul fluxului de putere se realizeaza cu un convertor de putere care poate avea diferite configuratii. Acesta mai poarta denumirea de sarcina de balast. Un astfel de sistem se prezinta in figura 4.15 in care puterea electrica este transferata catre trei rezistoare prin intermediul a trei convertoare de putere, care functioneaza pe princiupiul modularii impulsurilor in durata (PWM). Astfel, controlul fluxului energetic se realizeaza prin modificarea undei PWM, care comanda tranzistorele de putere. Filtru LC de la intrarea convertorului confera o atenuarea a armonicilor superioare introduse de functionarea convertorului.

51

Astfel, curentul absorbit de dispozitiv va avea un continut foarte redus de armonici superioare, contribuind la mentinerea calitatii puterii in MR. In vederea obtinerii unor performante ridicate in regim dinamic, sarcina de balast trebuie comandata prin intermediul unui regulator acordat la parametrii MR in care functioneaza. In acest sens se poate apela la metode clasice de acordare sau utilizand metode bazate pe controlul adaptiv . Utilizarea sarcinii de balast ca regulator de frecventa este o solutie de interes, mai ales in sistemele hibride de producere a energiei electrice si termice. Sarcina de balast poate fi utilizata pentru producerea de apa calda, sau intr-un sistem cu pompa de racire.

Figura 4. 15. Reglarea frecventei cu sarcina de balast Dezavantajul reglarii frecventei cu sarcina de balast este faptul ca se poate realiza controlul numai in momentele de surplus de putere in generatoare. In cazul in care sarcinile depasesc capacitatea generatoarelor sarcina de balast iese din functiune si frecventa nu mai poate fi controlata. Pentru a preveni aceste situatii se disting doua metode. Prima se bazeaza pe deconectarea selectiva a sarcinilor in functie de prioritati predefinite, iar cea de a doua se bazeaza pe utilizarea elementelor de stocare a energiei (baterii de acumulatoare, baterii redox-flow, pile de combustie, volante) pentru a asigura echilibrul energetic in perioadele in care cererea de putere depaseste capacitatea generatoarelor.

52

Utilizarea elementelor de stocare in sistemul de reglare a frecventei unei MR este o solutie foarte raspandita in sisteme cu surse de energie regenerabile. Combinatia element de stocare si sarcina de balast este o solutie mai putin intalnita, insa are unele avantaje tehnice si economice care nu pot fi neglijate. Astfel, in perioadele de surplus de putere, sarcina de balast regleaza frecventa si dispozitivul de stocare acumuleaza energie, iar in perioadele de deficit de putere sarcina de balast iese din functiune si dispozitivul de stocare injecteaza putere in MR pentru a mentine frecventa la valoarea nominala. Incarcarea celor doua regulatoare in functie de puterea in excess din sistem, este reprezentata in figura 4.16, in care PS, reprezinta puterea activa absorbita de elementul de stocare si PD puterea activa absorbita de sarcina de balast. Excesul de putere din sistem este definit prin puterea de referinta (PREF) furnizata regulatoarelor, care se imparte intre cele doua elemente (PS-REF si PD-REF). Astfel, daca PREF este mai mic decat puterea nominala a elementului de stocare (PS-NOM) acesta va absorbi tot excesul de putere pana cand se atinge incarcarea nominala a acestuia. Sarcina de balast va absorbi numai diferenta de putere care nu poate fi preluata de elementul de stocare.

Figura 4. 16. Repartizarea puterii active intre dispozitivul de stocare (Ps) si sarcina de balast (PD)

4.4.3. Compensarea armonicilor Principalelele surse de armonici superioare de curent sunt dispozitivele neliniare bazate pe electronica de putere, cum ar fi redresoarele, invertoare, convertoare diverse, dispozitive de comutatie, etc. Sarcinile neliniare modifica natura sinusoidala a curentilor de curent alternativ, astfel rezultund o circulatie de curenti armonici prin reteaua electrica care pot cauza interferente cu circuitele de comunicatie sau alte tipuri de echipamente sensibile la radiatii electromagnetice. Cand in astfel de circuite cu sarcini neliniare, sunt utilizate elemente de compensare a factorului de putere, cum ar fi bateriile de condensatoare, pot aparea conditii de rezonanta care vor duce la aparitia unor curenti distorsionati mari, rezultand nivele mari de armonici de tensiune. 53

In retelele de mare putere compensarea armonicilor se realizeaza cu filtre pasive, realizate sub forma de baterii RLC. Acestea au posibilitatea de a filtra o banda restransa de armonici, in functia de frecventa de rezonanta la care au fost acordate. Din punct de vedere tehnic, cea mai performanta solutie pentru controlul armonicilor intr-o retea, o reprezinta filtrul activ de putere, sau combinatie de filtru activ si pasiv. Aceste filtre pot garanta in acelasi timp atat imbunatatirea factorului de putere cat si diminuarea armonicilor superioare, respectiv a rezonantelor sistemului. Concluzii Sistemele autonome producatoare de energie electrica din surse regenerabile capata din ce in ce mai multa importanta, datorita impactului insignifiant asupra mediului si a tendintei generale de crestere a preturilor combustibililor fosili. Adesea, astfel de sisteme autonome se constituie in MR, care asigura alimentarea cu energie electrica (si cateodata si cu energie termica) a consumatorilor. Implementarea unui astfel de sistem implică insa numeroase probleme de ordin tehnic. Solutiile dintr-un sistem clasic de mare putere nu pot fi aplicate şi în sistemele de putere mică. Migratia sistemelor energetice catre generarea distribuita aduce si unele avantaje legate de autonomia si securitatea energetica a consumatorilor din zona de operare a acestor grupuri de generare. In acelasi timp cresterea numarului entitatilor generatoare de energie electrica cit si lipsa de semnificatie a puterii lor individuale pentru SEN, duce atit la imposibilitatea dispeceratelor de a prelua si prelucra informatia cit si la lipsa lor de interes, datorita puterilor relativ scazute implicate local. Sub forta evenimentelor in „Codul Tehnic al Retelelor de distributie” editat de S.C. Electrica S.A. se face distinctia intre grupurile generatoare dispecerizabile si nedispecerizabile. In acest context se dezvolta conceptul de

retele inteligente. Ideea este ca aceste

elemente generatoare distribuite sa se auto-conduca in conditii de stabilitate functionala pentru reteaua din care face parte. In acest fel dispeceratele SEN este degrevat de supravegherea surselor distribuite. Solutia de control a MR depinde in primul rand de structura acesteia, tipul surselor regenerabile implicate, caracteristicile consumatorilor, si nu in ultimul rand de factorul economic. Principala preocupare cand vine vorba de asigurarea calitatii energiei o reprezinta mentinerea tensiunii si frecventei in limite admisibile. In functie de structura sistemului se deosebesc diferite solutii de control a acestor parametrii. Un rol foarte important il joaca convertoarele electrice de putere, cu ajutorul carora se poate controla fluxul puterii din sistem.

54

Unul din avantajele de ordin tehnice al acestor sisteme este acela că pot fi implementate aproape de locul de consum, şi de cele mai multe ori transportul energiei se face pe distanţe foarte mici (cel mult câţiva km), aceasta producându-se direct la parametrii admişi de consumatori (ex. 400V/50Hz) , fără modificarea tensiunii, aşa cum se întâlneşte în cazul reţelelor de distribuţie de mare putere. Ca principal dezavantaj al MR functionand in regim autonom este dat de diferentele mari ce pot aparea la un moment dat intre capacitatea de producere si cererea consumatorilor. Curbele de sarcină pot prezenta variatii accentuate chiar şi într-un interval de câteva minute.

55

Capitolul 5. REŢELE ELECTRICE INTELIGENTE

Sistemele electroenergetice sunt supuse astăzi unor provocări ca urmare a progreselor tehnologice în domeniul surselor de energie regenerabilă, sistemelor de telecomunicaţie, electronicii de putere etc. Dezvoltarea unor surse noi de energie curată se produce pe fondul crizei energetice, a schimbărilor climatice şi a stimulentelor, de preţ, de pe piaţa de energie electrică. Conform Agenţiei Internaţionale a Energiei, consumul de energie electrică în Europa va creşte, până în 2030, cu o rată anuală de 1,4%, iar puterea instalată în surse de energie regenerabilă se va dubla, de la 13%, în prezent, la 26% în 203023. Se constată un ritm de creştere a consumului de energie electrică care solicită o disponibilitate crescută de putere în sursele de producţie. Companiile energetice din lume au în vedere creşterea eficienţei energetice, accelerarea producţei de energie regenerabilă si dezvoltarea tehnologiilor de tip SmartGrids – potrivit raportului global Deloitte Energy Predictions 2010. Conceptul Reţelelor Electrice Inteligente – SmartGrids a fost lansat în anul 2005 în cadrul Platformei Tehnologice Europene pentru Reţele Electrice ale Viitorului, a Programului Cadru 7 al Comisiei Europene. În viitorul apropiat SmartGrids sunt considerate un „Internet al energiei”, deoarece pun la dispoziţia consumatorului informaţii despre energie in timp real, dându-i astfel posibilitatea să facă alegeri inteligente. Reţeaua electrică inteligentă (Smart Grid) poate moderniza reţeaua actuală de electricitate, astfel încât să facă faţă cerinţelor societăţii secolului XXI. Se doreşte ca tranzitul către reţelele viitorului să se realizeze printr-o abordare integrată şi inovatoare pe plan tehnic, comercial şi de reglementare. 5.1. Conceptul de reţele electrice inteligente Dezvoltarea generării distribuite în reţelele de distribuţie clasice asigură creşterea gradului de continuitate în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor, optimizarea costului energiei electrice, încurajarea dezvoltării surselor de energie regenerabilă şi a celor cu emisii reduse, îmbunătăţirea nivelului de tensiune etc. Reţelele electrice au fost gândite să transfere energia electrică într-un singur sens, adică dinspre reţeaua de transport spre consumatorii finali, conectaţi la reţeaua de distribuţie.

23

www.smartgrids.eu

56

Odată cu introducerea unui număr cât mai mare de generatoare dispersate în reţea, circulaţia de puteri poate deveni bidirecţională, necesitând sisteme de protecţii mult mai complexe. Pe de altă parte, integrarea unui număr mare de generatoare distribuite atât în reţeaua de distribuţie cât şi în cea de transport creează probleme de reglaj al frecvenţei, iar uneori al tensiunii. Este, deci, necesară adaptarea reţelelor electrice pentru funcţionarea în condiţiile injectării de putere dinspre reţelele de distribuţie spre reţeaua de transport fără a conduce la restricţii de funcţionare. În plus, sunt necesare noi coduri tehnice şi protocoale de comunicare care să permită adaptarea reţelelor electrice pentru a face faţă noilor provocări. Totodată, pentru o funcţionare eficientă a reţelei electrice este necesară dezvoltarea sistemelor informaţionale, de calcul şi de telecomunicaţii care să contribuie la eficientizarea managementului tehnic şi economic al reţelei pentru îmbunătăţirea serviciului de furnizare a energiei electrice către consumatori. Dezvoltarea surselor eoliene se dovedeşte a fi cea mai facilă, dar şi mai puţin riscantă, cale de substituire a centralelor electrice ce funcţionează pe combustibili fosili. Fermele eoliene trebuie combinate cu surse de producţie hidroelectrice cu acumulare, care să permită echilibrarea producţiei şi consumului depăşind problemele, suplimentare în reţelele electrice, datorită caracterului aleatoriu al vântului. Se impune un sistem de management al consumului care se bazează pe dezvoltarea de strategii pentru modularizarea consumului local şi încorporarea unor sisteme automate de control local bazat pe măsurări electronice. Astfel de sisteme automate devin vitale companiilor de distribuţie în condiţiile în care puterea instalată în sursele distribuite conectate la reţea este din ce în ce mai mare. În concordanţă cu acţiunea de echilibrare a puterilor, în ultimii ani, s-a dezvoltat, conceptul de stocare a energiei,dezvoltarea surselor hidro pare a fi cea mai bună soluţie de stocare. De asemenea, se remarcă evoluţiile tehnologice în sisteme rotative inerţiale (cu o limită maximă recent anunţată de 20 MW) şi sisteme de stocare a energiei în baterii, care pot furniza puteri de ordinul zecilor de MW. Dezvoltarea acestor tehnologii a fost posibilă şi datorită evoluţiei electronicii de putere.

57

5.2. SMART GRIDS în viziunea UE şi SUA Ideea de reţea “inteligentă” sau “activă” apare ca o consecinţă a evoluţiei tehnologice care va conferi o flexibilitate crescută reţelei electrice şi va creşte calitatea serviciului de alimentare cu energie electrică a consumatorilor contribuind la îndeplinirea obiectivelor stabilite prin Strategia de la Lisabona. Retelele electrice inteligente (Smart Grids) sunt retele electrice care pot sa integreze în mod inteligent comportamentul şi acţiunile tuturor utilizatorilor conectaţi la această reţea – producători de energie, consumatori şi cei care produc şi consumă simultan, cu scopul de a asigura furnizarea eficientă, sustenabilă, economică şi în condiţii de securitate a energiei electrice24 În viitor, sistemul electroenergetic va fi împărţit între producţia centralizată şi producţia distribuită. Dezvoltarea noilor surse de energie şi a reţelelor de tensiune continuă a permis alimentarea cu energie electrică a unor zone izolate sau zone de munte, inaccesibile pentru reţelele clasice.

Figura 5. 1. Înglobarea generatoarelor distribuite în sistemele electroenergetice clasice Generatoarele distribuite nu vor fi singurele surse de producţie care vor alimenta consumatorii ci vor fi integrate în sistem. Astfel, reţelele electrice de medie tensiune şi de joasă tensiune vor deveni “active”, având capacitatea de a furniza servicii de sistem. 24

EPRI – The Integrated Energy and Communication Systems Architecture, Vol. IV, Technical Analysis,Electric Power Research Institute, 2004.

58

La nivelul reţelei de distribuţie, care în mod tradiţional este orientată către serviciul de furnizare şi alimentarea consumatorilor, apar noi practici precum dispecerizarea acestora, calcule de reţea în timp real etc., ce se găseau iniţial în activităţile operaţionale de la nivelul reţelei de transport. La nivelul reţelei de transport este necesară dezvoltarea unei noi strategii şi unor practici operaţionale care să permită o funcţionare descentralizată dar cu un control centralizat. O reţea inteligentă livrează electricitate de la furnizori la consumatori folosind tehnologie digitală cu comunicare pe două căi pentru a controla electrocasnicele din locuinţe cu scopul de a economisi energie, de a reduce costurile şi de a creşte fiabilitatea şi transparenţa serviciilor. Practic, conceptul Smart Grid foloseşte un sistem bidirecţional de comunicaţie pe suportul cablurilor electrice existente, soluţie care face posibil transportul de date din oricare punct al reţelei către dispeceratul central. „Legarea” sistemului actual de distribuţie a energiei electrice la „Smart Grid” se va face prin intermediul punctelor de transformatoare electrice, care sunt operate de un soft inovator. În casa oamenilor se vor schimba doar contoarele. Tehnologia de reţea inteligentă este un ansamblu de sisteme de control şi management al reţelei, de senzori şi mijloace de comunicare şi informare, care încorporează atât elemente tradiţionale, cât şi de ultima generaţie. Ea combină elemente de software şi hardware menite să îmbunătăţească semnificativ modul în care este operat sistemul electric actual, oferind în acelasi timp si posibilitatea modernizarii ulterioare. Prin urmare, Smart Grid nu presupune înlocuirea reţelei existente. (Potrivit: www.marketwatch.ro) Reţelele inteligente de tip Smart Grid pot furniza energie electrică folosind tehnologia digitală şi pot, de asemenea, să integreze energia provenită din surse regenerabile. În plus, consumatorii vor avea posibilitatea de a reduce consumul în timpul orelor cu consum maxim, adaptând cantitatea luată din reţea la nevoile personale. Se doreşte ca tranzitul către reţelele viitorului să se realizeze printr-o abordare integrată şi inovatoare pe plan tehnic, comercial şi de reglementare. Potrivit raportului global Deloitte Energy Predictions 2010, sunt două elemente care vor influenţa statusul Smart Grid în Europa Centrală şi de Est: o viziune pe termen lung referitoare la acest aspect în anumite ţări şi o legislaţie care să sprijine această viziune. Deşi unele din tendinţele prezentate în raport nu se pot aplica, poziţia geostrategică şi resursele de energie primară pot ajuta România să devină un jucător semnificativ în regiune, consideră analiştii Deloitte România, însă doar în condiţiile în care România va ţine pasul cu progresul tehnologic şi va reuşi să atragă finanţările necesare. Tehnologia Smart Grid poate revoluţiona industria prin scăderea consumului de energie cu până la 30%, ceea ce reduce şi necesitatea de a construi noi centrale electrice. 59

Figura 5. 2. Dezvoltarea sistemelor inteligente. Platforma de control a reţelei electrice inteligente trebuie să permită operatorului reţelei să întreprindă acţiuni de echilibrare a puterilor, eficiente din punct de vedere economic, utilizând sistemele de stocare pe perioadele de vârf ale curbei de sarcină. Eficienţa economică a acestor acţiuni se bazează pe calcule de optimizare a utilizării surselor de producţie şi pe controlul voluntar al sarcinii, în acelaşi timp cu un management corespunzător al congestiilor. În figura 5.2 este prezentată configuraţia unor reţelele electrice inteligente care,în viziunea EPRI, sunt constituite din două infrastructuri integrate: infrastructura pentru transferul energiei electrice (reţeaua electrică) şi infrastructura de transfer a informaţiilor25. Arhitectura de management industrială utilizează agenţi inteligenţi pentru interacţiunile manageriale, agenţii furnizând managerului informaţii de tip alerte sau mărimi electrice măsurate. În urma interacţiunii manageriale, managerul întreprinde acţiuni decizionale la nivel de element al reţelei sau pe ansamblul reţelei. Funcţiile manageriale industriale acţionează asupra:  reţele informaţionale, precum router, switch, hub şi conexiuni comunicaţionale  resurse de calcul, precum sistemele de automatizare din staţiile de transformare, servere de date sau servere pentru platformele de tranzacţionare ale pieţelor de energie electrică;  servicii software, precum SCADA, EMS sau componente GIS, precum şi sisteme de management al bazelor de date;

25

Comisia Europeană – Strategic Deployment Document for Europe’s Electricity Networks of the Future,Platforma Tehnologică Europeană SmartGrids, 2008.

60

 servicii şi funcţii de business, precum servere de management al tarifării, securităţii sau politicii operaţionale;  sisteme de stocare

CONCLUZII Ca urmare a schimbărilor ce se produc la nivelul reţelei de distribuţie, se constată o tendinţă de orientare şi către utilizator nu numai asupra reţelei electrice,în ansamblul ei. Această este o caracteristică a reţelelor electrice inteligente, care vor asigura o securitatea în funcţionare şi calitatea energiei electrice precum şi facilitarea conectării la reţea a surselor de energie regenerabilă. Conform viziunii lansată la nivel european se impune accelerarea producţiei de energie regenerabilă şi a sistemelor de stocare care pot rezolva problemele legate de tendinţa ascendentă a costului producerii energiei pe bază de resurse fosile care implică, bineâţeles, un efortul economic pe care îl implică procesul de întărire şi modernizare a reţelelor electrice Se constată,tendinţa de inovare a sistemelor de transport, în special în domeniul autovehiculelor, prin orientarea acestora către funcţionarea pe energie electrică, în condiţiile înlocuirii combustibililor de natură petrolieră, cu o adaptare corespunzătoare a reţelelor electrice. Viziunea europeană, asupra dezvoltării reţelelor electrice din Europa, în viitorul apropiat, constituie o bază pentru cercetare, dezvoltare şi programe demonstrative cu finanţare Europeană dar şi locală. Susţinerea învăţământului condiţionând progresul tehnologic, se impune adaptarea acestuia la noile cerinţe,actualizarea programelor de studiu prin includerea viziunii asupra reţelelor inteligente şi sincronizarea tematicilor de cercetare lansate în cadrul programelor naţionale cu obiectivele stabilite în cadrul viziunilor europene.

61

BIBLIOGRAFIE 1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabilă 2. Directive 2001/77/EC of the European Parliament and of the Council of 27 September 2001 on the promotion of electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market, Official Journal of the European Communities, L 283/33. 3. Ackerman, T, Andersson, G and Söder, L. Distributed Generation: A Definition, Electric Power System Research 57 (2001) 195-204. 4. Van Werven, M J N, and Scheepers, M J J. DISPOWER, The Changing Role of Energy Suppliers and Distribution System Operators in the Deployment of Distributed Generation in Liberalised Electricity Markets, Report ECN-C—05- 048, June 2005 (http://www.ecn.nl/library/reports/index.html). 5. CADER, California Alliance For Distributed Energy Resources (http://www.cader.org). 6. Valentin Arion, Strategii și politici energetice (Uniunea Europeana și Republica Moldova). Editura Universul, Chişinău, 2004. 7. H. Lee Willis, Walter G. Scott. Distributed Power Generation. Planning and Evaluation. Marcel Dekker, Inc. New York, 2000. 8. http://projekter.aau.dk/projekter/files/52595515/Report_Angel_Fern_ndez_Sarabia.pdf 9. http://www.engineering.upm.ro/master-ie/mse/mat_did/elen087/curs/Cap4.pdf 10. http://www.eng.uwo.ca/people/tsidhu/Documents/DG%20Protection%20V4.pdf 11. http://www.indjst.org/index.php/indjst/article/view/30172/26109 12. http://www.ramp.ase.ro/_data/files/articole/6_04.pdf 13. http://www.powersystem.org/docs/publications/dg-resouces-connected-to-ds.pdf 14. http://www.pes-psrc.org/Reports/wgD3ImpactDR.pdf 15. www.regielive.ro/ Note de curs “Sisteme energetice inteligente” 16. Lucian TOMA, Mircea EREMIA, Constantin BULAC, Universitatea “Politehnică ” din Bucureşti, O viziune asupra reţelelor electrice inteligente 17. www.sier.ro/Articolul_8.1.pdf 18. www.sier.ro/Articolul_8.3.1.pdf 19. www.sier.ro/Articolul_8.3.2.pdf 20. www.smartgrids.eu

62