Paper Title (use style: paper title)

Транскрипт

1 Ефикасно интегрисање дистрибуираних генератора у дистрибутивне мреже Контрола напона и планирање мреже Аутор: Милан Рсовац Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, електроенергетика, школска 2013/2014 Ментор рада: др Владица Мијаиловић, редовни проф. Резиме Овај рад разматра утицај дистрибуираних генератора на токове активних и реактивних снага у дистрибутивним мрежама ниског и средњег напона, као и различите методе контроле напона у ТС ВН/СН, као и планирање дистрибутивних мрежа. Дат је практичан пример на генеричком моделу мреже.у раду су, такође, дати планови истраживања и развоја дистрибутивних мрежа будућности, могуће користи и недостаци. Кључне речи дистрибуирани генератори, дистрибутивне мреже, токови активне и реактивне снаге, паметне мреже 1 УВОД Дистрибутивне мреже су још од почетка испланиране и изграђене за поуздано снабдевање потрошача, а не за прикључивање генератора. Ток снагe о овим мрежама је од ТС до потрошача, а напонски профил је такав да се напон смањује од ТС до потрошача, и узима се у обзир када се пројектује мрежа. Када је инсталирана снага дистрибуираних генератора мања од потрошње, смањује се оптерећење у мрежи, али се не мењају токови снага у мрежи. У случају када инсталирана снага ДГ постане већа од потрошње, долази до промене смера токова снага у мрежи, што може довести до недозвољено високог напона у одређеној тачки у мрежи, обично ТС ВН/СН, где је највиши напон очекиван. Друго поглавље овога рада бави се начином на који дистрибуирани генератори утичу на мреже ниског и средњег напона. Прво су разматране физичке карактеристике ДГ, затим регулативе и прописи при прикључењу ДГ који се користе у земљама Европске Уније, посебно је дат акценат на регулативе и прописе који се користе у Шведској. На крају, дато је неколико практичних примера на генеричком моделу мреже. У трећем поглављу представљене су методе контроле напона. Најраспрострањеније методе контроле напона у дистрибутивним мрежама су коришћење регулатора напона под оптерећењем и контрола тока реактивне снаге. Четврто поглавље овог рада бави се планирањем дистрибутивних мрежа. Дат је увод у планирање мрежа, захтеви и ограничавајући чиниоци. На крају овог поглавља дат је и пример одређивања снаге ДГ, са напоном као ограничавајућим фактором. У петом поглављу рада дата је метода 5 корака. Прикључивање ДГ са не гарантованонм снагом доводи до одређених ограничења, барем у одређеним временским интервалима. У овом поглављу дат је акценат на напонским ограничењима. У шестом поглављу рада анализирана је будућност дистрибуције електричне енергије: паметне мреже, стање развоја, корист, и планови истраживања. 2 ДИСТРИБУИРАНИ ГЕНЕРАТОРИ У ДИСТРИБУТИВНИМ МРЕЖАМА Прикључењем ДГ на дистрибутивне мреже, утиче се на мрежу на неколико начина. Најочигледније су промене у току активне и реактивне снаге. Стога, неки огранци мреже могу бити више оптерећени, а на другима се може јавити смањење опререћења. Као последица промењених токова снага, јављају се промене у напонима и губицима у мрежи, који зависе од параметара самог вода, као и од количине активне и реактивне снаге која се преноси. Различити типови водова су доступни у литератури. Најчешћи су Т-модел и π-модел, приказани на сликама 2.1 и 2.2.Ова два модела разликују се по положају оточне адмитансе. Код π-модела сваки сегмент једног дужег вода своди се на три компоненте: серијску импедансу, серијску реактансу и оточну адмитансу. 2.1 Т-еквивалент вода средње дужине ( км)

2 2.2 π -еквивалент вода средње дужине ( км) Уобичајени параметар који се користи како би се описале карактеристике неког вода је однос између серијске реактансе и серијске резистансе X/R. У зависности од типа вода однос X/R се креће у распону мањем од 1 и већем од 10. Овај однос се повећава са номиналним напоном вода и већи је за надземне водове. Надземни водови су обично заступљени у руралним областима, док су подземни водви заступљени у урбаним областима. 2.1 Граничне вредности напона Напон у мрежи је важан критеријум квалитета, посебно у дистрибутивним мрежама, на које су прикључени потрошачи. Како би се осигурао правилан рад опреме и потрошача прикључених на дистрибутивне мреже, постављени су стандарди по питању вредности напона у мрежи на месту прикључка потрошача. Дуж вода имамо пад напона V. Он је дат у (1), и зависи од активне I p и реактивне I q компоненте струје, као и од резистансе R и реактансе вода X. V ( I ji )( R jx) RI jri jxi XI ( RI XI ) j( RI XI ) (1) p q p q q q p q q q Обично, струја дуж вода није дата, али се одређује на основу снаге која се преноси. Како би на основу снаге израчунали струју, напон на почетку вода Vr се користи као референца. Дакле, струја I се рачуна према: * S P jq I I p jiq (2) V V r Дакле, пад напона дуж вода зависи од количине активне и реактивне снаге која се преноси дуж вода, при чему се као референца користи напон на почетку вода: r V 1 ( RP XQ ) j ( XP RQ ) (3) V r У преносним мрежана високог напона, где је често однос X / R већи од 10, омска отпорност вода је занемарљива, и сматра се да пад напона дуж вода зависи једино од преноса реактивне снаге. У дистрибутивним мрежама ниског и средњег напона где X / Rима вредност 1 или чак и мање, омска отпорност вода се не може занемарити. Дакле, у овим мрежама, на пад напона утицаће и пренос активне снаге. 2.2 Граничне вредности струје Термичка ограничења водова, ограничавају количину снаге коју ДГ може да инјектира у постојећу мрежу. У нормалном режиму рада ток снаге у дистрибутивној мрежи је од ТС до потрошача. Када је снага коју ДГ инјектира у мрежу мања од потрошње ток снага остаје непромењен, али се смањује линијско оптерећење дуж вода. Међутим, када је снага коју ДГ инјектира у мрежу, већа од потрошње, онда може да дође до промене смера токова снага. У том случају може да се прекорачи оптерећење вода, у односу на оно које се има код максималне оптерећености вода, када није промењен тог снага, дато према формули: S S S (4) gen.max. opt.min. opt.max. Термичка ограничења зависе од максималне дозвољене температуре вода, која је одређена карактеристикама изолационог материјала. Разликују се за надземне и подземне водове. 2.3 Г убици у мрежи Губици у оточним елементима нису разматрани у овом раду, јер они не зависе од промене смера токова снага, узрокованих ДГ. Губици активне и реактивне снаге у редним елементима трофазног вода се рачунају према: P Q Pgub, s 3RI R R V V P Q Qgub, s 3XI X X V V Губици реактивне снаге, такође, могу утицати на промене смера токова снага у мрежи. (5) (6)

3 2.4 Регулативе и правила рада мреже При прикључењу ДГ, неколико регулатива и стандарда се мора узети у обзир. У овом раду, акценат је дат на регулативе и прописе који се користе у европским земљама, посебно на оне у Шведској. ЕN50160 је европски стандард који дефинише вредност напона на месту прикључка потрошача. Према овом стандарду, код дугорочних напонских варијација, напон мора да буде у опсегу 10% у односу на назначену вредност напона, током 95% времена, при чему се испитивање врши назначеном вредношћу напона, а према стандарду. За разлику од овог стандарда могу постојати и оштрије регулативе и прописи на националном нивоу. У Шведској варијације напона настале прикњучењем ДГ-а, снаге до1.5 MW не би требало да буду преко 2.5%. У Немачкој се користи стандард VDE-AR-N-4105, према којем се разликују дозвољене варијације напона за нисконапонску и средњенапонску мрежу. У нисконапонској мрежи варијације напона не би требало да буду веће од 3%, а у средњенапонској мрежи највећа дозвољена вредност варијације напона је 2%. 2.5 Генерички модел мреже Мрежа на слици 2.3 напаја се трансформатором 130/10 kv/kv, вредности базног напона и базне снаге су Vb 10 kv и Sb 1 MVA. Трансформатор у напојној станици је снаге 10 MVA, и опремљен је регулатором напона под оптерећењем OLTC који има 9 корака, са величином корака 1.67%, тј р.ј. Напон на СН страни ТС може да варира у опсегу између 0.85 р.ј. и 1.15 р.ј. (чвор 2), при чему је вредност напона на ВН страни 1.0 р.ј. Сваки део вода између чворова је исте дужине од 2 km, и истог типа кабла AXCEL 3*95/25. У генеричкој мрежи сматра се да су оптерећења константна и да не зависе од напона у мрежи. Импеданса краткој споја и сваком чвору генеричке мреже једнака је збиру постојећих импеданси преносних водова, енергетских трансформатора, и водова СН мреже. 2.3 Шематски приказ генеричке дистрибутивне мреже, са три типа карактеристичних водова: вод чистог оптерећења, вод чистог генерисања, и мешовити вод-оптерећење и генерисање За огледни систем узима се да је фактор снаге cosφ=0.95(ind.), па за сваки MW преузете активне снаге, преузета реактивна снага се рачуна из израза: Q opt P P tg tg( a cos ) MVar (7) Максимално линијско оптерећење за дати тип кабла износи Imax=205А, за температуру проводника 65 C, па је максимална привидна снага Smax која се може пренети за сваки линијски одређује према: S 3V 4 max nom Imax MVА (8) 3 Дакле, при фактору снаге cosφ=0.95(ind.), максимална активна снага која се може пренети кроз водове је P =3.37 MW, а максимална реактивна снага је Q =1.11 MVar. Потребно је напоменути да је кроз водове, у кратким временским интервалима, могуће пренети и веће снаге. 3 МЕТОДЕ КОНТРОЛЕ За поуздано снабдевање у дистрибутивним системима, напон у мрежи представља кључни параметар, па су развијене различите методе контроле напона, коришћењем одређене опреме, или променом тока реактивне/активне снаге. Најчешће методе контроле напона су коришћење регулатора напона под оптерећењем и промена тока реактивне снаге, док су смањење активне снаге и контрола оптерећења ретко у употреби.

4 3.1 Регулатори напона под оптерећењем Регулатор напона под оптерећењем OLTC је механички уређај инсталиран у трансформаторе у ТС ВН/СН, а напон се мења променом пропорција примарних и секундарних намотаја. Обично, промена настаје у промени броја навојака примарног намотаја, без прекида напајања. Регулацију је могуће вршити у широком опсегу напона. Главне мане овог уређаја су спор рад и хабање контактних делова урађаја. Типичан регулатор напона под оптерећењем има 9 корака са величином корака 1.67%. Дакле, регулација напона се врши у опсегу 15%. Рад OLTC-а је најчешће аутоматизован, и контролишу се релејима аутоматске контроле напона, AVC релејима. Највећи део регулационог опсега користи се за спречавање поднапона у случају великог оптерећења, а најмањи део регулационог опсега користи се за спречавање недозвољено високих напона, у случајивима када је снага коју ДГ инјектира у мрежу већа од оптерећења у мрежи. 3.2 Контрола напона помоћу реактивне снаге У преносним мрежама контрола реактивне снаге представља главну методу контроле напона. У ту сврху користе се кондензатори и реактансе са прекидачем, као и уређаји енергетске електронике. Али исто тако кондензатори и реактансе инсталирани у ТС ВН/СН користе се за компензацију реактивне снаге и контролу напона. Ови уређаји се према потреби искључују и укључују, да би се контролисао напон на дневној или сезонској бази. За контролу реактивне снаге користе се STATCOM и слични уређаји. У неким случајевима ДГ-и прикључени преко пуно управљивих енергетских уређаја могу да се користе као контралабилни извори реактивне снаге. Међутим ова могућност се ретко користи, јер ДГ обично раде са јединичним фактором снаге, дакле инјектирају само активну снагу у мрежу. 4 ПЛАНИРАЊЕ ДИСТРИБУТИВНИХ МРЕЖА За целокупно планирање електродистрибутивних система користи се неколико регулатива, упустава и препорука. Регулативе могу да се разликују у различитим земљама, нпр. док су у једној земљи обавезне и другој могу бити препоруке. Радни век дистрибутивних система, или неких његових компоненти је година. У овом раду нису разматране регулативе и прописи дати у појединим земљама, већ пројектовање мреже у погледу контроле напона, термичких ограничења и губитака у мрежи. 4.1 Ограничавајући чиниоци Ограничавајући чиониоци при пројектовању мрежа везани су за напон, термичка ограничења компоненти и губитке у мрежи. Ова ограничења примењују се на следеће компоненте система: водове и трансформаторе. Као факторе ограничења треба размотрити и термичко напрезање компоненти у кратком споју и снабдевеност резервама. Трансформатори у ТС служе за ограничавање максималне снаге која може да се пренесе кроз ТС до потрошача. Ограничавајући фактор су термички губици који напрежу изолацију, и ако се прекораче значајно смањују радни век трансформатора. Трансформатори могу да поднесу преоптерећеност од 140% у зимском периоду у оређеним временским интервалима, и до 130% номиналне снаге у летњем периоду. Директан критеријум капацитета преноса водова је термичко ограничење, а промене напона дуж вода су други критеријум за димензионисање. У пракси су и губици у мрежи ограничавајући фактор у економичном преносном капацитету водова, али они нису доминантан фактор при димензионисању. Дакле, при димензионисању треба наћи компромис између термичких ограничења и губитака. Три основна правила при пројектовању дистрибутивних водова су: 1) преносни капацитет кабла би требало да буде висок бар колико и вредност струје при максималном оптерећењу; 2) горња граница напона не би требало да се прекорачи ни због једног потрошача; 3) доња граница напона не би требало да се прекорачи ни због једног потрошача. 4.2 Пример одређивања снаге ДГ-а, са напоном као ограничавајућим фактором На слици 2.4 је дат СН вод са мешовитим оптерећењем и ДГ прикљученим на ТС преко трансформатора који има у себи уграђен OLTC регулатор 2.4 Мешовити СН вод са мешовитим оптерећењем и ДГ прикљученим на ТС преко трансформатора који има у саставу OLTC регулатор

5 ДГ са назначеном снагом 1.5 MW, што одговара снази од 1.5 р.ј. при Sb 1MVA, треба прикључити на вод где је прикључено и оптерећење, а дугорочне напонске варијације не би требало да прекораче 2.5% по тренутним препорукама. За OLTC регулатор са величином корака 1.67%, и мртвом зоном од 20%, варијација напона се рачуна према: Vkor 1.2 Vdb 1.0% (9) 2 Ова вредност мора бити додата на вредност пораста напона услед преноса снаге. Пораст напона на месту прикључења ДГ рачуна се према: V RP XQ 3.8% (10) V DG 2 1 V1 Дакле укупне напонске варијације на месту прикљука исносе V Vdb VDG 4.8%. Дакле, у овом случају не би требало прикључивати ДГ на мрежу, Решење би могло да буде изградња новог вода, а алтернатива повећање попречног пресека вода, као би се смањио пораст напона дуж вода. Један од начина смањења пораста напона дуж вода је и потрошња реактивне снаге. Потребна потрошња реактивне снаге се рачуна према : VV Q 1.22 MVar (11) X Дакле, ДГ треба да потроши 1.22 Mvar да би се напонске варијације задржале у границама 2.5%, међутим према садашњим препорукама размена реактивне енергије није препоручњива. 5 МЕТОДА ПЕТ КОРАКА Прикључивње ДГ са не гарантовамом снагом може да доведе до одређених ограничења, бар у одређеним временским интервалима. Та ограничења су везана са варијације напона, топлотни капацитет вода и губитке. У овом раду акценат је дат на варијације напона. Треба одредити снагу ДГ, који треба да се прикључи на одређену тачку у мрежи, узимајући у обзир смањење активне снаге у том случају. Дакле, треба ограничити капацитет ДГ, да не би дошло до промене смера токова снага. 5.1 Улазни подаци За ову методу, за улазни податак, потребни су временски профили производње и потрошње, као и неки параметри мреже. Међутим, потребан је и потпун модел мреже, као и временски интервали токова снага. Овом методом се штеди време за припрему модела мреже и времена подешавања. Циљ је да се смањи број улазних параметара, и да се акценат стави на оне најбитније. Дакле, код ове методе кључни су следећи параметри: 1) профил производње; 2) профил потрошње; 3) импеданса кратког споја на месту прикључења ДГ-а; 4) подаци о максималном оптерећењу; 5) вредност напона када је оптерећење максимално. 6 БУДУЋНОСТ ДИСТРИБУЦИЈЕ: ПАМЕТНЕ МРЕЖЕ, СТАЊЕ РАЗВОЈА, КОРИСТ, И ПЛАНОВИ ИСТРАЖИВАЊА Дистрибутивни системи подложни су великим променама, у зависности од многобројних чинилаца као што су либерализације енергенског тржишта, захтеви за смањењем загађења животне средине, обновљиви извори енергије, пораст тзв. расподељене производње, повећање енергетске ефикасности и др. 6.1 Расподељена производња- могућа корист и проблеми Предности РП су: флексибилност и располагање оптерећењем, покривеност локалних пикова, диверзификација набавке енергетских ресурса, већа могућност експлоатације обновљивих извора енергије, смањење губитака и др.мане РП су: повећање струја кратког споја, појава нежељеног острвског рада, повећана сложеност система аутоматизације и заштите, и повећана сложеност контроле напона. 6.2 Текући сценарио и будућа еволуција дистрибутивних система:паметне мреже Класичне дистрибутивне мреже карактерише радијална топологија и једносмерни ток снаге, док уколико је присутна РП онда се има вишесмерни ток снага. Услови које ове мреже треба да испуне су већа поузданост кроз имплементацију свих најнапреднијих дистрибутивних аутоматских функција, усвајање напредних комуникационих технологија и аутоматске контроле, коришћење различитих технологија за производњу и складиштење енергије и др. Да би се реализовали ови захтеви неопходно је у дистрибутивним мрежама применити SCADA системе, при том развијајући и унапређујући посматрање система преко одговарајућих сензора, система преноса података, као и аутоматизацију система и даљинску контролу.

6 6.3 Модели паметних мрежа Активне мреже- мреже које не учествују само у снабдебању крајњих корисника, већ и у контроли снаге коју захтевају потрошачи, или производе генератори. Први ниво је једноставна локална контрола производње у прикључним тачкама, други ниво представља потпуну контролу за све расподељене енергетске ресурсе у контролисаном подручју, и трећи ниво представља стварање јаке повезане структуре са међуподелом на локалне области које које узимају учешће на тржишту продајући или купујући енергију. Микро мреже-су скуп генератора, оптерећења и система складиштења повезаних и способних да раде независно од електричне мреже и да интерно, по потреби, инјектирају снагу у мрежу. Микро мрежа је опремљена локалним контролним системом који контролише размену енергије између оптерећења, генератора, и спољне дистрибутивне мреже. Виртуелне електране-треба да остваре оптимално управљање и контролу сета расподељених енергетских ресурса у ком су сви генератори, оптерећења и системи складиштења расподељени на основу захтева енергетског тржишта. Циљ ових мрежа је да крајњи корисници активно учествују у контроли система. 6.4 Међународни истраживачки пројекти у области пројектовања паметних мрежа Европска платформа технологије паметних мрежа представља документ стратегијског развоја европских електричних мрежа у будућности. Приоритетне области ове платформе су: 1) оптимизација управљања мрежама; 2) оптимизација мрежне инфраструктуре; 3) информациона комуникациона технологија; 4) широка примена расподељене производње; 5) активне преносне мреже; 6) нова тржишта, корисници, енергетска ефикасност. 7. ЗАКЉУЧАК Како се залихе основних енергената, као што су нафта, угаљ и гас, непрестано смањују то ће присуство дистрибуираних генератора у дистрибутивним мрежама у будућности бити све веће. Ова врста производње има позитиван утицај на електроенергетски сектор, јер представља производњу из обновљивих извора енергије. Њихово присуство може довести до одређених промена у самој конфигурацији мреже, јер су традиционалне мреже планиране за једносмерни ток снаге од ТС ВН/СН до потрошача, а присуством ДГ у неким случајевима може доћи до промене смера токова снага, у зависности од производње ДГ и оптерећења у мрежи. Најнеповољнији случај се јавља када је производња ДГ велика, а оптерећење у мрежи мало. Прикључењем ДГ дистрибутивни систем постаје активан, што може да угрози досадашљу праксу управљања мрежом и усвојену концепцију планирања и пројектовања. Веће присуство ДГ доводи до повећане сложености целог система, нарочито система за аутоматизацију, контролу и заштиту, повећања струја кратког споја, као и до могућности појаве нежељеног острвског рада. Предности су већа флексибилност мреже, већа могућност експлоатације ОИЕ, "одсецање" локалних пикова, смањење губитака, смањење оптерећења преносних капацитета и др. Могућности прикључења ДГ на мрежу процењују се на основу њиховог негативног утицаја на систем. Назначена снага прикључених ДГ зависи од назначеног напона и места на коме се они прикључују на дистрибутивну мрежу. Ове вредности се одређују по критеријуму термичког оптерећења елемената система и по критеријуму максималних вредности напона у мрежи. Дистрибутивни системи и њихово планирање подложни су великим променама у зависности од разних чинилаца, као што су либерализација енергетског тржишта, нова и сложена политика владе, смањење загађења животне средине, повећање енергетске ефикасности, стварања тзв. паметних мрежа. Паметне мреже представљају потребан напредак постојећих мрежа у смислу примене аутоматизације, и већег нивоа примене информационих и комуникационих технологија ради повећања квалитета енергије при чему се гарантује безбедност и енергетска ефикасност у снабдевању електричном енергијом. 8. ЛИТЕРАТУРА [1] K. Knaus, C. Warren and D. Kearns An Innoative Approach to Smart Automation Testing at National Gird, Transsmision and Distribution Conference and Exposition (T&D), 7-10 May 2012, pp1-8 [2] P. Chiradeja, Benefit of Distributed Generation: A Line Loss Reduction Analysis, Transmission and Distribution Conference and Exhibition, Asia and Pacific, Bangkok 2005, pp.1-5 [3] Ingmar Leisse, Efficient Integration of Distributed Generation in Electricity Distribution Networks, Voltage Control and Network Desing, Lund University [4] C. Eu European Smartgrids Technology Platform-Vision and Strategy for Europe Electricity Networks of the Future, Eoropean Comission, 6-8 September [5] M. Samotyj and B. Howe, Creating Tomorrow Intelligent Electric Power Delivery System, 18 th International Conference and Exhibiton of Electricity Distribution,Paolo Alto, 6-9 June 2005, [6] Владица Мијаиловић, Дистрибуирани извори енергије-принципи рада и експлоатациони аспекти,академска мисао, Београд 2011

7