SVEUČILIŠTE U ZGREBU FKULTET ELEKTROTEHNIKE I RČUNRSTV DIPLOMSKI RD br. 1544 MODELIRNJE LBORTORIJSKE MIKROMREŽE Dunja Kunštek Zagreb, lipanj 2017.
Sadržaj 1. Uvod... 1 2. ETP... 3 2.1. Konfiguracija generatora... 4 2.2. C proračun tokova snaga u programu Etap... 5 2.3. Metode proračuna... 5 2.3.1. Metoda Newton-Raphson... 5 2.3.2. Prilagodljiva Newton-Raphson metoda... 6 2.3.3. Brza razdvojena Newton-Raphson metoda... 7 2.3.4. Ubrzana Gauss-Seidel metoda... 8 2.4. DC proračun tokova snaga u programu Etap... 9 2.4.1. Metoda proračuna tokova snaga... 10 2.4.2. Metoda Newton-Raphson... 11 3. Laboratorij električnih postrojenja... 12 3.1. Dijelovi mikromreže... 14 3.2. Laboratorij u budućnosti... 17 3.3. Model mikromreže u programu Etap... 19 4. naliza izmjenične mikromreže... 21 4.1. Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja je spojena na ostatak EES-a... 22 4.2. Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja nije spojena na ostatak EES-a... 24 4.3. Tokovi snaga i padovi napona za mikromrežu kojoj hidroelektrana nije u funkciji... 26 4.4. Tokovi snaga i padovi napona za različite snage hidroelektrane... 28 iv
4.5. Tokovi snaga i padovi napona za različite snage fotonapona... 32 5. Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži... 36 5.1. HE snage 10 kw, FN snage 5 kw 1. slučaj... 38 5.2. HE snage 3 kw, FN snage 5 kw 2. slučaj... 38 5.3. HE snage 7 kw, FN snage 5 kw 3. slučaj... 40 5.4. HE snage 12 kw, FN snage 5 kw 4. slučaj... 40 5.5. HE snage 15 kw, FN snage 5 kw 5. slučaj... 41 5.6. Ukupni gubici... 42 5.7. HE snage 7 kw, FN nije u finkciji 6. slučaj... 43 5.8. HE snage 7 kw, FN snage 3 kw 7. slučaj... 44 5.9. HE snage 7 kw, FN snage 8 kw 8. slučaj... 45 5.10. HE snage 7 kw, FN snage 10 kw 9. slučaj... 45 5.11. Ukupni gubici... 47 6. Istosmjerni dio mikromreže... 48 7. Zaključak... 50 8. Literatura... 52 v
Popis oznaka i kratica C VR DC EES eng FN GGS GIS HE OLD TE UGS UPS alternating current utomatic Voltage Regulator direct current elektroenergetski sustav engleski fotonapon Ground Grid Systems geographic information system schematics hidroelektrana one-line diagrams termoelektrana underground cable raceway systems Uninterruptible Power Supply vi
Popis tablica Tablica 1. Parametri termoelektrane... 14 Tablica 2. Parametri hidroelektrane... 15 Tablica 3. Parametri fotonaponskog panela... 16 Tablica 4. Parametri baterije... 16 Tablica 5. Parametri aktivne mreže... 16 Tablica 6. Parametri vodova... 17 Tablica 7. Prikaz korištenih snaga HE i FN i ukupnih tereta... 42 Tablica 8. Prikaz korištenih snaga HE i FN i ukupnih tereta... 47 Tablica 9. Pregled promatranih slučajeva... 50 vii
Popis slika Slika 1. Jednopolna shema mikromreže... 12 Slika 2. Model mikromreže modeliran u programu ETP... 19 Slika 3. Model DC dijela mikromreže modeliran u programu ETP... 20 Slika 4. Prikaz tokova snaga za 1. slučaj - bazni proračun... 22 Slika 5. Prikaz iznosa napona za 1. slučaj - bazni proračun... 23 Slika 6. Prikaz padova i porasta napona za 1. slučaj- bazni proračun... 23 Slika 7. Prikaz tokova snaga za 2. slučaj otočni rad... 24 Slika 8. Prikaz iznosa napona za 2. slučaj otočni rad... 25 Slika 9. Prikaz padova i porasta napona za 2. slučaj otočni rad... 25 Slika 10. Prikaz tokova snaga za 3. slučaj HE nije u funkciji... 26 Slika 11. Prikaz iznosa napona za 3. slučaj HE nije u funkciji... 27 Slika 12. Prikaz padova i porasta napona za 3. slučaj HE nije u funkciji... 27 Slika 13. Prikaz tokova snaga - HE snage 5 kw... 28 Slika 14. Prikaz iznosa napona - HE snage 5 kw... 29 Slika 15. Prikaz padova i porasta napona - HE snage 5 kw... 29 Slika 16. Prikaz tokova snaga- HE snage 15 kw... 30 Slika 17. Prikaz iznosa napona HE snage 15 kw... 31 Slika 18. Prikaz padova i porasta napona - HE snage 15 kw... 31 Slika 19. Prikaz tokova snaga kada FN nije u funkciji... 32 Slika 20. Prikaz iznosa napona kada FN nije u funkciji... 33 Slika 21. Prikaz padova i porasta napona kada FN nije u funkciji... 33 Slika 22. Prikaz tokova snaga za FN snage 11 kw... 34 Slika 23. Prikaz iznosa napona za FN snage 11 kw... 34 Slika 24. Prikaz padova i porasta napona za FN snage 11 kw... 35 Slika 25. Predviđeni dnevni gubici u mikromreži... 37 Slika 26. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 1. slučaj... 38 Slika 27. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 2. Slučaj... 39 Slika 28. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 3. slučaj... 40 Slika 29. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 4. slučaj... 41 Slika 30. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 5. Slučaj... 41 Slika 31. Ukupni gubici po slučajevima... 43 Slika 32. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 6. slučaj... 44 viii
Slika 33. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 7. slučaj... 44 Slika 34. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 8. slučaj... 45 Slika 35. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 9. Slučaj... 46 Slika 36. Ukupni gubici po slučajevima... 47 Slika 37. Prikaz DC proračuna tokova snaga i iznosa napona... 49 ix
Uvod 1. Uvod Mikromreža jest elektroenergetska mreža koja objedinjuje (distribuirane) izvore energije, trošila te spremnike energije. Bitno obilježje mikromreže jest da može raditi samostalno, odnosno u otočnom radu u odnosu na preostalu makro elektroenergetsku mrežu, ali je i povezana s tom mrežom u točci interkonekcije. Mikromreža omogućuje operatoru sustava da tehnički i ekonomski prema njoj pristupa kao cjelini, tj. jednom upravljivom entitetu pri čemu ne mora brinuti o pojedinim njezinim sastavnicama. Mikromreža povećava pouzdanost opskrbe, poboljšava kvalitetu električne energije (održavanje konstantnog napona te smanjenje padova napona), te potencijalno može smanjiti cijenu opskrbe energijom krajnjeg korisnika. Izvori, spremnici i trošila energije, kao sastavne komponente mikromreže mogu biti povezani međusobno putem istosmjernog ili izmjeničnog međukruga te tako tvoriti istosmjernu ili izmjeničnu mikromrežu. Unutar mikromreže se integriraju različiti distribuirani izvori energije pri čemu redovito obnovljivi izvori energije zauzimaju visoki udio (fotonaponske ćelije, manji vjetroagregati, male hidroelektrane, gorivni članci i sl., ali i dizelski generatori, kogeneracijski sustavi itd.). Ovdje je važno naglasiti da obnovljivi izvori energije nisu u punom smislu riječi upravljivi izvori energije. Sljedeća bitna sastavnica mikromreže su sustavi za pohranu električne energije, tzv. spremnici energije (engl. Eletrical Energy Storage) koje generalno možemo podijeliti po tipu pohrane energije na : 1. Elektrokemijske (baterije) 2. Kemijske (vodik) 3. Mehaničke (akumulirana voda reverzibilnih elektrana, zamašnjaci, komprimirani zrak) 4. Električne (superkondenzatori) 5. Toplinske (spremnici energije) Trošila unutar mikromreže čine dvije skupine: kritična trošila koja uvijek trebaju imati dostupnu električnu energiju (npr. medicinski uređaji) i nekritična trošila čije se opterećenje može reducirati (npr. isključivanjem) prema trenutnim zahtjevima upravljačkog modula mikromreže u izvanrednim okolnostima [1]. Na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu u laboratoriju za električna postrojenja nalazi se praktični primjer mikromreže. Trenutno postoji 1
Uvod izmjenična mikromreža, a u izgradnji je i istosmjerna mikromreža s usmjerivačima (ispravljači i izmjenjivači) kojima će te dvije mreže biti povezane u mješovitu C- DC mikromrežu. U ovom radu će biti opisan rad i ponašanje te mješovite mikromreže modelirane u programskom alatu ETP koji služi za analizu i upravljanje elektroenergetskim sustavom. 2
ETP 2. ETP Etap je potpuno grafički paket. To je najopsežniji alat za analizu dizajna i ispitivanja raspoloživih elektroenergetskih sustava. Pomoću standardnih modula offline simulacije, Etap može iskoristiti operativne podatke u stvarnom vremenu za napredno praćenje, simulaciju u stvarnom vremenu, optimizaciju i za sustave upravljane energijom. Inženjeri za inženjere dizajnirali su i razvili Etap koji je namijenjen za rješavanje različitih disciplina energetskih sustava, za široki spektar industrija u jednom integriranom paketu s višestrukim prikazima sučelja kao što su C i DC mreže, kabeli, krute mreže, dijagrami upravljanja C i DC sustava itd. Etap omogućuje jednostavno kreiranje i uređivanje grafičkih jednopolnih dijagrama (OLD), podzemnih kabelskih sustava (UGS), trodimenzionalnih kabelskih sustava, naprednih vremenskih trenutačnih koordinacija i selektivnosti, zemljopisnog informacijskog sustava (GIS), kao i trodimenzionalne sustave mreža (GGS). Program je osmišljen kako bi uključio tri ključna koncepta: virtualna operacija (simulira pravi rad električnog sustava što je bliže moguće), ukupna integracija podataka (kombinira električne, logičke, mehaničke i fizičke osobine elemenata sustava u istoj bazi podataka) te jednostavnost u unosu podataka (unos podataka se ubrzava tako što se zahtijevaju minimalni podaci za određenu studiju). Jednopolni dijagram podržava brojne značajke koje pomažu u izgradnji mreža različitih složenosti. Na primjer, svaki element može imati individualno različite orijentacije, veličine i simbole zaslona (IEC ili NSI). Jednopolni dijagram također omogućuje postavljanje više zaštitnih uređaja između grane kruga i sabirnice. Etap je najvažnija integrirana baza podataka za električne sustave, koja omogućuje više prezentacija sustava za različite analize ili dizajn [2]. U narednim poglavljima bit će opisane konfiguracije generatora te metode proračuna tokova snaga koje su raspoložive u programu Etap. 3
ETP 2.1. Konfiguracija generatora Etap nudi četiri različite konfiguracije generatora koje su vrlo važne pri samom modeliranju mikromreže u programu. Način rada sinkronog generatora ovisi o njegovoj konfiguraciji. Konfiguracije su sljedeće: 1. Swing 2. Voltage control (regulacija napona) 3. Mvar control (regulacija reaktivne snage) 4. PF control (regulacija faktora snage) U proračunima tokova snaga swing generator je onaj koji će zauzeti zatišje tokova snaga u sustavu, odnosno napon i kut priključka generatora ostat će na nazivnim radnim vrijednostima. U sustavu mora postojati jedan swing generator koji će pretstavljati referentni izvor u sustavu. U ovom radu aktivna mreža ima swing konfiguraciju. Nadalje, napon sabirnice na koju je spojen swing generator predstavlja nazivni napon. Generator je moguće odabrati kao sustav regulacije napona što znači da će se generator prilagoditi za upravljanje naponom. Za takve generatore je potrebno unijeti: nazivni napon, operativnu stvarnu snagu [MW] te minimalnu i maksimalnu dopuštenu reaktivnu snagu (Min Q i Max Q). Generator koji ima konfiguraciju kontrole napona znači da sadrži automatski regulator napona (eng. VR) koji kontrolira polje uzbude za rad konstantnog napona. ko za vrijeme proračuna tokova snaga izračunata vrijednost reaktivne snage generatora prelazi minimalnu ili maksimalnu dopuštenu reaktivnu snagu (Min Q ili Max Q) vrijednost reaktivne snage bit će postavljena na dopuštenu vrijednost te će način rada generatora biti promijenjen u Mvar control (regulacija reaktivne snage). U tom načinu radu moguće je odrediti fiksnu vrijednost radne i reaktivne snage. Generator u ovom načinu rada ne sadrži automatski regulator napona (eng. VR), odnosno uzbuda polja je fiksna. Generator koji je u načinu PF control, odnosno regulacije faktora snage, radi tako da se VR podešava na postavku faktora snage. Za ovaj način rada potrebno je unijeti iznos radne snage u MW te faktor snage u %. 4
ETP 2.2. C proračun tokova snaga u programu Etap Program Etap ima mogućnost kroz opciju proračuna tokova snaga izračunati napone sabirnice, faktore snage grananja, struje i tokove snage u cijelom električnom sustavu. Etap podržava spajanje naponski reguliranih te naponski nereguliranih izvora s višestrukim mrežnim i generatorskim priključcima. Sposoban je obavljati analizu kako na radijalnim sustavima tako i na sustavima petlji. Etap omogućava odabir između četiri različite metode proračuna tokova snaga kako bi se postigla najbolja učinkovitost izračuna [2]. U narednim poglavljima će ukratko biti objašnjene sve četiri metode. 2.3. Metode proračuna Etap omogućava četiri metode izračuna toka opterećenja: 1. Newton-Raphson 2. Prilagodljivi Newton-Raphson (eng. daptive Newton-Raphson) 3. Brzi razdvojeni Newton-Raphson (eng. Fast-decoupled Newton- Raphson) 4. Ubrzani Gauss-Seidel (ccelerated Gauss-Seidel) Prethodno nabrojane metode posjeduju različite karakteristike konvergencije tako da je određena metoda u prednosti naspram druge u pogledu postizanja najbolje izvedbe. Moguće je odabrati bilo koju od njih ovisno o konfiguraciji sustava, načinu proizvodnje, vrsti tereta te početnim naponima sabirnica [2]. 2.3.1. Metoda Newton-Raphson Metoda Newton-Raphson iterativno rješava sljedeću jednadžbu: [ ΔP ΔQ ] [J 1 J 2 ] = [ Δδ J 4 ΔV ] J 3 gdje je: ΔP vektor razlike zadane i izračunate vrijednosti radne snage ΔQ - vektor razlike zadane i izračunate vrijednosti reaktivne snage J 1 do J 4 Jacobijeve matrice ΔV napon sabirnice 5
ETP Δδ kutni vektor Metoda Newton-Raphson posjeduje jedinstvenu kvadratnu konvergenciju. Obično ima vrlo brzu brzinu konverzije u usporedbi s drugim metodama proračuna snaga. Također prednost joj je u tome što su kriteriji konvergencije navedeni kako bi se osigurala konvergencija za neusklađenost radne i reaktivne snage sabirnice. Ovaj kriterij pruža izravnu kontrolu točnosti u svrhu određivanja rješenja proračuna snaga. Kriteriji konvergencije za metodu Newton-Raphson obično su postavljeni na 0,001 MW i Mvar. Ova metoda ovisi o početnim vrijednostima napona sabirnice. Preporučuje se korištenje metode Newton-Raphson za bilo koji sustav [2]. 2.3.2. Prilagodljiva Newton-Raphson metoda Ova poboljšana Newton-Raphson metoda uvodi skup manjih koraka za iteracije gdje se susreće potencijalno stanje divergencije. Manja povećanja mogu pomoći u postizanju rješenja proračuna za neke sustave gdje redoviti Newton- Raphsonov postupak možda neće uspjeti. Metoda Newton-Raphson temelji se na aproksimaciji Taylorovog reda. Radi jednostavnosti i inkrementalnih koraka provodi se linearna interpolacija / ekstrapolacija dodatnih inkrementa u vremenskom koraku kako bi se poboljšalo rješenje. f(x k + α k Δx k ) < f(x k ) Pojedinačni koraci kontroliraju se podešavanjem vrijednosti α k za pronalaženje mogućeg rješenja za sljedeći korak rješenja. Rezultati ispitivanja dokazuju da ova metoda može poboljšati konvergenciju za distribucijske i prijenosne sustave s negativnom serijskom reaktancijom. Također se smatra da je moguće poboljšati konvergenciju za sustave s vrlo malim impedancijskim vrijednostima, ali to nije zajamčeno. Loša strana korištenja ove metode je smanjena brzina izračuna zbog inkrementalnih koraka u rješenju [2]. 6
ETP 2.3.3. Brza razdvojena Newton-Raphson metoda Ova metoda izvedena je iz Newton-Raphsonove metode. Činjenica je da mala promjena u veličini napona sabirnice ne mijenja znatno radnu snagu na sabirnici, a isto tako i za malu promjenu faznog kuta napona sabirnice, jalova snaga se također ne mijenja znatno. Tako se jednadžba za proračun tokova snaga Newton-Raphsonove metode može pojednostaviti u dva odvojena skupa jednadžbi, koje se mogu iterativno riješiti: [ΔP] = [J 1 ][Δδ] [ΔQ] = [J 4 ][ΔV] Brza razdvojena Newton-Raphson metoda smanjuje pohranu memorije računala otprilike za polovicu, u usporedbi s metodom Newton-Raphson. Također rješava jednadžbe za proračun tokova snaga u znatno manje vremena nego što to zahtijeva metoda Newton-Raphson, budući da su Jacobijeve matrice konstantne. Kao i kod metode Newton-Raphson, kriteriji konvergencije brze razdvojene Newton-Raphson metode temelje se na stvarnoj neusklađenosti radne i reaktivne snage, koji su obično postavljeni na 0,001. Iako za određeni broj iteracija nije točna kao metoda Newton-Raphson, ušteda računalnog vremena i povoljniji kriteriji konvergencije čine njezinu cjelokupnu izvedbu vrlo dobrom. Općenito, opisana metoda može se koristiti kao alternativa Newton- Raphsonovoj metodi. Svakako će se koristiti ako Newton-Raphsonova metoda nije uspjela kada je riječ o dugim radijalnim sustavima ili sustavima koji imaju duge nadzemne vodove Ili kabele [2]. 7
ETP 2.3.4. Ubrzana Gauss-Seidel metoda Iz jednadžbe čvornog napona sustava: [I] = [Y BUS ][V] potječe sljedeća jednadžba koju ubrzana Gauss-Seidel metoda rješava iterativno: gdje je: P vektor radne snage Q vektor reaktivne snage V vektor napona sabirnice Y BUS matrica admitancija [P + jq] = [V T ][Y BUS ][V ] Y BUS * - konjugirana matrica admitancija V * - konjugirani vektor napona sabirnice V T transponirani vektor napona sabirnice Ubrzana Gauss-Seidel metoda ima relativno niže zahtjeve vrijednosti početnih napona sabirnice u usporedbi s Newton-Raphsonovom metodom i brzom razdvojenom Newton-Raphson metodom. Umjesto korištenja neusklađenosti radne i jalove snage sabirnice kao kriterij konvergencije, ubrzana Gauss-Seidel metoda provjerava toleranciju napona između dviju uzastopnih iteracija u svrhu kontrole preciznosti rješenja. Tipična vrijednost za preciznost napona sabirnice je postavljena na 0.000001 pu. Ubrzana Gauss-Seidelova metoda ima sporiju brzinu konvergencije. Kada se primjenjuju odgovarajući čimbenici ubrzavanja, može se dobiti značajan porast stope konvergencije. Raspon faktora ubrzavanja je između 1,2 i 1,7, a obično je postavljen na 1,45 [2]. 8
ETP 2.4. DC proračun tokova snaga u programu Etap DC sustav napajanja sastavni je dio cjelokupnog elektroenergetskog sustava koji pruža snagu za upravljanje krugovima i rezervnu snagu u hitnim slučajevima. Uključuje DC izvore napajanja, njihove distribucijske sustave i vitalne sustave za podršku koji opskrbljuju ključnu opremu snagom. Zbog nedostatka analitičkih alata u prošlosti, projektiranje i provjera valjanosti istosmjernog sustava napajanja uglavnom je izvršeno ručnim izračunima, ograničeno na pojednostavljene izračune na jednostavnim konfiguracijama sustava. Takvi pojednostavljeni izračuni rukom ne mogu zadovoljiti današnji zahtjev za analizu DC sustava, posebno za nuklearnu elektranu. Etap pruža raznolikost DC komponenti i proračuna potrebnih za provođenje istosmjernih elektroenergetskih sustava za dizajn i provjere valjanosti. Može podnijeti bilo koju konfiguraciju sustava, uključujući radijalni sustav, sustav petlji te C-DC međusobno povezani sustav. DC proračun tokova snaga bitna je studija za dizajn DC sustava i procjenu radnog stanja. Program Etap izračunava profil napona sabirnice i tokove snaga grana za kategoriju opterećenja koja je određena korisnikom. Ona potvrđuje izračunate uvjete rada prema ograničenjima pogona elemenata, kao što su maksimalni / minimalni radni napon sabirnice, dopuštena struja grane i maksimalni izlaz izvora itd. U slučaju bilo kakvih neuobičajenih radnih uvjeta u sustavu, Etap upozorava korisnika označavajući element u drugoj boji u jednodijelnom dijagramu. Za pravilnu simulaciju različitih načine rada za komponente sučelja C-DC u stvarnim operacijama, Etap nudi različite modele predstavljanja u proračunima. utomatski odabire onaj koji odgovara stvarnom radnom stanju. Rezultati izračuna prikazani su u obliku Crystal Reports kao i u prikazu jednodijelnog dijagrama. Crystal Reports pruža detaljne informacije o studiji, uključujući sve ulazne podatke koji se koriste u izračunu, profil napona sustava, tokove snage grana i preopterećenje rezultata provjere valjanosti itd. Prikaz jednodijelnog dijagrama pruža izravnu vizualnu sliku uvjeta rada sustava [2]. 9
ETP 2.4.1. Metoda proračuna tokova snaga Proračun tokova snaga u programu Etap je iterativan proces, zbog prisutnosti konstantnih opterećenja snage i komponenti pretvarača energije. Cilj proračuna tokova snaga je pronaći vrijednosti napona sabirnice s određenim opterećenjem sustava i izvorima. Na temelju dobivenih rezultata napona sabirnice se mogu izračunati tokovi grana. Za razliku od C proračuna snaga, gdje je to moguće napraviti izabirući između četiri različite metode, za DC proračun na raspolaganju je samo metoda Newton-Raphson. Metoda Newton-Raphson koristi se za proračun toka opterećenja istosmjernog napona. Ova metoda je brza u brzini konverzije, ali ima relativno visok zahtjev na početnim vrijednostima napona sabirnice. U proračunu tokova snaga istosmjerne struje, tereti uključeni u sustav su tereti konstantne snage i konstantne impedancije. Izvori uključuju konstantni izvor napona i konstantni izvor struje. Konstantni izvor napona održava napon sabirnice u fiksnoj vrijednosti, dok konstantni izvor struje injektira fiksnu vrijednost struje u sustav. Budući da konvertorske komponente, kao što je punjač, ima maksimalnu granicu struje, što je konstantan izvor napona samo kada njegova izlazna struja nije veća od trenutne granice. Jednom kada je izlazna struja iznad granice, postaje trenutni izvor. Dakle, način rada konvertorske komponente i njegov model ne može biti unaprijed definiran. Ovisno o opterećenjima i konfiguracijama sustava, varira, a određuje se tijekom procesa izračuna [2]. 10
ETP 2.4.2. Metoda Newton-Raphson Metoda Newton-Raphson formulira i rješava iterativno sljedeću jednadžbu : JxΔV = ΔI gdje je: ΔV vektor povećanja napona sabirnice ΔI vektor nepravilnosti injektirane struje sabirnice između navedene i izračunate vrijednosti J Jacobijeva matrica Metoda Newton-Raphson posjeduje jedinstvenu kvadratnu konvergenciju. Obično ima vrlo brzu brzinu konverzije u usporedbi s drugim metodama proračuna toka snaga. Međutim, metoda je jako ovisna o početnoj vrijednosti napona sabirnice. Potrebno je pažljivo odabrati početne vrijednosti napona sabirnice. Kada sustav sadrži konstantno opterećenje i punjač (ili UPS - Uninterruptible Power Supply) je jedini izvor u sustavu, a izvor je preopterećen i mijenja se u konstantni izvor struje, može doći do problema pri postizanju rješenja. To se može dogoditi kada se izvor prebacuje na konstantni izvor struje, te osigurava manje struje nego konstantan izvor napona. Za konstantno opterećenje, napon na stezaljkama izvora povećava se kada uzima manje struje u svrhu održavanja konstantne snage. To može dovesti do abnormalno visokih vrijednosti napona kako se proračun rješava. Na takvim visokim vrijednostima napona, opterećenja motora zapravo se ponašaju kao konstantna opterećenja impedancije. Kako bi se riješio ovaj problem potrebno je ispravno postaviti minimalne i maksimalne vrijednosti napona. Za razliku od C proračuna snaga, u DC dijelu program nema alternativu u nekoj drugoj metodi izračuna, stoga se treba više paziti prilikom modeliranja same mreže [2]. 11
3. Laboratorij električnih postrojenja Laboratorij električnih postrojenja Jednopolna shema mikromreže laboratorija električnih postrojenja sastoji se od C i DC dijela mreže međusobno povezanih pretvaračima (Slika 1). Slika 1. Jednopolna shema mikromreže Laboratorij električnih postrojenja osnovan je 60-ih godina prošlog stoljeća. Nalazi se u prizemlju Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu i zauzima prostor od 200 m 2. Namijenjen je studentima kako bi pružio uvid u praktične primjene prethodno naučenih teorijskih znanja, što bi u stvarnom elektroenergetskom sustavu bilo preskupo ili čak neizvedivo. Laboratorij je osmišljen kao vjerni prikaz stvarnog hrvatskog EES-a s modelima termoelektrane, hidroelektrane, radnih, induktivnih i kapacitivnih tereta te prijenosne mreže. S obzirom na to da je Republika Hrvatska članica Europske Unije, obavezna je slijediti odrednice te iste Unije o povećanju udjela obnovljivih izvora energije u mreži. Dugoročan plan je modernizacija i nadogradnja postojećeg laboratorija, ali i vjerno prikazati sve veću penetraciju obnovljivih izvora u sustav. Obnovljivi izvori energije zbog svoje varijabilnosti i stohastičke prirode proizvodnje uzrokuju promjene u upravljanju elektroenergetskim sustavom, koje mogu, ako se na vrijeme ne uzmu u obzir, dovesti do značajnih negativnih 12
Laboratorij električnih postrojenja posljedica na sustav. Uz povećanje nesigurnosti proizvodnje, očekivan je porast nesigurnosti potrošnje zbog sve većeg broja električnih vozila u sustavu. Značajni napori usmjeravaju se na povećanje fleksibilnosti elektroenergetskog sustava kako bi sustav bio u stanju prihvatiti velike količine distribuirane energije. U laboratorij će se, uz postojeću C mikromrežu, ugraditi DC mikromreža koja će obuhvaćati obnovljive izvore energije i napredna trošila. Mikromreže će biti povezane C/DC pretvaračima i DC/C izmjenjivačima te će biti moguće pratiti rad sustava pri povećanim uvjetima nesigurnosti.[4] 13
Laboratorij električnih postrojenja 3.1. Dijelovi mikromreže Laboratorij za električna postrojenja zamišljen je kao minijaturni elektroenergetski sustav koji vjerno prikazuje hrvatski elektroenergetski sustav. Hrvatski elektroenergetski sustav većinom čine hidroelektrane (2,141 GW) i termoelektrane (1,893 GW) uz hrvatski udio zajedničke nuklearne elektrane Slovenije i Hrvatske (344 MW). U laboratoriju se nalazi model termoelektrane i hidroelektrane. Također se u laboratoriju nalaze i vodovi koji su fizički smješteni u podrumu. Parametri navedenih komponenata bit će prikazani tablično u nastavku. U planiranom nadograđenom DC dijelu mikromreže laboratorija su baterija i fotonaponski panel, čiji će parametri također biti prikazani tablično u nastavku. Parametri su preuzeti iz [3]. Tablica 1. Parametri termoelektrane TERMOELEKTRN Nazivni napon Prividna snaga Faktor snage Početna reaktancija Prijelazna reaktancija Trajna reaktancija 380 V 15 kv 0.86 8.5 % 8.5 % 48 % 14
Laboratorij električnih postrojenja Primarnu opremu modela termoelektrane čine istosmjerni motor koji simulira parnu turbinu, generator, generatorske sabirnice, prekidači i rastavljači, a opremljena je sekundarnom opremom u vidu mjernih transformatora, zaštitnih releja (Iskra) i upravljačkog sustava. Uključen je i mrežni sinkronoskop. Tablica 2. Parametri hidroelektrane HIDROELEKTRN Nazivni napon Prividna snaga Faktor snage Početna reaktancija Prijelazna reaktancija Trajna reaktancija 380 V 20 kv 0.5 9.3 % 9.3 % 48 % Model hidroelektrane izveden je s Pelton turbinom nominalnog protoka 27 l/s. U podrumu ispod laboratorija nalazi se rezervoar sa 7000 litara vode iz kojeg se voda pumpa pod tlakom od 7 bara, tako simulirajući pad veličine 60 m. Što se tiče primarne i sekundarne opreme, hidroelektrana je opremljena slično termoelektrani. Zaštita je izvedena Brown Boveri relejima. gregat je opskrbljen turbinskim regulatorom broja okretaja, a regulacija se provodi otklanjačem mlaza kako bi se osigurao konstantan protok u krugu centrifugalna pumpa turbina rezervoar. Navedeni modeli elektrana mogu raditi paralelno te mogu biti sinkronizirani na krutu mrežu. Na taj način studenti mogu vidjeti rad modela elektrana u hrvatskom elektroenergetskom sustavu. 15
Tablica 3. Parametri fotonaponskog panela FN PNEL Laboratorij električnih postrojenja Nazivni napon Snaga 110 V 15 kv Tablica 4. Parametri baterije BTERIJ Nazivni napon Snaga Kapacitet ćelije Broj ćelija 3.2 V 15 kv 100 h 32 Tablica 5. Parametri aktivne mreže KTIVN MREŽ Nazivni napon Nazivna struja Faktor snage 380 V 100 0.95 16
Laboratorij električnih postrojenja Modeli vodova s prekidačima i rastavljačima simuliraju visokonaponsku prijenosnu mrežu koja se može konfigurirati na različite načine. Tablica 6. Parametri vodova VODOVI Oznaka voda 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Reaktancija voda 0.55 + j2.38 0.51 + j2.39 1.07 + j4.79 1.46 + j7.2 1.1 + j4.78 1.53 + j0.174 0.76 + j3.58 1.55 + j7.35 0.73 + j3.67 1.070 + j5.75 1.70 j4.72 3.2. Laboratorij u budućnosti Udio obnovljivih izvora energije u porastu je u elektroenergetskim sustavima širom svijeta. Hrvatska kao potpisnica Kyoto protokola te članica Europske Unije obvezna je slijediti odrednice politike smanjenja emisija štetnih plinova, povećanje energetske učinkovitosti i veće iskorištavanje obnovljivih izvora energije što u prvi plan stavlja potrebu za razvojem fleksibilne, pristupačne, pouzdane i ekonomične elektroenergetske mreže. Razvoj naprednih elektroenergetskih mreža (eng. Smart Grids) temelji se na upotrebi naprednih informacijskih i telekomunikacijskih tehnologija koje omogućuju integraciju i povezivanje proizvođača i potrošača svih veličina te različitih tehnologija. 17
Laboratorij električnih postrojenja Osnovna ideja naprednih mreža je povećanje učinkovitosti i pouzdanosti proizvodnje, prijenosa, distribucije i potrošnje električne energije. Uz inteligentno praćenje i nadzor olakšava se povezivanje i rad proizvođača svih veličina i različitih tehnologija, potrošači dobivaju bolje informacije i izbor opskrbe, a smanjuje se i štetni utjecaj na okoliš cijelog sustava opskrbe električnom energijom. Dosadašnji elektroenergetski sustav s pretežito centraliziranom proizvodnjom električne energije treba se transformirati u integriranu sigurnu mrežu koja kombinira klasičnu centraliziranu proizvodnju i decentraliziranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije. S druge strane, sve atraktivnije prijevozno sredstvo postaju hibridna i električna vozila koja unose dodatnu nesigurnost u sustav sa strane potrošnje. Povećan broj nasumično spojenih vozila na distribucijsku mrežu može dovesti do značajnih negativnih posljedica. Zbog svega navedenog odlučeno je napraviti dodatna financijska ulaganja u laboratorij i transformirati ga u laboratorij za napredne elektroenergetske mreže. U laboratorij će se ugraditi dodatno: 1) Solarni paneli 20 fotonaponskih modula instaliranih na krovu od čega: a. 10 modula od polikristalnog silicija (130 W električne energije po modulu u slučaju 1000 W/m2 sunčevog zračenja s površinom ploče od 1 m2) b. 10 modula od monokristalnog silicija (140 W električne energije po modulu u slučaju 1000 W/m2 sunčevog zračenja s površinom ploče od 1 m2) 2) Skladište električne energije (Li-I baterije koje se koriste u električnim vozilima) 3) DC/C industrijski izmjenjivači svaki snage 2250 V/1800 W s kućištem 4) Modeli distribuirane proizvodnje (mikroturbina snage 5,5 kw i mala kogeneracija snage 1,5 kw) 5) Vjetroturbina snage 600 W. [4] 18
3.3. Model mikromreže u programu Etap Laboratorij električnih postrojenja Model mikromreže laboratorija električnih postrojenja se sastoji od C i DC dijela mreže. Mreža je modelirana pomoću jednopolne sheme mikromreže. U modelu su korišteni IEC standardizirani simboli oznake i jedinice (Slika 2) Osigurači su dodani radi veće preglednosti same mreže te služe za mogućnost mijenjanja konfiguracije mreže, što će biti korisno u proračunima. Oni, sami po sebi, nisu bitni za proračun, tako da su za njihove vrijednosti korišteni podaci iz biblioteke programa. Nadalje, važno je napomenuti da su opterećenja u izmjeničnom dijelu mreže snage 8 kv s faktorom snage 0.9. Naponska razina izmjeničnog dijela mikromreže je 0.4 kv,odnosno sabirnice B1 do B8, a naponska razina istosmjernog dijela je 110 V. Slika 2. Model mikromreže modeliran u programu ETP Osigurači su dodani radi veće preglednosti same mreže te služe za mogućnost mijenjanja konfiguracije mreže, što će biti korisno u proračunima. Oni, sami po sebi, nisu bitni za proračun, tako da su za njihove vrijednosti korišteni podaci iz biblioteke programa. 19
Laboratorij električnih postrojenja Nadalje, važno je napomenuti da su opterećenja u izmjeničnom dijelu mreže snage 4 kv do 6 kv s faktorom snage 0.9. Naponska razina izmjeničnog dijela mikromreže je 0.4 kv,odnosno sabirnice B1 do B9, a naponska razina istosmjernog dijela je 110 V. DC dio se sastoji od punjača (Charger) i UPS-a (Uninterruptible Power Supply) koji čine vezu C dijela prema DC dijelu. Nadalje, u DC dio su spojeni PV panel, snage 4.8 kw, baterija kapaciteta 3200 h te tri tereta snaga u rasponu od 3 kw do 7 kw (Slika 3). Parametre navedenih elemenata je moguće mijenjati za potrebe proračuna tokova snaga te provođenja analiza u cilju pronalaska optimalne konfiguracije buduće DC mikromreže laboratorija električnih postrojenja. Slika 3. Model DC dijela mikromreže modeliran u programu ETP 20
4. naliza izmjenične mikromreže naliza izmjenične mikromreže Iako je mikromreža modelirana u programu Etap na način kako ona stvarno izgleda te kako je predviđeno da će izgledati u budućnosti, radi potrebe proračuna tokova snaga i padova napona bilo je potrebno modificirati mikromrežu koja se nalazi u laboratoriju električnih postrojenja. U ovim proračunima C dio je samostalan, odnosno nije povezan s DC dijelom mreže te je u C dio dodan fotonapon, na sabirnicu B8, odnosno na mjesto gdje je bila spojena istosmjerna mreža. Razlog drugačije konfiguracije mikromreže je što se u predviđenoj konfiguraciji nije moglo doći do suvislih i zadovoljavajućih rezultata. U ovom poglavlju bit će promatrano kako različiti parametri elemenata mikromreže utječu na istu. 1. Slučaj: Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja je spojena na ostatak EES-a 2. Slučaj: Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja nije spojena na ostatak EES-a 3. Slučaj: Tokovi snaga i padovi napona za mikromrežu u kojoj hidroelektrana nije u funkciji 4. Slučaj: Tokovi snaga i padovi napona za različite snage hidroelektrane 5. Slučaj: Tokovi snaga i padovi napona za različite snage fotonapona 21
naliza izmjenične mikromreže 4.1. Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja je spojena na ostatak EES-a Prvi slučaj prikazuje proračun tokova snaga i padova napona kada su na mikromrežu spojene sve komponente mikromreže, odnosno kada su svi prekidači zatvoreni. Možemo vidjeti da iz sabirnice B2 na koju je spojena termoelektrana ulazi u mikromrežu 11kW radne snage te izlazi 10 kvr reaktivne snage. Mikromreža predaje aktivnoj mreži, koja je spojena na sabirnicu B3, 5 kw radne snage, dok aktivna mreža daje u mikromrežu 21 kvr reaktivne snage. Na sabirnicu B7 je spojena hidroelektrana te ona predaje mikromreži 8 kw radne snage te uzima 7 kvr reaktivne snage iz mikromreže. Također, fotonapon koji je spojen na sabirnicu B8 predaje mikromreži 5 kw radne snage (Slika 4). 25 T O K 20 15 10 S N G 5 0-5 -10 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -15 SBIRNICE Slika 4. Prikaz tokova snaga za 1. slučaj - bazni proračun Najveći napon je na sabirnici B8 te iznosi 104.94 % nazivnog napona, a najniži je na sabirnici B5 te iznosi 97.93 % nazivnog napona. Pritom važno je spomenuti da je na sabirnicu B3 spojena aktivna mreža koja ima swing regulaciju tako da ona ima nazivni napon (Slika 5). 22
naliza izmjenične mikromreže 106,00 104,00 N P O N 102,00 100,00 98,00 96,00 % 94,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE Slika 5. Prikaz iznosa napona za 1. slučaj - bazni proračun U normalnom stanju u mreži dopušten je pad napona u iznosu od 10 % nazivnog napona. U ovom slučaju taj je uvjet zadovoljen (Slika 6). 6,00 P D 5,00 4,00 3,00 N P O N 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 % -3,00 SBIRNICE Slika 6. Prikaz padova i porasta napona za 1. slučaj- bazni proračun 23
naliza izmjenične mikromreže 4.2. Tokovi snaga i padovi napona za cijelu mikromrežu koja nije spojena na ostatak EES-a Jedna od specifičnosti mikromreža jest otočni rad, što znači da mikromreža može raditi samostalno u odnosu na ostatak EES-a. U prethodnom slučaju je bio dostupan ostatak EES-a, stoga su prilike u mreži bile dobre te je uvjet o najvećem dozvoljenom padu napona bio zadovoljen. U ovom slučaju bit će provedena analiza kada je mikromreža odspojena od ostatka EES-a bez mijenjanja konfiguracije mreže. Prije provedene analize može se pretpostaviti da će u ovom slučaju padovi napona biti veći nego u prethodnom zato što mikromreža nije spojena na ostatak EES-a. Možemo vidjeti da TE predaje u mikromrežu 5 kw radne snage i 11 kvr, HE daje 8 kw radne snage i uzima 7 kvr reaktivne, a FN daje u sustav 5 kw radne snage (Slika 7). Također primjećujemo kako sada nema toka snage na sabirnici B3 što nije bio slučaj kada je mikromreža bila spojena s ostatkom EES-a. Razlog tome je što se u programu prikazuje tok snaga samo na onim sabirnicama na kojima su spojeni aktivni izvori. 12 10 T O K 8 6 4 S N G 2 0-2 -4-6 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -8 SBIRNICE Slika 7. Prikaz tokova snaga za 2. slučaj otočni rad U drugom slučaju najveći napon je na sabirnici B8 i iznosi 102.80 % nazivnog napona, dok je najniži napon na sabirnici B4 te iznosi 95.77 % nazivnog napona. U ovom slučaju swing generator je termoelektrana, pošto je aktivna mreža odspojena, a jedan generator u sustavu mora imati swing regulaciju. Kao 24
naliza izmjenične mikromreže što je bilo i očekivano u ovom slučaju su padovi napona veći, nego u prethodnom, ali neznatno (Slika 8) 104,00 102,00 N P O N 100,00 98,00 96,00 94,00 % 92,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE Slika 8. Prikaz iznosa napona za 2. slučaj otočni rad Najniži napon u ovom slučaju je niži za 2.15 % nazivnog napona u usporedbi s 1. slučajem. Razlog nižim naponima u ovom slučaju leži u tome što je mikromreža odspojena od ostatka EES-a, odnosno postoji manje dostupnih izvora u mreži. Bez obzira na to što u ovom slučaju ostatak EES-a nije dostupan padovi napona su u zadovoljenim granicama (+/- 10%), stoga se može zaključiti da ova mikromreža može vrlo dobro raditi i u otočnom načinu rada (Slika 9). 4 P D 3 2 1 N P O N 0-1 -2-3 -4 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 % -5 SBIRNICE Slika 9. Prikaz padova i porasta napona za 2. slučaj otočni rad 25
naliza izmjenične mikromreže 4.3. Tokovi snaga i padovi napona za mikromrežu kojoj hidroelektrana nije u funkciji U ovom slučaju se promatraju prilike u mreži kada hidroelektrana nije u funkciji. Mogu se očekivati veći padovi napona, nego u inicijalnom slučaju s obzirom na to da hidroelektrana ima značajnu ulogu u ovoj mikromreži. Mikromreža je nadomjestila nedostatak hidroelektrane izvorima koji su joj preostale tako da TE predaje u sustav 11 kw radne snage, a uzima 10 kvr reaktivne snage. ktivna mreža daje u sustav 1 kw radne i 14 kvr reaktivne snage, a FN daje 5 kw radne snage (Slika 10). Također kao i u prethodnom slučaju primjećujemo kako nema tokova snaga na sabirnici B7. Nema tokova snaga jer HE u ovom slučaju nije u funkciji, a ona je bila jedan od aktivnih izvora u mikromreži. 20 T O K S N G 15 10 5 0-5 -10 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -15 SBIRNICE Slika 10. Prikaz tokova snaga za 3. slučaj HE nije u funkciji Najviši napon nalazi se na sabirnici B2 te iznosi 102.99 % nazivnog napona, a najniži napon iznosi 95.47 % nazivnog napona i nalazi se na sabirnici B5 (Slika 11). Iz ove analize je vidljivo da je početna pretpostavka bila dobra te su u ovom slučaju padovi napona izraženiji u odnosu na prethodna dva. Konkretno razlika između najmanjeg napona iz prvog slučaja i najmanjeg napona iz analiziranog slučaja iznosi 2.46 %. 26
naliza izmjenične mikromreže N P O N 104,00 102,00 100,00 98,00 96,00 94,00 92,00 % 90,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE Slika 11. Prikaz iznosa napona za 3. slučaj HE nije u funkciji U ovom slučaju nema bitne razlike s obzirom na inicijalni jer mikromreža uspjeva nadomjestiti izvor napajanja koji joj nedostaje, onima koje ima na raspolaganju. 4 P D 3 2 1 N P O N 0-1 -2-3 -4 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 % -5 SBIRNICE Slika 12. Prikaz padova i porasta napona za 3. slučaj HE nije u funkciji 27
naliza izmjenične mikromreže 4.4. Tokovi snaga i padovi napona za različite snage hidroelektrane U ovom slučaju ćemo promatrati kako promjena snage hidroelektrane utječe na prilike u mikromreži. U ovom slučaju možemo primijetiti kako hidroelektrana daje u mrežu 3 kw radne snage i 4 kvr jalove snage dok je u inicijalnom slučaju davala 8 kw radne i uzimala 7 kvr jalove snage. Također možemo primijetiti da se u ovom slučaju predaje manja radna snaga aktivnoj mreži nego u inicijalnom slučaju. Razlika inicijalnog i promatranog slučaja je 4 kw radne snage. Također možemo primijetiti kako je aktivna mreža u inicijalnom slučaju davala 21 kvr jalove snage u mikromrežu, dok u ovom slučaju daje 10 kvr. Razlog tome je što je mikromreža morala nadoknaditi manju snagu hidroelektrane (Slika 13). 15 T O K 10 5 S N G 0-5 -10 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -15 SBIRNICE Slika 13. Prikaz tokova snaga - HE snage 5 kw Najviši napon nalazi na sabirnici B2 te iznosi 103.46 % nazivnog napona dok je najniži napon na sabirnici B4 te iznosi 97.62 % nazivnog napona (Slika 14). Padovi napona su u dopuštenim granicama (Slika 15). 28
naliza izmjenične mikromreže 104,00 102,00 N P O N 100,00 98,00 96,00 94,00 % 92,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE Slika 14. Prikaz iznosa napona - HE snage 5 kw 4 P D 3 2 1 N P O N 0-1 -2-3 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 % -4 SBIRNICE Slika 15. Prikaz padova i porasta napona - HE snage 5 kw 29
TOK SNG naliza izmjenične mikromreže Isto tako promatrani su padovi napona i tokovi snaga za slučaj kada se u mikromreži nalazi hidroelektrana snage 15 kw. U ovom slučaju za očekivati je da će naponi biti veći. Pošto sada HE ima veću snaga naravno predaje u mikromrežu više radne snage, konkretno 13 kw, te uzima 7 kvr jalove snage iz mikromreže. Za ove parametre HE mikromreža predaje više snage aktivnoj mreži, nego u inicijalnom slučaju. Trenutno predaje 9 kw dok je u inicijalnom slučaju predavala 5 kw radne snage. Iako se radna snaga promijenila, jalova snaga je ostala na istim vrijednostima (Slika 16). 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE kw kvr Slika 16. Prikaz tokova snaga- HE snage 15 kw Kao što je bilo i očekivano naponi u ovom slučaju zaista i jesu veći. Najviši napon nalazi se na sabirnici B8 te iznosi 107.4%, a najniži napon iznosi 99.52% te se nalazi na sabirnici B5 (Slika 17). Također je vidljivo kako su naponi porasli s obzirom na nazivnu vrijednost (Slika 18). 30
NPON naliza izmjenične mikromreže 108,00 106,00 104,00 102,00 100,00 98,00 % 96,00 94,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE Slika 17. Prikaz iznosa napona HE snage 15 kw 8 P D 7 6 5 N P O N 4 3 2 1 0-1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE % Slika 18. Prikaz padova i porasta napona - HE snage 15 kw 31
naliza izmjenične mikromreže 4.5. Tokovi snaga i padovi napona za različite snage fotonapona U ovom poglavlju ćemo promatrati dvije različite konfiguracije fotonapona te kako one utječu na prilike u mikromreži. Prva konfiguracija je kada FN nije u funkciji. Rezultate možemo usporediti s inicijalnim slučajem kada su svi elementi u funkciji. Zanimljivo je primijetiti da kada FN nije u funkciji mikromreža predaje aktivnoj mreži samo 1 kw dok je u inicijalnom slučaju predavala 5 kw radne snage. Kako se smanjila radna snaga tako se smanjila i jalova, pa tako možemo vidjeti da u ovom slučaju aktivna mreža predaje mikromreži 6 kvr jalove snage (Slika 19). Na sabirnici B8 nema tokova snaga jer je u ovom slučaju FN izvan funkcije. 15 T O K 10 5 S N G 0-5 -10 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -15 SBIRNICE Slika 19. Prikaz tokova snaga kada FN nije u funkciji U ovom slučaju najviši napon se nalazi na sabirnici B2 te iznosi 102.82% nazivnog napona, a najniži napon se nalazi na sabirnici B5 i iznosi 96.80 % nazivnog napona (Slika 20) Padovi napona nisu veliki i nalaze se u dopuštenim granicama (Slika 21). 32
naliza izmjenične mikromreže N P O N 104,00 103,00 102,00 101,00 100,00 99,00 98,00 97,00 96,00 95,00 94,00 93,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE % Slika 20. Prikaz iznosa napona kada FN nije u funkciji 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 % Slika 21. Prikaz padova i porasta napona kada FN nije u funkciji U sljedećem slučaju je snaga fotonapona povišena s dosadašnjih 5 kw na 11 kw. Možemo vidjeti kako je to utjecalo na tokove snage u mikromreži. Primjećujemo da se radna snaga predana od strane mikromreže prema aktivnoj promijenila s 5 kw na 8 kw dok je količina jalove snage predana od strane aktivne mreže u mikromrežu ostala jednaka. Količina predane snage od strane TE i HE je ostala jednaka s obzirom na inicijalni slučaj. Kako je snaga fotonapona povišena sada on, naravno predaje više radne snage u mikromrežu, konkretno 10 kw za razliku od dosadašnjih 5 kw (Slika 22). 33
naliza izmjenične mikromreže 25 T O K 20 15 10 S N G 5 0-5 -10 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 kw kvr -15 SBIRNICE Slika 22. Prikaz tokova snaga za FN snage 11 kw Kako smo povećali snagu fotonapona za očekivati je da će se povećati naponi u mikromreži. Najveći napon je upravo na sabirnici na kojoj se nalazi FN te iznosi 111.18 % nazivnog napona, što prelazi dopuštene granice odstupanja napona. Najniži napon se nalazi na sabirnici B5 i iznosi 99.73 % nazivnog napona (Slika 23). N P O N 114,00 112,00 110,00 108,00 106,00 104,00 102,00 100,00 98,00 96,00 94,00 92,00 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE % Slika 23. Prikaz iznosa napona za FN snage 11 kw Iako se u ovom slučaju povećala snaga koju mikromreža predaje u aktivnoj mreži, ovaj slučaj nije povoljan zbog previsokih napona. Uvjet o padu, odnosno u ovom slučaju porastu napona s obzirom na nazivnu vrijednost prelazi dopuštene granice od +/- 10% (Slika 24). 34
naliza izmjenične mikromreže 12 P D 10 8 N P O N 6 4 2 0-2 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 SBIRNICE % Slika 24. Prikaz padova i porasta napona za FN snage 11 kw 35
Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5. Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži Iznos gubitaka radne snage u mikromreži važan je pokazatelj njezinog rada. U ovom poglavlju bit će promatrani gubici radne snage kroz jedan dan. Prvotna ideja je bila da se pomoću programa Etap dobiju dnevni dijagrami gubitaka snage promatrane mikromreže. Kako bi se napravio takav proračun program bi se trebao moći prebaciti se iz load flow proračuna u time domain load flow proračun. Verzija programa Etap u kojoj je napravljen ovaj rad uopće ne posjeduje tu mogućnost. U svrhu pronalaska nove funkcije instalirana je novija verzija programa Etap. Nova verzija posjeduje konkretnu funkciju, ali postojeća licenca ne dozvoljava programu da istu pokrene. Iz razloga što sam program nema mogućnost generiranja dijagrama dnevnih gubitaka radne snage odlučeno je da se proračun dnevnih gubitaka radne snage napravi ručno Sami dijagrami bit će prikazani excel tablicama. Radi lakšeg razumijevanja načina izrade dnevnog dijagrama uzrokovanje je prikazano grafički. Svaki od šest blokova u danu se sastoji od četiri sata što zajedno čini 24 sata. Vremena u blokovima su slijedna, npr. u bloku koji je označen s 0:00 na slici se nalaze gubici za nulti, prvi, drugi i treći sat u danu i tako dalje sve do zadnjeg bloka. Sami dijagram dnevnih gubitaka je rađen tako što se za svaki pojedini blok mijenjalo opterećenje u mikromreži u rasponu od 1 kw do 15 kw, odnosno za svaki blok je uzimana po jedna vrijednost opterećenja. Pomoću proračuna tokova snaga u programu Etap izračunati su gubici na svim vodovima u mikromreži za svaki pojedini blok. Kako bi se došlo do podatka o vrijednosti gubitaka u bloku, dobivena vrijednost gubitaka za jedan sat pomnožena je s četiri. Opterećenja u mikromreži su uzimana tako da je najmanje opterećenje bilo u vremenskom bloku označenim s 4:00, a najveće opterećenje je bilo u vremenskom bloku označenim s 20:00 (Slika 25). 36
GUBICI Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 VREMENSKI BLOKOVI Slika 25. Predviđeni dnevni gubici u mikromreži Nakon provedenih pet različitih slučajeva izabran je najpovoljniji slučaj, odnosno onaj u kojem su ukupni gubici mikromreže bili najmanji te su provedena još četiri slučaja u kojima je snaga hidroelektrane bila fiksirana, a mijenjana je snaga fotonapona od 0 kw do 10 kw. U ovim slučajevima su mijenjana opterećenja na isti način kao i u prvih pet slučajeva. Uz promatrane dnevne gubitke za sve slučajeve je promatrana generirana radna snaga za pojedini sat u točci konekcije mikromreže s aktivnom mrežom. Svaki pojedini slučaj bit će posebno opisan u nastavku. Važno je napomenuti da su promatrani samo gubici radne snage na vodovima jer su iznosi jalove snage bili zanemarive vrijednosti naspram iznosa radnih gubitaka. U svakom promatranom slučaju rezultati će biti prikazani grafički tako da plavi stupci označavaju gubitke radne snage u kwh, dok crveni stupci označavaju iznose radne snage predane aktivnoj mreži ili preuzete iz iste. 37
GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5.1. HE snage 10 kw, FN snage 5 kw 1. slučaj U prvom slučaju snaga HE iznosi 10 kw, snaga fotonapona je fiksirana i iznosi 5 kw, a tereti su mijenjani po satima na prethodno opisan način. Gubici radne snage u mikromreži su manji u vremenima manjeg opterećenja. Također u tim vremenima je mikromreža predavala radnu snagu aktivnoj mreži, dok je u vremenima većeg opterećenja morala uzimati snagu iz aktivne mreže (Slika 26) U narednim slučajevima ćemo moći vidjeti kako će promjena parametara hidroelektrane utjecati na dnevne gubitke snage te na generiranu snagu aktivne mreže. 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 26. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 1. slučaj 5.2. HE snage 3 kw, FN snage 5 kw 2. slučaj U drugom slučaju je sve jednako kao i u prethodnom, izuzev snage HE koja sada iznosi 3 kw. Situacija sada promijenila. Pošto smo smanjili snagu HE na 3 kw gubici u mreži su se povećali, pogotovo u vremenima većeg opterećenja. Također možemo primijetiti da je sada snaga koja je predana aktivnoj mreži manja, nego u prethodnom slučaju. Isto tako primjećujemo da sada aktivna mreža mora predavati više snage u mrežu kako bi se nadoknadila manja snaga HE. U ovom slučaju je više snage mikromreža uzela iz aktivne, nego što joj je predala. Razlog leži upravo u manjoj snazi hidroelektrane (Slika 27). 38
GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 27. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 2. Slučaj 39
GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5.3. HE snage 7 kw, FN snage 5 kw 3. slučaj U ovom slučaju snaga HE je promijenjena na 7 kw dok je sve ostalo jednako. Iako je u ovom slučaju snaga HE također manja, nego li je u prvom slučaju. Mikromreža je vrlo dobro uspjela nadoknaditi manju snagu HE ostalim prisutnim izvorima u mikromreži tako da sada možemo primijetiti kako su ukupni gubici radne snage manji nego u prethodnom slučaju te je mikromreža predala više snage aktivnoj mreži, nego što je iz nje uzela (Slika 28). 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 28. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 3. slučaj 5.4. HE snage 12 kw, FN snage 5 kw 4. slučaj Četvrti slučaj prikazuje dnevne gubitke radne snage kada se u mikromreži nalazi HE snage 12 kw, a snaga FN i tereta je jednaka kao i do sada. Primjećujemo kako je u ovom slučaju mikromreža predala daleko više snage aktivnoj mreži, nego u dosadašnjim slučajevima te je to rezultiralo porastom gubitaka radne snage (Slika 29) Stoga, ovaj slučaj ne smatramo povoljnim. 40
GUBICI I TOK SNGE GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 29. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 4. slučaj 5.5. HE snage 15 kw, FN snage 5 kw 5. slučaj U petom slučaju snaga HE je još povećana i to na 15 kw. Za očekivati je da će u ovom slučaju dnevni gubici biti još i veći, nego u prethodnim slučajevima. Očekivanja su potvrđena. Snaga predana aktivnoj mreži je još i veća, nego što je u prethodnom slučaju, ali su i gubici snage u sustavu veći (Slika 30). 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 30. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 5. Slučaj 41
Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5.6. Ukupni gubici Nakon provedenih svih pet slučajeva tablično su prikazani ukupni tereti, snage HE i FN. Možemo vidjeti korištene iznose snaga hidroelektrane i fotonapona kao i iznose ukupnih tereta za svaki pojedini slučaj (Tablica 7). Bojom je označen najpovoljniji slučaj, odnosno slučaj kada su ukupni dnevni gubici radne snage u mikromreži iznosili najmanje. Tablica 7. Prikaz korištenih snaga HE i FN i ukupnih tereta Snaga HE [kw] Snaga FN [kw] Tereti [kw] Ukupni gubici [kwh] 1. SLUČJ 10 5 37.5 87.62 2. SLUČJ 3 5 37.5 91.08 3. SLUČJ 7 5 37.5 86.39 4. SLUČJ 12 5 37.5 110.13 5. SLUČJ 15 5 37.5 111.39 Sami ukupni gubici u mikromreži su također prikazani i grafički te možemo vidjeti kako se treći slučaj pokazao najpovoljnijim (Slika 31), stoga njega odabiremo za proračun naredna četiri slučaja u nadi da pronađemo još povoljniji slučaj. 42
UKUPNI DNEVNI GUBICI SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 120 100 80 60 40 kwh 20 0 1.slučaj 2.slučaj 3.slučaj 4.slučaj 5.slučaj SLUČJEVI Slika 31. Ukupni gubici po slučajevima 5.7. HE snage 7 kw, FN nije u finkciji 6. slučaj U šestom slučaju su promatrani dnevni gubici u mikromreži kada snaga fotonapona iznosi 0 kw, odnosno fotonapon nije u funkciji. Kao što je prethodno rečeno snaga hidroelektrane iznosi 7 kw. U ovom slučaju fotonapon nije bio i u funkciji te se ta činjenica odrazila na dnevne gubitke te na generiranu snagu aktivne mreže. Snaga predana aktivnoj mreži daleko je manja nego u slučaju kada nam je FN bio na raspolaganju. Kako FN nije bio u funkciji mikromreža je morala nadoknaditi taj nedostatak uzimanjem radne snage iz aktivne mreže što je automatski povećalo dnevne gubitke snage u mikromreži (Slika 32). 43
GUBICI I TOK SNGE GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 32. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 6. slučaj 5.8. HE snage 7 kw, FN snage 3 kw 7. slučaj Sedmi slučaj prikazuje dijagram dnevnih gubitaka kada je HE snage 7 kw, kao i u prethodnom slučaju, ali sada je fotonapon u funkciji i ima snagu 3 kw. Situacija u mreži se popravila, možemo primijetiti kako su se dnevni gubici samo neznatno smanjili, ali zato je snaga predana aktivnoj mreži povećana za 6 kw. Razlog tome je što nam je u ovom slučaju bio dostupan FN (Slika 33). 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 33. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 7. slučaj 44
GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5.9. HE snage 7 kw, FN snage 8 kw 8. slučaj U osmom slučaju snaga fotonapona je povećana s dosadašnjih 3 kw na 8 kw, dok je snaga HE ostala jednaka. Kako smo povećali snagu FN povećala se snaga koja je predana iz mikromreže u aktivnu mrežu. Samim time su se povećali i dnevni gubici snage (Slika 34). 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 34. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 8. slučaj 5.10. HE snage 7 kw, FN snage 10 kw 9. slučaj Deveti slučaj, ujedno i posljednji u ovom razmatranju, prikazuje dnevne gubitke snage i generiranu snagu aktivne mreže kada FN ima snagu 10 kw, a HE snagu 7 kw, dok je sve ostalo jednako kao i u prethodnim slučajevima. U devetom slučaju primjećujemo kako se razmjena radne snage između mikromreže i aktivne mreže povećala. Odnosno u ovom slučaju mikromreža predaje više radne snage u aktivnu, nego što iz nje uzima, ali je ta činjenica povećala dnevne gubitke radne snage u mikromreži (Slika 35). 45
GUBICI I TOK SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 STI kwh kw Slika 35. Dnevni gubici i generirana snaga aktivne mreže za 9. Slučaj 46
UKUPNI DNEVNI GUBICI SNGE Dnevni dijagram gubitaka snage u mikromreži 5.11. Ukupni gubici Nakon provedena još četiri slučaja možemo vidjeti korištene iznose snaga tereta, hidroelektrane i fotonapona u mikromreži. Oni su prikazani tablično (Tablica 1). Nakon provedena posljednja četiri slučaja možemo zaključiti kako je između promatrana četiri slučaja najpovoljniji sedmi slučaj. Taj slučaj ima najmanje dnevne gubitke radne snage u usporedbi s ostala četiri, ali i dalje nisu manji od gubitaka snage u trećem slučaju. Dakle, u ovom razmatranju smo pokazali da je najpovoljnija konfiguracija mikromreže kada HE ima snagu 7 kw, a FN snagu od 5 kw (Slika 36). Tablica 8. Prikaz korištenih snaga HE i FN i ukupnih tereta Ukupni Snaga Snaga Tereti gubici HE [kw] FN [kw] [kw] [kwh] 6. SLUČJ 7 0 37.5 91.6 7. SLUČJ 7 3 37.5 89.23 8.SLUČJ 7 8 37.5 96.49 9.SLUČJ 7 10 37.5 104.75 120 100 80 60 40 kwh 20 0 1.slučaj 2.slučaj 3.slučaj 4.slučaj 5.slučaj 6.slučaj 7.slučaj 8.slučaj 9.slučaj SLUČJEVI Slika 36. Ukupni gubici po slučajevima 47