SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA DIPLOMSKI RAD br. 1242 Priključenje vjetroelektrane na prijenosnu elektroenergetsku mrežu Ivana Vurbić Zagreb, srpanj 2015.
Diplomski rad: Priključenje vjetroelektrane na prijenosnu elektroenergetsku mrežu Želim se zahvaliti svom profesoru i mentoru prof. dr. sc. Igoru Kuzli te asistentu Ninoslavu Holjevcu na svoj pomoći oko izrade Diplomskog rada. Također se želim zahvaliti obitelji i prijateljima na pruženoj podršci. Hvala Vam svima! I
Diplomski rad: Priključenje vjetroelektrane na prijenosnu elektroenergetsku mrežu Sadržaj Uvod... 1 1. Vjetroelektrane... 2 1.1. Energija vjetra kao OIE... 5 1.2. Vrste vjetroagregata... 10 1.3. Priključenje vjetroelektrana na prijenosnu mrežu i njihov utjecaj... 14 1.4. Razvoj vjetroelektrana u Europi... 18 1.5. Razvoj vjetroelektrana u Hrvatskoj... 21 2. Mreža jugoistočne Europe... 23 3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana... 27 4. Modeliranje ekvivalentne mreže... 31 5. Analiza tokova snaga i naponskih prilika u mreži... 37 5.1. Proračuni za scenarij 1... 38 5.2. Proračuni za scenarij 2... 45 6. Analiza utjecaja pogona vjetroelektrane na kratkospojne prilike u mreži... 51 Zaključak... 58 Literatura... 59 Sažetak... 61 Summary... 62 II
Diplomski rad: Priključenje vjetroelektrane na prijenosnu elektroenergetsku mrežu Popis slika, grafova i tablica Popis slika Slika 1. Dijelovi vjetroelektrane [3]... 3 Slika 2. Dijelovi vjetroagregata [4]... 4 Slika 3. Strujanje zraka kroz turbinu [6]... 6 Slika 4. Krivulja snage vjetroagregata... 8 Slika 5. Prikaz vjetroagregata s a) horizontalnom i b) vertikalnom osi [8]... 10 Slika 6. Nekoliko vrsta vjetroagregata horizontalne osi s različitim brojem lopatica ( a) jedna lopatica, b) dvije lopatice, c) tri lopatice, d) više lopatica, e) izvedba uz vjetar, f) izvedba niz smjer vjetra) [9]... 11 Slika 7. Tri osnovne vrste Darrieus vjetroagregata [10]... 11 Slika 8. VE Vrataruša [11]... 12 Slika 9. Priključak offshore VE na mrežu... 13 Slika 10. Koncetracija VE u svijetu [20]... 20 Slika 11. Karta instaliranih VE u RH [23]... 22 Slika 12. Prikaz prijenosne mreže Hrvatske, Srbije, Slovenije te BiH u Neplanu. 23 Slika 13. Geografski položaj priključenih VE u Sloveniji... 28 Slika 14. Prikaz prijenosne mreže Slovenije [26]... 30 Popis grafova Graf 1. Prikaz razvoja i implementacije VE kroz 13 godina [18]... 20 Popis figura Figura 1. Prikaz procesa pretvorbe energije [2]... 2 Figura 2. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [7]... 9 III
Diplomski rad: Priključenje vjetroelektrane na prijenosnu elektroenergetsku mrežu Popis tablica Tablica 1. Kapacitet instaliranih vjetroelektrana po državama... 19 Tablica 2. Vjetroelektrane u RH... 22 Tablica 3. Popis elemenata u mreži... 25 Tablica 4. Veza Hrvatske sa susjednim zemljama na 400 kv razini... 25 Tablica 5. 400 kv veza Srbije i Bosne i Hecegovine... 25 Tablica 6. Veza Hrvatske sa susjednim zemljama na 200 kv razini... 26 Tablica 7. 220 kv veza Srbije i Bosne i Hercegovine... 26 Tablica 8. Povezanost Hrvatske i susjednih zemalja na 110 kv razini... 26 Tablica 9. Osnovni podaci o VE... 27 Tablica 10. Popis proizvodnih jedinica u Sloveniji... 29 Tablica 11. Aktivne mreže... 31 Tablica 12. Prikaz stanja djelatne i jalove snage u aktivnim mrežama prije i poslije priključenja vjetroelektrana... 33 Tablica 13. Prikaz djelatne i jalove snage u graničim čvorištima prije i poslije priključenja vjetroelektrana... 36 Tablica 14. Naponske prilike u graničnim čvorištima... 39 Tablica 15. Naponske prilike za 220 kv čvorišta... 40 Tablica 16. Naponske prilike u 110 Kv čvorištima bliskim mjestu priključka VE.. 41 Tablica 17. Tokovi snaga na 400, 220 i 110 kv graničnim vodovima... 42 Tablica 18. Tokovi snaga na vodovima u okolini VE... 43 Tablica 19. Naponska stanja u graničnim čvorištima prije i poslije priključenja vjetroelektrana... 46 Tablica 20. Naponsko stanje za 220 kv čvorišta... 47 Tablica 21. Naponska stanja za čvorišta u blizi vjetroelektrana... 48 Tablica 22. Tokovi snaga za granične vodove... 49 Tablica 23. Tokovi snaga na vodovima u blizini VE i na drugim većim čvorištima 50 Tablica 24.Kratki spoj za 110 kv čvorišta za verziju jedan... 52 Tablica 25.Kratki spoj za 110 kv čvorišta za verziju dva... 53 Tablica 26. Kratki spoj za 110 kv čvorišta u blizini vjetroelektrana za scenatij 1.. 54 Tablica 27. Kratki spoj za 110 kv čvorišta u blizini vjetroelektrana za scenarij 2.. 55 Tablica 28. Prikaz rezultata kratkog spoja na četiri 400 kv čvorišta za verziju 1.. 56 Tablica 29. Prikaz rezultata kratkog spoja na četiri 400 kv čvorišta za verziju 2.. 57 IV
Uvod Uvod Uslijed globalnom zagrijavanju i klimatskim promijenama o kojima se mnogo priča u posljednje vrijeme uslijedile su promijene i u razvoju elektroenergetskog sektora. Kako bi se očuvao okoliš i smanjile emisije štetnih plinova u atmosferu dolazi do rastućeg razvoja obnovljivih izvora električne energije, a ponajviše vjetroelektrana. Jedan od razloga tako brzog razvoja su i poticaji koje stječe proizvođač električne energije koji koristi obnovljive izvore energije za proizvodnju električne energije. Prikupljanje naknade za poticanje provodi se kroz uobičajeni sustav plaćanja svih kupaca električne energije. Iako je sve veća popularizacija takvih vrsta elektrana one imaju i svoje nedostatke, a neki od njih su njihova promijenjivost i utjecaj na elektroenergetski sustav koji obuhvaća lokalni utjecaj na prijenosnu i distribucijsku mrežu, te utjecaj na stabilnost, planiranje i vođenje elektroenergetskog sustava. U ovom radu analizirat će se kakav utjecaj ima priključenje vjetroelektrana na model prijenosne mreže Hrvatske, Slovenije, Srbije i Bosne i Hercegovine. Prijenosna mreža samo je jedan segment u elektroenergetskom sustavu koji obuhvaća prijenos većih količina energije na veće udaljenosti sa što manjim gubitcima. Nakon što je prijenosna mreža zadanih država modelirana i međusobno povezana, a vjetroelektrane priključene na prijenosni sustav Slovenije (110 kv naponska razina) provodit će se proračuni kratkih spojeva i tokova snaga. Proračuni se provode kako bi se ustvrdilo stanje u mreži i analizirala mogućnost priključenja novih elektrana u pogon te njihov utjecaj na okolnu mrežu. U programskom paketu Neplan provedeni su proračuni za dva scenarija mreže. 1
1. Vjetroelektrane 1. Vjetroelektrane Moderno iskorištavanje vjetra kakvo je poznato i danas započelo je 70-ih godina 20. stoljeća. uslijed naftne krize. Premda je proizvodnja električne energije iz obnovljivih izvora skuplja, briga za okoliš te nesigurnost oko fosilnih goriva rezultirali su pozicioniranjem obnovljivih izvora energije, a ponajprije vjetroelektrana u sam vrh investicijski poželjnih projekata. Vjetroelektranu čini nekoliko blisko smještenih vjetroagregata priključenih preko zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu [1]. Vjetroagregat je uređaj koji iskorištava energiju vjetra za proizvodnju električne energije. Figura 1 prikazuje proces pretvorbe jedne energije u drugu. Taj proces se odvija u dvije faze. Prva faza na razini turbine obuhvaća pretvorbu kinetičke energije vjetra u mehaničku, dok druga faza tzv. faza generatora obuhvaća pretvorbu mehaničke energije u električnu koja se onda spaja na mrežu i prenosi dalje u sustav. Lopatice rotora Generator Mehanički pogon Mrežno sučelje Smjer vjetra Kinetička energija Mehanička energija Mehanička energija Električna energija Električna mreža Konverzija Transformacija Konverzija Transformacija Figura 1. Prikaz procesa pretvorbe energije [2] Svaka vjetroelektrana sastoji se od nekoliko tipičnih dijelova koji su prikazani na slikama 1 i 2. Na Slici 1 prikazani su dijelovi koje vidimo s vanjske strane poput temelja, stupa, kućišta s generatorom te lopatica rotora. 2
1. Vjetroelektrane Slika 1. Dijelovi vjetroelektrane [3] Na Slici 2 vide se dijelovi koji se nalaze u kućištu. U unutrašnjosti se obično nalaze: Kućište (engl. Nacelle) Anemometra Zakrivača smjera vjetra (engl. Wind Vane) Brzo-okretne osovine (engl. High-speed shaft) Upravljača (engl. Controller) Generatora Prijenosnika (engl. Gear Box) Sporo-okretne osovine (engl. Low-speed shaft) Kočnice (engl. Break) Lopatice (engl. Blades) Zupčanika (engl. Yaw drive) Motora zupčanika (engl. Yaw motor služi za zakretanje kućišta) Tornja (engl. Tower) Sustav upravljanja kutem zakretanja elise (engl. Pitch). 3
1. Vjetroelektrane Rotor vjetroturbine i rotor generatora nalaze se na istoj osovini, a između njih se nalazi prijenosnik koji ima funkciju prilagođavanja niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje električnog generatora. Izlazna snaga se dovodi na transformator, nakon povećanja napona proizvedena energija se uz manje gubitke dalje prenosi u mreži. Transformatorska stanica služi za preuzimanje proizvedene električne energije na naponskom nivou 400 V ili 690 V i njenu transformaciju na razdjelni napon 10 (20) kv ili neki veći napon. Transformatorska stanica može se nalaziti u dnu tornja ili što je najčešće, pokraj vjetroagregata. Slika 2. Dijelovi vjetroagregata [4] 4
1. Vjetroelektrane 1.1. Energija vjetra kao OIE Gibanje zraka nastaje zbog nejednolikog zagrijavanja Zemljine površine Sunčevim zračenjem, a dio tog gibanja paralelan s površinom Zemlje zove se vjetar. Vjetar je uzrokovan razlikom atmosferskog tlaka, a modificiraju ga Coriolisova sila i trenje [5]. U toku dana vjetar često mijenja brzinu i smijer te je upravo ta promijenjivost jedan od negativnih faktora kod vjetroelektrana. Ta nestalnost uzrokuje procijene proizvodnje električne energije na godišnjoj razini dok nas zapravo zanima koliko će ona proizvoditi pojedini dan ili sat. Da bi se izračunala snaga vjetra i energija koja se u određenom periodu može dobiti pomoću vjetroagregata potrebni su nam podaci o frekvenciji pojave određene brzine vjetra na danom području. Upravo je taj dio koji uključuje mjerenje brzine vjetra na nekoj lokaciji jedan od prvih koraka koji se poduzima prilikom izbora lokacije za izgradnju vjetroelektrane. Kao što smo već spomenuli pri korištenju energije vjetra, kinetička energija vjetra se pomoću turbine pretvara u mehaničku energiju. Ako kroz zamišljenu površinu A protječe masa m zraka brzinom v kroz vrijeme t kinetička energija je (ibid., str. 29) : (2.1.1.) Gdje je - gustoća zraka A- zamišljena površina (npr. površina kruga koju opisuju lopatice) v- brzina vjetra ispred turbine 5
1. Vjetroelektrane Budući da je snaga vjetra derivacija kinetičke energije vjetra po vremenu, time dobijemo izraz za raspoloživu snagu vjetra: (2.1.2) (2.1.3) Kako je snaga proporcionalana trećoj potenciji brzine vjetra bitno je dobro poznavanje iznosa brzine vjetra jer se svako odstupanje multiplicira pri izračunu snage. Na Slici 3 vidimo tijek zraka kod vjetroagregata. Kako se zrak odnosno vjetar približava turbini ( ) i prolazi kroz nju tako tlak raste, a brzina se smanjuje. Oblik, veličina izrada, broj lopatica, sloboda gibanja, kutna brzina rotora i dr. utječu na promijene tlaka i brzine. Slika 3. Strujanje zraka kroz turbinu [6] Ako uzmemo da je brzina vjetra na ulazu, u turbini, a iza turbine i ako je to smanjenje brzine linearno i opišemo ga parametrom (2.1.4) 6
1. Vjetroelektrane Tada je (2.1.5) Primjenom jednadžbe kontinuiteta dobivamo (2.1.6) Te slijedi da su ulazna i izlazna snaga vjetra (2.1.7) (2.1.8) Iz danih jednadžbi dobijemo da je snaga koju turbina iskoristi jednaka razlici ulazne i izlazne snage (2.1.9) Kako bi dobili maksimalnu vrijednost koeficijenta a, derivirat ćemo keoficijent snage i izjednačit ga s nulom (2.1.10) Iz čega slijedi da je maksimalni koeficijent snage (2.1.11) 7
1. Vjetroelektrane Dok je maksimalna snaga (2.1.12) Ovo ograničenje naziva se Betzov zakon, odnosno Betzov koeficijent koji označava maksimalnu teoretsku iskoristivost vjetropotencijala. Idealan vjetroagregat bi mogao iskoristiti samo 59% energije vjetra, dok je u praksi on nešto manji te koeficijent iskorištenja iznosi oko 40%. Na Slici 4 vidimo tipičnu ovisnost snage o vjetru. Kada brzina dosegne određenu vrijednost, najčešće između 3 m/s i 5 m/s turbina se uključi, a snaga joj raste s porastom brzine vjetra. Kada dosegne nazivnu snagu pri nazivnoj brzini obično od oko 12 m/s do 15 m/s tako ostaje sve dok brzina vjetra ne premaši makismalnu vrijednost od 25 m/s kada se turbina isključuje [ibid; 30 str.]. Slika 4. Krivulja snage vjetroagregata 8
1. Vjetroelektrane Na Figuri 2 nalazi se prikaz općenite sheme djelovanja vjetroelektrana. Obuhvaća elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehaničku energiju te električnu energiju. Crtkanom linijom prikazani su elementi koji nisu prisutni u svim izvedbama. Proces pretvorbe već je ranije spomenut no radi se o tome da se energija vjetra transformira u mehaničku energiju pomoću vjetroturbine, a spoj između vjetroturbine i generatora ostvaren je pomoću mehaničke spojke koja obično u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prijenosnikom. Prijenosnik brzine služi za prilagođavanje niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje rotora generatora. U opremi nekih vjetroturbina nalazi se sustav za upravljanje kutem zakreta elisa pomoću kojeg se utječe na iznos snage pretvorbe. Energija vjetra Mehanička energija Električna energija Mjenjačka kutija Generator Elektroničko sučelje Rasklopna oprema Zaštita Mreža Kompenzator Mjerenje brzine vjetra Upravljački sustav elektrane Figura 2. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [7] 9
1. Vjetroelektrane 1.2. Vrste vjetroagregata Tipove vjetroagregata razvrstavamo s obzirom na neke radne i konstrukcijske značajke pa tako razlikujemo vjetroagregate prema: 1. Osi vratila 2. Instaliranoj snazi 3. Lokaciji izgradnje 4. Regulaciji snage 5. Načinu pretvorbe energije Navedini tipovi objašnjeni su dalje u tekstu. Na Slici 5 vidimo prikaz dva tipa vjetroagregata. Prvi je vjetroagregat s horizontalnom osi (HAWT), a drugi je vjetroagregat s vertikalnom osi vratila (VAWT). 1 Danas dominiraju vjetroagregati s horizontalnim vratilima s obzirom na smjer vjetra i dosežu vrlo visok stupanj tehničke razvijenosti te mogu biti snaga i do nekoliko megawata. Slika 5. Prikaz vjetroagregata s a) horizontalnom i b) vertikalnom osi [8] 1 HAWT- horizontal axis wind turbines, VAWT- vertical axis wind turbines 10
1. Vjetroelektrane Slika 6. Nekoliko vrsta vjetroagregata horizontalne osi s različitim brojem lopatica ( a) jedna lopatica, b) dvije lopatice, c) tri lopatice, d) više lopatica, e) izvedba uz vjetar, f) izvedba niz smjer vjetra) [9] Na Slici 6 vidimo izgled vjetroagregata s obzirom na broj lopatica. Danas se obično instaliraju vjetroelektrane koje imaju po tri lopatice. Ugradnja većeg broja lopatica za sobom povlači pitanje povećanja cijene projekta kao i promjene u konstrukciji jer treba uračunati dodatnu težinu i osigurati stabilnost. Manji broj lopatica utječe na samu proizvodnju jer je potrebna veća brzina vjetra da bi se proizvela jednaka količina energije kao kod vjetroelektrana s tri lopatice. Slika 7. Tri osnovne vrste Darrieus vjetroagregata [10] 11
1. Vjetroelektrane Kod vjetroagregata s vertikalnom osi negativno je to što je manja iskoristivost, međutim pozitivne strane su što je tiši, smjer vjetra nije bitan, jednostavnije je strukture što omogućava i lakše postavljanje te je potrebna manja brzina vjetra za početak rotacije. Na Slici 7 možemo vidjeti izgled nekoliko tipova izvedbe vjetroagregata s vertikalnom osi. Prema instaliranoj snazi uobičajena je podijela na male, srednje, velike te vjetroelektrane na pučini. Male VE su obično snage do 30 kw i pogodne su kao autonomni izvor električne energije sa sustavom rezervnog napajanja iz baterija koje se pune iz viška proizvodnje vjetroelektrane. Srednje i velike VE mogu imati instaliranu snagu i do 1500 kw i obično su spojene na mrežu te služe za komercijalnu proizvodnju električne energije. Prema mjestu izgradnje razlikujemo vjetroelektrane na moru (offshore) i na kopnu (onshore). Danas su još uvijek vrši ekspolatacija pogodnih mjesta za izgradnju vjetroelektrana na kopnu. Rade se studije o utjecajima na okoliš gdje se između ostalog procjenjuje da li je odabrano područje prihvatljivo obzirom na jakost vjetra. Kada se iskoriste sve povoljne lokacije na kopnu svakako jedna od opcija će biti instalacija vjetrolektrana na moru, međutim takav način proizvodnje električne energije sa sobom nosi i određeni niz problema. Iako je ta tehnologija već uznapredovala ipak od ukupno 128,8 GW instalirane snage na područje Europske unije iz vjetroelektrana samo 8 GW otpada na offshore vjetroelektrane. Na slikama 8 i 9 prikazane su VE ovisne o mjestu izgradnje. Slika 8. VE Vrataruša [11] 12
1. Vjetroelektrane Slika 9. Priključak offshore VE na mrežu 2 Regulacija snage vjetroagregata može biti: a) pasivna regulacija pomoću posebno projektiranih lopatica (stall regulation), b) regulacija snage zakretanjem lopatica (pitch regulation), c) aktivna stall regulacija (Active stall, Combi Stall). Kod ovog pristupa regulacija snage se ostvaruje kombinacijom regulacije zakreta lopatica vjetroturbine (pitch regulation) i pasivne regulacije pomoću posebno projektiranih lopatica (stall regulation) [12]. Prema načinu pretvorbe energije vjetra u električnu energiju te njihovim priključkom na električnu mrežu vjetroagregati se mogu podijeliti na vjetroagregate s asinkronim generatorom i multiplikatorom i na vjetroagregate sa sinkronim generatorom s ili bez multiplikatora. Tako razlikujemo: a) asinkroni kavezni jedno ili dvobrzinski generator (2p=4 ili 6), s multiplikatorom b) asinkroni klizno-kolutni dvostrano napajani generator, s multiplikatorom c) sinkroni generator sa uzbudnom strujom na rotoru, direktni pogon d) sinkroni generator sa uzbudnom strujom na rotoru, s multiplikatorom e) sinkroni generator s trajnim magnetima, direktni pogon f) sinkroni generator s trajnim magnetima 2 1. Vjetar uzrokuje rotiranje lopatica, 2. Vratilo pokreće generator i proizvodnju elekrične energije, 3. Transformator podiže napon, 4. Električna en. se spaja na mrežu koja se dalje prenosi prema potrošačima 13
1. Vjetroelektrane 1.3. Priključenje vjetroelektrana na prijenosnu mrežu i njihov utjecaj Zanemarivanje obnovljivih izvora energije više nije prihvatljivo obzirom na planove i želje investitora, međutim brz razvoj i penetracija vjetroelektrana većih snaga u mrežu utječe na zahtjeve stabilnosti sustava te je potrebno definirati tehničke kriterije njihovog priključenja na sustav te vođenje sustava. Kako se u prijedlogu Mrežnih pravila, koje uređuju pogon i način vođenja prijenosne i distribucijske mreže u sustavu, definiraju tehničke obveze generatora priključenih na elektroenergetski sustav obzirom na sinkrone generatore koji su dominantni u sustavu javlja se potreba za definiranjem priključenja asinkornih generatora koja su najčešća vrsta kod vjetroelektrana. Posljedice iznenadnih promjena izlazne snage vjetroelektrana po dinamička svojstva sustava potrebno je pažljivo analizirati obzirom na tehnologiju njihove izvedbe, sučelje prema mreži, intermitentnost vjetra kao primarnog izvora energije te interakciju s bliskim sinkronim generatorima priključenima na istu naponsku razinu [13]. Uklapanje vjetroelektrana u elektroenergetski sustav i njihovo usklađivanje s drugim proizvodnim objektima definirano je nekolicinom zakonodavnih okvira za izgradnju i pogon vjetroelektrana poput Zakona o okolišu, Zakona o energiji, Zakona o tržištu električnom energijom, Mrežnim pravilima, Pravilnikom o korištenju OIEiK, Uredbom o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz OIEik te drugim. Tehnički kriteriji generatora priključenih na elektroenergetski sustav definirani su u već spomenutim Mrežnim pravilima [14], a baziraju se na očuvanju najbitnijih svojstava pogona elektroenergetskog sustava poput sigurnosti napajanja, pouzdanosti i kvalitete isporučene električne energije kako u kratkoročnom tako i u dugoročnom periodu. Priključenje vjetroelektrane na prijenosni ili distribucijski sustav ovisi o nazivnoj naponskoj razini mjesta priključenja i o veličini njezine izgradnje, odnosno veličina izgradnje vjetroelektrane i stanje okolne mreže definiraju nazivnu naponsku razinu. Vjetroelektrane manje snage do približno 10 MW spajamo na distribucijski sustav (naponske razine 35 kv), a veće vjetroelektrane snage veće od 20 MW koje će se koristiti u ovom radu potrebno je priključiti na prijenosni sustav ( naponske razine 110 kv). Budući se radi o većoj 14
1. Vjetroelektrane snazi koja se injektira u mrežu utjecaj na sustav je veći te je definirano pet glavnih područja koja tehnički kriteriji moraju obuhvatiti prilikom priključenja vjetroelektrane na prijenosni sustav: 1. Zahtjevi obzirom na frekvenciju a. Raspon frekvencije sustava b. Upravljanje snagom proizvodnje c. Brzine promjene opterećenja d. Pokretanje i zaustavljanje e. Pogonska rezerva 2. Zahtjevi obzirom na napon a. Raspon napona i promjene b. Automatska regulacija napona c. Kompenzacija jalove snage d. Pokretanje i zaustavljanje e. Pogonska rezerva 3. Zahtjevi obzirom na prolazak kroz stanja kvara a. Stabilnost kuta i napona b. Zadržavanje stabilnosti VE u uvijetima kvara c. Zahtjevi za očuvanjem stabilnosti VE d. Zahtjevi sustava zaštite VE e. Modeliranje vjetroelektrana 4. Zahtjevi obzirom na kvalitetu isporučene električne energije a. Razina kratkog spoja b. Kontinuirani pogon, sklopne operacije c. Emisija flikera d. Fluktuacija napona e. Harmonici f. Interferencija s telekomunikacijskim vodovima g. Interferencija s opremom za daljinsko upravljanje 15
1. Vjetroelektrane 5. Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje a. Dvosmjerna komunikacija: VE-operator sustava b. Informacijski signali u/iz vjetroelektrane c. Specifikacija podataka za razmjenu u komunikaciji d. Zahtjevi operatora sustava na upravljanje vjetroelektranama e. Predviđanje proizvodnje i deklariranja raspoloživosti ( pružanje pomoćnih usluga, raspoloživost, pogonske karakteristike, rizik od raspada) 6. Verifikacija i testiranje a. Uvijeti za prvo stavljanje vjetroelektrane pod napon b. Testiranje i. Pokretanje ii. Zaustavljanje u uvijetima velike brzine vjetra iii. Vladanje u uvijetima promjene frekvencije sustava iv. Vladanje u uvijetima promjene napona sustava v. Vladanje u uvijetim njihanja u sustavu vi. Provjera kvalitete c. Podnošenje izvještaja 7. Minimalna veličina izgradnje Veličina izgradnje 5 MW 5 MW < Veličina izgradnje 10 MW 10 MW < Veličina izgradnje 20 MW Veličina izgradnje > 20 MW, [15]. Na službenim stranicama HEP-operatora prijenosnog sustava nalazi se odredba o Dodatnim tehničkim uvijetima za priključak i pogon vjetroelektrana na prijenosnoj mreži donesen sukladno člancima 15. i 16. Zakona o tržištu električne energije i članku 4. Mrežnih pravila u kojima je detaljnije opisan i definiran raspon dozvoljenih frekvencija i napona u sustavu tijekom normalnih i poremećenih uvijeta 16
1. Vjetroelektrane pogona unutar kojih vjetroelektrana mora zadržati priključak kao i upravljanje djelatnom snagom i sposobnost prolaska vjetroelektrane kroz stanje kvara [16]. Iako se frekvencija sustava unutar normalnog raspona uobičajeno održava 99.9% vremena, operator sustava mora osigurati pogon sustava i pri najnepovoljnijim stanjima, odnosno osigurati da svi generatori mogu tolerirati pojavu viših i nižih iznosa frekvencije. Stoga i vjetroelektrane moraju imati sposobnost vođenja kontinuiranog pogona s normalnom nazivnom izlaznom snagom (naravno, uz uvjet dostatne brzine vjetra) pri frekvenciji u rasponu od 49.5 Hz do 50.5 Hz. Regulacija napona se izvodi upravljanjem razine magnetiziranja generatora, pri čemu visoka razina magnetizacije rezultira s visokim iznosom napona i proizvodnjom jalove snage. Vjetroagregati, transformatori i drugi interni elementi induktivne naravi troše jalovu snagu koju moraju proizvesti u krugu elektrane ili preuzeti iz sustava. Ukoliko vjetroelektrana povlači jalovu snagu iz sustava, smanjuje se raspoloživa termička opteretivost priključnih vodova za evakuaciju proizvedene djelatne snage. Osim toga, ako vjetroelektrana aktivno regulira iznos napona na svojim priključnicama, onda tijekom prolaznih kvarova to može značajno doprinijeti mogućnosti lakšeg i bržeg prolaska kroz stanje kvara. Neupravljivo povlačenje jalove snage iz sustava od strane vjetroelektrane može uzrokovati smanjenje iznosa napona u okolnom dijelu sustava. Jednako tako, neupravljiva proizvodnja jalove snage vjetroelektrane može utjecati i na povećanje lokalnih napona. U cilju upravljanja kvalitetom napona u čvorištima priključenja korisnika sustava može se pokazati potreba za uključenjem okolnih generatora ili kompenzacijskih uređaja u pružanje dodatne podrške putem upravljanja jalovom snagom. Zadržavanjem priključka proizvodnih objekata, pa tako i vjetroelektrana pri stanju kvara doprinosi se bržem oporavku napona. Stoga sva nova pogonska ili mrežna pravila u Europi nameću vjetroelektranama obvezu sposobnosti prolaska kroz stanje kvara ili drugim riječima, sposobnost zadovoljavanja potražnje za jalovom snagom u stanju nakon kvara. 17
1. Vjetroelektrane 1.4. Razvoj vjetroelektrana u Europi Prema EWEA (The European Wind Energy Association) statistikama za prethodnu godinu u Europskoj uniji instalirano je 11 791,4 MW vjetroelektrana što je povećanje za 3,8% u odnosu na 2013. godinu. Da je došlo do rasta i razvoja tehnologije vjetroelektrana te njihove impelmentacije pokazuju i brojke gdje od ukupnih instaliranih proizvodnih objekata električne energije one čine 43,7% u 2014. godini [17]. Trenutno je instalirano 128,8 GW vjetroelektrana od čega otprilike 120,6 GW otpada na vjetroelektrane na kopnu, a samo oko 8 GW na vjetroelektrane na moru. Ukupna instalirana snaga svih elektrana na području Europske unije iznosi 910,1 GW, a vjetroelektrane čine 14,1% tog iznosa. U Tablici 1 vidimo porast proizvodnje snage iz energije vjetra u 2013. i 2014. godini. Također treba obratiti pozornost i na kandidate za članstvo u Europsku uniju koji imaju 3 799,5 MW instaliranih vjetroelektrana te zemlje EFTA-e (European Free Trade Association) s ukupno 882,6 MW iz čega vidimo da je ukupno u Europi instalirano 133 968,2 MW. 18
1. Vjetroelektrane Tablica 1. Kapacitet instaliranih vjetroelektrana po državama Instalirano 2013. Kraj 2013. Instalirano 2014. Kraj 2014. Kapacitet u EU (MW) Austrija 308.4 1 683.8 411.2 2 095 Belgium 275,6 1 665,5 293,5 1959 Bugarska 7,1 681,1 9,4 690,5 Hrvatska 81,2 260,8 85,7 346,5 Cipar - 146,7-146,7 Češka 8 268,1 14 281,5 Danska 694,5 4807 67 4845 Estonija 10,5 279,9 22,8 302,7 Finska 163,3 449 184 627 Francuska 630 8 243 1 042 9 285 Njemačka 3 238,4 34 250,2 5 279,2 39 163 Grčka 116,2 1 865,9 113,9 1 979,8 Mađarska - 329,2-329,2 Irska 343,6 2 049,3 222,4 2 271,7 Italija 437,7 8 557,9 107,5 8 662,9 Latvija 2,2 61,6-61,8 Litvanija 16,2 278,8 0,5 279,3 Luksemburg - 58,3-58,3 Malta - - - - Nizozemska 295 2 671 141 2 805 Poljska 893,5 3 389,3 444,3 3 833,5 Portugal 200 4 730,4 184 4 914,4 Rumunjska 694,6 2 599,6 354 2 953,6 Slovačka - 3,1-3,1 Slovenija 2,3 2,3 0,9 3,2 Španjolska 175,1 22 959,1 27,5 22 986,5 Švedska 689 4 381,6 1 050,2 12 440,3 UK 2 075 10 710,9 1 736,4 12 440,3 Ukupno EU-28 11 357,3 117 383,6 11 791,4 128 751,4 Investiranje u izgradnju vjetroelektrana za zemlje Europske unije kreće se između 13 i 18 bil. od čega je 9-13 bil. usmjereno na onshore vjetroelektrane, a između 4 i 6 bil. na offshore vjetroelektrane. Kroz 2014. Njemačka je instalirala najveći broj vjetroelektrana ukupune snage 5 278,2 MW od čega je 528,9 MW offshore vjetroelektrana. Na drugom mjestu se nalazi Ujedinjeno Kraljevstvo sa 1736,4 MW instaliranih vjetroelektrana od čega njih 46,8% odnosno 813.4 MW čine offshore vjetroelektrane, dalje ih slijede Švedska, Francuska, Poljska i druge [Ibid.]. Na Grafu 1 prikazan je porast proizvodnje električne energije iz VE u zadnjih 15 godina. Vidljivo je da snage postupno rastu uz mjestimične staganacije ili padove u pojedinim godinama, međutim globalno gledajući interes i implementacija vjetroelektrana raste i moguće je prepostaviti da će rasti i u budućnosti. 19
1. Vjetroelektrane 14 Godišnja instalacija vjetroelektrana u EU (GW) 12 10 8 6 4 2 0 8,97 8,48 10,27 12,06 11,16 11,79 9,85 9,66 5,91 5,46 5,84 6,54 7,18 4,43 3,21 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Graf 1.. Prikaz razvoja i implementacije VE kroz 13 godina [18] Na Slici 10 vidljiva je koncentracija vjetroelektrana u svijetu. Prema podacima The Wind Power u svijetu je instalirano 326,4 GW vjetroelektrana od čega više od trećine snage pripada europskom kontinentu što je i vidljivo sa slike. U Africi je instalirano 4,3 GW, SAD-u 96,4 GW, a u Aziji 80 GW vjetroelektrana [19]. Slika 10. Koncetracija VE u svijetu [20] 20
1. Vjetroelektrane 1.5. Razvoj vjetroelektrana u Hrvatskoj Prva vjetroelektrana u Hrvatskoj, VE Ravne puštena je u rad u kolovozu 2004. godine. Radi se o 7 vjetroagregata ukupne snage od 5,95 MW. Za realizaciju tog projekta trebalo je 7 godina. Gledajući karakteristike vjetra u Hrvatskoj postoji velik broj lokacija koje pogoduju iskorištavanju energije vjetra. Dobar dio lokacija je već iskorišten i to vidimo u Tablici 2 koja je preuzeta sa stranice Hrvatskog operatora prijenosnog sustava [21]. Iz nje vidimo da je trenutno u Republici Hrvatskoj instalirano 16 vjetroelektrana ukupne snage 339,45 MW. Jedan od razloga investiranja u ovakav oblik proizvodnje električne energije je poticanje obnovljivih izvora energije i jedan takav model se zove feed-in tarifa, odnosno princip zajamčenih tarifa. Pravo na poticajnu cijenu dobiva se stjecanjem statusa povlaštenog proizvođača 3 i sklapanjem Ugovora o otkupu električne energije s Hrvatskim operatorom tržišta energije (HROTE). Ugovor o otkupu električne energije proizvedene iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije i kogeneracijskih postrojenja sklapa se na određeno vrijeme od 12 godina. U Tarifnom sustavu za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije određuje se pravo povlaštenih proizvođača električne energije na poticajnu cijenu koju operator tržišta plaća za isporučenu električnu energiju proizvedenu iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije i kogeneracijska postrojenja. Prema danom pravilniku visina tarife za postrojenja priključena na distribucijsku mrežu instalirane električne snage do 1 MW za vjetroelektrane iznosi 0,64 kn/kwh dok za snage veće od 1 MW iznosi 0,65 kn/kwh [22]. Na Slici 11 vidi se karta Hrvatske sa postojećim instaliranim vjetroelektranama, iz karte se vidi da je većina vjetroelektrana smještena u priobalju jer je koncentracija vjetra na tim područjima najstalnija. 3 Povlašteni proizvođač je energetski subjekt koji u pojedinačnom proizvodnom objektu istodobno proizvodi električnu i toplinsku energiju, koristi otpad ili obnovljive izvore energije na gospodarski primjeren način koji je usklađen sa zaštitom okoliša. 21
1. Vjetroelektrane VJETROELEKTRANA Tablica 2. Vjetroelektrane u RH ODOBRENA SNAGA (MW) U POGONU OD PRIKLJUČAK NA MREŽU (kv) VE Ravne 5,95 2005 10 VE Trtar-Krtolin 11,2 lipanj 2006. 30 VE Orlice 9,6 lipanj 2009. 30 VE Vrataruša 42 rujan 2010. 110 VE ZD 6 faza I 9 prosinac 2010. 35 VE Crno Brdo 10 travanj 2011. 35 VE ZD2 18 studeni 2011. 110 VE ZD 3 18 studeni 2011. 110 VE Pometeno brdo 17,5 (do 20 MW) studeni 2011. /prosinac 2012. 110 VE Ponikve 34 ožujak 2013. 110 VE Jelinak 30 lipanj 2013. 110 VE ST 1-2 Kamensko do 20 lipanj 2013. 110 VE ST 1-1 Voštane do 20 kolovoz 2013. 110 VE ZD 4 faza I. 9,2 kolovoz 2013. 35 VE Velika Glava, Bubrig i Crni Vrh 43 srpanj 2014. 110 VE Zelengrad - Obrovac 42 prosinac 2014. 110 UKUPNO 339,45 Slika 11. Karta instaliranih VE u RH [23] 22
2. Mreža jugoistočne Europe 2. Mreža jugoistočne Europe U nastavku trećeg poglavlja biti će opisane države na čijim će se prijenosnim mrežama vršiti proračuni tokova snaga i kratkih spojeva s ciljem analiziranja stanja okolne mreže nakon priključenja većeg broja megawata iz vjetroelektrana. Visokonaponska prijenosna mreža zadanih država crtana je u programskom paketu Neplan te su u nastavku rada prikazane tablice s količinom pojedinih elemenata koje čine jedan prijenosni sustav u elektroenergetskoj mreži danih država. Nacrtanoj mreži Srbije, Bosne i Hercegovine te Slovenije priključen je i postojeći model prijenosne mreže Hrvatske [24] kako bi se dobila jedna cjelina te što bolje pratile promijene tokova snaga nakon priključenja vjetroelektrana. Zajedno Slovenija, Bosna i Hercegovina, Hrvatska i Srbija imaju 590 čvorišta, od toga 402 čvora pripadaju 110 kv razini, 113 220 kv razini, a 75 400 kv razini. Detaljniji prikaz elemenata nalazi se u Tablici 3 dok je na Slici 12 vidljiv prikaz nacrtane prijenosne mreže zadanih država. Rozom bojom su označena 400 kv čvorišta, zelenom 220 kv čvorišta, a ljubičastom su prikazan1 110 kv čvorovi. Slika 12. Prikaz prijenosne mreže Hrvatske, Srbije, Slovenije te BiH u Neplanu 23
2. Mreža jugoistočne Europe Na Slici 12 se vidi i dio 400 kv mreže Mađarske. Kako bi tokovi snaga bili što vjerodostojniji nadodana je veza Heviz- Žerjavinec- Ernestinovo- Pećuh (PECS)- Pacs- Toponar- Heviz. Svaka država je crtana pojedinačno počevši od 400 kv čvorišta kojih uvijek ima najmanje pa sve do 110 kv čvorišta koji ima znatno više i na koje se dalje nastavlja distribucija na srednjim i nižim naponskim razinama. Distribucija nije ucrtana u mrežu jer nije bila relevanta za zadanu temu, a i opseg posla je bio dovoljno velik no ukoliko će se dalje nastavljati rad na mreži lako se može nadodati i taj segment elektroenergetske mreže. Iako se u Tablici 3 nalaze podaci za cijeli model prijenosne mreže, pojedinačno promatrajući države Republika Srbija ima najveći broj 400 i 220 kv čvorišta, slijedi ga Bosna i Hercegovina te Slovenija, a najmanji broj čvorišta ima Hrvatska. Prema korištenim izvorima Srbija ima 45 400 kv i 61 220 kv čvor, dok se za preostale tri države radi o znatno manjem broju čvorišta pa tako Bosna i Hercegovina ima 14 400 kv i 32 220 kv, Slovenija po 11 400kV i 220 kv čvorišta, a Hrvatska 6 400 kv i 13 220 kv čvorišta. Podatci za vodove, transformatore, generatore te druge elemente iz mreže preuzimali su se iz PSS tablica u kojima su bili zadani svi parametri za pojedini element. Ukoliko neki od elemenata nije imao definirane parametre koristile su se tipizirane vrijednosti za traženi element. Nakon što je prenošenje topologije pojednih elemenata mreže dovršeno, za svaku državu se pojedinačno vršio proračun Load Flow kako bi se ustvrdila ispravnost mreže i kako bi se izbjegla pojava većeg broja grešaka nakon povezivanja svih država u jednu cjelinu. Proračunom tokova snaga proširenom Newton Raphsonovom metodom mreža je konvergirala u 12 iteracija te se ustvrdilo da je dobro povezana i da nema većih grešaka nakon čega je uslijedio i predzadnji korak (prije priključka vjetroelektrana), a to je modeliranje vanjske mreže pomoću Feedera što je ujedno bio i vremenski najzahtjevniji dio praktičnog rada, detaljnije opisan u Poglavlju 4. 24
2. Mreža jugoistočne Europe Tablica 3. Popis elemenata u mreži Naziv elemenata u mreži Količina elemenata Vod 570 590 Čvor 110 kv 220kV 400 kv 402 113 75 Sinkroni generator 88 Asinkroni generator 40 Transformator 213 Aktivna mreža 18 Trošila 319 Spojnica 31 U sljedećim tablicama navedeni su interkonekcijski vodovi koji su crtani u programu. Bosna i Hrecegovina, Srbija, Slovenija i Hrvatska međusobno su povezane 400, 220 i 110 kv vodovima. U Tablicama 4-8 detaljnije su opisani granični vodovi te se jasno vidi budući se Hrvatska nalazi u sredini, između zadanih država kako ima i najviše veza prema njima što upućuje na dobru interkonekciju te znači veću stabilnost mreže kao i mogućnost uvoza i izvoza električne energije. Tablica 4. Veza Hrvatske sa susjednim zemljama na 400 kv razini Zemlja Slovenija BiH Srbija Mađarska 400 kv vod DV Tumbri- Krško (2x400 kv) DV Melina- Divača DV Ernestinovo- Ugljevik DV Konjsko-Mostar DV Ernestinovo- Sremska Mitrovica DV Ernestinovo- Pećuh (2x400 kv) DV Žerjavinec- Heviz (2x400 kv) Tablica 5. 400 kv veza Srbije i Bosne i Hecegovine Zemlja 400 Kv vod Srbija- BiH DV Sremska Mitrovica-Ugljevik 25
2. Mreža jugoistočne Europe Tablica 6. Veza Hrvatske sa susjednim zemljama na 200 kv razini Zemlja Slovenija BiH 200 kv vod DV Cirkovec-Žerjavinec DV Divača- Pehlin DV Zakućac- Mostar DV Plat-Trebinje DV Prijedor- Mraclin DV Prijedor- Međurić DV Gračac- Đakovo DV Tuzla- Đakovo Tablica 7. 220 kv veza Srbije i Bosne i Hercegovine Zemlja 220 kv vod Srbija- BiH DV Vardište- Višegrad Tablica 8. Povezanost Hrvatske i susjednih zemalja na 110 kv razini Zemlja Slovenija BiH 110 kv vod DV Matulji- Ilirska Bistrica DV Koper-Buje DV Formin-Nedeljanec DV K. Vakuf- Donji Lapac DV B. Blato- Peruča DV Opuzen-Čapljina DV Knin- Bosansko Grahovo 26
3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana 3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana U prvom dijelu rada opisane su osnovne značajke vjetroelektrana i njihov utjecaj na pogon elektroenergetskog sustava te je opisan model mreže koji će se koristiti za proračune. Drugom dijelu rada pripada praktični dio rada koji obuhvaća priključak vjetrelektrana i same proračune. Izbor lokacija za postavljanje vjetroelektrana je određen 110 kv mrežom budući se one u prijenosu priključuju na tu naponsku razinu te je stoga odabir pao na Sloveniju koja ima ucrtanu potpunu 110 kv mrežu. U radu su izabrane tri potencijalne lokacije na temelju stvarnih pretpostavki i već provedenih studija no izgradnja istih nije u potpunosti realizirana zbog raznih kontroverzi. Tri vjetroelektrane snaga 100 MW, 72 MW i 63 MW nalaze se u općinama Ilirska Bistrica i Divača (Slika 13) te su priključene na 110 kv čvorove slijedno Il. Bistrica, Selce te Velenje. U Tablici 9 može se vidjeti detaljniji opis vjetroelektrana. Nazivni napon asinkronih generatora vjetroagregata postavljen je na 690 V. Kako bi se priključio na visoki prijenosni napon od 110 kv potrebno je dodati transformatorsku stanicu kako je navedeno u Tablici 9, odnosno svakom vjetroagregatu predviđena je izgradnja transformatorske stanice 0.69/20 kv koja će podzemnim energetskim srednjonaponskim vodovima biti spojena s transformatorskom stanicom TS 20/110 kv preko koje će pojedina vjetroelektrana biti priključena na 110 kv prijenosnu mrežu. Prijenos električne energije je unčikovitiji što je napon prijenosa veći jer su tada i gubitci manji. Na isti način realiziran je priključak za sve tri vjetroelektrane. Tablica 9. Osnovni podaci o VE Naziv Snaga VA [MW] Broj VA Ukupna snaga [MW] Generator Priključak VE Il. Bistrica 2,5 40 100 Ainskroni VE Selce 3 24 72 Asinkroni VE Velenje 3 21 63 Asinkroni Priključak VE Il. Bistrica realiziran je preko transformatorske stanice TR Il. Bistrica 20/110 kv Priključak VE Selce realiziran je preko transformatorske stanice TR Selce 20/110 kv Priključak VE Velenje realiziran je preko transformatorske stanice Velenje 20/110 kv 27
3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana Slika 13. Geografski položaj priključenih VE u Sloveniji Vjetroelektrane su modelirane po principu vjetroelektrana iz Elaborata optimalnog tehničkog rješenja priključenja VE Bruvno, VE Mazin i VE Mazin 2 na prijenosnu mrežu Hrvatske [25]. Kako se u radu koristi prijenosna mreža Hrvatske u istoj su napravljene vjetroelektrane koje su trenutno priključene na prijenosni sustav (440 MW), ali i potencijalne vjetroelektrane koje još nisu izgrađene, a čija bi ukupna snaga iznosila 1090 MW. U radu je mreža Hrvatske postavljena tako da daje snagu trenutno instaliranih vjetroelektrana. Korištena je slična metodologija rada obzirom da se u elaboratu radi o priključenju potencijalnih vjetroelektrana na prijenosnu mrežu te se provode proračuni tokova snaga i kratkih spojeva. U ovom radu na sličan način promatrat će se utjecaj vjetroelektrana instaliranih na području Slovenije i njihov utjecaj na okolnu mrežu kao i mrežu Hrvatske. 28
3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana Budući će se u radu analizirati utjecaj instaliranih 255 MW vjetroelektrana na području Slovenije te će se razmatrati utjecaj te snage na hrvatski eleketroenergetski sustav potrebno je podrobnije poznavati i mrežu Slovenije. Slovenska prijenosna mreža je relativno mala i sastoji se od ukupno 2572 km dalekovoda i ukupne snage transformatora iznosa 4768 MVA. Od ukupne duljine dalekovoda oko 1736 km pripada 110 kv mreži, 328 km pripada 220 kv mreži, a preostalih 508 km pripada 400 kv mreži. Slovenija je svojim prijenosnim sustavom povezana s tri susjedne zemlje. Preko jednog 220 i dva 400 kv voda povezana je s Austrijom, s jednim 220 i jednim 400 kv vodom povezana je s Italijom te s tri 400, tri 110 te dva 220 kv voda s Hrvatskom. Proizvodanja električne energije u Sloveniji se bazira na proizvodnji nuklearne elektrane Krško koja čini 36% ukupne proizvodnje, te na hidroeleketranama (32%) te termoelektranama (32%). U Tablici 10 vidljiva je proizvodnja elektrana sa snagom većom od 100 MW, a svi podaci su preuzeti s njihove stranice Elektroprivrede- ELES. Tablica 10. Popis proizvodnih jedinica u Sloveniji Ime Nazivna snaga [MW] Nuklearna elektrana Krško 696 Termoelektrana Šoštanj 672 Dravske hidroelektrane: HE Dravograd, HE Vuzenica, HE Vuhred, HE Ožbalt, HE Fala, HE Mariborski otok, HE Zlatoličje i HE 575 Formin Termoelektrana Brestanica 312 Termoelektrana Trbovlje 164 Hidroelektrane na Savi: HE Moste, HE Medvode, HE Mavčiče I HE Vrhovo 152 HE Doblar, HE Plave I HE Solkan 132 Termoelektrana Ljubljana 112 Ukupno 2815 29
3. Mjesto i način priključka vjetroelektrana Kao što je već poznato međuvladinim sporazumom polovica proizvodnje NEK dolazi u hrvatski prijenosni sustav preko dva 400 kv voda Krško- Tumbri, odnosno sva snaga dolazi u 400 kv čvor Tumbri, dok se polovica vraća 400 kv vodom Melina-Divača. Na Slici 14 prikazana je prijenosna mreža elektroenergetskog sustava Slovenije s označenim proizvodnim jedinicama prethodno nabrojanim u Tablici 10. Dnevno opterećenje za dan 25.6.2015. u Sloveniji je iznosio otprilike 28 000 MWh, pri čemu je maksimalno dnevno opeterećenje bilo oko 1300 MWh, a minimalno 990 MWh. Godišnja potrošnja u prosjeku iznosi 12 000 GWh, a proizvodnja 14 000 GWh što bi značilo da snabdijevaju svoje potrebe za električnom energijom, a višak prodaju. Također treba uzeti u obzir da im sama proizvodnja ovisi dosta o vremenskim prilikama budući imaju veliki broj hidroelektrana kao što je vidljivo u tablici. Slika 14. Prikaz prijenosne mreže Slovenije [26] 30
4. Modeliranje ekvivalentne mreže 4. Modeliranje ekvivalentne mreže Osim prijenosnih mreža prikazanih u radu svaka od zadanih država povezana je i sa svojim drugim susjednim državama, a u programu njihove prijenosne elektroenergetske sustave predstavljaju aktivne mreže odnosno Feederi koji nadomještaju snagu usmjerenu iz okolnih sustava. Upravo je ovaj segment koji obuhvaća ispravno postavljanje Feedera u svrhu regulacije tokova snaga između država bio najveći problem. U Tablici 11 nalazi se popis aktivnih mreža. Srbija ima osam aktivnih mreža, Bosna i Hercegovina četiri, Slovenija također četiri dok Hrvatska samo dvije prema susjednoj Mađarskoj u čvorovima Heviz i Pećuh budući su joj preostale susjedne zemlje prikazane u radu. Općenito se Feedere u programskom alatu Neplan definira preko nekoliko parametara. Preko odgovarajućeg tipa u polju LF-Type odabiremo tip čvorišta. U radu većina čvorišta odnosno Feedera je postavljen kao PQ čvorište (teret), a manji broj kao SL čvorište koji predstavlja ekvivalentnu mrežu. Nakon odabira tipa čvorišta definira se radna i jalova snaga te početna snaga kratkog spoja preko koje se direktno izračuna maksimalna struja kratkog spoja. U [kv] Tablica 11. Aktivne mreže Naziv aktivne mreže (Feeder) XSA_SU11 (čv. Subotica, Srbija- Mađarska) XPF_DJ11 (čv. Djerdap, Srbija- Rumunjska) XRI_PE11 (čv. Pec 3, Srbija- Crna Gora) XKA_MA12 (čv. Maribor, Slovenija-Italija) XSK_UR11 (čv. Uroševac, Srbija- Makedonija) 400 kv XTR_PG11 (čv. Trebinje, BiH- Crna Gora) XRE_DI11 (čv. Divača, Slovenija-Italija) XSO_NI11 (čv. Niš, Srbija- Bugarska) Pećuh (Hrvatska-Mađarska) Heviz (Hrvatska-Mađarska) XTR_PE21 (čv. Trebinje, BiH- Crna Gora) XSA_PI21 (čv. Sarajevo, BiH- Crna Gora) XPL_BB21 (čv. Bajina Bašta, Srbija- Crna Gora) 220 kv XTU_DA21 (čv. Tuzla, BiH- Hrvatska) XPL_PO21 (čv. Požega, Srbija- Crna Gora) XOB_PO21 (čv. Podlog, Slovenija-Italija) XFI_PR21 (čv. Prizren, Srbija-Albanija) XPA_DI21 (čv. Divača, Slovenija-Italija) 110 kv XTR_HN51 (čv. Trebinje, BiH- Crna Gora) 31
4. Modeliranje ekvivalentne mreže Aktivna mreža se mogla nadomjestiti i teretom (Load) kojem bi se onda po potrebi mijenjao predznak ispred radne snage. Negativni predznak bi značio da se trošilo ponaša kao generator te daje snagu u mrežu, dok bi pozitivan predznak značio da teret uzima snagu iz mreže. Definiranje Feedera s obzirom na tip čvorišta i na iznose snaga utječe na samo stanje mreže jer oni predstavljaju susjednu državu ili čvorište u toj državi preko kojeg dolazi ili odlazi određena snaga. Takva sloboda definiranja parametara nam daje neograničen broj mogućnosti kako će ta mreža na kraju izgledati. Teško je odlučiti koju aktivnu mrežu postaviti kao referentnu (SL) budući se radi o 18 aktivnih mreža odnosno Feedera koje smo ranije naveli u tablici. I najmanja promjena snaga ili promijena tipa čvora može utjecati na iznose tokova snaga. Svako PQ čvorište fiksira ulazak ili izlazak snage, a svako SL čvorište će sudjelovati u nadomještanju razlike između proizvodnje i potrošnje u mreži kao i gubitke u mreži. Svaka promjena daje novo stanje mreže odnosno daje novu verziju mreže na kojoj je moguće vršiti proračune i upravo je zato ovaj segment rada bio najzahtjevniji jer bez obzira na broj mogućnosti cilj je bio postaviti Feedere što precizinije kako bi što manje utjecali na stanje tokova unutar mreže, odnosno kako bi tokovi snaga odgovarali što bliže onim stvarnima. Kombiniranjem podataka preuzetih iz PSS-a i vrijednostima stvarnih graničnih tokova snaga koje se mogu naći na stranicama Elektroprivreda pojedinih zemalja definirali smo Feedere tako da što preciznije odgovaraju stvarnim stanjima u mreži. Teško je pretpostaviti koji od njih će dati stanje najsličnije stvarnom stanju mreže i tokova snaga te će stoga u radu biti analizirano priključenje vjetroelektrana za dva scenarija iste mreže detaljnije opisana niže u tekstu. 32
4. Modeliranje ekvivalentne mreže Scenarij 1 Za scenarij jedan korištena je mreža u kojoj je fiksirana Slovenija, odnosno točno je definirano koliko snage ulazi, a koliko izlazi u pojedinim Feederima, tj. prema pojedinim čvorištima između Slovenije i Italije te Slovenije i Austrije. Podaci o snagama nalaze se u Tablici 12. Snage koje su definirane preuzete su sa stranice Slovenske elektroprivrede (ELES). Iako se tokovi snaga između zemalja mijenjaju ne samo u danu već i u satu za ovaj primjer definirali smo ulazne/izlazne snage promatrajući tokove kroz period od dva tjedna. Svakako uspostavljanju što realnijeg stanja u mreži pomaže i poznavanje veze Slovenije i Hrvatske preko već spomenutog toka snage Krško- Tumbri- Melina- Divača. Nakon što smo definirali Sloveniju preostalo je podesiti snage u preostalom sustavu što smo učinili preko dva Feedera (SL). Jedan je smješten u Hrvatskoj točnije na granici Mađarske i Hrvatske na čvoru Pećuh, a drugi je smješten u Bosni i Hrecegovini u čvorištu Trebinje i veza je prema Crnoj Gori. Preko spomenutih čvorišta će se nadomjestiti sav višak ili manjak snage te gubitci u sustavu. Tablica 12. Prikaz stanja djelatne i jalove snage u aktivnim mrežama prije i poslije priključenja vjetroelektrana Osnovno stanje Stanje nakon priključenih VE Naziv čvora LF Type u [%] P [MW] Q [MVar] P [MW] Q [MVar] XSK_UR11 (Srbija-Makedonija) PQ 95,5-222 64-222 64 XSA_SU11 (Srbija-Mađarska) PQ 95,5 22 88 22 88 XPF_DJ11 (Srbija-Rumunjska) PQ 95,5 337 103 337 103 XSO_NI11 (Srbija-Bugarska) PQ 95,5-80 -147,211-80 -147,211 XFI_PR21 (Srbija- Albanija) PQ 95,5 77 19 77 19 XRI_PE11 (Srbija-Crna Gora) PQ 95,5 88,211 90,883 88,211 90,883 XPL_PO21 (Srbija- Crna Gora) PQ 95,5 80,9 63,721 80,9 63,721 XPL_BB21 (Srbija-Crna Gora) PQ 95,5 4 41 4 41 XTR_HN51 (BiH- Crna Gora) PQ 100-41,013-9,539-41,013-9,539 XSA_PI21 (BiH-Crna Gora) PQ 100 70 4,8 70 4,8 XTR_PG11 (BiH- Crna Gora) SL 100-421,355-171,046-462,905-163,037 XTR_PE21 (BiH- Crna Gora PQ 100 64 42 64 42 XPA_DI21 (Slovenija- Italija) PQ 100-70 -9,556-70 -9,556 XRE_DI11 (Slovenija- Italija) PQ 100-412,003 36,61922-412,003 36,61922 XKA_MA12 (Slovenija- Austrija) PQ 100 420 28 420 28 XOB_PO21 (Slovenija- Austrija) PQ 100 200 2,37 200 2,37 Pećuh (RH- Mađarska) SL 100 14,24053-170,848-175,026-145,904 33
4. Modeliranje ekvivalentne mreže U Tablici 12 su vidljivi tokovi snaga za stanje mreže prije priključenja vjetroelektrana i nakon priključenja vjetroelektrana. Ono što smo mogli pretpostaviti da će se dogoditi su promjene u Feederima koje smo postavili kao referentna čvorišta. Iz podataka je vidljivo da za Pećuh nakon proračuna tokova snaga (Load Flow) radna snaga iznosi oko 14 MW i pozitivnog je predznaka što znači da je to snaga koja ulazi u mrežu, također primjećujemo veliku jalovu snagu koja je rezultat podopterećenosti mreže. Nakon priključenja vjetroelektrana ukupne snage 255 MW, sada kroz Pećuh izlazi 175 MW snage (negativan predznak). U drugom Feederu XTR_PG11 (čvorište Trebinje, Bosna i Hercegovina) ne dolazi do tako velike promjene obzirom na tokove pri osnovnom stanju i stanju nakon priključenja vjetroelektrana. Vidljivo je iz tablice da snaga izlazi iz Bosne i Hercegovine za Crnu Goru te da se povećala za samo 40 MW nakon injektiranja dodatnih megawata snage iz čega možemo zaključiti da je regulaciju snage preuzelo čvorište Pećuh. Sada kada je opisano stanje mreže može se prijeći na proračune te analizu kako će priključenje vjetroelektrana utjecat na ostatak mreže, napone u čvorištima te na promjene snage u vodovima. 34
4. Modeliranje ekvivalentne mreže Scenarij dva Prema Tablici 13 vidljivo je da verziju dva prema stupcu LF Type (PQ, PV i SL tip) vanjsku mrežu čini 14 PQ čvorišta (opterećenja) te četiri SL čvorišta na koje su spojene ekvivalentne mreže (Feeder). Postavljen je po jedan SL Feeder u svaku državu kao referentno čvorište koje će regulirati razliku snaga proizvodnje i potrošnje kao i gubitke u mreži. Ono što smo željeli postići ovakvim rasporedom Feedera je ravnopravna raspodijela tokova snaga u mreži koju nismo imali u prvoj verziji gdje smo sami ograničili Sloveniju i usmjerili snagu vjetroelektrana prema Hrvatskoj. Također iz tablice se vidi dodatni Feeder na čvorištu Heviz u odnosu na prethodni slučaj koji je fiksiran ulaznom snagom. Budući Sloveniji za slučaj dva više nije strogo definiran ulaz/izlaz snaga u aktivnim mrežama pretpostavljamo drugačiji ishod tokova snaga po vodovima nego za verziju jedan. Pretpostavljamo, obzirom da je vjetroelektrana Il. Bistrica snage 100 MW spojena na 110 kv čvorište Il. Bistrica koje je spojeno na 400 kv čvorište Divača na koji je spojen Feeder koji čini vezu Slovenija-Italija u čvoru Redipuglia, da će proizvedena snaga vjetroelektrane biti evakuirana prema Italiji budući se radi o kraćoj električnoj udaljenosti nego prema čvorištu Krško. Upravo takvo predviđanje prikazano je u Tablici 13. Zadana PQ čvorišta ostala su nepromjenjena dok je u tokovima snaga referentnim čvorištima XSO_NI11 (Srbije i Bugarske) te XTR_PG11 (Bosne i Hercegovine i Crne Gore) došlo do male promjene. 35