ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ / ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΣΤΑΘΜΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ GRID CODE REQUIREMENTS FOR THE INTERCONNECTION OF ELECTRIC ENERGY PRODUCTION SYSTEM ΣΥΝΤΑΚΤΗΣ: ΣΚΕΡΛΕΤΙΔΗΣ ΣΚΑΡΛΑΤΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΚΑΤΣΙΓΙΑΝΝΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ:

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η πτυχιακή αυτή αποσκοπεί στην κατανόηση των τεχνικών διασύνδεσης σύγχρονων συστημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας επικεντρώνοντας στα νέα δεδομένα που επικρατούν στο ενεργειακό σύστημα με την απελευθέρωση της ενέργειας, τους νέους τρόπους παραγώγης (κατανεμημένη) αλλά και στα νέα ζητήματα που αφορούν την ποιότητα ισχύος αφού με αυτά τα νέα δεδομένα τα κριτήρια διασύνδεσης αλλάζουν. Πιο αναλυτικά: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο υπάρχον ενεργειακό σύστημα στην Ελλάδα και αναλύονται τα μέρη που το αποτελόυν (Σύστημα παραγωγής, Σύστημα μεταφοράς, Δίκτυο διανομής) αλλά και στα νέα δεδομένα που επικρατούν μετά την απελευθέρωση της αγοράς στην ηλεκτρική ενέργεια στην χώρα και στους τους λόγους που οδήγησαν εκεί. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγη στην έννοια της κατανεμημένης παραγωγής όπου προσπαθούμε να δώσουμε ένα σαφή ορισμό για τον «νέο» αυτό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αναφερόμαστε στα χαρακτηριστικά εκείνα που είναι ικανά να χαρακτηρίσουν κάποια μορφή παραγωγής ενέργειας ως κατανεμημένη αλλά και στους λόγους που οδήγησαν στην χρησιμοποίηση αυτού του τρόπου παραγωγής. Στη συνέχεια γίνεται μία παρουσίαση των χαρακτηριστικών των ήδη υπαρχόντων δικτύων, που έχουν σχεδιαστεί με βάση την κεντρική παραγωγή, αλλά και στην σύνδεση μονάδων κατανεμημένης παραγωγής και στις επιπτώσεις που αυτή δημιουργεί. Στη συνέχεια στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται οι πιθανές διαταραχές και τα πρότυπα ποιότητας ισχύος η οποία αποτελεί ένα ζήτημα με αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο για τους παραγωγούς ηλεκτρισμού όσο και για τους καταναλωτές. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών και η νησιδοποίηση.

3 ABSTRACT The thesis aims at understanding the technical interface of modern systems to the electricity grid focusing on the new standards prevailing in the energy system with the release of energy, new methods of production (distributed) and the new issues concerning power quality since with these new data criteria interface change. In more detail: In the first chapter referring to the existing energy system in Greece and analyzed the component parts (production systems, transportation systems, distribution network) and the new conditions prevailing after liberalization in electricity in the country and the reasons led there. The second chapter introduces the concept of distributed generation where we try to give a clear definition of the "new" this way of generating electricity. We refer to those features that are able to characterize some form of distributed power generation as well as the reasons that led to the use of that method. Then there is a presentation of the characteristics of existing networks that are designed based on the centralized production, but also to connect distributed generation units and the effects that it creates. Then in the third chapter analyzes the possible disturbances and power quality standards which is an issue with increasing interest for both electricity producers and consumers. Finally, in the fourth chapter, the requirements that must be met to allow for connection to the LV network of a power plant. Moreover, a review of criteria compliance requirements such as the adequacy of the network, the configuration protections interface, the voltage changes, the phenomenon flicker, harmonic injection and islanding..

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Το Ελληνικό Ενεργειακό Σύστημα ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΙΧΜΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κατανεμημένη Παραγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ( ΚΠ ) Ο ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Η ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΗ ΤΕΝΟΛΟΓΙΑ ΙΔΙΟΚΤΗΣΙΑΚΟ ΚΑΘΕΣΤΩΣ ΠΕΡΙΟΧΗ ΠΟΥ ΤΡΟΦΟΔΟΤΕΙ Η ΚΠ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΛΟΓΟΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΙ ΛΟΓΟΙ ΟΙ ΑΥΞΗΜΕΝΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ ΓΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΛΟΓΟΙ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙKΤΥΑ & ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΚΠ ΣΤΑ

5 ΥΠΑΡΧΟΝΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ορισμός Και Διαταραχές Της Ποιότητας Ισχύος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΡΙΣΜΟΣ ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ (FLICKER) ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΣΥΝΙΣΤΩΣΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΓΕΓΟΝΟΤΑ ΒΥΘΙΣΗ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΚΟΠΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΥΠΟΤΑΣΕΙΣ Διασύνδεση Φωτοβολταικών Στο Δίκτυο Χαμηλής Τάσης ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ- ΕΚΠΟΜΠΕΣ FLICKER ΕΚΠΟΜΠΕΣ FLICKER ΕΓΧΥΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ...62

6 4.5 ΝΗΣΙΔΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΩΝ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ...69 Συμπεράσματα...71 Βιβλιογραφία...72

7 1 Το Ελληνικό Ενεργειακό Σύστημα 1.1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το Ελληνικό ενεργειακό σύστημα βρίσκεται την τελευταία δεκαετία σε διαδικασία σημαντικών αλλαγών. Η διείσδυση του φυσικού αερίου, η κατασκευή των διευρωπαϊκών δικτύων, η προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και της εξοικονόμησης ενέργειας και τέλος η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν τα νέα δεδομένα του. Σημαντικές είναι οι επιπτώσεις των νέων αυτών δεδομένων στην ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού της χώρας, στη μείωση της εξάρτησης της από το εισαγόμενο πετρέλαιο, με όλα τα συνεπαγόμενα οφέλη στην εθνική οικονομία, στην εξοικονόμηση ρυπογόνων ενεργειακών πόρων, στην αύξηση της αποδοτικότητας των διαδικασιών παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας, στην προστασία του περιβάλλοντος και τέλος στην βελτίωση των παρερχομένων υπηρεσιών στους καταναλωτές. Πριν από την ίδρυση της Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού το 1950, συστηματική παραγωγή και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας γινόταν μόνο στις μεγάλες πόλεις και κυρίως στην περιοχή της πρωτεύουσας. Η ΔΕΗ με τον ιδρυτικό νόμο (1468/1950) πήρε το αποκλειστικό προνόμιο της παραγωγής και μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ η διανομή παρέμεινε στις υφιστάμενες τότε δημοτικές, κοινοτικές ή ιδιωτικές εκμεταλλεύσεις. Το 1956 με το νομοθετικό διάταγμα (3525) πήρε και το αποκλειστικό προνόμιο της διανομής σε όλη τη χώρα. Ο νόμος (2244/94) για τη ρύθμιση των θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συμβατικά καύσιμα, επιτρέπει κάτω από ορισμένες συνθήκες την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από σταθμούς που ανήκουν σε φυσικά ή νομικά πρόσωπα. Ημερομηνία ορόσημο αποτελεί η 19ⁿ Φεβρουαρίου όταν και ξεκίνησε το άνοιγμα των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας και η δημιουργία μιας ενιαίας αγοράς των χωρών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στη χώρα μας λόγω των ιδιόμορφων χαρακτηριστικών του ηλεκτρικού συστήματος δόθηκε παράταση της προθεσμίας απελευθέρωσης της αγοράς, οπότε η εφαρμογή αυτού του σχεδίου ξεκίνησε στις 19 Φεβρουαρίου του 2001.Οι κυριότεροι λόγοι που ώθησαν στη δημιουργία μιας ενιαίας αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας ήταν οι εξής: 1. Η αύξηση της αποτελεσματικότητας ως προς τη χρησιμοποίηση και την κατανομή των οικονομικών πόρων με την είσοδο του ανταγωνισμού στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. 1

8 2. Η στήριξη της ανταγωνιστικότητας της ευρωπαϊκής βιομηχανίας στο διεθνοποιημένο περιβάλλον μέσα από ανταγωνιστικές τιμές ενέργειας. 3. Η ανταγωνιστικότητα της αγοράς, που συμβάλλει θετικά σε δύο ακόμα άξονες της ενεργειακής πολιτικής, που είναι το περιβάλλον και η ασφάλεια τροφοδοσίας. 4. Η διαπίστωση ότι η διασύνδεση των επιμέρους συστημάτων οδηγεί σε μικρότερα περιθώρια εφεδρείας και φυσικά στη μείωση του κόστους. 5. Η βελτίωση των προσφερόμενων υπηρεσιών εκ μέρους των παραγωγών, που δίνει τη δυνατότητα στους καταναλωτές να επιλέγουν τον προμηθευτή τους 6. Ο ανταγωνισμός, που θα οδηγήσει σε μείωση των τιμών. Ο νόμος για την απελευθέρωση της ενέργειας προβλέπει τα ακόλουθα : 1. Απελευθέρωση (από τη 19 η Φεβρουαρίου 2001) του 30% της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας του διασυνδεδεμένου συστήματος, δηλαδή περίπου 450 μεγάλοι καταναλωτές με ετήσια κατανάλωση πάνω από 2 GWh/έτος μπορούν να επιλέξουν τον προμηθευτή τους. Στα νησιά, λόγω των ιδιόμορφων συνθηκών, η απελευθέρωση περιορίζεται μόνο στο άνοιγμα της παραγωγής στον ανταγωνισμό. Δηλαδή εκτός από τη ΔΕΗ μπορεί να παράγει και κάποιος άλλος ανεξάρτητος παραγωγός, όμως την παραγωγή θα την πουλάει αποκλειστικά στη ΔΕΗ και δεν θα μπορεί να διατεθεί σε τρίτους. 2. Δημιουργείται ανεξάρτητη διοικητική αρχή με την επωνυμία Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (Ρ.Α.Ε.) με κύριες αρμοδιότητες να παρακολουθεί και να ελέγχει τη λειτουργία της αγοράς και να γνωμοδοτεί τη χορήγηση αδειών που προβλέπονται από τις διατάξεις του νόμου. 3. Δημιουργείται ανώνυμη εταιρία με την επωνυμία Διαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (Δ.Ε.Σ.Μ.Η.Ε.) με κύριες αρμοδιότητες τη λειτουργία, την εκμετάλλευση, τη συντήρηση και την ανάπτυξη του συστήματος μεταφοράς καθώς και των διασυνδέσεων. Η κυριότητα και η διαχείριση του Δικτύου Διανομής ανήκει αποκλειστικά στη ΔΕΗ. Σήμερα η Δ.Ε.Η. Α.Ε. είναι η μεγαλύτερη εταιρία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα η οποία παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε 7,1 εκατομμύρια πελάτες Χαμηλής Τάσης και 8,5 χιλιάδες πελάτες Μέσης και Υψηλής Τάσης περίπου. Επίσης κατέχει το 49% του ΔΕΣΜΗΕ. Παράγει το 96% της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στην Ελλάδα, η οποία προέρχεται από λιγνιτικές, πετρελαϊκές και υδροηλεκτρικές μονάδες, μονάδες φυσικού αερίου, καθώς και από αιολικά και ηλιακά πάρκα. Συγχρόνως κατέχει τα δύο μεγάλα λιγνιτωρυχεία της χώρας στην Πτολεμαΐδα και στη Μεγαλόπολη, από όπου παράγεται το 64% περίπου της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. 2

9 1.2.ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Το σύστημα ηλεκτροπαραγωγής της ΔΕΗ αποτελείται από το διασυνδεδεμένο σύστημα παραγωγής της ηπειρωτικής χώρας με τα προς αυτό διασυνδεδεμένα νησιά και τα ανεξάρτητα συστήματα παραγωγής της Κρήτης, της Ρόδου και των υπολοίπων μικρότερων νησιών. Αποτελείται από θερμικούς και υδροηλεκτρικούς σταθμούς καθώς επίσης και από ένα μικρό ποσοστό μονάδων, οι οποίες χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το διασυνδεδεμένο σύστημα παραγωγής της ηπειρωτικής χώρας περιλαμβάνει 8 λιγνιτικούς σταθμούς, που αποτελούν τη βάση του συστήματος, 2 πετρελαϊκοί σταθμοί, ένας σταθμός φυσικού αερίου στον Άγιο Γεώργιο Κερατσινίου, ένας σταθμός συνδυασμένου κύκλου φυσικού αερίου στη Κομοτηνή και 18 υδροηλεκτρικοί σταθμοί. Αναλυτικότερα στη Βόρεια Ελλάδα και συγκεκριμένα στη Δυτική Μακεδονία, (Πτολεμαΐδα, Καρδιά, Άγιος Δημήτριος, Αμύνταιο) βρίσκεται το κυριότερο ενεργειακό - λιγνιτικό κέντρο της χώρας. Αποτελείται από 17 λιγνιτικές μονάδες συνολικής εγκατεστημένης ισχύος MW. Το νότιο ενεργειακό - λιγνιτικό κέντρο βρίσκεται στο κέντρο της Πελοποννήσου κοντά στη πόλη της Μεγαλόπολης και αποτελείται από τέσσερις μονάδες συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 850 MW. Στην Κεντρική Ελλάδα είναι εγκατεστημένοι τρεις θερμικοί σταθμοί. Ο πρώτος σταθμός είναι πετρελαϊκός και βρίσκεται στο Αλιβέρι της Εύβοιας με τέσσερις μονάδες συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 300 MW. Ο δεύτερος βρίσκεται στο Λαύριο και αποτελείται από δύο πετρελαϊκές μονάδες ισχύος 450 MW καθώς επίσης και από δύο μονάδες συνδυασμένου κύκλου, το "Μικρό Λαύριο" εγκατεστημένης ισχύος 180 MW, που έχει τη δυνατότητα καύσης φυσικού αερίου ή πετρελαίου και το "Μεγάλο Λαύριο" εγκατεστημένης ισχύος 560. Ο τρίτος σταθμός βρίσκεται στον Άγιο Γεώργιο στο Κερατσίνι και παρέμεινε εκτός λειτουργίας για πολλά χρόνια για περιβαλλοντικούς λόγους. Ξεκίνησε ξανά την εμπορική του λειτουργία με τη μονάδα Νο 8 εγκατεστημένης ισχύος 160 MW, χρησιμοποιώντας ως καύσιμο το φυσικό αέριο μετά τη μετατροπή του από πετρελαϊκό, ενώ άλλη μία μονάδα, η Νο 9 ισχύος 200 ΜW, επίσης με φυσικό αέριο. Η μονάδα συνδυασμένου κύκλου φυσικού αερίου στην Κομοτηνή είναι ισχύος 495 MW. Από τις αρχές του 2006 λειτουργεί πλέον και η πρώτη ιδιωτική μονάδα ηλεκτροπαραγωγής συνδυασμένου κύκλου η οποία ανήκει στη εταιρεία Ενεργειακή Θεσσαλονίκης Α.Ε. και είναι εγκατεστημένης ισχύος 390MW. Το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των θερμικών σταθμών παραγωγής που είναι συνδεδεμένοι στο διασυνδεδεμένο σύστημα ανέρχεται στα 8175,8MW. Οι μεγάλες υδροηλεκτρικές μονάδες βρίσκονται κοντά σε μεγάλους ποταμούς στον κύριο κορμό της χώρας. Τα τελευταία χρόνια, με την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας και την απόκτηση μεγαλύτερης τεχνογνωσίας, χτίζονται υδροηλεκτρικοί σταθμοί και κοντά σε μικρότερα ποτάμια με μικρότερη βέβαια εγκατεστημένη ισχύ. Μερικά από τα υδροηλεκτρικά αυτά λειτουργούν και ως αντλιοστάσια κατά τις περιόδους χαμηλής ζήτησης φορτίου έτσι ώστε να εξοικονομούνται ποσότητες 3

10 νερού που θα χρησιμοποιηθούν κατά τις αιχμές της ζήτησης. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των υδροηλεκτρικών σταθμών φτάνει τα 3058,5 MW. Τα τελευταία χρόνια εντείνονται οι προσπάθειες για αύξηση του μεριδίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) καθώς υπάρχουν μεγάλες πιέσεις τόσο από τις δεσμεύσεις της χώρας μας προς την Ε.Ε. όσο και από την συμμετοχή μας στο πρωτόκολλο του Κιότο. Σε αυτήν την κατεύθυνση έχουν ήδη αδειοδοτηθεί πολλές ΑΠΕ ενώ αναμένεται στο άμεσο και απώτερο μέλλον να αυξηθούν σημαντικά τα αιολικά πάρκα (Α/Π) σαν επακόλουθο του ενδιαφέροντος που έχουν επιδείξει ξένες ηλεκτροπαραγωγικές επιχειρήσεις σε συνεργασία με ελληνικές. Η εγκατεστημένη ισχύς των Α/Π στο διασυνδεμένο σύστημα είναι 653 MW, οι μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί έχουν εγκατεστημένη ισχύ 44MW ενώ από τους σταθμούς παραγωγής που χρησιμοποιούν βιομάζα παράγεται ισχύς μέχρι 23,2MW περίπου. Τέλος η εγκατεστημένη ισχύς των μονάδων συμπαραγωγής είναι 231,9MW από τα οποία συμβάσεις αγοραπωλησίας με το σύστημα υπάρχουν μόνο για 32,3MW. Από όλα τα παραπάνω προκύπτει ότι η συνολική εγκατεστημένη ισχύς για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο ηπειρωτικό δίκτυο από συμβατικές μονάδες(μαζί με μεγάλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς) είναι MW. Η συντριπτική πλειοψηφία της παραγωγής των συμβατικών μορφών με ποσοστό 95,2 % (10693 MW) ανήκει στη ΔΕΗ Α.Ε. Βέβαια αυτό το ποσοστό αναμένεται να μειωθεί τα επόμενα χρόνια αφού γίνονται μεγάλες επενδύσεις από ιδιωτικές επιχειρήσεις κυρίως σε μονάδες συνδυασμένου κύκλου και φυσικού αερίου στα πλαίσια της απελευθέρωσης της αγοράς. Ήδη (Νοέμβριος 2006) έχουν εκδοθεί άδειες παραγωγής για μονάδες Θ.Η. Συνδυασμένου κύκλου ισχύος 5770,96 MW για το ΕΔΣ. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα στοιχεία (Νοέμβριος 2006) είναι 653,17 MW που αντιστοιχεί σε ποσοστό 5,5 % της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος του ΕΔΣ. To 84,08 % (549,21 ΜW) των ΑΠΕ αντιστοιχεί σε Αιολικά Πάρκα, το 10,18 % (66,55 MW) σε μικρά και μίνι υδροηλεκτρικά έργα, το 5,73 % (37,41 MW) σε βιοαέριο βιομάζα. Επίσης υπάρχει και ένα πολύ μικρό ποσό εγκατεστημένης ισχύος φωτοβολταικών πάνελ Αντίστοιχα η συνολική εγκατεστημένη ισχύς για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο ηπειρωτικό δίκτυο από ανανεώσιμες μονάδες παραγωγής (αιολικά πάρκα, φωτοβολταϊκά, μικρά υδροηλεκτρικά), εγκαταστάσεις βιοαερίου και συμπαραγωγής, οι οποίες ως επί το πλείστον ανήκουν σε ιδιώτες ή ανεξάρτητες εταιρίες, είναι 465,75MW (3,83%). Το ποσοστό αυτό βέβαια προβλέπεται ότι θα αυξηθεί κατακόρυφα τα επόμενα χρόνια και ως το Tα προηγούμενα στοιχεία για την εγκατεστημένη ισχύ των σταθμών παραγωγής του Εθνικού Διασυνδεδεμένου Δικτύου παρουσιάζονται συνοπτικά στον Πίνακα

11 Πίνακας 1.1: Εγκατεστημένη ισχύς σταθμών παραγωγής στο Ε.Δ.Σ. Για το νησιωτικό σύστημα, το ανεξάρτητο σύστημα παραγωγής της Κρήτης αποτελείται από τρεις αυτόνομους πετρελαϊκούς σταθμούς παραγωγής στα Λινοπεράματα, στα Χανιά και στον Αθερινόλακκο συνολικής ισχύος 730MW περίπου ενώ υπάρχουν περίπου 68ΜW εγκατεστημένης αιολικής ισχύος. Η Ρόδος εξυπηρετείται κυρίως από τον ανεξάρτητο σταθμό της Σορώνης εγκατεστημένης ισχύος 234ΜW ενώ τα υπόλοιπα νησιά τροφοδοτούνται είτε αυτόνομα είτε συνδεδεμένα με γειτονικά νησιά από μικρής ισχύος πετρελαϊκούς σταθμούς παραγωγής που υποστηρίζονται από αιολικά πάρκα τα οποία έχουν εγκατασταθεί στα πλούσια σε αιολικό δυναμικό νησιά του Αιγαίου κυρίως. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των πετρελαϊκών σταθμών παραγωγής στα μη διασυνδεδεμένα νησιά είναι 1.560MW περίπου. 1.3.ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Το σύστημα μεταφοράς αποτελείται από το διασυνδεδεμένο σύστημα του ηπειρωτικού τμήματος της χώρας και των διασυνδεδεμένων με αυτό νησιών στα επίπεδα υψηλής (150 KV και 66 ΚV) και υπερυψηλής (400 KV) τάσης. Κύριο χαρακτηριστικό του Ελληνικού διασυνδεδεμένου συστήματος είναι η μεγάλη συγκέντρωση σταθμών παραγωγής στο βόρειο τμήμα της χώρας (Δυτική Μακεδονία, περιοχή Πτολεμαΐδας ) ενώ το κύριο κέντρο κατανάλωσης βρίσκεται στο νότο (περιοχή Αττικής-Πελοποννήσου). Δεδομένου ότι και οι διεθνείς διασυνδέσεις (με Βουλγαρία, ΠΓΔΜ και Αλβανία) είναι στο βορρά υπάρχει μεγάλη 5

12 ανισορροπία παραγωγής και φορτίου. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων ισχύος κατά το γεωγραφικό άξονα βορρά-νότου, η οποία εξυπηρετείται κυρίως από έναν κεντρικό κορμό 400kV αποτελούμενο από τρεις γραμμές μεταφοράς 400kV διπλού κυκλώματος. Οι γραμμές αυτές συνδέουν το κύριο κέντρο παραγωγής με τα ΚΥΤ (Κέντρα Υπερυψηλής Τάσης) που βρίσκονται πέριξ της ευρύτερης περιοχής της πρωτεύουσας. Η μεγάλη γεωγραφική ανισορροπία μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης, μια εγγενή αδυναμία του συστήματος, έχει σα συνέπεια την εμφάνιση προβλημάτων ασφαλείας και κυρίως αστάθειας τάσεων και συνακόλουθων δυσκολιών στη διατήρηση ικανοποιητικών επιπέδων τάσεων στο Νότιο Σύστημα σε περιόδους μειωμένης διαθεσιμότητας παραγωγής στο Νότιο Σύστημα ή μεγάλων διαταραχών κατά τις ώρες υψηλού φορτίου. Οι περιοχές της Αττικής και της Πελοποννήσου είναι οι πιο κρίσιμες περιοχές του διασυνδεδεμένου συστήματος από πλευράς ευστάθειας τάσεως. Η περιοχή της Πελοποννήσου, συνδέεται με την περιοχή της Αττικής μέσω τριών γραμμών μεταφοράς 150kV, δύο εκ των οποίων είναι διπλού κυκλώματος, και με τη Δυτική Ελλάδα μέσω δύο υποβρυχίων καλωδίων στο στενό Ρίου-Αντιρρίου Το υφιστάμενο σύστημα αποτελείται από τις εξής κυριότερες συνιστώσες : 1. Υποσταθμούς υψηλής τάσης (ΥΤ), μέσης τάσης (ΜΤ). 2. Κέντρα υπερυψηλής τάσης (ΚΥΤ). 3. Γραμμές μεταφοράς 4. Συσκευές αντιστάθμισης άεργου ισχύος 5. Διεθνείς διασυνδέσεις Για τη κάθε συνιστώσα έχουμε πιο αναλυτικά : 1) Στο διασυνδεδεμένο σύστημα είναι σήμερα εγκατεστημένοι 192 υποσταθμοί (Υ/Σ) υποβιβασμού 150kV/ΜΤ της ΔΕΗ, από τους οποίους οι 187 εξυπηρετούν τις ανάγκες του Δικτύου Διανομής (14 στην περιοχή της Αττικής), 4 χρησιμοποιούνται για την τροφοδότηση των φορτίων ορυχείων λιγνίτη στη Δ.Μακεδονία και ένας εξυπηρετεί τις ανάγκες άντλησης του ΥΗΣ Πολυφύτου. Επίσης λειτουργούν 11 ακόμα Υ/Σ για την υποδοχή της ισχύος που παράγεται στα μεγάλα αιολικά πάρκα (Α/Π) και 27 Υ/Σ υποβιβασμού 150kV/ΜΤ που εξυπηρετούν τις εγκαταστάσεις πελατών υψηλής τάσης (Υ.Τ.). Στους υποσταθμού αυτούς, οι οποίοι αναφέρονται μερικές φορές και ως Κέντρα Διανομής, λειτουργούν μετασχηματιστές 6

13 (Μ/Σ) υποβιβασμού 150kV/MT με ισχύ 20/25MVA, 40/50MVA, 60/66MVA, 50MVA κ.α. η οποία εξαρτάται εν πολλoίς και από τον τρόπο με τον οποίο ψύχονται (τεχνητό ή φυσικό). Είναι δυνατόν στον ίδιο υποσταθμό να λειτουργούν παραπάνω από ένας μετασχηματιστές. Στους σταθμούς παραγωγής της ΔΕΗ αλλά και στους ιδιωτικούς, υπάρχουν Υ/Σ ανυψώσεως που συνδέουν τις μονάδες παραγωγής είτε με την υπερυψηλή τάση, μέσω Μ/Σ ανυψώσεως ΜT/400kV, είτε με την υψηλή, μέσω Μ/Σ ανυψώσεως ΜΤ/150kV, ανάλογα με την τοπολογία του συστήματος μεταφοράς στην ευρύτερη περιοχή του σταθμού 2) Τα ΚΥΤ αποτελούν τα σημεία σύνδεσης του συστήματος των 400kV με το σύστημα των 150 kv και εξυπηρετούν ανάγκες απομάστευσης ισχύος προς το σύστημα 150 kv. Πρόκειται για 13 ΚΥΤ (5 στην ευρύτερη περιοχή της Αττικής) τα οποία περιλαμβάνουν έναν ή περισσότερους αυτομετασχηματιστές (ΑΜ/Σ) τριών τυλιγμάτων 400kV/150kV/30kV. Επιπλέον υπάρχουν 5 ΚΥΤ (Αμυνταίου, Αγ.Δημητρίου, Καρδιάς, Λαυρίου, Μελίτης) τα οποία είναι εγκατεστημένα πλησίον των ομώνυμων σταθμών παραγωγής της ΔΕΗ και εξυπηρετούν παράλληλα ανάγκες ανύψωσης τάσης από τις μονάδες παραγωγής προς το σύστημα 400kV. 3) To σύστημα των γραμμών μεταφοράς αποτελείται από γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης, 150kV και 66kV, και υπερυψηλής τάσης 400kV. Στον Πίνακα 1.2 παρουσιάζεται το μήκος του εναέριου δικτύου μεταφοράς του διασυνδεδεμένου συστήματος ανά τάση (σε km): Πίνακας 1.2: Μήκος εναέριου συστήματος μεταφοράς Ε.Δ.Σ. ανά τάση.(οι χαρακτηρισμοί των γραμμών μεταφοράς εξηγούνται παρακάτω) Η ισχύς που μπορεί να μεταφερθεί με μία γραμμή μεταφοράς είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης αυτής. Επομένως με τη χρήση υψηλών και κυρίως υπερυψηλών τάσεων επιτυγχάνεται η 7

14 μεταφορά πολύ μεγάλων ποσοτήτων ισχύος με μειωμένες απώλειες που καθιστούν οικονομικότερη τη λειτουργία με τις τάσεις αυτές. Μέρος όμως της επιτευχθείσας οικονομίας στο κόστος λόγω εφαρμογής υψηλότερης τάσης χάνεται από τις αυξημένες διηλεκτρικές απώλειες στον περιβάλλοντα αέρα και από το αυξημένο κόστος μονωτήρων, μετασχηματιστών, διακοπτών κτλ. Υπάρχει δηλαδή κάποια μέγιστη τιμή τάσης πάνω από την οποία γίνεται αντιοικονομική μια δεδομένη μεταφορά ισχύος και αντίστροφα, το κόστος μεταφοράς αυξάνεται όταν από μια γραμμή με μεγάλη ικανότητα μεταφοράς περνάει μικρή ποσότητα ισχύος. Τα υλικά που γενικά χρησιμοποιούνται στους αγωγούς των γραμμών μεταφοράς είναι ο χαλκός και το αλουμίνιο. Ένας σύνθετος αγωγός, το ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) αποτελείται από κλώνους αλουμινίου, τοποθετημένους γύρω από ένα χαλύβδινο κεντρικό πυρήνα, ο οποίος παρέχει μηχανική αντοχή στον αγωγό. Η απαιτούμενη διατομή ενός αγωγού καθορίζεται από το ρεύμα που τον διαρρέει, αφού η ωμική αντίσταση της γραμμή είναι αντιστρόφως ανάλογη της διατομής του αγωγού. Σε υψηλές θερμοκρασίες η μηχανική αντοχή του αγωγού μειώνεται και έτσι η αυξημένη θερμοκρασία του λόγω των ωμικών απωλειών δε πρέπει να ξεπερνάει ένα ορισμένο όριο. Το αντίστοιχο ρεύμα, το οποίο προκαλεί αυτήν την αύξηση της θερμοκρασίας ονομάζεται ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του αγωγού. Οι αγωγοί υψηλής τάσης των εναέριων γραμμών μεταφοράς αναρτώνται από τους πυλώνες ή πύργους της γραμμής διαμέσου μονωτήρων, ο καθένας από τους οποίους αποτελείται από μια άλυσσο δίσκων από πορσελάνη ή γυαλί. Η αύξηση της μόνωσης για υψηλότερες τάσεις μεταφοράς αντιμετωπίζεται με την προσθήκη περισσότερων δίσκων στους αλυσσοειδείς μονωτήρες. Η μόνωση μεταξύ των αγωγών και μεταξύ αγωγών και γης αποτελείται από τον αέρα που υπάρχει μεταξύ τους. Τα τυποποιημένα είδη εναέριων γραμμών μεταφοράς που χρησιμοποιούνται σήμερα στην Ελλάδα φαίνονται στον Πίνακα 1.3 που ακολουθεί : 8

15 Πίνακας 1.3: Τυποποιημένα είδη εναέριων γραμμών μεταφοράς Ο χαρακτηρισμός μιας γραμμής αφορά τον τύπο της γραμμής (ελαφρού ή βαρέος ή υπερβαρέος τύπου, Ε, Β και Β αντίστοιχα), τον αριθμό των κυκλωμάτων (το 2 υποδηλώνει γραμμή διπλού κυκλώματος) ενώ το Β Β στις γραμμές των 400kV αναφέρεται στη χρησιμοποίηση 2 αγωγών, στερεωμένων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους ανά φάση (και κύκλωμα). Όλοι οι αγωγοί είναι τύπου ACSR και οι διατομές των αγωγών μεταφοράς εκφράζονται σε mil circular mils (MCM) σύμφωνα με την αμερικανική τυποποίηση (1 MCM=0,5067mm 2 ). Μεγαλύτερη αξιοπιστία μεταφοράς έχουν όπως είναι φυσικό οι γραμμές απλού κυκλώματος, όταν δηλαδή οι ζώνες διελεύσεως των γραμμών χωρίζονται μεταξύ τους με σημαντική απόσταση. Όπου όμως είναι δύσκολη η εξεύρεση επαρκών διαδρομών διελεύσεως, όπως οι διαδρομές ορεινού χαρακτήρα ή και για λόγους μικρότερου κόστους μεταφοράς, εις βάρος όμως της αξιοπιστίας, χρησιμοποιούνται γραμμές διπλού κυκλώματος, στις οποίες δύο ανεξάρτητα τριφασικά κυκλώματα φέρονται σε κοινούς πυλώνες. Η χρησιμοποίηση δύο ή και τριών αγωγών ανά φάση γίνεται στην υπερυψηλή τάση για τη μεταφορά ακόμα μεγαλύτερων ποσοτήτων ισχύος από την ίδια οδό διέλευσης. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των γραμμών καθώς και το προσεγγιστικό κόστος εγκατάστασης τους παρατίθενται στον Πίνακα 1.4: 9

16 Πίνακας 1.4: Χαρακτηριστικά εναέριων γραμμών μεταφοράς Η γραφική παράσταση του κόστους για κάθε τύπο γραμμής σε συνάρτηση με τη μεταφερόμενη ισχύ για 100 km, φαίνεται στο σχήμα 1.1: Σχήμα 1.1: Κόστος γραμμών μεταφοράς ανά μεταφερόμενη ισχύ Οπότε το ελάχιστο κόστος συναρτήσει της μεταφερόμενης ισχύος όπως προκύπτει και από το παραπάνω σχήμα, φαίνεται ακολούθως: 10

17 Σχήμα 1.2: Ελάχιστο κόστος γραμμών μεταφοράς ανά μεταφερόμενη ισχύ Στο σύστημα μεταφοράς της Ελλάδας υπάρχουν οι παρακάτω τύποι υπογείων καλωδίων 150kV για τη μεταφορά ισχύος μέσα στις κατοικημένες περιοχές της Πρωτεύουσας και της Θεσσαλονίκης: 1. Τριπολικά καλώδια 150kV, διατομής 310mm 2 χαλκού, ισχύος 125MVA 2. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 250mm 2 χαλκού, τριφασική ισχύος 125MVA 3. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 400mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 125MVA 4. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 650mm 2 χαλκού, τριφασική ισχύος 200MVA 5. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 500mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 200MVA 6. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 600mm 2 αλουμινίου, τριφασικής ισχύος 200MVA 7. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 700mm 2 αλουμινίου,τριφασικής ισχύος 200MVA 8. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 800mm 2 αλουμινίου,τριφασικής ισχύος 200MVA Επίσης για τη σύνδεση του ηπειρωτικού συστήματος με διάφορα κοντινά νησιά ή για τη σύνδεση γειτονικών νήσων χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τύποι υποβρυχίων καλωδίων Υ.Τ.: i. Τριπολικά καλώδια 66kV, διατομής 300mm 2 χαλκού, ισχύος 60MVA 11

18 ii. iii. iv. Τριπολικά καλώδια 150kV, διατομής 240mm 2 χαλκού, ισχύος 125MVA Τριπολικά καλώδια 150kV, διατομής 310mm 2 χαλκού, ισχύος 135MVA Τριπολικά καλώδια 150kV, διατομής 630mm 2 χαλκού, ισχύος 175MVA v. Μονοπολικά καλώδια 66kV, διατομής 150mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 35MVA vi. vii. viii. ix. Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 250mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 175MVA Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 300mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 145MVA Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 300mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 175MVA Μονοπολικά καλώδια 150kV, διατομής 400mm 2 χαλκού, τριφασικής ισχύος 175MVA 4) Οι ανάγκες για αντιστάθμιση αέργου ισχύος καλύπτονται με την εγκατάσταση στατώπυκνωτών και πηνίων. Πιο συγκεκριμένα, για την τοπική στήριξη των τάσεων στους Υ/150kV/ΜΤ, χρησιμοποιούνται στατοί πυκνωτές που εγκαθίστανται κυρίως στους ζυγούς Μ.Τ. των Υποσταθμών. Επιπρόσθετα, κατά τη διετία εγκαταστάθηκαν συστοιχίες πυκνωτών 150kV ονομαστικής ικανότητας 25 Mvar εκάστη στα ΚΥΤ Αγ. Στεφάνου, Παλλήνης, Αχαρνών και Αργυρούπολης. Επίσης, έχουν εγκατασταθεί πηνία στην πλευρά 150kV σε Υποσταθμούς150kV/ΜΤ (σε εκείνους στους οποίους συνδέονται υποβρύχια καλώδια), καθώς και στο τριτεύον τύλιγμα (πλευρά 30 kv) των ΑΜ/Σ των ΚΥΤ, για την αντιμετώπιση προβλημάτων εμφάνισης υψηλών τάσεων κατά τις ώρες χαμηλού φορτίου. 5) Από τον Οκτώβριο του 2004 το Ελληνικό Σύστημα λειτουργεί σύγχρονα και παράλληλα με το σύστημα της UCTE μέσω διασυνδετικών Γ.Μ. 400 και 150 kv με τα Συστήματα Αλβανίας, Βουλγαρίας και ΠΓΔΜ. Επιπλέον, το Ελληνικό Σύστημα συνδέεται ασύγχρονα (μέσω υποβρυχίου συνδέσμου συνεχούς ρεύματος) με την Ιταλία. Στις επόμενες παραγράφους γίνεται μία αναλυτική περιγραφή των διασυνδέσεων του Ελληνικού Συστήματος με τα Συστήματα των γειτονικών χωρών. Με το Σύστημα της ΠΓΔΜ η Ελλάδα συνδέεται μέσω: μίας γραμμής 400kV απλού κυκλώματος με δίδυμο αγωγό, μεταξύ ΚΥΤ Θεσσαλονίκης και Dubrovo (Negotino) στην ΠΓΔΜ και μίας γραμμής 150kV απλού κυκλώματος ελαφρού τύπου, μεταξύ ΚΥΤ Αμυνταίου και Bitola στην ΠΓΔΜ. Μέσω των γραμμών αυτών το Ελληνικό Σύστημα λειτουργεί παράλληλα και σύγχρονα με το ασυνδεδεμένο Σύστημα της UCTE. Με το Σύστημα της Αλβανίας συνδέεται μέσω: 12

19 μια γραμμής 400kV απλού κυκλώματος με δίδυμο αγωγό, μεταξύ ΚΥΤ Καρδιάς και Elbasan (Αλβανία). Η ικανότητα μεταφοράς ισχύος μέσω της γραμμής αυτής περιορίζεται σημαντικά λόγω περιορισμών στο Αλβανικό σύστημα. μιας γραμμής 150kV ελαφρού τύπου μεταξύ Υ/Σ Μούρτσου και ΥΗΣ Bistrica στην Αλβανία, ονομαστικής ικανότητας μεταφοράς 100MW περίπου. Μέσω των πιο πάνω διασυνδετικών γραμμών το Αλβανικό Σύστημα λειτουργεί σύγχρονα και παράλληλα με το Ελληνικό Σύστημα. Με το Βουλγαρικό Σύστημα η Ελλάδα συνδέεται μέσω μίας Γ.Μ. 400kV (τύπου Β'Β'), μεταξύ ΚΥΤ Θεσσαλονίκης και Blagoevgrad στην Βουλγαρία. Η διασύνδεση Ελλάδας Ιταλίας συνδέει το ΚΥΤ Αράχθου με τον Υ/Σ Galatina Ιταλίας. Είναι σύνδεση συνεχούς ρεύματος και περιλαμβάνει τα ακόλουθα : 2 σταθμούς μετατροπής ΥΤΣΡ (HVDC) μονοπολικού τύπου 400kV ικανότητας 500MW τμήματα εναερίων Γ.Μ. DC μήκους 45km επί Ιταλικού εδάφους και 107km επί ελληνικού εδάφους τμήμα υπογείου καλωδίου DC μήκους 4km επί Ιταλικού εδάφους ένα υποβρύχιο καλώδιο DC 400kV ισχύος 500MW και μήκους 160km. 1.4.ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Το σύστημα διανομής περιλαμβάνει γραμμές μέσης και χαμηλής τάσης και ανήκει αποκλειστικά στο διαχειριστή του συστήματος (ΔΕΗ). Το συνολικό μήκος των γραμμών του δικτύου διανομής, ξεπερνά τα km. Η μέση τάση έχει γραμμές των 22kV, 20kV, 15kV και 6.6kV. Η χαμηλή τάση περιλαμβάνει γραμμές στα 380/220V ή 400/230V. Αντίστοιχα υπάρχουν Μ/Σ υποβιβασμού 22kV/6.6kV, 20kV/400V, 6.6kV/400V κλπ. η ισχύς των οποίων κυμαίνεται από 50kVA μέχρι και 1000kVA. Ανάλογα με το αν οι υποσταθμοί είναι εναέριοι ή τοποθετημένοι σε υπόγεια και περιορισμένου χώρου μέρη (πυκνοκατοικημένες περιοχές), οι διακόπτες φορτίου, οι αποζεύκτες, οι ασφάλειες κλπ. χρησιμοποιούν ως μονωτικό υλικό τον αέρα ή το αέριο SF. Οι Υ/Σ με ισχύ 6 μεγαλύτερη των 800KVA είναι πάντα υπόγειοι και διαθέτουν και διακόπτη ισχύος. Τo μήκος των γραμμών του δικτύου ανά τάση και είδος τοποθέτησης των καλωδίων παρουσιάζεται στον Πίνακα

20 Πίνακας 1.5: Mήκος γραμμών διανομής σε km. 1.5.ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΙΧΜΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο διασυνδεδεμένο σύστημα μαζί με το ισοζύγιο εισαγωγών - εξαγωγών με τις γειτονικές χώρες έφτασε το 2005 στις 53,4ΤWh. σημειώνοντας αύξηση 3,24% έναντι του 2004 ενώ στο νησιωτικό σύστημα η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ήταν 4,625TWh μη συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής των συνδεμένων με αυτό ιδιωτικών αιολικών πάρκων. Πίνακας 1.6: Διάρθρωση της κατανάλωσης ενέργειας. (Δεν συμπεριλαμβάνονται η παραγωγή απο ΑΠΕ) 14

21 Στον Πίνακα 1.7 παρουσιάζεται η διάρθρωση της παραγωγής από κάθε πηγή το 2005: Πίνακας 1.7: Διάρθρωση της παραγωγής και ισοζυγίου εισαγωγών-εξαγωγών ενέργειας. (Δεν συμπεριλαμβάνονται η παραγωγή απο ΑΠΕ των μη διαδυνδεμένων νησιών) Η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατηγορία στο διασυνδεδεμένο σύστημα παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.8: Πίνακας 1.8: Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά χρήση 15

22 Οι ανταλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας που πραγματοποιήθηκαν το 2005 με τα γειτονικά μας συστήματατα, παρουσιάζονται στον πίνακα 1.9: Πίνακας 1.9: Ανταλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας το έτος 2005 Στον πίνακα 1.10 καθώς και στο σχήμα 1.3 φαίνεται η εξέλιξη της ετήσιας αιχμής ζήτησης (μέση ωριαία τιμή) ηλεκτρικής ενέργειας στο διασυνδεδεμένο σύστημα κατά την τελευταία δεκαετία. 16

23 Πίνακας 1.10: Εξέλιξη ετήσιας αιχμής ζήτησης (1) Συμπεριλαμβάνονται οι απώλειες Μεταφοράς (2) Έγιναν συμφωνημένες περικοπές τουλάχιστον 150 MW το 2002 και 70 MW το 2003 (3) Αναφέρεται στην ώρα (4) Εκτίμηση ΔΕΣΜΗΕ για την αιχμή του 2004 αν δεν συνέβαινε το Black-Out (5) Εκτίμηση ΔΕΣΜΗΕ για την αιχμή του 2005 χωρίς τις συμφωνημένες περικοπές 17

24 Σχήμα 1.6: Εξελιξη της ετήσιας αιχμής του ΕΔΣ 18

25 2 Κατανεμημένη Παραγωγή 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Η κατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) δεν είναι μια νέα έννοια, αλλά είναι μια αναδυόμενη προσέγγιση που σαν σκοπό της έχει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στην καρδιά ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η μορφή παραγωγής ενέργειας, που είναι γνωστή διεθνώς με διάφορες ονομασίες όπως επί τόπου παραγωγή, ενσωματωμένη παραγωγή, αποκεντρωμένη παραγωγή, παράγει ηλεκτρική ενέργεια από πολλές μικρές πηγές ενέργειας. Εξαρτάται κυρίως από την εγκατάσταση και λειτουργία ενός συνόλου από μικρού μεγέθους, συμπαγείς και καθαρές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο ή κοντά στη θέση του ηλεκτρικού φορτίου (παραγωγή πλησίον της κατανάλωσης). Η κατανεμημένη παραγωγή εμφανίστηκε σαν μέθοδος από τη στιγμή που ξεκίνησε η παραγωγή και εκμετάλλευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ευρύ επίπεδο. Στα αρχικά στάδια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η κατανεμημένη παραγωγή εφαρμόστηκε ουσιαστικά σαν κανόνας και όχι σαν εξαίρεση, όπως τη σημερινή εποχή. Την περίοδο εκείνη τα εργοστάσια παραγωγής ισχύος παρείχαν ηλεκτρισμό σε φορτία τα οποία χωροταξικά ήταν τοποθετημένα στην κοντινή σε αυτά περιοχή. Προτού γίνει κανόνας η παραγωγή και χρήση εναλλασσόμενης ηλεκτρικής ισχύος τα ηλεκτρικά δίκτυα ήταν δίκτυα συνεχούς ρεύματος ( DC ), με συνέπεια η τάση παροχής αλλά και η απόσταση μεταφοράς της ισχύος να είναι περιορισμένα και προκειμένου να υπάρξει ισορροπία μεταξύ κατανάλωσης και ζήτησης γινόταν ευρεία χρήση τοπικών μέσων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. συσσωρευτές) που ήταν σε θέση να συνδεθούν άμεσα με το δίκτυο ισχύος. Η χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος αντικατέστησε το συνεχές, λόγω της δυνατότητας που παρείχε για μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, οδηγώντας σε αύξηση του μεγέθους της παραγωγής, των δικτύων μεταφοράς διανομής αλλά και του αριθμού των φορτίων. Η δημιουργία μεγάλων σταθμών παραγωγής που εξυπηρετούν αυξημένο αριθμό φορτίων σε μεγάλου εύρους περιοχή αποτέλεσε τον μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενο τρόπο παραγωγής που ονομάζεται κεντρική παραγωγή. Αν και η κατανεμημένη παραγωγή είχε ξεχαστεί σαν έννοια τα χρόνια που ακολούθησαν, την τελευταία δεκαετία αρχίζει να κάνει εμφανή την χρησιμότητα της και να εξετάζονται τρόποι με 19

26 τους οποίους θα γίνει εφικτή η εφαρμογή της και πάλι στα σύγχρονα πλέον δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιστροφή της κατανεμημένης παραγωγής στο προσκήνιο οφείλεται σε μία σειρά λόγων η οποίοι επιγραμματικά είναι οι παρακάτω: Ανάπτυξη των τεχνολογιών κατανεμημένης παραγωγή Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας Αυξημένη απαίτηση για ενέργεια υψηλής αξιοπιστίας Περιορισμοί στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς Προβληματισμοί για της κλιματικές αλλαγές Η εφαρμογή της κατανεμημένης παραγωγής προς το παρόν γίνεται σε μικρή κλίμακα λόγω οικονομικών αλλά και τεχνικών ζητημάτων, τα οποία είναι δυνατό να αντιμετωπιστούν με κατάλληλο σχεδιασμό, όμως από αρκετούς ερευνητές αναμένεται ότι μελλοντικά θα γνωρίσει ευρεία αποδοχή και χρήση. Στη συνέχεια του κεφαλαίου γίνεται μία προσπάθεια ορισμού της κατανεμημένης παραγωγής, αναφέρονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται καθώς επίσης γίνεται αναφορά στα οφέλη αλλά και τα προβλήματα που δημιουργούνται από την εφαρμογή αυτού του τρόπου παραγωγής στα ήδη υπάρχοντα δίκτυα. 2.2 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ( ΚΠ ) Με την μέχρι τώρα έρευνα στην βιβλιογραφία αλλά και στις νομοθεσίες των διαφόρων κρατών φαίνεται να μην υπάρχει ομοφωνία για έναν κοινό και σαφή ορισμό πάνω στο θέμα της κατανεμημένης παραγωγής. Ωστόσο γίνονται προσπάθειες απο διάφορους φορέις που έχουν σαν στόχο τη διατύπωση ενός ενιαίου και ευρέως αποδεχόμενου ορισμού. Η Διεθνής Επιτροπή CIGRE έχει δημιουργήσει ομάδα εργασίας στον τομέα της κατανεμημένης παραγωγής ( ΚΠ ), σύμφωνα με την οποία μονάδες παραγωγής που: (α) η μέγιστη ισχύς τους κυμαίνεται από 50 έως 100 MW, (β) είναι συνήθως συνδεδεμένες στο δίκτυο διανομής και (γ) η κατανομή φορτίου στις εγκαταστάσεις παραγωγής δεν γίνεται κεντρικά συνιστούν κατανεμημένη παραγωγή. Η ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers) καθορίζει την κατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) ως παραγωγή ηλεκτρισμού από εγκαταστάσεις που είναι σαφώς μικρότερες από τις κεντρικές μονάδες παραγωγής, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διασύνδεσή τους σχεδόν σε κάθε σημείο του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Οι Dondi et al. και ο Chambers 20

27 δίνουν αντίστοιχους ορισμούς που καθορίζονται τόσο από την παραγόμενη ισχύ όσο και από τον τρόπο σύνδεσης στην πλευρά σύνδεσης των καταναλωτών. Τέλος οι Pepermans ορίζουν ως κατανεμημένη παραγωγή την πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής ή στην πλευρά σύνδεσης των καταναλωτών. Προκειμένου να διατυπωθεί ένας ενιαίος ορισμός, αλλά και να γίνει κατανοητή η έννοια της κατανεμημένης παραγωγής, είναι απαραίτητο να γίνει αναφορά πάνω σε κάποια βασικά ζητήματα που αφορούν αυτόν τον τρόπο παραγωγής όπως είναι ο σκοπός για τον οποίο γίνεται η παραγωγή, η τοποθεσία, το μέγεθος, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται, η περιοχή που τροφοδοτεί, οι επιπτώσεις στο περιβάλλον, ο τρόπος λειτουργίας, το ιδιοκτησιακό καθεστώς και το ποσοστό διείσδυσης της ΚΠ. Παρακάτω γίνεται μία περιγραφή ορισμένων από τα θέματα αυτά προκειμένου να καταστεί σαφές σε τι αναφερόμαστε όταν μιλάμε για κατανεμημένη παραγωγή. Εάν θέλαμε να δώσουμε ένα ενιαίο ορισμό που μπορεί να γίνει γενικά αποδεκτός θα μπορούσαμε να πούμε ότι κατανεμημένη παραγωγή είναι οποιαδήποτε πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένη άμεσα στο δίκτυο διανομής ή στη θέση κατανάλωσης ή πιο απλά οι μονάδες παραγωγής ενέργειας έχουν εγκατασταθεί κοντά στο σημείο κατανάλωσης (φορτίο) Ο ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Υπάρχει μία συμφωνία μεταξύ των διαφόρων φορέων ότι ο σκοπός της κατανεμημένης παραγωγής είναι να παρέχει μια πηγή ενεργού ισχύος. Σύμφωνα με τον ορισμό αυτό, η αποκεντρωμένη παραγωγή δεν χρειάζεται να είναι σε θέση να παρέχει άεργο ισχύ Η ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο ορισμός της θέσης των εγκαταστάσεων της κατανεμημένης παραγωγής ποικίλλει μεταξύ των διαφόρων μελετητών και αρχών που ασχολούνται με το ζήτημα αυτό. Οι περισσότεροι προσδιορίζουν τη θέση της ΚΠ στην πλευρά διανομής του δικτύου, άλλοι περιλαμβάνουν την πλευρά των πελατών και μερικοί περιλαμβάνουν ακόμη και τη πλευρά μετάδοσης του δικτύου. Εν γένει ως θέση της κατανεμημένης παραγωγής ορίζεται η εγκατάσταση και λειτουργία μιας 21

28 μονάδας παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που συνδέεται άμεσα με το δίκτυο διανομής ή στις εγκαταστάσεις του καταναλωτή. Το κίνητρο για τη χρήση αυτού του ορισμού είναι ότι η σύνδεση των μονάδων παραγωγής στο δίκτυο διανομής γίνεται παραδοσιακά από τη βιομηχανία. Η κεντρική ιδέα της κατανεμημένης παραγωγής, ωστόσο, είναι να τοποθετείται η παραγωγή κοντά στο φορτίο, άρα στην πλευρά των πελατών. Έχοντας προσδιορίσει την κατανεμημένη παραγωγή τώρα ως παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο επίπεδο της διανομής ή πιο κάτω, ο ορισμός απαιτεί μια πιο λεπτομερή διάκριση μεταξύ ενός συστήματος μετάδοσης και του συστήματος διανομής. Μια διάκριση που βασίζεται σε επίπεδα τάσης, π.χ. 220 kv και υψηλότερα θεωρείται μετάδοση και στη συνέχεια διανομή, δεν είναι χρηστική διότι οι εταιρείες διανομής μερικές φορές διατηρούν και εκμεταλλεύονται τις γραμμές 220 kv και οι εταιρείες μεταφοράς λειτουργούν 110 kv γραμμές. Δεδομένου ότι το επίπεδο τάσης δεν παρέχει καμία διεθνώς διάκριση μεταξύ της διανομής και της μεταφοράς πρέπει να γίνει μια προσέγγιση με βάση τη νομοθεσία. Σε ένα ανταγωνιστικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, οι νομικοί κανονισμοί καθορίζουν το σύστημα μετάδοσης, το οποίο συνήθως λειτουργεί από μία ανεξάρτητη εταιρεία, που δεν εμπλέκεται στην παραγωγή, τη διανομή ή την λιανική πώληση. Σε χώρες στις οποίες δεν έχει διατυπωθεί ακόμα ένας σαφής νομικός ορισμός, όμως, περαιτέρω ανάλυση του ζητήματος είναι απαραίτητη ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ισχύς μιας μονάδας παραγωγής που μπορεί να συνδεθεί σε ένα δίκτυο εξαρτάται από το μέγεθος και την χωρητικότητα του δικτύου διανομής δεν μπορεί να καταστεί σαφής ορισμός της ισχύος που εγκαθίσταται διότι η χωρητικότητα είναι ανάλογη του επιπέδου της τάσης λειτουργίας. Ο σχεδιασμός του κάθε συστήματος διανομής είναι ξεχωριστός συνεπώς δεν μπορεί να δοθεί ένα σαφές όριο στις μονάδες παραγωγής που μπορούν να συνδεθούν σε αυτό. Σε ένα σύστημα το οποίο λειτουργεί σε επίπεδο τάσης 110 kv δεν είναι δυνατόν να συνδεθούν μονάδες παραγωγής ισχύος, μεγαλύτερες από 150 MW πράγμα το οποίο θέτει ένα περιορισμό στο μέγεθος των μονάδων που μπορεί να θεωρηθούν ως κατανεμημένης παραγωγής. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως σε μία εφαρμογή στην Γερμανία όπου εγκαταστάθηκε μονάδα παραγωγής 300 MW, είναι δυνατή η εγκατάσταση μεγαλύτερων μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Παρόλα αυτά έχει διατυπωθεί μία πρόταση η οποία κάνει ένα διαχωρισμό της 22

29 κατανεμημένης παραγωγής σύμφωνα με το μέγεθος ( χωρητικότητα ) των μονάδων παραγωγής. Κατά τον τρόπο αυτό οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής κατατάσσονται σε ομάδες ανάλογα με την ισχύ την οποία είναι σε θέση να παράγουν ως εξής: Πολύ Μικρής κλίμακας : Από 1 W έως 5 kw Μικρής κλίμακας : Από 5kW έως 5 MW Μεσαίας κλίμακας : Από 5 MW έως 50 MW Μεγάλης κλίμακας : Από 50 MW έως 300 MW ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Όταν αναφερόμαστε σε χρησιμοποιούμενη τεχνολογία μιλάμε για τα φυσικά μέσα ή τους τρόπους που χρησιμοποιούμε προκειμένου να επιτύχουμε κάποιο επιθυμητό στόχο ή αποτέλεσμα. Στην κατανεμημένη παραγωγή δεν υπάρχει κάποιος περιορισμός όσον αφορά την τεχνολογία η οποία θα χρησιμοποιηθεί. Γίνεται χρήση συμβατικών τρόπων παραγωγής ενέργειας με θερμικές μηχανές όπως π.χ. αεριοστρόβιλοι, μηχανές καύσης άνθρακα, ή μη συμβατικών τεχνολογιών όπως αιολική και ηλιακή ενέργεια. Εξαίρεση αποτελούν τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας πιο πολύ λόγω της πολυπλοκότητας στην κατασκευή αλλά και του επαυξημένου ρίσκου περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά τη λειτουργία τους. Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας 2.1) περιέχει μία ταξινόμηση της κατανεμημένης παραγωγής με βάση την χρησιμοποιούμενη τεχνολογία αλλά και τα χρησιμοποιούμενων καυσίμων Πίνακας 2.1: Χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες και καύσιμα Σε επόμενο κεφάλαιο γίνεται μία αναλυτική περιγραφή των τεχνολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές κατανεμημένης παραγωγής. 23

30 2.2.5 ΙΔΙΟΚΤΗΣΙΑΚΟ ΚΑΘΕΣΤΩΣ Εν γένει δεν υπάρχει κάποια συμφωνία για το αν οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής ανήκουν σε ανεξάρτητους παραγωγούς ή απλούς καταναλωτές. Επιπλέον μεγάλες επιχειρήσεις ηλεκτρισμού ενδιαφέρονται όλο και πιο πολύ για μονάδες κατανεμημένης παραγωγής και δεν υπάρχει προφανής λόγος ώστε η κατανεμημένη παραγωγή να περιορίζεται σε ανεξάρτητη ιδιοκτησία ΠΕΡΙΟΧΗ ΠΟΥ ΤΡΟΦΟΔΟΤΕΙ Η ΚΠ Η περιοχή που τροφοδοτεί βρίσκεται συνήθως εντός του δικτύου διανομής αλλά κυρίως τα βράδια και κατά τις ώρες ελάχιστου φορτίου των ανεμογεννητριών τα αιολικά πάρκα πχ εξάγουν ενέργεια στο δίκτυο διανομής ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Οι τεχνολογίες κατανεμημένης παραγωγής περιγράφονται ως περιβαλλοντικά φιλικές σε σχέση με τις αντίστοιχες τεχνολογίες όπου υπάρχει ένας ή πολλοί κεντρικοί και μεγάλου μεγέθους σταθμοί παραγωγής. Γενικότερα για να γίνει μια εκτεταμένη μελέτη πάνω στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις απαιτούνται στοιχεία για τις άμεσες αλλά και τις έμμεσες εκπομπές ρύπων για την κάθε χρησιμοποιούμενη τεχνολογία όπου έμμεσες εκπομπές είναι εκπομπές ρύπων κατά τη διαδικασία κατασκευής της μονάδας, αναζήτησης και μεταφοράς των πηγών ενέργειας. Στον πίνακα 2.2 φαίνονται οι εκπομπές ρύπων για κάθε είδους εφαρμοζόμενης τεχνολογίας παρατηρούμε ότι οι εκπομπές ενός τυπικού σταθμού κατανεμημένης παραγωγής είναι σαφώς χαμηλότερες σε σχέση με αυτές των σταθμών που ως καύσιμη ύλη χρησιμοποιούν κάρβουνο. 24

31 Πίνακας 2.2: Τυπικές εκπομπές ρύπων από μονάδες παραγωγής Η εκπομπή NOx (Οξειδίων του αζώτου ) αναφέρεται ότι είναι 20-40% μικρότερη από τις μονάδες ορυκτών καυσίμων, ενώ οι εκπομπές S02 θεωρούνται αμελητέες. Η τεχνολογία βιομάζας δεν συμπεριλήφθηκε στην λίστα διότι θεωρείται ουδέτερη διοξειδίου καθώς, η ποσότητα του C02 που εκπέμπεται κατά την καύση της ισούται με το ποσό του C02 που απορροφάται κατά τη διαδικασία ανάπτυξής της [ΙΕΕ, 2003]. Επιπρόσθετα, περιβαλλοντικά οφέλη που προκύπτουν από την μείωση των απωλειών της γραμμές μεταφοράς ένεκα της σωστής χωροθέτησης των σταθμών κατανεμημένης παραγωγής σε σχέση με την τοποθεσία και δυναμικότητα, μπορεί να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο το περιβαλλοντικό ισοζύγιο της κατανεμημένης παραγωγής. Οι συστοιχίες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και οι κυψέλες καυσίμου δεν έχουν άμεσες εκπομπές. Πέρα από τις εκπομπές κατά τη διαδικασία της κατασκευής, το μίγμα καυσίμου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται στις μπαταρίες, θα πρέπει να συμπεριληφθεί στις έμμεσες εκπομπές. Ομοίως, στην περίπτωση των κυψελών καυσίμου οι έμμεσες εκπομπές είναι συνάρτηση του μίγματος που απαιτείται για την παραγωγή του υδρογόνου, αφού αυτό δεν γίνεται να εξορυχτεί. Από κάποιες πλευρές θεωρείται ότι η διείσδυση και χρήση σταθμών κατανεμημένης παραγωγής θα έχει ως αποτέλεσμα την υπολειτουργία των μεγάλων κεντρικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα να αυξηθούν οι εκπομπές ανά παραγόμενη kwh. Συνεπώς η κατανεμημένη παραγωγή ως προς το σύνολό της δεν μπορεί να θεωρηθεί με απόλυτο τρόπο περιβαλλοντικά φιλική. Εντούτοις, η χρήση κατανεμημένων μονάδων 25

32 παραγωγής που βασίζονται σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας, θεωρείται ότι είναι ικανή να μειώσει τις εκπομπές αερίων ρύπων και αερίων του θερμοκηπίου. 2.3 ΛΟΓΟΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Οι λόγοι ανάπτυξης των εφαρμογών κατανεμημένης παραγωγής είναι κυρίως οικονομικοί, λειτουργικοί (απαιτήσεις για ποιοτική ισχύ) και περιβαλλοντικοί. Στα επόμενα υποκεφάλαια γίνεται αναφορά σε κάθε ένα από τους παραπάνω λόγους ξεχωριστά ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΙ ΛΟΓΟΙ Υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον από τους προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας στην κατανεμημένη παραγωγή γιατί την βλέπουν ως ένα εργαλείο που μπορεί να τους βοηθήσει στο να πληρώσουν θέσεις στην απελευθερωμένη αγορά. H διείσδυση της ΚΠ, έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη δυνατότητα επιλογής και εξυπηρέτησης για τον πελάτη. Με το υπάρχον σύστημα η παραγωγή ισχύος γίνεται σε μεγάλη απόσταση σχετικά με το σημείο κατανάλωσης, το οποίο συντελεί στην αύξηση του κόστους για λόγους μεταφοράς. Η παραγωγή ρεύματος στην τοποθεσία κατανάλωσης δύναται να επιφέρει μειώσεις κόστους στη μεταφορά και τη διανομή έως και 30% του κόστους του ρεύματος. Γενικότερα η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο ή και όχι αλλά παρουσιάζει θετικές επιπτώσεις, ακόμη και όταν δεν είναι. Η εκτός δικτύου ΚΠ με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καταφέρνει να «αναλάβει» κάποια από τα απομακρυσμένα φορτία ή να καθυστερήσει την επέκταση του δικτύου από πιθανά μελλοντικά φορτία στο δίκτυο. Η ΚΠ είναι κατάλληλη στο να προσφέρει ηλεκτρισμό εκεί ακριβώς όπου υπάρχει ανάγκη. Αυτό το γεγονός μπορεί να άρει περιορισμούς στην παραγωγή, μεταφορά και διανομή και να αποφευχθεί η ανάγκη για τη δημιουργία νέων κεντρικών σταθμών. Αναφορικά με τις θέσεις εργασίας οι εκτιμήσεις είναι ότι οι επενδύσεις σε ΚΠ αναμένεται να δημιουργήσουν πενταπλάσιες θέσεις εργασίας αναλογικά με τους συμβατικούς κεντρικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. 26

33 2.3.2 OΙ ΑΥΞΗΜΕΝΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ ΓΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στους σταθμούς παραγωγής πρέπει να μεταφερθεί και να διανεμηθεί στα σημεία καταναλώσεως που είναι συνήθως τα αστικά κέντρα, μικρότεροι οικισμοί, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, αγροτικές εγκαταστάσεις κλπ. Κατά τη διαδικασία μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, η καλή και ασφαλής λειτουργία αποτελεί σημείο μεγάλου ενδιαφέροντος. Γενικά οι μεταβολές τάσεως στα σημεία των καταναλώσεων δεν πρέπει να υπερβαίνουν ορισμένα όρια διότι απαιτείται ομοιόμορφη και αποδοτική λειτουργία ο καταναλωτής απαιτεί όσο το δυνατό πιο σταθερή τάση δικτύου και το σύστημα πρέπει να ικανοποιεί την απαίτηση αυτή μέσα στα πλαίσια ορισμένων ανοχών. Οι μικρότερες μονάδες ΚΠ μπορούν επίσης να μειώσουν την ζήτηση αιχμής, να μειώσουν τις απώλειες μεταφοράς και να βελτιώσουν την ποιότητα των υπηρεσιών σε απομακρυσμένες περιοχές. Επίσης σε περιοχές όπου είναι δύσκολη η υποστήριξη της τάσης του δικτύου, η ΚΠ μπορεί να συνεισφέρει, καθώς η σύνδεση ενός σταθμού ΚΠ, οδηγεί γενικά σε άνοδο της τάσης του δικτύου. Οι εγκαταστάσεις αυτές προσφέρουν πλεονεκτήματα για τη βελτίωσης της ποιότητας αλλά και της αξιοπιστίας της μεταφερόμενης ισχύος προς τους καταναλωτές. Εξυπηρετούν καταναλωτές που απαιτούν αδιάλειπτη λειτουργία, όπως ένα εργοστάσιο, ως εφεδρικός εξοπλισμός, αλλά και ενισχύουν ολόκληρο το δίκτυο. Παράγουν ισχύ σε τοπικό επίπεδο για τους χρήστες συντελώντας στη μείωση της ζήτησης σε περιόδους αιχμής και με στην ελαχιστοποίηση της συμφόρησης της ισχύος, μία από τις αιτίες πιθανής κατάρρευσης του δικτύου (blackout) ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΛΟΓΟΙ Μεγάλη συνεισφορά στην διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής έχει η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και η παγκόσμια ανησυχία για τις επερχόμενες κλιματικές αλλαγές. Μέσω του πρωτόκολλου του Κιότο προβλέπεται μείωση των εκπομπών αερίων στο διάστημα κατά 5.2% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 και η κατανεμημένη παραγωγή θεωρείται ότι μπορεί να συμβάλει σε αυτό το στόχο. Ακόμη η ραγδαία ανάπτυξη στις τεχνολογίες που μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην κατανεμημένη παραγωγής τα τελευταία χρόνια έχει συμβάλει καθοριστικά στην επιβολή αυτού του τρόπου παραγωγής. 27

34 2.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Τα οικονομικά και λειτουργικά οφέλη από τη χρήση κατανεμημένης παραγωγής παρουσιάζονται παρακάτω: Η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να ικανοποιήσει τις τοπικές ανάγκες σε ηλεκτρική ισχύ φορτίων, με την τοποθέτησή της σε κατάλληλες περιοχές, χωρίς να είναι απαραίτητη η επέκταση ή η αναβάθμιση του υπάρχοντος δικτύου πράγμα λύση οικονομικά επιβαρυμένη. Η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να συναρμολογηθεί εύκολα οπουδήποτε σε Ενότητες, οι οποίες έχουν πολλά πλεονεκτήματα όπως: (α) Μπορούν να εγκατασταθούν σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα σε οποιοδήποτε τοποθεσία, με το κάθε υποσύστημα να μπορεί να λειτουργήσει αμέσως μετά την εγκατάσταση του χωρίς να επηρεάζεται από την μη λειτουργία των υπόλοιπων στοιχείων. (β) Η συνολική χωρητικότητα μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί κατά βούληση προσθέτοντας ή αφαιρώντας μονάδες αντίστοιχα. Η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να παρέχει την ακριβή απαιτούμενη ζήτηση φορτίου από τους πελάτες. Μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της τιμής του ρεύματος από την παροχή ενέργειας στο δίκτυο, η οποία οδηγεί με τη σειρά της σε μείωση της απαιτούμενης ζήτησης. Σύμφωνα με τις διαφορετικές τεχνολογίες της ΚΠ, τα είδη των πηγών ενέργειας και των καυσίμων που χρησιμοποιούνται είναι διαφοροποιημένα. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει ανάγκη για χρήση ορισμένων τύπων καυσίμων περισσότερο από άλλους. Με τη χρήση κατανεμημένης παραγωγής παρατηρείται αναβάθμιση στο συνολικό προφίλ τάσης του συστήματος καθώς επίσης και αναβάθμιση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος: Η ΚΠ μπορεί να συμβάλλει στη μείωση των απωλειών ισχύος του δικτύου διανομής, με την ικανοποίηση μέρους της ζήτησης, στη μείωση ροή ενέργειας στο εσωτερικό του δικτύου μεταφοράς ώστε να ικανοποιεί ορισμένους περιορισμούς και να βελτιώνει το προφίλ της τάσης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επί τόπου σύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης (παροχή τοπικής αξιοπιστίας). Μπορεί να βοηθήσει στη συνέχεια και την αξιοπιστία του συστήματος, καθώς θα υπάρχουν πολλά σημεία ηλεκτροπαραγωγής και όχι μόνο μία κεντρική μεγάλη παραγωγή. 28

35 2.5 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ & ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΚΠ ΣΤΑ ΥΠΑΡΧΟΝΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τις μονάδες παραγωγής ισχύος (σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας), τα συστήματα μεταφοράς και διανομής της παραγόμενης ενέργειας (γραμμές μεταφοράς-διανομής), τους υποσταθμούς καθώς και από τα φορτία κατανάλωσης που συνδέονται σε αυτό. Γενικότερα τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό ότι λειτουργούν σε διαφορετικά επίπεδα τάσης και χωρίζονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές. Διαχωρίζονται μεταξύ τους με βάση το επίπεδο τάσης στο οποίο λειτουργούν έτσι αποτελούνται από τα παρακάτω επιμέρους συστήματα: Σύστημα παραγωγής Σύστημα μεταφοράς Σύστημα υπομεταφοράς Τα δίκτυα αυτά χαρακτηρίζονται από: - Κεντρικό έλεγχο των σταθμών παραγωγής και του συστήματος μεταφοράς - Απώλειες μεταφοράς και διανομής, δαπάνες συντήρησης και χαμηλό βαθμό αξιοπιστίας - Προβλήματα στάθμης τάσεως και αέργου ισχύος - Εκπομπές CO2 λόγω καύσης ορυκτών καυσίμων σε μονάδες παραγωγής - Μονόδρομη ροή ισχύος 29

36 Σχήμα 2.1: Συγκρότηση ηλεκτρικού δικτύου Αυτά τα δίκτυα έχουν σχεδιαστεί με βάση την κεντρική παραγωγή που χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη μεγάλων κεντρικών μονάδων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που διανέμεται σε ένα μεγάλο σύνολο καταναλωτών. Το σκεπτικό που οδήγησε στη δημιουργία τέτοιων δικτύων ήταν ότι το κόστος της παραγόμενης ενέργειας μειώνεται με την αύξηση του μεγέθους των σταθμών παραγωγής ενέργειας. Η διαπίστωση αυτή έπαιξε σημαντικό ρόλο για την δομή των ηλεκτρικών δικτύων, καθώς βασικότερα κριτήρια για την ηλεκτροπαραγωγή ήταν το κόστος και η απόδοση. Έτσι οι νέοι σταθμοί παραγωγής, κατασκευάζονταν με όλο και μεγαλύτερη ισχύ ώστε να μειωθεί το κόστος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το κριτήριο αυτό άφηνε σε δεύτερη μοίρα άλλους παράγοντες που σχετίζονταν με το μέγεθος και την τοποθεσία των ηλεκτρικών σταθμών παραγωγής όπως το περιβαλλοντικό κόστος και την εκμετάλλευση της παραγόμενης θερμότητας. Η πρακτική αυτή είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία τεράστιων σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, παράλληλα με την κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων δικτύων μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας με γραμμές υψηλής και υπερυψηλής τάσης. Οπότε, ένα τυπικό ηλεκτρικό δίκτυο, βασίζεται στην συγκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από λίγους και μεγάλης ισχύος σταθμούς, την μεταφορά της σε αστικά κέντρα με γραμμές υψηλής τάσης και στη συνέχεια τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας με γραμμές μέσης και χαμηλής τάσης. Ο τρόπος με τον οποίο έχουν κατασκευαστεί τα τυπικά δίκτυα μέχρι σήμερα έχει βασικό χαρακτηριστικό τη μονόδρομη ροή ηλεκτρικής ισχύος, δηλαδή το δίκτυο παρέχει 30

37 ενέργεια σε καταναλωτές και δεν δέχεται με ευκολία ενέργεια από πηγές διαφορετικές των κεντρικών σταθμών. Κατά συνέπεια δεν είναι δυνατόν να μιλάμε για εφαρμογή κατανεμημένης παραγωγής χωρίς να μελετήσουμε την επίδραση που αυτή έχει στο υπάρχον σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο έχει σχεδιαστεί με τη φιλοσοφία της κεντρικής παραγωγής, και τα πιθανά προβλήματα που μπορεί να δημιουργήσει ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Τα χαρακτηριστικά των δικτύων μεταφοράς και διανομής είναι πολύ σημαντικά από τεχνικής άποψης καθώς εμφανίζουν ουσιαστικές διαφοροποιήσεις μεταξύ τους. Πρώτον, τα δίκτυα διανομής έχουν σχεδιαστεί για διαφορετικό σκοπό από τα δίκτυα μεταφοράς με κύρια διαφορά ότι τα συστήματα διανομής δεν έχουν σχεδιαστεί για τη σύνδεση τους με συσκευές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επί παραδείγματι η σύνδεση της κατανεμημένης παραγωγής οδηγεί σε αλλαγή της τιμής του ρεύματος σφάλματος, ως εκ τούτου, επανασχεδιασμός του τοπικού συστήματος προστασίας από σφάλματα ενδέχεται να απαιτηθεί. Επιπλέον τα δίκτυα διανομής είναι συνήθως ακτινικά ή βροχοειδή που λειτουργούν ακτινικά και όχι διασυνδεδεμένα δηλαδή η ροή ενέργειας στα δίκτυα αυτά είναι συνήθως προς μία διεύθυνση οπότε με τη σύνδεση μονάδων κατανεμημένης παραγωγής η ροή ισχύος αλλάζει. Δεύτερον, οι γραμμές υψηλής τάσης, π.χ. γραμμές μεταφοράς έχουν χαμηλή αντίσταση σε σύγκριση με τους αγωγούς χαμηλής τάσης των δικτύων διανομής. Στις γραμμές μεταφοράς η επίδραση της αντίστασης καλωδίου (R) στην πτώση τάσης είναι μικρή, αφού το μέγεθός της είναι εν γένει λιγότερο από την αντίδραση (X), δηλαδή X / R > 5.Ως εκ τούτου, η αντίδραση είναι η πιο σημαντική παράμετρος στην πτώση τάσης και τις απώλειες των αγωγών. Στα συστήματα διανομής, ωστόσο, η αντίσταση στις γραμμές είναι συχνά μεγαλύτερη ή τουλάχιστον παρόμοια με την αυτεπαγωγή. Οπότε η αντίσταση της γραμμής διανομής προκαλεί σημαντική πτώση τάσης κατά μήκος των γραμμών διανομής και συνεπώς παρουσιάζονται αυξημένες οι απώλειες γραμμής. Η σύνδεση της κατανεμημένης παραγωγής μπορεί επομένως να έχει σημαντική επιρροή στο τοπικό επίπεδο τάσης. Τρίτον, η χαμηλή τάση στα άκρα των συστημάτων διανομής δεν είναι συνήθως συνδεδεμένη με τα συστήματα επιτήρησης και ελέγχου δεδομένων (SCADA), συνεπώς η συλλογή δεδομένων που απαιτούνται για τον έλεγχο του συστήματος διανομής, όπως και των μονάδων ΚΠ είναι αρκετά δύσκολη. Η πολυπλοκότητα συλλογής δεδομένων για τον έλεγχο του συστήματος σε 31

38 ανταγωνιστικές αγορές αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι οι ανεξάρτητοι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν τις μονάδες τους, σύμφωνα με τα μηνύματα των τιμών της αγοράς, που δεν αντιστοιχούν απαραίτητα στις απαιτήσεις των συστημάτων ελέγχου στις τοπικές περιοχές παραγωγής και διανομής. Οι επιδράσεις των μονάδων ΚΠ στο δίκτυο διανομής που συνδέονται συνίστανται λοιπόν στα παρακάτω: Αύξηση στην ισχύ βραχυκυκλώσεως Αλλαγή της εικόνας τάσης (συνήθως είναι ανύψωση τάσης οπότε δρά ευεργετικά κατά τις ώρες μεγίστου φορτίου, μπορεί όμως να μην είναι αποδεκτή κατά τις ώρες ελαχίστου φορτίου) Εισαγωγή στο δίκτυο ρευμάτων ανώτερων αρμονικών που επηρεάζουν την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος Δυσχέρεια στην προγραμματισμένη συντήρηση του δικτύου, διότι η τροφοδότηση από πολλά σημεία επηρεάζει τις διαδικασίες ασφάλειας Δυσχέρεια στη ρύθμιση των διατάξεων προστασίας με επιπλέον απαίτηση προστασίας έναντι της νησιδοποίησης Αλλαγή των απωλειών του δικτύου Επίδραση στα σήματα ακουστικής συχνότητας που μεταφέρονται στο δίκτυο Διανομής ΣΥΝΔΕΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η σύνδεση με το δίκτυο της κατανεμημένης παραγωγής μπορεί να διαφέρει σημαντικά από την παραδοσιακή κεντρική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μεγάλες μονάδες παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιούν σύγχρονες γεννήτριες, ικανές να ελέγχουν την απόδοση άεργου ισχύος στο σύστημα. Οι μεγάλες μονάδες ΚΠ επίσης, αξιοποιώντας φυσικό αέριο, για παράδειγμα, κάνουν χρήση σύγχρονων γεννητριών. Οι μεσαίου αλλά ιδιαίτερα οι μικρού μεγέθους μονάδες ΚΠ συχνά χρησιμοποιούν ασύγχρονες γεννήτριες (επίσης γνωστές ως επαγωγικές γεννήτριες), δεδομένου ότι είναι σημαντικά φθηνότερες από τις σύγχρονες γεννήτριες. Οι ασύγχρονες γεννήτριες ωστόσο, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας από τις σύγχρονες. Για παράδειγμα, μια απευθείας διασυνδεδεμένη ασύγχρονη γεννήτρια δεν είναι σε θέση για την παροχή άεργου ισχύος αλλά απαιτεί άεργο ισχύ από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της εκκίνησης της διαδικασίας και εν λειτουργία. Διαφορετικές 32

39 τεχνικές επιλογές υπάρχουν για να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα της διασύνδεσης ασύγχρονης γεννήτριας, από μονάδες κατανεμημένης παραγωγής, όπως πυκνωτές και ηλεκτρονικά ισχύος. Και τέλος, οι πολύ μικρές μονάδες, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, οι μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου πρέπει να συνδεθούν μέσω διεπαφής (μετατροπέας) με το δίκτυο, καθώς αυτά τα μικρο-συστήματα παράγουν συνεχές ρεύμα. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος προσφέρουν διαφορετικές λύσεις για τη μετατροπή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο και την παραγωγή ενεργούς / άεργου ισχύος με την απαιτούμενη συχνότητα. Οι μετατροπείς αυτοί εισάγουν «επίσης νέα ζητήματα ελέγχου και νέες δυνατότητες» για την ολοκλήρωση των δικτύων αφού μπορεί να χρησιμοποιηθούν για ελέγχο της τάσης στο δίκτυο διανομής, για παράδειγμα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα πρόβλημα που μπορεί να προκύψει είναι ότι οι μετατροπείς αλληλεπιδρούν μέσω του δικτύου διανομής πράγμα που μπορεί να οδηγήσει σε διακυμάνσεις στην παροχή ρεύματος ή σε ταλαντώσεις στα δίκτυα διανομής. Ωστόσο, τέτοιες περιπτώσεις φαίνεται να είναι πολύ σπάνιες. Αυτή η μεγάλη ποικιλία επιλογών για σύνδεση με το δίκτυο της κατανεμημένης παραγωγής καθιστά την ανάλυση της ένταξης στο δίκτυο ένα ζήτημα ιδιαίτερα πολύπλοκο. Επιπλέον, οι συνθήκες στο τοπικό δίκτυο έχουν σημαντική επίδραση στα σχετικά θέματα ένταξης. Ως εκ τούτου, για κάθε δίκτυο θα απαιτείται λεπτομερής ανάλυση όλων των παραμέτρων λειτουργίας. 33

40 3 Ορισμός Και Διαταραχές Της Ποιότητας Ισχύος 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ποιότητα ισχύος αποτελεί ένα ζήτημα με συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις εταιρίες παραγωγής ηλεκτρισμού, για τους κατασκευαστές ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και για τους καταναλωτές. Οι κυριότεροι λόγοι που καθιστούν την ποιότητα ισχύος ιδιαιτέρως σημαντική είναι οι ακόλουθοι: H αυξανόμενη χρήση συσκευών που εμπεριέχουν ηλεκτρονικά ισχύος και είναι ευαίσθητες αλλά και δημιουργούν διαταραχές. ο ανταγωνισμός που επέφερε η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας. και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις του συστήματος σε αξιοπιστία. Τόσο η ποιότητα της τάσης που παρέχεται από το δίκτυο καθώς και η ποιότητα ρεύματος στην οποία επιδρούν οι καταναλωτές συνιστούν παράγοντες που επηρεάζουν την κανονική λειτουργία του συστήματος και έχουν μεγάλη οικονομική σημασία. Οι εταιρίες ηλεκτρισμού σε όλο τον κόσμο καλούνται να αποδείξουν ότι η παρεχόμενη ισχύς ικανοποιεί τις προϋποθέσεις εκείνες που εγγυώνται την λειτουργία των πελατών-φορτίων τους χωρίς προβλήματα. Παράλληλα οι καταναλωτές προσπαθούν να εξασφαλίσουν τις καλύτερες συνθήκες για τα φορτία τους ώστε να περιορίσουν οικονομικές απώλειες που προκαλούνται από προβλήματα στην παροχή ηλεκτρική ισχύος. Μεγάλος αριθμός μετρητικών συσκευών εγκαθίσταται στο δίκτυο προκειμένου να καταγράψουν τις διάφορες παραμέτρους της ποιότητας ισχύος, ώστε να εντοπισθούν τα προβλήματα και να βρεθούν οι κατάλληλες πληροφορίες για την λύση τους. Τα οφέλη από τις μετρήσεις είναι πολλαπλά καθώς αυξάνουν την γνώση μας για την λειτουργία του συστήματος. Επίσης, συντάσσονται προδιαγραφές από τους αρμόδιους οργανισμούς και λειτουργούν προς το παρόν ως προτεινόμενα όρια. Η πρόβλεψη πάντως είναι ότι στο άμεσο μέλλον θα ισχύσουν ως δεσμευτικοί περιορισμοί για όλους τους εμπλεκομένους με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. 34

41 Για να λειτουργεί το ηλεκτρικό σύστημα αδιάκοπα και για να εξασφαλίζεται η βέλτιστη οικονομική λειτουργία του, απαιτείται να ρυθμίζονται συνεχώς παράμετροι όπως είναι η ισχύς, η τάση και η συχνότητα του δικτύου. Τα πιθανά προβλήματα που μπορεί να παρουσιαστούν λόγω κακής ποιότητας ισχύος είναι σημαντικά είτε γιατί συνδέονται με αυξημένο κόστος όπως π.χ. εκκίνηση μονάδων παραγωγής έπειτα από διακοπή, μείωση του χρόνου ζωής του εξοπλισμού, απώλεια εισοδήματος για τους καταναλωτές, είτε ακόμα και με κίνδυνο ανθρώπινων ζωών όταν οι καταναλωτές είναι νοσοκομεία, αεροδρόμια κ.α. 3.2 ΟΡΙΣΜΟΣ Μέχρι στιγμής δεν υπάρχει ένας ορισμός της ποιότητας ισχύος ευρέως διαδεδομένος. Διαφορετικοί άνθρωποι ερμηνεύουν τον όρο λίγο διαφορετικά, από τη δική τους οπτική γωνία. Όσοι ασχολούνται με την προστασία συστημάτων ταυτίζουν την ποιότητα ισχύος με την αξιοπιστία. Όσοι ασχολούνται με τον σχεδιασμό ηλεκτρολογικού εξοπλισμού ταυτίζουν την ποιότητα ισχύος με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της τάσης του δικτύου όταν ο εξοπλισμός λειτουργεί κανονικά. Μία γενικώς αποδεκτή εκδοχή θα μπορούσε να είναι η εξής: Η ποιότητα ισχύος αφορά την αλληλεπίδραση ανάμεσα στο ηλεκτρικό δίκτυο και τους πελάτες των εταιριών ηλεκτρισμού.η αλληλεπίδραση είναι αμφίδρομη: το δίκτυο επηρεάζει τους πελάτες μέσω της παρεχόμενης τάσης, και οι πελάτες επιδρούν στο δίκτυο μέσω του ρεύματος. Οι πελάτες μπορεί να είναι τελικοί καταναλωτές, παραγωγοί ή και τα δύο. Ένα πρόβλημα στην ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος υπάρχει, όταν διαταραχθεί η κυματομορφή της τάσης, η κυματομορφή του ρεύματος ή η συχνότητα της τάσης. 3.3 ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Οι διαταραχές της ποιότητας ισχύος χωρίζονται σε δύο κατηγορίες : μεταβολές και γεγονότα. Η μεταβολή είναι μια μικρή απόκλιση από την ημιτονοειδή κυματομορφή και συμβαίνει στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Το γεγονός είναι μια μεγάλη απόκλιση, παρατηρείται όταν το μετρούμενο μέγεθος ξεπεράσει κάποιο όριο και συμβαίνει κατά τη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων ή σφαλμάτων. 35

42 3.3.1 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ Αρμονικές Αρμονικές καλούνται τα ημιτονοειδή ρεύματα ή τάσεις με συχνότητες πολλαπλάσιες της θεμελιώδους συχνότητας του δικτύου. Οι διαταραγμένες, λόγω αρμονικών, κυματομορφές αναλύονται σε άθροισμα της θεμελιώδους και των αρμονικών που δημιουργούνται από τις μη γραμμικές χαρακτηριστικές τάσης ρεύματος των συσκευών που συνδέονται στο δίκτυο. Σχήμα 3.1: Κυματομορφή με αρμονική παραμόρφωση. Μέσω της τάσης και σε συνάρτηση με την ισχύ βραχυκυκλώσεως του δικτύου, οι αρμονικές που παράγονται σε ένα σημείο μεταδίδονται και μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα και σε άλλα φορτία. Όπως φαίνεται και από το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 3.2, λόγω της πεπερασμένης (μη μηδενικής) εσωτερικής σύνθετης αντίστασης του δικτύου, η κυματομορφή της τάσης στο σημείο ζεύξης παραμορφώνεται. Σχήμα 3.2 Μη γραμμικά φορτία υπάρχουν τόσο σε οικιακούς όσο και σε βιομηχανικούς καταναλωτές. Τέτοια είναι: Φορτία με ηλεκτρονικά ισχύος: ανορθωτές, PLC 36

43 Φορτία που χρησιμοποιούν ηλεκτρικό τόξο: φούρνοι τήξης και λάμπες φθορισμού Φορτία που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά: τηλεοράσεις, φούρνοι μικροκυμάτων, φωτοαντιγραφικά, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εκτυπωτές κτλ Μονάδες κατανεμημένης παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος για τη συνδεσή τους με το δίκτυο, όπως για παράδειγμα είναι τα φωτοβολταϊκά, οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών, οι κυψέλες καυσίμου και οι μικροστρόβιλοι. Στους κινητήρες και τις γεννήτριες, τάση και ρεύμα με αρμονικές συνιστώσες, έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη θερμοκρασία λόγω απωλειών σιδήρου και χαλκού άρα και μειωμένη απόδοση, αύξηση του θορύβου, μη ομαλή εκκίνηση και αυξημένη ολίσθηση για κινητήρες επαγωγής. Εξαιτίας των αρμονικών ενδέχεται να λειτουργήσουν λανθασμένα συσκευές προστασίας ειδικά αυτές που χρησιμοποιούν θερμικά μοντέλα. Αν ο υπολογισμός της ενεργού τιμής της έντασης γίνεται χρησιμοποιώντας τη μέγιστη τιμή της κυματομορφής της αυξάνεται η πιθανότητα λάθους και ανεπιθύμητης λειτουργίας της προστασίας. Για τον ίδιο λόγο λάθη παρουσιάζονται σε μετρητικές συσκευές. Οι αρμονικές επίσης είναι η αιτία για προβλήματα στην λειτουργία ηλεκτρονικών συστημάτων. Μακροχρόνια οι αρμονικές προκαλούν πρόωρη γήρανση των συσκευών. Οι πυκνωτές είναι επίσης ευαίσθητοι στις αρμονικές και κυρίως σε αυτές υψηλής συχνότητας. Αν η ιδιοσυχνότητα του κυκλώματος που δημιουργείται από τον πυκνωτή και την ισοδύναμη επαγωγή του δικτύου παροχής στο σημείο σύνδεσης είναι ίδια με αυτή της αρμονικής που παράγεται από το φορτίο προκαλείται συντονισμός, αύξηση του μεγέθους της αρμονικής, υπερθέρμανση του πυκνωτή και ενδεχομένως καταστροφή του διηλεκτρικού του υλικού ή λειτουργία της προστασίας του και αποσύνδεση του. Η μέτρηση των αρμονικών γίνεται υπολογίζοντας τον μέσο όρο των αρμονικών για κάποιο χρονικό διάστημα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Ένα μέγεθος που χρησιμοποιείται ευρέως, ως άμεση εικόνα της ποιότητας του δικτύου σε ένα συγκεκριμένο σημείο, είναι η συνολική παραμόρφωση λόγω αρμονικών (Total Harmonic Distortion, THD) τόσο για την τάση όσο και για το ρεύμα και προκύπτει από τον παρακάτω τύπο: MHD = h max 2 h=2 M h M 1 όπου Μ h είναι το πλάτος κάθε αρμονικής και 37

44 Μ είναι το πλάτος της αρμονικής συνιστώσας στη θεμελιώδη συχνότητα (50 Hz). 1 Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκαλούνται από αρμονικές υπάρχουν μέθοδοι τέτοιες ώστε να μειώσουν, να εξαλείψουν ή να μην επιτρέψουν τη διείσδυση των αρμονικών στο δίκτυο. Οι πιο διαδεδομένες από αυτές είναι: Η τοποθέτηση φίλτρων.τα φίλτρα μπορεί να είναι είτε ενεργά είτε παθητικά. Τα παθητικά φίλτρα είναι συνδυασμός πυκνωτών και πηνίων. Στο σχήμα βλέπουμε ένα σύστημα στου οποίου την είσοδο υπάρχουν δύο ειδών φίλτρα ρεύματος. Το ένα φίλτρο είναι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο ρεύματος το οποίο μειώνει όλες τις ανώτερες αρμονικές συνιστώσες χωρίς να μειώνει τη θεμελιώδη συνιστώσα. Επίσης,υπάρχει άλλο ένα φίλτρο το οποίο αποτελείται από ένα πηνίο και ένα πυκνωτή σε σειρά και ονομάζεται φίλτρο συντονισμού. Οι τιμές L και C του φίλτρου αυτού επιλέγονται ώστε να συντονίζει (δηλ. να παρουσιάζει μηδενική αντίσταση) στη συχνότητα της ανεπιθύμητης αρμονικής συνιστώσας του ρεύματος που θέλουμε να εξαλείψουμε από την είσοδο της ηλεκτρικής συσκευής. Μπορεί να έχουμε πάνω από ένα συντονισμένο φίλτρο στην είσοδο της συσκευής και την εξάλειψη ενός αριθμού παρασιτικών αρμονικών συνιστωσών. Σχήμα 3.3: Παθητικά φίλτρα ρεύματος στην είσοδο ενός μη γραμμικού φορτίου Τα ενεργά φίλτρα είναι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος μπορεί να συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά με το φορτίο. Τα παράλληλα φίλτρα χρησιμοποιούνται όταν το μη γραμμικό φορτίο συμπεριφέρεται σαν πηγή αρμονικών ρευμάτων, όπως είναι οι μετατροπείς φυσικής μετάβασης με θυρίστορ με μεγάλη dc επαγωγή για συστήματα ηλεκτρικής κίνησης συνεχούς ρεύματος. Τα 38

45 ενεργά φίλτρα σειράς χρησιμοποιούνται εκεί που το μη γραμμικό φορτίο θεωρείται πηγή αρμονικής τάσης, όπως είναι η συνήθης περίπτωση των αντιστροφέων που έχουν στην είσοδο γέφυρα διόδων και πυκνωτή εξομάλυνσης στο τμήμα συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 3.4: (α) παράλληλο και (β) σειράς,ενεργό φίλτρο για τον περιορισμό των αρμονικών. Χρησιμοποίηση κατάλληλων τεχνικών παλμοδότησης των μετατροπέων όπως είναι για παράδειγμα η τεχνική Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (SPWM) Ενδιάμεσες αρμονικές Οι ενδιάμεσες αρμονικές είναι μη ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους και βρίσκονται μεταξύ των αρμονικών. Παράγονται κυρίως από στατούς μετατροπείς συχνότητας (λόγω μη ορθής έναυσης), συσκευές τόξου κ.λ.π Επαναλαμβανόμενες διακυμάνσεις τάσης (flicker) Οι συστηματικές διακυμάνσεις της τάσης σε μια περιβάλλουσα ή σειρά τυχαίων μεταβολών τάσης με πλάτος που συνήθως δεν ξεπερνά το 0,9-1,1 α.μ. συχνά καλούνται τρεμοπαίξιμο (flicker) ή διακύμανση (fluctuation). Ειδικότερα ο όρος flicker έχει ληφθεί από την ορατή επίδραση της διακύμανσης της τάσης στους λαμπτήρες. Οι επαναλαμβανόμενες μεταβολές της τάσης οφείλονται σε αντίστοιχες μεταβολές της απορροφούμενης ή της παραγόμενης ενεργού και αέργου ισχύος, όπως π.χ. συμβαίνει στην περίπτωση της λειτουργίας ηλεκτροσυγκολλήσεων, κινητήρων που κινούν φορτία με μεταβαλλόμενη ροπή αντιστάσεως καθώς και στην περίπτωση γεννητριών με μεταβαλλόμενη κινητήρια ροπή, όπως είναι οι ανεμογεννήτριες. 39

46 Σχήμα 3.5: Κυματομορφή με διακύμανση τάσης Μέτρο του προκαλούμενου από τις διακυμάνσεις της τάσης flicker είναι οι δείκτες flicker βραχείας διάρκειας, Pst για χρονικό διάστημα παρατήρησης 10 λεπτών, και μακράς διάρκειας Plt για χρονικό διάστημα παρατήρησης 120 λεπτών (2 ωρών 12 διαστήματα των 10 min). Η μέτρηση του P γίνεται με τη βοήθεια ειδικού οργάνου, του φλικερόμετρου (flicker-meter), st σύμφωνα με το πρότυπο της IEC. Ο δείκτης flicker μακράς διάρκειας, P lt, και προκύπτει από τις 12 διαδοχικές τιμές του P st σύμφωνα με τη σχέση: 12 3 Plt = 1 (Pst, i)3 12 i=1 Προφανώς, εάν οι διαδοχικές τιμές του P st είναι ίσες μεταξύ τους, τότε P st =P lt. Το προκαλούμενο flicker από τις μεταβολές της τάσης εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: 1. Μέγεθος των μεταβολών: Ο δείκτης flicker αυξάνεται ευθέως ανάλογα προς το μέγεθος των μεταβολών της τάσης. 2. Συχνότητα των μεταβολών: Η συχνότητα (ρυθμός επανάληψης) των διαταραχών της τάσης επηρεάζει άμεσα την προκαλούμενη οπτική ενόχληση. Μέγιστη ενόχληση προκαλείται για συχνότητα περί τις 1000 μεταβολές/min. Στην περίπτωση τυχαίας μεταβλητότητας της τάσης, η οποία περιέχει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, στο flicker συμβάλει η περιοχή συχνοτήτων μεταξύ 1 και 35 Hz. 3. Μορφή των μεταβολών: Η μορφή των μεταβολών της τάσης επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την προκαλούμενη ενόχληση. Γενικά δυσμενέστερες από πλευράς flicker είναι απότομες (βηματικές) μεταβολές. 40

47 Ασυμμετρία Εαν το πλάτος της κυματομορφής της τάσης στις τρεις φάσεις δεν είναι ίσο τότε υπάρχει ασυμμετρία. Μια μη-συμμετρική τάση μπορεί να διαχωριστεί σε τρεις συμμετρικές που ονομάζονται θετικής, αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας συνιστώσες. Οι τρεις τάσεις θετικής ακολουθίας έχουν διαφορά φάσης 120 ο και περιστρέφονται με την αντίθετη φορά του ρολογιού.το ίδιο συμβαίνει και για τις τάσεις αρνητικής ακολουθίας, αλλά κινούνται με τη φορά του ρολογιού.οι τάσεις μηδενικής ακολουθίας είναι συμφασικές και δεν περιστρέφονται. Σχήμα 3.6: κυματομορφές τάσης που παρουσιάζουν ασυμμετρία Συνιστώσα συνεχούς ρεύματος Ορισμένες φορές παρατηρείται σε εναλλασσόμενα δίκτυα μια συνιστώσα συνεχούς ρεύματος ή τάσης. Η έγχυση μιας dc συνιστώσας προκαλείται από ανοιγοκλείσιμο μηχανικών διακοπτών ή από τη λειτουργία ηλεκτρονικών ισχύος που συνδέουν και αποσυνδέουν τις διάφορες συσκευές στο δίκτυο. Συνεχές ρεύμα σε δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να έχει βλαβερές συνέπειες, όπως το να κορεστεί ο πυρήνας ενός μετασχηματιστή σε κανονική λειτουργία με αποτέλεσμα να υπάρχει υπερθέρμανση και να μειωθεί η διάρκεια ζωής του.επίσης, η ύπαρξη συνεχούς ρεύματος μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρολυτική διάβρωση των καλωδίων γείωσης Μεταβολές συχνότητας Ορίζεται ως η απόκλιση της θεμελιώδους συχνότητας του συστήματος από την καθορισμένη τιμή της (50 Hz). Υπάρχουν μικρές μεταβολές στη συχνότητα καθώς αλλάζει η δυναμική ισορροπία μεταξύ φορτίου και μονάδων παραγωγής. Το μέγεθος και η διάρκεια της εκτροπής της συχνότητας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του φορτίου και το σύστημα ελέγχου των μονάδων παραγωγής. Οι μεταβολές της συχνότητας είναι σπάνιες στα σύγχρονα διασυνδεδεμένα 41

48 δικτύα, αλλά είναι πιο πιθανό να συμβούν σε αυτόνομα συστήματα που τροφοδοτούνται από απομονωμένες μονάδες παραγωγής. Μεταβολές συχνότητας συμβαίνουν όταν υπάρχει σοβαρό σφάλμα στο σύστημα μεταφοράς ή όταν αποσυνδεθεί μεγάλο φορτίο ή μονάδα παραγωγής. Οι αποκλίσεις από την ονομαστική συχνότητα μπορούν να προκαλέσουν δυσλειτουργία σε ηλεκτρονικές συσκευές και να επηρεάσουν την ταχύτητα περιστροφής των κινητήρων. Σχήμα 3.7: Κυματομορφή με μεταβολή συχνότητας ΓΕΓΟΝΟΤΑ Βύθιση Τάσης Βύθιση τάσης είναι η μικρής διάρκειας μείωση της ενεργού τιμής της τάσης κυρίως λόγω σφαλμάτων στο δίκτυο ή λόγω της σύνδεσης μεγάλων κινητήρων. Βύθιση της τάσης παρατηρείται επίσης και κατά τη λειτουργία ενός μετασχηματιστή στην περιοχή κορεσμού της καμπύλης λειτουργίας του, λόγω των μεγάλων ασύμμετρων ρευμάτων που προκαλούνται (π.χ. κατά την ενεργοποίηση του). Το ενδιαφέρον γύρω από τις βυθίσεις τάσεις εστιάζεται κυρίως στα προβλήματα τα οποία δημιουργούν σε μεγάλο αριθμό συσκευών. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας (adjustable speed drives), συστήματα ελέγχου (PLC) είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα. Κάποιες συσκευές δεν μπορούν να αντέξουν τάση κάτω από 90% της ονομαστικής για 1 ή 2 κύκλους. Πολλές ηλεκτρονικές συσκευές και κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας δεν λειτουργούν σωστά για βυθίσεις τάσης κάτω από 70% για περισσότερο από 100 msec. Για τους επαγωγικούς κινητήρες κατά την διάρκεια της πτώσης τάσης μειώνεται ο αριθμός των στροφών τους και τροφοδοτούνται με μεγαλύτερο ρεύμα. Εάν η βύθιση τάσης διαρκέσει αρκετά, τότε ενδέχεται να φτάσουν σε ένα σημείο όπου σταματούν να λειτουργούν (stalling). Οι αλλαγές αυτές στο ρεύμα αλλά και στην ροπή του κινητήρα ενδέχεται να οδηγήσουν σε λειτουργία της προστασίας του και τελικά ο κινητήρας να αποσυνδεθεί. Έπίσης, κατά την επαναφορά της τάσης ο κινητήρας καταναλώνει μεγάλα ρεύματα μειώνοντας έτσι την τάση. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε βιομηχανίες με πολλούς κινητήρες. Τα κύρια χαρακτηριστικά του φαινομένου της βύθισης τάσης είναι η διάρκεια του και το μέγεθος της τάσης. Για βυθίσεις τάσης που προκαλούνται από σφάλματα, το μέγεθος της τάσης 42

49 εξαρτάται από την απόσταση του σφάλματος από το φορτίο, τις διασυνδέσεις του δικτύου καθώς και το πόσο δυνατό ή ασθενές είναι το δίκτυο (ισχύς βραχυκύκλωσης). Ο τύπος του σφάλματος και οι συνδεσμολογίες των μετασχηματιστών μεταξύ του σφάλματος και του φορτίου είναι επίσης καθοριστικοί παράγοντες του μεγέθους της τάσης. Η διάρκεια εξαρτάται κυρίως από το πόσο γρήγορα θα λειτουργήσει το σύστημα προστασίας του δικτύου προκειμένου να απομονωθεί το τμήμα του δικτύου όπου εμφανίστηκε το σφάλμα. Οι χρόνοι που υπεισέρχονται εδώ είναι τόσο ο χρόνος εντοπισμού του σφάλματος (δηλαδή ο τύπος προστασίας που χρησιμοποιείται: ηλεκτρονόμοι αποστάσεως, διαφορική προστασία, ηλεκτρονόμοι υπερεύματος, ασφάλειες κτλ) καθώς και ο χρόνος λειτουργίας των συσκευών διακοπής του ρεύματος (διακόπτες ισχύος, ασφάλειες κτλ). Σχήμα 3.8: (α)κυματομορφές με βύθιση τάσης στις τρεις φάσεις (β) η ενεργός τιμή της τάσης Βυθίσεις τάσης λόγω της σύνδεσης μεγάλων κινητήρων προκαλούνται λόγω των μεγάλων ρευμάτων εκκινήσεως και έχουν χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από το μέγεθος των κινητήρων, τα χαρακτηριστικά τους (αδράνεια, τρόπος εκκίνησης κτλ) καθώς και από την ισχύ βραχυκύκλωσης. Από την πλευρά της εταιρίας ηλεκτρισμού, προσπάθεια μείωσης του αριθμού βυθίσεων τάσης συνεπάγεται προσπάθεια μείωσης του αριθμού σφαλμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με συχνότερη συντήρηση και επιθεώρηση του δικτύου και του εξοπλισμού. Η χρήση υπόγειων καλωδίων αντί για εναέριες γραμμές μειώνει την συχνότητα σφαλμάτων λόγω κεραυνών. Επίσης, βελτίωση των χρόνων λειτουργίας του συστήματος προστασίας μειώνει την διάρκεια των βυθίσεων τάσης. 43

50 Από την πλευρά των καταναλωτών, βοήθεια μπορεί να αναζητηθεί σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (πχ UPS) ή υποστήριξης της τάσης (Dynamic Voltage Restorer). Η διεθνής εμπειρία δείχνει ότι για τα PLC η χρήση UPS είναι τις περισσότερες φορές απαραίτητη και οικονομικά τεκμηριωμένη. Για τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές τα UPS είναι πλέον κοινή πρακτική. Σημαντικό επίσης είναι να είναι γνωστή η ικανότητα του φορτίου να συνεχίσει να λειτουργεί σε περίπτωση βύθισης τάσης. Για τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές η καμπύλη της ITIC (Ιnformation Technology Industry Council) δείχνει την τυπική αντοχή τους σε κλίμακα μεγέθους-διάρκειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να εξετασθεί το εάν μια βύθιση τάσης δημιουργεί πρόβλημα ή όχι (Σχήμα 3.9). Λειτουργία ενός υπολογιστή εκτός των ορίων της καμπύλης οδηγεί σε απώλεια δεδομένων, σε λανθασμένες ενέργειες, απενεργοποίηση της συσκευής ακόμα και καταστροφή στοιχείων του. Όλα τα παραπάνω βέβαια υπόκεινται σε οικονομικούς περιορισμούς και μελέτες πρέπει να εκπονηθούν προκειμένου να αιτιολογηθεί το επιπλέον κόστος. Σχήμα 3.9: Παράδειγμα καμπύλης της ITIC (υπό συνθήκες υπέρτασης η συσκευή κινδυνεύει από βλάβη, ενώ υπό συνθήκες μειωμένης τάσης η συσκευή ενδέχεται να σταματήσει να λειτουργεί) Διακοπή Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα οι διακοπές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 1. Μικρής διάρκειας (μικρότερης από 3 λεπτά) και 2. Μεγάλης διάρκειας (μεγαλύτερης από 3 λεπτά). 44

51 Σχήμα 3.10: Κυματομορφή με διακοπή Οι διακοπές μεγάλης διάρκειας οφείλονται είτε σε κάποιο σοβαρό σφάλμα, το οποίο δεν αποκαταστάθηκε με την λειτουργία του συστήματος προστασίας είτε λόγο προγραμματισμένων εργασιών συντήρησης στο δίκτυο. Οι διακοπές μικρής διάρκειας προέρχονται από την λειτουργία επανακλειώμενων διακοπτών (reclosers) και επαναφορά του δικτύου μετά από σφάλμα. Η διαδικασία αυτή είναι συνηθισμένη σε δίκτυα διανομής και εφαρμόζεται διότι μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων δεν είναι μόνιμα και εξαλείφονται μετά την λειτουργία του συστήματος προστασίας. Οι διακοπές μπορούν να θεωρηθούν ειδική περίπτωση βυθίσεων τάσης (όπου η τάση γίνεται μηδέν) και όσον αφορά την επίδραση τους στα φορτία ισχύει ότι και για την επίδραση των βυθίσεων τάσης. Μια πρακτική που εφαρμόζεται είναι η ρύθμιση των επανακλειώμενων διακόπτών έτσι ώστε να λειτουργήσουν ταχύτερα από τις ασφάλειες που βρίσκονται σε χαμηλότερα σημεία του δικτύου. Έτσι αυξάνεται η πιθανότητα να εξαλειφθεί το σφάλμα χωρίς να χρειαστεί να λειτουργήσει η ασφάλεια (και να πρέπει τελικά να αντικατασταθεί). Αυτό σημαίνει μια μικρής διάρκειας διακοπή για περισσότερα φορτία αντί για μια μεγάλης διάρκειας διακοπή για τα φορτία εκείνα που τροφοδοτούνται από την γραμμή όπου εμφανίστηκε το σφάλμα. Πάντως, η επιλογή ή όχι μιας τέτοιας πρακτικής συνδέεται άμεσα με το κατά πόσο μια σύντομη διακοπή επηρεάζει μια ευαίσθητη παραγωγική διαδικασία. Εάν για παράδειγμα σε ένα εργοστάσιο μια σύντομη διακοπή σταματά μια διαδικασία η οποία χρειάζεται πολλές ώρες για επανεκκίνηση τότε είναι αδιάφορο το εάν η διακοπή ισχύος είναι μεγάλης ή μικρής διάρκειας. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για την αποφυγή προβλημάτων από τις διακοπές είναι η εγκατάσταση συστημάτων UPS και ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Βελτίωση από την μεριά του δικτύου μπορεί να επιτευχθεί μειώνοντας αφενός την συχνότητα των σφαλμάτων και αφετέρου μειώνοντας την διάρκεια των διακοπών. Μείωση της διάρκειας των διακοπών μπορεί να γίνει με αξιοποίηση των μοντέρνων συστημάτων προστασίας. Συστήματα τα οποία προβλέπουν την ανταλλαγή πληροφοριών μέσω τηλεπικοινωνιακών συστημάτων αυξάνουν την αποτελεσματικότητα στον εντοπισμό του σφάλματος, επιταχύνουν τους χρόνους προστασίας και μειώνουν τον χρόνο αποκατάστασης σφαλμάτων. 45

52 Υπερτάσεις Ως υπέρταση ορίζεται η αύξηση στην RMS τιμή της τάσης σε περισσότερο από 110 % και για διάρκεια μεγαλύτερη του ενός λεπτού. Οι υπερτάσεις που εμφανίζονται κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός δικτύου μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα επικίνδυνες για τον εξοπλισμό του αλλά και για τα φορτία. Υπερτάσεις προκαλούνται από κεραυνούς (και μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα), προβλήματα σε διακόπτες ισχύος, άλλα φαινόμενα διακοπής και σφάλματα. Διακόπτες ισχύος που διακόπτουν πρόωρα το ρεύμα το οποίο εισέρχεται από αυτούς (όχι στο σημείο όπου το ρεύμα γίνεται μηδέν) προκαλούν μεγάλες υπερτάσεις. Το φαινόμενο μπορεί να εμφανιστεί όταν διακόπτες ισχύος προσπαθούν να διακόψουν μικρά επαγωγικά ρεύματα και ενδέχεται να οφείλεται σε πρόβλημα των επαφών του. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τυπικά μικρής διάρκειας αλλά μπορεί να φτάσουν σε μέγεθος 3 φορές την ονομαστική τιμή. Υπερτάσεις μεγαλύτερης διάρκειας εμφανίζονται κατά την διάρκεια μονοφασικών σφαλμάτων σε αγείωτα δίκτυα ή δίκτυα γειωμένα μέσω σύνθετης αντίστασης (voltage swells). Οι υπερτάσεις στην χειρότερη περίπτωση ισούνται με την πολική τάση του δικτύου, εμφανίζονται στις υγιείς φάσεις και διαρκούν όσο διαρκεί το σφάλμα. Υπερτάσεις μικρής διάρκειας αλλά μεγάλου μεγέθους ενδεχομένως να σημειωθούν κατά την σύνδεση πυκνωτών στο δίκτυο. Το μέγεθος τους μπορεί να φτάσει μέχρι και 2 φορές την ονομαστική τάση και αυτό εγκυμονεί κινδύνους για την λειτουργία αλλά και την ασφάλεια ηλεκτρονικών συσκευών. Περιπτώσεις έχουν καταγραφεί όπου εξαιτίας τέτοιων υπερτάσεων σημειώθηκαν βλάβες των ηλεκτρονικών τμημάτων συσκευών όπως αξονικοί τομογράφοι και κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας. Η σύνδεση πυκνωτή προκαλεί μια ταλάντωση μεταξύ του πυκνωτή που ενεργοποιείται και του συστήματος. Η ταλάντωση αυτή μεταδίδεται στο δίκτυο και διαμέσου των μετασχηματιστών, φτάνει στους καταναλωτές. Άλλες υπερτάσεις (πχ λόγω κεραυνών), που συνδέονται με υψηλότερες συχνότητες, ανακλώνται στον μετασχηματιστή, ένα μικρό ποσοστό του ρεύματος όμως περνάει στο υπόλοιπο κύκλωμα και δημιουργεί προβλήματα στα φορτία. Όταν συνδέονται πυκνωτές στο δίκτυο διανομής για την υποστήριξη της τάσης, το φαινόμενο ενδέχεται να παρουσιάσει δυσμενέστερα χαρακτηριστικά στο δίκτυο της χαμηλής τάσης εξαιτίας της παρουσίας εκεί πυκνωτών χωρητικής αντιστάθμισης (φαινόμενο συντονισμού). Η τάση εκεί μπορεί να φτάσει έως και 3 φορές την ονομαστική, ειδικά σε περιπτώσεις όπου το φορτίο είναι κυρίως κινητήρες και δεν υπάρχει αρκετή απόσβεση από ωμικά φορτία. Η προστασία υπερτάσεως (surge arresters) πρέπει να τοποθετηθεί λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω. Η τοποθέτηση πυκνωτών με δυνατότητα ελεγχόμενης σύνδεσης σε επιλεγμένες χρονικές στιγμές μπορεί να περιορίσει στο ελάχιστο αυτού του είδους τις υπερτάσεις. 46

53 Προβλήματα στο διακόπτη που χρησιμοποιείται για την σύνδεση του πυκνωτή θα προκαλέσουν επίσης υπερτάσεις. Σχήμα 1.11: Κυματομορφή με υπέρταση Υποτάσεις Υπόταση είναι η μείωση της ενεργού τιμής της τάσης σε λιγότερο από 90% και για διάρκεια περισσότερο από 1 λεπτό. Η σύνδεση ενός φορτίου ή η αποσύνδεση ενός πυκνωτή μπορεί να προκαλέσει υπόταση μέχρις ότου οι ρυθμιστικές διατάξεις του συστήματος επαναφέρουν την τάση στα επιτρεπτά όρια. Σχήμα 3.12: Κυματομορφή με υπόταση 47

54 4. Διασύνδεση Φωτοβολταϊκων Στο Δίκτυο Χαμηλής Τάσης Ο τρόπος σύνδεσης μιας οικιακής φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με το ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης (Χ.Τ.) θα πρέπει να γίνει με τρόπο που να μην παραβιάζονται τα όρια διαταραχών που τίθενται από τους Διαχειριστές του Δικτύου. Η λειτουργία ενός ηλεκτρικού δικτύου ελέγχεται από συσκευές προστασίας και ρύθμισης της τάσης, που σκοπό έχουν την παροχή αποδεκτής ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας προς τους καταναλωτές, ελαχιστοποιώντας τον αριθμό των σφαλμάτων και προσφέροντας υψηλό επίπεδο ασφαλείας. Η σύνδεση των κατανεμημένων μονάδων παραγωγής στο δίκτυο διανομής επηρεάζει σοβαρά τη λειτουργία αυτού, τόσο σε ότι αφορά τις συνθήκες παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας προς τους καταναλωτές (καλή ποιότητα ισχύος, σταθερότητα της τάσης) όσο και στην ασφάλεια των καταναλωτών και του προσωπικού εκμεταλλεύσεως που εργάζεται στα δίκτυα. Αν και η ένταξη ενός μικρού αριθμού μικρών ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων δεν επηρεάζει αισθητά την ποιότητα ισχύος, δεν συμβαίνει το ίδιο με την ευρεία χρήση των παραπάνω μονάδων. Έτσι, τα κριτήρια που πρέπει να εξετάζονται σε ένα σημείο του δικτύου Χ.Τ. για τη διασφάλιση της ομαλής συνεργασίας των εγκαταστάσεων με το δίκτυο, την ασφάλεια των προσώπων και των εγκαταστάσεων και την εξασφάλιση αποδεκτής ποιότητας ισχύος είναι: Διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης εγκαταστάσεων-δικτύου Αργές και ταχείες μεταβολές της τάσης Έγχυση αρμονικών Επάρκεια του Δικτύου Συμβολή στη στάθμη βραχυκύκλωσης Εκπομπές flicker Νησιδοποίηση Επίπτωση στη λειτουργία συστημάτων Τηλεχειρισμού Ακουστικής Συχνότητα Το περιεχόμενο του παρόντος κεφαλαίου περιγράφει τις προϋποθέσεις που πρέπει να ισχύουν για τη σύνδεση και παράλληλη λειτουργία των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων παραγωγής με 48

55 τα δίκτυα διανομής, καθώς και τον απαιτούμενο εξοπλισμό ζεύξης και προστασίας. Οι προϋποθέσεις και τα κριτήρια βρίσκονται υπό διαμόρφωση και εξελίσσονται διαρκώς με την εμφάνιση νέων τεχνολογιών, αλλά και την σημαντική αύξηση της διείσδυσης ανανεώσιμών πηγών ενέργειας στα δίκτυα. Τα κριτήρια αυτά στηρίζονται κατά κύριο λόγο στη σειρά προτύπων ΙEC και εξασφαλίζουν την ικανοποίηση των απαιτήσεων του ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ Για τον έλεγχο της συμβατότητας της εγκατάστασης με το δίκτυο, ο παραγωγός υποβάλλει τις αναγκαίες πληροφορίες για το μέγεθος και τον τύπο της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και προσκομίζει πιστοποιητικά μετρήσεων, τα οποία παρέχουν τα αναγκαία 46 στοιχεία για την τεχνική αξιολόγηση της δυνατότητας σύνδεσης σε συγκεκριμένο σημείο του δικτύου. Τα χαρακτηριστικά του δικτύου παρέχονται από τη ΔΕΗ. 4.1 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Σχήμα 4.1: Οικιακό φωτοβολταϊκό σύστημα υπό το καθεστώς ανεξάρτητου Παραγωγού Διασυνδεμένα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα υπό το καθεστώς ανεξάρτητου παραγωγού ονομάζονται τα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που το σύνολο της παραγόμενης ενέργειας πωλείται στη ΔΕΗ και δεν χρησιμοποιείται για μερική ή ολική τροφοδότηση των φορτίων της κτιριακής εγκατάστασης. 49

56 Η υλοποίηση της ηλεκτρικής εγκατάστασης ενός τέτοιου συστήματος απαιτεί την εγκατάσταση δύο ξεχωριστών ηλεκτρικών πινάκων (σχήμα 4.1) (έναν για τις ιδιοκαταναλώσεις του κτιρίου και έναν για τη σύνδεση της ηλεκτροπαραγωγικής μονάδας) οι οποίοι εν συνεχεία συνδέονται στους μετρητές καταναλισκόμενης και αποδιδόμενης ενέργειας αντίστοιχα. Τόσο η ενέργεια που αποδίδει ο παραγωγός στο ηλεκτρικό δίκτυο όσο και αυτή που απορροφά από αυτό για τις ιδιοκαταναλώσεις του κτιρίου, μεταφέρονται πάντοτε μέσω της ίδια παροχής. Αν η παροχή είναι τριφασική, ο μετρητής της παρεχόμενης ενέργειας πρέπει να είναι τριφασικός, ακόμα και για μονοφασικές εγκαταστάσεις. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος έως και 5 kwp, συνδέονται στο δίκτυο μέσω μονοφασικής παροχής, σε αντιδιαστολή με αυτά των οποίων η ισχύς φτάνει τα 10 kwp οπότε υποχρεωτικά συνδέονται μέσω τριφασικής παροχής. Στην περίπτωση της τριφασικής παροχής θα πρέπει να επιδιώκεται συμμετρική φόρτιση των τριών φάσεων, καθώς σύμφωνα με οδηγίες της ΔΕΗ το ποσοστό ασυμμετρίας μεταξύ των τριών φασικών ρευμάτων δεν μπορεί να υπερβαίνει το 20%. Στο σχήμα 4.2 φαίνεται μια τυπική διάταξη σύνδεσης φωτοβολταϊκού στο δίκτυο Χ.Τ. Σχήμα 4.2: Τυπική διάταξη φωτοβολταϊκού συνδεδεμένο στο δίκτυο Χ.Τ. Βασική απαίτηση για λόγους ασφαλείας είναι η ύπαρξη μέσων διακοπής. Το Γενικό μέσο Ζεύξης εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ), ο αυτόματος διακόπτης της γεννήτριας και η προστασία από ρεύματα βραχυκύκλωσης στην πλευρά Ε.Ρ εξασφαλίζουν το παραλληλισμό και τη ζεύξη της εγκατάστασης με το δίκτυο. 50

57 Ο Αυτόματος Διακόπτης της γεννήτριας, ο οποίος πρέπει να εγκαθίσταται στην πλευρά Ε.Ρ του αντιστροφέα, είναι υπεύθυνος για την προστασία της γεννήτριας σε περίπτωση διαταραχών στο δίκτυο και την απομονώνει στην περίπτωση πλήρους διακοπής του. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να εξασφαλίζεται ο γαλβανικός διαχωρισμός των τριών φάσεων. Η διάταξη ζεύξης θα πρέπει να παρέχει προστασία έναντι βραχυκυκλώματος στο εσωτερικό της εγκατάστασης, είτε μέσω των ασφαλειών είτε μέσω του διακόπτη ζεύξης, θα πρέπει δε να επιλέγεται με βάση το μέγιστο ρεύμα βραχυκύκλωσης στο σημείο σύνδεσης στο δίκτυο (ΣΣΔ, το σημείο του δικτύου όπου συνδέονται οι εγκαταστάσεις του παραγωγού και βρίσκεται πάντοτε στην έξοδο των εγκαταστάσεων αυτών). Αυτό μπορεί να γίνει και με άλλα μέσα προστασίας ενσωματωμένα στο σύστημα ελέγχου του μετατροπέα ισχύος, προκειμένου να αποφεύγονται βλάβες του εξοπλισμού της εγκατάστασης και να αποτρέπεται η δημιουργία επικίνδυνων καταστάσεων για τους λοιπούς χρήστες του δικτύου. Για την ασφαλή και απρόσκοπτη εκτέλεση εργασιών στο δίκτυο, θα πρέπει να παρέχεται στο προσωπικό των διανομέων του ηλεκτρικού ρεύματος η δυνατότητα χειροκίνητης απόζευξης της εγκατάστασης από το δίκτυο, μέσω της ελεύθερης πρόσβασης στη μετρητική διάταξη. Η χειροκίνητη ορατή απόζευξη ικανοποιείται τόσο από το κιβώτιο σύνδεσης όσο και από τις ασφάλειες παροχής. Από την άλλη, τα μέσα ζεύξεως και προστασίας θα πρέπει αφενός να έχουν την ικανότητα διακοπής εντάσεων φορτίου και βραχυκυκλώματος, αφετέρου να εξασφαλίζουν την έγκαιρη απόζευξη της ηλεκτροπαραγωγικής μονάδας. Η ρύθμιση των τιμών της χρονικής καθυστέρησης των μέσων προστασίας χρήζει ιδιαίτερης προσοχής, διότι αρκετά μικρές τιμές αυτής μπορούν να οδηγήσουν σε αυξημένη συχνότητα ανεπιθύμητων αποζεύξεων της εγκατάστασης παραγωγής, ενώ αντίθετα μεγάλες χρονικές καθυστερήσεις μπορούν να προκαλέσουν βλάβες, τόσο στην ίδια την εγκατάσταση όσο και σε παρακείμενα φορτία ή παραγωγούς. Για εγκαταστάσεις παραγωγής με αντιστροφείς dc/ac, η ζεύξη πρέπει να γίνεται με την πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος του μετατροπέα χωρίς τάση. Το είδος και ο αριθμός των απαιτούμενων μετρητικών διατάξεων και συσκευών ρύθμισης (αλλαγής τιμολογίου) καθορίζονται σύμφωνα με τους όρους της σύμβασης ΔΕΗ-Παραγωγού. Στον πίνακα 4.1 φαίνονται οι απαιτήσεις λειτουργίας της διασύνδεσης βάση των οποίων πρέπει να γίνεται η ανίχνευση σφαλμάτων και οι οποίες αν δεν ισχύουν πρέπει να λειτουργήσουν τα μέσα προστασίας. 51

58 Πίνακας 4.1: Απαιτήσεις διασύνδεσης σύμφωνα με τις οδηγίες του Διαχειριστή Δικτύου 4.2 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΕΚΠΟΜΠΕΣ FLICKER Η σύνδεση των εγκαταστάσεων παραγωγής σε κάποιο σημείο του δικτύου Χ.Τ είναι δυνατή, υπό την προϋπόθεση ότι η λειτουργία τους δεν προκαλεί υπέρβαση της επιτρεπόμενης στάθμης διαταραχών για δημόσια δίκτυα Χ.Τ και άρα δεν παρενοχλεί άλλες εγκαταστάσεις και συσκευές του δικτύου. Ο έλεγχος της πληρότητας των κριτηρίων της τάσης γίνεται στο σημείο κοινής σύνδεσης (ΣΚΣ, είναι το πλησιέστερο προς τις εγκαταστάσεις του παραγωγού σημείο του δικτύου, στο οποίο συνδέεται ή μπορεί να συνδεθεί άλλος καταναλωτής ή παραγωγός). Με τη φράση μεταβολές τάσης αναφερόμαστε είτε σε βυθίσεις είτε σε ανυψώσεις της τάσης του δικτύου. Σύμφωνα με την IEC, βύθιση τάσης είναι μια ξαφνική μείωση της τάσης σε ένα σημείο του ηλεκτρικού δικτύου που ακολουθείται από μια αποκατάσταση τάσης μετά από μια χρονική περίοδο, που διαρκεί από μερικούς κύκλους μέχρι μερικά δευτερόλεπτα. Η μείωση της τάσης κυμαίνεται από 90% έως 1% της ονομαστικής τάσης και η διάρκεια της είναι συνήθως 10ms έως 1min. Βάθος της βύθισης μιας τάσης ορίζεται η διαφορά μεταξύ της ελάχιστης rms τάσης κατά την διάρκεια της βύθισης και της ονομαστικής τάσης. Οι βυθίσεις τάσης και οι σύντομες διακοπές θεωρούνται ευρέως ως οι πιο σοβαρές διαταραχές της ποιότητας ισχύος λόγω της επίδρασης τους σε ευαίσθητες διαδικασίες. Αντίστοιχα, ανύψωση τάσης είναι μια 52

59 προσωρινή αύξηση της τάσης σε ένα σημείο στο ηλεκτρικό δίκτυο πάνω από ένα όριο, χαρακτηριστικά γύρω στο 1.1 p.u. Όμοια με τις βυθίσεις, χαρακτηρίζονται από το πλάτος τους και τη διάρκεια τους. Η έξοδος ενός φωτοβολταϊκού συστήματος εξαρτάται άμεσα από τις καιρικές συνθήκες, με αποτέλεσμα η ισχύ εξόδου τους να μεταβάλλεται και μάλιστα σε ορισμένες περιπτώσεις μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στη ρύθμιση της τάσης στη γραμμή διανομής. Η σοβαρότητα του προβλήματος εξαρτάται από την ισχύ της διάταξης του φωτοβολταϊκού συγκρινόμενη με την ισχύ της γραμμής διανομής στην οποία συνδέεται. Τα προβλήματα λόγω μεταβολής της τάσης σχετίζονται κυρίως με τρία φαινόμενα. Ένα από αυτά είναι η μεταβολή της τάσης λόγω μεταβολής της ροής ισχύος. Ο κίνδυνος συνίσταται κυρίως στο ενδεχόμενο ανύψωσης της τάσης από την σύνδεση της φωτοβολταϊκής μονάδας κατά την ώρα χαμηλού φορτίου (το οποίο δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη μεταβολή της λήψεως του Μ/Σ Μ.Τ/Χ.Τ). Επομένως το κύριο κριτήριο για τη δυνατότητα σύνδεσης του φωτοβολταϊκού σε υφιστάμενο δίκτυο Χ.Τ αποτελεί η ανύψωση τάσεως κατά την ώρα του ελάχιστου φορτίου. Ένα άλλο φαινόμενο είναι η μεταβολή της τάσης κατά τη ζεύξη ή την απόζευξη των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Οι απότομες μεταβολές της τάσης που προκαλούνται από την ζεύξη και την απόζευξη των φωτοβολταϊκών μονάδων παραγωγής δημιουργούν ανωμαλίες παρόμοιες με τις προκαλούμενες κατά τη ζεύξη εκκίνηση κινητήρων. Όμως λόγω του μεταβλητού χαρακτήρα της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να δημιουργούνται καταστάσεις που οδηγούν σε διαδοχικές ζεύξεις και αποζεύξεις. Ο ρυθμιστής τάσης δεν θα μπορούσε να αποκριθεί αρκετά γρήγορα στις αλλαγές στην ισχύ εξόδου και θα ήταν ανίκανος να διατηρήσει σταθερή τάση στις γραμμές διανομής. Η καλύτερη λύση να αποφευχθούν τα προβλήματα ρύθμισης τάσης σε αυτή την κατάσταση είναι να παρασχεθεί επαρκής ισχύς για τη διάταξη του φωτοβολταϊκού (π.χ. στατική αντιστάθμιση var). 53

60 Σχήμα 4.3: Τυπική μορφή ταχείας μεταβολής της τάσης Πίνακας 4.2: Όρια μεταβολών της τάσης για τη σύνδεση εγκαταστάσεων στο δίκτυο Χ.Τ. (όπου d c (%) = 100 ΔV c U n, d max (%) = 100 ΔU max U n ) Απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή των ορίων (αλλά και για λόγους ασφαλείας) είναι οι εγκαταστάσεις παραγωγής, μετά από διακοπή της λειτουργίας τους, να επανεκκινούν είτε με εντολή του χειριστή, είτε αυτόματα αλλά με χρονική καθυστέρηση (κατ ελάχιστο κάποιων δεκάδων δευτερολέπτων κατά προτίμηση λίγων λεπτών). Η αναμενόμενη συχνότητα χειρισμών πρέπει να προκύπτει από το πιστοποιητικό του κατασκευαστή ή από ρυθμίσεις του σχετικού συστήματος ελέγχου. Τα όρια του παραπάνω πίνακα, αφορούν σχετικές μεταβολές της τάσης, οι οποίες υπερτίθενται στα υφιστάμενα επίπεδα τάσεων λόγω των υπολοίπων καταναλωτών ή και παραγωγών που συνδέονται στο δίκτυο. Η τήρηση των τιθέμενων ορίων για τις σχετικές μεταβολές αναμένεται 54

61 να εξασφαλίζει και ότι τα επίπεδα τάσης του δικτύου είναι αποδεκτά. Παρ όλα αυτά, σε περιπτώσεις δικτύων όπου οι υφιστάμενες αποκλίσεις της τάσης από την ονομαστική τιμή είναι σημαντικές, πρέπει να ελέγχεται ότι η σύνδεση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης δεν θα οδηγήσει σε υπέρβαση των ορίων διακύμανσης της τάσης. Να σημειώσουμε ότι εκτός από τις ταχείες μεταβολές της τάσης εμφανίζονται και αργές μεταβολές της τάσης. Αυτές είναι μεταβολές της τάσης «μόνιμης κατάστασης», οι οποίες εκφράζονται από μέσες τιμές 10 min της τάσης (όπως προβλέπεται από το πρότυπο EN 50160) και μπορεί να οφείλονται σε αντίστοιχες διακυμάνσεις της ισχύος εξόδου των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων ή σε μεταβολές του φορτίου του δικτύου ΕΚΠΟΜΠΕΣ FLICKER Το τελευταίο ζήτημα στο οποίο θα αναφερθούμε, που έχει να κάνει με τις διακυμάνσεις της τάσης είναι το φαινόμενο flicker. Με τον όρο flicker ορίζεται η προκαλούμενη οπτική ενόχληση από τις διακυμάνσεις της φωτεινότητας λαμπτήρων πυρακτώσεως, εξαιτίας αντίστοιχων διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας τους (έως 10% χαμηλότερη τιμή της τάσης από την ονομαστική της τιμή). Λόγω της οπτικής αυτής ενόχλησης, οι πελάτες του δικτύου κάνουν παράπονα στη ΔΕΗ. Η ένταση του φαινομένου εξαρτάται από τον τύπο του λαμπτήρα, το εύρος και τη συχνότητα της διακύμανσης της τάσης. Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων προκαλεί μεταβολές της τάσης στο σημείο κοινής σύνδεσης, καθώς και σε άλλα σημεία του δικτύου, οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν παρενόχληση λόγω flicker σε άλλους καταναλωτές. Μέτρο του προκαλούμενου από τις διακυμάνσεις της τάσης flicker σε άλλους καταναλωτές είναι οι δείκτες flicker βραχείας διάρκειας Pst και μακράς διάρκειας Plt. Ο δείκτης flicker βραχείας διάρκειας αναφέρεται σε χρονική διάρκεια παρατήρησης 10 λεπτών. Η τιμή του Pst είναι ευθέως ανάλογη του μεγέθους (πλάτους) των μεταβολών της τάσης και εξαρτάται και από τη μορφή των μεταβολών και τη συχνότητα επανάληψης τους. Κατώφλι ενόχλησης λαμβάνεται η τιμή Pst=1. Ο δείκτης flicker μακράς διάρκειας αναφέρεται σε χρονική διάρκεια παρατήρησης 120 λεπτών. Η τιμή του Plt διαμορφώνεται από τη μέση τιμή 12 διαδοχικών τιμών Pst. 55

62 Πίνακας 4.3: Όρια δεικτών flicker για τη σύνδεση εγκαταστάσεων στο δίκτυο Χ.Τ Ο συντελεστής flicker θα πρέπει να εξετάζεται τόσο για την κανονική λειτουργία της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης όσο και για την πραγματοποίηση χειρισμών. Η τιμή των συντελεστών flicker προκύπτουν από το πιστοποιητικό που προσκομίζει ο παραγωγός ή εκτιμώνται σύμφωνα με τις αρχές του προτύπου IEC ΕΓΧΥΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Αρμονικές συνιστώσες της τάσης εμφανίζονται στα ηλεκτρικά δίκτυα λόγω της ύπαρξης μη γραμμικών φορτίων (π.χ. λαμπτήρες φθορισμού, συσκευές αδιάλειπτης λειτουργίας, μετασχηματιστές) με αποτέλεσμα η τάση να αποκλίνει από την ιδεατή μορφή του καθαρού ημιτόνου, ενώ το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με την κυματομορφή του ρεύματος. Η κυματομορφή της τάσης και του ρεύματος μπορεί να αναλυθεί κατά Fourier σε σειρά ημιτονοειδών σημάτων διαφόρων συχνοτήτων. Η βασική συνιστώσα συχνότητας ίδια με αυτή που είναι σχεδιασμένο το σύστημα τροφοδοσίας (50 ή 60 Hz) ονομάζεται θεμελιώδης συνιστώσα ενώ οι υπόλοιπες ονομάζονται αρμονικές. Οι αρμονικές συνιστώσες διακρίνονται σε ανώτερες αρμονικές, των οποίων η συχνότητα είναι ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας στην οποία είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί το σύστημα τροφοδοσίας (50 ή 60Hz) και σε ενδιάμεσες αρμονικές, των οποίων οι συχνότητες δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους αρμονικής και μπορούν να εμφανιστούν είτε διακριτές είτε ως φάσμα ευρείας ζώνης. Τα μη γραμμικά φορτία δεν αποτελούν την μόνη πηγή αρμονικών, αλλά και γραμμικά φορτία που λειτουργούν υπό παραμορφωμένη τάση μπορούν να γίνουν πηγές αρμονικών ρευμάτων. Έτσι η υψίσυχνη λειτουργία των αντιστροφέων (μη γραμμική συμπεριφορά κατά την αγωγή μέσω ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος), που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα προκαλεί την εμφάνιση ανώτερων αρμονικών στην κυματομορφή του ρεύματος που παρέχεται στο δίκτυο (η παραμόρφωση στο ρεύμα μπορεί να πάρει πολύ υψηλότερη τιμή από την παραμόρφωση στην τάση). Δημιουργία ενδιάμεσων αρμονικών από τον μετατροπέα έχουμε όταν η λειτουργία του δεν είναι συγχρονισμένη με την συχνότητα του δικτύου, αλλά και από τον κορεσμό των μετασχηματιστών. 56

63 Αυτές οι αρμονικές συνιστώσες είναι δυνατόν να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα τόσο στο δίκτυο όσο και σε εγκαταστάσεις που είναι συνδεδεμένες σε αυτό όπως και σε παρακείμενες ηλεκτρονικές συσκευές. Οι κύριες επιπτώσεις των αρμονικών στα ηλεκτρικά δίκτυα είναι οι παρακάτω: Συντονισμός: εμφάνιση υπερβολικών τάσεων και ρευμάτων συνέπεια του συντονισμού σειράς και του παράλληλου συντονισμού. Εάν η συχνότητα που αντιστοιχεί στον παράλληλο συντονισμό συμπίπτει με το ρεύμα που παράγεται από το μη γραμμικό φορτίο, εμφανίζεται μια ενίσχυση των τάσεων πέρα από τον κλάδο συντονισμού του οποίου το πλάτος εξαρτάται από τις ωμικές παραμέτρους του συστήματος που λειτουργούν ως διατάξεις απόσβεσης. Ο συντονισμός εν σειρά σε αντίθεση με τον παράλληλο συντονισμό χαρακτηρίζεται από μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση στις πηγές αρμονικών τάσης που εμφανίζονται στο δίκτυο. Επιπτώσεις στις περιστρεφόμενες μηχανές: Οι αρμονικές συνιστώσες προκαλούν μηχανική καταπόνηση στις μηχανές λόγω εναλλαγών στην ηλεκτρομηχανική ροπή. Επίσης επάγουν στον ρότορα υψίσυχνα ρεύματα με αποτέλεσμα την μειωμένη απόδοση, θορύβους υψηλής συχνότητας και την αύξηση τόσο των απωλειών σιδήρου, όσο και των απωλειών χαλκού και τελικά την αύξηση της θερμοκρασίας των τυλιγμάτων. Επιπτώσεις στους μετασχηματιστές: Εμφάνιση απωλειών σιδήρου (δινορρευμάτων και υστέρησης) και χαλκού (συμβαίνει συνήθως στην περίπτωση τροφοδότησης μη γραμμικών φορτίων). Μια άλλη επίπτωση είναι η κυκλοφορία αρμονικών ρευμάτων μηδενικής ακολουθίας σε τυλίγματα (τρίγωνο), που μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση του μετασχηματιστή. Επιπτώσεις στους πυκνωτές: Αύξηση των απωλειών με ακόλουθη αύξηση της θερμοκρασίας ώστε να δέχεται διηλεκτρικές καταπονήσεις που οδηγούν στη θερμική αστοχία. Οι πυκνωτές επηρεάζουν ιδιαίτερα την τάση στους κόμβους που συνδέονται, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια συντονισμού. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να γίνει αύξηση των αρμονικών ρευμάτων με την επακόλουθη αύξηση απωλειών και την πιθανή καταστροφή των ίδιων των πυκνωτών. Επιπτώσεις στα καλώδια: Προκαλείται μείωση της ζωής του καλωδίου λόγω της αύξησης απωλειών του φαινομένου Joule που προκαλείται από τη σχετικά με τη συχνότητα αύξηση στην εναλλασσόμενη αντίσταση του καλωδίου, ως αποτέλεσμα του επιδερμικού φαινομένου. Επιπτώσεις στους Ηλεκτρονόμους, τους Διακόπτες και τις ασφάλειες: Οι αρμονικές μπορούν να επηρεάσουν τους ηλεκτρονόμους με διάφορους τρόπους με πιθανό επακόλουθο την δυσλειτουργία τους. Ηλεκτρονόμοι που είναι ευαίσθητοι στην τάση και οι τιμές κορυφής 57

64 ρεύματος ή/και η τάση και το ρεύμα που περνάει από το μηδέν, επηρεάζονται από την παρουσία της αρμονικής παραμόρφωσης. Οι αρμονικές συνιστώσες μπορούν να έχουν εμφανή επίδραση στη λειτουργία των διακοπτών, δεδομένου ότι μπορούν να προκαλέσουν υψηλό παραμορφωμένο ρεύμα, καθιστώντας έτσι τη διακοπή του ρεύματος δυσκολότερη. Τα αρμονικά ρεύματα μπορούν να προκαλέσουν υπερβολική θέρμανση των ασφαλειών, υποβιβάζοντας τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους. Επιπτώσεις στους στατικούς μετατροπείς: Αφενός οι στατικοί μετατροπείς παράγουν τις αρμονικές, αφετέρου μπορεί να επηρεαστεί η λειτουργία τους από αυτές. Στην πραγματικότητα οι πυκνωτές και τα φίλτρα μπορεί να υπόκεινται σε θερμική καταπόνηση ισχυρότερη από αυτή που προβλέπεται από το σχεδιασμό λόγω των αρμονικών ρευμάτων που παρέχονται από το δίκτυο. Επιπλέον οι αρμονικές μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία των μετατροπέων, όταν ο έλεγχος βασίζεται στην ανίχνευση του μηδενισμού του ρεύματος, προκαλώντας λάθος έναυση ή σφάλμα μεταγωγής. Επιπτώσεις στους Μετρητές και τις Ηλεκτρονικές συσκευές: Οι αρμονικές έχουν επιπτώσεις στη λειτουργία των μετρητών ενέργειας. Στην πραγματικότητα παράγουν πρόσθετη ροπή και προκαλείται αύξηση στην ταχύτητα των εσωτερικών δίσκων. Ειδικότερα έχει παρατηρηθεί ότι σε περίπτωση φορτίων ελεγχόμενα από θυρίστορ, ένδειξη των μετρητών είναι αυξημένη σε σχέση με την αναμενόμενη κατά μερικές ποσοστιαίες μονάδες επειδή το ρεύμα τροφοδότησης είναι μεγαλύτερο λόγω του αρμονικού περιεχομένου. Τέλος συσκευές, όπως οι τηλεοπτικές, ηλεκτρονικοί υπολογιστές κ.α., συμβάλλουν στην παραγωγή αρμονικών διαταραχών, αλλά επηρεάζονται από την παρουσία αυτών. Επιπτώσεις στα τηλεπικοινωνιακά σήματα: Η ύπαρξη αρμονικών σε συχνότητες μεγαλύτερες των 1 khz δυσχεραίνει τη χρησιμοποίηση του δικτύου για μεταφορά υψίσυχνων τηλεπικοινωνιακών σημάτων τα οποία εξυπηρετούν αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των κατανεμημένων πηγών ενέργειας και του κέντρου ελέγχου του Ηλεκτρικού Συστήματος. Ηλεκτρομαγνητική Παρεμβολή: Η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομαγνητική παρενόχληση σε γειτονικές συσκευές που δεν συνδέονται άμεσα στο ηλεκτρικό δίκτυο (μέσω ακτινοβολίας). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση θορύβου και δυσλειτουργιών σε αυτές τις συσκευές, στην περίπτωση που δεν υπάρχει κατάλληλη μαγνητική θωράκιση. 58

65 Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι είναι υποχρεωτική η συμμόρφωση της λειτουργίας των μετατροπέων που χρησιμοποιούνται σε οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα με τους ισχύοντες κανονισμούς. Αναλυτικότερα για την έγχυση αρμονικών στο δίκτυο, οι αντιστροφείς οικιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων πρέπει να εναρμονίζονται με τις προϋποθέσεις που προβλέπονται από το πρότυπο ΙEC Το πρότυπο αυτό πραγματεύεται τα επιτρεπτά όρια εισαγωγής αρμονικών από συσκευές και εγκαταστάσεις με ονομαστικό ρεύμα μικρότερο ή ίσο των 16 Α/φάση οι οποίες συνδέονται στα δίκτυα Χ.Τ. Συνεπώς τα όρια που τίθενται από αυτό είναι κατάλληλα για την αξιολόγηση των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται στα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα. Να σημειωθεί ότι ό έλεγχος των αρμονικών γίνεται για την κανονική λειτουργία και όχι για μεταβατικές καταστάσεις, οι οποίες έχουν συνήθως διάρκεια λίγων δευτερολέπτων (π.χ. κατά τον παραλληλισμό στο δίκτυο). Τέλος το πρότυπο ΕΝ οριοθετεί τα επιτρεπτά όρια εκπομπής ακτινοβολίας και τις αγώγιμες εκπομπές των ηλεκτρονικών μετατροπέων και το ΕΝ προσδιορίζει την προστασία των εν λόγω μετατροπέων από εκπομπές ακτινοβολίας σε οικιακό εμπορικό και ελαφρύ βιομηχανικό περιβάλλον. Σε αυτό το σημείο να ορίσουμε ορισμένους δείκτες, οι οποίοι προσδιορίζουν το ποσοστό έγχυσης αρμονικών στο δίκτυο. Χρησιμοποιούνται τόσο για την τάση όσο και για το ρεύμα. Συντελεστής Ολικής Παραμόρφωσης (ΤΗD %) Αποτελεί μέτρο της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: h max THD(%) = 100 ( U h ) U 2 1 h=2 όπου U1 είναι η rms τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης (συχνότητας f1=50 Hz) και Uh η rms τιμή της αρμονικής συνιστώσας τάξης h (συχνότητας h f1). Συχνά για λόγους απλούστευσης (αν και θεωρητικά δεν είναι ορθό) χρησιμοποιείται η ονομαστική τάση Un αντί για τη θεμελιώδη συνιστώσα U1. Η ανώτερη τάξη αρμονικών hmax, είναι η 40 η κατά IEC (fmax=2 khz) και η 50η κατά ΙΕΕΕ (fmax=2.5 khz). (Όμοια ορίζεται ο THD και για το ρεύμα μόνο που αντί για U1 χρησιμοποιούμε Ιn και αντί για Uh, Ιh.). 59

66 Συντελεστής Μερικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (PWHD %) Αποτελεί μέτρο της αρμονικής παραμόρφωσης υψηλής τάξης (Partial Weighted Harmonic Distortion) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: h max PWHD(%) = 100 h( I h ) I 2 1 h=14 όπου Ι1 είναι η rms τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας του ρεύματος (συχνότητας f=50 Hz) και Ιh η rms τιμή της αρμονικής συνιστώσας τάξης h (συχνότητας h f1). Στον υπολογισμό του PWHD λαμβάνονται υπόψη αρμονικές τάξης ανώτερης της 14ης (μέχρι και hmax, η οποία κατά IEC είναι η 40η). Ο συντελεστής αυτός χρησιμοποιείται στην αξιολόγηση σύνδεσης συσκευών Χ.Τ και εξασφαλίζει ότι το αρμονικό περιεχόμενο υψηλών συχνοτήτων της κυματομορφής του ρεύματος είναι επαρκώς χαμηλό, ώστε να μην απαιτείται η εξέταση των επιμέρους αρμονικών. Πέρα από τις παραπάνω προδιαγραφές, ο Διαχειριστής του Δικτύου επιβάλλει, ως απαραίτητη προϋπόθεση για τη σύνδεση εγκαταστάσεων παραγωγής στα δίκτυα διανομής, την επίτευξη Συντελεστή Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης του ρεύματος εξόδου της εγκατάστασης μικρότερο ή οριακά ίσο με 5%, Συντελεστή Ισχύος (θα εξετασθεί και σε επόμενη παράγραφο) μεγαλύτερο από 0.95 για επαγωγική και χωρητική συμπεριφορά υπό ισχύ άνω του 50% της ονομαστικής και μέγιστη τιμή εγχεόμενου συνεχούς ρεύματος (εφόσον οι μετατροπείς δε διαθέτουν χαμηλόσυχνο μετασχηματιστή) το πολύ ίση με το 0.5% του ονομαστικού ρεύματος της εγκατάστασης. Σκοπός των δύο τελευταίων προδιαγραφών είναι η οικονομική λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος (μέσω του περιορισμού απωλειών στους αγωγούς του δικτύου) και η αποφυγή εμφάνισης φαινομένων κορεσμού στους μετασχηματιστές του δικτύου. Σε χώρες με μεγαλύτερη εμπειρία στον τομέα φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα όρια των προαναφερθέντων τεχνικών προδιαγραφών είναι περισσότερο αυστηρά σε ορισμένες περιπτώσεις, λόγω της αυξημένης διείσδυσης των εν λόγω συστημάτων στην ενεργειακή τους τροφοδότηση. Ενδεικτικά στον παραπάνω πίνακα 4.4 παρατίθενται τα προβλεπόμενα όρια από το πρότυπο IEC το οποίο βασίστηκε σε σημαντικό βαθμό σε κανονισμούς που αναπτύχθηκαν από την εκτεταμένη εφαρμογή φωτοβολταϊκών συστημάτων στη Γερμανία. 60

67 Πίνακας 4.4: Όρια αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος και της τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκών μονάδων ισχύος έως 10 kwp που συνδέονται στο δίκτυο Χ.Τ σύμφωνα με το πρότυπο IEC Στους παρακάτω πίνακες παρατίθενται τα όρια των αρμονικών συνιστωσών της τάσης και του ρεύματος σύμφωνα με τα πρότυπα ΙEC και IEC Πίνακας 4.5: Όρια αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος εξόδου για εξοπλισμό Χ.Τ με ονομαστικό ρεύμα μικρότερο ή ίσο 16 Α/φάση (IEC ) 61

68 Πίνακας 4.6: Επίπεδα συμβατότητας των αρμονικών της τάσης δικτύων Χ.Τ (IEC ) 4.4 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο συντελεστής ισχύος ορίζεται ως: λ = P S όπου P είναι η ενεργός ισχύς και S η φαινόμενη ισχύς. Ο συντελεστής ισχύος περιλαμβάνει την συνεισφορά της θεμελιώδους συνιστώσας και όλων των αρμονικών συνιστωσών. Αν οι αρμονικές της τάσης και του ρεύματος είναι αμελητέες, τότε ο συντελεστής ισχύος ταυτίζεται με τον συντελεστή φασικής μετατόπισης cosφ, όπου φ είναι η φασική γωνία του ρεύματος ως προς την τάση. Η φασική γωνία του ρεύματος εξόδου της εγκατάστασης παραγωγής δίνεται από την σχέση: φ = arctan ( Q P ) όπου η άεργος (Q) και η ενεργός (P) ισχύς θεωρούμε ότι είναι θετικές όταν παράγονται από την εγκατάσταση. Ο λόγος για τον οποίο γίνεται θέμα με το συντελεστή ισχύος στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι γιατί οι διατάξεις με μεταγωγή από το δίκτυο καταναλώνουν άεργο ενώ παράγουν ενεργό 62

69 ισχύ, γεγονός που αποτελεί επιβάρυνση στο δίκτυο (και τελικά και στους υπόλοιπους πελάτες του δικτύου), αφού αναγκάζει το δίκτυο να αγοράζει ενεργό ισχύ ενώ μεταφέρει άεργο δωρεάν. Αυτομεταγόμενοι μετατροπείς δεν καταναλώνουν απαραίτητα άεργο ισχύ και μάλιστα μπορούν να σχεδιαστούν με οποιοδήποτε συντελεστή ισχύος, συμπεριλαμβανομένου και χωρητικού συντελεστή ισχύος δηλ. να παράγει άεργο ισχύ. Ένα δίκτυο περιλαμβάνει πολλά φορτία τα οποία εκτός από την κατανάλωση ενεργού ισχύος απαιτούν και άεργο ισχύ για τη λειτουργία τους. Το δίκτυο προσπαθεί να ικανοποιήσει τις ανάγκες για άεργο ισχύ εγκαθιστώντας πυκνωτές στις γραμμές διανομής, ανακουφίζοντας με αυτόν τον τρόπο μια κεντρική εγκατάσταση παραγωγής από την ανάγκη παραγωγής αέργου ισχύος και τη διαβίβαση της σε όλο το μήκος της γραμμής (παρουσιάζει πτώση τάσης). Το κόστος, η μεταφορά και η επίδραση στην τάση είναι τα σημαντικά θέματα στη συζήτηση κατανάλωσης αέργου ισχύος. Ως προς το οικονομικό ζήτημα που δημιουργείται, οι οικιακοί πελάτες τιμολογούνται με βάση την κατανάλωση της βατώρας τους. Εάν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα εγκατασταθεί σε μια κατοικία και αυτό παρέχει μόνο ενεργό ισχύ (δηλ. λ=1), το δίκτυο χάνει εισόδημα από τα Watt που έχουν αντικατασταθεί από τα Watt του φωτοβολταϊκού συστήματος, αλλά πρέπει να συνεχίσει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της οικίας σε άεργο ισχύ και ίσως και τις απαιτήσεις του φωτοβολταϊκού συστήματος. Μια άποψη για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού είναι η τοπική παραγωγή να καλύπτει τις ανάγκες του τοπικού φορτίου σε ενεργό και άεργο ισχύ, δεδομένου ότι αυτό είναι δύσκολο απαιτείται τουλάχιστον να μην καταναλώνει άεργο ισχύ. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η εγκατάσταση είναι απαραίτητο να λειτουργεί με συντελεστή ισχύος μεγαλύτερο από 0.9 επαγωγικό ή χωρητικό. 4.5 ΝΗΣΙΔΟΠΟΙΗΣΗ Με τον όρο «φαινόμενο νησίδας» ορίζεται μια μη επιθυμητή κατάσταση κατά την οποία ένα τμήμα του ηλεκτρικού δικτύου, όπου εμπεριέχονται τόσο ηλεκτρικά φορτία όσο και κατανεμημένες μονάδες παραγωγής, παραμένει ηλεκτροδοτημένο λόγω των παραπάνω μονάδων, παρότι το υπόλοιπο ηλεκτρικό δίκτυο είναι ανενεργό. Αιτίες εμφάνισης του φαινομένου αυτού είναι η ηθελημένη αποσύνδεση ενός μέρους του δικτύου από τα μέσα προστασίας λόγω ανίχνευσης κάποιου σφάλματος, η προγραμματισμένη διακοπή του δικτύου για την συντήρηση του, η διακοπή της ηλεκτροδότησης λόγω εξωγενών περιβαλλοντικών αιτιών, η πιθανή αστοχία ενός μέρους του εξοπλισμού του Σ.Η.Ε αλλά και το ανθρώπινο λάθος. 63

70 Η ανίχνευση του «φαινομένου της νησίδας», αποτελεί ένα από τα βασικά κριτήρια που πρέπει να ικανοποιούνται προκειμένου να επιτραπεί η σύνδεση ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος στο Ελληνικό Σ.Η.Ε, όπως και των άλλων κατανεμημένων πηγών ενέργειας. Οι λόγοι που επιβάλλουν την ανίχνευση αυτών των καταστάσεων εμπίπτουν στη διασφάλιση υψηλής ποιότητας παρεχόμενης ενέργειας στους καταναλωτές και κυρίως στην ασφάλεια εγκαταστάσεων και προσώπων. Σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης, ενώ οι Διαχειριστές θέτουν ηθελημένα εκτός λειτουργίας τμήματα του ηλεκτρικού συστήματος για να τελεστούν εργασίες συντήρησης, η ενδεχόμενη ηλεκτροδότηση αυτού του τμήματος από κατανεμημένες πηγές ενέργειας (λόγω αδυναμίας ανίχνευσης της διακοπής), θέτει σε θανάσιμο κίνδυνο το προσωπικό που διενεργεί τις απαραίτητες εργασίες αφού δουλεύει υπό τάση εν αγνοία του. Επιπλέον, αν οι προστασίες ενός δικτύου ανοίξουν τους διακόπτες προστασίας μιας γραμμής (λόγω ανίχνευσης τυχαίων σφαλμάτων, πιθανής βλάβης του εξοπλισμού, εξωγενών περιβαλλοντικών αιτιών, ανθρώπινών λαθών χειρισμού κλπ), και δεν καταστεί εφικτό από τις κατανεμημένες πηγές να εντοπίσουν τη διακοπή της ηλεκτροδότησης, θα συνεχίσουν να τροφοδοτούν τα φορτία που είναι συνδεδεμένα στην ίδια γραμμή με αυτές. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιφέρει δύο πολύ σημαντικά προβλήματα: Κατά το χρονικό διάστημα της διακοπής, στο κομμάτι της γραμμής που τέθηκε εκτός λειτουργίας δεν υφίσταται κάποιος κεντρικός έλεγχος της συχνότητας και της τάσης, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ζημιές στους υπόλοιπους συνδεόμενους χρήστες σε περίπτωση που οι κατανεμημένες πηγές ενέργειας δεν μπορέσουν να τροφοδοτήσουν τα φορτία με τα απαραίτητα ποσά ενεργού και αέργου ισχύος. Στην περίπτωση που οι κατανεμημένες μονάδες παραγωγής μπορέσουν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των φορτίων, όταν οι διακόπτες των συστημάτων προστασίας επανασυνδέσουν τη γραμμή στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο ενδέχεται να υπάρξουν σημαντικές διαφορές μεταξύ της τάσης στους ακροδέκτες των κατανεμημένων πηγών και αυτής του υπολοίπου Σ.Η.Ε (διαφορά φάσης και πλάτους, απώλεια συγχρονισμού με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο). Οι διαφορές αυτές είναι δυνατό να έχουν καταστροφικές συνέπειες τόσο για την ίδια την εγκατάσταση όσο στους υπόλοιπους συνδεόμενους καταναλωτές. Για τους παραπάνω λόγους υπάρχει η απαίτηση το φαινόμενο να εντοπίζεται και να παύεται έγκαιρα. Με το ρόλο αυτό επιφορτίζονται οι σύγχρονοι αντιστροφείς ως σημείο διεπαφής του 64

71 δικτύου με το φωτοβολταϊκό σύστημα. Η ΔΕΗ απαιτεί από τους διασυνδεμένους παραγωγούς να χρησιμοποιούν αντιστροφείς που είναι εφοδιασμένοι με τα κατάλληλα συστήματα «αντινησιδοποίησης». Οι μονοφασικοί φωτοβολταϊκοί αντιστροφείς μπορεί και να μην παρουσιάσουν κάποιο πρόβλημα σχετικά με τη νησιδοποίηση αν αυτή προκλήθηκε από ανοικτο κύκλωμα του δικτύου λόγω ενός σφάλματος της γραμμής. Αντίθετα, οι τριφασικοί αντιστροφείς παρουσιάζουν πάντα μια διαταραχή της τάσης που συνδέεται με το σφάλμα. Η πλειοψηφία των οικιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων συνδέεται σε μια φάση του δικτύου. Ενώ η πλειοψηφία των συσκευών που χρησιμοποιούν τα δίκτυα για εκκαθάριση σφαλμάτων είναι τριφασικές. Ο συνδυασμός μονοφασικών αντιστροφέων και τριφασικών διακοπτών σφάλματος οδηγεί στην πιθανή κατάσταση όπου ένα σφάλμα μπορεί να υπάρχει σε μια γραμμή που προέρχεται από το άνοιγμα ενός διακόπτη, αλλά χωρίς να υπάρχει διαταραχή της τάσης ώστε να υπάρχει επίπτωση στο μονοφασικό αντιστροφέα. Στο σχήμα 4.4 μπορούμε να δούμε την περίπτωση που μόλις περιγράψαμε δηλ. έχουμε μονοφασικό σφάλμα (πολύ κοινό) στη φάση Α και μονοφασικό αντιστροφέα συνδεδεμένο στη φάση C. Έτσι είναι δυνατόν ο διακόπτης εκκαθάρισης σφάλματος να ανοίξει και ο μονοφασικός αντιστροφέας να μη δει κάποια διαταραχή της τάσης που πολύ πιθανό να έβλεπε ένας τριφασικός αντιστροφέας. Σχήμα 4.4: Μονοφασικό σφάλμα σε τριφασικό σύστημα Οι αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συστημάτων θα πρέπει να διαθέτουν προστασία έναντι της νησιδοποίησης κατά VDE ή ισοδύναμης μεθόδου κατά IEC Στην περίπτωση ανίχνευσης απομονωμένης λειτουργίας (ανεξαρτήτως της χρησιμοποιούμενης μεθόδου), η απόζευξη των φωτοβολταϊκών μονάδων από το ηλεκτρικό δίκτυο πρέπει να γίνεται σε χρονικό διάστημα μικρότερο του ενός δευτερολέπτου (απαιτούμενος χρόνος εκκαθάρισης τυχαίων μη σοβαρών σφαλμάτων), έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι συνέπειες που μπορεί να προκληθούν από ενδεχόμενη ταχεία επαναφορά της τάσης του δικτύου. 65

72 Στη Γερμανία η φωτοβολταϊκή γεννήτρια αποσυνδέεται από το δίκτυο αν παραβιαστούν τα όρια για την τάση και τη συχνότητα. Η προστασία αντινησιδοποίησης κατά VDE είναι υποχρεωτική για τα φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος έως 30kVA μόνο όταν το σημείο σύνδεσης της πηγής με το δίκτυο δεν είναι προσβάσιμο από το διαχειριστή του δικτύου. Η συμμόρφωση με το πρότυπο VDE αποδεικνύεται με πιστοποιητικό τύπου από ανεξάρτητο εργαστήριο. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές ανίχνευσης του «φαινομένου της νησίδας». Μια σημαντική κατηγορία αποτελούν οι τεχνικές «τοπικής ανίχνευσης» και διακοπής του φαινομένου της νησιδοποίησης, οι οποίες προτιμώνται για τα διασυνδεμένα συστήματα που χρησιμοποιούν αντιστροφείς. Οι μέθοδοι τοπικής ανίχνευσης βασίζονται σε μετρήσεις της τάσης και του ρεύματος στην τοποθεσία της κατανεμημένης παραγωγής. Μεγάλο βάρος της έρευνας δίδεται στις τεχνικές αυτού του τύπου μιας και έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι πιο οικονομικές. Αυτές μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ομάδες, τις παθητικές και τις ενεργητικές μεθόδους. Οι παθητικές μέθοδοι προσπαθούν να ανιχνεύσουν το φαινόμενο μέσω της παρατήρησης της εξέλιξης των εξόδων των ηλεκτρικών μεταβλητών των αντιστροφέων. Οι ενεργητικές μέθοδοι διαταράσσουν αυτές τις μεταβλητές με σκοπό να ανιχνεύσουν την νησιδοποίηση σε σχέση με την αντίδραση του συστήματος. 66

73 Πίνακας 4.7: Κυριότερες μέθοδοι ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες παθητικές μέθοδοι είναι αυτές που στηρίζονται στην παρατήρηση της τάσης και της συχνότητας. Οι μέθοδοι αυτές παρατηρούν την rms τιμή της τάσης και της συχνότητας και ενεργοποιούν τους ηλεκτρονόμους της τάσεως και της συχνότητας όταν αυτά υπερβαίνουν τις προκαθορισμένες τιμές. Βέβαια οι μέθοδοι αυτές δεν παρέχουν ανίχνευση όταν η τάση βρίσκεται στα όρια των ηλεκτρονόμων κατά την εμφάνιση του «φαινομένου της νησίδας». Με την μέθοδο του ελέγχου της αρμονικής τάσης ελέγχεται το αρμονικό περιεχόμενο (ο συντελεστής ΤΗD) και αν αυτό υπερβαίνει ένα όριο αποσυνδέεται η μονάδα. Η μέθοδος ανίχνευσης άλματος φάσης ελέγχει τη μετατόπιση φάσης μεταξύ της τάσης 67