Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ

Transcript

1 Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση Πρόγραμμα Δια Βίου Μάθησης ΑΕΙ για την Επικαιροποίηση Γνώσεων Αποφοίτων ΑΕΙ: Σύγχρονες Εξελίξεις στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης ( ) Ζητήματα Ασφαλείας και Ευστάθειας Δικτύου Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ

2 Η μεταβαλλόμενη ισχύς των αιολικών πάρκων έχει επιπτώσεις στην ευστάθεια του ηλεκτρικού δικτύου. Οι επιπτώσεις αντανακλούν στην μεταβολή της συχνότητας και της τάσης του δικτύου. Η επίδραση των πάρκων είναι συνάρτηση του μεγέθους των, του ρυθμού μεταβολής της ισχύος, και της σταθερότητας του κυρίως δικτύου στο σημείο διασύνδεσης του πάρκου. Η επίδραση μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ως Βραχυπρόθεσμη: αφορά στην ευστάθεια του συστήματος σε χρονική κλίμακα λεπτών ή λίγων ωρών Μακροπρόθεσμη: αφορά την διαθέσιμη ισχύ από το αιολικό πάρκο κατά τις ώρες αιχμής του φορτίου. Έλεγχος τάσης: Απαίτηση για εφεδρεία άεργης ισχύος. Δυνατή η συνεισφορά του πάρκου Έκταση: Τοπικά ή και σε όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: μέχρι μερικά λεπτά Βραχυπρόθεσμα Βαθμός απόδοσης των συμβατικών πηγών. Έκταση: Όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: 1-24h Απώλειες στο σύστημα μεταφοράς και διανομής: οι Α/Γ μπορεί να προκαλέσουν αύξηση ή και μείωση. Έκταση: Τοπικά ή και όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: 1-24h Εφεδρείες: πρωτογενή και δευτερογενή έλεγχο. Το πάρκο μπορεί μερικώς να συνεισφέρει. Έκταση: Όλο το δίκτυο. Χρονική διάρκεια: μερικά λεπτά έως και μια ώρα Απώλεια παραγωγής: αδυναμία του δικτύου να απορροφήσει όλη την αιολική ισχύ. Έκταση: Όλο το δίκτυο. Χρονική διάρκεια: Ώρες.

3 Μακροπρόθεσμα ρ Αξιοπιστία του συστήματος: το πάρκο μπορεί να συνεισφέρει στην επάρκεια ισχύος Έκταση: όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: ένα ή περισσότερα χρόνια Εφεδρείες: πρωτογενή και δευτερογενή έλεγχο. Το πάρκο μπορεί μερικώς να συνεισφέρει. Έκταση: Όλο το δίκτυο. Χρονική διάρκεια: μερικά λεπτά έως και μια ώρα Η ηλεκτρική ισχύς δεν αποθηκεύεται (σε μεγάλες ποσότητες) Ανισορροπία μεταξύ παραγωγής και φορτίου δημιουργεί μεταβολή στην συχνότητα (επιτρεπτή περιοχή 45,9-50,5 Hz) Η μεταβλητότητα της αιολικής ισχύος δημιουργεί απαίτηση για διατήρηση επιπλέον εφεδρειών σε ισχύ Αύξηση η κόστους λειτουργίας συστήματος. Σημαντικό πρόβλημα είναι η αδυναμία αξιόπιστης πρόβλεψης σε χρονικό επίπεδο μικρότερο της ώρας. Σε επίπεδο αιολικού πάρκου η μεταβλητότητα της ισχύος του πάρκου είναι μικρότερη από την μεταβλητότητα μιας Α/Γ Σε επίπεδο ηλεκτρικού δικτύου η μεταβλητότητα της ισχύος όλων των αιολικών πάρκων είναι μικρότερη από την μεταβλητότητα ενός μόνον πάρκου.

4 Απώλειες στο σύστημα μεταφοράς και διανομής: οι Α/Γ μπορεί να προκαλέσουν αύξηση ή και μείωση. Έκταση: Τοπικά ή και όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: 1-24h Ανάλογα με το μέγεθος της ισχύος του αιολικού πάρκου και το μέγεθος του φορτίου οι απώλειες στο σύστημα μεταφοράς ή διανομής μπορεί να μειωθούν ή να αυξηθούν. (οι απώλειες μεταβάλλονται με το τετράγωνο της ισχύος για δεδομένη τάση) Η διέλευση μεγάλης αιολικής ισχύος από συγκεκριμένες γραμμές μεταφοράς (υπεράκτια αιολικά πάρκα) συνήθως προκαλεί αύξηση των απωλειών. Η εκτιμώμενη εκπομπή CO 2 από Α/Γ είναι 10g/kWh, πολύ μικρότερη από τα 900g/kWh των συμβατικών σταθμών με άνθρακα. Η μείωση των εκπομπών CO 2 εξαρτάται από το μείγμα της συμβατικής παραγωγής σε κάθε χρονική στιγμή. Απώλεια παραγωγής: αδυναμία του δικτύου να απορροφήσει όλη την αιολική ισχύ. Έκταση: Όλο το δίκτυο. Χρονική δά διάρκεια: Ώρες. Σε περιπτώσεις μεγάλων ταχυτήτων αέρα όπου το πάρκο λειτουργεί στην ονομαστική του ισχύ, είναι πιθανόν να χρειαστεί μείωση της ισχύος του (και επομένως απώλεια παραγωγής) έτσι ώστε να προσαρμοσθεί η ισχύς στην ικανότητα μεταφοράς των υφιστάμενων γραμμών. Τέτοια προβλήματα μπορούν να μειωθούν μέσω της ταυτόχρονης διαχείρισης του ηλεκτρικού φορτίου (demand side management) ή μέσω αποθήκευσης της αιολικής ενέργειας.

5 Βαθμός απόδοσης των συμβατικών πηγών. Έκταση: Όλο το δίκτυο Χρονική διάρκεια: 1-24h Για την διατήρηση της συχνότητας του δικτύου, η αύξηση της ισχύος των αιολικών προκαλεί μείωση της ισχύος των συμβατικών πηγών. Οι συμβατικές πηγές πρέπει να λειτουργούν πάνω από κάποιο επίπεδο ισχύος για να μην μειωθεί σημαντικά ο βαθμός απόδοσής του. Έτσι, σε περιπτώσεις σχετικά μικρού φορτίου και μεγάλων ταχυτήτων αέρα, μπορεί να οδηγηθούμε σε εσκεμμένη μείωση της ισχύος των αιολικών για να αποφύγουμε μείωση της ισχύος των αιολικών κάτω από το επίπεδο που οδηγεί σε σημαντική μείωση του βαθμού απόδοσης. Το κριτήριο αυτό είναι οικονομικό και όχι τεχνικό. σε μεταβατικές καταστάσεις Ιστορικά, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είχαν σχεδιασθεί με τον ακτινικό τρόπο και σε αυτό βασίσθηκαν οι μέθοδοι εξασφάλισης της ευστάθειάς ά τους και προστασίας έναντι σφαλμάτων. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2000 υπήρχε η απαίτηση αποσύνδεσης των Α/Γ από το δίκτυο σε περίπτωση διαταραχών. Με την αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ, η παραπάνω απαίτηση οδήγησε σε δυσλειτουργίες με αποκορύφωμα την εμφάνιση ολικών blackouts. Σταδιακά, οι λειτουργοί των δικτύων άρχισαν να θέτουν απαιτήσεις για την συμπεριφορά των αιολικών πάρκων σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν: τον χρόνο παραμονής στο δίκτυο με μειωμένη τάση, την παροχή ενεργού ισχύος, την παροχή άεργης ισχύος.

6 Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-γερμανικός κώδικας δικτύου οποιαδήποτε διαταραχή κατά την οποία το επίπεδο της τάσης παραμένει μεγαλύτερο της καμπύλης του ορίου 1, δεν επιτρέπεται να οδηγήσει σε αποσυγχρονισμό ή αποσύνδεση των Α/Γ. Για τάση μεταξύ Καμπύλης 1 και 2 η συμπεριφορά μπορεί να προσδιορισθεί σε συνεννόηση με τον λειτουργό του δικτύου. Σε επίπεδα τάσης χαμηλότερα της καμπύλης 2 είναι αποδεκτή η σύντομη αποσύνδεση των Α/Γ. Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-γερμανικός κώδικας δικτύου ο επανασυγχρονισμός με το δίκτυο επιτρέπεται σε χρόνο >2sec, ενώ ο ρυθμός μεταβολής ενεργού ισχύος μπορεί να είναι μικρότερος του 10% της ονομαστικής ισχύος της Α/Γ ανά δευτερόλεπτο. Οι Α/Γ οι οποίες δεν αποσυνδέονται από το δίκτυο στη διάρκεια του σφάλματος, είναι υποχρεωμένες να συνεχίσουν να παρέχουν ενεργό ισχύ μετά την εκκαθάριση του σφάλματος, με ρυθμό ανάληψης ισχύος τουλάχιστον ίσο με 20% της ονομαστικής ισχύος της Α/Γ ανά δευτερόλεπτο.

7 Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-γερμανικός κώδικας δικτύου Για βυθίσεις της τάσης εντός της γραμμοσκιασμένης περιοχής, επιτρέπεται η αυτόματη αποσύνδεση των Α/Γ από το σύστημα. όταν η τάση στην πλευρά χαμηλής τάσης του M/Σ κάθε Α/Γ του αιολικού πάρκου, μειωθεί και παραμείνει κάτω από το 80% της ελάχιστης τιμής του εύρους της τάσης λειτουργίας, πρέπει να γίνει σταδιακή αποσύνδεση των Α/Γ του αιολικού πάρκου σε τέσσερα στάδια, με χρονική καθυστέρηση 1.5sec, 1.8sec, 2.1sec και 2.4sec αντίστοιχα. Σε κάθε στάδιο αποσυνδέεται το 25% του συνόλου των Α/Γ του πάρκου. Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-γερμανικός κώδικας δικτύου Το άεργο ρεύμα στην πλευρά ΧΤ του Μ/Σ της γεννήτριας πρέπει να αυξηθεί με Το άεργο ρεύμα στην πλευρά ΧΤ του Μ/Σ της γεννήτριας πρέπει να αυξηθεί με ρυθμό τουλάχιστον 2% επί του ονομαστικού ρεύματος για κάθε ποσοστιαία μονάδα μεταβολής της τάσης. Συνεπώς, για βύθιση της τάσης κατά 50%, η αύξηση του αέργου ρεύματος πρέπει να ισούται με το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας. Ο έλεγχος του άεργου ρεύματος πρέπει να πραγματοποιείται σε χρόνο < 20msec από τη στιγμή της ανίχνευσης του σφάλματος. Μετά την επαναφορά της τάσης εντός της «νεκρής ζώνης», η υποστήριξη της τάσης πρέπει να συνεχιστεί για επιπλέον 500ms.

8 Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-γερμανικός κώδικας δικτύου Η μέτρηση της τάσης γίνεται τοπικά στους ακροδέκτες κάθε Α/Γ, η οποία επιτελεί τον έλεγχο του αέργου ρεύματος. Ωστόσο, σε περιπτώσεις μεγάλης απόστασης των ανεμογεννητριών από το σημείο σύνδεσης στο δίκτυο, απαιτείται η ρύθμιση της αέργου ισχύος να πραγματοποιείται με βάση το επίπεδο της τάσης στο σημείο σύνδεσης του αιολικού πάρκου. Ανοχή σε βυθίσεις της τάσης και απόκριση σε καταστάσεις σφαλμάτων στο δίκτυο-σύγκριση κωδίκων δικτύου

9 Απαιτήσεις σε παροχή άεργης ισχύος από αιολικά πάρκα-γερμανικός Το πάρκο πρέπει να έχει την ικανότητα λειτουργίας με συντελεστή ισχύος 1 ανάλογα με το επίπεδο της τάσης στο σημείο σύνδεσης. Το setpoint καθορίζεται είτε από την τοπική μέτρηση της τάσης είτε από τον λειτουργό του δικτύου. Απαιτήσεις σε παροχή άεργης ισχύος από αιολικά πάρκα-ιρλανδικός 100 ] Ενεργός Ισχύς [%] Χωρητικός Επαγωγικός Συντελεστής Ισχύος Εδώ η άεργος ισχύς είναι συνάρτηση της ενεργού ισχύος και όχι της τάσης στο σημείο διασύνδεσης.

10 Απαιτήσεις σε στήριξη της συχνότητας από αιολικά πάρκα-γερμανικός τα αιολικά πάρκα πρέπει να παραμείνουν σε λειτουργία όσο η διακύμανση της συχνότητας παραμένει στο εύρος Hz. Για μεταβολές της συχνότητας πέρα από αυτά τα όρια, τα αιολικά πάρκα πρέπει να αποσυνδέονται χωρίς χρονική καθυστέρηση. Για συχνότητες στο εύρος Hz δεν απαιτείται καμία ρύθμιση στην ενεργό ισχύ. Όταν η συχνότητα υπερβεί τα 50.2 Hz, η ενεργός ισχύς κάθε ανεμογεννήτριας πρέπει να μειωθεί με ρυθμό 40% επί της διαθέσιμης ισχύος ανά Hz. Όταν η συχνότητα επανέλθει στα Hz, επιτρέπεται και πάλι η απόδοση της διαθέσιμης ισχύος. Το εύρος της ευαισθησίας πρέπει να είναι μικρότερο από 10 mhz. Απαιτήσεις σε στήριξη της συχνότητας από αιολικά πάρκα-ιρλανδικός Σύμφωνα με τον κώδικα δικτύου της Ιρλανδίας, τα αιολικά πάρκα πρέπει να μείνουν συνδεδεμένα στο δίκτυο για τις ακόλουθες περιπτώσεις μεταβολής της συχνότητας: 49.5 f 50.5 : Το αιολικό πάρκο πρέπει να λειτουργεί μέχρι την ονομαστική ισχύ f 52 : Το αιολικό πάρκο πρέπει να παραμείνει συνδεδεμένο στο δίκτυο για 60min. 47 f 47.5 : Το αιολικό πάρκο πρέπει να παραμείνει συνδεδεμένο στο δίκτυο για 20sec. Ρυθμός μεταβολής της συχνότητας έως 0.5Hz/sec 05Hz/sec:Το αιολικό πάρκο πρέπει να παραμείνει συνδεδεμένο στο δίκτυο f > 50.2 Hz : Δεν επιτρέπεται η σύνδεση επιπλέον αιολικών πάρκων στο δίκτυο

11 Απαιτήσεις σε στήριξη της συχνότητας από αιολικά πάρκα-ιρλανδικός Ο κώδικας τις Ιρλανδίας απαιτεί από τα αιολικά πάρκα να διαθέτουν σύστημα απόκρισης συχνότητας (Frequency Response System) το οποίο θα μεταβάλλει την παραγωγή ενεργού ισχύος συναρτήσει της μεταβολής της συχνότητας του δικτύου. ισχύς ς ενεργού ισχύος] Ενεργός [% της διαθέσιμης A B Εύρος συχνότητας κανονικής λειτουργίας C E Συχνότητα [Hz] D Απαιτήσεις σε στήριξη της συχνότητας από αιολικά πάρκα-ιρλανδικός χύς νεργού ισχύος] Ενεργός ισχ [% της διαθέσιμης εν A B Εύρος συχνότητας κανονικής λειτουργίας C E Συχνότητα [Hz] Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας το αιολικό πάρκο θα παράγει ισχύ σύμφωνα με το τμήμα B-C της καμπύλης. Η τιμή της ισχύος είναι χαμηλότερη της διαθέσιμης, ώστε να είναι σε θέση να προσφέρει επιπλέον ισχύ στο δίκτυο σε περίπτωση μείωσης της συχνότητας. Εάν η συχνότητα πέσει κάτω από το σημείο Β, το σύστημα απόκρισης συχνότητας θα αυξήσει την ενεργό ισχύ σύμφωνα με το τμήμα Β-Α της καμπύλης. D

12 Απαιτήσεις σε στήριξη της συχνότητας από αιολικά πάρκα-ιρλανδικός χύς νεργού ισχύος] Ενεργός ισχ [% της διαθέσιμης εν A B Εύρος συχνότητας κανονικής λειτουργίας C E Συχνότητα [Hz] Αντίστροφα, όταν η συχνότητα είναι μικρότερη της κανονικής τιμής και επανέρχεται στο εύρος κανονικής λειτουργίας, το σύστημα απόκρισης θα μειώσει την παραγόμενη ενεργό ισχύ, σύμφωνα με το τμήμα Α-Β της καμπύλης Εάν η συχνότητα του δικτύου υπερβεί το σημείο C, το σύστημα απόκρισης θα μειώσει την ενεργό ισχύ σύμφωνα με το τμήμα C-D-E της καμπύλης. Σε συχνότητες ίσες ή μεγαλύτερες από το τμήμα D-E, δε θα παράγεται ενεργός ισχύς και το αιολικό πάρκο αποσυνδέεται. D