Ενότητα Εργασίας 3 Προσδιορισμός των εφεδρειών του Συστήματος

Transcript

1 Χρηματοδοτούμενο Έργο του Εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Π.Θ. στα πλαίσια της πράξης «ΑΡΙΣΤΕΙΑ» του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» που συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και Εθνικούς Πόρους Κωδικός Έργου Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας: 1522 Large-Scale Renewable Integration in Electricity Markets Μεγάλης Κλίμακας Ενσωμάτωση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στις Αγορές Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενότητα Εργασίας 3 Προσδιορισμός των εφεδρειών του Συστήματος Παραδοτέο 3.1. Μέθοδοι προσδιορισμού των αναγκαίων επιπέδων εφεδρείας του Συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας Θεσσαλονίκη, Μάιος 2013 Έκδοση 1.0

2 Ερευνητική Ομάδα Εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας ΑΠΘ Αναστάσιος Μπακιρτζής, Καθηγητής, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών & Μηχ/κών Υπολογιστών ΑΠΘ Παντελής Μπίσκας, Λέκτορας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών & Μηχ/κών Υπολογιστών ΑΠΘ Μηνάς Αλεξιάδης, Λέκτορας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών & Μηχ/κών Υπολογιστών ΑΠΘ Χρήστος Σίμογλου, Δρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών ΑΠΘ Στυλιανός Βαγρόπουλος, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών ΑΠΘ, Υπ. Διδάκτορας Ευάγγελος Καρδάκος, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών ΑΠΘ, Υπ. Διδάκτορας Εμμανουήλ Μπακιρτζής, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών ΑΠΘ, Υπ. Διδάκτορας Δημήτριος Χατζηγιάννης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών ΑΠΘ, Υπ. Διδάκτορας i

3 Πίνακας Περιεχομένων Περίληψη Εισαγωγή Γενική Περιγραφή Εφεδρειών Εφεδρείες Ομαλής Λειτουργίας Εφεδρείες ομαλής λειτουργίας υπό διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Προβλεψιμότητα αιολικής παραγωγής Εφεδρείες Διαταραχών Στόχος Πρωτεύουσα εφεδρεία Πρωτεύων έλεγχος Δευτερεύουσα Εφεδρεία Δευτερεύων Έλεγχος Τριτεύουσα Εφεδρεία Τριτεύων Έλεγχος Επίδραση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στις εφεδρείες διαταραχών Επικουρία των εφεδρειών διαταραχών στον πρωτεύοντα έλεγχο Εφεδρείες στον Ευρωπαϊκό ηπειρωτικό χώρο Πρωτεύων Έλεγχος Δευτερεύων Έλεγχος Τριτεύων Έλεγχος Οργάνωση Εφεδρειών στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας της Βόρειας Αμερικής Δείκτες Απόδοσης Οργάνωση Αγοράς Εφεδρειών Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Μεθόδων Ποσοτικού Προσδιορισμού των Εφεδρειών του Συστήματος Αιτιοκρατικά Μοντέλα Πιθανοτικά Μοντέλα Μοντέλα Στοχαστικού Προγραμματισμού ii

4 3.3.1 Γενική Περιγραφή μοντέλων στοχαστικού προγραμματισμού Μοντέλα Εύρωστης Βελτιστοποίησης Γενική Περιγραφή μοντέλων εύρωστης βελτιστοποίησης Βιβλιογραφία iii

5 Περίληψη Η ηλεκτρική ενέργεια από την πρώτη στιγμή της εμφάνισής της αποτέλεσε αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής ζωής των ανθρώπων και συνέβαλλε καθοριστικά στην ανάπτυξη και την ευημερία των λαών. Παρ' όλα αυτά, η ηλεκτρική ενέργεια ως αγαθό παρουσιάζει ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, μεταξύ των οποίων βρίσκεται η αδυναμία αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρισμού, τουλάχιστον με την υφιστάμενη τεχνολογία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αναγκαστική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τη στιγμή που απαιτείται για την κατανάλωση, ώστε να εξασφαλίζεται διαρκώς το ισοζύγιο παραγωγής-ζήτησης με ταυτόχρονη διατήρηση της συχνότητας του δικτύου στα επιθυμητά επίπεδα στοχεύοντας στην αδιάλειπτη και αποδεκτής ποιότητας παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους τελικούς καταναλωτές. Επίσης είναι γνωστό ότι οι τιμές των διαφόρων μεταβλητών και παραμέτρων σε όλο το φάσμα λειτουργίας ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) (παραγωγή, μεταφορά, διανομή) χαρακτηρίζονται από εγγενή αβεβαιότητα και μεταβλητότητα. Συνεπώς, η απαίτηση της συνεχούς διατήρησης του ισοζυγίου ισχύος υπό τους περιορισμούς του συστήματος μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας στις παραπάνω συνθήκες κατέστησαν επιβεβλημένη τη διατήρηση επαρκών ποσοτήτων εφεδρειών για τον έλεγχο της συχνότητας (frequency reserves) από τους διαχειριστές των ΣΗΕ, προκειμένου να είναι εφικτή η επιτυχής αντιμετώπιση κάθε είδους ξαφνικής μεταβολής στην παραγωγή ή την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Στόχος της παρούσας τεχνικής αναφοράς είναι η αναλυτική περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών των διαφόρων κατηγοριών εφεδρείας καθώς και η ανάλυση και εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με τις μεθοδολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την ποσοτικοποίηση των εφεδρειών (reserve quantification) που πρέπει να δεσμευτούν από τον Διαχειριστή, ώστε το ΣΗΕ να λειτουργεί κατά τον οικονομικότερο τρόπο, διατηρώντας παράλληλα συγκεκριμένα επίπεδα ασφάλειας και αξιοπιστίας. Συνοπτικά, το περιεχόμενο της τεχνικής αναφοράς οργανώνεται ως εξής: Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μία σύντομη εισαγωγή στα βασικά χαρακτηριστικά λειτουργίας των ΣΗΕ, εισάγονται οι έννοιες της μεταβλητότητας και της αβεβαιότητας στη λειτουργία των ΣΗΕ και τεκμηριώνεται η ανάγκη διατήρησης επαρκούς ποσότητας εφεδρείας για τη διασφάλιση της οικονομικής, αξιόπιστης και ασφαλούς λειτουργίας των ΣΗΕ. Στο Κεφάλαιο 2 αρχικά γίνεται μία συνοπτική περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών των δύο βασικών μοντέλων αγορών επικουρικών υπηρεσιών παγκοσμίως, που είναι α) τα Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 1

6 διαχωρισμένα συστήματα αγοράς (unbundled systems) και β) τα ολοκληρωμένα συστήματα αγοράς (integrated systems). Στη συνέχεια γίνεται αναλυτική περιγραφή των δύο βασικών κατηγοριών εφεδρειών, που είναι α) οι εφεδρείες ομαλής λειτουργίας και β) οι εφεδρείες διαταραχών. Ως εφεδρείες ομαλής λειτουργίας χαρακτηρίζονται αυτές που χρησιμοποιούνται κατά την ομαλή λειτουργία του ΣΗΕ, όπου δηλ. το φορτίο και η παραγωγή των ΑΠΕ έχουν προβλεφθεί με σχετική ακρίβεια, και οι εφεδρείες καλούνται να αντιμετωπίσουν τις μικρές αποκλίσεις από τις παραπάνω προβλεφθείσες τιμές που παρατηρούνται σε πραγματικό χρόνο. Στις εφεδρείες αυτές περιλαμβάνεται η εφεδρεία παρακολούθησης φορτίου (load following reserve), η οποία μπορεί να δράσει προκειμένου να αντιμετωπίσει τόσο την αβεβαιότητα του φορτίου (η μέση ωριαία πραγματική τιμή διαφέρει από την προβλεπόμενη τιμή) όσο και τη μεταβλητότητα του φορτίου (ενδοωριαίες μεταβολές γύρω από μία μέση ωριαία τιμή ακόμη και όταν αυτή έχει προβλεφθεί με ακρίβεια). Αντίστοιχα, η μεταβλητότητα του φορτίου με τη μορφή συνεχών μικρομεταβολών εντός των διαστημάτων της οικονομικής κατανομής αντιμετωπίζεται με την εφεδρεία ρύθμισης (regulation reserve). Επίσης, λόγω της αυξημένης διείσδυσης των ΑΠΕ στο Σύστημα υφίσταται η ανάγκη μεταβολής των αναγκαίων επιπέδων εφεδρειών ομαλής λειτουργίας, καθώς για να ανταποκριθεί το ΣΗΕ σε καθεστώς αυξημένης μεταβλητότητας και αβεβαιότητας χρειάζεται να παρουσιάζει αυξημένη ευελιξία. Ως εφεδρείες διαταραχών (contingency reserves) χαρακτηρίζονται αυτές που χρησιμοποιούνται για να αντιμετωπιστεί μια ξαφνική, μη αναμενόμενη και έντονη αλλαγή του ισοζυγίου ενεργού ισχύος που μπορεί να προκληθεί από την απώλεια μιας γεννήτριας, μιας γραμμής μεταφοράς, ενός μετασχηματιστή, κ.α. ή συνδυασμό αυτών. Μεταβολές αργότερου ρυθμού, όπως π.χ. υψηλότερη ζήτηση φορτίου από αυτή που αρχικά είχε προβλεφθεί, δε θεωρούνται ως διαταραχές. Οι Διαχειριστές των ΣΗΕ συνήθως φροντίζουν το Σύστημα να διαθέτει αρκετές εφεδρείες ώστε να μπορέσει να ανταπεξέλθει μόνο στη χειρότερη μονή διαταραχή, καθώς η πιθανότητα να συμβούν δύο διαταραχές ταυτόχρονα είναι τόσο μικρή, ώστε να μη δικαιολογεί το κόστος διατήρησης επιπρόσθετων επιπέδων εφεδρειών. Οι εφεδρείες διαταραχών συνήθως διαχωρίζονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους: α) πρωτεύουσα, β) δευτερεύουσα και γ) τριτεύουσα, οι οποίες υπόκεινται και στους αντίστοιχους ελέγχους (πρωτεύων, δευτερεύων και τριτεύων, αντίστοιχα). Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 2

7 Ο κάθε τύπος εφεδρείας διαταραχών είναι δεσμευμένος για την εξυπηρέτηση κάποιου συγκεκριμένου σκοπού: Η πρωτεύουσα έχει ως σκοπό να μην επιτρέψει στη συχνότητα να αποκλίνει πολύ από την ονομαστική τιμή της και να την σταθεροποιήσει σε μια τιμή, όσο είναι εφικτό, πλησιέστερα στην ονομαστική. Ο στόχος της δευτερεύουσας εφεδρείας είναι να επαναφέρει τη συχνότητα στην ονομαστική τιμή της και τις ροές ισχύος των γραμμών διασυνδέσεων στις προγραμματισμένες τιμές τους, ώστε να μηδενιστεί το σφάλμα ελέγχου περιοχής (Area Control Error, ACE). Ο στόχος της τριτεύουσας εφεδρείας είναι η αποδέσμευση της δευτερεύουσας και πιθανόν της πρωτεύουσας εφεδρείας, ώστε το Σύστημα να είναι έτοιμο να αντιδράσει ανάλογα σε μια ενδεχόμενη νέα διαταραχή. Η αυξημένη διείσδυση ΑΠΕ δεν επηρεάζει άμεσα την ποσοτικοποίηση των εφεδρειών διαταραχών, δεδομένου ότι οι μεταβολές αιολικής ή ηλιακής παραγωγής σε χρονικό πλαίσιο λίγων δευτερολέπτων δε προκαλούν συμβάντα δυσμενέστερα από αυτό της μη αναμενόμενης εξόδου (απώλειας) μιας μονάδας παραγωγής ή μίας γραμμής μεταφοράς. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση πολύ μικρών ΣΗΕ ή η περίπτωση ιδιαίτερα αυξημένης διείσδυσης ΑΠΕ, όπου η εγκατεστημένη ισχύς ενός αιολικού ή φωτοβολταϊκού πάρκου είναι μεγαλύτερη ή συγκρίσιμη με αυτή της μεγαλύτερης συμβατικής μονάδας. Στο τέλος του κεφαλαίου περιγράφονται συνοπτικά ο τρόπος οργάνωσης των εφεδρειών στον Ευρωπαϊκό ηπειρωτικό χώρο και στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας της Βόρειας Αμερικής. Οι κανονισμοί εφεδρειών που αφορούν το ηπειρωτικό διασυνδεδεμένο σύστημα της Ευρωπαϊκής Ένωσης υπάρχουν αναλυτικά στο εγχειρίδιο λειτουργίας της UCTE. Η UCTE διαχωρίζει τρεις βασικούς ελέγχους για τη διατήρηση της συχνότητας του σύγχρονου ηπειρωτικού ευρωπαϊκού ΣΗΕ, ήτοι τον πρωτεύοντα, δευτερεύοντα και τριτεύοντα έλεγχο. Η UCTE δε διαχωρίζει τα είδη εφεδρείας ως εφεδρείες ομαλής λειτουργίας και εφεδρείες διαταραχών. Προσεγγιστικά, αναφέρεται ότι για τη διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του ΣΗΕ χρησιμοποιείται ο δευτερεύων έλεγχος, ενώ για την αντιμετώπιση των διαταραχών χρησιμοποιούνται και τα τρία είδη ελέγχου. Το Σχήμα Α παρουσιάζει την ενδεικτική συνεργασία των τριών ελέγχων για τη διατήρηση της συχνότητας στο σύγχρονο ηπειρωτικό ευρωπαϊκό χώρο. Αντίστοιχα, οι εφεδρείες στις αγορές της Βόρειας Αμερικής, σύμφωνα με όσα έχουν θεσπιστεί από τον NERC, χωρίζονται σε εφεδρείες ομαλής λειτουργίας (εφεδρεία παρακολούθησης φορτίου και εφεδρεία ρύθμισης) και εφεδρείες διαταραχών (στρεφόμενη εφεδρεία, μη στρεφόμενη εφεδρεία και συμπληρωματική εφεδρεία), σύμφωνα με όσα έχουν ήδη αναφερθεί παραπάνω. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 3

8 Σχήμα Α. Ενδεικτική συνεργασία των τριών ελέγχων στο σύγχρονο ηπειρωτικό ευρωπαϊκό δίκτυο Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των μοντέλων ποσοτικού προσδιορισμού των εφεδρειών του Συστήματος, όπου το σύνολο των δημοσιεύσεων διακρίνεται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες, ως εξής: α) αιτιοκρατικά μοντέλα (deterministic models), β) πιθανοτικά μοντέλα (probabilistic models), γ) μοντέλα στοχαστικού προγραμματισμού (stochastic models) και δ) μοντέλα εύρωστης βελτιστοποίησης (robust optimization models). Τα αιτιοκρατικά μοντέλα αποτελούν τον απλούστερο τρόπο προσδιορισμού των αναγκαίων επιπέδων εφεδρείας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι το επίπεδο πρωτεύουσας εφεδρείας να ορίζεται ίσο με την ισχύ της μεγαλύτερης μονάδας, η εφεδρεία ρύθμισης να ορίζεται ως ποσοστό του μέγιστου φορτίου ή ως ποσοστό της πρόβλεψης του φορτίου, κτλ. Τα αιτιοκρατικά μοντέλα λειτουργούσαν ικανοποιητικά απουσία μονάδων ΑΠΕ στο Σύστημα, οπότε πολλές φορές προτιμήθηκαν για την απλότητά τους. Η παρουσία όμως των ΑΠΕ εισάγει μεταβλητότητα και αβεβαιότητα στο Σύστημα, όχι τόσο στο επίπεδο της εφεδρείας διαταραχών, αλλά κυρίως στο επίπεδο της εφεδρείας ομαλής λειτουργίας. Κρίθηκε λοιπόν σκόπιμη η ανάπτυξη πιο σύνθετων μοντέλων για τον υπολογισμό των απαραίτητων εφεδρειών σε συστήματα με μεγάλη διείσδυση των ΑΠΕ. Λόγω της αυξανόμενης διείσδυσης των ΑΠΕ έχει Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 4

9 προταθεί και ο κανόνας "3+5", δηλαδή τα ωριαία επίπεδα στρεφόμενης εφεδρείας να είναι ίσα με το άθροισμα του 3% του προβλεπόμενου ωριαίου φορτίου και του 5% της προβλεπόμενης αιολικής παραγωγής. Μία πιο ολοκληρωμένη και σύνθετη προσέγγιση προσδιορισμού των αναγκαίων επιπέδων εφεδρείας αποτελούν τα πιθανοτικά μοντέλα, τα οποία βασίζονται σε κάποια πιθανοτική ανάλυση των αβεβαιοτήτων του Συστήματος και τα οποία αίρουν τα μειονεκτήματα που εμφανίζουν τα αιτιοκρατικά μοντέλα. Η παρουσία τους κρίθηκε απαραίτητη υπό την αυξημένη αβεβαιότητα και μεταβλητότητα που εισάγουν οι ΑΠΕ στο Σύστημα. Η μέτρηση του ρίσκου στο Σύστημα γίνεται συνήθως με τους δείκτες: α) πιθανότητας απόρριψης φορτίου (Loss of Load Probability, LOLP) και β) αναμενόμενης μη εξυπηρετούμενης ενέργειας (Expected Energy Not Served, EENS). Επίσης συχνά αποφεύγεται η θεώρηση μίας προκαθορισμένης τιμής ρίσκου του Συστήματος και προτείνεται μια μέθοδος σύμφωνα με την οποία η ποσότητα της εφεδρείας εκτιμάται να είναι τόση ώστε να ισορροπεί το κόστος εφεδρείας με το κοινωνικό όφελος το οποίο αυτή προσφέρει, δηλαδή να ελαχιστοποιείται το άθροισμα του κόστους εφεδρείας και του κόστους απόρριψης φορτίου. Το κόστος απόρριψης φορτίου υπολογίζεται ως το γινόμενο του αναμενόμενου ελλείμματος ενέργειας (EENS) επί το αποδεκτό κόστος που θέτουν οι καταναλωτές στην απόρριψη μίας MWh. Η μέθοδος αυτή καλείται ανάλυση κόστους-οφέλους (cost/benefit analysis) και είτε ενσωματώνεται στο πρόβλημα ένταξης μονάδων, είτε λειτουργεί ξεχωριστά και τα αποτελέσματά της λαμβάνονται ως είσοδοι στο πρόβλημα ένταξης μονάδων είτε πραγματοποιείται σε μία διακριτή αγορά εφεδρειών η οποία είναι πλήρως αποσυνδεδεμένη από την αγορά ενέργειας. Τα μοντέλα στοχαστικού προγραμματισμού αποτελούν μία εναλλακτική λύση σε σχέση με τα αιτιοκρατικά και πιθανοτικά μοντέλα προσδιορισμού των εφεδρειών του συστήματος. Μέσω των τεχνικών στοχαστικού προγραμματισμού είναι δυνατόν να μην υπολογίζεται διακριτά το επίπεδο εφεδρείας, που θα πρέπει να είναι σε θέση να παρέχουν οι μονάδες παραγωγής και τα φορτία του συστήματος, αλλά να υπολογίζεται το βέλτιστο πρόγραμμα ένταξης και λειτουργίας των μονάδων παραγωγής έτσι ώστε αυτές να μπορούν να ανταπεξέλθουν σε όλες τις πιθανές καταστάσεις πραγματικής λειτουργίας του ΣΗΕ. Με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται έμμεσα το επίπεδο διατήρησης εφεδρείας ως η διαφορά μεταξύ του αθροίσματος της εγκατεστημένης ισχύος των μονάδων παραγωγής που βρίσκονται κάθε στιγμή συγχρονισμένες στο Σύστημα και μπορούν να προσφέρουν εφεδρεία και της πραγματικής ισχύος εξόδου τους, λαμβάνοντας υπ Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 5

10 όψιν και τους τεχνικούς περιορισμούς των μονάδων παραγωγής, όπως είναι π.χ. η δυνατότητα αυξομείωσης της παραγωγής (ramp-up/down rates). Με αυτόν τον τρόπο, ο Διαχειριστής λαμβάνει μία απόφαση εκ των προτέρων, η οποία τον εξασφαλίζει όσο τον δυνατόν καλύτερα απέναντι σε όλες τις πιθανές καταστάσεις πραγματικής λειτουργίας του Συστήματος. Παρ ότι τα μοντέλα στοχαστικού προγραμματισμού αποδεικνύεται ότι αποτελούν ένα χρήσιμο εργαλείο για την μοντελοποίηση της λειτουργίας των ΣΗΕ και τον προσδιορισμό των αναγκαίων επιπέδων εφεδρειών, παρουσιάζουν κάποια βασικά μειονεκτήματα, τα οποία αποτελούν τροχοπέδη στην ευρεία χρησιμοποίησή τους. Ενδεικτικά αναφέρεται η απαίτηση δημιουργίας ενός μεγάλου αριθμού σεναρίων για την πλήρη περιγραφή των αβέβαιων καταστάσεων λειτουργίας, η ισχυρή εξάρτηση της λύσης του προβλήματος από την επιλογή των σεναρίων, η δυσκολία μοντελοποίησης των απότομων και μη εύκολα προβλέψιμων μεταβολών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ευμετάβλητες ΑΠΕ (π.χ. αιολική παραγωγή), κ.α.. Τέλος, οι τεχνικές εύρωστης βελτιστοποίησης αποτελούν ένα εξαιρετικά σύγχρονο εργαλείο αντιμετώπισης της αβεβαιότητας που εμφανίζεται στα ΣΗΕ. Με τη βοήθεια των συγκεκριμένων τεχνικών, η αβεβαιότητα δε μοντελοποιείται βάσει κάποιων σεναρίων, όπως στα μοντέλα στοχαστικού προγραμματισμού, αλλά μέσω ενός συνόλου αβέβαιων τιμών της αβέβαιης παραμέτρου. Στις τεχνικές εύρωστης βελτιστοποίησης το μοντέλο θεώρησης της αβεβαιότητας δεν είναι πλέον στοχαστικό αλλά αιτιοκρατικό, το οποίο όμως στηρίζεται σε ένα σετ αβεβαιότητας. Βασικό πλεονέκτημα των τεχνικών εύρωστης βελτιστοποίησης αποτελεί το γεγονός ότι χρειάζεται ελάχιστη πληροφορία (όπως η μέση τιμή και η διακύμανση της αβέβαιης παραμέτρου) για τη δημιουργία του συνόλου των αβέβαιων τιμών. Η πληροφορία αυτή συνήθως αποσπάται από ιστορικά στοιχεία, ενώ το συγκεκριμένο πλαίσιο παρέχει τη δυνατότητα εισαγωγής περαιτέρω πιθανοτικής πληροφορίας, όταν αυτή είναι διαθέσιμη. Επιπλέον, η τεχνική μέσω της οποίας διαμορφώνονται και επιλύονται τα προβλήματα εύρωστης βελτιστοποίησης οδηγεί πάντοτε σε επίλυση, η οποία διασφαλίζει τη λύση του προβλήματος απέναντι σε κάθε δυνατή υλοποίηση του σετ αβεβαιότητας. Τα προβλήματα που δημιουργούνται μέσω των τεχνικών εύρωστης βελτιστοποίησης είναι μικρότερα σε μέγεθος σε σχέση με τα αντίστοιχα στοχαστικά, γεγονός που οδηγεί σε μικρότερους χρόνους επίλυσης, καθιστώντας παράλληλα τα προβλήματα εύρωστης βελτιστοποίησης ιδιαίτερα ελκυστικά. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 6

11 1 Εισαγωγή Η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας είναι απαραίτητη προϋπόθεση ευημερίας των αναπτυγμένων χωρών. Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) είναι το φυσικό σύστημα που επιτρέπει τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τα σημεία παραγωγής στα σημεία κατανάλωσης. Η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει, κατ αρχάς, να είναι αδιάλειπτη, διότι μη συνεχής παροχή μπορεί να προκαλέσει μεγάλες οικονομικές ζημίες και επομένως να επηρεάσει την ευημερία των καταναλωτών. Επίσης, η παροχή πρέπει να είναι αποδεκτής ποιότητας. Η ποιότητα αφορά στην παρεχόμενη τάση η οποία οφείλει να έχει κατά το δυνατόν σταθερό μέτρο, συχνότητα και ημιτονοειδή κυματομορφή. Παροχή κακής ποιότητας τάσης μπορεί να καταπονήσει ή και να καταστρέψει τον εξοπλισμό τόσο των καταναλωτών, όσο και των παραγωγών. Η ποιότητα της συχνότητας εξαρτάται από το ισοζύγιο της παραγωγής και της κατανάλωσης ενεργού ισχύος. Η παρούσα αναφορά εστιάζει στις εφεδρείες που είναι απαραίτητες για τη διατήρηση του ισοζυγίου ενεργού ισχύος του Συστήματος, οι οποίες ονομάζονται εφεδρείες συχνότητας (frequency reserves). Έτσι, στο παρόν κείμενο και εφ' όσον δεν ορίζεται διαφορετικά, ο όρος εφεδρείες θα υποδηλώνει τις εφεδρείες συχνότητας. Υπεύθυνος για την αδιάλειπτη και καλής ποιότητας παροχή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ο Διαχειριστής του ΣΗΕ. Για να μπορέσει να ανταποκριθεί σε αυτές τις απαιτήσεις, ο Διαχειριστής προγραμματίζει την παραγωγή έτσι ώστε να ισούται οποιαδήποτε χρονική στιγμή με την κατανάλωση. Ο προγραμματισμός αυτός γίνεται σε διάφορα χρονικά επίπεδα. Παρεκκλίσεις της παραγωγής από την κατανάλωση οδηγούν σε παρεκκλίσεις στη συχνότητα του Συστήματος, επομένως πρέπει να περιοριστούν. Αν όλες οι μεταβλητές και παράμετροι του ΣΗΕ είχαν σταθερή και γνωστή εκ των προτέρων τιμή, τότε ο προγραμματισμός του Συστήματος θα ήταν εύκολη υπόθεση. Όμως στην πραγματικότητα η μεταβλητότητα (variability) και η αβεβαιότητα (uncertainty) είναι αναπόφευκτες και χαρακτηρίζουν όλο το φάσμα των λειτουργιών του ΣΗΕ: την παραγωγή (διαθεσιμότητα μονάδων παραγωγής), την κατανάλωση (απότομες/μη προβλεπόμενες μεταβολές φορτίου) και τη μεταφορά/διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας (αστοχία στοιχείων μεταφοράς/διανομής). Με τον όρο μεταβλητότητα χαρακτηρίζουμε τις αναμενόμενες μεταβολές των μεταβλητών/παραμέτρων του ΣΗΕ, π.χ. η αναμενόμενη βραδινή αύξηση στη ζήτηση του φορτίου χαρακτηρίζει τη μεταβλητότητα του φορτίου. Με τον όρο αβεβαιότητα χαρακτηρίζουμε τις μη αναμενόμενες μεταβολές των μεταβλητών/παραμέτρων του ΣΗΕ, όπως π.χ. η ξαφνική βλάβη μιας μεγάλης μονάδας παραγωγής. Η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 7

12 ενέργειας (ΑΠΕ) εντείνει τόσο τη μεταβλητότητα (π.χ. ένα αιολικό πάρκο εγχέει ενέργεια που μεταβάλλεται) όσο και την αβεβαιότητα (π.χ. η εγχεόμενη ενέργεια του αιολικού πάρκου δεν μπορεί να προβλεφθεί εκ των προτέρων με ακρίβεια). Συνεπώς, η απαίτηση της συνεχούς διατήρησης του ισοζυγίου ισχύος υπό τους περιορισμούς του δεδομένου συστήματος μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε συνθήκες μεταβλητότητας και αβεβαιότητας κατέστησαν επιβεβλημένη τη διατήρηση επαρκούς ποσότητας εφεδρείας (reserve) από τους διαχειριστές των ΣΗΕ, ικανής να αντιμετωπίσει κάθε είδους ξαφνική μεταβολή είτε στην παραγωγή είτε στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Θεωρητικά, κάθε στιγμή η εφεδρεία ενός αυτόνομου συστήματος ισούται με τη διαφορά της εγκατεστημένης ισχύος των συμβατικών μονάδων (θερμικών και υδροηλεκτρικών) από τη στιγμιαία παραγωγή τους. Όμως, η συνολική αυτή εφεδρεία δε μπορεί να παρασχεθεί στιγμιαία (εάν χρειαστεί), αλλά παρέχεται με διαφορετικό ρυθμό και σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες. Κάτω από την αρχική μονοπωλιακή διάρθρωση των ενεργειακών αγορών, όπου κάθε ΣΗΕ περιοριζόταν συνήθως γεωγραφικά στην έκταση μίας χώρας, ο κάθε διαχειριστής οργάνωνε με το δικό του εμπειρικό τρόπο την εφεδρική παραγωγή που θεωρούσε απαραίτητη για την αξιόπιστη λειτουργία του Συστήματος στην περιοχή ελέγχου του. Κατόπιν, όταν ξεκίνησε η διασύνδεση γειτονικών ΣΗΕ με σημαντικό όφελος στην αξιοπιστία των συστημάτων, προστέθηκε μία ακόμη συνιστώσα που επηρέασε την οργάνωση των εφεδρειών, ήτοι η ανάγκη για σεβασμό της συμφωνημένης ανταλλαγής ισχύος μεταξύ των διασυνδεδεμένων περιοχών. Ωστόσο, ο κάθε διαχειριστής συνέχιζε να εφαρμόζει τη δική του μεθοδολογία για τον τρόπο οργάνωσης των εφεδρειών του, ικανοποιώντας παράλληλα τη συμφωνημένη ανταλλαγή ισχύος. Προς τα τέλη του 20ου αιώνα, η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας έκανε επιτακτική την ανάγκη επαναξιολόγησης του τρόπου οργάνωσης και ποσοτικοποίησης των εφεδρειών με πιο μεθοδικό τρόπο, ώστε να δημιουργηθούν οι κατάλληλες "ανοιχτές" αγορές σε απελευθερωμένο πλέον περιβάλλον που θα εξασφάλιζαν την επάρκεια εφεδρείας στο Σύστημα με τον οικονομικότερο τρόπο. Ουσιαστικά, το θέμα της επαρκούς οργάνωσης και διαχείρισης των εφεδρειών είναι το αποτέλεσμα της αξιολόγησης των εξής χαρακτηριστικών: Μεταβλητότητα του ΣΗΕ Αβεβαιότητα του ΣΗΕ Ύπαρξη διαταραχών Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 8

13 συνεκτιμώντας παράλληλα: 1. το μέγεθος του ΣΗΕ και τις τυχόν διασυνδέσεις του με άλλα γειτονικά συστήματα, 2. την ευελιξία του ρυθμού μεταβολής της παραγωγής καθώς και της ταχύτητας εκκίνησης - σβέσης των μονάδων του ΣΗΕ, 3. το κόστος της παραγόμενης ενέργειας των μονάδων παραγωγής του ΣΗΕ, και 4. το επιθυμητό επίπεδο αξιοπιστίας του ΣΗΕ Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ένα αυτόνομο ΣΗΕ ίδιας εγκατεστημένης ισχύος, μεταβλητότητας και αβεβαιότητας με ένα άλλο ΣΗΕ το οποίο όμως έχει πλήθος γειτονικών διασυνδέσεων, έχει μεγαλύτερες ανάγκες σε εφεδρική παραγωγή για δεδομένο επίπεδο αξιοπιστίας. Στόχος της παρούσας τεχνικής αναφοράς είναι η ανάλυση και η εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με τις μεθοδολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την ποσοτικοποίηση των εφεδρειών (reserve quantification) που πρέπει να δεσμευτούν από τον Διαχειριστή καθώς επίσης και την εύρεση του κατάλληλου προγράμματος ένταξης των μονάδων παραγωγής, ώστε το ΣΗΕ να λειτουργεί κατά τον οικονομικότερο τρόπο, διατηρώντας παράλληλα συγκεκριμένα επίπεδα ασφάλειας και αξιοπιστίας. Στις ενότητες που ακολουθούν περιγράφονται αναλυτικά τα βασικά χαρακτηριστικά των διαφόρων κατηγοριών εφεδρειών ανάλογα με το λόγο ύπαρξής τους και τη χρονική κλίμακα ενεργοποίησης και παροχής τους στο Σύστημα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία συνοπτική περιγραφή των διαφόρων κατηγοριών εφεδρείας, όπως αυτές διαχωρίζονται και εφαρμόζονται από τους διαχειριστές ΣΗΕ στην ηπειρωτική Ευρώπη και στη Βόρεια Αμερική. Τέλος, παρουσιάζεται αναλυτικά η υφιστάμενη βιβλιογραφία στην ερευνητική περιοχή (state-ofthe-art) σχετικά με τις επιστημονικές μεθόδους που έχουν ήδη αναπτυχθεί για την ποσοτικοποίηση των διαφόρων τύπων εφεδρείας. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 9

14 2 Γενική Περιγραφή Εφεδρειών Προκειμένου να διερευνηθούν οι τεχνικές ποσοτικοποίησης των απαραίτητων εφεδρειών, αρχικά κρίνεται απαραίτητος ο διαχωρισμός τους σύμφωνα με την κατάσταση του Συστήματος την οποία καλούνται να αντιμετωπίσουν. Με βάση αυτή τη λογική, οι εφεδρείες διαχωρίζονται, εν γένει, σε: α) εφεδρείες ομαλής λειτουργίας (normal operation reserves) και β) εφεδρείες διαταραχών (contingency reserves). Ως ομαλή λειτουργία (normal operation) θεωρείται η κατάσταση του ΣΗΕ στην οποία το φορτίο και η παραγωγή των ΑΠΕ έχουν προβλεφτεί με σχετική ακρίβεια, οπότε οι εφεδρείες καλούνται να αντιμετωπίσουν τις μικρές αποκλίσεις από τις παραπάνω προβλεφθείσες τιμές που παρατηρούνται σε πραγματικό χρόνο. Ως διαταραχή (contingency) ορίζεται μια ξαφνική, μη αναμενόμενη και έντονη αλλαγή του ισοζυγίου ενεργού ισχύος που μπορεί να προκληθεί από την απώλεια μιας γεννήτριας, μιας γραμμής μεταφοράς, ενός μετασχηματιστή, κ.α., ή συνδυασμό αυτών. Μεταβολές αργότερου ρυθμού, όπως π.χ. υψηλότερη ζήτηση φορτίου από αυτή που αρχικά είχε προβλεφθεί, δε θεωρούνται ως διαταραχές. Ωστόσο η σύμβαση για το τι είναι διαταραχή δεν ορίζεται αυστηρά από τη διεθνή κοινότητα. Έτσι, η "μοντέρνα" περίπτωση έντονης μεταβολής του ισοζυγίου ισχύος εξαιτίας της ταυτόχρονης αύξησης του φορτίου και μείωσης της αιολικής παραγωγής, κατάσταση που απαιτεί αυξημένη επαγρύπνηση για τον Διαχειριστή, είναι δυνατόν σε κάποιες περιοχές να αντιμετωπίζεται ως διαταραχή και σε κάποιες άλλες όχι. Αυτό πιθανότατα εξαρτάται από την ευελιξία (π.χ. χρόνος εκκίνησης, ρυθμός ανόδου/καθόδου ισχύος, κ.α.) των μονάδων παραγωγής του Συστήματος. Επειδή οι αγορές εφεδρειών συνδέονται άμεσα με την αγορά ενέργειας, αρχικά γίνεται μια σύντομη περιγραφή των αγορών ενέργειας και εφεδρειών. Παραδοσιακά, η διαχείριση των ΣΗΕ πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, ο Διαχειριστής διενεργεί τον προγραμματισμό της παραγωγής κατά την ημέρα που προηγείται της ημέρας κατανομής D (ημέρα D-1), συνήθως σε ωριαία χρονική κλίμακα, με βάση τις ωριαίες προβλέψεις του φορτίου (day-ahead scheduling). Ο ωριαίος προγραμματισμός δίνει το πρόγραμμα ένταξης των μονάδων (εκκίνηση, ένταξη, σβέση, εκτός λειτουργίας) και ενδεικτικές τιμές της ισχύος εξόδου τους. Σε δεύτερο στάδιο, κατά τη διάρκεια της ημέρας κατανομής D, συνήθως η ένταξη των "αργών" μονάδων (π.χ. λιγνιτικών) διατηρείται σταθερή και παράλληλα ο Διαχειριστής εκτελεί οικονομική κατανομή φορτίου (economic dispatch) κάθε πέντε λεπτά ώστε να καθορίσει την Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 10

15 πραγματική έξοδο των μονάδων και πιθανώς την ένταξη κάποιων επιπρόσθετων "γρήγορων" μονάδων. Στο πλαίσιο των απελευθερωμένων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας διαμορφώθηκαν διακριτές αγορές για τη διαπραγμάτευση των επικουρικών υπηρεσιών. Αναφορικά με το σχεδιασμό των αγορών επικουρικών υπηρεσιών παγκοσμίως, διακρίνονται δύο βασικά μοντέλα αγορών: α) τα διαχωρισμένα συστήματα αγοράς (unbundled systems) και β) τα ολοκληρωμένα συστήματα αγοράς (integrated systems) [1]-[2]. Στην πρώτη περίπτωση πραγματοποιείται ακολουθιακή εκκαθάριση (sequential clearing) των προϊόντων της αγοράς μέσω μίας σειράς κεντρικών δημοπρασιών που διενεργούνται από τον Διαχειριστή (Αγοράς ή/και Συστήματος). Αρχικά εκκαθαρίζεται η αγορά ενέργειας, ακολουθούμενη από την εκκαθάριση των αγορών εφεδρείας. Παραδείγματα αυτού του μοντέλου είναι οι αγορές της Αυστραλίας, Σκανδιναβίας, της Καλιφόρνιας ( ) και της Βρετανίας μετά το Στα ολοκληρωμένα συστήματα αγοράς (integrated systems), εφαρμόζεται ταυτόχρονη εκκαθάριση (simultaneous clearing) των αγορών ενέργειας και εφεδρειών μέσω πολύπλοκων μοντέλων που εκτελούν συν-βελτιστοποίηση (co-optimization) των διαφόρων προϊόντων της αγοράς. Αυτό το μοντέλο οργάνωσης επικράτησε στην Β. Αμερική, ενώ η υπεροχή του έναντι του προηγουμένου μοντέλου βασίζεται στο ότι η συν-βελτιστοποίηση των αγορών ενέργειας και εφεδρειών οδηγεί στην ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους παραγωγής και εξασφάλισης της αξιοπιστίας του Συστήματος. Συγκεκριμένα, η τιμολόγηση των προϊόντων βασίζεται στις "σκιώδεις τιμές" (shadow prices) που προκύπτουν από το μοντέλο βελτιστοποίησης και οι οποίες αποκαλύπτουν το "κόστος ευκαιρίας" (opportunity cost) των μονάδων παραγωγής που καλούνται να συνεισφέρουν σε εφεδρεία. Παραδείγματα αυτού του μοντέλου αποτελούν οι αγορές της PJM, Νέας Υόρκης, Νέας Αγγλίας, της Βρετανίας μέχρι το 2001, της Ελλάδας κ.α. Συνήθως το μοντέλο της ακολουθιακής εκκαθάρισης των αγορών παρατηρείται στις χώρες όπου ο Διαχειριστής της Αγοράς είναι διαφορετικό πρόσωπο από τον Διαχειριστή του Συστήματος και υιοθετείται το μοντέλο του χρηματιστηρίου ενέργειας (power exchange) για την εκκαθάριση της ημερήσιας αγοράς της επόμενης ημέρας. Αντίθετα, το μοντέλο της ταυτόχρονης εκκαθάρισης συνήθως εφαρμόζεται στις χώρες όπου ο Διαχειριστής της Αγοράς και του Συστήματος είναι ο ίδιος φορέας και εφαρμόζεται το μοντέλο της κοινοπραξίας ισχύος (power pool). Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 11

16 Πολλές σύγχρονες αγορές προκειμένου να είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν τη μεγαλύτερη μεταβλητότητα και αβεβαιότητα που εισάγουν οι ΑΠΕ εφαρμόζουν πρόσθετα επίπεδα διαχείρισης, όπως ενδοημερήσια επανένταξη μονάδων, οικονομική κατανομή φορτίου με μεγαλύτερο χρονικό ορίζοντα κτλ.. Παρακάτω περιγράφονται αναλυτικά οι εφεδρείες ομαλής λειτουργίας και οι εφεδρείες διαταραχών. Ο διαχωρισμός αυτός είναι παρόμοιος με τον διαχωρισμό που υιοθετείται στην τεχνική αναφορά των Ela, Milligan and Kirby [3]. Επειδή η ονομασία των διαφόρων τύπων εφεδρειών διαφέρει έντονα ανάλογα με την περιοχή, στη συνέχεια θα διατυπωθεί μια ονομασία αναφοράς, η οποία θα εμφανίζεται σε έντονη γραμματοσειρά, ενώ οι διαφορετικές ονομασίες που χρησιμοποιούνται ανά σύστημα θα εμφανίζονται σε απλή γραμματοσειρά. 2.1 Εφεδρείες Ομαλής Λειτουργίας Κατά την ομαλή λειτουργία του ΣΗΕ η φροντίδα για τον προγραμματισμό εφεδρειών στοχεύει στην αποτελεσματική προσαρμογή της παραγωγής στη μεταβαλλόμενη κατανάλωση για τη διατήρηση του ισοζυγίου ισχύος. Αν το φορτίο ήταν γνωστό εκ των προτέρων και αμετάβλητο, οι εφεδρείες ομαλής λειτουργίας θα ήταν περιττές. Στο Σχήμα 1 φαίνεται ενδεικτικά η ωριαία πρόβλεψη φορτίου, η πραγματική τιμή του ανά λεπτό και η μέση ωριαία τιμή του πραγματικού φορτίου. Σχήμα 1. Μεταβλητότητα φορτίου Συστήματος Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 12

17 Είναι εμφανές ότι το σφάλμα οφείλεται αφενός στο ότι η πρόβλεψη δεν είναι ακριβής, δηλαδή η μέση ωριαία πραγματική τιμή διαφέρει από την προβλεπόμενη τιμή (αβεβαιότητα), και αφετέρου στο ότι υπάρχουν ενδοωριαίες μεταβολές που δεν μπορούν να εντοπιστούν χρησιμοποιώντας ωριαία χρονική κλίμακα, ακόμη και αν δεν υπήρχε σφάλμα στην πρόβλεψη (μεταβλητότητα). Είναι λοιπόν φανερό ότι πρέπει να διατηρείται δεσμευμένη αναγκαία ποσότητα εφεδρειών, η οποία να μπορεί να δράσει σε αυτή τη χρονική κλίμακα ώστε να αντιμετωπίσει τόσο τη μεταβλητότητα όσο και την αβεβαιότητα του φορτίου. Αυτός ο τύπος εφεδρείας ονομάζεται εφεδρεία παρακολούθησης του φορτίου (load following reserve). Μπορεί να παρέχεται από μονάδες που είναι συγχρονισμένες στο δίκτυο στην αρχή της ώρας (spinning) ή από μονάδες που δεν είναι συγχρονισμένες (non-spinning) αλλά μπορούν να ενταχθούν γρήγορα (π.χ. αεριοστροβιλικές ή υδροηλεκτρικές μονάδες). Και οι δύο κατηγορίες μπορούν να λάβουν κατάλληλα σήματα αλλαγής της εξόδου ή της κατάστασης ένταξής τους (on/off), ως αποτέλεσμα της επίλυσης της εκάστοτε οικονομικής κατανομής φορτίου. Στην ερευνητική κοινότητα υπάρχει διάλογος για το αν οι πολύ βραχυπρόθεσμες αγορές ενέργειας πραγματικού χρόνου (π.χ. εντός πεντάλεπτου) μπορούν να καταστήσουν μη αναγκαία την ύπαρξη και λειτουργία της αγοράς εφεδρείας παρακολούθησης του φορτίου. Μία σαφή θέση παρουσιάζει ο Kirby [4], σύμφωνα με την οποία στην περίπτωση που οι μονάδες παραγωγής που εντάσσονται για την κάλυψη κυμαινόμενων και αιχμιακών φορτίων (μονάδες που χαρακτηρίζονται από υψηλότερο μεταβλητό και χαμηλότερο σταθερό κόστος) έχουν αρκετή ευελιξία μεταβολής της παραγωγής τους ώστε να μπορούν να παρακολουθούν τις μεταβολές του φορτίου, τότε δεν υπάρχει η ανάγκη για την δημιουργία της παραπάνω αγοράς εφεδρείας. Στην αντίθετη όμως περίπτωση η δημιουργία της αγοράς εφεδρείας είναι απαραίτητη προκειμένου να μην επηρεαστεί η ομαλή λειτουργία του ΣΗΕ. Είναι φανερό ότι η εφεδρεία παρακολούθησης φορτίου μπορεί να αντιμετωπίσει τη μεταβλητότητα του φορτίου, όταν αυτό παρακολουθείται σε χρονικά διαστήματα ίσα με την περίοδο της οικονομικής κατανομής. Αν η ισχύς εξόδου των μονάδων άλλαζε μόνο με σήματα οικονομικής κατανομής, αυτό θα σήμαινε ότι η μονάδα κατά τη διάρκεια της περιόδου κατανομής θα είχε σταθερή ισχύ εξόδου. Το φορτίο, όμως, παρουσιάζει μεταβλητότητα με τη μορφή μικρομεταβολών και εντός των διαστημάτων της οικονομικής κατανομής [4] (βλ. Σχήμα 1). Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 13

18 Οι μικρομεταβολές αυτές είναι συνεχείς γι αυτό και απαιτείται η πολύ γρήγορη παρακολούθησή τους. Από την εμπειρία της διαχείρισης των ΣΗΕ προκύπτει ότι ο ιδανικός χρόνος ελέγχου είναι της τάξης των δευτερολέπτων [4]. Η εφεδρεία που καλείται να αντιμετωπίσει τις μικρομεταβολές αυτές ονομάζεται εφεδρεία ρύθμισης (regulation reserve). Το εύρος της περιόδου κατανομής καθορίζει σε σημαντικό βαθμό και την αναγκαία εφεδρεία ρύθμισης μέσα στην περίοδο κατανομής. Εάν π.χ. η περίοδος κατανομής είναι ωριαία, η εφεδρεία αυτή οφείλει να καλύψει οτιδήποτε σε άλλη περίπτωση θα κάλυπτε η εφεδρεία παρακολούθησης του φορτίου. Εφεδρεία ρύθμισης μπορούν να δώσουν μόνο μονάδες που είναι συγχρονισμένες κατά της διάρκεια της περιόδου κατανομής. Από τις συγχρονισμένες μονάδες, εφεδρεία ρύθμισης δίνουν μόνο ορισμένες μονάδες, αυτές που έχουν επιλεγεί από την αντίστοιχη αγορά εφεδρείας ρύθμισης. Αυτές οι μονάδες υπόκεινται σε αυτόματο έλεγχο παραγωγής (Automatic Generation Control, AGC). Ο αυτόματος έλεγχος παραγωγής είναι ένας κεντρικός έλεγχος, που στέλνει σήματα αλλαγής εξόδου στις αντίστοιχες μονάδες κάθε μερικά δευτερόλεπτα. Στόχος του είναι να μηδενίσει το σφάλμα ελέγχου περιοχής (Area Control Error, ACE), το οποίο ορίζεται ως: ( ) ACE = P P + K f f meas prog ri meas 0 όπου: P meas P prog K ri f meas f 0 είναι το στιγμιαίο άθροισμα των ενεργών ροών στις γραμμές διασυνδέσεων είναι οι προγραμματισμένες ισχείς διασυνδέσεων είναι ένας σταθερός συντελεστής σε MW/Hz (συντελεστής πόλωσης) είναι η στιγμιαία απόκλιση της συχνότητας από την ονομαστική της τιμή Ο αυτόματος έλεγχος παραγωγής υλοποιείται με έναν αναλογικό-ολοκληρωτικό ελεγκτή (proportional integral controller), οι παράμετροι (τα κέρδη) του οποίου πρέπει να ρυθμιστούν κατάλληλα. Η είσοδος του ελεγκτή είναι το σφάλμα ελέγχου περιοχής και η έξοδος είναι η επιθυμητή ισχύς. Αυτή η ισχύς κατανέμεται με βάση τους οικονομικούς συντελεστές συμμετοχής στις μονάδες που έχουν προκαθοριστεί ότι έχουν τη δυνατότητα να συνεισφέρουν σε εφεδρεία ρύθμισης [6]. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 14

19 2.1.1 Εφεδρείες ομαλής λειτουργίας υπό διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Οι εφεδρείες ρύθμισης και εφεδρείες παρακολούθησης του φορτίου δεσμευόταν παραδοσιακά από τους διαχειριστές με αιτιοκρατικό τρόπο, χρησιμοποιώντας κάποια πρότερη πιθανοτική ανάλυση. Συνήθεις πρακτικές ήταν οι εφεδρείες αυτές να υπολογίζονται είτε ως ποσοστό της ωριαίας πρόβλεψης φορτίου είτε ως ποσοστό του μέγιστου φορτίου [6] είτε ως πολλαπλάσιο της τυπικής απόκλισης της μεταβλητότητας του φορτίου [7]. Χωρίς την ύπαρξη των ΑΠΕ, η αβεβαιότητα και η μεταβλητότητα του συνολικού ηλεκτρικού φορτίου είναι αυτές που υπαγορεύουν την ποσότητα των εφεδρειών ομαλής λειτουργίας. Όσο πιο ακριβής είναι η πρόβλεψη, τόσο μικρότερες είναι οι ποσότητες των απαιτούμενων εφεδρειών. Γενικά η μεταβλητότητα του φορτίου ακολουθεί μια ημερήσια καμπύλη η οποία εξαρτάται από τη χώρα, την εποχή και από το είδος της ημέρας (καθημερινή ή αργία) [14]. Το φορτίο μέσα στην ημέρα μπορεί να προβλεφθεί με αρκετά μεγάλη ακρίβεια, οπότε η αβεβαιότητα του φορτίου είναι γενικά χαμηλή. Η διείσδυση αιολικής παραγωγής εισάγει στο ΣΗΕ μεγαλύτερη αβεβαιότητα και μεταβλητότητα. Σε σχέση με τη μεταβλητότητα του φορτίου (βλ. Σχήμα 1), η αιολική παραγωγή παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερη μεταβλητότητα σε πραγματικό χρόνο (βλ. Σχήμα 2). Σχήμα 2. Αβεβαιότητα και μεταβλητότητα αιολικής παραγωγής [3] Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 15

20 Σχήμα 3. Παράδειγμα χρονοσειρών κανονικοποιημένης ισχύος εξόδου μίας μοναδικής ανεμογεννήτριας, μιας ομάδας ανεμογεννητριών και του συνόλου των ανεμογεννητριών στη Γερμανία ( ) [7] Για να ανταποκριθεί το ΣΗΕ σε καθεστώς αυξημένης μεταβλητότητας και αβεβαιότητας χρειάζεται να παρουσιάζει αυξημένη ευελιξία (flexibility). Η μεταβλητότητα της αιολικής παραγωγής δεν αντιμετωπίζεται εξισορροπώντας τη μεταβλητότητα κάθε ανεμογεννήτριας ξεχωριστά αλλά εξισορροπώντας τη συνολική μεταβλητότητα της αιολικής παραγωγής σε μια περιοχή ελέγχου [14]. Αιολικά πάρκα που είναι διεσπαρμένα στο χώρο έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση της συνολικής μεταβλητότητας και αβεβαιότητας (βλ. Σχήμα 3). Η μείωση της αβεβαιότητας και της μεταβλητότητας όσο αυξάνει η διασπορά των αιολικών πάρκων ή ανεμογεννητριών έχει κάποιο όριο, πέραν του οποίου έχει επέλθει κορεσμός αυτής της εξομαλυντικής δράσης [14]. Ένα ακόμη χαρακτηριστικό της ανεμοπαραγωγής είναι ότι η μεταβλητότητα αυξάνει μεταβαίνοντας από χρονικές κλίμακες μερικών δευτερολέπτων σε χρονικές κλίμακες μερικών ωρών [7]-[8], όπως φαίνεται στον Πίν. 1 [7], [9]. Η τυπική απόκλιση της μεταβλητότητας σε επίπεδο δευτερολέπτου είναι μόνο 0.1% για ένα μεγάλο αιολικό πάρκο και φτάνει μέχρι και 7.9% για το ίδιο πάρκο σε ωριαίο επίπεδο. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 16

21 Πίν. 1. Μέσος όρος και τυπική απόκλιση της μεταβλητότητας της αιολικής παραγωγής συναρτήσει της αυξανόμενης συνολικής αιολικής παραγωγής σε ένα μεγάλο αιολικό πάρκο στο σύστημα Μεσοδυτικών Πολιτειών (Midwest) των ΗΠΑ] [7], [9] Προβλεψιμότητα αιολικής παραγωγής Σε αντίθεση με τα μοντέλα πρόβλεψης φορτίου, τα μοντέλα πρόβλεψης αιολικής παραγωγής δεν είναι τόσο ακριβή. Η εμπειρία έχει δείξει ότι τα μοντέλα πρόβλεψης της αιολικής παραγωγής μπορούν να προσφέρουν μία γενική εικόνα της εξέλιξης της αιολικής παραγωγής στο άμεσο μέλλον [7], αλλά συχνά μπορούν να εμφανιστούν μεγάλες αποκλίσεις στις τιμές αλλά και στο συγχρονισμό των προβλέψεων σε σχέση με τις πραγματικές μετρήσεις [7], [10], [11]. Σημειώνεται επίσης ότι τα σφάλματα της πρόβλεψης αιολικής παραγωγής δεν ακολουθούν κανονική κατανομή [7], [12] (βλ. Σχήμα 4). Σχήμα 4. Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας των σφαλμάτων της προημερήσιας πρόβλεψης αιολικής παραγωγής της Γερμανίας, παράλληλα με μια προσαρμοσμένη (fitted) κανονική κατανομή [7], [12] Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 17

22 2.2 Εφεδρείες Διαταραχών Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ως διαταραχή (contingency) ορίζεται η μεγάλη, απότομη και γρήγορη αλλαγή του ισοζυγίου ενεργού ισχύος, η οποία αυτομάτως οδηγεί σε σημαντική απόκλιση της συχνότητας του Συστήματος από την επιθυμητή. Για παράδειγμα, η μηπρογραμματισμένη έξοδος μιας μεγάλης μονάδας παραγωγής, λόγω βλάβης, συνιστά ένα απρόοπτο γεγονός που δημιουργεί απόκλιση της παραγωγής από την κατανάλωση. Η έξοδος μιας γραμμής μεταφοράς ή ενός μετασχηματιστή, λόγω βλάβης, μπορεί επίσης να θεωρηθεί διαταραχή. Μια τέτοια έξοδος μπορεί να οδηγήσει σε απότομη απώλεια παραγωγής ή κατανάλωσης, επομένως να δημιουργήσει απόκλιση του ισοζυγίου ενεργού ισχύος 1. Οι διαταραχές είναι σπάνια φαινόμενα, καθώς η πιθανότητα αστοχίας κάποιας παραμέτρου, που οδηγεί σε διαταραχή, είναι πολύ μικρή. Οι Διαχειριστές των ΣΗΕ συνήθως φροντίζουν το Σύστημα να έχει αρκετές εφεδρείες ώστε να μπορέσει να ανταπεξέλθει μόνο στη χειρότερη μονή διαταραχή, καθώς η πιθανότητα να συμβούν δύο διαταραχές ταυτόχρονα είναι τόσο μικρή, ώστε να μη δικαιολογεί το κόστος διατήρησης επιπρόσθετων επιπέδων εφεδρειών. Όταν συμβεί μια απότομη μείωση της παραγωγής ενεργού ισχύος, αρχικά αυτή αναπληρώνεται από την κινητική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στις στρεφόμενες μάζες που λειτουργούν σύγχρονα με το Σύστημα. Ως στρεφόμενη μάζα εννοούμε μια ηλεκτρική μηχανή (γεννήτρια ή κινητήρας) μαζί με όποια μηχανή (π.χ. στρόβιλος ή αντλία) είναι συμπλεγμένη στον άξονά της. Για παράδειγμα, στρεφόμενη μάζα μιας ατμοηλεκτρικής μονάδας, είναι το ζεύγος ατμοστροβίλου-σύγχρονης γεννήτριας. Η κινητική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη μια δεδομένη στιγμή στο Σύστημα, εξαρτάται από την ταχύτητα των σύγχρονα στρεφόμενων μηχανών και από το άθροισμα της ροπής αδράνειάς τους. Μια μείωση της παραγωγής αρχικά καλύπτεται από την κινητική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στις στρεφόμενες μάζες με αποτέλεσμα τη μείωση της συχνότητας του Συστήματος. Αντίστοιχα, μια απότομη μείωση της κατανάλωσης ενεργού ισχύος, αρχικά αποθηκεύεται ως κινητική ενέργεια στις στρεφόμενες μάζες με αποτέλεσμα την αύξηση της συχνότητας. Αυτή η αντίδραση ονομάζεται απόκριση αδράνειας (inertial response) γιατί εξαρτάται από την αδράνεια του Συστήματος στις απότομες 1 Η έξοδος μιας γραμμής μεταφοράς, μπορεί να μην αλλάξει το ισοζύγιο ενεργού ισχύος αλλά να οδηγήσει σε μια νέα ροή ισχύος η οποία θα υπερφορτίζει κάποιες γραμμές μεταφοράς ή μετασχηματιστές. Τέτοιου είδους διαταραχές συνήθως αντιμετωπίζονται από τον Διαχειριστή επιλύοντας ροές φορτίου θεωρώντας κριτήριο ασφάλειας Ν-1, στις οποίες η παραγωγή προγραμματίζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην υπερφορτιστεί καμία γραμμή ακόμα και αν συμβεί μια τέτοια διαταραχή. Επομένως δεν υπάρχουν εφεδρείες για τέτοιου είδους διαταραχές. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 18

23 αλλαγές. Από φυσικής άποψης, όσο μεγαλύτερη είναι η συνολική ροπή αδράνειας του Συστήματος, τόσο πιο ανθεκτικό είναι το Σύστημα, δηλαδή τόσο μικρότερος είναι ο ρυθμός μεταβολής της συχνότητάς του, σε μια απότομη αλλαγή του ισοζυγίου ισχύος. Πρέπει να σημειωθεί ότι ηλεκτρικές μηχανές οι οποίες οδηγούνται από ηλεκτρονικά ισχύος δεν συμμετέχουν στην συνολική ροπή αδράνειας του συστήματος. Τέτοια περίπτωση είναι συνήθης σε ανεμογεννήτριες με διπλά τροφοδοτούμενη ασύγχρονη μηχανή (doubly fed induction generator), οι οποίες οδηγούνται από ηλεκτρονικά ισχύος, με αποτέλεσμα το σύστημα ανεμοτουρμπίνας ασύγχρονης μηχανής να μη στρέφεται σύγχρονα με το δίκτυο. Παρ όλα αυτά, σύγχρονες τεχνικές ελέγχου τέτοιων ανεμογεννητριών παρέχουν σε αυτές τη δυνατότητα να παρουσιάζουν μιμούμενη απόκριση αδράνειας (emulated inertial response) [3] που αναλύεται στην Ενότητα Το ηλεκτρικό φορτίο αποτελείται σε μεγάλο μέρος από ηλεκτρικούς κινητήρες, επομένως μια μείωση της συχνότητας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φορτίου. Αυτό to φαινόμενο ονομάζεται αυτορυθμιστική δράση του φορτίου (load self-regulating effect) και δρα εξισορροπητικά ως προς τη σταθεροποίηση της συχνότητας. Ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, η συχνότητα εξισορροπεί σε μια τιμή χαμηλότερη της επιθυμητής και το φορτίο είναι μειωμένο. Μια τέτοια θεωρητική αντίδραση για απότομες θετικές και αρνητικές αλλαγές του ισοζυγίου ενεργού ισχύος φαίνεται στο Σχήμα 5. Παρ όλο που η συχνότητα σταθεροποιείται από την αυτορυθμιστική δράση του φορτίου, η απόκλισή της από την ονομαστική τιμή είναι ιδιαίτερα μεγάλη και καθίσταται απαγορευτική, διότι μπορεί να προκαλέσει καταστροφές στον εξοπλισμό. Επιπλέον, πολλές μονάδες είναι εφοδιασμένες με ηλεκτρονόμους υποσυχνότητας και υπερσυχνότητας (underfrequency/ overfrequency relay) με αποτέλεσμα μια μεγάλη απόκλιση συχνότητας να τις θέσει εκτός λειτουργίας και η απόκλιση της συχνότητας να επιδεινωθεί προς την αρχική κατεύθυνση. Για το λόγο αυτό, ο Διαχειριστής φροντίζει πάντοτε να διατηρεί συγκεκριμένα επίπεδα εφεδρειών. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 19

24 Σχήμα 5. Σταθεροποίηση της συχνότητας αυτόνομου συστήματος λόγω της αυτορυθμιστικής δράσης του φορτίου, για διάφορες απότομες μεταβολές του ισοζυγίου ενεργού ισχύος [13] Στη συνέχεια γίνεται αναφορά σε σύγχρονα διασυνδεδεμένα συστήματα, δηλαδή συστήματα τα οποία λειτουργούν υπό κοινή συχνότητα και τα οποία αποτελούνται από πολλές περιοχές ελέγχου (control areas). Η κάθε περιοχή ελέγχου έχει τον δικό της Διαχειριστή Συστήματος Μεταφοράς (Transmission System Operator, TSO), συνδέεται με γραμμές διασύνδεσης (tie lines) με κάποιες γειτονικές περιοχές και με αυτές τις περιοχές έχει προγραμματισμένες ανταλλαγές ισχύος μέσω των διασυνδετικών γραμμών. Ο κάθε διαχειριστής μπορεί να χρησιμοποιήσει διαφορετικούς τρόπους αντιμετώπισης διαταραχών. Υπάρχουν, παρ όλα αυτά, κάποιες βασικές πρακτικές οι οποίες χρησιμοποιούνται στα δύο μεγάλα διασυνδεδεμένα συστήματα (ηπειρωτική Ευρώπη και ΗΠΑ) που είναι κοινές και οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στις Ενότητες Η αντιμετώπιση διαταραχών αντιμετωπίζεται με εφεδρείες διαφορετικού τύπου. Οι τύποι εφεδρειών διαφέρουν ως προς: α) το στόχο τους, β) το χρονισμό τους, γ) τον έλεγχο στον οποίο υπόκεινται και δ) τις τεχνολογίες που μπορούν να παρέχουν την κάθε εφεδρεία. Οι εφεδρείες διαταραχών συνήθως διαχωρίζονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους: α) πρωτεύουσα, β) δευτερεύουσα και γ) τριτεύουσα, οι οποίες υπόκεινται και στους αντίστοιχους ελέγχους (πρωτεύων, δευτερεύων και τριτεύων, αντίστοιχα). Παρακάτω αναλύονται τα χαρακτηριστικά των τριών ειδών εφεδρειών. Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 20

25 2.2.1 Στόχος Ο κάθε τύπος εφεδρείας είναι δεσμευμένος για την εξυπηρέτηση κάποιου συγκεκριμένου σκοπού: Η πρωτεύουσα έχει ως σκοπό να μην επιτρέψει στη συχνότητα να αποκλίνει πολύ από την ονομαστική τιμή της και να την σταθεροποιήσει σε μια τιμή, όσο είναι εφικτό, πλησιέστερα στην ονομαστική. Ο στόχος της δευτερεύουσας εφεδρείας είναι να επαναφέρει τη συχνότητα στην ονομαστική τιμή της και τις ροές ισχύος των γραμμών διασυνδέσεων στις προγραμματισμένες τιμές τους, ώστε να μηδενιστεί το σφάλμα ελέγχου περιοχής (ACE). Ο στόχος της τριτεύουσας εφεδρείας είναι η αποδέσμευση της δευτερεύουσας και πιθανόν της πρωτεύουσας εφεδρείας, ώστε το Σύστημα να είναι έτοιμο να αντιδράσει ανάλογα σε μια ενδεχόμενη νέα διαταραχή Πρωτεύουσα εφεδρεία Πρωτεύων έλεγχος Στη χρονική κλίμακα ενέργειας του πρωτεύοντος ελέγχου μπορούμε να διακρίνουμε τρεις διακριτές χρονικές στιγμές από τη στιγμή που γίνεται η διαταραχή, ως εξής: Χρόνος έναρξης παροχής εφεδρείας (deployment start time): Είναι το χρονικό σημείο στο οποίο η πρωτεύουσα εφεδρεία πρέπει να αρχίσει να μετατρέπεται σε ενέργεια. Χρόνος πλήρους παροχής εφεδρείας (full deployment time): Είναι το χρονικό σημείο στο οποίο όλη η διαθέσιμη πρωτεύουσα εφεδρεία πρέπει να έχει μετατραπεί σε ενέργεια. Χρόνος αποδέσμευσης εφεδρείας (deployment end time). Είναι το χρονικό σημείο μέχρι το οποίο οι μονάδα παραγωγής παραμένει δεσμευμένη για παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας. Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, λόγω της φυσικής του πρωτεύοντος ελέγχου που αναλύεται στη συνέχεια, ο πρωτεύων έλεγχος δε μηδενίζει το σφάλμα της συχνότητας αλλά έχει ως στόχο να σταθεροποιήσει τη συχνότητα σε μια τιμή, όσο είναι εφικτό, πλησιέστερα στην ονομαστική, μη επιτρέποντας την περαιτέρω απόκλισή της. Ο πρωτεύον έλεγχος είναι τοπικός με την έννοια ότι η κάθε μονάδα δρα ξεχωριστά, χωρίς να υπάρχει κεντρικός έλεγχος από τον Διαχειριστή του Συστήματος Μεταφοράς. Στον πρωτεύοντα έλεγχο συμμετέχουν μονάδες, οι οποίες είναι εφοδιασμένες με ρυθμιστή στροφών (governor) με στατισμό, καθώς επίσης και όλα εκείνα τα φορτία στα οποία η κατανάλωση είναι ευαίσθητη στις μεταβολές της συχνότητας, όπως είναι οι επαγωγικοί κινητήρες, ή τα φορτία που είναι εφοδιασμένα με κατάλληλους ηλεκτρονόμους προστασίας, οι οποίοι αποσυνδέουν τα Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 21

26 συνδεδεμένα φορτία σε περίπτωση που η συχνότητα υποχωρήσει κάτω από ένα προκαθορισμένο κατώφλι. Σημειώνεται ότι υφίστανται συγκεκριμένοι περιορισμοί στη διαθεσιμότητα της πρωτεύουσας εφεδρείας, ως εξής: Ορισμένες γεννήτριες παραγωγής, οι οποίες συμμετέχουν στην παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας αυξάνοντας ανάλογα το επίπεδο παραγωγής τους, δε μπορούν να λειτουργήσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα στα νέα επίπεδα παραγωγής, με αποτέλεσμα η συνεισφορά τους σε πρωτεύουσα εφεδρεία να πρέπει να αντικατασταθεί από άλλες μονάδες, έτσι ώστε αυτές να επιστρέψουν στα προ διαταραχής επίπεδα λειτουργίας τους. Επιπλέον, στα πλαίσια ενός διασυνδεδεμένου συστήματος, η πρωτεύουσα εφεδρεία θα πρέπει να παρέχεται από μονάδες όλου του διασυνδεδεμένου συστήματος έτσι ώστε να αποφευχθούν μη προγραμματισμένα μεταβατικά φαινόμενα, σε περίπτωση εμφάνισης μεγάλης διαταραχής του Συστήματος. Η παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας από όλες τις μονάδες του διασυνδεμένου δικτύου συνεισφέρει επίσης στην ευστάθεια ενός τμήματος του δικτύου το οποίο πιθανόν να νησιδοποιηθεί, λόγω κάποιας διαταραχής στο δίκτυο [13]. Στο παραπάνω πλαίσιο, όταν η συχνότητα αποκλίνει πέρα από κάποιο όριο ο ρυθμιστής στροφών ανιχνεύει την απόκλιση και δίνει εντολή στη μονάδα να μεταβάλλει την ισχύ εξόδου της προς την κατεύθυνση που τείνει να σταματήσει τη μεταβολή της συχνότητας. Αν η μονάδα διαθέτει ατμοστρόβιλο, η εντολή επηρεάζει το άνοιγμα των βαλβίδων του στροβίλου που ελέγχουν την ποσότητα του ατμού που εισέρχεται στο στρόβιλο. Αν η μονάδα διαθέτει υδροστρόβιλο, η εντολή επηρεάζει το άνοιγμα των βαλβίδων του στροβίλου που ελέγχουν την ποσότητα του νερού που εισέρχεται στο στρόβιλο. Ο ρυθμιστής υλοποιείται ως ένας αμιγώς αναλογικός ελεγκτής (proportional controller). Το κέρδος του αναλογικού ελεγκτή δίνεται από τον τύπο: 1 K = r όπου r είναι ο στατισμός της μονάδας. Ο στατισμός της μονάδας εκφράζει την ανά μονάδα (per unit, p.u.) μείωση της συχνότητας όταν η έξοδος της μονάδας αυξάνεται από το μηδέν έως την ονομαστική. Ο στατισμός των μονάδων επιλέγεται συνήθως γύρω στο 5%. Με βάση το στατισμό της μονάδας μπορεί να κατασκευαστεί η χαρακτηριστική ισχύος συχνότητας μονάδας (droop curve) που δίνεται στο Σχήμα 6. Η κλίση της ευθείας είναι (1/r). Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΑΠΘ 22