ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΣΗΕ) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΝΗΣΙΩΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Ν. ΙΑΛΥΝΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. ΙΕΥΘΥΝΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΣΗΕ 1 1
Εισαγωγή Ασφάλεια και Αξιοπιστία λειτουργίας των αυτόνοµων συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) σε σχέση µε τα διασυνδεδεµένα συστήµατα. Επιπτώσεις στο κόστος λειτουργίας και ποιότητα παροχής ισχύος στους καταναλωτές. Εξασφάλιση επαρκούς στατικής και στρεφόµενης εφεδρείας ισχύος. Ένταξη µονάδων παραγωγής που χρησιµοποιούν Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας. 2 2
Εισαγωγή (συνέχεια) Η Αξιοπιστία Λειτουργίας των ΣΗΕ περιλαµβάνει: Επάρκεια: Ικανότητα του συστήµατος να ικανοποιεί τις απαιτήσεις των πελατών του (ισχύς, ενέργεια) λαµβάνοντας υπόψη τις εξαναγκασµένες (τυχαίες) βλάβες και τις προγραµµατισµένες διακοπές (συντηρήσεις) του εξοπλισµού του. Ασφάλεια: Ικανότητα του συστήµατος να παραµένει σε λειτουργία µετά από ξαφνικές διαταραχές που µπορεί να συµβούν (π.χ. βραχυκύκλωµα, απώλεια εξοπλισµού, κ.λ.π.). Περιλαµβάνει οποιεσδήποτε ενέργειες µπορούν να προκαλέσουν τέτοιες διαταραχές (θεοµηνίες, ανθρώπινα σφάλµατα, κ.λ.π.) 3 3
Ανάπτυξη κατάλληλης και αποδοτικής µεθοδολογίας για την προσοµοίωση της λειτουργίας των αυτόνοµων Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) θεωρώντας τη λειτουργία διαφόρων τύπων σταθµών παραγωγής: Μικροί Υδροηλεκτρικοί Σταθµοί (ΜΥΗΕ). Αιολικά Πάρκα. Σταθµοί µε χρησιµοποίηση Βιοµάζας (ΒΙ). Φωτοβολταϊκά Συστήµατα. Εισαγωγή (συνέχεια) Συµβατικοί θερµικοί σταθµοί µε καύσιµο φυσικό αέριο και πετρέλαιο. Συµπαραγωγικοί σταθµοί µικρής ισχύος (CP). Σταθµοί χρησιµοποιώντας διάφορες µορφές ανανεώσιµων πηγών ενέργειας όπως: Υδροηλεκτρικοί σταθµοί (ΥΗΣ) µε αντλητικές εγκαταστάσεις. 4 4
Εισαγωγή (συνέχεια) Υπολογισµός ενός κατάλληλου συνόλου δεικτών που ποσοτικοποιούν την αξιοπιστία λειτουργίας και τη λειτουργική απόδοση των αυτόνοµων ΣΗΕ. Προσοµοίωση της λειτουργίας των αποµονωµένων ΣΗΕ για κάθε ώρα του ηµερολογιακού έτους (8760 ώρες). Εφαρµογή κανόνων λειτουργίας της ανταγωνιστικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας (ένταξη µονάδων παραγωγής). Εφαρµογή Κριτηρίων Αξιοπιστίας Λειτουργίας Συστήµατος. 5 5
Εισαγωγή (συνέχεια) Θεώρηση της στοχαστικής (πιθανοτικής) συµπεριφοράς που αφορά: Λειτουργία µονάδων παραγωγής όλων των τύπων των σταθµών παραγωγής (βλάβες, επισκευές). Παραγόµενη ισχύ των αιολικών πάρκων (ταχύτητα ανέµου). Παραγόµενη ισχύ των φωτοβολταϊκών συστηµάτων (ηλιακή ακτινοβολία). Εισροές υδάτων (βροχοπτώσεις) στους ταµιευτήρες των ΥΗΣ. Αβεβαιότητα της πρόβλεψης ζήτησης φορτίου (ωριαία διακύµανση). 6 6
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής Ατµοστρόβιλοι µε καύσιµο φυσικό αέριο ή πετρέλαιο (Κωδικός Α) Αυξηµένο κόστος παραγωγής. Μικρός αριθµός σβέσεων λειτουργίας - περιορισµένη περίοδος λειτουργίας. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 35% Μέγιστης. 7 7
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής (συνέχεια) Σταθµοί παραγωγής συνδυασµένου κύκλου (Κωδικός Β) Ταχεία µεταβολή παραγόµενης ισχύος. υνατότητα κατασκευής σταθµών µε ένα ατµοστρόβιλο (ST) και ένα ή περισσότερους αεριοστρόβιλους (GT). Σβέσεις λειτουργίας: Περιορισµένος αριθµός επιπτώσεις στη συντήρηση και διαθεσιµότητα. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 60% Μέγιστης (1GT + 1 ST) 35% Μέγιστης - άλλες περιπτώσεις 8 8
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής (συνέχεια) Αεριοστρόβιλοι, Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Κωδικός Γ) Ευέλικτες µονάδες παραγωγής. Πολύ µεγάλο κόστος παραγωγής για αεριοστροβίλους. Μεγάλος αριθµός εκκινήσεων και σβέσεων λειτουργίας που επηρεάζουν τη συντήρηση και τη διαθεσιµότητά τους. Πιθανότητα αποτυχηµένης εκκίνησης λειτουργίας. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 10% Μέγιστης. Μονάδες Ρύθµισης: Συγκεκριµένοι σταθµοί παραγωγής (Κωδικοί Β και Γ) µε ισοκατανοµή της απαιτούµενης ισχύος ρύθµισης. 9 9
Κριτήρια Αξιοπιστίας Λειτουργίας ΣΗΕ Κριτήριο Αξιοπιστίας 1 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που καθορίζεται από την παραγόµενη ισχύ εξόδου της µονάδας παραγωγής µε τη µέγιστη τιµή (Κριτήριο Ν-1). Κριτήριο Αξιοπιστίας 2 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος. Κριτήριο Αξιοπιστίας 3 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που αφορά τα γεγονότα ξαφνικής µείωσης της παραγόµενης ισχύος των αιολικών πάρκων - Καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος. Κριτήριο Αξιοπιστίας 4 Ισχύς κατάλληλων θερµικών σταθµών παραγωγής που είναι διαθέσιµη για µείωση σε γεγονότα ξαφνικής αύξησης της παραγόµενης ισχύος των αιολικών πάρκων (αρνητική στρεφόµενη εφεδρεία) Καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος. 10 10
ιάγραµµα Βασικών Χαρακτηριστικών της Μεθόδου Προσοµοίωσης MONTE CARLO Καταστάσεις Συστήµατος είγµατα Καταστάσεων Λειτουργίας - Βλαβών υνατές Ενέργειες Επαναφοράς Εκτίµηση Επάρκειας Συνδυασµένου Συστήµατος Παραγωγής - Μεταφοράς Σύµφωνα µε Κανόνες Ανταγωνιστική Αγοράς Καταναλωτές Εφεδρεία ιασυνδέσεις Πιθανότητα Εµφάνισης Κατάστασης Εκτίµηση Λειτουργ. Κατάστ. Υπολογισµός εικτών Αποτελέσµατα 11 11
Προσοµοίωση Λειτουργίας ΣΗΕ Εφαρµογή κατάλληλου αλγόριθµου ένταξης µονάδων παραγωγής για κάθε ώρα προσοµοίωσης. Υπολογισµός της παραγόµενης ισχύος όλων των µονάδων παραγωγής και της απορροφούµενης ισχύος που παράγεται από τα αιολικά πάρκα έτσι ώστε για κάθε ώρα προσοµοίωσης να ισχύει: Παραγόµενη Ισχύς = Ζήτηση Φορτίου Υπολογισµός της διαθέσιµης στρεφόµενης εφεδρείας του συστήµατος από κατάλληλες µονάδες παραγωγής έτσι ώστε να ικανοποιείται το Κριτήριο Αξιοπιστίας 1 ή 2 Στρεφόµενη Εφεδρεία Ισχύς Κριτηρίου (β) Το σύστηµα ευρίσκεταισε: Κατάσταση Οµαλής Λειτουργίας εάν ισχύουν οι (α) και (β). Κατάσταση Οριακής Λειτουργίας εάν ισχύει η (α) και δεν ισχύει η (β). Κατάσταση Κινδύνου εάν δεν ισχύει η (α) (δεν ισχύει ούτε η (β)). (α) 12 12
Τεχνικά Αίτια που Προκαλούν Μη Απορρόφηση της Παραγόµενης Ισχύος από Αιολικά Πάρκα I: Αφορά τη συνολική παραγόµενη ισχύ των µονάδων παραγωγής του συστήµατος που πρέπει να λειτουργούν υποχρεωτικά (τεχνικά ελάχιστα, υποχρεωτική λειτουργία). II: Αφορά την επιπρόσθετη παραγόµενη ισχύ των µονάδων ρύθµισης σύµφωνα µε το σχετικό Κριτήριο Αξιοπιστίας 4 (αρνητική στρεφόµενη εφεδρεία). III: Αφορά τις απαιτήσεις της στρεφόµενης εφεδρείας του συστήµατος σύµφωνα µε τα Κριτήρια Αξιοπιστίας 1 ή 2 και 3. ΙV:Αφορά τις ξαφνικές µεταβολές της παραγόµενης ισχύος από αιολικά πάρκα (όρια µεταβολών). V: Αφορά την ασφάλεια λειτουργίας των ΣΗΕ µε την εφαρµογή ενός λειτουργικού ορίου της µέγιστης επιτρεπόµενης στάθµης αιολικής διείσδυσης (Εφαρµόζεται κύρια στα αποµονωµένα συστήµατα). 13 13
Ενεργός Φόρτιση Αιολικών Πάρκων (Capacity Credit) - είκτης ποσοτικοποίησης της ικανότητας να παρέχουν ισχύ όταν απαιτείται. - Αντικατάσταση από θερµικούς σταθµούς έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ίδια στάθµη αξιοπιστίας λειτουργίας του συστήµατος. - είκτης της Αναµενόµενης Μη Τροφοδοτούµενης Ενέργειας (LOEE). - Αντικατάσταση µε Αεριοστροβίλους ή Μηχανές Εσωτερικής Καύσης. - Ενεργός φόρτιση περίπου ίση µε 15-20% για τα Ελληνικά Νησιωτικά ΣΗΕ (για άλλα συστήµατα αναφέρεται 10% περίπου). - Βασική αιτία αυξηµένης τιµής η συσχέτιση των καµπυλών τηςαιολικήςπαραγωγήςκαιτηςζήτησηςφορτίουστις διαφορετικές ώρες της ηµέρας. 14 14
Τεχνικές Σχεδιασµού ΣΗΕ µε Κριτήρια Αξιοπιστίας Λειτουργίας Αιτιοκρατικά Κριτήρια Εκατοστιαία Εφεδρεία σε σχέση µε τη συνολική εγκατεστηµένη ισχύ ή την αιχµή ζήτησης φορτίου Απώλεια Μεγαλύτερης Μονάδας Παραγωγής (Ν-1). Πιθανοτική Ανάλυση - Ιεραρχική Στάθµη Ι: Σύστηµα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (Μέθοδος συχνότητας και διάρκειας, Ρ.Μ.Π..) - Ιεραρχική Στάθµη ΙΙ: Συνδυασµένο Σύστηµα Παραγωγής και Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας - Ιεραρχική Στάθµη ΙΙΙ: Συνολικό Σύστηµα (Παραγωγή - Μεταφορά - ιανοµή) 15 15
Επιπτώσεις του Περιβάλλοντος της Ανταγωνιστικής Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Αξιοπιστία Λειτουργίας των ΣΗΕ Απειλή από τις ελλείψεις στην παραγωγή ισχύος και από τους περιορισµούς που υπάρχουν στις εγκαταστάσεις των συστηµάτων µεταφοράς και διανοµής (προβλήµατα στην ανάπτυξη δικτύων, περιβαλλοντικοί λόγοι). Αύξηση των µονάδων παραγωγής από ΑΠΕ που παρουσιάζουν στοχαστικά µεταβαλλόµενη παραγόµενη ισχύ (ταχύτητα ανέµου, βροχοπτώσεις, ηλιοφάνεια, κ.λ.π.) και γενικότερα των εγκαταστάσεων διασπαρµένης παραγωγής. 16 16
Επιπτώσεις του Περιβάλλοντος της Ανταγωνιστικής Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Αξιοπιστία Λειτουργίας των ΣΗΕ (συνέχεια) Καθορισµός των απαιτήσεων για στρεφόµενη εφεδρεία ισχύος Νέες συνθήκες: Πραγµατική ικανότητα του συστήµατος παραγωγής Θεώρηση της διασπαρµένης παραγωγής Καθορισµός νέων απαιτήσεων θεωρώντας τις επιπτώσεις της ξαφνικής αύξησης ή µείωσης της παραγόµενης ισχύος από εγκαταστάσεις ΑΠΕ Υψηλή στάθµη διείσδυσης αιολικής παραγωγής 17 17
Επιπτώσεις του Περιβάλλοντος της Ανταγωνιστικής Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Αξιοπιστία Λειτουργίας των ΣΗΕ ιαπιστώσεις: (συνέχεια) - Οι Παραγωγοί διαθέτουν εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος αλλά δεν είναι υπεύθυνοι για την επάρκεια της παραγόµενης ισχύος του συστήµατος (ενδιαφέρονται µόνο για τους πελάτες τους). - Ο ιαχειριστής Συστήµατος είναι υπεύθυνος για την αξιόπιστη λειτουργία του συστήµατος (επάρκεια ισχύος, ασφάλεια, κ.λ.π.) αλλά δεν διαθέτει εγκαταστάσεις παραγωγής ισχύος που µπορούν να ελέγξουν τη λειτουργία του (µακροπρόθεσµος - βραχυπρόθεσµος χρονικός ορίζοντας). - Κώδικες Συστήµατος. - Χρήση Επικουρικών Υπηρεσιών. 18 18
Αξιολόγηση της Χρήσης των Αιτιοκρατικών Κριτηρίων Σχεδιασµού και Λειτουργίας Έχουν στατικό χαρακτήρα (ικανοποίηση κριτηρίου ή µη ικανοποίηση). εν λαµβάνεται υπόψη ότι οι βλάβες των στοιχείων του συστήµατος µπορούν να συµβούν µε διαφορετικέςτιµές συχνότητας και έχουν διαφορετικές επιπτώσεις. εν λαµβάνεται υπόψη η µεταβολή της ζήτησης φορτίου κατά τη διάρκεια του έτους (χρονολογική καµπύλη). εν λαµβάνεται υπόψη η στοχαστικότητα των ΑΠΕ (βροχοπτώσεις, άνεµος, ηλιοφάνεια). εν υπολογίζονται δείκτες που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε µελέτες αξιολόγησης εναλλακτικών σχεδιασµών. Κριτήριο Ν-1: Αποτελεί κύρια το κριτήριο ασφάλειας λειτουργίας. 19 19
Κόστος Αξιοπιστίας της Παροχής Ηλεκτρικής Ισχύος στους Καταναλωτές (Πελάτες) (Κόστος Απωλειών στους καταναλωτές από τις διακοπές της παροχής ηλεκτρικής ισχύος) Κόστος Συνολικό κόστος Κόστος Απωλειών Κόστος συστήµατος Βέλτιστη στάθµη Αξιοπιστία-Ποιότητα Βέλτιστη Στάθµη της ποιότητας παροχής ηλεκτρικής ισχύος 20 20
Συναρτήσεις Κόστους Αξιοπιστίας ( ιακοπών) για Βιοµηχανικούς Καταναλωτές σε 3 Χώρες 1$=0,88EURO, 1UK P=1,6$, 1$CAN=0,66$ 21 21
Ποιότητα Παροχής Ηλεκτρικής Ισχύος (Quality of Supply) εν υπάρχει ένας κοινά αποδεκτός ορισµός Περιλαµβάνει: ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΠΑΡΟΧΗΣ: ιαθεσιµότητα ισχύος στους ζυγούς παροχής (Ολική ή Μερική Απώλεια Συνεχείας) ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΑΣΗΣ: Χαρακτηριστικά της κυµατοµορφής της τάσης στους ζυγούς παροχής Ένας ευρύτερος ορισµός θα µπορούσε να συµπεριλάβει τις ΣΧΕΣΕΙΣ ΜΕ ΤΟΥΣ ΠΕΛΑΤΕΣ 22 22
Ποιότητα Παροχής Ηλεκτρικής Ισχύος Αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον µετά τις δραστικές αλλαγές που έχουν συµβεί και στο νέο θεσµικό ανταγωνιστικό περιβάλλον της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελούσε στόχο σε εθνικό επίπεδο. Αποτελεί θέµα εµπορικής συναλλαγής µεταξύ των εταιρειών παροχής ηλεκτρισµού και των πελατών τους. Ήταν µία παράµετρος της ανάλυσης των συστηµάτων παροχής ηλεκτρικής ενέργειας µε σαφείς επιπτώσεις. Είναι µία παράµετρος που έχει σαφείς επιπτώσεις στις οικονοµικές συναλλαγές. 23 23
Βασικοί είκτες: Αξιοπιστία Παροχής Ηλεκτρικής Ισχύος σε Καταναλωτές (Πελάτες) Ρυθµός βλαβών (διακοπών) σε γεγ./έτος Μέσος χρόνος διακοπών σε ώρες Συνολικός χρόνος διακοπών σε ώρες/έτος Μη Τροφοδοτούµενη Ενέργεια σε ΜWh/έτος Μέσο Μη Τροφοδοτούµενο Φορτίο σε ΜW Κύρια Αίτια: Τεχνικοί περιορισµοί που προκαλούνται από ενδεχόµενα βλαβών στις γεννήτριες ή στον εξοπλισµό των συστηµάτων µεταφοράς και διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας. Εµπορικές Συναλλαγές: Κόστος παροχής σε ένα από τα συµβαλλόµενα µέρη µεγαλύτερο από το σχετικό πρόστιµο για τη µη τήρηση των όρων της σύµβασης (π.χ. Κόστος συµφόρησης µεγαλύτερο από το πρόστιµο). 24 24
Αξιοπιστία Παροχής Ηλεκτρικής Ισχύος σε Καταναλωτές (Πελάτες) Υπολογισµός εικτών: ιεθνείς οργανισµοί έχουν καθορίσει ένα σύνολο δεικτών για τους καταναλωτές (πελάτες) οι οποίοι πρέπει να υπολογίζονται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισµού. Ανάπτυξη κατάλληλων και αποδοτικών συστηµάτων που επιτρέπουν τη συλλογή δεδοµένων για τη λειτουργική απόδοση των συστηµάτων (βλάβες εξοπλισµού και διακοπές παροχής ισχύος σε πελάτες). 25 25
Κύρια χαρακτηριστικά: Ποιότητα Τάσης Συχνότητα, µέγεθος, κυµατοµορφή, συµµετρία φάσεων Κύρια προβλήµατα: αποκλίσεις από την ονοµαστική συχνότητα αποκλίσεις από τις ανοχές του µεγέθους της τάσης βυθίσεις τάσης µεταβατικές υπερτάσεις αρµονικές ασυµµετρία φάσεων 26 26
Ποιότητα Τάσης (συνέχεια) Καταγραφή των αιτίων που δηµιουργούν τα προβλήµατα, των επιπτώσεων και των µεθόδων για τον περιορισµό τους Σε διάφορες χώρες έχουν καθορισθεί όρια για τα κύρια χαρακτηριστικά της ποιότητας τάσης στα συστήµατα µεταφοράς και διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας 27 27
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ηυψηλή στάθµη διείσδυσης των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και το νέο πλαίσιο αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας προκαλούν σοβαρές επιπτώσεις στην Αξιοπιστία Λειτουργίας των ΣΗΕ και ιδιαίτερα των αυτόνοµων ΣΗΕ Απαιτούνται Βελτιωµένες ή Νέες Μέθοδοι για το Σχεδιασµό και τη Λειτουργία τους λαµβάνοντας υπόψη τους είκτες Αξιοπιστίας τους Υπάρχει ανάγκη για θεώρηση του κόστους αξιοπιστίας της τροφοδότησης των πελατών των ΣΗΕ στις µελέτες κόστους οφέλους των απαιτούµενων ενισχύσεων των εγκαταστάσεων παραγωγής, µεταφοράς και διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας Υπάρχει ανάγκη για τη θεώρηση των θεµάτων που αφορούν την ποιότητα τάσης 28 28