Priključenje distribuirane proizvodnje na mrežu

Objašnjen je utjecaj distribuirane proizvodnje na padove i promjene napona, gubitke, kvalitetu električne energije, struje kratkih spojeva i regulacijsku grešku sustava.

Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih pedeset godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori preko transformatora injektirali električnu snagu u visokonaponsku prijenosnu mrežu. Zatim je prijenosni sustav korišten za transport snage, često i na velikim udaljenostima. Na kraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatora usmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mrežu prema potrošačima. Međutim, odnedavna se ponovo pojavilo značajno zanimanje za priključenjem proizvodnih objekata na distribucijsku mrežu. Ova je namjera poznata kao distribuirana proizvodnja električne energije [1][2][4][5]. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetsku vrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog čega su njihove elektrane manje veličine te geografski široko raspodijeljene. Na primjer, vjetroelektrane treba smjestiti u vjetrovitim područjima, dok su elektrane na biomasu obično skromnog kapaciteta zbog troškova transporta goriva relativno male energetske vrijednosti. Te male elektrane priključuju se uglavnom na distribucijsku mrežu. Do pojave povećanog zanimanja za distribuiranu proizvodnju u posljednjih nekoliko godina došlo je zbog više utjecaja (smanjenje emisije CO2, programi energetske učinkovitosti ili racionalnog korištenja energije, deregulacija i natjecanje, diverzifikacija energetskih izvora…). Distribuirana proizvodnja po nekim analizama u bliskoj budućnosti postati će značajniji izvor energije u elektroenergetskim sustavima nego što je to sada. Distribuirana proizvodnja uglavnom se bazira na obnovljivim izvorima energije, pa zbog toga postaje sve popularnija zbog neznatnog zagađenja okoline. Utjecaj na okoliš jedan je od značajnijih faktora u razmatranju priključenja novih proizvodnih objekata na mrežu. Uz zabrinutost o emisiji štetnih plinova iz elektrana na fosilna goriva, obnovljivi izvori dobivaju svoju priliku. Na temelju Kyoto protokola mnoge zemlje trebaju smanjiti emisiju CO2 kako bi se smanjio utjecaj na klimatske promjene.

Liberalizacija tržišta električnom energijom dodatno utječe na potrebu razmatranja tehničkih aspekata priključenja obnovljivih izvora distribuirane naravi osobito na distribucijsku mrežu. Zbog specifičnosti ovih proizvodnih objekata i njihovog značajnog udjela, njihov utjecaj na elektroenergetski sustav postati će vrlo bitan.

Zemlje EU imaju vrlo prodoran i ambiciozan plan ohrabrivanja uvođenja novih obnovljivih izvora. Cilj koji je unutar EU postavljen temeljem smanjenja CO2 iznosi 12% proizvodnje iz obnovljivih izvora do 2010 godine uz prepoznati teorijski potencijal. Različite su brzine razvoja različitih oblika distribuirane proizvodnje. Trenutno najveći porast među obnovljivim izvorima imaju vjetroelektrane. Značajan dio očekivanog porasta među vjetroelektranama pripada izgradnji na površini mora [3]. Razlozi koji dovode do povećanja udjela distribuiranih izvora nisu izravno ovisni o strukturi tržišta. U svim zemljama koje nemaju izrazito niske troškove proizvodnje poput Norveške, distribuirani izvori imaju značajnu ulogu u budućim planovima.

DEFINICIJA DISTRIBUIRANE PROIZVODNJE

U literaturi veliki broj pojmova veže se za distribuiranu proizvodnju. Distribuirana proizvodnja relativno je novi pojam koji je stekao veliku popularnost. Isto tako, postoje i različite definicije u odnosu na instaliranu snagu jedinica distribuirane proizvodnje. Tako se na različitim mjestima na svijetu distribuiranom proizvodnjom smatraju elektrane različitih graničnih snaga: do 25 MW, do 50 MW, do 100 MW. Međutim, u Švedskoj se pod distribuiranom proizvodnjom definiraju jedinice snage manje od 1,5 MW, što se uglavnom odnosi na vjetroelektrane, ali se tako vjetroelektranski park sa preko 100 MW instalirane snage također smatra distribuiranom proizvodnjom zbog toga što je načinjen od jedinica snage manje od 1,5 MW. Na Novom Zelandu se distribuiranom proizvodnom smatraju generatorske jedinice do 5 MW, u Engleskoj se distribuiranom proizvodnjom smatraju jedinice manje od 50 MW. Postoji termoelektrana toplana u Berlinu, električne snage od 300 MW, priključena na jaku distribucijsku mrežu 110 kV i 35 kV naponske razine, što je ekstremni slučaj. Tako, instalirana snaga jedinica distribuirane proizvodnje može varirati od nekoliko kW do 300 MW.

Definicija distribuirane proizvodnje preko naponske razine nije povoljna. Distribuirani izvori ( osim vjetroelektrana ) najčešće su priključeni u blizini potrošača u distribucijskoj mreži što u principu pomaže u smanjivanju gubitaka u prijenosnom sustavu. Zbog distribuirane proizvodnje u vrijeme malog opterećenja, distribucijska mreža može čak predavati energiju prijenosnoj mreži. Najprikladnija opća definicija bila bi:Distribuirana proizvodnja je svaki izvor električne energije koji je priključen direktno na distribucijsku mrežu, ili je sa potrošačeve mjerne strane [2].

Po instaliranoj snazi, distribuirani izvori mogu se podijeliti na:

Mikro < 5 kW
Male 5 kW < 5 MW
Srednje 5 MW < 50 MW
Velike 50 MW < 300 MW

Proizvodne tehnologije koje se koriste u distribuiranoj proizvodnji su raznolike i većina ih koristi obnovljive izvore energije kao što su: vjetar, biomasa, toplina i svijetlost sunca, energija plime i oseke oceana i geotermalna energija. Ovi izvori sastoje se od više malih jedinica, od kojih je svaka nezavisna i lako se i brzo instalira. Kvar jedne jedinice ne utječe na rad ostalih i nove jedinice mogu se lako naknadno dodavati i na taj se način povećava instalirana snaga. Vjetroelektranski park može imati i preko 100 nezavisnih jedinica na relativno malom prostoru. Instalirana električna snaga jedinica na nekonvencionalna goriva varira u velikom opsegu, što znači da su one vrlo prilagodljive primarnom izvoru energije koju koriste.

Tipični su slijedeći opsezi instaliranih snaga proizvodnih jedinica:

Mikro hidro 25 kW – 1 MW
Male hidro 1 MW – 100 MW
Biomasa 0,1 MW – 20 MW
Vjetroelektrane 200 W – 3 MW
Toplina energije sunca 1 MW – 10 MW

Vrlo važan vid korištenja distribuirane proizvodnje je i kombinirana proizvodnja topline i električne energije koji se troše lokalno.

PRIKLJUČENJE NA DISTRIBUCIJSKU MREŽU

Prema dosadašnjem standardnom promišljanju, uloga distribucijske mreže pasivne je naravi i svodi se na distribuiranje električne energije industrijskim potrošačima i domaćinstvima. U svijetu novih tendencija koje idu za primjenom distribuirane proizvodnje, javlja se potreba za distribucijskom mrežom aktivne naravi. Aktivna distribucijska mreža treba udovoljiti zahtjevima onih potrošača koji svoju potrošnju mogu namiriti vlastitom lokalnom proizvodnjom te višak plasirati u mrežu.

Postoje dva osnovna pristupa planiranju priključenja distribuiranih izvora na mrežu: obzirom na zahtjeve potrošača ili obzirom na pojednostavljena pravila [4]. Oba pristupa imaju istu pozadinu koja se odnosi na ograničenost kvalitete napajanja potrošača. Općenito se u drugom pristupu ne jamči kvaliteta napajanja u situacijama s velikom gustoćom distribuiranih izvora. Ipak, česte su situacije u kojima se izvori priključuju obzirom na zahtjeve potrošača kada to pojednostavljena pravila o priključenju na mrežu ne dozvoljavaju. U Njemačkoj, Danskoj, Španjolskoj i Nizozemskoj su prihvatljive vrijednosti promjene napona u stacionarnom stanju znatno restriktivnije u usporedbi s vrijednostima definiranim u EN50160 (±10%). Restriktivnost je motivirana pretpostavkom prema kojoj ukupni prihvatljivi raspon sa stajališta potrošača ne smije biti predviđen samo za jedan distribuirani izvor već treba biti raspodijeljen između potrošača i distribuiranog izvora.Distribucijske mreže, za razliku od prijenosnih, nisu projektirane za priključenje proizvodnje. Priključenje distribuirane proizvodnje ima utjecaj na snage kratkog spoja, relejnu zaštitu, gubitke, napone i kvalitetu električne energije. Utjecaj distribuirane proizvodnje ovisi od snage jedinica, njihovog broja, lokacija u mreži i topologije primijenjene za proizvodnju električne energije. Za generatore snaga većih od nekoliko MW, koriste se sinkroni generatori ( dizel agregati, plinske turbine, biomasa, toplina energije sunca ). Za generatore srednje i male veličine ( snage manje od nekoliko MW, što je tipično za vjetroelektrane ) uglavnom se koriste asinkroni generatori koji su jeftiniji nego sinkroni generatori, ali imaju lošije karakteristike po pitanju proizvodnje i regulacije jalove snage. Da bi se nadomjestio nedostatak proizvodnje jalove snage određenih tipova distribuirane proizvodnje, koriste se kondenzatorske baterije i energetski pretvarači.

PADOVI NAPONA

Za razliku od prijenosnih mreža gdje je reaktancija dalekovoda mnogo veća od njegovog otpora ( X/R>5), kod distribucijskih mreža otpor dalekovoda jednak je ili veći od reaktancije. U prijenosnoj mreži, zbog toga na padove napona prevladava utjecaj tokova jalove snaga, dok u distribucijskoj mreži na napone značajno utječu tokovi i jalove i djelatne snage. Sukladno tome distribuirana proizvodnja, kao proizvođač uglavnom djelatna snage, ima značajan utjecaj na naponske prilike u distribucijskoj mreži.

Zbog radijalnog karaktera distribucijske mreže, naponi su najmanji na krajevima mreže, a isto tako su i promjene napona najveće na krajevima dalekovoda. Promjene napona izraženije su ako je potrošnja koncentrirana na krajevima mreže i javljaju se kada se mijenja struja koja teče uzduž dalekovoda, tj. kada se mijenja djelatno i jalovo opterećenje u mreži. Regulacija napona u distribucijskim mrežama najčešće se vrši uključivanjem kondenzatorske baterije ili podešavanjem položaja na transformatoru sa promjenjivim prijenosnim omjerom. Kada u distribucijskoj mreži postoji proizvodnja, pristupanje regulaciji napona sa mijenjanjem prijenosnog omjera transformatora u transformatorskoj stanici nije povoljno, jer takvo pristupanje podrazumijeva stalan pad napona uzduž vodova. Ako u distribucijskoj mreži postoji proizvodnja, tada, polazeći od glavne transformatorske stanice, promjena napona ne mora uvijek biti opravdavajuća, već se može javiti i porast napona.Ako distribuirana proizvodnja radi koordinirano sa opterećenjem, tj. ako povećava svoju proizvodnju kako se povećava i lokalno opterećenje, ili je pak konstantna u vremenu, tada će se tok struje uzduž voda koji povezuje glavnu transformatorsku stanicu i opterećenje sa distribuiranom proizvodnjom smanjiti u odnosu na slučaj bez distribuirane proizvodnje i tako će se smanjiti promjene između maksimalnog i minimalnog napona. Međutim, ako distribuirana proizvodnja radi nezavisno od opterećenja, što je slučaj kod stohastičkih izvora kao što su vjetroelektrane, promjene napona mogu se povećati jer će napon pri malom opterećenju i velikom injektiranju biti povećan. Ako vjetroelektrane injektiraju snagu u mrežu za vrijeme malog opterećenja, ali ne i za vrijeme vršnog, tada će one utjecati na povećanje promjena napona. Dakle, distribuiranom proizvodnjom naponi se mogu po potrebi povećavati, ali se mogu povećavati i promjene napona u mreži.Ako se koriste generatorske jedinice koje imaju mogućnost proizvodnje i regulacije jalove snage, kao što su sinkroni generatori ili dvostrano napajani asinkroni motori, tada se distribuirana proizvodnja može koristiti za regulaciju napona u mreži i može se ostvariti konstantna vrijednost napona reguliranjem proizvodnje jalove snage. To predstavlja i značajno injektiranje jalove snage u blizini potrošača na distribucijskoj razini.

GUBICI

Distribuirana proizvodnja smanjuje gubitke u distribucijskoj i prijenosnoj mreži, zato što svojim injektiranjem u lokalnu potrošnju smanjuje tok snage uzduž voda koji povezuje potrošačko čvorište sa transformatorskom stanicom. Tok snage uzduž voda distribucijske mreže biti će ., gdje je Ppotr. koncentrirana snaga potrošnje, a Pinjek. injektiranje distribuirane proizvodnje. Da nema distribuiranog injektiranja, ta energija mogla bi biti uzeta iz prijenosne mreže, tako da su smanjeni i gubici u prijenosnoj mreži. Pored toga, distribuirana proizvodnja svojim injektiranjem smanjuje opterećenje glavne transformatorske stanice, što doprinosi smanjenju radne temperature transformatora, a samim time produljivanje životnog vijka transformatora i lakše održavanje. Distribuirana proizvodnja može odgoditi ugrađivanje dodatnih transformatora i izvođenje dodatnih pojačanja u dijelovima distribucijske mreže uslijed povećanja potrošnje, tako da su financijske koristi od distribuirane proizvodnje višestruke.

KVALITETA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Jedan od problema koje distribuirana proizvodnja nosi sa sobom je i problem kvalitete električne energije. Vrlo je važno da svaka nova jedinica distribuirane proizvodnje priključena na mrežu bude promatrana i kontrolirana, da bi se izbjeglo smanjenje kvalitete električne energije i pouzdanosti i povećanje nestabilnosti. Najveći utjecaj distribuirane proizvodnje na kvalitetu električne energije je na naponske flikere i harmonike. Naponski flikeri stvaraju oscilacije vrijednosti napona koje se ponavljaju, a izazivaju vidom zamjetljivo kolebanje ( treperenje ) svjetlosne gustoće, a najčešći uzrok toga su brze promjene opterećenja. Ali, i distribuirana proizvodnja može doprinijeti stvaranju naponskih flikera u distribucijskim mrežama, uslijed pokretanja nove veće jedinice, nagle promjene injektiranja jedinice i loše interakcije između distribuirane proizvodnje i opreme za regulaciju napona. Vjetroelektrane mogu stvarati naponske flikere u mreži i zbog većih promjena brzine vjetra, a samim time i injektiranja. Flikeri se mogu smanjiti ako se smanje struje pokretanja jedinice korištenjem suvremenih pretvarača za vezu sa mrežom.

Harmonike u mreži unose pretvarači preko kojih je distribuirana proizvodnja povezana na mrežu. Harmonici povećavaju gubitke, mogu oštetiti osjetljivu opremu i smanjiti životni vijek motora, transformatora i kondenzatorskih baterija. Amplituda i red harmonika koje unose DC/AC pretvarači ovise od primijenjene tehnologije.

UTJECAJ NA KRATKE SPOJEVE

Distribuirana proizvodnja utječe na povećanje struja kratkog spoja u distribucijskoj mreži. Utjecaj koji distribuirana proizvodnja ima na struje kratkog spoja vrlo je složen i ovisi od mnogih faktora kao što su: tehnologija distribuirane proizvodnje, položaj u mreži, radno stanje… Problem se javlja zbog toga što se struje kratkog spoja razlikuju za različite kombinacije priključenja distribucijskih generatora na mrežu.

Priključenje distribuiranih izvora koji imaju izravno spojene sinkrone ili asinkrone generatore može doprinijeti povišenju snage kratkog spoja iznad sposobnosti mrežne opreme. Snaga kratkog spoja je uobičajeno najvećeg iznosa u čvorištu VN/SN transformatora. U ovisnosti o konfiguraciji mreže, snaga kratkog spoja u tom čvorištu može doći na gornju granicu čak i kada u srednjenaponskoj mreži nema dodatnog izvora snage. Sukladno tome, u slučaju integriranja distribuiranih izvora potrebno je provjeriti snagu kratkog spoja za svaki pojedinačni slučaj priključenja te ukoliko se pokaže neophodnim i zadržati njen iznos unutar dozvoljenog raspona korištenjem odgovarajućih mjera unutar elektrane.

UTJECAJ DISTRIBUIRANE PROIZVODNJE NA REGULACIJSKU GREŠKU

Paralelno sa trendom proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora, naročito uz pomoć vjetra, javlja se i nezanemariv problem u reguliranju elektroenergetskog sustava. Jedna od glavnih prepreka na putu ka većim instalacijama snage u vjetru u postojećim sustavima je stohastičko ponašanje snage injektirane pomoću vjetra. Uslijed nepredvidivosti brzine vjetra, tj. nepredvidivosti energije koju nosi vjetar, injektirana snaga jednog generatora i cijelog vjetroelektranskog parka nepredvidiva je na isti način. Tako se elektroenergetski sustav sa velikom količinom energije injektirane pomoću vjetra susreće sa rastućim problemima nepredvidivosti tokova snaga i održavanja male regulacijske greške. Sa promjenom brzine vjetra javljaju se i oscilacije injektirane snage. Najkritičnije stanje je ono pri kome brzina vjetra nadmašuje maksimalno dozvoljenu brzinu, tako da se turbina zaustavlja ( prestaje se okretati ). U ovom slučaju, nema injektiranja od strane vjetroelektrana i ako se to dogodi kod većine instaliranog kapaciteta u vjetroelektranama, nužno je da se aktivira brza djelatna pričuva. Za elektroenergetski sustav sa nekoliko većih vjetroelektranskih parkova ovaj slučaj je ekvivalentan nepredvidivom ispadu nekoliko termo blokova.

Kada se pojavi iznenadni nedostatak djelatne snage iz gore navedenih razloga, sustav će u prvim trenucima poslije poremećaja apsorbirati ovaj manjak iz susjednih sustava, dok se manjak proizvodnje koji je prouzročio regulacijsku grešku ne nadoknadi iz vlastitih pričuva. Problemi su posebno veliki za polje rada sa samo termo proizvodnjom i proizvodnjom iz vjetroelektranskog parka, zato što su termo jedinice nepovoljne za brze promjene proizvodnje. Pored raspoložive brzine povećanja proizvodnje sustava, isto tako i geometrijski raspored vjetroelektrana u vjetroelektranskom parku ima vrlo veliki utjecaj na energiju regulacijske greške. Veliki postotak snage sustava instalirane u vjetroelektranskom parku zahtjeva dodatnu rotirajuću pričuvu i pričuvu u regulaciji za kompenziranje neželjenih odstupanja polja rada. Ova pričuva dio je instaliranih kapaciteta, koja se ne koristi za proizvodnju, a taj dio mora biti znatno veći u slučaju elektroenergetskog sustava sa velikim postotkom proizvodnje električne energije iz vjetroelektranskog parka.

ZAKLJUČAK

Trend sve većeg uvođenja distribuirane proizvodnje u distribucijsku mrežu donosi mnoge povoljnosti, ali i mnoge probleme. Pored navedenih proizvodnih aspekata uvođenja distribuirane proizvodnje, njena najveća prednost je što je u najvećoj mjeri bazirana na obnovljivim izvorima energije.

Distribuirana proizvodnja električne energije postala je čestim predmetom polariziranih tehničkih diskusija. S jedne se strane nalaze inženjeri motivirani iskustvenim spoznajama o složenosti pogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarne ostvarivosti masovnog uvođenja nereguliranih i neupravljivih generatora u distribucijsku mrežu. S druge se pak strane nalaze entuzijastični zagovarači izvora obnovljive energije, koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nužno treba uvoditi u pogon kako bi se ispunili zahtjevi za smanjenjem emisije CO2. Štoviše, obnovljivi izvori povećavaju samoodrživost elektroenergetskog sustava u slučajevima eventualne energetske krize u proizvodnji električne energije koja je danas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.Izgradnja distribuiranih izvora u većem broju zasigurno utječe na gotovo sve dijelove sustava opskrbe električnom energijom. Osnovne karakteristike obilježava neizvjesnost pridruženja njihovoj izlaznoj snazi te ponekad čak i nedostatno poznavanje njihovog instaliranog kapaciteta. Stoga se gotovo uvijek javlja zahtjev za izgradnjom snažnih i prilagodljivih mreža u blizini distribuiranih izvora. Ponekad se zahtjevi postavljaju sve do visokonaponske razine ukoliko je povećana potreba za trgovanjem snagom i pričuvom u sustavu. Zamjena električne energije isporučene iz velikih konvencionalnih proizvodnih objekata s energijom iz distribuiranih izvora utječe na pogon mreže, zahtjeve za pričuvom, regulacijom frekvencije… U distribucijskim mrežama, izgradnja distribuiranih izvora može povećati potrebu za mrežnom moći i stvoriti dodatne troškove pri planiranju. Ukoliko su uključeni u sustav središnjeg upravljanja, distribuirani izvori mogu imati pozitivan utjecaj na sustav u obliku povećanja pouzdanosti.

1.LITERATURA

 

  • [1] Interaction between distributed generation and the distribution network, Thomas Ackermann, Valerz Knyazkin
  • [2] Distributed generation: a definition, Thomas Ackermann
  • [3] Grid connection and remote control for the Horns Rev 150 MW offshore wind farm in Denmark, Christiansen P.
  • [4] Impact of increasing contribution of dispersed generation on the power system, CIGRE
  • [5] Distributed energy sources: Technical challenges, Hatziargyriou N.Damir Meglić, ing.el. HEP-ODS d.o.o „ELEKTRA“ ZABOKčlanak za časopis ELEKTRIKA