otočno obratovanje z razpršenimi virilrf.fe.uni-lj.si/e_rio/seminarji1516/... · nove proizvodne...

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/2016

1

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

Otočno obratovanje z razpršenimi viri

Seminar pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja

Seminar izdelal: Anže Erjavec

Izvajalec predmeta: prof. dr. Grega Bizjak, univ. dipl. inž. el.

Študijsko leto 2015/16


2

Kazalo

1. Uvod ................................................................................................................................... 3

2. Razpršena proizvodnja ....................................................................................................... 4

2.1 Razpršena in porazdeljena proizvodnja ....................................................................... 4

2.2 Prednosti in slabosti razpršene proizvodnje ................................................................. 4

2.3 Soproizvodnja (kogeneracija) toplotne in električne energije ..................................... 6

3. Definicija virov ................................................................................................................... 7

3.1 Splošno o sončni celici ................................................................................................ 7

3.1.1 Električni parametri sončnih celic ..................................................................... 8

3.2 Splošno o vetrnih turbinah ........................................................................................... 9

3.3 Splošno o gorivnih celicah ......................................................................................... 11

3.4 Mikro-hidroelektrarne ................................................................................................ 12

4. Otočno obratovanje z razpršenimi viri ............................................................................. 13

4.1 Primer nenačrtovanega otočnega delovanja fotonapetostnih modulov ..................... 15

4.2 Metode za odkrivanje nenačrtovanega otočnega obratovanja ................................... 17

4.2.1 Pasivna zaščita ...................................................................................................... 17

4.2.2 ROCOF zaščita ..................................................................................................... 19

4.2.3 Aktivna zaščita ..................................................................................................... 20

4.3 Načrtovano otočno obratovanje ................................................................................. 21

4.3.1 Otočno obratovanje v industrijskih obratih .......................................................... 22

4.3.1.1 Mikro otok ....................................................................................... 23

6. Vprašanja in domača naloga ............................................................................................. 24

7. Viri .................................................................................................................................... 25


3

1. Uvod

Pri predmetu razdelilna in industrijska omrežja smo dobili navodila, da izdelamo

seminarsko nalogo na izbrani naslov. Naslov moje seminarske naloge je otočno

obratovanje z razpršenimi viri. V prvem delu seminarske naloge bom predstavil kaj

sploh so razpršeni viri in katere proizvodne enote štejemo mednje. V nadaljevanju

naloge bom na splošno opisal vire ki spadajo med razpršeno proizvodnjo električne

energije. V tretjem delu pa se bom posvetil otočnemu obratovanju teh virov. Poizkušal

bom obrazložiti prednosti in slabosti otočnega obratovanja in zakaj se temu načinu

sploh poslužujemo.


4

2. Razpršena proizvodnja

2.1 Razpršena in porazdeljena proizvodnja

Razpršena proizvodnja (angl. dispersed genaration) pomeni proizvodnjo električne energije v bližini mesta porabe. Priključena je lahko na javno elektroenergetsko omrežje ali na izolirano omrežje. Razpršena proizvodnja se nanaša samo na manjše proizvodne enote moči od 1 do 250kW, ki ponavadi napajajo posamezne stanovanjske enote ali manjša podjetja in obratujejo na napetosti do 1kV. Proizvodne enote, značilne za razpršeno proizvodnjo, so vetrne turbine, male in mikro-hidroelektrarne, sončne celice, dieselski agregati ter gorivne celice. Poleg razpršene proizvodnje je definirana tudi porazdeljena proizvodnja (angl. distrubuted generation). Ta se nanaša na proizvodnjo električne energije v poljubnih točkah omrežja in ni omejena samo na mestu porabe. Porazdeljena proizvodnja vključuje tudi večje proizvodne enote moči do 10.000 kW. Proizvodne enote so lahko priključene na nizkonapetostno ali srednje napetostno omrežje, ki je lahko del javnega elektroenergetskega omrežja ali pa obratuje kot izolirano omrežje. V prejšnjem odstavku opisano razpršeno proizvodnjo tako lahko obravnavamo kot del porazdeljene proizvodnje, ki se nanaša na manjše moči in na mesta uporabe.

2.2 Prednosti in slabosti razpršene proizvodnje

Še vedno velja, da so večji generatorji bolj učinkoviti in da so skupni stroški proizvodnje za večje elektrarne glede na proizvedeno energijo manjši. Kljub temu pa ima razpršena proizvodnja določene prednosti, ki jih opisujem v nadaljevanju. Učinkovitost pretvorbe energije fosilnih goriv v električno znaša pri velikih termoelektrarnah od 28% do 35%. V nasprotju s tem znaša izkoristek gorivnih celic manjših moči in izkoristek nekaterih plinskih turbin, primernih za razpršeno proizvodnjo, približno 45%. Pri tem je razlika predvsem v tem, da razpršena proizvodnja uporablja moderne in izpopolnjene proizvodne enote z visoko tehnologijo, medtem ko je tehnologija termoelektrarn v povprečju stara 20 let. Če pa primerjamo nove proizvodne enote enake tehnologije, je prednost še vedno na strani večjih enot.


5

Razlika med majhnimi in velikimi proizvodnimi enotami glede skupnih stroškov proizvodnje na proizvedeno energijo se je v preteklosti zmanjšala. Tako so bili sredi 20. stoletja stroški za 1 kWh električne energije, proizvedene z manjšimi proizvodnimi enotami, okrog 60 % višji od stroškov večjih enot, ob koncu 20. stoletja pa je ta razlika znašala le še 30%. Vprašamo se lahko, zakaj torej uporabljati razpršeno proizvodnjo, če ni cenejša in bolj učinkovita. Eden izmed odgovorov je v tem, da je razpršena proizvodnja locirana na mestu porabe, kar pomeni, da nimamo stroškov prenosa in razdeljevanja, ki v določenih primerih lahko predstavljajo velik strošek. Stroški prenosa in razdeljevanja so v zadnjih tridesetih letih opazno narasli, predvsem zaradi višjih stroškov dela ter zaradi občutno večjih zahtev glede varnosti, varstva okolja in estetike. Stroški razpršene proizvodnje pa so se v tem obdobju znižali. Primerjava stroškov med razpršeno proizvodnjo in napajanjem iz javnega elektroenergetskega omrežja glede na zanesljivost obratovanja kaže, da so stroški razpršene generacije nižji pri zelo nizki ter pri zelo visoki zahtevani zanesljivosti. Tako ima razpršena proizvodnja prednost tam, kjer so pomembni čim nižji stroški proizvodnje ob hkratni nizki zahtevani zanesljivosti ter tam, kjer je zahtevana zelo visoka zanesljivost, ki je javno elektroenergetsko omrežje težko zagotovi. Razpršena proizvodnja ima še nekaj prednosti, ki povečujejo njeno primernost za uporabo. Te lastnosti so:

• proizvodne enote so tovarniško izdelane, standardizirane in optimizirane za določen način obratovanja

• hitro in enostavno se jih glede na potrebe nadgrajuje z dodatnimi proizvodnimi enotami

• vpliv na okolje manjša onesnaženost zraka, manjši hrup in manj daljnovodov.


6

Naj omenimo še slabosti, ki jih ima razpršena proizvodnja. Te so predvsem: • lastnik proizvodnih enot mora prevzeti skrbništvo nad delovanjem, kar je

lahko dokaj zahtevna naloga • nekatere proizvodne enote potrebujejo gorivo – ponavadi zemeljski plin -

katerega dostava ni vedno enostavna in poceni • tehnologija enot za razpršeno proizvodnjo v praksi še ni povsem preizkušena.

2.3 Soproizvodnja (kogeneracija) toplotne in električne energije

Glavni del porabe energije v stanovanjskih hišah predstavlja ogrevanje prostorov in priprava tople vode. Enote za soproizvodnjo so v prvi vrsti namenjene za potrebe ogrevanja, poleg tega pa proizvajajo električno energijo. Enote za soproizvodnjo, ki so na trgu, so dieselski agregati in toplotni stroji na biomaso. V fazi testiranja so gorivne celice za soproizvodnjo in naj bi bile za komercialno uporabo kmalu na voljo. Razmerje med proizvedeno toploto in proizvedeno električno energijo je za dieselske soproizvodne enote od 2.5 pri potrebi po elektriki do 17 pri potrebi po toploti, za gorivne celice naj bi to razmerje bilo okrog. Tudi v poletnem času, ko se toplota porablja samo za pripravo tople vode – za kar povprečno gospodinjstvo porabi okrog 15 kWh energije na dan – je soproizvodnja električne energije lahko dovolj velika za pokrivanje porabe električne energije varčno usmerjene stanovanjske hiše, ki znaša okrog 7 kWh na dan.


7

3. Definicija virov

3.1 Splošno o sončni celici

Sončne celice so polprevodniške naprave z veliko površino p-n spoja, ki mora biti čimbolj na površju. Trenutno najbolj razširjen polprevodniški material za izdelavo sončnih celic je silicij (Si). Polprevodnost se lahko izkorišča tudi pri nekaterih drugih materialih kot na primer germanij – Ge, kadmijev sulfid – CdS, kadmijev arzenid – CdAs, bakrov sulfid – Cu2S, kadmijev telurid – CdTe, itd. Ko sončne celice obsevamo s svetlobo, pretvarjajo energijo svetlobe neposredno v električno energijo. Enosmerna električna napetost sončne celice znaša okrog 0.5 V. Da dosežemo višje in s tem bolj uporabne napetosti, posamezne celice zaporedno vežemo v sončne module. Izkoristek je odvisen od vpadnega kota sončnih žarkov na sončno celico. To pomeni, da sončni moduli morajo slediti položaju sonca. To sledenje je lahko enoosno ali dvoosno, torej glede na čas dneva po navpični osi in glede na letni čas po horizontalni osi. Proizvedena moč lahko zelo niha, kar je posledica kratkotrajnih oblačnosti. Pri enoosnem sledenju je izkoristek sončne celice zaradi manjšega vpadnega kota sončnih žarkov zmanjšan za približno 20 %, brez sledenja pa za 35%. Moč sončnih celic v obravnavanem primeru je zaradi visoke specifične cene sončnih celic izbrana tako, da pokrivajo povprečno porabo ene stanovanjske hiše le ob sončnem poletnem dnevu. Tako znaša moč inštaliranih sončnih celic 1 kW.


8

3.1.1 Električni parametri sončnih celic

Sončna celica je napetostni vir, katerega napetost je odvisna od toka, osvetljenosti in temperature. Napetost sončne celice se pri manjših tokovih do 80 % nazivnega toka linearno zmanjšuje do 85 % napetosti odprtih sponk. Pri nazivnem toku znaša napetost 78% napetosti odprtih sponk, pri večjih tokovih pa se napetost hitro manjša in se pri 110 % nazivnega toka popolnoma sesede. U/I karakteristike v odvisnosti od osvetljenosti in od temperature sončne celice so prikazane na spodnjih slikah. Prikazane karakteristike se nanašajo na sončne module proizvajalca Shell, model SP 150.

slika 1 Karakteristika sončne celice v odvisnosti od sončnega sevanja


9

slika 2 karakteristika sončne celice v odvisnosti od temperature

3.2 Splošno o vetrnih turbinah

Vetrne turbine pretvarjajo kinetično energijo vetra v električno. Pri tem lahko uporabljamo različne tipe rotorjev in različne tipe generatorjev. Pri pretvorbi vetrne energije v električno je za doseganje optimalne pretvorbe pomembno pravilno hitrostno število λ (angl. tip speed ratio), to je razmerje med obodno hitrostjo rotorja in hitrostjo vetra. To pomeni, da se mora hitrost vrtenja rotorja spreminjati glede na hitrost vetra, če hočemo doseči optimalen izkoristek. Po drugi strani pa za proizvodnjo električne energije največkrat rabimo povsem konstantno hitrost vrtenja generatorja, ki je priključen neposredno na izmenično omrežje frekvence 50 oz. 60 Hz. Vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja proizvedejo od 10 do 25 % več električne energije kot vetrne turbine enakih dimenzij s konstantno hitrostjo vrtenja. Ker je izdelava vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja dražja, dobimo z vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo vrtenja za isto ceno le še od 3 do 10 % več električne energije.


10

Na spodnji sliki so podani faktorji moči cp in faktorji navora cT v odvisnosti od hitrostnega števila λ, to je od razmerja med obodno hitrostjo rotorja in hitrostjo vetra. Faktor navora cT je količnik med dejanskim navorom rotorja in nekim osnovnim navorom. Ta osnovni navor je definiran kot sila vetra, ki deluje na razdalji polmera rotorja na površino, ki jo opisuje rotor. Faktor moči cp predstavlja delež moči, ki jo rotor pretvori iz moči vetra in je produkt faktorja navora cT in hitrostnega števila λ. Najpogosteje uporabljen tip rotorja je trilistni rotor s horizontalno osjo vrtenja, ki iz kinetične energije vetra pretvori največji del energije. Za črpanje vode, kjer so pri zagonu potrebni veliki momenti, so se v preteklosti pogosto uporabljali rotorji z velikim številom listov, ki imajo velik moment pri nizkih vrtljajih. Pri povprečni hitrosti vetra 6m/s nam vetrna turbina s premerom rotorja 3.5 m da povprečno moč 300 W in približno 7 kWh električne energije na dan. Pri tej povprečni hitrosti vetra je hitrost 12 m/s najvišja hitrost vetra, za katero so ponavadi grajeni generatorji in AC/DC pretvorniki obstoječih vetrnih turbin za hišno uporabo. Iz tega lahko sklepamo, da je izkoriščanje vetra do te največje hitrosti ekonomsko najbolj upravičeno. Pri tej največji hitrosti vetra 12 m/s nam vetrna turbina s premerom rotorja 3.5 m daje moč 2500 W.

slika 3 faktorji moči cp in faktorji navora cT v odvisnosti od

hitrostnega števila λ za različne tipe rotorjev


11

3.3 Splošno o gorivnih celicah

Gorivne celice so hitro se razvijajoča tehnologija, vendar še vedno predraga za široko uporabo. Kot gorivo uporabljajo vodik, ki ga lahko pridobimo iz zemeljskega plina, naftnih derivatov ali drugih materialov, ki vsebujejo veliko vodika. Princip delovanja je podoben delovanju akumulatorja, le da je za delovanje gorivne celice potreben stalni dovod goriva in kisika. Gorivo je lahko vodik, sintetični plin (mešanica vodika in CO2), naravni plin ali metanol. Vrste gorivnih celic pogosto delimo po delovnih temperaturah, med seboj pa se razlikujejo predvsem po vrsti uporabljenega goriva, oksidacijskem sredstvu in materialu elektrod. Skoraj vsi svetovni proizvajalci avtomobilov razvijajo gorivne celice in naprave za pogon avtomobilov z gorivnimi celicami. Zanimiva je njihova skupna ugotovitev, da je trenutno največja ovira za komercialno uporabo te tehnologije ustrezno skladiščenje vodika. Zato veliko vlagajo v razvoj tehnologije, ki omogoča proizvodnjo vodika iz metanola ali celo bencina. Čeprav mediji več pozornosti namenjajo uporabi gorivnih celic v avtomobilih, pa lahko pričakujemo, da bo veliko prej do komercialne uporabe gorivnih celic prišlo v proizvodnji električne energije. Razlog je predvsem v ceni gorivnih celic, ki je v tem segmentu energetike že sprejemljiva za tržišče.


12

3.4 Mikro-hidroelektrarne

Uporaba mikro-hidroelektrarn je pogojena z obstojem vodnih virov z zadostnim pretokom in zadostnim padcem vode. Ker mikro-hidroelektrarne pod 1 kW ponavadi nimajo regulacije pretoka vode, jih moramo dimenzionirati za najmanjši možni pretok vode, v primeru večjih pretokov pa vodo prelivajo. Nekatere mikro-hidroelektrarne moči nad 1 kW imajo tudi regulacijo pretoka vode. Za proizvodnjo 7 kWh električne energije rabimo mikro-hidroelektrarno, ki deluje 24 ur na dan pri konstantni moči 300 W. Ker obratuje pri konstantni moči, rabimo glede na vetrno turbino za isto povprečno proizvedeno energijo skoraj 10-krat manjšo moč mikro-hidroelektrarne. Ta ugotovitev izhaja iz dejstva, da vetrna turbina, ki pri povprečni hitrosti vetra 6 m/s proizvede povprečno 7 kWh na dan, mora za optimalno izrabo pretvarjati energijo vetra do hitrosti vetra 12 m/s, pri kateri proizvaja moč 2500 W. Za napajanje 300 W mikro-hidroelektrarne z izkoristkom 50 % rabimo pretok 6 l/s pri padcu 10 m ali pretok 3 l/s pri padcu 20 m, itn. Nekaj mikro-hidroelektrarn je na voljo na tržišču. Sestavljena je iz peltonove turbine in sinhronskimi generatorjem s trajnimi magneti. Dimenzija take enote je manjša od 1 m3. Modeli, ki niso namenjeni priklopu na izmenično omrežje, kot generator uporabljajo sinhronske generatorje s trajnimi magneti, podobno kot vetrne turbine, zato bi regulacija lahko potekala na podoben način kot pri vetrnih turbinah. Prav tako je potrebno presežek energije odvajati na pomožne porabnike ali pa zaustaviti proizvodnjo električne energije


13

4. Otočno obratovanje z razpršenimi viri

Otočno obratovanje z razpršenimi viri je pomemben problem medsebojnega

povezovanja. Otočno obratovanje je položaj v katerem eden ali več generatorjev deluje

ločeno od preostalega elektroenergetskega sistema. Če v samem omrežju preidemo na

nenačrtovano otočno obratovanje je to lahko velik problem za elektroenergetske

operaterje. Najpomembnejši problemi nenačrtovanega otočnega obratovanja so:

• Pri nenačrtovanem otočnem obratovanju lahko pride do poškodbe operaterjev,

ki odpravljajo napako, ki je privedla do otočnega obratovanja.

• vrednost napetosti lahko dosežejo velikosti izven normalne vrednosti. Poleg

tega pa lahko nastanejo tudi prehodne visoke napetosti, ki poškodujejo opremo

na omrežju ali naprave na porabnikovi strani in tako ogrozijo njihovo varnost.

• Zaščita na razpršenih virih ni projektirana za nenačrtovano otočno

obratovanje. Zato se napake lahko ne odpravijo oziroma se odpravijo

prepočasi, kar lahko poškoduje opremo.

• Omrežni operater je pri nenačrtovanem otočnem obratovanju še zmeraj

odgovoren za dostavljeno napetost porabnikom, čeprav nima načina

kontroliranje te napetosti.

Razpršeni generatorji predstavljajo nevarnost za operaterje in ostale uporabnike

omrežja. S tem mislim predvsem na operaterje, ki delajo na odsekih vodov, ker mislijo

da so izključeni. Razpršeni generatorji lahko držijo napetost na vodih brez vednosti

operaterjev.


14

Ko se pojavi otočno obratovanje razpršenih virov se nam napetost izmakne iz faze z

napetostjo glavnega omrežja. To lahko resno poškoduje generator, stikala, poleg tega

pa še zelo poslabša kvaliteto napetosti porabnikom. Dodatno pa lahko otočno

obratovanje prepreči prekinitev tokovne napake na sistemu in s tem povečuje škodo na

mestu kratkega stika.

Načrtno otočno obratovanje z razpršenimi viri je eden od načinov, ki nam lahko

izboljša zanesljivost dobave električne energije. Eden ali več generatorjev so

opremljeni z primerno zaščitno opremo, ki zagotavlja zanesljivo in varno proizvodnjo.

Načrtovano otočno obratovanje je med drugimi uporabno tudi pri doseganju večje

zanesljivosti pri industrijskih obratih, bolnišnicah, in podatkovnih centrov, ki

zahtevajo zelo veliko zanesljivost dobave električne energije. V državah kjer imamo

nižjo zanesljivost dobave električne energije pa s sistemom otočnega obratovanja že

oskrbujejo gospodinjstva. Najpogostejši viri, ki jih uporabljamo za napajanje otoka so

dizelski agregati.


15

4.1 Primer nenačrtovanega otočnega delovanja fotonapetostnih modulov

Otočno delovanje je električni pojav v katerem fotonapetostni sistem v določenem

omrežju še naprej napaja porabnike, tudi potem, ko je omrežje odklopljeno od

glavnega omrežja iz neznanega razloga (npr. električni problem). Ko se omrežje

odklopi od glavnega omrežja so razsmerniki zasnovani tako, da odkrijejo

nenormalno kakovost električne energije v napetosti, frekvenci in impedanci omrežja

ter se takoj odklopijo od omrežja. Vendar, če je energija, pridobljena iz

fotonapetostnih sistemov in porabljena energija porabnikov po možnosti enaka,

fotonapetostni sistem morda ne bi mogel zaznati otočnega delovanja in bi še naprej

oskrboval z električno energijo. Vredno je omeniti, da je verjetnost za otočno

delovanje precej nizka.

slika 4 primer otočnega obratovanja sončnih celic


16

Otočno delovanje je možno samo takrat, ko se zgodijo naslednji pogoji sočasno

napajanje od glavnega omrežja se zaradi nekega razloga ustavi;

energija proizvedena iz fotonapetostnega sistema se po naključju

obremenitvijo;

ujema z

zaščita pred otočnim delovanjem razsmernika ne zazna pogojev

delovanja.

otočnega

Ena od največjih skrbi pred otočnim delovanjem je večje tveganje za nesrečo. V

primerih napake na omrežju ali načrtovanih vzdrževalnih delih omrežja, morejo

operaterji izvesti popravilo distribucijskih daljnovodov v najkrajšem možnem času.

Pred začetkom del mora biti potrjeno, da so vodi odklopljeni od glavnega

omrežja. Vendar, če fotonapetostni sistemi napajajo električne vode lahko pride do

električnega udara na delavce. Otočno delovanje lahko poškoduje tudi naprave

omrežja in končnih porabnikov. Drugi problem otočnega delovanja je tveganje

nadtokov v času procesa, ko se odklopnik ponovno sklene. V tem primeru napetosti

glavnega omrežja in omrežja napajanega z otočnim delovanjem nista sinhronizirani.

Če se odklopnik ponovno sklene z veliko fazno razliko napetosti, bo stekel po vodu

močan tok, ki je lahko zelo nevaren. Čeprav lahko otočno delovanje pripelje do resne

škode je treba upoštevati, da je verjetnost otočnega delovanja zelo nizka.


17

4.2 Metode za odkrivanje nenačrtovanega otočnega obratovanja

Glavni razlogi za metode odkrivanje otočnega obratovanja so osebna varnost in

tveganje poškodbe opreme, zato se operaterji poizkušajo izogibati nenačrtovanemu

otočnemu obratovanju. Zato se zaščita pred otočnim obratovanjem vgrajuje v vse tipe

razpršenih virov, tudi če prihaja do kakšnih dodatnih neprijetnostih na generatorju.

4.2.1 Pasivna zaščita

Pasivne metode vključujejo vse sisteme, ki zaznavajo prehodne spremembe na

omrežju in se na podlagi izmerjenih podatkov ob upoštevanju predhodnih nastavitev

parametrov odločajo ali je prišlo do napake na samem omrežju oziroma če je prišlo do

kakšne druge okvare.

Ko iz sistema izpade del omrežja in se eden ali več generatorjev združi v tako

imenovano otočno obratovanje, se nam proizvodnja ne bo ujemala s porabo, kar bo

povzročilo dvig ali spust napetosti in frekvence. Najpogostejša zaščita za

preprečevanje otočnega obratovanja razpršenih virov je kontroliranje napetosti in

frekvence na strani generatorja, imenujemo jo pasivna zaščita. Običajno nam zaščita

ne dopušča preseči odstopanja ±1Hz oz. ±0.5Hz nazivne frekvence in 5-10% nazivne

napetosti.

Že pri normalnem obratovanju nam lahko napetost in frekvenca presežeta normalno

vrednost. Da ne bi prihajalo do prepogostih ne potrebnih odklopov, se poslužujemo

časovnega zamika. Evropski standard za mikro-proizvodnjo (proizvodnja s tokom pod

16A na fazo, povezanih na nizko napetostno omrežje) nam podaja naslednje nastavitve

za zaščito:

• Visoka napetost: 200ms, 115% -230V

• Nizka napetost: 1.5 s, 85%-230V

• Visoka frekvenca: 500ms, 51Hz

• Nizka frekvenca: 500ms, 47Hz


18

Seveda pa so to samo priporočila, ki pa se zelo razlikujejo glede na državo. Za primer

najbolj občutljivo zaščito imajo v Belgiji, kjer se zaščita sproži pri 106% nazivne

napetosti in pri časovnem zamiku 120ms. V Italiji pa imajo najvišjo mejo, ko zaščita

odklopi pri 120% nazivne napetosti. Na Nizozemskem pa imajo najdaljši časovni

zamik, prenapetost lahko traja 2 sekunde preden izklopi generator iz otočnega

obratovanja.

slika 5 visoke in nizke napetostne nastavitve zaščite v različnih državah


19

4.2.2 ROCOF zaščita

ROCOF zaščita (angl. rate of change of frequency) ta metoda ima sposobnost odkriti

nenačrtovano otočno obratovanje hitreje od prej opisanih metod. Ima pa veliko

slabost, saj je pogostost nepotrebnih izključitev pri tej zaščiti zelo visoka. Med

otočnim obratovanjem se nam spreminja frekvenca omrežja zaradi neuravnotežene

proizvodnje Pg in porabe Pb.

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑

=𝑑𝑑0

2𝐻𝐻(𝑃𝑃𝑔𝑔 − 𝑃𝑃𝑏𝑏)

V tej enačbi f0 predstavlja frekvenco omrežja, H pa predstavlja vztrajnostno konstanto

otočnega obratovanja in je razmerje med rotacijsko energijo in nazivno moč sistema.

Pg in Pb sta v sistemu per unit, z nazivno močjo kot bazo. ROCOF zaščita zazna

neuravnoteženo proizvodnjo in porabo. Kot pri prejšnji zaščiti tudi tukaj prihaja, do

neenakih oziroma ne poenotenih nastavitev te zaščite po državah.

• v Belgiji nam zaščita odklopi v 100ms,ko nam stopnja frekvence preseže

1Hz/s

• na Danskem nam zaščita odklopi v 200ms, ko nam stopnja frekvence preseže

2,5Hz/s ali 3,5Hz/s

• na Irskem so največje nastavitve, 500ms in 0,4Hz/s


20

4.2.3 Aktivna zaščita

Slabost tako imenovane pasivne zaščite je da lahko odkrije otočno obratovanje samo,

kadar pride do neuravnotežene proizvodnje in porabe na otoku. Ko sta jalova in

delovna moč porabnikov pokrite z proizvodnjo, nam pasivna zaščita ne more odkriti

otočnega obratovanja. Takšno popolno ujemanje jalove in delovne moči se nam lahko

pojavi zelo naključno oziroma pod pravimi razmerami. Takšno obratovanje se zdi

zelo malo verjetno, ampak obstajajo primeri, ko se je zgodilo ravno to. Zaradi tega se

predlagajo tako imenovane aktivne zaščite. Aktivne zaščite imajo prednost pri

odkrivanju otočnega obratovanja tudi ko sta jalova in delovna moč v popolnem

ravnotežju.

Eden od primerov aktivne zaščite je pošiljanje manjšega signala v omrežje. Če nismo

v otočnem obratovanju, potem je vpliv tega signala zanemarljiv in lahko sklepamo, da

smo na tako imenovani togi mreži. Če pa se pri vsiljenemu signalu omrežje spremeni

pomeni, da smo v otočnem obratovanju. Kot vse ostale metode pa tudi aktivna zaščita

ni imuna na pogoste nepotrebne izključitve generatorjev. Primer napačne izključitve

nam lahko pride pri vsiljevanju signala v omrežje in nam ta signal prevladuje pri

napetosti na šibkih omrežjih.


21

4.3 Načrtovano otočno obratovanje

Razpršeni viri imajo veliko vlogo v razvitih državah sveta na trgu z električno

energijo. Ti sistemi v svojo proizvodnjo vključujejo vse prej naštete vire električne

energije. Načrtovano otočno obratovanje je situacija ko se zavestno odločimo

obratovati v temu režimu. Glavna zamisel za delovanje v režimu načrtovanega

otočnega obratovanja je nadomestitev proizvodnje v primeru izpada glavnega omrežja

z napajanjem preko lokalnih razpršenih virov. Tako obratovanje poveča zanesljivost

dobave električne energije in zmanjša izgube, ki bi se sicer trošile na vodih. Ker je

obratovanje z razpršenim viri lokalno ne rabimo dolgega prenosnega omrežja in tako

pridobimo energijo, ki bi se drugače trošila na vodih. Otočno obratovanje je iz tega

stališča zelo zaželena tako iz strani proizvajalcev in porabnikov. Temelji lahko na

lokalnih razpršenih virih ali na pomožnih proizvodnih enotah, kot so na primer

dizelski agregati.

Pametno pa je pa je preiti na otočno delovanje tudi če nam sistem javi napako na

glavnem omrežju. Sistem pošlje signal za formiranje otokov, ki so pred izbrani v

samem sistemu. Ta signal vsebuje dva podatka:

1. Ustvari ravnotežje med porabo in proizvodnjo pred nastankom otoka

2. Odklopi se od omrežja

To je potrebno za zagotovitev, da ne bo nobenih izgub na proizvodnji v otočnem

obratovanju, zaradi neuravnotežene proizvodnje in porabe, ki lahko povzroči

nestabilnost otoka. Tako obratovanje zahteva konstantno spremljanje sistema na

posameznih elementih.

Za doseganje vseh prednosti, ki jih nudi otočno obratovanje, pa potrebujemo nove

pristope do planiranja in upravljanja z razpršenimi viri. Tu je mišljena predvsem

varnost za porabnike in operaterje.


22

4.3.1 Otočno obratovanje v industrijskih obratih

Če so industrijski obrati sposobni z lastno proizvodnjo električne energije omogočiti

neodvisno in nemoteno napajanje svoje porabe, potem velja, da so sposobna

zagotoviti otočno obratovanje omrežja. Seveda ima napajanje iz javnega omrežja

svoje prednosti, zato se poslužujemo otočnega obratovanja samo v primeru izpada ali

v času vzdrževalnih del.

'Dinamiko dogodka dodatno spremljamo tudi na podlagi časovnih sprememb frekvence

in napetosti. Na podlagi oscilacij frekvence določimo območje njene deviacije in čas,

potreben za vrnitev v standardno predpisane vrednosti, na podlagi sprememb napetosti

pa ugotavljamo morebitno napetostno nestabilnost. V močno obremenjenih omrežjih

lahko namreč prehod v otočno obratovanje povzroči napetostno nestabilnost v otoku.

Ker lahko defektna stanja v zunanjem omrežju povzročijo dinamične pojave, ki jim

sledi izklop generatorjev lastne proizvodnje, mora biti prehod v otočno obratovanje

hiter in s stališča obratovanja omrežja nezaznaven. V nekaterih primerih namreč že

sam prehod v otočno obratovanje povzroči prehodni pojav, ki je lahko vzrok za težave

v obratovanju generatorjev oziroma bremen v otočnem delu omrežja. Najdaljši

dovoljeni čas prehoda je glede na konstrukcijske lastnosti omrežij različen, na splošno

pa je omejen z mejo stabilnega obratovanja generatorjev. Za izbrano konfiguracijo

modela omrežja v otočnem obratovanju je ugotovljena meja stabilnosti generatorjev

240 ms'.[5]


23

4.3.1.1 Mikro otok

Mikro otok je lokalno električno omrežje z možnostjo kontroliranja, kar pomeni, da se

lahko odklopimo od javnega omrežja in obratujemo samostojno. Proizvodnja in

poraba v mikro omrežju sta ponavadi zelo tesno povezana preko nizke napetosti.

Mikro omrežje lahko obratuje v enosmernem, izmeničnem ali kombinaciji obeh

načinov. Proizvodnja mikro omrežij lahko vsebuje vire, kot so baterije, gorivne celice,

sončne celice, vetrne turbine ,… Tako raznoliko proizvodnjo razpršenih virov in

zmožnost odklopitve od javnega omrežja zagotavlja zelo visoka zanesljivost. Poleg

tega pa se lahko izrablja tudi toplota, ki jo ustvarjajo mikro turbine za lokalno

ogrevanje.


24

6. Vprašanja in domača naloga

1. Ali je z razpršenimi viri možno otočno obratovati? Otočno obratovanje z razpršenimi viri je možno. Zavedati se moremo razlike med načrtnim in nenačrtovanim otočnim obratovanjem.

2. Kaj so prednosti in slabosti takega obratovanja? Načrtno otočno obratovanje z razpršenimi viri je eden od načinov, ki nam lahko izboljša zanesljivost dobave električne energije. Eden ali več generatorjev so opremljeni z primerno zaščitno opremo, ki zagotavlja zanesljivo in varno proizvodnjo. Načrtovano otočno obratovanje je med drugimi uporabno tudi pri doseganju večje zanesljivosti pri industrijskih obratih, bolnišnicah, in podatkovnih centrov, ki zahtevajo zelo veliko zanesljivost dobave električne energije. Nenačrtovano otočno obratovanje pa je po drugi strani zelo resno tveganje, ki se mu moramo izogniti. Težave, ki se lahko pojavijo so škodljive do naprav, ki so priključene na otoku, pa vse do operaterjev, ki poskušajo nastanek otočnega obratovanja prekiniti.

3. Na kaj je treba biti pozoren, če se odločimo za otočno obratovanje?

Vsi generatorji morajo v otočnem obratovanju vsebovati pravilno zaščito, da zagotovijo zanesljivo in varno proizvodnjo. Ta zaščita mora konstantno paziti na uravnoteženo proizvodnjo in porabo, najpogostejše se to naredi z merjenjem napetosti in frekvence.

Domača naloga:

Naštej vse slabosti nenačrtovanega otočnega obratovanja.

Slabost nenačrtovanega otočnega obratovanja:

• ogrožena varnost operaterjev • zaradi visokih prenapetostih tveganje uničenje opreme, kar lahko ogrozi

tudi varnost porabnikov • Zaščita na razpršenih virih ni projektirana za nenačrtovano otočno

obratovanje. Zato se napake lahko ne odpravijo oziroma se odpravijo prepočasi, kar lahko poškoduje opremo

• Omrežni operater je pri nenačrtovanem otočnem obratovanju še zmeraj odgovoren za dostavljeno napetost porabnikom, čeprav nima načina kontroliranje te napetosti


25

7. Viri

[1] Math H.J. Bollen, Fainan Hassan, »Integration of Distributed Generation in the

Power System«, Tennessee, ZDA, 2011.

[2] http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:566449/FULLTEXT01.pdf

[3] http://www.iea.lth.se/publications/Theses/LTH-IEA-1059.pdf

[4] https://goodboygunawan.files.wordpress.com/2010/03/electric-power-

distribution-handbook.pdf

[5] http://ev.fe.uni-lj.si/5-2006/Kerin.pdf

http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:566449/FULLTEXT01.pdf

http://www.iea.lth.se/publications/Theses/LTH-IEA-1059.pdf

https://goodboygunawan.files.wordpress.com/2010/03/electric-power-%20%20%20%20%20%20%20%20distribution-handbook.pdf

https://goodboygunawan.files.wordpress.com/2010/03/electric-power-%20%20%20%20%20%20%20%20distribution-handbook.pdf

http://ev.fe.uni-lj.si/5-2006/Kerin.pdf

otočno obratovanje z razpršenimi virilrf.fe.uni-lj.si/e_rio/seminarji1516/... · nove proizvodne...

Documents