CC BY
97
Energy Quality in Microgrids
Golovanov Nicolae
University Politehnica of Bucharest Bucharest, Romania
Abstract. Measures for limiting environmental pollution by power plants using fossil fuel sources and for efficient use of local energy sources can cause significant changes in the structure of the electricity distribution networks through the development of micro-grids that can operate practically isolated or connected to the public electricity network, which ensures bilateral exchanges of energy. The microgrid requires a detailed analysis of the level of quality of electricity supplied to the microgrid. The detailed analysis of technical solutions is needed to ensure a necessary level of electric energy quality in practically isolated microgrid. Some of the specific conditions of microgrid operation are analyzed, which will ensure operation of the system at the action of disturbances. Keywords: electric energy quality, microgrid, electromagnetic perturbations.
Calitatea energiei electrice in microretele Golovanov Nicolae
Universitatea Politehnica din Bucure§ti Bucure§ti, Romania
Rezumat. Preocuparile pentru limitarea poluarii mediului de catre centralele electrice utilizand surse fosile precum §i pentru o utilizare eficienta a surselor locale de energie poate determina modificari importante in structura retelelor electrice de distribute, prin dezvoltarea unor microretele care pot functiona practic izolat sau conectate la reteaua electrica de interes public cu schimburi bilaterale de energie. in special atunci cand functioneaza fara schimb de energie cu reteaua publica (practic izolat) este necesara o analiza de detaliu a nivelului calitatii energiei electrice furnizata utilizatorilor din microretea §i a solutiilor adoptate pentru asigurarea unui nivel de calitate care sa satisfaca necesitatile utilizatorilor. in cadrul lucrarii sunt analizate unele dintre conditiile specifice functionarii microretelei, unele dintre perturbatiile care pot aparea pe durata functionarii §i solutii pentru incadrarea indicatorilor de calitate a energiei electrice in limitele impuse. Cuvinte-cheie: calitatea energiei electrice, microretea, perturbatii electromagnetice.
Качество электрической энергии в микросетях Голованов Николае
Бухарестский политехнический университет Бухарест, Румыния
Аннотация. Мероприятия по ограничению загрязнения окружающей среды на электростанциях с использованием ископаемых энергоресурсов и для эффективного использования местных источников энергии могут привести к значительным изменениям в структуре распределительных электрических сетей за счет развития микросетей, которые могут работать практически изолированно или которые могут быть подключены к электрической сети, допускающей двусторонние обмены электроэнергией. Режим работы без обмена электроэнергией с сетью общего пользования (островной режим) требует детального анализа уровня качества электроэнергии, поставляемой из микросети и разработки технических решений, принятых для обеспечения уровня качества, которые отвечают потребностям пользователей. В статье анализируются некоторые из конкретных условий эксплуатации микросетей, некоторые из возмущений, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации и решений для внедрения показателей качества электроэнергии.
Ключевые слова: качество электрической энергии, микросеть, электромагнитные возмущения.
1. Introducere
Structura retelelor electrice de distributie poate suferi modificári importante odatá cu cre§terea preocupárilor privind poluarea mediului ambiant de cátre centralele electrice pe bazá de combustibili fosili. Progresele privind realizarea solutiilor eficiente pentru utilizarea energiei solare, a energiei maselor de aer ín mi§care, a
curgerilor de apa §i a altor surse regenerabile au condus la aparitia conceptului de microretea in care sunt utilizate cu prioritate sursele locale, regenerabile de energie. Conectarea la reteaua publica de distributie poate asigura un transfer bidirectional al energie in cazul unui exces de putere generata respectiv in cazul unui deficit de putere.
Odatà cu dezvoltarea echipamentelor eficiente de stocare a energiei, solutiile de tipul microgrid pot deveni o prezenta obiçnuità în sistemul de alimentare cu energie electricà a utilizatorilor.
O microretea include una sau mai multe surse locale de energie precum çi surse de stocare, conectate într-o retea electricà, cu posibilitatea de a functiona independent sau în paralel cu reteaua electricà publica pentru alimentarea utilizatorilor.
Caracteristicile specifice ale unei microretele impun însà analiza cu atentie, printre altele çi a calitàtii energiei electrice furnizatà utilizatorilor. Functionarea în microretea devine eficientà çi economicà în cazul în care utilizatorii obtin preturi mai reduse ale energiei electrice iar energia furnizatà are o calitate cel putin egalà cu cea din reteaua electricà de interes public. In acest sens, trebuie analizate în detaliu caracteristicile surselor de energie, ale utilizatorilor din zonà, ale structurii microretelei, ale conditiilor tehnice çi de piatà la schimbul de energie cu reteaua publica dar çi ale sistemului de management din microretea.
O atentie deosebità trebuie acordatà faptului cà rigiditatea nodurilor din microretea (puterea de scurtcircuit) poate fi mai micà decât în reteaua electricà publicà iar inertia sistemului, datorità conectàrii surselor de energie prin convertoare de frecventà, este micà în raport cu reteaua publicà.
In prezent existà solutii tehnice eficiente pentru limitarea perturbatiilor la nivelurile admise
çi realizarea unui nivel de calitate dorit însà costul acestor echipament trebuie asumat de utilizatori. In multe cazuri sunt posibile însà solutii simple care necesità numai o atentà cunoaçtere a caracteristicilor utilizatorilor din zonà.
2. Structura unei microretele
9
Retele electrice actuale se caracterizeazà prin creçterea ponderii surselor regenerabile de energie çi a surselor distribuite. Sunt larg utilizate circuite electronice pentru comandà çi control, astfel încât reteaua sà fie mai „inteligentà", mai eficientà çi cu sigurantà màrità. Aceste surse çi utilizatori sunt însà elemente de circuit cu caracteristici neliniare ce determinà generarea unui nivel ridicat de armonice care conduc la distorsionarea curbelor de tensiune în nodurile retelei.
In cazul general, o microretea poate include ca surse: instalatii eoliene, panouri fotoelectrice, surse hidro, instalatii cu biomasà, celule cu combustibil, eventual un generator de interventie antrenat de motor Diesel, sisteme de stocare a energiei çi legàtura cu reteaua electricà de interes public (fig.1) precum çi utilizatori simpli sau „prosumer" utilizând în mare màsurà energia din surse proprii (în general surse fotoelectrice) dar çi furnizând în retea puterea generata în exces.
Fig. 1 - Surse çi utilizatori într-o microretea.
Cele mai multe surse sunt conectate ín microretea prin intermediul unor convertoare electronice.
Dimensionarea schemei dar §i sistemul de management trebuie sá ia ín consideratie impredictibilitatea unora dintre sursele de energie (eolian, solar §i hidro) dar §i conditiile de
calitatea diferite necesare unora dintre utilizatorii din schema. In acest sens, utilizatorii din retea pot fi impártiti ín 3 categorii:
- utilizatori critici (care necesita o calitate superioará a serviciului de alimentare - nu admit intreruperi in alimentare);
- utilizatori preferentiali (care necesita o calitate bunà a serviciului de alimentare - admit scurte întreruperi în alimentare);
- utilizatori standard (care admit întreruperi în alimentare conform conditiilor din sistemul energetic public).
Sistemul de management urmàreçte graficul de sarcinà al utilizatorilor, graficul de productie al surselor §i nivelul energiei stocate asigurând alimentarea tuturor utilizatorilor, cu prioritate din surse proprii. In functie de analiza economicà, în caz de deficit de putere, sistemul de management poate decide preluarea de energie din reteaua electricà publicà sau deconectarea utilizatorilor standard (fig. 2) pentru limitarea deficitului de
putere. Sistemul de management urmäre§te limitarea íntreruperilor la utilizatori, reducerea daunelor datorate íntreruperilor, o analizä atentä a costurilor §i asigurarea calitätii serviciului de alimentare a utilizatorilor.
Utilizatorii critici sunt conectati prin intermediul unui sistem UPQC (Unified Power Quality Controller) care asigurä o sursä neintreruptibilä pentru ace§ti utilizatori precum §i o calitate ridicatä a tensiunii la borne (lipsa distorsiunilor, nesimetriei, fluctuatiilor de tensiune §i a golurilor de tensiune).
.... Generare incontrolabilä. .
Invertor
xi-
Invertor
Sarcinä standard (calitate standard)
Sarcinä prioritarä (calitate bunä)
Ï
Retea publicä
I
Ib5Z H
Invertor
Motor Celule cu
Diesel combustibil
Generare controlabilä
EMS
„DVR.
T=5ÜULr¡—i
^nnp I I
Redresor
T
B
UPQC "
Invertor -1
Sarcinä criticä (calitate
(unified power quality controller) superioarä) Fig. 2 - Microretea cu controlul calitätii energiei electrice furnizate.
3. Perturbatii electromagnetice în microretele
5
In mod obiçnuit în cadrul unei microretele sunt conectati utilizatori de putere relativ redusä alimentati la joasä tensiune, multi dintre aceçtia în montaj monofazat. De asemenea, cele mai multe dintre receptoarele acestora prezintä caracteristici nelinare determinate de prezenta convertoarelor în circuitul de intrare. In acest sens, analiza calitätii energiei electrice în microretele trebuie sä ia în consideratie limitarea nesimetriei §i a distorsiunii curbelor de tensiune §i de curent electric. Problema apare în special în intervalele de timp în care microreteaua functioneazä izolat fatä de reteaua publica.
Limitarea nesimetriei poate fi obtinutä prin conectarea corespunzätoare a utilizatorilor pe fazele circuitului trifazat. Având în vedere,
variabilitatea puterilor absorbite de receptoarele conectate monofazat, solutia de conectare se decide in urma cunoa§terii variatiei statistice a graficului de sarcinä §i a limitelor admise pentru factorul de nesimetrie negativä pentru tensiune §i a nivelului curentului electric prin conductorul neutru. O atentie deosebitä trebuie acordatä sistemului de iluminat stradal care poate induce importante nesimetrii dacä nu sunt adoptate mäsuri pentru limitarea incärcärii inegale a celor trei faze.
In cazurile practice o conectare adecvatä a receptoarelor monofazate ín sistemul trifazat asigurä limitarea factorului de nesimetrie negativä la valorile admise sub 2%, astfel cä in cele mai multe cazuri curentul electric ín conductorul neutru este determinat de circulatia armonicelor de rang multiplu de trei.
Functionarea izolatä a microretelei determinä ca puterea de scurtcircuit in nodurile retelei sä fie
redusà, mai ales în cazurile practice în care principalele surse locale de alimentare cu energie electricà (solar, eolian, sisteme de stocare) sunt conectate la reteaua electricà prin intermediul convertoarelor de frecventà care au un aport practic nul la curentul electric de scurtcircuit.
3.1. Perturbatii armonice
9
Echipamentele electrocasnice având în circuitul de intrare convertoare electronice, conectate în reteaua electricà sunt importante surse de armonice într-un spectru larg de frecvente. Ca exemplu, în figura 3 este indicat spectrul armonic al curentului electric absorbit de un aspirator cu reglare a puterii absorbite.
Desigur cà, în prezent prin utilizarea de filtre pasive sau filtre active este posibilà limitarea nivelului distorsiunilor. O solutie cu costuri reduse constà în conectarea surselor de perturbatii astfel încât acestea sà fie grupate asigurând compensarea armonicelor cu unghiuri de defazare diferite. Astfel, dacà se considerà armonicele de rang h de curent electric de la douà receptoare neliniare, valoarea însumatà este
' = 'a + 'b = aa ' sin(h®/ + pa ) + +ab ■ sin(hat + 9 ) = a ■ sin(h®i + £)
(1)
în care
a =
№ + al + 2 ■ aa ■ ab ■ cos(^ - 9b ) ;
tan Ç =
aa ■ sin 9a + ab ■ sin 9b aa ■ cos <a + ab ■ cos 9b
(2)
Prima dintre relatiile (2) pune în evidentà cà, cu exceptia cazului în care 9a=9b, amplitudinea a a curbei însumate este mai micà decât suma aa+ab (fig.4).
II I fi \ L /L \ \
III \№L\+\lb\ I
Fig. 4 - Adunarea armonicelor cu argumente diferite.
Pentru a pune în evidentà efectele diferitelor màsuri pentru limitarea distorsiunilor armonice sa considerat schema simplificatà din figura 5, în care reteaua electricà publicà alimenteazà o microretea ce cuprinde utilizatori cu caracteristicà liniarà çi receptoare cu caracteristicà neliniarà (motoare asincrone alimentate prin intermediul convertoarelor de frecventà). Cel de al doilea motor este alimentat prin intermediul unui convertor cu 12 pulsuri iar primul motor este conectat în prima etapà prin intermediul unui convertor cu 6 pulsuri iar în etapa urmàtoare prin intermediul unui convertor cu 12 pulsuri. Alimentarea convertoarelor se face prin cabluri conectate la bara de 400 V.
Analiza efectuatà utilizând programul de calcul ETAP 11 a pus în evidentà rezultatele indicate în figura 6.
40 kW
S
C3
400 V; 50 Hz
C1
Cv1
C2
"V/
40 kW
Cv2
© ©
M1 55 kW
M
M2 55 kW
Fig. 5 - Schema simplificatà studiatà.
Analiza datelor din figura 6, a) aratà faptul cà o conectare a douà surse armonice cu caracteristici unghiulare diferite conduce la reducerea nivelului armonic. Astfel se observà faptul cà pe cablul 2 la care este conectatà sursa cu 12 pulsuri, armonicele determinate de sursa conectatà prin intermediul cablului 1 sunt mai reduse decât cele determinate numai de sursa cu 12 pulsuri (pentru armonica de rang 11 o reducere de la 8,7% la 7,8% iar pentru armonica de rang 13 o reducere de la 7,4% la 6,3%) -figura 6, b).
Solutia privind utilizarea convertoarelor cu mai multe pulsuri asigurà, de asemenea, reducerea nivelului distorsiunii armonice de curent electric. Faptul cà apar armonice h de rang superior, cu amplitudine redusà asigurà limitarea distorsiunii armonice a curbelor de curent electric
h = m ■ p ± 1
(3)
în care m = 1,2,3 ... iar p - numàrul de pulsuri al convertorului.
Datele din figura 6, b) aratà faptul cà utilizarea pentru alimentarea motoarelor a douà convertoare cu 12 pulsuri permite reducerea importantà a nivelului de distorsiune (pe cablului 1 nivelul de distorsiune scade de la 26,51% la
13,46% , pe cablul 2 are loc o creçtere a nivelului de distorsiune datorità lipsei efectului de limitare determinat de convertorul cu 6 pulsuri, iar pe cablul de alimentare are loc o reducere de la 6,42% la 6,13% a factorului de distorsiune de curent electric).
\ [%] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
THDIcablul j =26,51%;
THDIcahiui 2 = 10,83%;
THDIcabui 3 = 6,42%
1 .
II J J
Il 1 .
Ill III. 1.1, JlJ.
5 7 11 13 17 19 23 25
a)
THDIcablul 1 = 13 ,46 ,46 13% ;
IHDIcablu 2 =13 TTTT\T —c %;
lnDlcabluB =6, .
1
1 , □
1 n 1 . .
11 13
23 25 b)
35 37
47 49 h
Fig.6 - Spectrul de armonice al curentului electric în circuitele din schemà: a) motoare alimentate cu convertoare cu 6 çi 12 pulsuri; b) motoare alimentate cu convertoare cu 12 pulsuri.
Analiza efectuatá pune in evidentá faptul cá o conectare adecvatá a surselor cu caracteristicá neliniará in reteaua electricá a unui microgrid poate oferi solutii eficiente pentru limitarea nivelului distorsiunilor armonice in retea, cu limitarea pierderilor de energie activá §i asigurarea calitátii necesare a energiei electrice la bornele utilizatorilor.
3.2. Variatia nivelului de tensiune in microretea
5
Transformarea microretelei in retea activá prin conectarea de surse in interiorul acesteia §i
alegerea rationalá a nodurilor in care sunt conectate aceste surse permite imbunátátirea substantialá a nivelului tensiunilor in retea [1].
Ca exemplu, in figura 7 este indicatá schema unei microretele in care pot fi conectate diferite surse: fotoelectrice, eoliene, sisteme de stocare. Analiza efectuatá se referá numai al cazul cel mai intálnit al utilizárii de surse fotoelectrice, dar poate fi extinsá §i la celelalte tipuri de surse. A fost luatá in consideratie o schemá urbaná realá, alimentatá dintr-un post de transformare 20/0,4 kV, 640 kVA caracterizat la bara de 20 kV de o putere trifazatá de scurtcircuit de 200 MVA. La bara de 0,4 kV a postului de transformare poate fi
h
conectat un sistem de stocare a energiei electrice (nu a fost activat ín cadrul studiului).
In microreteaua analizatá sunt conectati utilizatori cu o putere de 280 MVA §i sunt conectate douá surse fotoelectrice, fiecare avand o putere disponibilá de 48 kW.
In figura 7 este indicatá circulatia puterilor ín reteaua analizatá ín lipsa surselor de energie din schemá §i poate fi pusá ín evidentá variatia nivelului de tensiune ín diferitele noduri ale schemei (tabelul 1).
In perioada ín care sursele fotoelectrice sunt active (fig.8) tensiunile ín nodurile microretelei se modificá asigurand un nivel superior al calitátii energiei electrice la bornele utilizatorilor. Se observá faptul cá sursa PVA1 are o pondere redusá ín ímbunátátirea nivelurilor de tensiune
fiind conectatä in apropierea sursei de alimentare din reteaua electricä publicä. Sursa PVA2, amplasatä la un utilizator aflat la sfar§itul retelei are o pondere importantä in imbunätätirea nivelului tensiunilor din retea (tabelul 1).
Analiza datelor din figurile 7 §i8 pune in evidentä faptul cä o alegere adecvatä a locului de conectare a surselor fotoelectrice permite imbunätätirea importantä a calitätii energiei electrice la bornele utilizatorilor pe durata in care aceste surse sunt active [2]. Desigur cä in intervalele de timp in care aceste surse nu sunt active, pot sä aparä abateri mari ale nivelului de tensiune care trebuie avute in vedere la dimensionarea microretelei §i a sistemului ei de management.
Fig. 7 - Schema electricä a microretelei studiate cu alimentare din reteaua electricä publicä.
Tabelul 1 - Tensiuni in nodurile schemei
Tensiunea in noduri [%]
Nodul in lipsa in prezenta Diferente
surselor surselor [%]
interne interne
1 100 100 0
2 97,8 98,6 0,8
3 96,12 97,41 1,29
4 95,03 96,31 1,28
5 93,58 94,84 1,26
6 95,6 98,52 2,92
7 94,71 98,4 3,69
8 94,5 98,53 4,03
3.3. Supratensiuni microretelelor
la functionarea
Prezenta surselor regenerabile de energie cu productie necontrolabilä poate conduce la supratensiuni datorate succesiunii stärilor de activare §i inactivare a sursei [3]. Ca exemplu, in
figura 9 este prezentat cazul unei linii de joasä tensiune la care este conectatä o sursä cu variatii mari ale productiei generate.
ZOOMUÄac
TI 640 tua
Charge ri
jai
j67
Cablel 0.4 kV
+3
jl7
+17 +42
LjS ,)5 0
Batteryl
Lcadl 20 tVA
+105
■jjBT
Buä4 nt,-f>*
1-1 WTd
jl7
HTGl 100 Id
) 1*104
/j 57
Lcad4 50 kTO
Bus 7 0.4 kV
Bua 5 I ^E-
0.4 kV 1.5 4Vd 9*
HTG2 200 kW
+41 +Í1
)jlS )j3S
+28
) )
25
Lcadj Lcadc 30 kVA 20 kVa
0.4 kVl
0_1 4Vd
I »43 30
+ia
Fig. 8 - Schema electricä a microretelei studiate cu alimentare hibridä din reteaua electricä publicä çi din surse fotoelectrice.
Utilizatori
L
Fig. 9 - Supratensiuni temporare la conectarea surselor
regenerabile de energie pe o linie de JT radialä: 1- sursä regenerabilä inactivä, sarcinä maximä pe linie; 2 - sursä regenerabilä în functiune, sarcinä redusä la utilizatori.
9a
Variatia de tensiune AU care poate apärea la bornele utilizatorilor la bara la care este conectatä sursa PV poate fi determinatä din relatia
AU = U max - U min = AUi -AU 2 (4)
in care
AUl = S1 • cos(V-9i) mU ;
Ssc
AU 2 = (S2 - SPV ) • cOS(V-92) •u •
S sc
(5)
În relatiile (5) au fost utilizate notatiile:
51 este puterea absorbità de utilizatorii cu factorul de putere cos^1 , conectati la bara analizatà (valori corespunzàtoare maximului graficului de sarcinà - de obicei vârful de searà);
Ssc - puterea de scurtcircuit la barele de joasà tensiune ale postului de transformare;
y - unghiul retelei (tany=X0/R0 unde X0 çi R0 sunt reactanta specificà çi respectiv rezistenta specificà a liniei de 0,4 kV);
U - tensiunea de referintà la barele de 0,4 kV ale postului de transformare (consideratà practic constantà pe durata unei zile);
52 - puterea absorbità de utilizatorii cu factorul de putere cos^2 , conectati la bara analizatà (valori corespunzàtoare unei sarcini reduse - de obicei ora prânzului într-o zi de sàrbàtoare);
SPV - puterea generatà de sursa PV (de obicei la ora de prânz, cu productie maximà).
Supratensiunea care rezultà ar putea determina deteriorarea echipamentelor utilizatorilor. Sistemul de management al microretelei trebuie sà monitorizeze nivelul tensiunilor din nodurile în care sunt conectate surse regenerabile de energie çi sà adopte màsuri adecvate pentru încadrarea acestora în limitele acceptate.
4. Concluzii
Preocupàrile privind reducerea poluàrii mediului ambiant çi utilizarea surselor locale de energie determinà modificarea structurii retelelor electrice de distributie prin aparitia de microretele, conectate la reteaua electricà publicà dar çi cu posibilitatea de a functiona izolat.
Atât pe durata functionàrii conectat la reteaua electricà publicà precum §i la fUnctionarea izolatà pot apàrea aspecte specifice care sà determine abateri de la valorile normate ale calitàtii energiei electrice. În prezent existà solutii tehnice eficiente pentru limitarea tuturor tipurilor de perturbatii electromagnetice, unele fiind posibil de a fi limitate prin solutii inteligente de conectare in circuit dar altele necesitând echipamente specializate. Desigur cà dezvoltarea sistemelor de stocare eficientà a energiei electrice va asigura conditii favorabile pentru asigurarea calitàtii energiei electrice, dezvoltarea microretelor §i a „prosumerilor".
Dezvoltarea microretelelor §i acceptarea acestora de càtre utilizatori va impune realizarea unui pret al energiei electrice cel mult egal cu pretul energiei electrice in reteaua electricà publicà §i un nivel al calitàtii energiei electrice care sà corespundà cel putin calitàtii energiei electrice din reteaua publicà.
Un rol deosebit de important pentru asigurarea conditiilor de functionare eficientà a microretelei il are sistemul de management care asigurà gestionarea surselor de energie astfel incât sà se ofere utilizatorilor energie de calitate la un pret cât mai redus.
REFERENCES
[1] Berger A., Henning M., Körner Ch., Voltage control in smart distribution grid - overview and practical experience of available solution, CIRED Stockholm 2013, rap. 0188.
[2] Fazeli A., Sumner M., Johnson C.M., Christopher E. Investigating the impact of varying the number of distributed energy resources on controlling the power flow within a microgrid, PESGM 2015, Denver, rap.001586.
[3] Golovanov N., Albert H., Gheorge S., Mogoreanu N., Lazaroiu G.C, Surse regenerabile de energie în sistemul electroenergetic, Editura AGIR, Bucureçti, 2005.
Despre autor.
Golovanov Nicolae, profesor dr.ing., la catedra Sisteme Electroenergetice, facultatea Energetica, Universitatea Politehnica din Bucure§ti, specialist in domeniul utilizarii eficiente a energiei electrice §i in domeniul calitátii energiei electrice. A condus un mare numár de doctoranzi, din tara §i din stráinátate (Elvetia, Grecia). Are peste 100 lucrári ¡jtiintifice publicate in reviste de specialitate din tara §i stráinátate, fiind o pre-zentá activa la cele mai importante manifestári ¡jtiintifice internationale din domeniu. 13 dintre lucrárile realizate sunt citate ICI iar 4 sunt citate INSPEC.
