Notiuni Generale Privind Generarea Energiei Electrice din Resurse Neconventionale
Cuprins
Capitolul I. Noțiuni generale privind generarea energiei electrice din resurse neconvenționale
1.1. Studiul actual și de perspectivă în producerea energiei electrică la nivel național și internațional
1.2. Enegia eoliană
1.2.1. Turbinele eoliene cu viteză fixă
1.2.2. Turbine eoliane cu viteză variabile
1.3. Energia solară
1.3.1. Câteva aspect tehnologice privind principalele tehnologii folosite în producția de energie electrică fotovoltaică
1.3.2. Potențialul fotovoltaic
1.4. Energie geotermala (a Pământului)
1.4.1. Tipuri de Centrale Geotermale
1.5. Energia biomasei inclusiv a deseurilor organice
Capitolul II. Noțiuni generale privind calitatea energiei electrice regenerabile (SER)
2.1. Sistemul de indicatori de calitate a energiei electrice
2.2. Normative și standarde în domeniul calității energiei electrice
2.3. Definitii de bază ale parametrilor tensiunii
2.4. Principalele recomandări ale EN 50160
2.5. Echipamente pentru monitorizarea calității energiei electrice
2.5.1. Echipamente portabile pentru monitorizarea calității energiei electrice 2.5.2. Descrierea aparatului de măsură fluke 435
2.5.3. Echipamente fixe pentru monitorizarea calității energiei electrice
Capitolul III. Perturbații specifice ale calității energiei electrice produse din resurse regenerabile (eolian, fotovoltaic)
3.1. Perturbații specifice ale calității energiei electrice produse din resurse regenerabile- instalații eoliene
3.1.1.Perturbații produse de convertizoare
3.2. Perturbații caracteristice parcurilor panouri fotovoltaice
Capitolul IV. Modalități de combatere a perturbațiilor introduse de generatoarele eoliene și fotovoltaice
4.1. Combaterea fluctuațiilor de tensiune
4.2. Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie
Capitolul V. Măsurări ale calității energiei electrice generate de producători de energie electrică din surse regenerabile
*Anexe
*Concluzii
*Bibliografie
Capitolul I. Noțiuni generale privind generarea energiei electrice din resurse neconvenționale
Studiul actual și de perspectivă în producerea energiei electrică la nivel național și internațional
Modernizarea și reînnoirea tehnologiilor din diverse sectoare industriale devin azi din ce în ce mai importante. Primul loc este ocupat de optimizarea proceselor de producție a energiei electrice din surse regenerabile și de recuperare a resurselor energetice secundare din procesele tehnologice. Acestea pot fi atinse prin măsuri care conduc la diminuarea consumurilor specifice de combustibil și căldură, reducând costurile energiei consumate în procesele industriale.
Energia bazată pe sisteme energetice regenerabile (SER) este calea cea mai ieftină și sigură de reducere a emisiilor de gaze poluante la producerea energiei electrice și termice.
La producerea de energie electrică, mecanică sau termică din sisteme de energie electrică regenerabilă (SER) sunt folosite următoarele tehnologii de conversiune :
În zonele rurale există o diversitate de forme de energie regenerabilă care pot fi
utilizate în alimentarea cu energie a acestor zone sau a zonelor urbane:
Biomasa provine din reziduuri ale exploatărilor forestiere și agricole și din deșeuri provenite din prelucrarea lemnului; biogazul rezultă din fermentarea dejecțiilor animaliere sau de la stațiile de epurare orășenești, și reprezintă principalul combustibil, fiind folosit pentru încălzirea spațiului și a apei, precum și pentru gătit.
Energia geotermală este energia depozitată și zăcămintele hidrogeotermale subterane, exploatabilă prin tehnologii speciale de foraj și extracție și se poate utiliza pentru încălzirea spațiului și a apei;
Energia solară este utilizată la producerea de căldură prin conversie pasivă sau activă și de energie electrică prin sisteme fotovoltaice și se poate utiliza la prepararea apei calde
menajere, rezultând o reducere a consumului de combustibilii fosili utilizați la încălzirea apei;
Generatoarele eoliene pot de asemenea acoperii necesarul de energie electrică din zonele rurale greu accesibile și neelectrificate.
În momentul actual, cele mai valorificate surse de energie sunt: eoliană, solară, geotermală și biomasa. Caracteristica pentru toate sursele enumerate este lipsa emisiei de CO2.
Problema principală a surselor de energie regenerabilă este caracterul fluctuant în care este generată energia electrică.
Soluția utilizată la ora actuală pentru rezolvarea acestei probleme este aceea de a compensa variațiile de putere generate prin modificarea puterii altor surse prezente în sistemul energetic capabile de a răspunde rapid la solicitările de modificare a puterii.
În acest proiect se propune studierea monitorizării calității energiei produsă din resurse regenerabile și a unor alte modalități de reducere a perturbațiilor introduse în sistemul energetic.
Energia eoliană
Figura 1.1. Prezentare unei surse regenerabile de tip eoliană în funcțiune [12]
Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului. Vânturile se formează datorită faptului că Soarele nu încălzește Pământul uniform, diferențele de temperatură creând mișcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti turbine ce antrenează dispozitive electromecanice , care sunt capabile de a genera electricitate. Există turbine ce pot produce 5 MW, însă acestea necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, respectiv 20 de kilometri pe ora și doar puține zone pe pământ au aceste viteze ale vântului disponibile. Este admis pe scară largă faptul că majoritatea turbinelor produc energie aproximativ 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.
Avantaje
Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante precum și gaze cu efect de seră, din cauza faptului că nu se ard combustibili.
Un alt avantaj major este faptul că nu se produc deșeuri.
Costul energiei electrice produse pe unitatea de energie, este redus.
Costurile energiei produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici. Costuri reduse de scoatere din funcțiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la capătul perioadei normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.
Dezavantaje
Principalele dezavantaje sunt :
resursa energetică relativ limitată.
inconstanta din cauza variației vitezei vântului.
numărului redus de locuri posibile pentru amplasare.
"poluarea vizuală" – adică, au o apariție neplăcută – și de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor.
riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depășește limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.
Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă produsă din energie eoliană. Energia cinetică a vântului poate fi folosit pentru a mișca turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia eoliană este gratuită și curată, care nu poluează mediul înconjurător. Avantajul său principal este lipsa de emisie de poluanți, pentru că nu se ard combustibili și este produsă nu deșeuri. Principalul dezavantaj în ceea ce privește energia eoliană este faptul că puterea vântului nu este constantă, deci turbinele nu vor produce o cantitate constantă de energie electrică. Poluarea fonică este un alt dezavantaj, care tinde să scadă. În plus, construcția de turbine eoliene poate fi costisitoare. Omenirea folosește energia eoliană de mii de ani. Vechii Persani au utilizat deja energia eoliană pentru pomparea apei. Interesul actual pentru energia eoliană este derivat din necesitatea de a dezvolta sisteme ecologice și durabile de energie, pe care ne putem baza pe termen lung.
Energia eoliană poate fi utilizată în două moduri: direct și indirect. În mod direct, se utilizează pentru a deplasa un vehicul, pentru a pompa apa sau rotativ abraziv unei mori. În mod indirect, turbina este cuplat la un generator electric pentru a produce electricitate. În acest caz, este nevoie de un sistem de conversie complex ale cărui componente sunt modelate și simulate pentru o mai bună înțelegere a performanțelor lor. Modelarea precisă a sistemelor de turbine eoliene este de mare importanță, deoarece permite optimizarea lor, dezvoltarea tehnologică și utilizarea sistemelor de control. Figura 1.2 prezintă o diagramă ce reprezintă structura de bază a modelului pentru sistemul de turbine eoliene
Figura 1.2. Structura de bază a sistemului de turbine eoliene
Model eolian
În general, vântul este modelată ca un proces stohastic. Cu toate acestea, variația eoliene poate fi modelată în diferite maniere. În [15] este prezentat un model de vânt bazat pe o descriere spectrală de putere a turbulenței. În [11] viteza vântului este modelat ca o sumă de armonici, așa cum este prezentat în legătură (1):
(1)
Unde viteza vântului este , viteza medie, este frecvența armonică iar este amplitudinea armonică.
In [6] amplitudinea armonică este frecvența unghiulară, care poate fi exprimată ca o funcție al spectrului Dryden.
În [6] Amplitudinea armonică este frecventa unghiulară, de îngrijire poate fi exprimată ca o funcție al spectrului Dryden. În [7] distribuția vitezei vântului este modelat cu o distribuție statistică denumită distribuție Weibull.
Pentru a descrie un flux de aer turbulent, în [14] modelul spectral de continuă turbulență de Kaimal este folosit bazat pe o viteza medie a vântului pe oră, cu o deviație standard. Comportamentul frecvenței de fluctuațiile vitezei vântului este descris de un model de densitatea de putere spectrală.
În [8] Turbulența de vânt Dryden, modele de vânt Von Karman, sunt puse în aplicare Modele continue și discrete de vânt. Modelele eoliene sunt considerate a fi rafale de vânt atunci când viteza lor creste de 1,5 ori viteza lor medie în termen maxim de 3 secunde. O funcție de forma de obicei folosit pentru a reprezenta rafale de vânt este funcția așa-numita formă "un cosinus minus" (2):
(2)
Cu amplitudinea rafalei de vânt, perioada iar t timpul când a început rafala de vânt.
Viteza vântului poate fi scrisă ca o sumă de o viteză a vântului de bază constant, o componentă rafală de vânt și o componentă de vânt rampă care modelele de schimbările rapide viteza vântului [1].
Conversia energiei vântului
În [4] și [2], modelul de turbine eoliene descris de autorii se bazează pe caracteristicile de putere la starea de echilibru ale turbinei. Pentru măsurarea cantității de energie captată de la o turbină eoliană este utilizată următoarea ecuație matematică:
(3)
unde Pm este puterea de ieșire mecanică a turbinei, Cp este coeficientul de alimentare cu turbină λ raportul de viteză de vârf și β unghiul de înclinare a paletei, ρ densitatea aerului, A ieste zona acoperită de turbină, și vw viteza vântului.
Pentru reprezentarea coeficientului puterii turbinei, diferite abordări pot fi utilizate. Ecuația generic utilizat în acest scop este dată de (4) și (5):
(4)
(5)
Coeficienții c1 la c6 pot fi: c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 și c6 = 0.0068.
In [2] autorii utilizați pentru coeficientul puterii turbinei ecuația (6).
(6)
In [5] coeficientul de putere turbinei este reprezentat ca raport (7):
(7) Raportul de viteză este definită în [4] ca relația (8)urbulență de Kaimal este folosit bazat pe o viteza medie a vântului pe oră, cu o deviație standard. Comportamentul frecvenței de fluctuațiile vitezei vântului este descris de un model de densitatea de putere spectrală.
În [8] Turbulența de vânt Dryden, modele de vânt Von Karman, sunt puse în aplicare Modele continue și discrete de vânt. Modelele eoliene sunt considerate a fi rafale de vânt atunci când viteza lor creste de 1,5 ori viteza lor medie în termen maxim de 3 secunde. O funcție de forma de obicei folosit pentru a reprezenta rafale de vânt este funcția așa-numita formă "un cosinus minus" (2):
(2)
Cu amplitudinea rafalei de vânt, perioada iar t timpul când a început rafala de vânt.
Viteza vântului poate fi scrisă ca o sumă de o viteză a vântului de bază constant, o componentă rafală de vânt și o componentă de vânt rampă care modelele de schimbările rapide viteza vântului [1].
Conversia energiei vântului
În [4] și [2], modelul de turbine eoliene descris de autorii se bazează pe caracteristicile de putere la starea de echilibru ale turbinei. Pentru măsurarea cantității de energie captată de la o turbină eoliană este utilizată următoarea ecuație matematică:
(3)
unde Pm este puterea de ieșire mecanică a turbinei, Cp este coeficientul de alimentare cu turbină λ raportul de viteză de vârf și β unghiul de înclinare a paletei, ρ densitatea aerului, A ieste zona acoperită de turbină, și vw viteza vântului.
Pentru reprezentarea coeficientului puterii turbinei, diferite abordări pot fi utilizate. Ecuația generic utilizat în acest scop este dată de (4) și (5):
(4)
(5)
Coeficienții c1 la c6 pot fi: c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 și c6 = 0.0068.
In [2] autorii utilizați pentru coeficientul puterii turbinei ecuația (6).
(6)
In [5] coeficientul de putere turbinei este reprezentat ca raport (7):
(7) Raportul de viteză este definită în [4] ca relația (8)
(8)
unde R este radiusul turbinei iar Ω viteza de rotație.
Folosind valori diferite pentru unghiul de pas caracteristicile – Cp – λ poate fi ilustrată ca în Figura 1.3, ceea ce indică faptul că există un anumit λ la care turbina este mai eficientă [4].
Figura 1.3. unghiul de pas
Controlul puterii turbinei
Relația dintre puterea și viteză a vântului determină tipul de control necesar. Puterea de ieșire mecanică turbină folosind cuplul mecanic la tea turbinei este dată de (9):
(9)
Folosind cuplul mecanic la partea turbinei caracteristicile mecanice ale turbinelor eoliene sunt descrise de (10):
(10)
unde Tg este sarcina și J este momentul de inerție turbină [4].
Figura 1.3. Cp – λ caracteristici, pentru diferite valori de înclinarea paletei [4]
Aceste caracteristici mecanice poate fi descris, de asemenea, ca relație (11) [5]:
(11)
unde CT este s coeficientul de cuplu, care este dat de .
Curba de putere specifică cât de mult puterea poate fi extras de vânt de intrare. Figura 1.4 reprezintă o curba ideală de energie turbine eoliene, împărțită în 3 zone.
(12)
Figura 1.4. O curbă ideală de energie turbine eoliene
Vitezele cut-in și cut-out sunt limitele de operare ale turbinei. In interiorul acestor limite, se asigură faptul că energia disponibilă este peste pragul minim și turbina eoliană nu este suprasolicita. Puterea nominală este furnizat de către producător, în timp ce viteza vântului nominală este ales pentru viteze mai mari de acest punct sunt rare [3]. În Figura 4, regiunea I este format din vitezei scăzute a vântului și este sub puterea nominală turbină. În această regiune, turbina este rulat la eficiența maximă a extrage toată puterea.
Turbinele eoliene clasice funcționează cu o viteză constantă a vitezei rotorului eolian și folosește generator asincron cu rotor în colivie conectat direct la rețea, fără a avea o strategie de control turbina [7]. În conformitate cu relația (3), puterea mecanică crește cu puterea a treia de viteza vântului. Aceasta implică faptul că, în timpul vânturilor puternice, care corespund regiunii 3 în Figura 1.4, acțiuni dinamice aero sunt să fie efectuate în scopul de a limita puterea primită de la vânt, evitarea stresului prea mare asupra componentelor. Din acest motiv, sunt utilizate turbine eoliene cu viteză variabilă mai sofisticate, care sunt capabile să se adapteze viteza rotorului cu viteza reală a vântului, în scopul de a controla puterea produsă. În cazul controlului cu viteză variabilă, viteza a turbinei poate fi ajustată atunci când se schimbă viteza vântului. In acest fel, sistemul poate funcționa la punctul de putere maximă.
1.2.1.Turbinele eoliene cu viteză fixă
Figura 1.5. Reprezentarea schematică a unui generator eolian cu viteză fixă.[10]
Montarea a două generatoare
Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic. Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone.
În cazul mașinilor sincrone clasice și asincrone cu rotorul în scurtcircuit, viteza de rotație depinde direct și strict de frecvența curenților ce parcurg înfășurările statorice.
Mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit, având un număr fix de perechi de poli, poate funcționa într-un domeniu retras de viteze: alunecarea este de ordinul a câtorva procente.
Funcționarea în mod autonom
Eolienele neconectate la rețea funcționează în mod autonom, alimentând sarcini izolate, ce au eventual, unul sau mai multe grupuri electrogene tampon. Pentru acest tip de configurație, utilizarea unui sistem de stocare prezintă un interes deosebit, mai ales în absența grupurilor electrogene, pentru situația când vântul este slab.
Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluție pentru stocarea pe o durată mai mare. Există însă și alte sisteme de stocare, cum ar fi cel inerțial, pentru stocarea pe durate scurte. Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă pentru mediu, un caracter poluant. Energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant.
Generatorul poate fi o mașină sincronă cu magneți permanenți sau o mașină asincronă cu rotor în scurtcircuit, prevăzută neaparat cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.
Figura 1.6. Schema generală a unei eoliene cu viteză fixă, în mod autonom [10]
Funcționarea în rețea
În cazul în care eoliana este conectată la rețea, viteza de rotație a mașinii asincrone trebuie să rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru a asigura funcționarea stabilă a generatorului. Frecvența rețelei impune viteza de rotație a mașinii. Generatorul cu viteză fixă, conectat direct la rețea, trebuie neapărat prevăzut cu un multiplicator de viteză. Generatorul eolian funcționează la o anumită viteză de rotație, pentru un domeniu restrâns de viteze ale vântului. Din acest motiv, aplicațiile sunt limitate.
Conectarea la rețeaua electrică a unei eoliene cu o astfel de structură presupune două etape:
1. prima etapă constă în conectarea înfășurării statorice la rețea cu rezistente înseriate, pentru a se reduce curenții statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel încât cuplul dezvoltat să fie nul.
2. După câteva secunde, rezistențele din circuitul statoric sunt scurcircuitate (eliminate), apoi sistemul de reglare comandă, orientează palele în scopul creșterii puterii.
Regimul tranzitoriu la conectare determină apariția unor curenți importanți, ce sunt limitați de către rezistente. Rezistențele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativa (VTA), prin modificarea unghiului de comandă al tiristoarelor din structura variatorului reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu atingă valori periculoase pe durata etapei de conectare.
Figura 1.7. Schema de conectare directă la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit [10]
Mașina asincronă cu stator dublu
Această configurație oferă posibilitatea funcționarii eolienei cu două viteze. Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli și deci domenii diferite de viteză. Se pot impune două viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.
Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.
Puterea debitată în rețea este:
,
În care:
Ptr – puterea transmisă de generator în rețea;
m – cuplul electromagnetic;
Ωs – este viteza de sincronism
Ωs = ω/p
cu ω pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli.
La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli, și viteza de sincronism este mică, așa cum evidențiază relația de mai sus.
Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfășurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca și viteza turbinei sunt mai mari.
Figura 1.8. Schema de conectare la rețea a unei eoliene mașina asincronă cu stator dublu[10]
1.2.2. Turbine eoliene cu viteză variabilă
Figura 1.9. Model de generator eolian cu viteză variabilă[10]
Pentru optimizarea puterii debitate în rețea, în funcție de viteza vântului, este de dorit ca să se poata regla viteza de rotație a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvență fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcționarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantități mai mari din energia vântului, reducând în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încat, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcționeze la puterea maximă. Este ceea ce se numește Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotație a eolienei, puterea maximă se obține în concordanță cu caracteristica eolienei P(Ω).
Figura 1.10. Puterea în funcție de viteza de rotație a arborelui mașinii.
Sistemele eoliene cu viteză variabilă conectate la rețea, utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF) .
Convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF)
Prin modificarea vitezei, frecvența și amplitudinea tensiunii la iesirea generatorului sunt variabile. Pentru conectarea la rețea, energia electrică trebuie transformată și adusă la parametrii constanți ai rețelei. În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență, interpuse între generator (sincron sau asincron) și rețea. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice.
Lanțul de conversie va cuprinde:
generatorul;
convertorul static de tensiune și frecvență, compus din:
convertor c.a.-c.c. (redresor) (1)
Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirectionale. În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza și energia reactivă necesară magnetizării;
convertor c.c.-c.a. (invertor) (2)
Prin comanda acestuia, se poate regla frecvența și valoarea eficace a energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la rețea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conținut mai redus de armonici).
Figura 1.11. Schema unui convertor static de tensiune și frecvență
Comanda acestor convertoare se realizează cu ajutorul unor sisteme de comandă bazate pe microprocesoare avansate.
Controlul transferului de putere între redresorul cu modulație în durată și invertor, se realizează prin controlul circuitului intermediar de c.c.. Acesta conține un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât și caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar.
Sisteme electrice cu viteză variabilă
Montarea a două generatoare
Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic. Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone.
Generator cu număr variabil de poli
Se poate modifica conectarea înfășurărilor statorice ale generatoarelor sincrone și asincrone, pentru a obține diferite numere de perechi de poli și deci, diferite viteze de rotație, în funcție de condițiile de vânt. Aceasta soluție se bazează pe expresia vitezei de sincronism Ωs:
Ωs = ω/p
în care ω este pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli, care se modifică.
Soluția nu permite însă, decât modificarea în trepte, numărul de viteze fiind limitat.
În cazul generatoarelor asincrone, datorită alunecarii, există posibilitatea funcționarii acestora cu ușoare variații de viteză. Sunt posibile mai multe configurații:
mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric;
mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) și convertor dublu cu modulație în durată;
mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit.
1. Mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric
Această soluție exploatează faptul că alunecarea s depinde de rezistența rotorică, evidențiată în schema echivalentă prin Rr / s. Prin adaugarea de rezistențe suplimentare în circuitul rotoric, se poate regla alunecarea, și deci viteza rotorului, în funcție de codițiile de vânt. În consecință, pulsația rotorică ωr este dată de :
în care ω este pulsația fixă a rețelei, iar s alunecarea. Pulsația rotorică se poate exprima și ca:
ωr = p׀ωs-ω ;
în care ωs este viteza de sincronism. Rezultă:
ω = ωs+ ωr/p
dacă s < 0.
Ex. Variația maximă a alunecării poate fi de 10 %, sau chiar mai mare.
Generatorul utilizat este MADA (Mașina Asincronă cu Dublă Alimentare), sau MAS cu rotor bobinat.
Schema de principiu a acestui tip de sistem este prezentată în figura de mai jos
Figura 1.12. Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă și reostat în circuitul rotoric
2. Mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) – (Mașina asincronă cu rotor bobinat, asociată cu un convertor indirect de tensiune și frecvență cu modulație în durată (structura Scherbius) cu tranzistoare IGBT)
Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecvență. Acest tip de structură se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica într-o gamă destul de mare (de la simplu la dublu). Convertorul static de tensiune și frecvență este bidirecțional, putând asigura deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor.
Prin comanda acestuia se realizează reglajul de viteză și controlul puterilor activă și reactivă vehiculate între mașină și rețea.
Figura 1.13. Schema de reglare a vitezei și controlul puterilor active și reactive între mașină și rețea.[10]
În principiu, viteza se reglează prin intermediul frecvenței de alimentare a înfășurărilor statorice. Bidirecționalitatea CSTF asigură funcționarea atât în zona hiposincronă (sub caracteristica mecanică naturală), cât și în cea hipersincronă (deasupra caracteristicii mecanice naturale) și controlul energiei reactive vehiculate cu rețeaua de distributie.
3. Mașina asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune și frecventă (CSTF) indirect.
Figura 1.14. Schema unei MAS cu rotor în scurtcircuit asociată cu un CSTF [10]
În cazul generatoarelor sincrone, mașina sincronă (MS) cu multiplicator și convertor în stator.
Se poate renunța la multiplicatorul mecanic, dacă se utilizează un generator sincron cu număr mare de poli (turație mică de sincronism).
Mașina sincronă (MS) cu multiplicator și convertor în stator
În cazul mașinii sincrone, amplitudinea și frecvența tensiunii la borne, depind de viteză. Din acest motiv, conectarea la rețea trebuie să se realizeze prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect, compus dintr-un redresor, un circuit intermediar de c.c. și un invertor.
Figura 1.15. Schema unei MS cu multiplicator și convertor în stator[10]
Sunt posibile două soluții, ambele referitoare la tehnologia de realizare a rotorului:
rotorul bobinat
rotorul cu magneți permanenți
Mașina sincronă cu rotorul bobinat
O mașina cu număr mare de poli (turație de sincronism redusă) implică un stator cu gabarit mare.
În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distributie.
Mașina sincronă cu rotor cu magneți permanenți
Rotorul este realizat cu magneți permanenți cu flux axial, rezultând o mașină compactă – Mașina Sincronă cu Magneți Permanenți (MSMP).
În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distribuție.
Materialele cu magneți permanenți au fost îmbunatățite și ca urmare a rezultat o mai mare eficiență a generatoarelor cu magneți permanenți decât acea a generatoarelor cu câmp învârtitor. Fluxul de excitație este prevăzut cu magneți permanenți având capacitatea să funcționeze la temperaturi de peste 260oC. Aplicând o viteză ridicată generatorului cu magneți permanenți (PMG), magnetul se menține între temperaturile limită, având și posibilitatea de răcire a sistemului, identificarea pierderilor părăsite, menținerea și repararea componentelor, reglarea tensiunii și a frecvenței care va fi transformată în putere de curent alternativ (AC).
Figura 1.16. Schema generală a unei eoliene cu viteză variabilă cu magneți permanenți [10]
O eoliana cu viteză variabilă este caracterizată de patru faze de funcționare:
– Faza de pornire a mașinii. Producerea de energie electrică începe atunci când viteza mecanică atinge aproximativ 70% din viteza de sincronism a generatorului. Puterea electrică este însă mică.
– Faza de extragere a puterii maxime, sau faza MPPT (Maximum Power Point Tracking). În această zonă, viteza mecanică variază și poate atinge valori apropiate de viteză nominală. Puterea electrică crește rapid.
În această zonă, unghiul de orientare a palelor β rămane constant la valoarea minimă, pentru a putea obține valoarea maximă a coeficientului Cp. Se obține astfel puterea maximă, indiferent de valoarea vitezei mecanice, pentru viteze medii ale vântului (aproximativ 7-13 m/s).
– Faza vitezei mecanice cvasi-constante. Unghiul de orientare a palelor β se modifică pentru obținerea puterii electrice maxime, pentru diferite valori ale vitezei vântului. Este ceea ce se numeste 'pitch control'. Puterea electrică crește foarte repede, pană atinge valoarea nominală.
– Faza de putere constantă. În cazul în care viteza vântului crește în continuare, unghiul de orientate a palelor devine important, în scopul conservării puterii electrice constante, la valoarea nominală.
Din motive de siguranță, dacă viteza vântului devine prea mare și riscă să avarieze eoliana, unghiul de orientare a palelor este fixat la 90°. Este ceea ce se numește punerea în drapel, ce determină oprirea eolienei pană cand viteza vântului se reduce.
Energia solară
Energia solară se referă la o sursă de energie reînnoibilă care este direct produsă prin lumina și radiația solară. Aceasta poate fi folosită să:
• genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice)
• genereze electricitate prin centrale electrice termale
• genereze electricitate prin turnuri solare
• încalzească blocuri, direct
• încalzească blocuri, prin pompe de caldură
• încalzeasca blocuri, prin cuptoare solare
Producerea energiei electrice prin conversia fotovoltaică a energiei solare este cea mai atrăgatoare datorită avantajelor pe care le prezintă, în primul rând faptului că procesul este direct, fară verigi intermediare. Conversia fotovoltaică se poate realiza cu ajutorul dispozitivelor fotovoltaice cunoscute sub denumirea de celule solare. Prin montarea și conectarea în serie și în paralel a mai multor celule solare de același tip pe panouri fotovoltaice se realizează bateriile solare sau sisteme de conversie fotovoltaică a energiei solare. Puterea electrică a acestor baterii solare variazaă între 5 W și 200 W și uneori și până la 300 W. Bateria solară este "carămidă" de construcție a unui sistem fotovoltaic pentru a obține puterea dorită. Sistemul fotovoltaic mai dispune și de alte componente iar cele mai importante sunt acumulatorii și invertoarele. Energia produsă de bateriile solare este stocată în acumulatoare, iar de acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu –curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220 V.
Vînzările mondiale de sisteme fotovoltaice au atins în 2006 mai mult de 2 GW, dupa care au crescut în mediu cu 30% pe an. Așadar, industria fotovoltaică a stabilit noi standarde, a patruns pe noi piețe și și-a demonstrat viabilitatea din punct de vedere economic.
Avantaje
Celulele fotovoltaice sunt fiabile, nu au piese în mișcare, și costurile cu funcționarea și întreținerea sunt scăzute. Funcționarea celulei fotovoltaice este silențioasă și nu poluează. Cantitatea de radiații care ajunge pe pământ este, bineânțeles, variabilă. Această cantitate depinde pe de o parte de variațiile regulate determinate de zile și ani cauzate de mișcarea aparentă a Soarelui cât și de variații aleatoare determinate de condițiile climatice (prezența norilor) precum și de compoziția generală a atmosferei. Din aceste motive, sistemele de conversie fotovoltaică se construiesc pe baza datelor provenite din măsurători realizate în apropierea zonei instalate.
Dezavantaje
Dezavantajul principal este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotației Pământului în jurul axei sale, și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilelor noroase, când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicațiile acestei forme de energie reînnoibilă. Panourile solare produc energie electrică în medie 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore) Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică și în același timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea
Câteva aspect tehnologice privind principalele tehnologii folosite în producția de energie electrică fotovoltaică
Figura 1.17. Schema bloc a unei instalații fotovoltaice [6]
Figura 1.18. Panou fotovoltaic [5]
Figura 1.19. Principiul de funcționare al celulei fotovoltaice [3]
În figura 1.19 este prezentat principiul de funcționare a celulei solare, prin separarea purtătorilor de sarcină în joncțiunea p-n ia naștere o tensiune la bornele celulei și un curent printr-o rezistență de sarcină, astfel încât celula iluminată funcționează ca un generator de putere electric.
Ecuația caracteristici curent – tensiune a unei celule fotovoltaice:
-curent de diodă;
-curentul de iluminare;
-intensitatea curentului de saturație;
U- tensiunea fotoelectrică (care se stabilește la bornele celulei, polarizând-o în sens direct) [V];
-tensiunea termică corespunzătoare temperaturii de funcționare a joncțiunii ;
e – sarcina electronului[C];
– constanta lui Boltzmann;
T – temperatura apsolută [°C].
Randamentul unei celule fotovoltaice se determină ca raportul dintre puterea generată de celulă la ieșire la o temperatură specificată și puterea radiației solare.
;
S – aria suprafeței celulei sau modulului [];
E – radiația globală incidentă pe suprafața celulei sau modulului, [W/];
Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radiației solare sunt
prezentate în figura 1.20.
Figura 1.20. Caracteristicile celulei fotovoltaice
a – la variația radiației solare; b – la variația temperaturii [3]
Cele mai utilizate materiale în construcția celulelor fotovoltaice sunt:
siliciu – în condiții de laborator s-au obținut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13¸25% în dependență de suprafața celulei, iar în condiții de fabrică – 12¸14%.
Randamentul celulei din siliciu policristalin este de 17¸20% în condiții de laborator și 11¸13% în condiții de fabrică.
arseniura de galiu – atinge un randament de 23% putând funcționa la temperaturi mai ridicate decât siliciul, randamentul maxim fiind de 27%;
sulfura de cadmiu (CdS) -randament de 8%, randamentul teoretic fiind de 19%;
telura de cadmiu (CdTe) – cu randament de 7% și este teoretic materialul cu randamentul optim maxim – 28% limitat de tehnologia de fabricație;
germaniu (Ge);
fosfura de indiu (InP);
fosfura de galiu (GaP);
antimoniura de aluminiu (AlSb).
Cel mai utilizat și cu cele mai bune proprietăți este siliciu.
Figura 1.21.Randamentul celulelor fotovoltaice[3]
În prezent siliciul este cel mai utilizat material semiconductor pentru fabricarea celulelor solare, datorită abundenței materialului, tehnologiei perfecționate și întelegerii proceselor fizice care au loc în material și în celulele solare pe baza lui.
Randamentul de conversie a energiei solare pe baza de Si monocristalin în condiții de laborator a atins valoarea de 24%, costul lor este însă foarte ridicat. De aceea continua dezvoltarea producerii materialelor noi și elaborarea noilor tehnologii de fabricare a celulelor solare.
Potențialul fotovoltaic
În România s-au identificat cinci zone geografice (zona I – V), diferențiate în funcție de nivelul fluxului energetic solar măsurat. Distribuția geografică a potențialului energetic solar relevă că mai mult de jumatate din suprafața României beneficiază de un flux anual de energie cuprins între 1.000 kWh/- an și 1.300 kWh/- an, după cum reiese din tabelul 1.1.
Tabel 1.1. Distribuția geografică a potențialului energetic solar în România
Energie geotermală (a Pământului)
Energia geotermală este o energie curată, nu este dependentă de condițiile climatice și poate fi exploatată pe plan local, fiind pusă la dispoziție oricând și oriunde, indiferent de vreme și climat. Este una din energiile regenerabile cu cel mai scăzut cost de investiție pentru reducerea gazelor cu efect de seră, comparabil cu alte resurse regenerabile.
Energia geotermală poate fi:
1. de înaltă temperatură (caracteristică zonelor vulcanice); pânzele de apa limitrofe ajungând la sute de grade, realizând o vaporizare parțială care se utilizează într-o centrală electrică. Accesul la pânza de apă este dificil.Uneori, adâncimea de foraj poate depasi 10.000 m;
2. de joasă temperatură, accesibilă în orice parte a globului. Temperatura scoarței terestre crește în adâncime cu 3°C la fiecare 100 m. Diferența de temperatura creată ar putea fi aplicată în termoficare prin recircularea fluidului în pompe de căldură, nu în producerea energiei electrice. Căldura solului poate fi utilizată de la adâncimi începând de la 1,2 m. La adâncimi mai mari de 1,8m solul are o temperatură constantă de 10°C. Acest potențial termic se valorifică cu ajutorul pompelor de căldură.
Deși într-o prima etapă energia geotermală a fost folosită pentru încălzirea locuințelor în momentul de față oamenii scot energia din adâncurile pământului pentru a o folosi în centrale electrice. Prima centrală de acest tip, cu o putere mică, a fost construită în 1904 în orașul italian Larderello. În timp puterea instalată a centralei electrice a crescut, au fost adaugate agregate, și în zilele noastre puterea acestor centrale a ajuns la 360MW. În Noua Zelanda există așa o centrală electrică în regiunea Vairakei, puterea ei este de 160000 kW. La 120 km de San-Francisco în SUA produce energie o centrală geotermală cu puterea de 500000 kW.
Tipuri de Centrale Geotermale.
Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată pe glob pentru transformarea puterii apei geotermale în electricitate: ‘uscat’; ‘flash’ și ‘binar’, depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.
• Centralele ‘Uscate’ au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.
• Centralele ‘Flash’ sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 360°F(182°C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafață.
• Centralele cu ciclu binar diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina, respectiv generatorul electric. Apa folosită atinge temperaturi de până la 400° F(200°C).
Din nefericire potențialul Romaniei în ceea ce privește surse de agent termic geotermal cu potențial de a fi folosit în producerea de energie electrică este mic.
Energia biomasei inclusiv a deșeurilor organice
Produsele de prelucrare a biomasei permit generarea electroenergiei, de asemenea obținerea combustibilului pentru asigurarea mijloacelor de transport.
Pentru Româna soluționarea problemei creării surselor alternative energetice sigure necesită, în primul rînd, căutarea volumelor de biomasă regenerabilă de scară industrială, prelucrarea cărora permite obținerea cantității necesară de combustibil.
În acest context, cel mai de perspectivă pentru folosirea în calitate de substituient al combustibilului pentru motoare este bioetanolul.
Tehnologia de producere a bioetanolului și a biodieselului într-o oarecare măsură sunt analogice tehnologiilor de producere a alcoolului și a uleiului vegetal, diferențiindu-se prin faptul, că la producerea bioetanolului lipsește procesul de rafinare și se efectuiază dehidrarea pînă la concentrația de 99,6-99,8% alcool și se adaugă 1% de benzină cu stabilizator, iar din ulei se extrage glicerina.
În anul 2008 au fost recoltate aproximativ 2,8 mln. tone de produse cerealiere, între care 1,3 mln. tone grîu și 1,5 mln tone porumb, care se realizeză, conform datelor de la Bursa Universala de mărfuri, la prețul de 0,924 lei/kg grîu furajer și 1,1 lei/kg de porumb.
La prelucrarea complexă a porumbului dintr-o tonă de materie primă se poate obține 100kg germeni cu prețul de realizare 330 lei, 100kg de gluten cu prețul de realizare 400lei, 210 kg bioxid de carbon cu prețul de realizare 320 lei, 280 kg (350 litri) bioetanol cu prețul de realizare de 2800 lei și 310 kg borhot uscat DDGS la prețul de realizarte de 310 lei, astfel în sumă avem 4160 lei.
Ținînd cont de obiectivele propuse în legea menționată mai sus pentru satisfacerea cerințelor de bioetanol în volum de 24 mii tone în anul 2010, este necesar de a prelucra aproximativ 80 mii tone de porumb, iar în 2020, cantitatea de porumb necesară va fi de 240mii tone.
Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.
Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din urmă, reprezintă procesul chimic de ardere (transformare chimică în prezent a oxigenului molecular, proces prin excelența exergonic).
Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanți):
• Arderea directă care genereaza energie termică.
• Arderea prin piroliză, care genereaza singaz (CO + H).
• Fermentarea, cu generare de biogaz ( CH4 2 ) sau bioetanol (CH CH -OH)- în cazul fermentării produselor zaharați.
• Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool
și generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol.
În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.
• Degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați la etanol.
Biocarburanții sunt carburanții lichizi sau gazoși utilizați pentru transport, produși din biomasă. Lista produselor considerate biocarburanți cuprinde cel puțin următoarele:
a) bioetanol – etanol produs din biomasă și/sau fracția biodegradabilă a deseurilor, în vederea utilizării ca biocarburant;
b) biodisel – ester metilic, de calitatea motorinei, produs din ulei vegetal sau animal, în vederea utilizării ca biocarburanți;
c) biogaz – carburant gazos produs din biomasa și/sau din partea biodegradabilă a deșeurilor, care poate fi purificat până ajunge la calitatea gazului natural, în vederea utilizării ca biocarburant sau gaz de lemn;
d) biometanol – metanol extras din biomasă, în vederea utilizării ca biocarburant;
e) biodimetileter – dimetileter extras din biomasă, în vederea utilizării ca hiocarburant;
f) bio-eTbe (etil-tert-butil-eter) – ETBE produs pe bază de bioetanol. Procentajul volumic de bio-ETBE, calculat ca biocarburant, este de 47%;
g) bio-MTbe (metil-tert-butil-eter) – carburant produs pe bază de biometanol. Procentajul volumic de bio-MTBE, calculat ca biocarburant, este de 36%;
h) biocarburanti sintetici – hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice, care au fost extrase din biomasă;
i) biohidrogen – hidrogen extras din biomasă și/sau din partea biodegradabilă a deșeurilor, în vederea utilizării ca biocarburant;
j) ulei vegetal pur – ulei produs din plante oleaginoase prin presare, extracție sau procedee comparabile, brut ori rafinat, dar nemodificat din punct de vedere chimic, în cazul în care utilizarea sa este compatibilă cu un tip de motor și cu cerințele corespunzatoare privind emisiile.
Biodieselul este un biocombustibil sintetic lichid care se obține din lipide naturale, ca uleiuri vegetale sau grasimi animale, noi sau folosite, prin procese industriale de esterificare și trans-esterificare. Se poate folosi în substituirea totală sau parțială a petrodieselului. Biodieselul poate să se amestece cu motorina care provine din rafinarea petrolului în diferite cantități. Se folosesc abrevieri potrivit procentajului de biodiesel din amestec: b100 în cazul folosirii de 100% biodiesel, sau notații ca B5, b15 sau b30 unde numărul indică procentajul de volum biodiesel din amestec.
Proprietăți. Biodieselul se descrie ca un compus organic din acizi grași de lanț lung sau scurt.
Materii prime. Sursa de ulei vegetal în mod normal este uleiul de rapiță, este o specie cu un înalt conținut de ulei și se adaptează bine la climele reci. Totuși există și alte varietăți cu randament mai mare cum ar fi palmierul de ulei, jatropha curcas etc. Deasemenea se pot folosi și uleiuri folosite (ex. Uleiul uzat la bucătărie) încazul lui materia este ieftină, în plus în acest mod se reciclează cea ce altfel ar fi fost reziduu. În plus există și alte materii prime din care se pot extrage ulei.
În selva amazoniana sunt folosite ca materie primă: piñón, sacha inchi, mamona, și palmierul de ulei.
Procese industriale. În ziua de azi există diverse procese industriale cu ajutorul cărora se poate obține biodiesel. Cele mai împortante sunt:
1. Procesul bază-bază. Prin care se foloseste un catalizator, hidroxidul. Acest hidroxid poate fi Hidroxid de sodiu (soda caustică) sau Hidroxid de potasiu.
2. Procesul acid-bază. Este procesul în care se face prima dată o esterificare acidă si apoi continua cu procesul normal bază-bază, se folosesc în general acizi cu un înalt grad de aciditate.
3. Procese supercritice. În acest proces nu este nevoie prezența unui catalizator, se face la temperaturi înalte în care uleiul și alcolul reacționează fară necesitatea ca un agent extern ca hidroxidul să acționeze în reacție.
4. Procese enzimatice. În ziua de azi se cercetează unele enzime care pot sa fie folosite ca acceleratori de reacție ulei-alcool. Acest proces nu se foloseste în actualitate datorită înaltului cost, cea ce impiedică să se producă biodiesel în mari cantitati. Creșterea prețului combustibililor convenționali îl face mai competitiv. Biogazul este termenul folosit pentru amestecul de gaze (metan, hidrogen și bioxid de carbon etc .) de origine biogena care iau naștere prin procesele de fermentație a diferitor substante organice. Aceste gaze servind prin ardere ca sursă energetică (energie biogenă).
Pe teritoriul României sânt disponibile pentru utilizare urmatoarele surse de energie regenerabilă: biomasă, energia solară și eoliană, sursele cu potențial termic redus (inclusiv energia geotermală).
Anual în agricultură din România biomasă, care reprezintă principală SER se cultivă pe 1839,7 mii ha terenuri arabile, 153,6 mii ha vii și 141,5 mii ha livezi, ceea ce constituie 1,1-1,2mln. tone, sau 4,8 mln. MW/h. Produsele cerealiere cultivate constituie cca. 3,3 mln. tone.
Concluzii
Tendințele de 6% în anul 2010 și 20% în anul 2020 sunt posibil de atins, dar este necesar de a continua acordarea sprijinului financiar producătorilor de culturi energetice, se impune scăderea costurilor de producție (tehnologii moderne producții mari, tehnologii de prelucrare complexă a materiei prime agricole), există necesitatea trecerii la producția de biocarburanți de generația II pentru utilizarea biomasei, utilizarea fondurilor structurale și de coeziune UE pentru investitii.
România dispune de un potențial important de resurse regenerabile: energie hidroelectrică, biomasă, energie solară, eoliană și geotermală. Potențialul teoretic al surselor regenerabile de energie este prezentat în tabelul 1.. Potențialul utilizabil al acestor resurse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și restrictiilor de mediu.
Tabelul 1.2. Potențialul surselor regenerabile de energie din România
În 2008 costul producerii unui kWh de energie electrică (în diferite zone ale lumii) a devenit comparabil cu costul care se obține prin producerea energiei din surse fosile.
Costul unui kWh depinde de zona geografică. Astfel în China este 5 cenți iar în Italia 25 cenți.
Pe de altă parte în anumite zone a apărut un excedent de energie din surse eoliene încât distribuitori, din Olanda, Marea Britanie, Irlanda și Spania, cumpără mai ieftin kWh din surse eoliene decât pe cel din surse fosile.
Adăugând și faptul că materia primă pentru producerea energiei în centrale convenționale vom asista la o creștere accelerată a numărului de producători de energie din surse regenerabile. Se estimează că în 2008 creșterea a fost de 70% .
Toți acești, mai mari sau mai mici, producători de energie (din surse regenerabile) trebuiesc integrați în rețeaua de distribuție, generând o serie de probleme.
Capitolul II. Noțiuni generale privind calitatea energiei electrice regenerabile (SER)
Calitatea, conform definiției formulate de Organiza Internațională de Standardizare — ISO (International Standard Organisation), reprezintă totalitatea caracteristicilor și a particularităților unui produs sau serviciu, care concretizează aptitudinea de a răspunde la necesități potențiale sau exprimate ale utilizatorului.
Calitatea oricărui produs sau serviciu este o noțiune complexă pentru conturarea căreia se impune luarea în considerare a unui număr mare și variat de factori. În același timp, noțiunea de calitate trebuie să sintetizeze acele caracteristici care, în raport cu specificul produsului sau serviciului, au ponderi și semnificații distincte.
Energia electrică este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor. Calitatea energiei electrice a preocupat specialiștii din sectorul electroenergetic încă din primii ani ai utilizării, pe scară largă, a curentului alternativ; în ultimul deceniu, se constată însă o revigorare a interesului pentru acest domeniu, datorită dezvoltării explozive a echipamentelor și a tehnologiilor bazate pe electronica de putere. În prezent, calitatea energiei electrice constituie o preocupare majoră atât pentru furnizori, cât și pentru consumatorii de energie electrică.
Termenul de “calitate a energiei electrice” (power quality) a devenit deosebit de frecvent după anul 1980 și reprezintă un generic acoperitor pentru luarea în considerare a influenței unui mare număr de perturbații electromagnetice care pot să apară în sistemul electroenergetic (în special la medie și joasă tensiune). De menționat însă faptul că sintagma de “calitate a energiei electrice” nu este unanim acceptată și utilizată pe plan mondial, existând în prezent mai mulți termeni fo1osiți în relația furnizor de energie electrică – consumator:
Calitatea energiei electrice (Power Quality): termenul a fost propus în S.U.A. de IEEE și preluat de majoritatea publicațiilor de limbă engleză. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezintă “conceptul alimentării și legării la pământ a echipamentelor sensibile, într-un mod care să permită funcționarea corectă a acestora“. De fapt, în pofida acestei definiții termenul este utilizat într-un sens mult mai larg, referindu-se atât în problema poluării armonice generată de sarcinile neliniare, cât și la alte tipuri de perturbații electromagnetice apărute în sistemele electroenergetice;
Compatibilitate electromagnetică (Electromagnetic compatibility – EMC): termenul este utilizat de CEI (Comission Electrotechnique Internationale) și reprezintă “aptitudinea uni echipament sau sistem de a funcționa satisfăcător în mediul său electromagnetic, fără a induce perturbații inacceptabile în orice alt echipament sau sistem existent în acel mediu”;
Calitatea tensiunii (qualite de la tension): termenul este utilizat în Franța și în diferite publicații europene și se referă la “abaterile formei curbei de variație în timp a tensiunii de la sinusoida ideală” poate fi interpretat ca referindu-se la calitatea “produsului” livrat de furnizorul consumatorilor;
Calitatea curentului (current quality): este o definiție complementară celei anterioare și se referă la abaterile curentului față de forma ideală (o curbă sinusoidală de frecventă și amplitudine constantă și în fază cu tensiunea de alimentare); noțiunea se folosește pentru a descrie performanțele convertoarelor electronice;
Calitatea alimentării cu energie electrică (quality of supply sau quality of power supply): reflectă relația furnizor – consumator; are o componentă tehnică, calitatea tensiunii, descrisă anterior, și o altă componentă, frecvent denumită “calitatea serviciilor” (quality of service), care reflectă relațiile cu consumatorul (viteza de răspuns la solicitările acestuia, transparența tarifelor etc.).
Calitatea consumului (quality of consumption): reflectă relația consumator – furnizor; se referă la calitatea curentului, corectitudinea în plata facturii electrice etc.
În analiza problemelor legate de compatibilitate electromagnetică, standardele CEI operează în primul rând cu următorii termeni importanți:
emisia (emission): se referă la nivelul poluării electromagnetice produsă de un echipament;
imunitatea (immunity): reflectă capacitatea unui echipament de a nu fi afectat de poluarea electromagnetică.
Pot fi enumerate patru argumente majore care justifică interesul manifestat pentru domeniul calității energiei electrice:
echipamentele moderne sunt mai sensibile la reducerea calității energiei electrice, datorită faptului că au în componența lor dispozitive electronice și sisteme de control, bazate pe microprocesoare, ale căror caracteristici de funcționare sunt afectate de perturbații în rețeaua electrică de alimentare;
b) preocupările pentru creșterea randamentelor în procesele de producere, transport și utilizare a energiei electrice au determinat introducerea, pe scară largă, a electronicii de putere în controlul proceselor de conversie a energiei și a echipamentelor adaptive pentru controlul factorului de putere;
c) consumatorii au devenit mai conștienți și mai bine informați asupra impactului pe care diferite perturbații electromagnetice (aleatoare, semipermanente sau permanente) îl au asupra echipamentelor electrice și a proceselor tehnologice (inclusiv asupra calității produsului finit) și, ca urmare, cer furnizorilor să le ofere energie electrică la parametrii de calitate contractați;
d) creșterea complexității sistemelor energetice și a influențelor reciproce între acestea și utilizatori, precum și între consumatorii racordați la același sistem de alimentare.
În prezent, utilizatorii implementează echipamente și tehnologii tot mai complexe, care reprezintă, din punct de vedere electric, o largă clasă de sarcini neliniare; furnizorii de energie electrică încurajează această tendință deoarece ea determină limitarea investițiilor în sistemele de generare, transport și distribuție a energiei electrice (in principal, centrale și stații de transformare și/sau de distribuție), prin reducerea consumurilor în sectoarele de utilizare (strategiile DSM — Demande Side Management — aplicate în țările dezvoltate reprezintă un elocvent exemplu în acest sens). Pe de altă parte însă, echipamentele noi, corespunzătoare tehnologiilor moderne, sunt, de cele mai multe ori, puternic afectate de calitatea redusă a energiei electrice; în același timp, aceste echipamente reprezintă, în multe cazuri, surse suplimentare de perturbații electromagnetice.
O caracteristică importantă din punctul de vedere al calității energiei electrice este forma sinusoidală a curbei de tensiune. În realitate, nici o sursă nu poate asigura o tensiune perfect sinusoidală.
Consumatorii conectați la rețea, la o tensiune dată, solicită un curent a cărui amplitudine și formă reprezintă o caracteristică a consumatorului și a modului de funcționare. În consecință, curentul, care parcurge impedanța din amonte a rețelei electrice de alimentare, determină variația tensiunii pe barele de alimentare.
Pentru ca perturbațiile pe curba de tensiune să se mențină în limite admisibile, este deci necesar să se impună limite ale emisiilor perturbatoare, determinate pe curba curentului electric absorbit de consumator. Este evidentă necesitatea corelării dintre abaterile admise privind tensiunea în punctul comun de cuplare și cele ale curentului absorbit de consumator.
Aspectele legate de corelarea nivelului perturbațiilor cu susceptibilitatea echipamentelor fac obiectul compatibilității electromagnetice care, pe de o parte, deține standarde de emisie și, pe de altă parte, standarde de imunitate pentru un echipament. În funcție de riscul admis de incompatibilitate.
Într-un sistem electroenergetic pot fi identificate următoarele procese principale:
producerea
transportul;
distribuția;
utilizarea.
Fiecare dintre aceste procese are o influență specifică asupra calității energiei electrice.
Producerea
Generatoarele din sistem asigură energia necesară consumatorilor. Controlul acoperirii, în orice moment, a necesarului de energie al consumatorilor este realizat de reglajul putere activă-frecvență.
Forma curbei de tensiune la bornele generatoarelor se urmărește să fie practic sinusoidală; în practică se consideră că această tensiune este sinusoidală.
De asemenea, dimensionarea corectă a surselor din sistemul energetic determină și un alt indicator de calitate al energiei electrice și anume continuitatea în alimentare (cu efecte importante asupra funcționării economice a consumatorilor).
Transportul
Sistemul de transport al energiei electrice cuprinde linii electrice (de regulă aeriene) și stații de transformare de sistem. În mod obișnuit rețelele de transport funcționează buclat și este asigurată rezervă, în cazul apariției unor incidente. Rețeaua de transport este supusă unor solicitări diferite electrice, mecanice, termice. chimice etc. — Trăsnete, chiciură, deteriorări mecanice etc. — care pot conduce la defecte pasagere (scurtcircuite) sau permanente (întreruperi).
Scurtcircuitele trebuie eliminate:
rapid, pentru evitarea deteriorării echipamentelor, ieșiri din sincronism a generatoarelor și pierderea unor surse ale sistemului;
selectiv, pentru deconectarea părții de rețea afectate (de multe ori o singură fază). La funcționarea buclată a rețelei, pe faza afectată de defect, pe durata scurtcircuitului apare un gol de tensiune, al cărei amplitudine este maximă la locul de defect și descrește odată cu apropierea de punctele de generare. În cazul liniilor radiale, defectele sunt, în general, însoțite de întreruperi de scurtă durată (funcționarea RAR – reanclanșarea automată rapidă) sau de lungă durată (la deconectarea definitivă).
Din punctul de vedere al calității energiei livrate consumatorilor, rețeaua de transport este o sursă de goluri și întreruperi de tensiune, a căror durată este determinată de reglajul protecției prin relee ( în cazul golurilor și întreruperilor de tensiune de scurtă durată ) și de tipul de defect ( în cazul întreruperilor definitive ).
Distribuția
În general, rețeaua de distribuție este conectată la rețeaua de transport în stații de transformare coborâtoare, în care transformatoarele pot realiza și funcția de reglare a amplitudinii tensiunii. Deși cele mai multe dintre rețelele de distribuție au o structură buclată, în funcționare se operează cu bucla deschisă, ceea ce determină caracterul radial al acestor rețele. La apariția unui defect pe unul dintre fiderii rețelei, toate instalațiile, care sunt alimentate de la aceleași bare la care este conectat și fiderul afectat de defect, vor suporta un gol de tensiune. Protecția rețelei va comanda deconectarea fiderului, pe care a apărut defectul, iar consumatorii alimentați de acest fider vor suporta o întrerupere de tensiune până la realimentarea prin AAR (anclanșarea automată a rezervei) sau până la reconfigurarea rețelei. Odată cu deconectarea fiderului defect are loc și revenirea tensiunii (după golul de tensiune), la ceilalți consumatori.
Durata întreruperii va fi de scurtă durată sau lungă durată, în funcție de tipul defectului, de caracteristicile automaticii de sistem și de configurația rețelei de distribuție[1].
În general, se poate considera faptul că întreruperile de scurtă durată sunt sub 3s, valoare egală cu durata maximă de acționare a protecției prin relee. În [l] reruperile de lungă durată (peste 3s) sunt imputabile în special configurației specifice a rețelei de distribuție.
Pot fi puse în evidență următoarele concluzii:
Energia electrică este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor, în condiții de calitate și eficiență economică, cu limitarea impactului instalațiilor energetice asupra mediului ambiant.
În orice domeniu de activitate, calitatea nu este un concept static. Conținutul acestui concept variază in timp, datorită dezvoltării tehnologice și a evoluției sociale.
În consecință, și cerințele privind calitatea serviciului de furnizare a energiei electrice trebuie mereu adaptate unor necesități standardizate, mereu perfectibile.
Produsul energie electrică este utilizat de consumatori de o mare diversitate, de la cei industriali (mai puțini dar de putere mare), până la cei casnici, caracterizați de receptoare de putere mică, dar foarte numeroase atât în mediul urban, cât și în mediul rural. Tehnologiile moderne, într-o continuă evoluție, bazate pe electronica de putere și microinformatică, prezente astăzi în toate sectoarele de consum, antrenează procese complexe, dintre care unele sunt:
sensibile la perturbații electromagnetice, provenind atât din mediul lor, cât și din rețeaua electrică de alimentare;
generatoare de perturbații electromagnetice;
perturbatoare și, în același timp, și perturbate electromagnetic.
Menținerea în permanență a unui anumit nivel al calității energiei electrice într-un nod energetic necesită o colaborare continuă a furnizorului de energie electrică (cu responsabilități privind calitatea tensiunii la barele de alimentare) cu consumatorii de energie electrică (potențiale surse de perturbații) pentru a obține în punctul comun de cuplare (Figura 5.1) indicatorii de calitate înscriși în contractul de furnizare.
Nivelul mediu de calitate al produsului energie electrică livrat de furnizor consumatorilor trebuie adaptat dinamic pe toată durata de viață a rețelei electrice. În acest scop, este necesară o conlucrare permanentă între:
furnizorii de energie electrică;
fabricanții și instalatorii de receptoare electrice;
utilizatorii de energie electrică.
Cei trei participanți în rezolvarea problemelor de compatibilitate electromagnetică trebuie să posede cunoștințe complexe referitoare la:
mediul electromagnetic în care funcționează receptoarele electrice;
nivelul de emisie al perturbațiilor în punctul comun de cuplare al consumatorului;
nivelul de imunitate al fiecărui tip de receptor electric la diferite tipuri de perturbații ce pot să apară în punctul comun de cuplare;
măsurile de asigurare a calității necesare în punctul respectiv, la o anumită etapă de dezvoltare a rețelei de alimentare.
Calitatea energiei electrice, spre deosebire de alte sectoare de activitate, depinde nu numai de furnizor, ci și de toți consumatorii racordați în aceea rețea de alimentare; unii dintre aceștia pot determina influențe perturbatorii în rețeaua furnizorului, care să afecteze funcționarea altor consumatori, racordați la aceeași rețea; în consecință, consumatorii, care contribuie la alterarea calității energiei electrice peste valorile admise, trebuie să adopte măsuri pentru încadrarea perturbațiilor produse în limitele alocate sau să accepte posibilitatea deconectării sale.
Furnizor
Punct comun de cuplare
Consumator
Figura 2.1. Corelația furnizor – consumator;
Promovarea riguroasă a unei politici a calității la nivel de stat, a unor programe concrete la nivelul companiilor de electricitate, presupune definirea și promovarea unei legislații adecvate și armonizate cu reglementările adoptate la nivel internațional care vizează atât responsabilitatea furnizorilor pentru daune provocate utilizatorilor prin livrarea unei energii electrice de calitate necorespunzătoare (cu abateri față de indicatorii înscriși în contractul de furnizare), cat și responsabilitatea consumatorilor pentru perturbațiile determinate în rețeaua electrică a furnizorului; astfel de reglementări trebuie să constituie baza legală a relației furnizor – consumator si să stabilească obligații și răspunderi precise pentru toți partenerii implicați pe întregul traseu producție – consum.
În acest scop, se impun următoarele măsuri principale:
crearea unui set simplu, clar și ușor perfectibil, de indicatori de calitate, care să surprindă rapid și pe cât posibil, cât mai complet multiplele aspecte care definesc, la un anumit stadiu, calitatea;
normarea unor valori și/sau abateri admisibile pentru indicatorii de calitate, acceptate de toți factorii implicați: furnizor — utilizator — fabricant de receptoare electrice;
elaborarea bazelor metodologice ale controlului de calitate și asigurarea unei monitorizări în timp real a tuturor indicatorilor de calitate;
crearea, exploatarea și întreținerea unui sistem informațional adecvat, capabil de prelucrări statistice asupra valorilor măsurate, care să permită obținerea, procesarea și prelucrarea rapidă a unor informații sigure cu privire la nivelul de calitate a tranzitului de energie către toate categoriile de consumatori;
elaborarea unor acte tehnico – normative care să constituie baza legală a contractelor economice între furnizor și consumator și care să cuprindă obligațiile celor două parți privind calitatea energiei electrice.
Studiile actuale, vizând problema calității energiei, dezbătute in cadrul unor prestigioase conferințe internaționale PQ (POWER QUALITY): Paris (1992), Atlanta-SUA (1993), Ainsteixlam (1994), New York (1996), Stockholm (1997), New-Dehil (1998), Boston (2000) se desfășoară în principal, pe trei direcții:
analiza indicatorilor actuali de calitate și dezvoltare a unor programe eficiente de monitorizare, care să stea la baza unor relații corecte furnizor – consumator;
evaluarea efectelor abaterilor față de limitele recomandate de reglementările internaționale
stabilirea unor măsuri eficiente tehnice, organizatorice, contractuale , juridice, care să asigure încadrarea indicatorilor de calitate în limitele impuse de standarde.
2.1. Sistemul de indicatori de calitate a energiei electrice
Pentru a permite evaluarea nivelului de calitate a energiei electrice au fost definiți și sunt utilizați următorii indicatori principali:
a) Indicatori privind frecvența tensiunii de alimentare:
abaterea de frecvența care permite estimarea variațiilor lente de frecvență;
abaterea relativă de frecvență sau abaterea procentuală;
integrala abaterilor de frecvență
b) Indicatori privind variațiile de tensiune:
abaterea relativă a tensiunii;
nivel relativ de tensiune;
valoarea medie a abaterii relative a tensiunii față de tensiunea contractată
(declarată) într-un interval de timp;
gradul de iregularitate sau abaterea relativă medie patratică
c) Indicatori privind golurile de tensiune
durata golului;
amplitudinea relativă a golului;
frecvența de apariție a golurilor:
d) Indicatori privind întreruperile din rețeaua electrică
frecvența medie de întrerupere în sistem (SAIFI – the system average interruption
frequency index);
durata medie a întreruperilor din sistem (SAIDI – the system average interruption duration index);
frecvența medie de întrerupere a consumatorilor (CAIFI – the customer average
interruption frequency index);
durata medie de întrerupere a consumatorilor (CAIDI – the customer average
interruption duration index);
frecvența valorii medii a întreruperilor în sistem (ASIFI – the average system
interruption frequency index);
valoarea medie a duratei întreruperilor din sistem (ASIDI – the average system
interruption duration index);
frecvența medie a întreruperilor de scurtă durată (MAIFI – the momentary
average interruption frequency index);
energie nelivrată (nefurnizată) – ENS (Energy not Supplied) – , din cauza
întreruperilor;
timpul mediu de întrerupere” (min/an) − AIT (Average Interruption Time);
e) Indicatori privind flickerul:
nivel flicker pe termen scurt Pst ;
nivel flicker pe termen lung Plt ;
f) Indicatori privind regimul nesinusoidal din reteaua electrica [8]:
valoarea efectivă Y a mărimii nesinusoidale;
reziduul deformant al unei funcții nesinusoidale ;
factorul de formă ;
factorul de vârf ;
factorul de influență telefonică TIF;
g) Calitatea energiei electrice 11
indicatorul IT ;
factorul de distorsiune normal (THD);
factorul de distorsiune ponderat, adaptat pentru elemente inductive;
factorul de distorsiune ponderat, adaptat pentru condensatoare;
nivelul armonicei ;
faza armonicelor;
impedanța armonică;
h) Indicatori privind interarmonicele:
frecvența f a interarmonicelor ;
amplitudinea relativă a interamonicelor;
Indicatori privind nesimetria în retelele electrice:
factorul de nesimetrie negativă;
factorul de nesimetrie zero;
factorul de nesimetrie IEEE;
î) Indicatori privind supratensiunile în rețelele electrice
amplitudinea relativă;
durată.
Perturbațiile ce afectează curentul electric sunt prezentate în tabelele 1.2, 1.3. din anexe. Fiecare dintre tipurile de perturbații indicate în tabelul 1.2 determină abateri specifice ale mărimilor electrice față de parametrii ideali, care pot fi evaluate cu ajutorul unor indicatori specifici. Din punct de vedere practic, sunt analizați, separat, indicatorii care pot fi controlați în special de operatorii de energie electrică (abaterile de frecvență, întreruperile de lungă durată) de cei care pot fi controlați, în primul rând, de catre utilizatorii de energie electrică ( armonice, nesimetrie, interarmonice, flicker etc. ).
În general, abaterile de la parametrii ideali nu pot fi definite printr-un singur indicator, astfel ca pentru fiecare tip de perturbație este utilizat un set de indicatori, iar în activitatea practica este necesar sa fie monitorizati toti indicatorii sau numai cei mai relevanti pentru sistemul analizat (reteaua publica sau reteaua industriala). Este necesar sa se precizeze faptul ca indicatorii de calitate și limitele acestora sunt normalizați pentru sistemul electroenergetic.
În tabelele 1.2. și 1.3. sunt prezentate echipamentele perturbatoare din anexa 1.
Pentru sistemele electroenergetice industriale, cu excepția punctului comun de conectare la rețeaua publică, pot fi adoptați indicatori specifici de calitate, care să ofere informații relevante pentru utilizatorii respectivi.
2.2. Normative și standarde în domeniul calității energiei electrice
Standarde
EN50160 este un nou standard care acoperă fliker, interarmonici, de alimentare de semnalizare, voltaj abateri, și mai mult.
IEC61000-4-15 este un standard de măsurare care fliker include specificații de proiectare pentru flikermetru. Cele mai bune, flikermetru digital, sunt bazate pe acest standard.
IEC61000-4-7 definit de IEC, descrie un standard de tehnică de măsurare și pentru perturbațiile de tip armonici.
IEC868 este un raport care introduce date de măsurare și monitorizare cu dispozitive analogice de măsurare a flikerelor în sistemelor de energii regenerabile. Acest standard a fost înlocuit cu IEC61000-4-15.
IEEE 519-1992 este o ramură IEEE-recomandată. Descrie nivelul aceptabil al armonicii la punctul comun de cuplare furnizor și consumatorul de energie electrică. În cazul în care consumatorul este și distribuitor de energie electrică, el trebuie să nu introduc armonici care să depașească aceste nivele de perturbații ca să poată da mai departe în rețeaua de alimentare. Acest standard se mai utilizează pe scară largă în America de Nord la consumatori.
IEEE 1159-1995 face parte din standardul de monitorizare a standardului IEEE , ce monitorizează interpretarea fenomenele de perturbație electromagnetice care pot afecta calitatea energiei date în rețea.
Normativele tehnice ale energiei regenerabile sunt date în tabelul 1.1 din anexa 2.
2.3. Definiții de bază ale parametrilor tensiunii
În standardul EN 50160 sunt definiti câtiva parametrii ai tensiunii. Cei mai importanti sunt :
1. Tensiunea de alimentare – valoarea efectivă a tensiunii existente la un moment dat în punctul comun de conectare, măsurată pe un anumit interval de timp.
2. Tensiunea nominală a sistemului () – tensiunea pentru care sistemul este proiectat sau identificat și la care se referă anumite caracteristici de funcționare.
3. Tensiunea de alimentare declarată () – este, de regulă, tensiunea nominală a sistemului . Dacă, pe baza unei înțelegeri între distribuitor și utilizator în punctul (borna) de livrare a energiei electrice se aplică o tensiune diferită de cea nominală, atunci aceasta este tensiunea de alimentare declarată .
4. Condiții normale de funcționare – condițiile în care este satisfăcut consumul, manevrele din sistem și eliminarea defectelor prin sisteme automate de protecție în absența unor condiții excepționale datorate influențelor externe sau evenimentelor majore.
5. Variația tensiunii – este o crestere sau o scădere a tensiunii, datorată variației sarcinii totale a sistemului de distribuție sau unei parți a acestuia.
6. Flicker – impresia de instabilitate a senzației vizuale indusă de un stimul luminos, a cărui luminanță sau distribuție spectrală fluctuează în timp.
Forma de variație a tensiunii de alimentare și duratacesteia (Figura 2.2) au o influentă importantă asupra senzației de inconfort vizual, iar pentru evaluarea nivelului de flicker pe baza curbei de iritabilitate, diferitele tipuri de variație sunt reduse la o variație dreptunghiulară pe baza unor factori de influență. În figura 2.2 sunt indicate 7 variații ale tensiunii.
Figura 2.2. Definiția variațiilor de tensiune U, a duratei unei variații de tensiune t și a duratei dintre două variații T.
Determinarea nivelului de flicker se face pe baza valorilor efective ale tensiunii măsurate la fiecare 10 ms (Figura 2.3). În figura 2.3. sunt indicate eșantioanele achizitionate în zona a două variații de tensiune (intervalele și ). De asemenea este indicată valoarea maximă a variației dUmax, abaterea remanentă dUc și modificarea în timp a variației du(t).
Figura 2.3. Determinarea eșantioanelor tensiunii analizate
Fiind cunoscută forma variațiilor de tensiune, cu ajutorul factorilor de formă F este posibilă echivalarea acestora cu variații dreptunghiulare de amplitudine F×dmax, în care variația relativă dmax rezultă prin raportarea valorii dUmax la valoarea contractată a tensiunii dmax = dUmax/Uc (pentru variații dreptunghiulare, factorul de formă este unitar).
Valorile obținute, pentru fiecare dintre variații, numite flicker instantaneu sunt plasate succesiv într-un sistem de axe dreptunghiulare (Figura 2.4) determinând o curba de variație a acestuia. Pe baza curbei de variație a flickerului instantaneu se construieste curba de probabilitate cumulată CPF (Cumulative Probability Function) (Figura 2.5).
Figura 2.4. Nivelul de fliker reprezentat printr-o funcție variabilă în timp. Durata prezenței semnalului în clasa numărul 7 este de exemplu indicată
Figura 2.5. Funcția de probabilitate cumulată a prezenței semnalului în clasele 1 la 10
Indicatorul Pst de flicker pe termen scurt se determină, pe o fereastră de monitorizare de 10 minute din relația
(2.1)
în care valorile procentuale P0,1 , P1, P3, P10 și P50 reprezintă niveluri ale flickerului depașite în 0,1; 1; 3; 10 și 50% din timp, pe intervalul de observație.
Indicele s din relația (2.1) arată că trebuie utilizate valorile netezite. Aceste valori se obțin din relațiile:
(2.2.)
Constanta de timp de 0,3 s a memoriei flickermetrului asigură că P0,1 să nu se modifice într-un mod brusc și, deci, nu este necesară netezirea pentru această valoare. Intervalul de timp de 10 minute, pe care se bazează evaluarea nivelului flickerului de scurtă durată, este adecvat pentru aprecierea perturbațiilor determinate de sursele cu un ciclu de funcționare redus. Dacă trebuie să se țină seama de efectul combinat al mai multor sarcini perturbatoare cu funcționare aleatorie (de exemplu, instalații de sudare sau motoare) sau când se studiază sursele de flicker cu ciclu lung și variabil de funcționare (de exemplu, cuptoare cu arc electric) este necesar să se dispună de un criteriu de evaluare a nivelului flickerului de lungă durată.
Pentru determinarea nivelului flickerului de lungă durată , sunt utilizate valorile ale flickerului de scurtă durată, determinate pe intervale succesive timp de două ore.
(2.3)
în care Psti (i = 1, 2, 3….) reprezintă citiri succesive ale valorilor Pst corespunzatoare flickerului de scurtă durată.
În relația (2.3) s-a avut în vedere faptul că sumarea perturbațiilor sub forma de flicker se face dupa o lege cubică.
7. Gol de tensiune de alimentare – o reducere bruscă a tensiunii de alimentare la o valoare cuprinsă între 90 % și 1 % din tensiunea declarată , urmată de o restabilire a tensiunii după o periodă scurtă de timp. Convențional, durata unui gol de tensiune este între 10 ms si 1 minut. Adâncimea unui gol de tensiune este definită ca fiind diferența dintre tensiunea efectivă minimă în timpul golului de tensiune și tensiunea declarată. Variațiile de tensiune care nu reduc tensiunea de alimentare sub 90 % din tensiunea declarată nu sunt considerate ca fiind goluri de tensiune.
8. Întreruperea alimentarii – este situatia în care tensiunea la bornele de alimentare este mai mica decât 1 % din tensiunea declarata, . O întrerupere a alimentarii poate fi clasificată astfel:
programată, când consumatorii sunt anunțați anterior pentru a permite executarea unor lucrări programate în rețeaua de distributie.
accidentală, cauzată de defecte permanente (întreruperi de lungă durată) sau trecătoare (întreruperi de scurtă durată), în majoritate datorate unor evenimente externe, defectări de echipament sau interferențe.
9. Supratensiuni temporare de frecvență industrială – au o durată relativ mare, de regulă, de câteva perioade de frecvență industrială, și se datorează, în principal, manevrelor sau incidentelor, de exemplu în cazul unuei reduceri brusce a sarcinii sau a deconectării unor scurtcircuite.
10. Supratensiuni tranzitorii – sunt oscilatorii sau neoscilatorii, amortizate rapid, supratensiuni scurte cu o durată de câteva milisecunde sau mai puțin, datorate trăsnetului sau unor comutații, de exemplu deconectarea unui curent inductiv.
11. Tensiunea armonică – o tensiune sinusoidală cu o frecvență egală cu un multiplu întreg al frecvenței fundamentale a tensiunii de alimentare. Tensiunile armonice pot fi evaluate :
individual, prin amplitudinea lor relativă , raportată la tensiunea fundamentală unde h este ordinul armonicii;
global, de regulă prin factorul total de distorsiune armonica THD, calculat utilizând expresia :
(2.5)
12. Tensiune interarmonică – este o tensiune sinusoidală cu frecvență între armonici, adică frecvența nu este un multiplu întreg al fundamentalei.
13. Nesimetrie de tensiune – situația în care valorile efective ale tensiunilor de fază sau unghiurile dintre faze consecutive într-un sistem trifazat nu sunt egale.
2.4. Principalele recomandări ale EN 50160
EN 50160 dă principalii parametrii ai tensiunii și banda de abatere admisibilă în punctul comun de conectare al unui consumator cuplat la rețele de distribuție publice de joasă tensiune (JT) și medie tensiune (MT), în condiții normale de funcționare. În acest context, JT înseamnă ca valoarea efectivă nominală a tensiunii între faze nu trebuie să depasească 1000 V și MT înseamnă că valoarea efectivă nominală a tensiunii între faze este între 1 kV si 35 kV.
Comparația dintre prevederile EN 50160 și cele ale standardelor de compatibilitate electromagnetică seria EN 61000, listate în tabelele 1 și 2 din anexa 2, arată diferențe semnificative ale diferiților parametri. Există două motive
principale pentru aceste diferențe:
Standardele de compatibilitate electromagnetică se referă la tensiunea distribuitorului, conform CEI 038, în timp ce EN 50160 se referă la tensiunea de alimentare. Diferența dintre aceste tensiuni se datorează căderilor de tensiune în instalatii și perturbațiilor care provin din rețea și de la alte echipamente alimentate prin aceeași instalație. Datorită acestui fapt, în multe standarde din seria EN 61000 un parametru important este curentul echipamentului, în timp ce curentul de sarcină nu este relevant pentru EN 50160.
EN 50160 dă numai limite generale, care sunt tehnic și economic posibil să fie meținute de furnizor într-un sistem de distribuție publică. Când se cer condiții mai riguroase, trebuie negociată o înțelegere separată între furnizor și consumator. Măsurile de îmbunătățire a calitatii energiei electrice care necesită costuri și echipamente suplimetare, sunt tratate în alte secțiuni ale acestui Ghid.
EN 50160 are limitări suplimentare. El nu se aplică în condiții de funcționare anormale, inclusiv următoarele:
1. condiții care apar ca rezultat al unui defect sau a unor condiții temporare de alimentare;
2. în situația în care instalația sau echipamentul consumatorului nu este în conformitate cu standardele la care se referă sau nu satisface condițiile tehnice de racordare la sistemul electric de distributie;
3. în situația în care o instalație de generare nu este în conformitate cu standardele la care se referă sau cu cerințele tehnice pentru racordare la sistemul electric de distribuție;
4. în situații excepționale care sunt în afara controlului furnizorului de energie electrică, în particular:
– condiții atmosferice excepționale sau alte dezastre naturale;
– interferența cu o terță parte;
– acțiuni ale autoritătilor publice;
– acțiuni ale industriei (dependent de cerinte legale);
– forța majoră;
– limitari de putere rezultate din evenimente externe.
Așa cum arată analiza parametrilor prezentați în tabelul 1 din anexa 3, aceste cerințe nu sunt deosebit de riguroase pentru furnizor. Numeroasele situatii în care standardul nu se aplică, poate scuza majoritatea incidentelor și a evenimentelor cu perturbații ale tensiunii care pot apare în practică. De aceea mulți furnizori consideră că recomandările EN 50160 ca fiind, în principal, informative și nu-și asumă nici o responsabilitate când limitele sunt depășite.
Tabelul cu comparația între reglementarile pentru tensiunea de alimentare conform EN 50160 și standardele EN 61000 de compatibilitate electromagnetică sunt date în tabelul 1. din anexa 3.
Pe de altă parte, punctul de vedere al consumatorilor este, de regulă, total diferit ei consideră limitele date de EN 50160 ca reglementări care trebuie garantate de furnizor. Totuși, cum s-a menționat anterior, pentru mulți consumatori, chiar îndeplinirea cerințelor indicate în EN 50160, nu asigură un nivel de calitate a energiei electrice satisfăcator. În astfel de cazuri nivelul calității energiei electrice trebuie definit printr-o înțelegere între furnizor și consumator.
Tabelul 2.1. Valorile tensiunilor fiecărei armonici la bornele de alimentare, pentru armonici de ordin de până la 25, date în procente din .
Figura 2.6. Ilustrarea unui gol de tensiune și a unei scurte întreruperi a alimentării unde este tensiunea nominală de alimentare (valoare efectivă), amplitudinea tensiunii de alimentare, U valoare efectivă curentă a tensiunii de alimentare;
2.5. Echipamente pentru monitorizarea calității energiei electrice
2.5.1. Echipamente portabile pentru monitorizarea calității energiei electrice
Figura 2.7. Imaginea unui aparat Fluke de tip 434 sau 435;
Analizoarele trifazate pentru calitatea energiei Fluke 435 și 434 sunt folosite să localizați, preziceți, preveniți și depanați problemele în sistemele de distribuție a energiei. Aceste instrumente portabile ușor de utilizat au multe caracteristici inovative care vă oferă detaliile pentru localizarea mai rapidă și mai sigură a problemelor.
2.5.2. Descriere aparatului de măsură Fluke 435
Identificarea problemelor de calitate a energiei mai rapid, mai sigur și mai în detaliu. Aceste trei faze de metri calitate a energiei electrice a vă ajută, să localizați, de anticipare, prevenire și de depanare a problemelor în sistemele de distribuție a energiei electrice. Aceste ușor de utilizat instrumente de calitate a energiei electrice sunt un "trebuie sa-l ai" pentru orice persoană care susține sau troubleshoots trei faze de putere. Noul IEC Clasa A standarde de calitate a energiei electrice și a flicker-ului sunt construite în dreptul de a lua ghici de lucru din monitorizare putere.
Aplicații :
– Verificarea rapidă a problemelor de pe ecran pentru a obține funcționarea înapoi (on-line).
– Mentenanța rețelelor electrice de distribuție a puterii active prin detectarea și prevenirea problemelor de calitate a energiei electrice înainte de a le cauza timpi morți
– Calitatea respectării serviciului prin validarea calității energiei electrice de intrare la intrarea de serviciu
– Analiză pe termen lung pentru a se descoperi problemele intermitente
– Cablu Optic USB
Echipamente fixe pentru monitorizarea calității energiei electrice.
Analizor trifazat staționar Elspec G4420
Figura 2.8. Analizor trifazat staționar Elspec G4420.
Descriere
– În conformitate clasa A, pentru cele mai complexe teste pentru calitatea energiei.
– Înregistratorul pentru calitatea energiei Elspec G4420 este conform cu IEC 61000-4-30 clasa A pentru analiza calității energiei. Este proiectat pentru analizarea distribuției de energie industrială și utilitară, pentru rețele medii și de joasă tensiune, Elspec G4420 oferă flexibilitate pentru a seta praguri, algoritmi și selectarea măsurătorilor.
– Are 8 canale de intrare (4 de curent / 4 de tensiune sau 8 pentru tensiune) și capturează cele mai reprezentative detalii pentru parametrii selectați de utilizator.
– Sincronizare GPS: corelarea cu precizie a datelor cu evenimente sau seturi de date de la alte instrumente.
– Sursa de alimentare neîntreruptibilă (40 minute) astfel nu vor fi ratate evenimente importante.
– Capturare impulsuri tranzitorii de 10 MHz, 6000 Vpk
– Include software: oferă diagrame de evoluție pentru analiza cauzei, sumare statistice, scrierea rapoartelor și monitorizarea datelor în timp real în modul online.
Carasteristici:
– Statistici pentru calitatea puterii conform cu EN50160;
– Lista evenimente de tensiune (cresteri, scaderi si intreruperi);
– Inregistrare continua a tensiunii, curentului, puterii P,Q,S , factorului de putere, kWh, flicker, dexechilibru, frecvenței, armonici de tensiune și curent până la a 50-a armonică/interarmonice, THD.
– Semnalizarea reățelei de alimentare, inregistrarilor declansate;
– Mod online (osciloscop, tranzitorii și evenimente);
Figura 2.9. Modul de amplasare pentru monitorizarea prin intermediul unui sistem SCADA a calității energiei electrice
Capitolul III. Perturbații specifice ale calității energiei electrice produse din resurse regenerabile (eolian, fotovoltaic)
3.1. Perturbații specifice ale calității energiei electrice produse din resurse regenerabile – instalații eoliene
Așa cum a fost prezentat în capitolele anterioare, instalațiile de producere a energiei din resurse eoliene pot produce fenomene ce perturbă calitatea energiei electrice. Perturbațiile ce apar sunt rezumate în tabelul următor :
Tabelu 3.1. Perturbații ce apar în instalațiile eoliene
1. Variații de tensiune
Datorită faptului că puterea electrică produsă de turbinele eoliene variză în limite largi fiind proporțională cu variațiile vântului pot apare și variați ale tensiunii pe care acestea le introduc în rețea.
În general companiile care administrează parcurile eoliene folosesc pachete software specializate în predicția variațiilor de tensiune cauzate de încarcările dinamice sesizate în palele generatorului își compensează prin diverse metode ( cuplare volante, cuplare bateri de condensatoare, baterii ) modificările ce apar. Studiile efectuate în Danemarca și Suedia au demonstrat că în cazul sistemelor compensate varițiile de tensiune pot fi reduse la 5% .[1]
Fliker
Fenomenul de fliker este o metodă de a cuantifica fluctuațiile de tensiune. Această metodă este bazată pe măsurarea variațiilor amplitudinii tensiunii, durata și marimea variației. Flikerul este tratat în Standardul IEC60868 iar curba variațiilor admisibile raportate la numărul de schimbări de amplitudine pe sec este prezentată în figura. 3.1..
Figura 3.1. Nivelul admisibil al flikerului în conformitate cu IEC60868.
În general fluctuațiile sunt asociate cu răspunsul unei bec de 60W și cu răspunsul ochiului uman la variațiile în luminanță a acestuia.Flikerul generat de către turbinele eoliene poate fi asociat atât modului de funcționare continuă a acestora cât și modului de operare în regim tranzitoriu.
în modul de operare continuă flikerul este cauzat de fluctuațiile de putere. Acestea pot fi generate de variații ale vitezei vântului, de efectul de umbrire al turnului și de proprietățiile mecanice ale turbinei. Turbinele ale căror pale au mecanizme de control al înclinării ce prezintă și ele pulsații de putere datorită domeniului mic de variație al unghiului de înclinare. În figura 3.2. este prezentată variația / pulsația de putere în cazul unei turbine eoliene :
Figura 3.2. Variația / pulsația de putere
În conformitate cu IEC61400-21 coeficientul de fliker se determină cu formula :
(3.1)
În cazul în care sunt conectate mai multe turbine, pentru determinarea coeficientului de fliker se folosește formula :
(3.2.)
Operarea în regim tranzient
Principalele operații ce provoacă regimuri tranzitorii în funcționarea centralelor eoliene sunt pornirea și oprirea acestora. Variațiile de putere resimțite de rețea se vor reflecta în variații ale tensiunii în rețea respectiv în apariția fenomenului de fliker. Secvențele de pornire oprire în cazul turbinelor cu viteză fixă sunt diferite de cele ale turbinelor cu viteză variabilă. Turbinele cu viteză variabilă sunt echipate de obicei cu mecanisme de control a înclinării palelor. În mod general datorită controlului înclinării palelor secvențele de pornire ale turbinelor cu mecanism de înclinare a palelor sunt mult mai line. În figura 3.3. este prezentată variația puterii la pornire în cazul turbinelor cu înclinare a palelor.
Figura 3.3. Variația puterii la pornire în cazul turbinelor cu înclinare a palelor.
Pentru comparație în figura 3.4. este prezentată variția puterii active și reactive în cazul pornirii turbinelor eoliene cu pale fixe.
Figura 3.4. Variția puterii active și reactive în cazul pornirii turbinelor eoliene cu pale fixe.
După cum se poate vedea există o diferență foarte mare în variațiile de putere între cele două situații. Se recomandă ca în cazul generatoarelor eoliene cu pale fixe să se introducă volante care să înmagazineze energie cinetică pe timpul operării și să o cedeze sistemului pe timpul fenomenelor de tip tranzient (oprire) astfel încât să limiteze varițiile de putere.
Armonicile
Armonicile de tensiune sunt prezente în general în rețelele de transport. Introducerea de către sistemele de generare a energiei electrice din surse regenerabile de armonici in reteaua de transport si distributie este un fenomen nedorit. Din nefericire sistemele eoliene atât cele cu viteză fixă căt și cu cele variabilă conțin echipamente ce pot genera armonici.
Una dintre cauzele majore de producere a armonicilor este cuplarea/decuplarea la pornire a bateriilor de condensatoare de suntare ce echipeaza sistemele eoliene cu viteza fixa
O altă cauză ce poate produce armonici este folosirea convertizoarelor de frecvență în cazul generatoarelor eoliene cu viteză variabilă. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conținut mai redus de armonici).
3.1.1. Perturbații produse de convertizoare
Convertizoarele de frecvență electronice (statice) sunt în principial construite din trei etaje integrate logice prin intermediul unor circuit de comandă și control care lucrează conform cu cerințele aplicației.
Cele 3 etaje ale echipamentului sunt:
Un etaj redresor, care este conectat la rețeaua de alimentare mono/trifazată și care generează la ieșire spre etajul următor o tensiune de curent continuu, pulsatorie.
Un etaj intermediar, care are rolul de a filtra tensiunea pulsatorie de la ieșirea redresorului. Are în componență un cicuit condensator pentru netezirea tensiunii continue pulsatorii și un circuit inductiv (inductivitate) pentru deparazitare de impulsuri distorsionante.
Un etaj de conversie din curent continuu în curent alterntiv, care în continuarea etajului intermediar transformă tensiunea continuă în tensiune alternativă de amplitudine și frecvență variabile.
Figura 3.5. Convertor static de tensiune și frecvență
Convertizoarele folosite astăzi în industrie se pot împărți după principiul de funcționare în două mari categorii:
Convertizoare de frecvență cu circuit intermediar ;
Convertiozare de frecvență fără circuit intermediar ;
Convertizoarele de frecvență fără circuit intermediar sunt sensibil mai ieftine dar au probleme cauzate de armonici care conduc la pierderi de putere.
În cazul turbinelor eoliene ce funcționează cuplate la rețeaua de distributie sunt folosite în general convertizoare de frecvență cu circuit intermediar ce conțin invertoare multinivel modulate PWM (Pulse Width Modulation- modulație a impulsului în durată) .
Convertor multinivel poate comuta între multiple noduri cu diferite nivele de tensiune sau curent (mai multe de două) ale intrării și/sau ieșirii sale. Aceasta se referă atât la convertoarele sursă de tensiune, cât și la cele sursă de curent.
În figura 3.6. este dată o reprezentare generalizată a invertorului multinivel trifazat. Termenul de nivel se referă la numărul de noduri la care invertorul poate fi accesibil. Cu cât numărul de nivele crește, forma de undă a tensiunii sintetizate de ieșire are mai multe trepte care produc o formă de undă apropiată de cea dorită și distorsiunea armonică a acesteia scade, apropiindu-se de 0, o dată cu creșterea numărului de nivele . În figura 3.7. este reprezentată forma de undă a tensiunii de linie a unui invertor cu 5 nivele de tensiune.
Figura 3.6. Reprezentarea generalizată a unui invertor multinivel trifazat
Tensiunea de ieșire în timpul semialternanței pozitive este:
unde reprezintă funcția de comutare a nodului n și ia valorile 0 sau 1.
În general tensiunile la bornele condensatoarelor , au aceeași valoare , astfel că valoarea de vârf a tensiunii de ieșire este
Figura 3.7. Forma de undă a tensiunii de ieșire a unui convertor multinivel cu 5 nivele de tensiune
O topologie de convertor multinivel NPC cu trei nivele de tensiune, a fost prezentată pentru prima dată de către Nabae, Takahashi și Akagi, în 1981. Convertorul multinivel NPC este atractiv în aplicațiile de medie tensiune și putere ridicată.
Tiristoarele cu circuit integrat de comutare a porții (IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor) și tranzistoare bipolore cu poarta izolata (IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistors), sunt dispozitivele semiconductoare de putere care se întâlnesc în structura convertoarelor NPC .
Această topologie are ca avantaje:
structura simplă;
conținutul de armonici redus;
solicitare în tensiune redusă;
nu necesită transformator de intrare;
numarul condensatoarelor este mic.
Dezavantajele principale sunt:
este necesar un control PWM complex;
necesită multe diode de direcționare a curentului prin circuit;
necesită linie de curent continuu divizata;
necesită control al echilibrării tensiunii pe condensatoarele liniei de curent continuu;
au loc solicitări neechilibrate în curent pe dispozitivele semiconductoare, care depind de poziția acestora în structura convertorului. Dispozitivele situate în interior sunt mai solicitate decât cele externe;
necesită circuite de șuntare .
În figura 3.9. este reprezentat invertorul NPC, cu trei nivele de tensiune, alimentând.
Figura 3.9. Convertorul NPC cu 3 nivele de tensiune, pentru alimentarea unui motor asincron
Ca și în cazul invertorului cu două nivele, invertorul NPC cu trei nivele de tensiune prezintă pe un braț dispozitive semiconductoare de putere, complementare două câte două. Perechile complementare sunt , . În funcție de comutația dispozitivelor semiconductoare, tensiunea la ieșirea din invertor este ,0 și , ceea ce duce la sintetizarea a trei stări ale invertorului P, O, N. Starea P dă tensiunea de ieșire pe alternanța pozitivă, în starea O tensiunea de ieșire este nulă, iar starea N dă tensiunea de ieșire pe alternanță negativă. În figura 3.10 a), b) și c), se evidențiază căile de curent pentru fiecare stare a invertorului P, O, N. Pentru alternanța pozitivă conduc dispozitivele semiconductoare de putere de pe partea superioară a invertorului, și pentru alternanța negativă, conduc dispozitivele semiconductoare de putere de pe partea inferioară a invertorului, și , iar pentru starea de O, se află în stare de conducție dispozitivele semiconductoare interioare de pe un braț al invertorului, și , împreună cu diodele flotante și .
Figura 3.10. Stările de comutație pe un braț al invertorului NPC, cu trei nivele de tensiune:
a) calea de curent pe alternanță pozitivă; b) cale de curent pe alternanță negativă;
c) starea de 0
Tehnici de modulație ale invertoarelor
Teoria modulației ocupă o arie de cercetare extrem de importantă a electronicii de putere, întrucât prin modulație se deține controlul asupra fiecărui convertor sau structuri de conversie statică. Metodele de modulație, întâlnite cel mai des în literatură, atât pentru invertorul cu două nivele de tensiune, cât și pentru invertorul multinivel, sunt tehnicile de modulație în lățime a impulsurilor, (PWM – Pulse Width Modulation) și modulația vectorului spațial (SVM – SpaceVector Modulation). Pentru invertoarele multinivel, tehnicile de modulație sunt extensii ale tehnicilor pentru două nivele, la mai multe nivele. În continuare, se prezintă tehnicile de modulație cele mai întâlnite, pentru invertorul cu două nivele de tensiune și pentru invertorul multinivel.
a) PWM-ul bazat pe undă purtatoare –modulare în lățime de impuls
Tehnica de modulație PWM se bazează pe compararea unui semnal sinusoidal, de referință, cu un semnal triunghiular, semnal purtător. Prin compararea acestor două semnale, se obține tensiunea de ieșire a invertorului.
Pentru invertorul multinivel, numărul de semnale triunghiulare crește o data cu numărul de nivele ale invertorului. În funcție de dispoziția semnalelor putatoare triunghiulare, există mai multe tipuri de PWM pentru invertoarele multinivel. Acestea sunt:
tehnica PWM-ului cu dispoziție de fază (PD – phase displacement): semnalele purtatoare triunghiulare sunt în fază unele față de celelalte;
tehnica PWM-ului cu dispunere în opoziție a fazelor (POD – phase opposite displacement): semnalele purtatoare triunghiulare de pe partea alternanței pozitive a semnalului de referință sunt defazate cu p față de cele de pe partea alternanței negative a semnalului de referință;
tehnica PWM-ului cu dispunere în opoziție alternantă a fazelor (APOD – alternative phase opposite displacement ): semnalele purtatoare triunghiulare sunt defazate unele față de cealelalte cu p. Pentru obținerea unei mai bune utilizări a liniei de curent continuu la valori ridicate ale indicilor de modulație, semnalul sinusoidal de referintă poate fi injectat cu armonica de ordin 3 la o amplitudine egală cu 25% din cea a componentei fundamentale. O mai bună utilizare a componentei de curent continuu înseamnă raportul dintre componenta fundamentală a tensiunii de iesire și tensiunea liniei de curent continuu. În figura 3.11. este reprezentată tehnica de modulație PWM cu injectarea armonicii a treia. Alte tehnici PWM bazate pe semnal purtator sunt PWM-ul subarmonic, PWM-ul realizat la frecvență optimă de comutație (SFO-PWM).
Figura 3.11. Tehnica de modulare PWM multinivel, cu injectarea armonicii a treia, pentru un invertor cu trei nivele de tensiune
Tehnicile de modulare PWM împing armonicile create de invertor spre gama de frecvențe înalte, mai exact în jurul frecvenței de comutație a invertorului și multiplilor acesteia.
b) Modulația vectorului spațial (SVM)
În cadrul tehnicii de modulație SVM, stările de comutație ale dispozitivelor
semiconductoare de putere se definesc cu ajutorul unor vectori de tensiune. Acești vectori de tensiune sunt distribuiți într-un plan în cvadratură directă d-q (direct quadrature), vârfurile lor formând nodurile unui hexagon regulat. Vectorul spațial de tensiune parcurge hexagonul și prin diferite metode se calculează intervalul de timp corespunzător fiecarui vector în parte, respectiv intervalul de comutație .
Pentru exemplificarea aplicării SVM-urilor ca tehnică de modulație a unui invertor, este prezentată metoda de modutație pentru invertorul NPC, cu 3 nivele de tensiune. Aceasta are la bază, tehnica SVM pentru invertorul cu două nivele de tensiune. Astfel pentru invertorul NPC cu trei nivele de tensiune se identifică stări posibile, cu 19 vectori de tensiune, față de SVM pentru două nivele de tensiune, unde se identifică stări posibile, cu 7 vectori de tensiune. Dar, pentru invertorul cu 3 nivele de tensiune, având în vedere numărul mare de stări redundante, stările de comutație ajung la 127. În funcție de amplitudinea lor, vectorii de stare ai invertorului cu trei nivele de tensiune, se împart în trei categorii: mici, medii și mari.
Având în vedere tehnica de comutare a semiconductoarelor, convertoarele sunt clasificate ca fiind cu comutare indirectă în frecvență. Un convertor de frecvență este alcătuit din două punți trifazate P1 și P2 și o legatură intermediară în curent continuu, cu bobină (de inductanță Ld Sistemul 1 (frecvență fundamentală, f 1)). Sistemul 2 (frecvența fundamentală, f – figura 3.12). Una dintre punți lucrează în regim de redresor, iar cealaltă în regim de invertor, funcțiile lor fiind interschimbabile.
Prezența celor două punți redresoare alimentate de la două sisteme cu frecvențe diferite duce la apariția, în legătura de curent continuu a unui curent modulat de cele doua frecvente – f convertor P1convertor P2 figura 3.13 – Convertor de frecventa indirect cu invertorcomandat de sarcina f1 si f2. Fiecare dintre convertoare va
crea, pe legatura de curent continuu, componente necaracteristice care vor duce la apariția unor armonici necaracteristice în zona tensiunii alternative, atât pe partea sarcinii, cât și în rețeaua de alimentare.
Figura 3.12. Convertor de frecvență indirect cu invertor comandat de sarcina f1 și f2.
Prezența celor două punți redresoare alimentate de la două sisteme cu frecvențe diferite duce la apariția, în legatura de curent continuu a unui curent modulat de cele două frecvențe – f convertor P1convertor P2 figura 3.13 – Convertor de frecvență indirect cu invertor comandat de sarcina f1 si f2. Fiecare dintre convertoare va crea, pe legatura de curent continuu, componente necaracteristice care vor duce la apariția unor armonici necaracteristice în zona tensiunii alternative, atât pe partea sarcinii, cât și în rețeaua de alimentare.
Componentele pe legătura de curent continuu:
pentru sistemul 1:
k = 0, 1, 2,…
pentru sistemul 2:
unde: n = 0, 1, 2,…
, = numărul pulsurilor convertorului P1, respectiv P2
,= frecvența fundamentală a sistemului 1 (reteaua de alimentare) [Hz]
= frecvența fundamentală a sistemului 2 (sarcina) [Hz]
Funcționarea convertorului P1 va determina armonici caracteristice de curent în rețeaua de alimentare care au urmatoarele frecvențe:
k = 1, 2,…
În plus, vor aparea componente asociate cu componentele produse de P2 și în legatura de curent continuu.
Un set complet al frecvențelor componentelor curentului din rețeaua electrică de alimentare poate fi scris astfel :
-frecvențele curentului din rețeaua de alimentare (sistem 1) =
unde: k = 0, 1, 2,… si n = 0, 1, 2,…
Interarmonici
Considerând că n = 0, pentru k = 0, 1, 2,… vom obține rangul armonicilor pentru o configurație dată a convertorului P1. Componentele determinate pentru k = const și n ≠ 0 sunt benzile adiacente frecvențelor caracteristice ale invertorului. Fiecare armonică caracteristică, de exemplu pentru o punte cu șase pulsuri armonicile de rang = 1, 5, 7,…. are propriile sale benzi laterale, așa cum este ilustrat, în figura 3.14, pentru armonica a 5-a.
Prima pereche de interarmonici, care apare în vecinatatea componentei fundamentale, adică cele cu frecvențele , are amplitudinea cea mai mare. Inductanța bobinei de pe legatura de curent continuu are o influență semnificativă asupra nivelului interamonicilor. Un exemplu de sistem de acționare având o sursă invertor cu circuit intermediar de curent continuu este sistemul de recuperare statică a puterii de alunecare.
Invertoare alimentate cu tensiune
Pentru invertoarele alimentate cu tensiune, în figura 3.15, sunt predominante, de asemenea, armonicile caracteristice ale convertorului P1. Benzile laterale, cu frecvențele determinate de numărul de pulsuri ale convertorului P2, apar în vecinatatea frecvențelor caracteristice ale lui P1, adică:
pentru k = 0, 1, 2, 3,… și n = 0, 1, 2,…
În majoritatea cazurilor, armonicile necaracteristice reprezintă componente foarte mici ale curentului de alimentare. Determinarea numerică a armonicilor curentului de alimentare și a valorilor interarmonicilor cere o analiză precisă a frecvenței convertorului incluzând și sarcina sau informații de la producator.
Anumite convertoare conțin un circuit de intrare cu redresor controlat funcționând la o frecvență de comutare care nu este un întreg al frecvenței de alimentare. Această frecvență poate fi constantă sau variabilă, depinzând de modul în care a fost proiectat controlul convertorului.
Figura 3.13 – Benzile laterale adiacente armonicii caracteristice 5 pentru convertoare cu 6 pulsuri P1 si P2.
Figura 3.14. – Diagrama schematică a convertorului de frecvență cu circuit intermediar de tensiune continuă
Convertoarele cu circuit intermediar de tensiune continuă cu modulare PWM a redresorului de intrare produc componente de curent cu frecvență de comutare a elementelor cu semiconductoare și armonici, care nu sunt sincronizate cu frecvență de alimentare. În mod normal, ele sunt situate în gama de la câteva sute de Hz pâna la
câteva zeci de kHz.
Efectele prezenței interarmonicilor
Interarmonicile de curent pot produce distorsiuni interarmonice ale tensiunii în funcție de amplitudinile componentelor de curent și de impedanța sistemului de alimentare, corespunzatoare acestor frecvențe. Cu cât rangul frecvenței componentelor de curent este mai mare cu atât crește riscul apariției unei rezonanțe nedorite care va produce creșterea distorsiunii și suprasarcinii sau perturbații în funcționarea echipamentelor și instalațiilor consumatorului. Printre cele mai importante efecte directe ale interarmonicilor se numară:
♦ efecte termice ;
♦ oscilații de joasă frecvență în sistemele mecanice ;
♦ perturbații în funcționarea lămpilor fluorescente și a dispozitivelor electronice. În practică, funcționarea oricărui echipament care este sincronizat cu trecerea prin zero sau prin maxima tensiunii de alimentare poate fi perturbată (figura 3.15) ;
♦ interferențe cu semnalele de comandă și de protecție de pe liniile electrice. Acesta este, în prezent, efectul cel mai nociv al interarmonicilor ;
♦ supraîncarcarea filtrelor pasive paralele în cazul unor componente spectrale de rang înalt ;
♦ interferente în telecomunicații;
♦ perturbații acustice;
♦ saturarea transformatoarelor de curent.
Figura 3.15. Treceri multiple prin zero ale curbei de tensiune ca rezultat al distorsiunii
Cele mai comune distorsiuni produse de interamonici se reflectă în variații ale amplitudinii tensiunii (valorii efective a acesteia) care au ca efect apariția de flicker.
Fluctuații de tensiune și flicker
Tensiunea de alimentare poate fi scrisă sub forma:
unde și m este factorul de modulație pentru semnalul cu pulsația .
Relațiile de mai sus pun în evidență posibilitatea apariției fluctuațiilor de tensiune prin modularea componentei fundamentale cu armonici întregi. Cel de al doilea caz are o importanta practica mai redusă.
Dacă se ia în considerație numai componenta fundamentală a tensiunii, relația devine:
În această relație, alături de componenta fundamentală, sunt puse în evidență două componente ale căror frecvențe sunt asociate cu cea a semnalului modulator, ele fiind situate simetric, de fiecare parte, față de frecvența fundamentală. Variațiile periodice ale tensiunii ar putea fi considerate ca variații ale valorii efective (sau valorii maxime) a acesteia sau ca rezultat al prezenței interarmonicilor laterale care modulează tensiunea de alimentare.
De exemplu, pentru considerând că =1, variația maximă a amplitudinii tensiunii este egală cu amplitudinea interarmonicii, în timp ce variația valorii efective a tensiunii depinde atât de amplitudine cât și de frecvență. În figura 3.16. se prezintă procentul maxim al variației valorii efective a tensiunii, determinat pe durată a mai multor perioade ale frecvenței fundamentale, produsă de interarmonici de diferite frecvențe, dar cu amplitudine constantă, m = 0,2 % din componenta fundamentală a tensiunii.
Din figura 3.16. se poate constata că influența interamonicilor, având o frecvență mai mare decât dublul frecvenței fundamentale, este mică față de influența interamonicilor cu frecvență sub această valoare (100 Hz). În cazul prezenței interarmonicilor există riscul apariției fluctuațiilor de tensiune care pot produce flicker dacă, pentru o anumită frecvență, se depășeste o valoare limită. Astfel, dacă și, în particular, pentru în vecinatatea frecvenței fundamentale , modularea componentei fundamentale produce variații ale valorii efective a tensiunii de alimentare, devenind o sursă de flicker. Acest fenomen poate fi observat atât la lămpile incandescente, cât și la cele fluorescente, chiar dacă fenomenul, domeniul de frecvențe și amplitudinile admise sunt complet diferite.
Figura 3.16. Dependența maximului valorii efective a variației tensiunii în funcție de frecvența interarmonicii de amplitudine constantă (0,2 % din amplitudinea componenței fundamentale).
O sursă particulară de flicker o reprezintă sistemul de semnale pe linii prezentat anterior. Deși au amplitudine mică, aceste semnale pot crea condiții de apariție a flickerului în cazul unor lămpi sensibile, așa cum sunt lămpile fluorescente economice compacte. Acest mod de perturbare apare rareori la lămpile cu balast electronic.
Măsurare
Majoritatea aparatelor de măsurare în domeniul frecvenței lucrează corect atunci când în semnalul măsurat sunt prezente numai armonici. Aceste instrumente folosesc un circuit sincronizat pe fază pentru a sincroniza măsurătoarea cu componenta de frecvență fundamentală și pentru a eșantiona semnalul pe durata unei sau a mai multor perioade, în vederea aplicării analizei utilizând Transformare Fourier Rapidă (FFT – Fast Fourier Transformation). Datorită sincronizării pe fază, eșantioanele “unei perioade unice” pot să dea o reprezentare corectă a spectrului curbei, numai dacă aceasta nu contine interarmonici. Dacă sunt prezente și frecvente nearmonice (în raport cu perioada de măsurare) și/sau curba eșantionată nu este periodică, în acest interval, pot să apară dificultăți de interpretare a rezultatelor.
Instrumentul fundamental de analiză este Transformarea Fourier (TF). În practică, semnalul este analizat pe un interval de timp limitat (fereastra de măsurare temporală T) utilizând un număr limitat de eșantioane (M) a semnalului real. Rezultatele Transformării Fourier Discretă (DFT – Discrete Fourier Transformation) depind de alegerea valorilor M și Tw . Inversul lui Tw9 w este frecvența fundamentală Fourier f (DFT) este aplicată semnalului real în intervalul ferestrei de timp; semnalul din exteriorul acestei ferestre nu este prelucrat, dar se presupune că el este identic cu cel din interiorul acesteia. Pe această cale, semnalul real este substituit cu unul virtual, periodic, având perioada egală cu lățimea ferestrei.
La analiza curbelor periodice nu se ridică nici o problemă privind sincronizarea timpului de analiză cu perioada fundamentală a curbei (chiar dacă are armonici). Dacă curba conține interarmonici, analiza devine mult mai dificilă. Frecvențele componentelor interarmonice nu sunt multipli întregi ai frecvenței fundamentale și adesea ele variază în timp, ceea ce face ca măsuratorile să fie și mai dificile.
Din cauza prezenței, atât a componentelor armonice, cât și a celor interamonice, frecvența Fourier, care este cel mai mare divizor comun al tuturor frecvențelor componentele conținute în semnal, este diferită de frecvența fundamentală a tensiunii de alimentare fiind, de regulă, foarte mică. Apar două probleme:
♦ timpul minim de eșantionare trebuie sa fie lung și numărul eșantioanelor să fie mare
Frecvența (Hz) Tensiunea, valoare efectivă [V]
♦ este dificil să fie evaluată frecvența fundamentală Fourier având în vedere faptul că nu toate frecvențele componentelor semnalului sunt cunoscute a priori.
Această situație poate fi ilustrată prin urmatoarele exemple:
*Semnalul care trebuie sa fie analizat este suma dintre componenta fundamentală (50 Hz), o interarmonică (71,2 Hz) și o armonică (2500 Hz). Frecvența fundamentală Fourier este 0,2 Hz, fiind mult mai mică decât frecvența componentei fundamentale. Perioada corespunzatoare este 5 s și, în consecință, durata minimă de eșantionare este, de asemenea, 5 s. Dacă frecvența de eșantionare este 10 kHz, care în practică, este valoare minimă aplicabilă ce rezultă din criteriul Nyquist (Anexa 5), numărul minim necesar de eșantioane M este 50 000. Dacă nu ar exista componenta interarmonică (71,2 Hz), atunci timpul minim de măsurarea ar fi 20 ms și numărul de eșantioane ar fi 200 .
*Semnalul care trebuie să fie analizat este suma dintre componenta fundamentală (50 Hz) și o armonică (2500 Hz), amplitudinile acestora variind cu frecvențele 0,1 Hz, respectiv 5 Hz. Efectul acestor modulații este apariția a patru interarmonici cu frecvențele 49.9 Hz, 50,1 Hz, 2495 Hz și 2505 Hz. Frecvența fundamentală Fourier este 0,1 Hz și timpul de eșantionare minim este de 10 s iar M = 100 000.
În aplicațiile practice, datorită limitărilor echipamentului și a software, numărul eșantioanelor M nu poate depăși o anumită valoare și, în consecință, timpul de măsurare este limitat. Utilizarea unui timp de măsurare diferit de perioada fundamentala Fourier determină o discontinuitate în semnal la începutul și sfârsitul ferestrei de măsurare. Aceasta conduce la erori în identificarea componentelor, fiind cunoscute sub numele de dispersie a spectrului. O posibilă soluție a acestei probleme este folosirea unei ferestre de timp “ponderate” aplicată semnalului care variază în timp, înainte analizei FFT. În practică se folosesc două ferestre de măsurare: fereastra dreptunghiulară și fereastra Hanning (Anexa 4).
Valoarea efectivă a subgrupului armonic
Rădăcina pătrată din suma pătratelor amplitudinilor unei armonici și a celor două componente spectrale imediat adiacente acesteia, cu scopul de a include efectul fluctuației de tensiune pe durata măsurării. Un subgrup al componentelor de ieșire a DFT ( Transformata Fourier Discreta) este obținut prin însumarea conținutului energetic al componentelor de frecvență direct adiacent armonicii cu acela propriu al armonicii.
Valoarea efectivă a grupului interarmonic
Valoare efectivă a tuturor componentelor în intervalul dintre două frecvențe armonice consecutive (a se vedea figura 3.12)
Valoarea efectivă a unui grup interarmonic centrat
Valoare efectivă a tuturor componentelor în intervalul dintre două frecvențe armonice consecutive excluzând frecvența componentelor adiacente frecvențelor armonice (a se vedea figura 3.17.).
Figura 3.17. Ilustrarea principiului gruparii armonice și interarmonice.
Metode de limitare a interarmonicilor și de reducere a efectelor acestora
Metodele de eliminare a efectelor interarmonicilor includ:
♦ reducerea nivelului de emisie ;
♦ reducerea sensibilității sarcinii ;
♦ reducera cuplajului dintre echipamentul de producere și sarcină.
Metodele utilizate sunt aceleași ca pentru armonici.
Factori suplimentari trebuie să fie luați în considerare la proiectarea filtrelor pasive. De exemplu, rezonanța între circuitele filtrului și interarmonicile din rețeaua electrică poate fi amplificată și să determine importante distorsiuni și fluctuații ale tensiunii. Circuitele filtrului trebuie să fie proiectate astfel încât să aibă un factor de amortizare mare. În figura 3.18. se prezintă un exemplu privind caracteristicile de impedanță ale unui filtru pasiv (armonicile 3, 5, 7 și 12) văzute de la bornele de intrare ale convertorului care alimentează o instalație amplă a unui cuptor cu arc electric. Linia punctată corespunde filtrului neamortizat. Apare un risc real de rezonanță pe interarmonicile adiacente 120 și 170 Hz. Dacă se utilizează amortizarea pentru armonicile de rang 3 și 7, se reduce pericolul apariției rezonanței. La proiectarea unui filtru se impune realizarea unui compromis între acuratețea acordării și pierderile de putere, care se ia în considerarea la alegerea factorului de calitate al filtrului.
Figura 3.18. – Exemplu de impedanță văzută de la bornele de ieșire ale convertorului. [6]
Proiectarea unu filtru trece bandă, cu bandă îngustă, pune câteva probleme. Abaterea frecvenței normale a rețelei de alimentare poate fi importantă, în special atunci când se combină cu modificări în frecvența de acord, determinate de toleranțele componentelor, de îmbătrânire, de variația temperaturii și de modificării ale impedanței rețelei de alimentare. Variațiile rezultate privind frecvența de rezonanță a filtrului, considerând o bandă foarte îngustă a filtrului trece bandă, poate să reducă în mod semnificativ eficiența filtrării, chiar dacă modificarea este mică. Dacă se impune alegerea unui factor de calitate redus, care conduce la lărgirea benzii filtrului, rezultă un avantaj din punct de vedere a filtrării interarmonicilor. Perturbațiile produse de sistemele de semnalizare pot fi eliminate prin folosirea filtrelor serie acordate pe frecvențele dorite și plasate, în mod corespunzător, în rețeaua electrică. Alte soluții implică creșterea nivelului de imunitate al echipamentului în funcțiune sau utilizarea filtrelor active.
Concluzii
Prezentarea de mai sus privind existența interarmonicilor, sursele principale de generare a acestora și forma caracteristicilor în spectrul continuu și discret, permit formularea unor concluzii cu aspect general. În primul rând, în marea majoritatea a cazurilor valorile și frecvențele interarmonicilor de curent și de tensiune reprezintă mărimi stohastice care depind de numeroși parametri complecși ai proceselor tranzitorii. În al doilea rând, evaluarea valorii și frecvenței interarmonicilor este posibilă pentru un proces particular, luat în considerare. În al treilea, încă nu există reguli standardizate privind interarmonicile, deși există necesitatea practică pentru acestea.
3.2. Perturbații caracteristice parcurilor de panouri fotovoltaice
Figura 3.19. Parcuri de panouri fotovoltaice
Panorile fotovoltaice produc curent electric continuu care este preluat mai departe de un invertor care îl convertește în curent alternativ urmând livrat în rețea electrică. În continuare vor fi prezentate perturbațiile introduse în rețea de catre parcurile de celule fotovoltaice datorită factorilor de mediu și a invertoarelor.
Perturbații datorate factorilor de mediu :
Înorarea temporară, umbririle cauzate de acestea produc variații semnificative ale puterii generate de panourile fotovoltaice. Fluctuațiile de putere pot fi o sursă semnificativă de armonici și ca rezultat al armoinicilor o sursa de aparitie a flickerului.
În conformitate cu raportul prezentat la FDEE Electrica Muntenia Nord pentru proiectul privind monitorizarea energiei electrice produsa din resurse regenerabile [4]
Se pot observa perturbațiile introduse de umbririle datorate înnorărilor sporadice asupra puterii generate de parcul de panouri fotovoltaice.
Figura 3.20a. Schema funcțională a parcului de panouri fotovoltaice de la Florești Prahova
Figura 3.20b. Perturbații datorate invertoarelor de putere folosite
Fenomene asemanatoare celor prezentate anterior în capitolul referitor la convertizoarele de frecvență ce echipează turbinele eoliene cu viteză variabilă tind să apară și în cazul convertizoarelor de frecvență.
Capitolul IV. Modalități de combatere a perturbațiilor introduse de generatoarele eoliene și fotovoltaice
Rețeaua de distribuție impune stabilitatea tensiunii și frecvenței. Din acest motiv, trebuie luate măsuri speciale în ceea ce privește etapele tranzitorii de funcționare ale eolienelor, cum ar fi pornirea, oprirea sau absorbția rafalelor.
În ceea ce privește pornirea, aceasta se va realiza cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează tensiunea de alimentare a mașinilor, acestea pornind pe caracteristici artificiale de tensiune.
Normele de calitate a energiei, impun, de asemenea, ca eolienele să genereze cât mai puține armonici. Acestea sunt cauzate de convertoarele statice de tensiune și frecvență utilizate pentru conectarea generatoarelor la rețeaua de distribuție. Trebuie deci căutate soluții pentru ameliorarea acestora și utilizarea filtrelor. În același timp, trebuie asigurată și energia reactivă necesară magnetizării mașinilor. Se dorește ca aceasta să fie în proporție cât mai mică asigurată din rețeaua de distribuție.
De asemenea, trebuie să se țină cont de faptul că în realitate, rețeaua de distribuție nu are putere infinită, deci stabilitatea parametrilor ei (frecvența, valoarea eficace) poate fi influențată de eolienele, care sunt de puteri din ce în ce mai mari (în prezent, până la 5 MW).Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de eoliene, al eolienelor de medie putere și a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la rețea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăților care gestionează rețelele.
Componente necesare pentru a satisface exigențele rețelei:
Pentru a asigura conectarea eolienelor trebuiesc instalate o serie de echipamente precum:
Transformatorul ridicător de tensiune:
Generatoarele eolienelor au tensiunea nominală, în general, de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigură conectarea acestora la rețeaua de distribuție, care de cele mai multe ori este de 20 kV. În prezent, nu există nici o eoliană care să fie conectată direct la rețea, fără utilizarea unui transformator ridicător.
Bateriile de condensatoare
Pentru ameliorare factorului de putere al instalației, se conectează baterii de condensatoare, ce sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi. Bateriile de condensatoare asigură și compensarea puterii reactive consumate ( ca o medie, ținând cont de neregularitățile vântului).
Energia reactivă este necesară mașinilor asincrone pentru magnetizare. Astfel, bateriile de condensatoare (surse de energie reactivă) asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al eolienei. În cazul funcționării autonome a eolienelor, bateriile de condensatoare sunt indispensabile pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării mașinii.
Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de eoliene, al eolienelor de medie putere și a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la rețea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăților care gestionează rețelele.
4.1. Combaterea fluctuațiilor de tensiune
O consecință deosebit de gravă a fluctuațiilor de tensiune fiind efectul de flicker, combaterea fluctuațiilor de tensiune are drept scop principal combaterea acestui efect.
Mijloacele de combatere a efectului de flicker constă în:
Mărirea puterii de scurtcircuit a rețelei prin realizarea unor legături suplimentare cu sistemul electroenergetic;
Instalarea de capacitate de stocare a energiei ce au posibilitatea de a genera rapid în retea atunci când sunt cuplate (volante, baterii de condensatoare etc);
Separarea consumatorilor cu șocuri de putere activă și reactivă de ceilalți consumatori prin secționarea sistemului de bare colectoare;
Alimentarea receptoarelor care produc flicker la o treaptă de tensiune mai ridicată;
Echiparea generatoarelor centralei electrice proprii, în caz că există, cu sisteme de reglaj rapid a excitației în vederea preluării șocurilor de putere activă și reactivă;
Instalarea de surse locale de putere reactivă care să preia, practic instantaneu, șocurile de putere reactivă, cum ar fi compensatoarele sincrone cu reglaj rapid a excitației.
Combaterea golurilor de tensiune
Golul de tensiune este definit ca fiind variația negativă a valorii eficace a tensiunii de serviciu, având o amplitudine minimă de 20% și o durată de cel mult 3 secunde. Amplitudinea relativă a golului de tensiune este definită cu ajutorul relației:
(4.1)
Golurile de tensiune sunt datorate fie încetării bătăii vântului fie datorate umbririi rapide a panourilor fotovolatice.
Efectele golurilor de tensiune asupra funcționării receptoarelor depind de durată și amplitudinea acestora și constă în:
1) Perturbarea funcționării unor aparate cum ar fi: redresoare, calculatoare, echipamente electronice diverse etc. ;
2) Deconectarea contactoarelor electromagnetice;
3) Instabilitatea funcționării motoarelor sincrone;
4) Desprinderea motoarelor asincrone.
Mijloacele tehnice de combatere a efectelor negative ale golurilor de tensiune diferă după natura și puterea receptoarelor sensibile, distingându-se următoarele soluții de bază:
a) Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie;
b) Instalarea de grupuri generatoare care să compenseze efectele golurilor.
4.2. Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie
Acumularea energiei se face fie sub formă de energie cinetică într-un volant de inerție, fie sub formă de energie electrică în baterii de acumulatoare electrice și restituirea sa pe durata golului de tensiune.
O variantă simplă de sistem inerțial se compune dintr-un motor electric asincron, un alternator și un volant, cuplate între ele, care permite eliminarea golurilor de tensiune cu durate ce nu depășesc 0,5 s și care reprezintă, de regulă, 80 – 90% din totalul perturbațiilor (Figura 4.1).
Figura 4.1. Schema de principiu a unui sistem inerțial.
Avantajele sistemelor inerțiale constă în eliminarea bateriilor de acumulatoare, care necesită încăperi speciale atunci când puterea receptoarelor sensibile la golurile de tensiune are valori importante. Ca dezavantaje se menționează zgomotul produs și extinderi dificile.
Sistemele cu acumulare de energie electrică (redresor – baterie –invertor) utilizează o baterie de acumulatoare ca sursă tampon de energie electrică care nu este influențată de perturbațiile din rețeaua de alimentare (Figura 4.2).
Figura 4.2. Schema de alimentare printr-un grup redresor – baterie – invertor.
În regim normal de funcționare sarcina este alimentată prin intermediul redresorului și invertorului, bateria fiind menținută încărcată.
În cazul apariției golului de tensiune, energia este asigurată de bateria de acumulatoare prin intermediul invertorului.
Avantajele schemelor redresor – baterie – invertor constă în:
– eliminarea totală a perturbațiilor din rețea;
– autonomie până la 1 h, în funcție de capacitatea bateriei;
– lipsa pieselor în mișcare.
Combaterea armonicilor de frecvență:
Pot fi eliminate prin introducerea de filtre pentru eliminarea armonicilor de frecvență.
Combaterea dezechilibrelor în rețelele de distribuție:
La acordarea avizelor de conectare se va avea în vedere că puterea generată să fie distribuită în mod uniform pe cele trei faze (Numărul de panouri solare va fi divizat în trei grupuri cu puteri instalate egale, dispuse astfel încât fenomenenle de umbrire să le influenteze în mod uniform.
Capitolul 5. Măsurări ale calității energiei electrice generate de producători de energie electrică din surse regenerabile
Măsurări la centrala eoliana și la grupul de panouri fotovoltaice de la UPG
Măsurători al armonicilor de frecvență la convertizoarele de frecvență existente în laboratorul UPG Ploiesti
Măsurări la panourile fotovoltaice din U.P.G.
În figura 5.1 sunt prezentate panourile fotovoltaice și miniturbina eoliană instalate în incinta Universitatii Petrol Gaze Ploiesti. Acestea sunt amplasate pe acoperisul etajului 1 din corpul C. Fiecare panou generează maximum 220 W ( rezultând un total de 880W), iar turbina 750W. Datorită faptrului că instalația aparține universității am putut experimenta măsurări pe mai multe tipuri de convertizoare. Pentru a evidenția pericolul existent în a folosi convertizoare ieftine, existente pe piață am prezentat în acest subcapitol măsurătorile efectuate pe un astfel de convertizor. În vederea evitarii contaminarii rețelei cu perturbații ce ar putea afecta calitate energiei am folosit o schemă neconectată la RED.
Figura 5.1. a) Amplasarea panourilor b) Amplasarea centralei eoliene
Schema în care au fost realizate măsurătorile este prezentată în figura 5.2.
Figura 5.2. Schema bloc a instalației realizate
În figura 5.3 sunt prezentate formele de undă ale tensiunii și curentului, măsurate la bornele invertorului.
Figura 5.3. Forme de undă. a. Forma de unda tensiune b. Forma de unda curent
Se constată că invertorul furnizează la ieșire o tensiune nesinusoidală (dreptunghiulară).
Figura 5.4. Armonici tensiune și curent
Figura 5.5. Armonici la pornirea instalației
După cum se poate observa în figurile 5.3……5.5 formele de undă sunt puternic deformate, și în mod corespunzator armonicile depașesc cu mult limitele admise de EN 50160. Doarece instalația nu este abilitată a fi cuplată la RED , și factorii perturbatori sunt mult prea mari nu pot fi făcute măsuratori de monitorizare de lungă durată, aparatul Fluke 434 resetând datele în momentul în care limitele depășesc standardul impus.
Măsurători al armonicilor de frecvență la convertizoarele de frecvență existente în laboratorul UPG Ploiesti
Un al 2-lea set de măsurători a fost efectuat în laboratorul de acționări electrice și electronice folosind aparatul de monitorizare a parametrilor energiei electrice FLUKE 434. Au fost executate măsurări ale formelor de undă ale curenților și tensiunilor, armonicile si flikerul la intrarea/iesirea in convertizoarele de frecventa PARKER Allen Bradley urmărindu-se în special modul în care convertizoarele de frecvență pot influenta parametrii de calitate ai energiei electrice datorită armonicilor și interarmonicilor nefiltrate corespunzator.
Schema de măsură folosită este cea prezentată în figura urmatoare :
Figura 5.6. Pagina de întâmpinare a fluchelui 434 cu tipul de legături trifazate-în cazul de față este legătură în stea a celor trei faze.
Figura 5.7. Calculul tensiunilor rămase Vrms și a celorlalți parametrii făcute din analizorul mobil FLUKE 434 pe cele trei faze
Deoarece nu am avut disponibil un sistem în care mașina asincronă lucreaza în regim de generare am considerat acceptabil a efectua măsurări în care mașina asincronă este element de execuție și este comandată de un convertizor de frecvență. Aproximarea in ceea ce priveste perturbatiile ce pot apare in sistem este bazata pe faptul că schema de principiu a convertizorului este asemănatoare pentru ambele aplicații, generând în fapt aceleași perturbații ce afectează RET ( rețeaua electrică de transport).
Formele de undă ale tensiunii rezultate în urma măsuratorilor efectuate sunt prezentate în figura urmatoare :
Figura 5.8. Forma curențiilor în sarcină
Așa cum se poate observa există mici deformații ce indică prezența armonicilor.
Pentru a evita perturbații introduse de sarcina au fost executate măsurători cu mașina asincronă în gol aceasta explică și valorile relative mici ale curenților măsurați (au fost folosite sonde cu factor de divizare 1/100 ca urmare valorile curenților indicați indicate în fotografii uramând a fi impărțiți la 100). Așa cum se poate vedea în figura următoare formele de undă ale curenților sunt puternic perturbate aceasta indicând că valorile armonicilor de curent sunt mari.
Figura 5.9. Forma curențiilor în gol
Pentru a verifica supozițiile anterioare au fost executate măsuratori ale armonicilor de curent și tensiune acestea fiind prezentate în figurile următoare.
Figura 5.10. Armonici de curent introduse în rețea la funcționarea motorului în sarcină
Figura 5.11. Armonici de curent introduse în rețea la funcționarea motorului în gol
Figura 5.12. Armonici de tensiune introduse în rețea la funcționarea motorului în gol
Figura 5.13. Dezechilibre între faze
În figura urmatoare este prezentat nivelul de flicker pe cele trei faze ale circuitului.
Figura 5.14. Surse de fliker la funcționarea în gol
Se poate observa că nivelul de flicker pe cele trei faze nu este afectat de armonicile de curent deoarece valorile variațiilor curenților sunt prea mici pentru a influența rețeaua, care devine factor stabilizator pentru sistem. Având în vedere că modelul de convertizor utilizat pentru măsurători este fabricat în 2005 și studiind în amănunțime schema de principiu a acestuia s-a putut observa că lipsa filtrării corespunzatoare poate duce la perțurbații majore ale RET.
ANEXE :
Anexa 1- Tabelul 1.1. Echipamente electrice perturbatoare [7]
Tabel 1.2. Echipamente electrice perturbatoare
Tabel 1.3. continuare
Anexa 2
Tabelul 2.1 Normative tehnice energetice în vigoare [7]
Anexa 3
Tabelul 3.1 – Comparația între reglementarile pentru tensiunea de alimentare conform EN 50160 și standardele EN 61000 de compatibilitate electromagnetică[7]
Anexa 4
Transformata Fourier reprezintă cea mai obișnuită metodă de analiză a semnalelor. Teoria fundamentală a analizei spectrale consideră că analiza este efectuată pe un interval temporal cuprins între – 8 si + 8. Transformata Fourier Discreta (DFT) sau varianta Transformata Fourier Rapida (FFT) pot sa introduca componente spectrale suplimentare pentru semnalul analizat. Acest efect apare din cauza faptului ca DFT si FFT lucreaza cu un numar finit de esantioane, adica un segment finit al semnalului real. Spectrul rezultat si cel real vor fi identice numai daca semnalul este periodic si daca intervalul temporal analizat va avea un numar întreg de perioade. Aceasta conditie se realizeaza foarte greu în practica.
Rezultatele prezentate în figurile A.1.1 si A.1.2 indică modul în care poate să arate, de fapt, spectrul. Pentru același semnal au fost obținute diferite spectre însă, în cazul Figura A.1.2, s-a folosit un interval temporal cu 2,5 % mai mare. În bibliografie acest efect se numeste dispersie spectrală. S-ar putea spune că o parte a energiei
componentei spectrale principale a fost transferată componentelor laterale. A fost propusă urmatoare interpretare a fenomenului. Eșantionarea în vederea analizei DFT poate fi comparată cu multiplicarea unei fereastre dreptunghiulare, care corespunde duratei analizei, cu semnalul real, de durată infinită, Figura A.1.3.
În figurile A.1.4 se prezintă modul în care trebuie utilizată fereastra pentru analiza semnalelor.
În figura A.1.5 se prezintă modul în care metodele indicate au influentat asupra spectrului din exemplu din Figura A.1.2. A fost folosită fereastra Hanning pentru
scopul acestui exemplu. Efectul constă în reducerea numărului liniilor spectrale rezultate, iar spectrul se apropie de cel corect, așa cum este prezentat în Figura A.1.1
În bibliografia curentă se dau mai multe tipuri de ferestre pentru analiza DFT. Cele mai obișnuite sunt (figura A.1.6):
♦ fereastra triunghiulară similară fereastrei Bartlett
♦ fereastră Hanning
♦ fereastră de tip cosinus sau Hann sau fereastră Hamming
Aceste ferestre sunt cele mai utilizate în instrumentația de măsurare. Utilizarea lor nu elimină problemele de dispersie spectrală, însă limitează semnificativ efectele
duratei limitate de observare. Acest fapt este, în particular, evident în îmbunatățirea rezoluției spectrale.
Anexa 5
Cea mai dificilă problemă asociată cu eșantionarea unui semnal continuu este probleme ambiguității. Esența acesteia este ilustrata în figura A.2.1. Din această figură rezultă că același set de eșantioane poate descrie câteva curbe diferite, pe care echipamentul de măsurarea nu le identifică.
Principiul analizei de frecventa consta în reprezentarea unei curbe oarecare printr-o sumă de semnale sinusoidale. O astfel de prezentarea permite analiza cantitativă a problemei ambiguității. În acest scop să consideram curba din figura A.2.2
Un semnalul x(t) este eșantionat la intervale de timp egale h, determinând momentele de eșantionare pentru care valorile măsurate sunt indicate pe figura A.2.2. Presupunem că funcția x(t) este sinusoidală cu frecvența f .
Aceleași puncte ar putea să reprezinte sinusoide având frecventele f 1sau f , care sunt multipli (nu în mod necesar multipli întregi) ai frecventei f . Aceleasi diferite frecvente sunt, în mod evident, asociate cu perioada de esantionare. Frecventa f alte curbe posibile Timpul de eșantionare este considerată frecvența fundamentală.
Se poate afirma, fară a se prezenta demonstrația matematică, ca domeniul frecvențelor pentru care efectul ambiguitatii nu apare se extinde de la pâna la , unde este frecvența maximă, numită frecvență Nyquist. Aceasta determină limita de frecventa privind valorile de esantionare, asa numita limita Shannon, dincolo de care reconstituirea unica a semnalului continuu nu mai este posibila. Atunci când semnalul de analizat nu contine componente cu frecventa mai mare decât , frecventa de esantionare minima necesara care asigura ca semnalul esantionat sa reprezinte semnalul real este data de:
sau deoarece , atunci
Aceasta este așa numita teorema de eșantionare. Consecința sa arată că, pentru un spectru de frecvente dat, componentele situate între și pot fi considerate separate. Dacă semnalul contine frecvente aceste componente nu se disting.
Din acest motiv, este necesar să se limiteze banda semnalului de masurat pentru a reduce consecintele directe ale ambiguitatii la esantionarea lui. Aceasta implica necesitatea filtrarii semnalului de masurat cu ajutorul unui filtru trece-jos înaintea esantionarii (filtru antirepliere) în vederea eliminarii frecventelor mai mari decât .
Concluzii
Calitatea alimentarii cu energie electrica, în special aspectele legate de continuitatea în alimentare (calitatea serviciului de alimentare), a constituit întotdeauna o preocupare deosebita, întreruperile fiind generatoare de daune în industrie sau neplaceri în alimentarea consumatorilor rezidentiali.
În ultimul timp, procesele tehnologice specifice industriei moderne foarte senșibile la abateri fata de calitatea normata a energiei electrice, au adus în actualitate și calitatea curbei de tenșiune. În cele mai multe cazuri abaterile de la regimul șinusoidal și șimetric sunt însotite de daune la producator, operatorul de retea, diferentiate în functie de caracteristicile utilizatorilor RET sau RED, la consumator prin nerealizarea productiei, reducerea calitatii produselor realizate, reducerea productivitatii, rebuturi în productie, defecte în echipamente, perturbarea procesului tehnologic pe durate mult superioare duratei întreruperii, accidente, cheltuieli suplimentare pentru salarii, materii prime, energie etc.
Stabilirea indicatorilor la care un utilizator este senșibil, analiza domeniului lor de variatie într-un nod dat al șistemului electroenergetic, precum și deciziile privind cresterea nivelului calitatii energiei electrice furnizate, prezinta un interes deosebit pentru utilizatorii finali, dar și pentru operatorii de producere, transport, distributie și furnizare.
Analizele realizate trebuie sa puna în evidenta caracteristicile calitative ale energiei electrice poșibil a fi furnizata în mod normal utilizatorilor, iar acestia vor putea decide daca acestea corespund exigentelor lor sau este necesara efectuarea de investitii, la furnizor pentru cresterea nivelului de calitate sau în cadrul șistemului propriu pentru cresterea imunitatii.
Bibliografie
[1] Larsson Ake PhD teză doctorat- The power quality of wind turines
[2] Eremia M., Electric power systems. Electric networks, Editura Academiei Române, Bucuresti, 2006.
[3] ICE Menerg-Standarts of power quality
[4] FDEE Electrica Muntenia Nord pentru proiectul privind monitorizarea energiei electrice produsa din resurse regenerabile
[5] Mihaileanu C., Potlog D.M., Goluri de tenșiune în sisteme electroenergetice. Efecte asupra consumatorilor, Editura Tehnica, Bucuresti 1979.
[6] Golovanov N., Sora I., Electrotermie și electrotehnologii, Editura Tehnica, Bucuresti, 1997.
[7] www.ANRE.ro.
[8] http://www.energobit.com/APP_cms/content.asp?ContentId=947;
[9]. Popovski K. si Popovska-Vasilevska S. (2001) -Fezabilitatea proiectelor geotermale în agricultura laînceputul secolului XXI, BULLETIN GHC, iunie, Scoala
Internaționala de vara, Skopje, Macedonia;
[10]. Witcher J.C., Witcher and Associates (2006) –
Utilizarea directa a surselor geotermale în agricultura,
Universitatea de stat New Mexico Las Cruces, New
Mexico State University Las Cruces, New Mexico, SUA;
[11] http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull22-2/art4.pdf
[12] http://www.energeia.ro/energie-geotermala/pompecaldura/pompe-de-caldura-geotermale-94/
[13] http://ro.altermedia.info/stiintatehnologie/introducerein-energia-geotermala_3077.html
[14] (http://www.ren21.net/ lobalstatusreport/g2009.asp).
Bibliografie
[1] Larsson Ake PhD teză doctorat- The power quality of wind turines
[2] Eremia M., Electric power systems. Electric networks, Editura Academiei Române, Bucuresti, 2006.
[3] ICE Menerg-Standarts of power quality
[4] FDEE Electrica Muntenia Nord pentru proiectul privind monitorizarea energiei electrice produsa din resurse regenerabile
[5] Mihaileanu C., Potlog D.M., Goluri de tenșiune în sisteme electroenergetice. Efecte asupra consumatorilor, Editura Tehnica, Bucuresti 1979.
[6] Golovanov N., Sora I., Electrotermie și electrotehnologii, Editura Tehnica, Bucuresti, 1997.
[7] www.ANRE.ro.
[8] http://www.energobit.com/APP_cms/content.asp?ContentId=947;
[9]. Popovski K. si Popovska-Vasilevska S. (2001) -Fezabilitatea proiectelor geotermale în agricultura laînceputul secolului XXI, BULLETIN GHC, iunie, Scoala
Internaționala de vara, Skopje, Macedonia;
[10]. Witcher J.C., Witcher and Associates (2006) –
Utilizarea directa a surselor geotermale în agricultura,
Universitatea de stat New Mexico Las Cruces, New
Mexico State University Las Cruces, New Mexico, SUA;
[11] http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull22-2/art4.pdf
[12] http://www.energeia.ro/energie-geotermala/pompecaldura/pompe-de-caldura-geotermale-94/
[13] http://ro.altermedia.info/stiintatehnologie/introducerein-energia-geotermala_3077.html
[14] (http://www.ren21.net/ lobalstatusreport/g2009.asp).
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Notiuni Generale Privind Generarea Energiei Electrice din Resurse Neconventionale (ID: 162914)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.