Microretele

Capitolul 1. Microrețele

1.1 Structura

Datorită unei evoluții sporite a sistemelor de producere, transport și utilizarea a energiei electrice s-a realizat o trecere rapida a structurilor de macrorețea electrică de alimentare la stucturile de microrețele de alimentare cu energie electrică. O microrețea reprezintă un sistem de distribuție la joasa tensiune (~<=1 kV) sau medie tensiune (~169 kV) având surse de generare distribuită (de ex. generatoare eoliene, microturbine, etc.) și sarcini electrice și termale.O microrețea este formată din sisteme de distribuție care au în componența lor surse de energie distribuite, consumatori controlabili și dispositive de stocare.Aceasta poate funcționa insularizat sau interconectată cu rețeaua de distribuție, iar în cazul unei deconectări de la rețea, ca o insulă fizică.

Apariția noului concept a dus deasemenea la creșterea flexibilității receptoarelor și surselor, reclamând un dinamism remarcabil precum și o interfață în scopul realizării unor sisteme de integrare.Utilizarea noilor surse primare de energie precum și a noilor configurații de conversie a energiilor primare în energii secundare au dus la determinarea unor clase de receptoare care pot răspunde dinamismului surselor noi de energie. Noua structură permite găsirea unor noi sisteme speciale de stocare a energiei produse și de gestionare a acesteia in scopul optimizării consumlui și reducerii cheltuielilor dar și a impactului negativ asupra mediului înconjurător.Un nou model de structura face necesară gasirea unor noi metode de alimentare a utilizatorilor pentru dezvoltarea atât a microrețelelor de curent anternativ cât și a microrețelelor de curent continuu, în funcție de tipul surselor de energie și a receptoarelor. Este necesară creerea unei legături între microrețele(de la una de curent alternativ la una de curent continuu și viceversa) pentru a avea o fiabilitate crescută a microrețelelor dar și pentru asigurarea continuității în alimentare a utilizatorilor. O microrețea generică de tensiune continuă este compusă dintr-un numar de generatoare cu module statice de interfațare (convertoare CC/CC si CC/CA bidirectionale), utilizatori de energie electrică la tensiune contină sau alternativă (cu module invertoare) precum și o conexiune (prin transformator și module de conversie) cu reteaua de distribuție.Este de așteptat ca o astfel de soluție să aibă un impact major în tehnologia de realizare a clădirilor, în siturile izolate ce utilizează energii regenerabile și aplicațiile industriale (în special acționări de viteză variabilă).

În urma evoluției sistemelor de producer și utilizare a energiei electrice se pot menționa doua tendințe majore:utilizarea electronicii de putere în sistemele de conversie a energiei electrice, ce are ca efect amplificarea problemei asigurării calității energiei electrice furnizate, datorită poluării cu armonici a rețelelor precum și creșterea ponderii energiei electrice provenite din surse regenerabile.

Ținând cont de caracteristicile energiei primare(ex. Caracterul aleator și nestaționar al energiei eoliene), este necesară utilizarea convertoarelor statice, pentru a asigurara regularizarea parametrilor energiei electrice în cadrul sistemelor de producer a energiei

electrice din surse regenerabile. Trasatura comună a celor două tendințe constă în necesitatea asigurării calitații energiei electrice în retele în care sunt prezente surse de energie regenerabilă și instalații de utilizare, ambele fiind surse de poluare, datorită utilizării pe scară largă a electronicii de putere.

Motivatia abordarii acum a temei retelelor de distributie la tensiune continua are la baza urmatoarele:

• Existenta unei mari cereri de utilizare a surselor de energie regenerabile (RES) in unitati de generare de putere mica si dispersate geografic;

• Multi din utilizatorii de putere mica aflati in zone izolate geografic nu au acces la retelele de distributie existente.

• Majoritatea tehnologiilor bazate pe surse de energie regenerabile livreaza energie electrica in curent continuu sau necesita acest mod de livrare la un nivel intermediar de c.c.; la scara globala se raporteaza o crestere semnificativa a numarului de utilizatori de energie electrica la tensiune continua.

• Recent au fost raportate dezvoltari tehnologice semnificative in domeniul componentelor electronice si al convertoarelor statice, simultan cu o reducere continua a pretului echipamentelor electronice

• Existenta unei adevarate implicari a principalilor participanti internationali din cadrul electroenergeticii care s-au angajat in cercetarea tematicilor legate de functionarea microretelelor. [Doc.Propleme de calitate a energiei]

1.2 Surse de generare distribuită

Generarea distribuită constă în furnizarea de energie electrică de la surse de putere redusă (<50MW). Pentru a caracteriza termenul de generare distribuită, în limba enegleză sunt utilizați următorii termeni: embedded generation, decentralized generation, dispersed generation, on-site generation, decentralized energy sau distributed energy.

Unitatile de generare relativ noi sunt de obicei conectate in retelele de distributie, care nu au fost proiectate sa includa generatoare de energie.Pentru un nivel al penetrării generării distribuite de10-15 % este ușor de inglobat în rețeaua de distribuție maximul de putere fără sa fie nevoie de schimbări remarcabile.

Definiția generării distribuite este interpretată diferit de la o țară la alta, unele folosesc definiția bazată pe nivelul de tensiune iar altele consideră ca fiind generare distribuită acea parte conectată la circuitele de la care utilizatorii sunt alimentați în mod direct. Alte definitii fac referire la tipul de surse primare, de ex. regenerabile sau cogenerare (CHP), sau pe generarea fara dispecerizare, sau pe maximum de energie. Definitia CIGRE WG 37-23 pentru generare distribuita este:

– fara planificare centrala;

– fara dispecerizare centralizata;

– de obicei conectat cu sistemul national;

– puteri mai mici de 50-100 MW.

Astfel ansamblul format din aceste sisteme si celulele fotovoltaice (PV), sisteme de stocare a electricității și căldurii, micile turbine eoliene și surse regenerabile va avea un rol deosebit de important în evoluția sistemelor energetice

Toate aceste tehnologii poartă numele de resurse distrbuite de energie (DERs).Un avantaj important al acestora este acela că pot reduce într-un mod substanțial emisiile de carbon și realizează serviciile de sistem deoarece creșterea calității energiei și siguranța în alimentare sunt asigurate de prezența generării în aproprierea consumatorilor. Utilizarea DERs poate să reducă teoretic nevoia de dezvoltare a sistemelor tradiționale, astfel controlul unui numar mare de DERs creaza microretelele ce prezintă o adevarată provocare pentru operarea și controlul rețelei în mod satisfacător și eficient. [Doc.Propleme de calitate a energiei]

Producția distribuită de energie electrică constă în generarea locală, în apropierea zonelor de consum, a unor cantități relativ reduse de energie electrică în raport cu unitățile clasice de producție (de tip termic, hidraulic și nuclear). Principalele diferențe ale producției distribuite față de marile centrale electrice constau în localizare și în mărime. Sursele de producție distribuită sunt racordate, în general, la rețelele electrice de joasă, medie sau înaltă tensiune(Fig.1).

Figura 1.2.1

Generarea distribuită nu constituie numai o rezervă pentru alimentarea cu energie electrică din marile rețele de transport și repartiție, putând fi privită și ca o alternativă pentru aceasta.

1.3 Receptoare inteligente de energie

1.3.1 Iluminat

Iluminatul artificial este unul din componentele de bază ale realizării unor condiții normale de viață (muncă, relaxare, divertisment, studiu etc.), având în vede faptul că iluminatul natural nu este suficient pentru a asigura nivelul necesar de iluminare.

Alegerea nivelului de iluminare și calitatea acesteia sunt elemente care au o puternică influență asupra eficienței întregii activități umane, cu efecte benefice asupra nivelului de sănătate. Un iluminat de calitate are un efect important asupra psihicului, oamenii au o eficiență în muncă mai ridicată și un grad mai coborât de oboseală. Criteriul principal de evaluare a unui sistem de iluminat modern și eficient este realizarea unui mediu luminos confortabil, cu un consum minim de energie electrică, cu utilizarea cât mai intensă a iluminatului natural și cu o investiție minimă [[1.1] Bianchi C. ș.a. Sisteme de iluminat interior și exterior, Matrix Rom, București, 1998.].

Principalii parametri de evaluare a calității sistemelor de iluminat electric sunt:

nivelul de iluminare;

neuniformitatea iluminării;

nivelul luminanței;

neuniformitatea luminanțelor

culoarea luminii;

direcționarea luminii;

nivelul efectului stroboscopic;

nivelul zgomotului acustic al instalației de iluminat;

perturbații asupra rețelei electrice de alimentare.

Consumul de energie electrică în scopul iluminării arficiale nu are o pondere semnificativă în cadrul marilor întreprinderi industriale, însă trebuie specificat faptul că un iluminat adecvat tipului de proces influențează calitatea produsului realizat, productivitatea muncii dar și nivelul de sănătate al personalului întreprinderii.Trebuie luat în considerare și aspectul estetic al instalației proiectate care deși nu duce la determinarea soluției optime din punct de vedere al consumului de energie electrică duce la realizarea unui ambient de muncă vizibil îmbunătațit. . În analiza sistemelor de iluminat artificial este necesar a avea în vedere faptul că iluminatul natural este ideal din punctul de vedere al activității umane, calitatea iluminatului artificial fiind evaluată în funcție de gradul de apropiere de cel natural.

Mediul luminos interior este determinat de ansamblul factorilor luminotehnici, cantitativi și calitativi care concură la realizarea confortului vizual, a funcționalității și esteticii în spațiul în care se desfășoară activități umane. Iluminatul artificial are rolul de a asigura aceste funcțiuni pe durata în care iluminatul natural nu asigură parametrii de calitate ai iluminatului în zonă [9.2] *** Normativ pentru proiectarea și executarea sistemelor de iluminat artificial din clădiri, NP06102.

Spectrul de lumină corespunde unei părți a spectrului radiației electromagnetice, având lungimi de undă cuprinsă între 380 și 760 nm (fig. 9.1). Spectrul radiațiilor vizibile reprezintă un segment foarte redus din întregul spectru, care mai cuprinde radiațiile , radiații Röntgen, radiații infraroșii, radiații ultraviolete ș.a. Radiațiile din spectrul 380 760 nm determină o senzație fiziologică specifică asupra ochiului uman, numită lumină. Ochiul uman percepe în mod diferit componentele spectrului vizibil, pentru fiecare dintre acestea asociindu-se senzația de culoare (tabelul 9.1). Radiația electromagnetică vizibilă care are o unică lungime de undă este monocromatică.

Lungimea de undă a unei radiații electromagnetice monocromatice poate fi determinată din relația

în care c este viteza luminii (c 3108 m/s în vid; 2,25108 m/s în apă și 2108 în sticlă), iar f frecvența radiație

Tabelul 1.3.1 Sensibilitatea spectrală a ochiului uman

1.3.2. Aparate electrocasnice

1.3.3 Acționări ale mașinilor electrice(PLC-uri)

O caracteristica generală a instalațiilor moderne de comandă, protecție și automatizare, utilizate în domeniul electroenergetic constă în introducerea pe scară largă a sistemelor informatice funcționând în timp real (on-line). Astfel de sisteme, denumite în continuare, în sens larg, sisteme numerice, înlocuiesc practic total instalațiile clasice de circuite secundare prin care se asigură comanda, blocajul, măsurarea, protecția și automatizarea aferente circuitelor primare individuale, stațiilor de conexiuni și, la limită, a întregului sistem electroenergetic.

Principalii factori care au condus la implementarea tehnico-economică avantajoasă a soluțiilor bazate pe sisteme numerice sunt următorii:

reducerea spectaculoasă a raportului cost/performanță al sistemelor numerice bazate pe tehnologia microelectronică;

fiabilitatea intrinsecă ridicată a sistemelor numerice actuale;

punerea la punct a unor soluții de comunicație la distanță între sistemele numerice, caracterizate printr-o foarte bună imunitate la perturbații.

Primele realizǎri în domeniu au practicat o soluție de tip control complet centralizat, în care un singur echipament asigura toate funcțiile cerute. Odatǎ cu apariția sistemelor bazate pe microprocesoare, s-a trecut la soluția descentralizatǎ [Lewis R.,W. Programming Industrial Control Systems Using IEC 1131-3 IEE Control Engineering Series, 1998. , ] Webb, J.W., Reis, R.A., Programmable Logic Controllers, Principles and Applications, Prentice Hall, 1995.], caracterizatǎ prin distribuirea sarcinilor între mai multe echipamente și încadrarea lor într-o structurǎ de tip ierarhic (fig. 1.3.3.1).

Nivelul ierarhic 0 conține toate sistemele conectate la procesul condus. Aceste sisteme, notate generic EN (echipamente numerice), asigură achiziția datelor, prelucrarea lor și generarea comenzilor. Pentru fiecare instalație/circuit primar se prevăd, după caz, unul sau mai multe echipamente numerice aparținând nivelului ierarhic 0. Nivelul ierarhic 1 conține unul sau mai multe calculatoare (PC) standard cu configurații adecvate. Cel puțin unul dintre aceste calculatoare este conectat printr-o rețea locală (LAN-Local Area Network) la sistemele plasate la nivelul ierarhic 0 și poate dispune astfel de datele achiziționate din proces. Programele rulate la acest nivel au multiple funcții (supraveghere, comenzi manuale ale aparatelor de comutație, întocmirea jurnalului de exploatare, managementul energiei etc.) și asigură o interfață om-mașină (MMI-Man Machine Interface) prietenoasă, facilitată de sisteme de operare de tip Windows. Pentru comunicația la distanță, cu un eventual nivel ierarhic superior, este prevăzut un PC conectat într-o rețea WAN (Wide Area Network), care acoperă o zonă geografică întinsă. O astfel de organizare, care se dovedește avantajoasă tehnic și economic, constituie suportul pentru asigurarea funcțiilor SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) și reprezintă soluția folosită, în prezent, pentru conducerea unui sistem electroenergetic modern. Automatul programabil (AP) poate fi definit ca un echipament numeric inteligent, dedicat satisfacerii funcțiilor standard ale automatizării instalațiilor tehnologice, respectiv, achiziția de date din proces și transmiterea de comenzi către proces. Atributul de inteligent este datorat construcției automatului programabil în jurul unui microprocesor. De reținut faptul cǎ un automat programabil este capabil să comunice cu un alt echipament numeric, folosind tehnolgia specifică domeniului. În prezent, există un număr mare de automate programabile, fabricate în producție de serie de multe firme. În consecință, asigurarea funcțiilor dorite nu comportă proiectarea unui automat programabil particular pentru un proces dat, ci alegerea unui produs adecvat din oferta pieței. Acest mod general de abordare are evident avantajul scăderii costului implicat de realizarea unei aplicații concrete și constituie rațiunea utilizării pe scară largă a automatelor programabile. O caracteristică importantă a automatelor programabile constă în fiabilitatea lor foarte mare, în condițiile reducerii la minimum a operațiilor de întreținere. Un automat programabil este, de regulă, destinat să funcționeze fără supraveghere, în condiții de mediu diverse, care, uneori, pot fi dificile. Lipsa pieselor în mișcare, gradul de protecție ridicat și siguranța în funcționare a componentelor electronice sunt factori care asigură fiabilitatea remarcabilă a acestor echipamente. Un sistem de automatizare bazat pe automat programabil comportă existența unor dispozitive externe care asigură legătura cu procesul condus. În principiu, aceste dispozitive sunt traductoare (senzori), prin care se obțin informațiile legate de parametrii procesului și elemente de execuție, prin care se transmit comenzi către proces. Existența acestor dispozitive este impusă de mai mulți factori legați de tipul și nivelul semnalelor electrice cu care operează automatul programabil și cele caracteristice procesului.

O consecință importantă a utilizării unui automat programabil, în locul unei variante bazate pe tehnologia clasică, este reducerea considerabilă a numărului de componente și a fluxului de cabluri. Cablajul se reduce doar la necesitățile de conectare cu dispozitivele externe. Sunt total eliminate conexiunile între dispozitivele externe, ceea ce simplifică punerea în operă a aplicației și reduce considerabil costul cablurilor folosite. Această caracteristică este pregnantă, în mod special, în cazul automatizării proceselor de pornire și oprire secvențială a unei instalații și care presupune în tehnologia clasică utilizarea unui număr mare de relee de diverse tipuri. Se spune că un automat programabil înlocuiește logica implementată prin cablare cu o logică programată. Totodată, logica programată prezintă avantajul posibilității unei modificări facile, fără a fi necesare intervenții în cablajul aferent dispozitivelor externe. Furnizorii de automate programabile au adoptat o concepție de realizare modularǎ, cu posibilitatea combinǎrii prin interconectare directă a diverselor module prefabricate. Aceasta permite proiectantului de sistem sǎ aleagǎ ușor produsele adecvate unei aplicații date. De asemenea, prin această concepție se faciliteazǎ dezvoltarea în etape a unei aplicații.

1.3.4. Autovehicule electrice