Monitorizarea Unui Parc Eolian

CUPRINS

Notiuni introductive

Scurt istoric

Energia eolina in Romania

Instalații eoliene. Principii de functionare. Clasificare

Legislatie in vigoare

Probleme de calitate a energiei electrice – efectul de flicker

Modalitati de masurare a energiei electrice – contoare inteligente

1. Notiuni introductive

Vantul, o resursa inepuizabila de energie folosita de om in diferite moduri si scopuri, inca de acum cateva mii de ani. Acesta se formeaza deorece Soarele nu incalzeste Pamantul uniform, fapt care creeaza miscari de aer. Aceste miscari genereaza energie cinetica, energie ce poate fi folosita utilizand diverse structuri pentru a converti in energie mecanica sau electrica. Energia eoliana este in termeni simpli energia vantului, una dintre formele de energie regenerabila de care avem din ce in ce mai multa nevoie in prezent pentru a reduce pe termen lung costurile de producere a energiei.

Energia consumată de masinile din perioada istoriei moderne era obtinută prin transformarea energiei chimice conținută in produsele fosile din scoarța terestra, in energie mecanică si mai apoi in energie electrică. Procesul de transformare consta in arderea combustibililor fosili in motoare cu ardere externă, proces foarte apreciat in epoca victoriană, sau cele cu ardere internă, motoare inca valorificate energetic si in zilele noastre. Nevoile oamenilor cresc pe măsură ce tehnologia avansează, acestea fiind strâns legate de producția de energie, iar rezervele de combustibili fosili, pe de altă parte se diminuează.

Energia eoliana a fost exploatata pe uscat de cand prima moara de vant a fost construita in vechea Persie in secolul VII. De atunci morile de vant sunt folosite pentru macinarea graului, pomparea apei, taierea lemnului sau pentru furnizarea altor forme de energie mecanica. Insa exploatarea pe scara larga a aparut abea in secolul XX, odata cu aparitia “morilor de vant” moderne – turbinele de vant ce pot genera o energie de 250 pana la 300 de kilovati.

Moara de vânt din Sarichioi, actualmente la Muzeul Național al Satului „Dimitrie Gusti”

Utilizarea sistemelor eoliene cunoaște o dezvoltare deosebită începând cu Protocolul de la Kyoto referitor la reducerea poluării. În anul 1997, 161 de țări au semnat un acord prin care se impunea ca până în anul 2012 să se reducă gazele cu efect de seră cu 5,2% față de nivelul din 1990. Printre măsurile adoptate pentru îndeplinirea acestui obiectiv se numără și dezvoltarea utilizării sistemelor de energie regenerabilă – în general – și a sistemelor eoliene în special.

În anul 2007 a fost semnat de către țările membre ale Uniunii Europene un document cadru care își propune atingerea obiectivului de 20% aport a energiei regenerabile în cadrul energiei totale utilizate de către fiecare stat membru UE, până în anul 2020. Prin obiectivul impus se deschid noi orizonturi în vederea utilizării pe scară largă a sistemelor eoliene, ca și componente esențiale în utilizarea sistemelor de energii regenerabile.

1.2 Energia eolina in Romania

In sectorul eolian din Romania au investit CEZ (Cehia), ENEL (Italia), Energias de Portugal (Portugalia) si Iberdrola Renovables (Spania). În anul 2005 erau racordate la SEN două grupuri eoliene și anume un grup eolian de 0,66 MW, instalat în anul 2004 în Parcul Industrial Ploiești și un grup eolian de 0,25 MW (CEE Piatra Fântânele, instalat în Pasul Tihuța, lângă stațiunea Piatra Fântânele din județul Bistrița Năsăud). În anul 2007, grupul eolian de 0,66MW din Parcul Industrial Ploiești a fost mutat în județul Tulcea, lângă localitatea Topologu, constituind CEE Topologu 1. În anul 2006 a fost racordată la SEN centrala eoliană CEE Baia 2, situată în vecinătatea localității Baia din județul Tulcea. CEE Baia 2 era constituită din trei grupuri eoliene de 0,55 MW fiecare, centrala având o putere totală de 1,65 MW.

CEE Baia 2, Judetul Tulcea

În anul 2007 au fost racordate la SEN șase centrale eoliene cu o putere instalată totală de 3,9 MW. În anul 2008 a fost racordat la SEN un grup eolian cu o putere de 0,25 MW. O creștere importantă a capacității instalate în centrale eoliene din România s-a produs începând cu anul 2010, an în care au fost conectate la SEN 11 centrale eoliene cu o putere instalată totală de peste 350 MW, printre care și Parcul Eolian Fântânele cu o putere total instalată în anul 2013 de 347,5 MW. În anul 2011 au fost conectate la SEN mai multe centrale eoliene mari din Dobrogea, și anume: CEE Peștera-90 MW, CEE Cernavodă 1-69 MW, CEE Cernavodă 2-69 MW, CEE Corugea-70 MW, CEE Sălbatica 1-70 MW, CEE Eolica Dorobanțu-45 MW. În anul 2012 au fost conectate la SEN următoarele centrale eoliene mari din Dobrogea: CEE Sălbatica 2-70 MW, CEE Mihai Viteazu IV-80 MW, CEE Alpha Wind Nord 1-48,3 MW, CEE CAS Sud 2-50,6 MW, CEE Coni 1 Galați-70 MW, CEE Cogealac-252,5 MW, CEE Topolog 2-Tulcea-27 MW. În anul 2013 au fost puse în funcțiune urmatoarele centrale electrice eoliene mari: CEE Târgușor Jud.Constanța-119,6 MW, CEE Peștera jud.Constanța-90 MW și CEE Pantelimon 4 jud.Constanța-123 MW. Puterea maximă produsă de centralele eolienedin România a fost de 2.294 MW, aceasta fiind înregistrată în data de 10 martie 2014, la ora 08:05. La momentul respectiv, energia eoliană era, principala sursă de energie primară utilizată pentru producerea de energia electrică în România.

1.3 Instalații eoliene. Principii de functionare

Turbinele eoliene curente funcționează pe același principiu ca și morile de vânt din Antichitate. Astfel, palele unei elice adună energia cinetică a vântului pe care o transformă în electricitate prin intermediul unui generator. Cel mai mare dezavantaj al energiei eoliene este faptul că nu se obține electricitate când vântul nu bate deloc sau bate prea slab, motiv pentru care trebuie asigurată o sursă alternativă de electricitate. Singurele dezavantaje ale folosirii energiei eoliene sunt impactul asupra păsărilor, impactul vizual asupra mediului și costurile.

Structura generatorului tip Turbowinds:

1-bucșa 2-pală;3-sistem pitch; 4-lagărul palei;5-lagăr principal;6-arbore principal;

7-multlipicator;8-cuplaj; 9-arbore; 10-senzor direcția vântului; 11-traductor turație;

12-generator electric;13,14,15-sistem de rotire și orientare după vânt;16-turn;17-sistem

hidraulic de putere;18-corp nacela; 19-mecanism orientare mecanica a rotorului.

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează în interiorul acesteia și anume: arborele principal, multiplicatorul de turație, dispozitivul de frânare, arborele de turație ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric și sistemul de pivotare.

Nacela unei turbine eoliene din Parcul Eolian Baia, Judetul Tulcea

Palele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene și împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleași tehnologii utilizate și în industria aeronautică, din materiale compozite, care să asigure simultan rezistență mecanică, flexibilitate, elasticitate și greutate redusă. Uneori se utilizează la construcția paletelor și materiale metalice sau chiar lemnul. De exemplu, pentru turbinele cu trei pale se folosesc următoarele dimensiuni:

– o putere 10 kW necesită un diametru de 7 m pentru suprafața descrisă de pale;

– o putere 0,2 MW necesită un diametru de 27 m pentru suprafața descrisă de pale;

– o putere 2 MW necesită un diametru de 72 m pentru suprafața descrisă de pale.

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arborele principal al turbinei eoliene.

Pilonul are rolul de a susține turbina eoliană și de a permite accesul în vederea exlploatării și executării operațiilor de întreținere, respectiv reparații. În interiorul pilonilor sunt montate atât rețeaua de distribuție a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât și scările de acces spre nacelă.

Pilonul unei turbine eoliene din Parcul Eolian Baia, Judetul Tulcea

Generatorul, fiind elementul central al instalației, efectuează procesul de conversie a energiei eoliene în energie mecanică, având la bază forțele de interacțiune între elementele active ale aeromotorului și curentul de aer care îl atacă cu o anumită viteză. Dintre forțele care apar la această interacțiune se vor evidenția două cele mai importante: forța aerodinamică de ascensiune și forța de presiune frontală. Mecanismul acționat poate fi un mecanism sau o mașină, care realizează un lucru mecanic (pompaj, moară etc.), un convertor de energie mecanică în energie electrică (electrogenerator) sau în energie a aerului comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanică are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele generatorului cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului acționat și va conține după caz un reductor de ridicare a vitezei și cuplaje elastice sau rigide.

Sistemul de răcire. Sunt prevăzute sisteme de răcire, atât pentru multiplicatorul de viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi arbori, cât și pentru generator. Ele sunt constituite din radiatoare de apă sau ulei și ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată prin cuplu mare și viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) și arborele secundar (al generatorului).

Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranță și se montează pe arborele de turație ridicată, între multiplicatorul de turație și generatorul electric. Viteza de rotație a turbinei este men ținută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcție de viteza vântului și nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcționează corect, sau pentru frânarea complet ă a turbinei în cazul în care se efectuează operații de întreținere sau reparații.

Arborele de turație ridicată denumit și arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric. Turația acestui arbore, ca și cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min.

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientarea turbinei după direcția vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare și elementul de transmisie a mișcării. Ambele componente au prevăzute elemente de angrenare cu roți din țate. Acest mecanism este antrenat în mișcare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcției vântului, sesizată de giruetă.

Girueta este montată pe nacelă și are rolul de a se orienta în permanență după direcția vântului. La schimbarea direcției vântului, girueta comandă automat intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcția vintului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară prezența unui sistem suplimentar de pivotare.

Anemometrul este un dispozitiv pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparat este montat pe nacelă și comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 25m/s

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puțin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o rețea de calculatoare, care controlează buna funcționare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor.

Clasificarea turbinelor eoliene:

In funcție de orientarea axului rotorului:

Turbine eoliene cu ax orizontal au axul rotorului așezat pe orizontală, de-a lungul fluxului de aer. În prezent sunt cele mai variate din punct de vedere constructiv și cele mai răspândite, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celor cu ax vertical, fiind mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și având un cost mai scăzut. Acestea pot avea de la 1 până la 18 pale, cele cu una, două și trei pale sunt – turbine rapide și cu pale multiple, (mai mult de 3 pale) sunt – turbine lente.

Clasificarea turbinelor eoliene cu ax orizontal: a–o pală, b–două pale, c–trei pale,

d–cu pale multiple []

Turbine eoliene cu ax vertical sunt caracterizate printr-un ax de rotație poziționat vertical, pilonii acestor eoliene fiind de talie mică. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuși, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă și turbulențelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuie antrenate pentru a porni, pilonul fiind supus unor solicitări mecanice importante. Acest tip de turbine, deși prezintă ca principal avantaj independența poziției rotorului față de direcția vântului, sunt mai puțin utilizate, având viteza de operare foarte

mică, plasată în jurul valorii de 2.7 m/s. Există două tipuri principale de turbine eoliene cu ax vertical, în funcție de principiul de funcționare: turbine Savonius și turbine Darrieus. Restul soluțiilor sunt sau combinații ale acestor două tipuri principale.

Clasificarea turbinelor eoliene cu ax vertical: a–Darrieus, b–Savonius, c–Evence,

d-Musgrove []

După puterea electrică furnizată, astfel:

Turbine de putere mică (sub 100kW) au fost și sunt folosite pentru necesitățile energetice proprii ale consumatorilor. Datorită costului redus și al modului de întreținere ușor, comercializarea lor se extinde din ce în ce mai mult, fiind utilizate pentru alimentarea cu energie electrică a utilizatorilor izolați, care nu sunt conectați la rețeaua de energie electrică sau pentru funcționalități diverse în mediul construit.

Turbine de putere medie și mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în rețea.

1.4 LEGISLAȚIA IN VIGOARE PRIVIND CENTRALELE EOLIENE (extras)

In martie 2007 Comisia europeana a lansat Noua Politica Energetica a Uniunii Europene pe termen mediu, 2020, care este marcata de trei obiective importante, respectiv: cresterea securitatii alimentarii cu energie, cresterea competitivitatii in domeniul energiei precum si reducerea impactului asupra mediului. Ca parte din aceasta politica, sefii de stat si de Guvern au convenit asupra unor tinte obligatorii pentru cresterea cotei energiei regenerabile.

Dispozitii europene in vigoare:

– Directiva 2001/77/CE a Parlamentului European si a Consiliului privind promo-varea electricitatii produse din surse de energie regenerabile.

– Directiva 2003/30/CE a Parlamentului European si a Consiliului de promovare a utilizarii biocombustibililor si a altor combustibili regenerabili pentru transport.

-Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European si a Consiliului din 23 aprilie 2009

privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, de modificare și ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE și 2003/30/CE

– in 30 ianuarie 2008 Comisia Europeana a inaintat spre dezbatere propunerea Directiva privind promovarea utilizarii energiei din surse regenerabile, o Directiva cuprinzatoare, care legifereaza toate cele trei sectoare ale energiei regenerabile.

La nivel national, domeniul este reglementat in linii generale, de Legea energiei nr.13/2007 si de o serie de hotarari ale Guvernului: H.G. nr. 443/2003 privind promovarea productiei de energie electrica din surse regenerabile. H.G. nr.1982/2004 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei electrice din surse regenerabile de energie si H.G. nr.1535/2003 privind aprobarea strategiei de valorificare a surselor regenerabile de energie. Directiva 2003/30/CE a fost transpusa prin H.G. nr.1844/2005 privind promovarea utilizarii biocarburantilor si a altor carburanti regenerabili pentru transport, amendata de H.G. nr.456/2007. LEGEA nr. 220 din 27 octombrie 2008 stabileste cadrul legislativ pentru promovarea producerii energiei din surse regenerabile de energie:

– Termeni, modalitati si actiuni, responsabilitati, durate de aplicare etc;

– Nivelul tintelor nationale privind ponderea energiei electrice din surse regenerabile de energie in consumul final de energie electrica in perspectiva anilor 2010, 2015 si 2020: respectiv 33%, 35% si 38%;

– Cotele obligatorii anuale de certificate verzi pentru perioada 2008- 2020, modul de atribuire si tranzactionare;

– Accesul la reteaua electrica si comercializarea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie;

– Monitorizare si raportare, facilitati acordate.

2. Probleme de calitate a energiei electrice – efectul de flicker

Calitatea energiei electrice

Problemele de calitate a energiei electrice, importante pentru funcționarea sistemelor energetice în ansamblu, au căpătat în ultimii ani o actualitate și o importanță deosebită mai ales datorită apariției unor consumatori din ce în ce mai sensibili la perturbații. In procesele in care se utilizeaza energia electrica, este necesara mentinerea unui nivel ridicat de calitate al energiei electrice, pentru a obtine o eficienta ridicata in exploatarea echipamentelor si utilajelor consumatoare.

Instalațiile electrice precum și sistemele de transport și distribuție sunt dimensionate pentru tensiuni și curenți electrici având forma sinusoidală a curbelor de variație, valori practic constante ale tensiunii și încărcare simetrică a fazelor sistemului trifazat. În funcționarea normală a sistemului electroenergetic, pe durata avariilor sau postavariilor pot apărea perturbații electromagnetice care să afecteze forma curbelor de tensiune și de curent electric, pot determina variații ale tensiunii rețelei, întreruperi de scurtă sau lungă durată și pot să conducă la încărcări inegale ale fazelor. Funcționarea sistemului electroenergetic în prezența perturbațiilor electromagnetice poate determina importante daune, atât utilizatorilor de energie electrică, cât și operatorilor de transport și ditribuție.

Calitatea energiei electrice este evaluată printr-un set de indicatori specifici care se referă la fenomene perturbatoare cu o frecvență de cel mult 9 kHz.

Abaterile admise de la indicatorii de calitate sunt stabilite în funcție de daunele determinate în sistemele de producere, transport, distribuție, furnizare și consum al energiei electrice. Perturbațiile care afectează calitatea energiei electrice pot să apară în toate componentele sistemului energetic, în procesul de furnizare, dar și în cadrul proceselor utilizatorului final.

Limitarea perturbațiilor la un nivel acceptabil, asigurând, astfel, un nivel normat al calității energiei electrice este una dintre preocupările importante ale specialiștilor din sectorul energetic.

Din punct de vedere practic, problemele de calitate a energiei electrice pot fi împărțite în trei categorii:

calitatea tensiunii de alimentare;

calitatea serviciului de alimentare;

calitatea comercială.

La evaluarea valorilor admise ale indicatorilor de calitate sunt luate în considerație daune medii care pot să rezulte în instalațiile utilizatorilor de energie electrică. Operatorii de transport și distribuție garantează calitatea energiei electrice furnizată în limita acestor indicatori. Utilizatorii care doresc o calitate a energiei electrice superioară celei standard trebuie să adopte, cu costurile corespunzătoare, măsurile necesare creșterii nivelului de calitate.

În multe cazuri, în special în cazul tehnologiilor moderne, utilizatorii finali sunt cei care determină importante perturbații electromagnetice, care pot să afecteze calitatea energiei electrice furnizată celorlalți consumatori. În acest caz, utilizatorii finali trebuie să adopte măsurile necesare pentru limitarea perturbațiilor la un nivel la care nu este afectată calitatea standard a energiei electrice la ceilalți consumatori.

În general, nivelul de calitate al energiei electrice este evaluat pe baza informațiilor privind tensiunea la barele de alimentare. Furnizorii de energie electrică monitorizează perturbațiile determinate de utilizatori finali pe baza curbelor curentului electric absorbit din rețeaua electrică de alimentare.

Nivelul de calitate al energiei este evaluat printr-un set de indicatori specifici pentru:

Abaterile de frecventa.

Variatii ale valorilor efective ale tensiunilor: fluctuatii de tensiune (efect de flicker), goluri de tensiune, supratensiuni, etc.

Abateri de la forma sinusoidala, ideala si abateri ale valorilor instantanee  ale tensiunilor si curentilor: regim deformant, armonici, interarmonici, impulsuri  de tensiune.

Abateri de la simetria pe faza a unui sistem de tensiuni sau curenti.     

Efectul de flicker

Tensiunea din rețeaua electrică variază în timp datorită perturbațiilor care apar în procesul de generare, transport și distribuție. Interacțiunea dintre sarcinile electrice și rețea determină deteriorarea ulterioarăa calității energiei electrice. Sarcinile mari care absorb un curent electric fluctuant, ca de exemplu motoarele electrice mari determină variații ciclice, cu frecvență redusă a tensiunii care conduc la un flicker al surselor de lumină, care poate conduce la un semnificativ disconfort fiziologic, stres fizic și psihologic și chiar efecte patologice asupra oamenilor. Modificări periodice reduse ale tensiunii determină fluctuații ale surselor de lumină. Acest efect este numit în mod obișnuit „flicker” și este un indicator semnificativ al calitătii energiei electrice. Nivelul de flicker, sesizat de ochiul uman ca variații ale fluxului luminos emis de sursele de lumină, este determinat cu ajutorul flickermetrului, care ia în considerație senzația de iritabilitate a ochiului uman la depășirea unui anumit nivel al variației tensiunii de alimentare.

În analiza efectului de flicker sunt folosiți doi indicatori:

Pst  indicator de scurtă durată (short time), în mod uzual pe un interval de monitorizare de 10 minute; convențional Pst = 1 corespunde curbei de iritabilitate a ochiului uman la variații dreptunghiulare de tensiune, cu o anumită periodicitate r (1min);

Plt  indicator de lungă durată (long time), în mod uzual pe un interval de monitorizare de două ore.

Studiile de inconfort fiziologic au arătat faptul că starea de iritabilitate intervine atunci când variațiile de tensiune au o anumită valoare și o anumită repetabilitate, indicate de curba de iritabilitate, construită pentru variații dreptunghiulare ale tensiunii de alimentare. Această curbă de iritabilitate reprezintă elementul de bază în evaluarea nivelului de flicker.

Forma de variație a tensiunii de alimentare și durata acesteia au o influență 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. Determinarea nivelului de flicker se face pe baza valorilor efective ale tensiunii măsurate la fiecare 10 ms.

In cazul sistemelor de energie eoliana puterea la iesire fluctueaza semnificativ cu modificarea intensitatii vantului. Se poate remarca faptul ca efectul de flicker in punctul de racordare al unei turbine eoliene este dependent de raportul dintre puterea nominala a turbinei eoliene si puterea de scurtcircuit in punctul respectiv. Probabilitatea de aparitie a fenomenului de flicker este mai mare in cazul parcurilor de turbine eoliene, conectate la reteaua de distributie. In acest caz sunt necesare solutii de atenuare a fenomenului de flicker sau de eliminare a perturbatiilor reciproce.

Variatiile rapide ale tensiuni devin o problema chiar si la nivele mai scazute de 0,3 %, daca reteaua electrica la care se racordeaza instalatiile (turbinele eoliene) este 'slaba', cum este cazul retelelor electrice amplasate in zone foarte indepartate de nodul sursa de energie (statie de transformare). Acest aspect poate constitui un factor limitativ pentru puterea care ar putea fi instalata in turbinele eoliene, turbine care se instaleaza, de regula, in zone izolate, unde energia eoliana prezinta un potential ridicat; aceste zone sunt situate, in cele mai multe cazuri, departe de statiile electrice de transformare.

Conectarea generatoarelor de productie distibuita la retelele electrice de distributie conduce si la modificarea curentilor de scurtcircuit si a repartitiei acestora. In unele cazuri, aceasta modificare poate afecta selectivitatea protectieilor retelei electrice.

Asa cum este cunoscut, o valoare ridicata a curentului de scurtcircuit (puterii de curtcircuit) produce:

– incalziri puternice ale conductoarelor in regim de scurtcircuit;

– eforturi electrodinamice ridicate in conductoarele parcurse de curentii de scurtcircuit.

In acelasi timp, valoarea mare a curentilor de scurtcircuit este rezultatul functionarii retelelor buclate ale sistemului de distributie si de aici avantajele in asigurarea continuitatii in alimentarea consumatorilor si asigurarea conditiilor de continuitate in generare energiei electrice de catre sursele de energie regenerabila. De cele mai multe ori, valoarea ridicata a curentului de scurtcircuit (puterii de scurtcircuit) conduce la scaderea impactului asupra calitatii energiei electrice.

3. Modalitati de masurare a energiei electrice – contoare inteligente

Cunoașterea științifică progresează prin descoperirea legilor care guvernează fenomenele naturale. Aceste legi trebuie să reprezinte în mod cantitativ caracteristicile fenomenului, desfășurarea sa în timp sau modul în care interacționează cu alte fenomene.

Referindu-ne la procesul de cunoaștere a unui fenomen, putem spune că atât experimentul cât și măsurarea ocupă un loc important.

Crearea unor mijloace tehnice din ce în ce mai perfecționate pentru scopurile practice, a utilizat din plin cuceririle științei și, pe de altă parte, a contribuit la dezvoltarea acesteia. Dezvoltarea tehnicilor de măsurare și a aparaturii aferente a fost condiționată și impulsionată de interdependența care există între știință și tehnică.

Măsurările electrice sunt indispensabile în toate ramurile industriale, constituind o verigă importantă în procesele de producție, în controlul calității materiilor prime, a produselor intermediare și finale, în dezvoltarea cercetării în toate domeniile.

După 1 iulie 2007, concurența se duce pe partea de furnizare a facturii, transmiterea (transport, distributie) rămânând reglementată.

Meseria de furnizor constă în optimizarea părții de “furnizare” pentru a propune cele mai bune oferte și cel mai bun preț al energiei clientului, după nevoile sale. Consumatorii influiențează oferta prin alegerea lor, solicitând inovații, diversitate și ameliorarea serviciilor oferite atât în calitate cât și la preț.

Un rol important pentru diferențierea comercială a ofertelor furnizorilor, îl joacă sistemele de contorizare evoluate. Ținând cont de costul și complexitatea acestora, justificarea migrației parcului actual de contoare se poate face dacă acestea ating următoarele obiective:

-ameliorarea condițiilor de funcționare a pieței de energie, în particular în interesul consumatorului;

-minimizarea costurilor gestionarilor rețelelor, la un nivel egal sau superior calității serviciului adus pentru rețea.

Volumul de informații care trebuie tratat de gestionarii rețelelor și de furnizori pe piața extinsă în masă, impun recurgerea la generalizarea contoarelor electronice telecitite, care permit o circulație eficace și fiabilă a datelor.

Obiectivul tarifelor de utilizare a rețelelor este de a repercuta către toți utilizatorii cheltuielile rezultate din măsurile luate de gestionarul rețelei pentru satisfacerea nevoilor utilizatorilor. Este inechitabil să faci să plătească utilizatorii care nu au nici un avantaj, atunci când sistemele de contorizare moderne sunt instalate doar la anumite categorii de consumatori.

În aceeași ordine de idei, putem spune că și consumurile de energie electrică sunt real înregistrate dacă aparatele utilizate în acest scop nu introduc erori de măsurare, lucru care este posibil dacă, periodic, acestea sunt verificate și reglate.

Sitemele de măsură a energiei electrice (contorul) constituie interfața tehnică dintre afacere (furnizare, producție) și rețea (transport, distribuție) asigurând loialitatea și transparența relațiilor comerciale.

Texte comunitare, invita Statele membre să adopte mijloace mai flexibile care să permită evoluția spre o gestiune a cererii în timp real (Directiva 2005/89/CE din 18 ianuarie 2006, privind măsurile pentru garantarea securității în aprovizionarea cu electricitate și investițiile în infrastructură), să furnizeze utilizatorilor informații asupra momentului când, energia a fost consumată și facturi mai frecvente, fondate pe consumul real (Directiva 2006/32/CE din 5 aprilie 2006, cu privire la eficiența energetică).

Obiectivul principal al generalizării contorizării evoluate converge către această ameliorare, în interesul consumatorului.

Virtuțile noului sistem se traduc în particular la:

-informarea clienților asupra consumului lor (adecvarea cu oferta);

-frecvența și calitatea facturării (date reale);

-acces la datele de contorizare fără deranjarea clientului;

-apariția de noi oferte de furnizare și servicii;

-fluiditatea, rapiditatea și fiabilitatea proceselor de pe piață (index real la schimbarea furnizorului, rezilierea si punerea sub tensiune de la distanta, teleoperatii asupra contorului);

-reconstituirea mai rapidă a fluxurilor de energie și renunțarea la profilele de consum;

-îmbunătățirea prognozei de consum;

-evaluarea pierderilor prin calcul;

Concurența îndeamnă la inovație, la dezvoltarea ofertelor diferențiate și la formule de servicii care să permită să se consume mai inteligent. Calitatea informației clientului asupra consumului său, este un factor esențial pentru gestionarea consumului, optimizarea parametrilor furnizării și calitatea relațiilor cu diferiți actori ai pieței de energie. Gestionarii rețelelor trebuie să facă pe consumatori să beneficieze de facilitățile oferite de sistemele de contorizare evoluată și să permită generalizarea emiterii facturilor lunare pe date reale. Curba de sarcină constituie elementul cel mai precis de informare, permițând consumatorului să aleagă liber între ofertele care îi sunt propuse, pe baza unei bune cunoașteri a consumului său. În scopul favorizării apariției noilor oferte de furnizare, este necesar ca fiecare furnizor, să poată să-și aleagă propriul său calendar tarifar de furnizare, indiferent de calendarul tarifar istoric. Sistemele de contorizare evoluate sunt capabile să pună la dispoziția furnizorului, oferte cu durate și cantități de energie, limitate pentru consumatori, beneficiind de ajutor social din partea colectivității, precum și pentru promovarea sistemelor cu preplată. Pentru a permite exercitarea unei concurențe echitabile, este necesar ca actorii pieței să nu vadă aplicarea de condiții inegale sau limitative la accesul datelor de contorizare. Sistemul de contorizare evoluată permite efectuarea de la distanță, într-un timp scurt, a modificărilor parametrilor de tarifare. Ameliorarea fiabilității, rapidității și fluidității diferitelor procese ale pieței, se bazează în totalitate sau parțial pe datele și parametrii de contorizare.

Dezvoltarea unui sistem de contorizare evoluat, trebuie să permită, pe de o parte, o măsură mai detaliată a calității serviciului, și pe de altă parte, să contribuie la reducerea costurilor de exploatare.

Creșterea calității furnizării energiei constă în:

Ameliorarea gestiunii întreruperilor prin

înregistrarea perioadelor de întrerupere pentru toți clienții

analiza întreruperilor din rețea pentru detectarea zonelor critice

data și durata abaterilor de tensiune în afara plajei reglementate

supravegherea automată a rețelei permițînd detecția întreruperilor înainte de notificarea clienților

Controlul mai bun al rețelei de distribuție

supravegherea sarcinii transformatoarelor MT/JT

supravegherea dezechilibrelor și determinarea pierderilor

reducerea pierderilor netehnice.

Reducerea costurilor operaționale este pusă pe seama următoarelor elemente:

scăderea costurilor de facturare;

scăderea costurilor de gestiune a clienților;

scăderea fraudelor asupra contoarelor;

scăderea apelurilor privind deranjamentele;

scăderea costurilor de verificare a contoarelor;

scăderea costurilor cu depistarea întreruperilor în rețea;

scăderea costurilor de (re) instalare a contoarelor;

scăderea costurilor legate de deplasarea pe teren pentru reclamații

reducerea costurilor cu întreruperile pentru neplată.

Contorizarea inteligenta (smart), evoluată și eficiența energetică

Gestiunea cererii de energie și reducerea emisiilor de carbon (CO2), sunt preocupările generale ale politicii energetice. Aceasta se dovedește a fi o soluție interesantă, întrucât, permite ameliorarea eficacității energetice, menținând calitatea serviciului. Un KWh neconsumat, este un KWh, care nu costă și care nu poluează.

Gestiunea cererii, este o alternativă credibilă la creșterea cererii, care induce întăriri costisitoare a infrastructurii de producție, transport și distribuție.

Determinarea globală a cererii, și în special a celei de la vârful de sarcină, sunt două componente de acțiune, pentru că reducerea consumului și deplasarea consumului în afara perioadelor de vârf, în care este necesar să se apeleze la mijloace de producție, contribuind substanțial la emisiile de carbon.

Contoarele de electricitate și facturarea periodică pe date reale, recomandate de Directiva 2006/32/CE, sunt vectori naturali de informare a consumatorului și de incitare la un comportament mai econom în energie.

Pierderile netehnice sunt constituite din partea de energie, care este consumată de utilizatorii finali si pe care gestionarul rețelei nu o poate factura. Aceasta își găsește originea în principal în:

furturi;

defectarea contoarelor;

„uitarea” unor pucte de măsură;

lipsa accesului pentru determinarea consumului real;

greșeli de operare a constantelor;

Chiar dacă modernizarea sistemelor de măsură, nu are ca scop principal, reducerea pierderilor netehnice, poate să aducă o contribuție notabilă. Cu ajutorul sistemului se determină, nivelul pierderilor rețelei de distribuție (suma pierderilor tehnice si netehnice). Această funcționalitate permite identificarea zonelor , unde pierderile, depășesc valorile prevăzute prin modelele de simulare a rețelelor șiconduc la o mai bună țintire a zonelor, care necesită, eventuale acțiuni corective.

Sistemele de contorizare evoluate sunt susceptibile, să integreze dispozitive de detectare a fraudelor și de diagnostic, destinate alertării gestionarului tețelei.

Creșterea frecvenței de citire a contorului, permite o detecție mai rapidă a defectării contorului și în consecință, o diminuare a volumului energiei, care trebuie corijat.Analiza efectuată într-o zonă de rețea din județul Galați, ne-a arătat, că reducerea pierderilor netehnice a condus la diminuarea consumului, și implicit la rezolvarea unor probleme legate de nivelul de tensiune. Un consumator care fură, nu mai realizează același consum, atunci când acesta trebuie plătit.

Echiparea tuturor posturilor de transformare (surselor) cu contoare, permite o mai bună localizare a fraudelor și a pierderilor netehnice.

Cunoașterea exactă a curbei de sarcină locale, permite o configurare a rețelei, și deci, diminuarea pierderilor tehnice și a factorilor de subdimensionare a instalațiilor.

Contorizarea permite cunoașterea variației orare a pierderilor pe fiecare nivel de tensiune și zonă de rețea.

Netezirea vârfurilor de consum, prezintă două tipuri de beneficii:

o reducere a nevoii de investiții în noi capacități de producție, transport și distribuție

o scădere a costului mediu de aprovizionare cu energie de către comercianți, costul energiei fiind semnificativ mai ridicat la vârf. Această scădere a costului poate să se repercuteze în factura clientului final, datorită concurenței de pe piață

Măsurarea energiei electrice cu contoare numerice

1. Conectarea contoarelor în circuitul de măsurare

În prezent încep să fie utilizate practic numai contoare numerice pentru măsurarea energiei electrice consumate. În funcție de reglementările fiecărei țări, contoarele numerice sunt setate pentru a înregistra puterea aparentă trifazată sau componentele sale : puterea activă și puterea reactivă.

Contoarele numerice reprezintă în realitate un procesor specializat în care are loc achiziția, procesarea, afișarea și memorarea datelor. În acest fel, unul dintre elementele cele mai importante în funcționarea echipamentului este algoritmul implementat în procesarea datelor de intrare. Având în vedere faptul că în definiția teoretică a puterilor apar neconcordanțe pe plan mondial, în evaluarea veridicității datelor afișate de contoarele electronice este necesar a cunoaște algoritmul de calcul care stă la baza prelucrării datelor de intrare.

Un rol important în evaluarea corectitudinii informațiilor privind energia înregistrată este cunoașterea caracteristicilor grupului de măsurare în care este conectat contorul. În mod obișnuit erorile cele mai importante sunt determinate de erori ale altor componente ale grupurilor de măsurare (transformatoare de măsurare de tensiune și transformatoare de măsurare de curent electric).

Evaluarea erorilor totale de înregistrare poate fi realizată pe baza figurii de mai jos în care

se consideră schema de principiu a măsurării energiei într-un circuit monofazat de tensiune alternativă, în schemă indirectă. Informațiile privind tensiunea U de pe bare și curentul electric Ip absorbit de consumator sunt transmise spre dispozitivul wattmetric (de multiplicare) prin intermediul a două circuite fizice care traversează zone puternic poluate electromagnetic. Mărimea rezultată (în general puterea activă sau reactivă) este integrată în timp.

Informațiile rezultate la ieșirea transformatoarelor de măsurare de tensiune și curent electric sunt caracterizate de erorile TT și respectiv TC. Circuitele fizice de transfer a informațiilor sunt caracterizate de erorile t1 respectiv t2, dispozitului de multiplicare wattmetric i se poate atașa eroarea P , iar echipamentului de integrare eroarea Wa.

Erorile de măsurare ale transformatoarelor de tensiune și de curent electric (în unități relative) pot fi determinate din relațiile:

(1)

în care I și T sunt erorile de raport (în unități relative), de curent (în funcție de sarcina de pe linia analizată) și respectiv de tensiune, ale transformatoarelor de măsurare; I și U – erorile de unghi (în radiani) ale transformatorului de măsurare de curent (în funcție de sarcina de pe linia analizată) și respectiv transformatorului de măsurare de tensiune, iar tan este tangenta unghiului de defazaj între curbele de tensiune și de curent electric.

Relația de mai sus corespunde cazului în care curbele de tensiune și curent electric sunt sinusoidale, in regimuri nesinusoidale apar termeni suplimentari.

Transformatoarele actuale de măsurare de tensiune și curent electric au o pondere importantă în erorile lanțului de măsurare.

Pentru cazul specific al sistemului energetic din România evaluarea erorilor în măsurarea energiei electrice trebuie să aibă în vedere și faptul că funcționarea transformatoarelor de măsurare de curent electric este de multe ori în afara domeniului în care constructorul garantează clasa de exactitate. De asemenea, nu sunt transmite informațiile necesare calculului erorilor de măsurare.

Contoarele numerice actuale sunt conectate în rețeaua electrică conform schemei de mai jos.

Informațiile privind curbele de curent în cele trei faze sunt transmise convertorului analog numeric sub forma unor tensiuni culese la bornele unor rezistoare de măsurare Rm , conectate în secundarele transformatoarelor de curent RCm .

Informațiile privind tensiunile pe fază cunt transmise convertorului analog numeric prin intermediul unor divizoare de tensiune de măsurare DT.

Eșantioanele mărimilor achiziționate sunt transmise circuitului specializat DSP (Digital Signal Processing) care este programat pentru calculul puterilor electrice. Mărimile însumate în timp sunt transmise blocul de afișare și transfer către exterior.

2. Măsurarea energiei active

În aparatele numerice actuale, de regulă puterea activă se determină corect. În mod obișnuit toate echipamentele numerice de contorizare a energiei active au implementat același algoritm pentru calculul puterii active trifazate, ca sumă a puterilor medii instantanee pe fiecare fază:

, i = A, B, C; Ptrifazat = PA + PB + PC

în care N este numărul de eșantioane luate în considerație pe intervalul de timp de calcul (în cazurile practice numărul de eșantioane pe o perioadă a tensiunii alternative nu depășește 64), k numărul curent al eșantonului, Uik , Iik amplitudinea eșantionului de tensiune respectiv de curent electric cu numărul de ordine k și corespunzător fazei i. Desigur că utilizarea relației de mai sus pentru calculul puterilor impune achiziția simultană a mărimilor pe cele trei faze. În acest sens, echipamentele actuale de contorizare cuprind 6 convertoare analog-numerice sincronizate. Utilizarea echipamentelor mai simple și mai ieftine cu un singur convertor analog numeric și multiplexare a mărimilor analogice nu asigură exactitatea necesară de măsurare.

3. Măsurarea puterii reactive și a puterii aparente

În prezent, pe plan internațional, există două moduri principale de definire a puterii reactive :

definiția acad. Budeanu QB ca sumă a puterilor reactive pe armonici

în care Uh și Ih sunt componentele armonice ale tensiunii pe fază și respectiv ale curentului electric pe fază, h defazajul dintre armonicile de tensiune și de curent electric de rang h, M numărul maxim care se ia în considerație în calculul puterii reactive;

definiția IEEE care corespunde puterii complementare

în care S este puterea aparentă și, în regim monofazat, se determină din produsul valorilor efective ale tensiunii și curentului electric

Implementarea celor două definiții în contoarele numerice conduce la valori identice în cazul unor regimuri perfect sinusoidale și simetrice. Având în vedere faptul că aceste regimuri nu se regăsesc în rețeaua electrică, în cazurile reale pot să apară diferențe importante între indicațiile a două contoare programate pe baza celor două tipuri de definiții.

În prezent în normativele din România pentru facturarea energiei electrice este luată în considerare definiția Budeanu a puterii reactive.

4. Contoare numerice de energie electrică utilizate în România

Contoarele numerice de energie electrică utilizate în România utilizează în princpal două tipuri de programe de procesare a datelor. Unele realizează calculul puterii reactive pe baza relației Budeanu, iar altele utilizează definiția IEEE.

În cazul contoarelor care utilizează relația Budeanu de calcul a puterii reactive (figura de mai jos), puterea reactivă se determină ca și în cazul contoarelor cu inducție pentru puterea reactivă prin înmulțirea mărimilor curbei tensiunii pe fază cu mărimile curbei curentului electric pe fază, defazată cu /2 și determinarea valorii medii. În acest sens, circuitul transformata Hilbert asigură deplasarea eșantioanelor de curent cu /2.

Puterea aparentă pe fiecare fază i (i = A, B, C) este determinată din relația:

, fără a lua în considerare puterea deformantă.

Intensitatea curentului electric pe fiecare fază i, în schema din figura de mai sus, se determină din relația:

și, în cazul regimurilor nesinusoidale, valoarea afișată este mai mică în raport cu valoarea efectivă reală.

Frecvența tensiunii de alimentare se determină pe baza stabilirii intervalului de timp între două treceri succesive prin zero ale curbei tensiunii de pe faza A.

Valorile efective ale tensiunii pe fază și curentului electric sunt determinate pe eșantioanelor pe intervalul de timp de calcul

Puterea aparentă pe fază se determină ca produs al valorilor efective ale tensiunii pe fază și a curentului pe fază.

Intensitatea curentului electric are o valoare ce corespunde valorii măsurate dar puterea reactivă afișată este totdeauna mai mare decât cea în concepția Budeanu și deci factorul de putere determinat pe baza acestei valori este totdeauna mai mic decât factorul de putere calculat pe baza definiției Budeanu.

Modul în care se adună puterile aparente pe cele trei faze și deci modul în care se determină factorul de putere trifazat trebuie precizat pe baza normativelor specifice fiecărei țări.

Exemplu de contor utilizat – SL7000 smart static meter

Contoarele pentru aplicatii comerciale si industriale acopera o gama variata de aplicatii – de la contorizarea consumatorilor comerciali mari pâna la contorizari în statii electrice. Satisface toate cerintele actuale de contorizare, de la cele clasice pâna la cele mai noi cereri ale pietii. Contoarele SL7000 includ toate functiile necesare pentru contorizari în punctele de decontare dintre furnizor si consumator – masurarea energiilor, calculul puterilor, masurari multitarif, etc.

Contoarele SL7000 satisfac noile cerinte ale pietii. Aceste contoare permit înregistrarea de multiple curbe de sarcina, comunicare locala sau la distantâ pe mai multe linii, iar functiile lor pot fi extinse la cerere.

Alimentarea cu autoscalare si domeniul deosebit de larg de masurare al contorului SL7000 ofera posibilitatea utilizarii aceluiasi tip de contor într-o mare varietate de instalatii. Functia de sumator si intrarile de impulsuri configurabile pentru diferite tipuri de energii (electrica, fluide, etc.) elimina nevoia unui concentrator de date suplimentar. Linii separate de comunicatie pentru furnizor si consumator asigura o legatura stransa cu furnizorul de energie electrica. Numeroasele intrari si iesiri permit utilizatorului final sa urmareasca consumul si sa achizitioneze informatii pentru gestionarea consumului.

Contor inteligent SL7000 (www.energobit.com)

Facilitati de contorizare:

Conexiune directă: 5 .. 120 A

Conexiune prin TC: 1 .. 10 A

Clasa de precizie: 0.2, 0.5 sau 1.0

Tensiune cu autoscalare: 57.7/100…240/415V

Conexiune cu 3 sau 4 fire: configurabil

Registre tarif de energie: 32

Registre tarif de putere maximă: 24

Alimentare auxiliară: c.a.: 57-415 V

c.c.: 48-240 V

Parametrii:

52 Valori de energie

kWh import

kWh export

kVAh import

kVAh export

kVArh import

kVArh export

kVArh Q1, Q2, Q3, Q4

4 intrări de impulsuri

4 sume

Valori instantanee

Ur Us Ut

Ir Is It

f

Factor de putere

Putere

Defazaje (U-I, U-U)

Succesiunea fazelor

Parametri de calitate a tensiunii

Creșteri de tensiune

Scăderi de tensiune

Întreruperi de tensiune

Cu data și ora, rezoluție 40ms

Date de curbe de sarcina:

Orice tip de energie

Tensiune, Curent & Factor de putere

Valori în kW sau în kWh

Până la 8 canale cu perioadă de 1-60 minute

Evenimente (programarea orei, trecere ora iarnă-vară, sincronizare ceas, întrerupere alimentare)

Lungimea (8 canale, 15 min): 15 săptămâni

Inregistrare evenimente:

Jurnal de evenimente

Deschidere capac

Schimbare direcție curent

Asimetrie de curent

Lipsă sarcină

Comunicație sau calibrare

Înregistrarea calității tensiunii

Întreruperi de tensiune

Creșteri de tensiune

Scăderi de tensiune

Rezoluție de 40 ms

Valori medii

Fiecare eveniment se reține împreună cu data și ora

Amplasamentul Parcului Eolian

Obiectivul proiectului este de a monitoriza si de a racorda la S.E.N Parcul Eolian situat in extravilanul localitații Baia, Judetul Tulcea.

Parcul eolian Baia este format din 14 turbine de fabricație Nordex cu o putere instalata de 2,5 MW cu un diametru rotor de 90 m si înălțimea turnului de 80 m.