Az elosztott villamosenergiatermelés lehetőségei. Magyarországon

Átírás

1 Az elosztott villamosenergiatermelés lehetőségei Magyarországon Dr. Dán András egyetemi tanár BME VET 1

2 Az elosztott villamosenergia termelés jelene (és jövője) Mit nevezünk elosztott vtb-nek? elvárások egységteljesítmények technológiák, szabályozás, rendszerillesztés 2

3 Teljesítmény, csatlakozási feszültség HMKE: S<50kVA; KIF Kiserőmű: 50kVA<S<50MVA; KIF, KÖF, NAF (120kV) Erőmű gépegységei: változó egységteljesítmény 3

4 Elosztott energia termelés primer energia forrásai Megújuló nap szél víz Biomassza földhő Nem megújuló kőolaj, földgáz, szén hidrogén 4

5 Elosztott energiaforrások Mechanikai energia Gázmotor Turbina (gáz, gőz) Villamos energia Közvetlen átalakítás (pl. nap, tüzelőanyag cella) Generátor 5

6 6

7 Általános elvárások A CIGRE villamosenergia-rendszerek minőségével és szolgáltatás-biztonságával kapcsolatos koncepciója (SQRA) Biztonság: annak a kockázatnak a foka, hogy a VER képes túlélni egy fellépő zavart a szolgáltatás megszakadása nélkül (meghatározott feltételrendszerek teljesülése esetén) Minőség: a szolgáltatott villamos energia megfelelő minősége Megbízhatóság: a megfelelő minőségű folyamatos működés valószínűsége (meghatározott időtartamra vonatkozó rendszerviselkedés) Rendelkezésre állás: Hozzáférés 7

8 Hazai előírások MAVIR Zrt: IRÁNYELV ERŐMŰVEK 120 kv-os ÉS/VAGY NAGYOBB FESZÜLTSÉGŰ HÁLÓZATHOZ CSATLAKOZTATÁSÁHOZ a KÖF és KIF hálózatra csatlakozó kiserőművekre: Üzemi szabályzat 8

9 Csatlakozás a villamos hálózatra Aszinkron generátor-h Aszinkron generátor+inverter-h Kétoldalról táplált aszinkron generátor-h Szinkron generátor-h Szinkron generátor+inverter-h Napelem-energiatároló-inverter-H Tüzelőanyag cella-inverter-h 9

10 Minőség-Hálózati visszahatás Minőségi vonatkozás Feszültség megváltozás Aszimmetria Harmonikus Villogás (flicker) HKV jelszint csökkenés Funkcionális vonatkozás Rendelkezésre állás (megbízhatóság, szabályozhatóság) Védelmek befolyásolása Piaci vonatkozás (mérlegkör) 10

11 Energia forrás Mechanikaiból villamos energia átalakítás Hálózati csatlakozás Okozott zavar Zavar csökkentő hatás Nap Nem szükséges inverter harmonikus nincs Tüzelőanyag cella Nem szükséges inverter harmonikus nincs Szél Aszinkron generátor mechanikus áttétellel közvetlen Meddő, szinkronozáskor feszültségváltozás, Villogás, HKV jelszint csökkentés nincs Szél Kétoldalról táplált aszinkron generátor Állórész közvetlen, forgórész inverter Harmonikus, Villogás, HKV jelszint csökkentés nincs Szél Gerjesztőgépes szinkron gen. mechanikus áttétellel közvetlen Villogás, HKV jelszint csökkentés nincs Szél Állandó mágneses szinkron generátor inverter Harmonikus, villogás nincs Gerjesztőgépes szinkron generátor közvetlen HKV jelszint csökkentés villogás Árapály Állandó mágneses szinkron generátor inverter Harmonikus nincs Tengeráramlás Állandó mágneses szinkron generátor inverter harmonikus nincs Ha hálózatra kapcsolódik, akkor harmonikus nincs Gázmotor (Földgáz, biogáz) Kisteljesítményű vízerőmű Aszinkron, vagy egyéb generátor Közvetlen ElektroSalon akkumulátor2009 töltés, inverter 11

12 Feszültség megváltozás Tűrésmezőn belüli gyors feszültségváltozások nagy teljesítményű motorok indítása kiserőművek hálózatra kapcsolódása (KÖF 3%, KIF 2%) 12

13 Feszültség megváltozás δ U I G RTr 0.1X Tr SG = = 3U n I G = 0. 1 Un Un 3U n2 SZ SG=0.2SZ 13

14 Feszültség megváltozás (csatlakozási feltételek) 0.02S Z Sn = k k=1 szinkrongenerátor, inverter k=2 aszinkron generátor, ha fordulatszámok között kapcsol be k=ii/in szélerőműveknél, aszinkron motoroknál k=8, ha az Ii indítási áram nem ismert 14

15 Feszültség megváltozás (csatlakozási feltételek) Szinkrongenerátor bekapcsolási feltétele: Feszültségkülönbség max 10% Frekvencia eltérés max 0.5Hz Fázisszög különbség max 10º Aszinkron generátor bekapcsolási feltétele: A szinkron fordulatszám % között legyen a fordulatszáma Szélerőmű 5MW teljesítmény felett A szélerőmű bekapcsolási áramlökése kisebb kell legyen a névleges áramának 1.2-szeresénél. 15

16 Minőség-Aszimmetria Definíció AX = X negativ X pozitiv U0 1 1 U = 1 1 a 1 3 U 2 1 a 2 1 a 2 a Ua U b U c 16

17 Aszimmetria Keletkezés átmenetiek ( pl. zárlatok, szakadások a hálózatban) kvazi stacionerek ( pl. vonali feszültségre csatlakozó vagy egyfázisú fogyasztó) helyileg állandóak ( pl. adott geometriájú távvezeték) 17

18 Aszimmetria keletkezés ( I a / 3) X 1 U1v U1 f I a U2 I1 X 1 SF = = = = U1 U1v / 3 U12v / 3 U12v S Z3F 18

19 Aszimmetria Terjedés (forrás a hálózat) I 2F = U2 j ( X 2H + X 2Tr + X 2F ) U2 j ( X 2Tr + X 2F ) U2 jx 2F Határérték: AU=2% 19

20 Minőség-Harmonikus Definíció Feszültségre U 2 h h= 2 U1 THDU= Áramra h= 2 I1 I h2 D U = Uh / U 1 100[ %] 100[ %] DI = Ih / I1 THDI= 20

21 Harmonikus Határértékek: THDU 0.05THDU(meg) rendszám Pl.: THDU(meg)=8% THDU=0.4% Ellenőrzés, ha ZH(h)>hZH(1) Viszonylagos harmonikus áram (A/MVA)

22 Minőség-Villogás Definíció U (t ) = [ 2U F ( t ) sin (ω F t + β ( t ) ] δ U* F e sz ü l t s é g (U) 2U F ( t ) 2U * = 2U Idõ t1-tf/4 t1 t1+tf/4 22

23 Villogás Megengedett érték és ellenőrzése: Plt 0.4 SZ Villogásszám: c = Plt,mért ahol tgϕ Z S n cos(ϕ X = Z és tgϕ RZ Több szélerőműre: cer = i + ϕ n) Qn = Pn Sn Plt = c cos(ϕ SZ Ha c és a hálózat ismert: n Z (c i S ni ) Z + ϕ n) 2 S ni i 23

24 Villogás mérés 24

25 Aszimmetria, villogás, HKV jelszint U G za var = U za var X2 XH + X2 25

26 Feszültségletörés EU funkcionális előírás: Ucsatl 120kV és Sn 5MVA 26

27 Technológiák Nem megújuló (kapcsolt hő/villamos) Hőtárolással Hőtárolás nélkül Megújuló (hazai adottságok) Villamosenergia tárolással Villamosenergia tárolás nélkül 27

28 Gázmotoros megoldás hőhasznosítás B G turbófeltöltő hűtése 0,5-5 MW generátorhűtés olajhűtő hengerhűtő Q 28

29 Mikro-gázturbinás megoldás hőhasznosítás rekuperátor 280 C 120 C kw min-1 G 90 C Q 70 C B 29

30 Gázturbinás megoldás nyílt ciklus kapcsolt termelés 120 C η = 85% Q η = 35% 500 C E 520 C 520 C G B E G B 30

31 Szélerőmű villamos berendezésének főáramköri elemei 31

32 Torony típusú naperőművek PS10 naperőmű, Spanyoloszág 11MW 624 db heliosztát 1db heliosztát 120m2 115 m magas torony 32

33 Parabolacsatornás naperőművek 33

34 Parabolacsatornás naperőmű blokkvázlata M.SZ.: munkaszivattyú, K.M.: koncentrátoros kollektormező, Gy.V.: gyűjtővezeték, T.: túlhevítő, U.T.: újra-túlhevítő, K.: kazán, V.E.: víz előmelegítő, T.Sz.: tápszivattyú, E.Sz.: segédszivattyú, S.E.F: segéd energiaforrás, N.T.: nagynyomású turbina, K.T.: kisnyomású turbina, G.: generátor, H.: hálózat, Ko: kondenzátor, H.V.: hűtővíz 34

35 Szolár kémény 35

36 Napelem-Hálózatra kapcsolt konverter Az átalakító a kommunális hálózatra dolgozik Célunk a naptelepből kivehető maximális teljesítmény legjobb hatásfokkal történő átalakítása. 36

37 Szabályozás Gépenként, erőművenként (technológia és teljesítmény függő) Lehetőségek: hatásos, meddő, feszültségtartás Szigetüzem, ennek feltételei Körzeti szabályozás Mérlegkör menetrendtartás 37

38 Szabályozás hőtárolóval P P villamos teljesítmény töltés G normál kisütés Q M M M hőteljesítmény R Q 38

39 Szabályozás gőzturbinákkal 1. P elvételes, kondenzációs: max. P G Q min. Q 39

40 Szabályozás gőzturbinákkal 2. ellennyomású: P P max. G redukálva max. redukáló Q min. Q 40

41 Szabályozás gázturbináknál P befecskendezéssel max. Q E G max. min. B Q 41

42 Napelemes erőmű MPP szabályozása Az U-I karakterisztikán 3 jellemző munkapont: Rövidzárási áram: ISC Üresjárási feszültség: Uoc Maximális kivehető teljesítményhez tartozó munkapont: UMPPIMPP 42

43 PWM inverter Háromfázisú hídkapcsolású impulzusszélességmodulált (PWM) inverter A félvezető általában IGBT, nagy teljesítményen lehet még GTO tirisztor is, kis teljesítményen tranzisztor (FET) 43

44 Szélerőművek szabályozása Minden generátor saját vezérlő programmal rendelkezik, a saját kijelzővel és billentyűzettel ellátott terminál a vezérlő szekrényben található A CPU többek között 3 fő kimenő paramétert vizsgál folyamatosan: feszültség áram frekvencia Ha bármely paraméter a megengedett értékhatáron kívül esik, és a processzor a korrekciót nem képes megoldani, a vezérlés a generátort lekapcsolja a hálózatról, a rendszer önmagát biztosítja (pl. lefékezi) és hibakód felvételével regisztrálja az2009 eseményt ElektroSalon 44

45 Indulás, üzem, leállás A generátorok csak egy adott szélsebességnél kapcsolnak be (2,5-3 m/s) és általában m/s sebességig működnek Ekkor működésbe lép a teljesítmény leszabályozás, ami történhet a lapátvégekkel, ill. a lapátok aerodinamikai fékhatásával (Stall), vagy a lapát teljes elfordításával (Pitch) A tengelyfékkel rögzítik a már leállt szélturbinát, amennyiben a szélsebesség a megengedett határ alá kerül, úgy a generátor automatikusan újra indul 45

46 Elterjedt hajtás fajták 46

47 Kommunikációs lehetőségek (spanyol minta) 47

48 A szélerőművek teljesítményének szabályozása a VER igényének megfelelően Spanyolországban 48

49 GEMAS beavatkozás 49

50 GEMAS beavatkozás 50

51 A hazai helyzet: felmért kiserőművek Teljesítmény 3 MW-nál nagyobb villamos teljesítményű Típus Gázmotoros erőmű Gázturbinás erőmű Vegyes technológiájú erőmű Hulladékhasznosító erőmű 51

52 A felmérés szempontjai Logisztikai adatok Technikai, technológiai adatok Kommunikáció, vezérlés 52

53 Kiserőművek integrálása a VER szabályozásába Motiváció Országos szinten is számottevő összteljesítmény De! Egyszerűen nem szabályozható (elosztottság, heterogén szerkezet) A rendszer célja A kiserőművek összefogása A rendszerirányításba történő bevonása A megvalósítás feltételei A résztvevők gazdaságilag érdekeltek Jogi háttér 53

54 Kiserőművek integrálása a VER szabályozásába Szempontok: Rendelkezésre állás Fel/leterhelhetőség csúcsidőben, ill. mélyvölgyben Fel/leterhelési sebesség Kommunikációs elérhetőség Meddőteljesítmény szabályozhatóság Válaszok: erőmű típustól függ Kombinált ciklusú erőmű Naperőmű, Szélerőmű Biomassza tüzelésű erőmű Vízerőmű 54

55 Alapadatok 55

56 Teljesítmény-eloszlás 56

57 A 4 nagy erőmű Tatabányai Erőmű (49 MW) MVM Észak-Budai Erőmű (49.5 MW) Nyíregyházi KCE (49.9 MW) Miskolci Fűtőerőmű (39.6 MW) 57

58 A 4 nagy erőmű 2. 58

59 Szabályozási tartalék 1. 59

62 Kiserőmű- mérlegkör napi terhelés 62

63 A kiserőműveket szabályozó rendszerrel szemben támasztott követelmények Megbízhatóság Megfelelő technológiák alkalmazása, redundancia Skálázhatóság és rugalmasság Könnyű bővíthetőség és a továbbfejlesztés lehetősége Alacsony kiépítési és üzemeltetési költség Illeszkedjen a jelenlegi rendszerirányítási rendszerbe Illeszkedjen a kiserőművek jelenlegi üzemelési gyakorlatához Vonatkozó nemzetközi szabványok és előírások kielégítése 63

64 A rendszer felépítése 64

65 Az erőmű-koncentrátor Feladatok: Kapcsolat a rendszerirányítással és kiserőművekkel Menetrend módosítás Intervallum menetrend Mérési adatok A beavatkozás optimalizálása Az események naplózása 65

66 Az erőművi alegység Egységes interfész A rendszerirányító telepíti Feladata: A kommunikáció Események naplózása 66

67 Kommunikáció Internet Alacsony kiépítési és üzemeltetési költség Rugalmasság Illeszkedik a jelenlegi trendekhez Redundancia Telefon GSM hálózat 67

68 Megbízhatóság és biztonság Szabványok: Információ-védelem ISO/IEC (Common Criteria) ISO/IEC 17799:2000 Megbízhatóság Kommunikációs redundancia Adatbázis-redundancia Teljesítmény tartalékok Azonosítás és hitelesítés Jogosultság kiosztás és ellenőrzés Adatok integritásának (sértetlensége) védelme Adatok titkosságának védelme A parancs megérkezésnek hitelesítése A hibák érzékelése és azonosítása 68

69 USA mérnökkamara jövőképe 1 Napenergia alkalmazás gazdaságossá tétele Fúziós energia előállítása Karbon befogása CO2- ből A nitrogén ciklus kézbentartása a fenntartható fejlődés érdekében Tiszta víz biztosítása A városi infrastruktúra (beleértve a közlekedést) illesztése a környezetkímélő diszciplínákhoz Egészségügyi információs rendszerek fejlesztése 69

70 USA mérnökkamara jövőképe 2 Testre szabott antibiotikumok fejlesztése Általános célú mesterséges intelligencia fejlesztése Nukleáris terror megakadályozása Nemzetbiztonság, személyi biztonság javítása Virtuális valóság elterjesztése (tréning szimulátorok széleskörű alkalmazása) Személyre szabott oktatási rendszerek fejlesztése A tudományos eredmények gyors, hatékony realizálása (tudósok és mérnökök szoros együttműködése) 70

71 Köszönöm a figyelmet! 71