Az elosztott villamosenergiatermelés lehetőségei Magyarországon Dr. Dán András egyetemi tanár BME VET
[email protected]
ElektroSalon 2009
1
Az elosztott villamosenergia termelés jelene (és jövője) • • • • • •
Mit nevezünk elosztott vtb-nek? elvárások egységteljesítmények technológiák, szabályozás, rendszerillesztés
ElektroSalon 2009
2
Teljesítmény, csatlakozási feszültség • HMKE: S<50kVA; KIF • Kiserőmű: 50kVA<S<50MVA; KIF, KÖF, NAF (120kV) Erőmű gépegységei: változó egységteljesítmény
ElektroSalon 2009
3
Elosztott energia termelés primer energia forrásai – Megújuló • • • • •
nap szél víz Biomassza földhő
– Nem megújuló • kőolaj, földgáz, szén • hidrogén ElektroSalon 2009
4
Elosztott energiaforrások • Mechanikai energia – Gázmotor – Turbina (gáz, gőz)
• Villamos energia – Közvetlen átalakítás (pl. nap, tüzelőanyag cella) – Generátor
ElektroSalon 2009
5
ElektroSalon 2009
6
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 ElektroSalon 2009
7
Hazai előírások • MAVIR Zrt: IRÁNYELV ERŐMŰVEK 120 kV-OS ÉS/VAGY NAGYOBB FESZÜLTSÉGŰ HÁLÓZATHOZ CSATLAKOZTATÁSÁHOZ • a KÖF és KIF hálózatra csatlakozó kiserőművekre: Üzemi szabályzat
ElektroSalon 2009
8
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 ElektroSalon 2009
9
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) ElektroSalon 2009
10
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
Feszültség megváltozás Tűrésmezőn belüli gyors feszültségváltozások – nagy teljesítményű motorok indítása – kiserőművek hálózatra kapcsolódása (KÖF 3%, KIF 2%)
ElektroSalon 2009
12
Feszültség megváltozás
δ ∆ U I G RTr 0.1X Tr SG = = 3U n I G = 0 . 1 Un Un 3U n2 SZ ElektroSalon 2009
SG=0.2SZ 13
Feszültség megváltozás (csatlakozási feltételek) 0.02S Z Sn = k
– k=1 szinkrongenerátor, inverter – k=2 aszinkron generátor , ha 0.95-1.05 fordulatszámok között kapcsol be – k=Ii/In szélerőműveknél, aszinkron motoroknál – k=8, ha az Ii indítási áram nem ismert ElektroSalon 2009
14
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 95-105% között legyen a fordulatszáma
• Szélerőmű 5MW teljesítmény felett – A szélerőmű bekapcsolási áramlökése kisebb kell legyen a névleges áramának 1.2-szeresénél. ElektroSalon 2009
15
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
ElektroSalon 2009
Ua ⋅ U b U c
16
Aszimmetria Keletkezés – átmenetiek ( pl. zárlatok, szakadások a hálózatban) – kvazi stacionerek ( pl. vonali feszültségre csatlakozó vagy egyfázisú fogyasztó) – helyileg állandóak ( pl. adott geometriájú távvezeték)
ElektroSalon 2009
17
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 ElektroSalon 2009
18
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% ElektroSalon 2009
19
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= ElektroSalon 2009
20
Harmonikus Határértékek: THDU≤0.05THDU(meg)
rendszám
Pl.: THDU(meg)=8% THDU=0.4% Ellenőrzés, ha ZH(h)>hZH(1) ElektroSalon 2009
Viszonylagos harmonikus áram (A/MVA)
5
0.7
7
0.6
11
0.5
13
0.3
17
0.3
19
0.2
23
0.2
25
0.2 21
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
ElektroSalon 2009
22
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
ElektroSalon 2009
23
Villogás mérés
ElektroSalon 2009
24
Aszimmetria, villogás, HKV jelszint
U
G za var
= U za var
X2 XH + X2
ElektroSalon 2009
25
Feszültségletörés EU funkcionális előírás: Ucsatl≥120kV és Sn≥5MVA
ElektroSalon 2009
26
Technológiák • Nem megújuló (kapcsolt hő/villamos) – Hőtárolással – Hőtárolás nélkül
• Megújuló (hazai adottságok) – Villamosenergia tárolással – Villamosenergia tárolás nélkül
ElektroSalon 2009
27
Gázmotoros megoldás hőhasznosítás
B
G turbófeltöltő hűtése
0,5-5 MW
generátorhűtés
olajhűtő hengerhűtő ElektroSalon 2009
Q 28
Mikro-gázturbinás megoldás hőhasznosítás rekuperátor
280°C
120°C
30-300 kW
70 000 – 120 000 min-1
G 90°C
Q 70°C
B ElektroSalon 2009
29
Gázturbinás megoldás nyílt ciklus
kapcsolt termelés
120°C
η = 85% Q
η = 35%
500°C E
520°C
520°C
G
B
ElektroSalon 2009
E G
B
30
Szélerőmű villamos berendezésének főáramköri elemei
ElektroSalon 2009
31
Torony típusú naperőművek PS10 naperőmű, Spanyoloszág • 11MW • 624 db heliosztát • 1db heliosztát 120m2 • 115 m magas torony ElektroSalon 2009
32
Parabolacsatornás naperőművek
ElektroSalon 2009
33
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.: ElektroSalon 2009 generátor, H.: hálózat, Ko: kondenzátor, H.V.: hűtővíz
34
Szolár kémény
ElektroSalon 2009
35
Napelem-Hálózatra kapcsolt konverter • Az átalakító a kommunális hálózatra dolgozik • Célunk a naptelepből kivehető maximális teljesítmény legjobb hatásfokkal történő átalakítása.
ElektroSalon 2009
36
Szabályozás • Gépenként, erőművenként (technológia és teljesítmény függő) • Lehetőségek: hatásos, meddő, „feszültségtartás” • Szigetüzem, ennek feltételei • Körzeti szabályozás • Mérlegkör menetrendtartás ElektroSalon 2009
37
Szabályozás hőtárolóval P P
villamos teljesítmény töltés
G
normál kisütés
Q M
M
M
hőteljesítmény
R ElektroSalon 2009
Q 38
Szabályozás gőzturbinákkal – 1. P
elvételes, kondenzációs:
max.
P G
Q
min. ElektroSalon 2009
Q 39
Szabályozás gőzturbinákkal – 2. ellennyomású:
P
P max.
G
redukálva max.
redukáló
Q min.
Q ElektroSalon 2009
40
Szabályozás gázturbináknál P
befecskendezéssel max.
Q
E G
max. min.
B
ElektroSalon 2009
Q 41
Napelemes erőmű MPP szabályozása •
Az U-I karakterisztikán 3 jellemző munkapont: Rövidzárási áram: ISC Üresjárási feszültség: Uoc Maximális kivehető teljesítményhez tartozó munkapont: UMPPIMPP ElektroSalon 2009
42
PWM inverter • Háromfázisú hídkapcsolású impulzusszélességmodulált (PWM) inverter • A félvezető általában IGBT, nagy teljesítményen lehet még GTO tirisztor is, kis teljesítményen tranzisztor (FET) ElektroSalon 2009
43
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
Indulás, üzem, leállás • A generátorok csak egy adott szélsebességnél kapcsolnak be (2,5-3 m/s) és általában 15-25 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 ElektroSalon 2009
45
Elterjedt hajtás fajták
ElektroSalon 2009
46
Kommunikációs lehetőségek (spanyol minta)
ElektroSalon 2009
47
A szélerőművek teljesítményének szabályozása a VER igényének megfelelően Spanyolországban
ElektroSalon 2009
48
GEMAS beavatkozás
ElektroSalon 2009
49
GEMAS beavatkozás
ElektroSalon 2009
50
A hazai helyzet: felmért kiserőművek • Teljesítmény – 3 MW-nál nagyobb villamos teljesítményű
• Típus – Gázmotoros erőmű – Gázturbinás erőmű – Vegyes technológiájú erőmű – Hulladékhasznosító erőmű ElektroSalon 2009
51
A felmérés szempontjai • Logisztikai adatok • Technikai, technológiai adatok • Kommunikáció, vezérlés
ElektroSalon 2009
52
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 ElektroSalon 2009
53
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 ElektroSalon 2009
54
Alapadatok
ElektroSalon 2009
55
Teljesítmény-eloszlás
ElektroSalon 2009
56
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) ElektroSalon 2009
57
A 4 nagy erőmű 2.
ElektroSalon 2009
58
Szabályozási tartalék 1.
ElektroSalon 2009
59
Szabályozási tartalék 2.
ElektroSalon 2009
60
Szabályozási tartalék 3.
ElektroSalon 2009
61
Kiserőmű- mérlegkör napi terhelés
ElektroSalon 2009
62
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 ElektroSalon 2009
63
A rendszer felépítése
ElektroSalon 2009
64
Az erőmű-koncentrátor • Feladatok: – Kapcsolat a rendszerirányítással és kiserőművekkel Menetrend módosítás Intervallum menetrend Mérési adatok
– A beavatkozás optimalizálása – Az események naplózása ElektroSalon 2009
65
Az erőművi alegység
• Egységes interfész • A rendszerirányító telepíti • Feladata: – A kommunikáció – Események naplózása ElektroSalon 2009
66
Kommunikáció • Internet – Alacsony kiépítési és üzemeltetési költség – Rugalmasság – Illeszkedik a jelenlegi trendekhez
• Redundancia – Telefon – GSM hálózat –…
ElektroSalon 2009
67
Megbízhatóság és biztonság • Szabványok:
• Információ-védelem
– ISO/IEC 15408 (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
ElektroSalon 2009
68
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 ElektroSalon 2009
69
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)
ElektroSalon 2009
70
Köszönöm a figyelmet!
ElektroSalon 2009
71
