CC BY
87
Small Distributed Renewable Energy Generation for Low Voltage
Distribution Networks
111 2 Chindris M. , Cziker A. , Miron Anca , Sacerdotianu D.
technical University of Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, Romania 2ICMET, Craiova, Romania
Abstract. Driven by the existing energy policies, the use of renewable energy has increased considerably all over the world in order to respond to the increasing energy consumption and to reduce the environmental impact of the electricity generation. Although most policy makers and companies are focusing on large applications, the use of cheap small generation units, based on local renewable resources, has become increasingly attractive for the general public, small farms and remote communities. The paper presents several results of a research project aiming to identify the power quality issues and the impact of RES based distributed generation (DG) or other non-linear loads on low voltage (LV) distribution networks in Romania; the final goal is to develop a Universal Power Quality Conditioner (UPQC) able to diminish the existing disturbances. Basically, the work analyses the existing DG technologies and identifies possible solutions for their integration in Romania; taking into account the existent state of the art, the attention was paid on small systems, using wind and solar energy, and on possibility to integrate them into suburban and rural LV distribution networks. The presence of DG units at distribution voltage level means the transition from traditional passive to active distribution networks. In general, the relatively low penetration levels of DG does not produce problems; however, the nowadays massive increase of local power generation have led to new integration challenges in order to ensure the reliability and quality of the power supply. Power quality issues are identified and their assessment is the key element in the design of measures aiming to diminish all existing disturbances.
Keywords: renewable energy sources, distributed generation, PV systems, small wind turbine, active distribution networks.
Generare distribuita de mica putere pentru integrarea resurselor regenerabile in retelele de distribute
de joasa tensiune Chindris M.1, Cziker A.1, Miron Anca \ Sacerdotianu D.2
1Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, Romania 2ICMET, Craiova, Romania
Rezumat. Sub impulsul politicilor energetice existente, utilizarea energiilor regenerabile (ER) s-a extins considerabil in intreaga lume ca un raspuns la cre§terea continua a cererii de energie §i pentru reducerea impactului asupra mediului ambiant al generarii de electricitate. Articolul prezinta cateva rezultate ale unui proiect de cercetare ce are ca scop identificarea problemelor de calitate a energiei electrice §i impactul generarii distribuite (GD) bazate pe resurse energetice regenerabile sau al altor sarcini neliniare asupra retelelor de distributie de joasa tensiune din Romania; obiectivul final este dezvoltarea unui Universal Power Quality Conditioner (UPQC) capabil sa reduca perturbatiile existente. Practic, sunt studiate tehnologiile de GD existente §i se identifica solutiile posibile pentru implementare in tara noastra; tinand cont de situatia existenta, cercetarea s-a concentrat asupra sistemelor de putere mica, bazate pe energie eoliana §i solara §i a integraii acestora in retele de distributie suburbane §i rurale de JT. Prezenta unitatilor de GD impune tranzitia de la retelele de distributie pasive traditionale la retele active. in general, niveluri de penetrare scazute ale GD nu creaza probleme; totu§i, cre§terea masiva a generarii locale reprezinta o provocare legata de integrarea acestora noi surse de o maniera care sa nu afecteze fiabilitatea §i calitatea alimentarii cu electricitate. Problemele de calitate trebuie identificate, iar evaluarea acestora reprezinta elementul cheie in elaborarea masurilor menite sa elimine toate perturbatiile existente.
Cuvinte-cheie: surse regenerabile de energie, generare distribuita, sisteme fotoelectrice, turbine eoliene de mica putere, retele de distributie active.
Распределенная генерация малой мощности для интегрирования возобновляемых энергетических ресурсов в распределительные сети малой мощности
Киндриш М.1, Цикер А.1, Мирон Анка1, Сачердоциану Д.2
1 Технический Университет Клуж-Напока, Клуж-Напока, Румыния 2Национальный Институт научных исследований, разработок и испытаний в области электротехники
Крайова, Румыния
Аннотация. Под влиянием существующей энергетической политики, использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) распространилось на весь мир, как рекция на рост потребностей в энергии и снижении влияния производства электроэнергии на окружающую среду. Существование малых источников генерации электричесокй энергии (обычно с использованием ВИЭ, да и других источников первичной энергии), распределенных на большой площади возле потребителей и подключенных к распределительным сетям называется распределенной генерацией (РГ). В статье приведены некоторые результаты одного из исследовательских проектов, целью которого было выявление проблем качества электрической энергии и влияния РГ, использующих ВИЭ или других нелинейных нагрузок на распределительные сети низкого напряжения в Румынии; конечной целью работы было разработка Универсального кондиционера качесва энергии (ЦРрС) который должен был устранить существущие возмущения. Изучены существующие технологии РГ и разработаны решения, которые можнол использовать в нашей стране, с учетом существующей систуации. Исследования были направлены на системы малой мощности, основанные на солнечной и ветровой энергии и интегрировании этого устройства в распределительные сети в сельской местности и голродских пригородов. Наличие устройств РГ требует перехода от пассивных распределительных сетей к активным распределительным сетям. В целом, использование небольшого количесва систем РГ не представляет собой проблемы, но резкий рост систем распределенной генерации создает проблему, связанную с интегрированием РГ таким образом, чтобы не влиять на надежность и качество электроснабжения.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, распределенная генерация, фотоэлектрические системы, ветровые турбины малой мощности, активные распеределительные сети.
1. Introducere
Política energeticà a UE, dezvoltatà în ultimul deceniu, are douà obiective prioritare: (i) alimentarea sustenabilà cu energie a tuturor tàrilor §i (ii) reducerea semnificativà a emisiilor de CO2 §i alte elemente poluante, cu scopul de a reduce impactul asupra mediului ambiant §i a schimbàrilor climatice [1]. Primul aspect este legat de epuizarea gradualà a resurselor de combustibili fosili §i de posibilitatea utilizàrii alimentàrii cu energie drept armà politicà; pe de altà parte, schimbàrile climatice au devenit unul dintre cele mai importante subiecte de interes pentru comunitatea internationalà în ultimele decenii. Ràspunsul la aceste probleme a fost generarea localà a energiei electrice, la nivelul retelelor de distributie, prin utilizarea unor resurse alternative de energie. O parte dintre acestea utilizeazà surse neconventionale bazate pe combustibili fosili precum gazul natural, biogazul, celulele cu combustibil, cogenerare, §i micro-turbine; altele folosesc surse regenerabile de energie (RES), în principal energia eolianà, celule fotoelectrice sau energia hidraulicà.
2. Generare distribuita bazatà pe RES
In general, GD se referà la producerea electricitàtii în apropierea utilizatorilor; o altà expresie, destul de mult folosità în literatura de
specialitate este "embedded generation", reflectänd faptul cä unitätile de generare de putere micä sunt incorporate in retelele electrice existente, de dimensiuni mari. Politicile energetice actuale §i evolutiile tehnice favorabile au determinat cre§terea semnificativä a GD bazate pe RES; integrarea acestor sisteme in retelele publice a devenit un element cheie in multe täri, inclusiv in Romänia, deoarece ele reduc impactul ambiental §i permit introducerea RES in retelele de distributie [10]. Acest mod de generare are, fatä de abordarea centralizatä traditionalä, atät avantaje cät §i dezavantaje. Avantajele pot fi intälnite la toate palierele sistemului energetic [11, 12]:
a) Avantajele utilizatorilor
• Solutia poate fi folositä in aplicatii de putere redusä care, amplasate, instalate §i exploatate corespunzätor, pot asigura continuitatea in alimentarea cu electricitate;
• Diversitatea tehnologiilor disponibile oferä oportunitatea utilizärii resurselor locale;
• Instalatiile au o eficacitate märitä prin evitarea pierderilor de energie §i financiare;
• De obicei sunt realizate sub forma unor module de puteri mici, foarte flexibile;
• Unitàtile bazate pe ER pot fi instalate în zone sensibile sau protejate;
• Imbunàtâtesc flexibilitatea amplasamen-tului prin dimensiunile reduse, performante de mediu superioare §i flexibilitatea resursei primare.
b) Beneficii pentru furnizor
• Prin caracteristicile lor (dimensiuni reduse, modularitate, timp de instalare scurt etc.) solutiile de GD reduc riscurile de capital;
• Oferà conditii îmbunàtàtite pentru realizarea de sisteme ce implementeazà co- sau trigenerarea bazatà pe pierderile termice din diferite sectoare;
• Previn costuri suplimentare deoarece capacitatea de generare poate urmàri mai uçor §i mai exact creçterea de consum;
• Prezenta GD poate îmbunàtati profilul tensiunii, calitatea energiei electrice §i eventual pierderile de putere în retea.
c) Avantaje la nivel national
• GD poate reprezenta o solutie convenabilà pentru acoperirea creçterii consumului §i reducerea emisiilor poluante;
• Participà la implementarea politicilor energetice §i de mediu;
• Creazà noi sectoare industríale §i locuri de muncà.
Trebuie însà mentionate §i câteva dezavantaje:
• Deoarece majoritatea sistemelor de GD sunt legate la retea prin convertoare electronice, calitatea energiei electrice furnizate poate fi afectatà;
• Prezenta noilor unitàti de generare poate influenta negativ functionarea sistemelor de protectie existente în retelele publice;
• In functie de configuratia retelei §i de nivelul de penetrare, GD poate determina creçterea pierderilor de putere sau chiar schimbarea circulatiei de putere în retea;
• Deoarece pentru majoritatea tehnologiilor existente pretul electricitàtii produse scade cu puterea generatorului, sistemele distribuite pot furniza electricitate mai scumpà.
Categoriile, ce definesc puterile unitàtilor încadrate în conceptul de GD, sunt urmàtoarele
• Micro GD: 1 W - 5 kW;
• Small GD: 5 kW - 5 MW;
• Medium GD: 5 MW - 50 MW;
• Large GD: 50 MW - 300 MW.
In cadrul proiectului de cercetare, termenul de GD se referà la producerea de electricitate din resurse regenerabile în aria de deservire a operatorului local al retelei de distributie; practic, este vorba despre tehnologii de generare care deservesc una sau mai multe clàdiri sau entitàti, au puterea nominalà de cel mult 100 kW §i pot fi interconectate cu alte tehnologii pentru a forma un sistem electric mai amplu. Existà mai multe tehnologii bazate pe surse regenerabile care pot furniza electricitate la nivelul retelelor de distributie; acestea includ sisteme fotoelectrice (PV), turbine eoliene mici §i microcentrale hidro. In ceea ce priveçte integrarea diferitelor unitàti de generare în retelele de distributie, în literaturà se întâlnesc frecvent urmàtorii termeni [13]:
• Solutie of-grid (de obicei puteri sub 10 kW): o structurà individualà ce produce electricitate pentru consumul propriu §i care nu este racordatà cu alti utilizatori;
• Nano-, micro- §i miniretele: retele electrice deservind, de obicei, unul pânà la mii de de utilizatori; pot fi conectate la retele mai mari, eventual publice, dar pot acoperi, în parte sau în totalitate, cererea localà de energie.
Articolul trateazà doar douà forme de energii regenerabile, respectiv cea eolianà §i cea solarà, deoarece microcentralele hidraulice sunt foarte scumpe (3.400 - 10.000 UDS/kW sau chiar mai mult), necesità un debit sigur §i consistent de apà §i implicà lucràri suplimentare considerabile pentru amenajare. Pe de altà parte, atât energia eolianà cât §i cea solarà au un potential remarcabil pentru satisfacerea nevoilor energetice la nivel mondial §i au un impact neglijabil asupra mediului [13].
Soarele reprezintà o sursa importantà §i sustenabilà de energie având în vedere cà puterea ce ajunge la suprafata pàmântului este de cca. 86.000 TW. Cu tehnologiile existente, electricitatea poate fi generatà direct (utilizând celule PV) sau indirect, prin colectarea §i concentrarea energiei solare pentru producere de aburi ce antreneazà apoi o turbinà clasicà; dezvoltarea unor metode eficiente pentru colectarea, conversia §i utilizarea energiei solare reprezintà una dintre cele mai importante provocàri çtiintifice §i tehnologice pentru comunitatea §tiintificà. In cazul vântului, capacitatea de generare a electricitàtii s-a triplat în ultimii cinci ani, astfel încât energia eolianà este sursa de energia cu cea mai rapidà creçtere la
nivel mondial. In Europa, cäteva täri au atins un nivel relativ ridicat de penetrare a acestei resurse: cca. 19% in Danemarca, 14% in Spania §i Portugalia, §i 7% in Germania §i Irlanda.
Factorul cheie in aceastä evolutie a fost reprezentat de suportul guvernamental [14]. Din päcate, existä douä probleme importante legate de utilizarea acestor resurse §i anume disponibilitatea lor §i costul electricitätii generate. Energia eolianä §i cea solarä nu sunt intotdeauna disponibile in locul §i la momentul cerut; variatiile zilnice §i sezoniere, precum §i dificultätile de a realiza o prognozä corectä determinä o generare intermitentä. In ceea ce prive§te al doilea aspect, de§i ridicat la inceput, pretul electricitätii furnizate de aceste tehnologii scade in permanentä §i se sperä atingerea valorii pretului existent in prezent atät la consumatorul final cät §i la nivel de retea; momentul atingerii acestui obiectiv incä nu este clar, dar studii recente sugereazä cä el se apropie.
O analizä comparativä a costului de producere, in functie de sursa utilizatä, este prezentatä in Tabelul 1 [15]; cifrele date includ costurile legate de recuperarea investitiei initiale §i costurile de functionare. Un studiu publicat in 2015 [16] indicä faptul cä sistemele solare PV reprezintä deja o tehnologie cu pret scäzut in Germania, avänd in vedere faptul cä tariful a scäzut de la peste 40 ct/kWh pentru instalatiile conectate in 2005 la 9 ct/kWh pentru cele conectate in 2014. Diferite scenarii indicä o scädere continuä a costurilor; concret, in functie de radiatia anualä, in Europa se a§teaptä costuri de 4 - 6 ct/kWh pänä in anul 2025 §i 2 - 4 ct/kWh in 2050. Pentru deceniul urmätor, aceasta ar reprezenta o reducere de o treime fatä de nivelul anului 2015.
Tabelul 1.
Costul electricitätii, in functie de sursä, pentru anii 2009 - 2012 '[USD/kWh]
Hidro de putere 0,03 0,06 0,11
Nuclearä 0,01 0,06 0,11
Cogenerare 0,02 0,05 0,07
Urmàtoarele date indicà deplasarea continuà a sectorului energetic din UE fatà de generarea bazatà pe combustibili fosili [17]:
• Puterea centralelor clasice (folosind pàcurà, càrbune §i gaz) scoase din functiune continuà sà fie mai mare decât cea a centralelor nou instalate;
• În2015, energiile regenerabile reprezintà 77% din totalul noilor surse de electricitate instalate în UE (22.3 GW din totalul de 29 GW).
3. Generatoare PV §i eoliene de micà
putere
In ultimul deceniu, literatura destinatà GD a examinat mai atent posibilitatea dezvoltàrii acestui concept în comunitàtile suburbane §i rurale; studiile existente prezintà diferite niveluri de implementare, de la sisteme domestice la miniretele comunitare §i la sisteme conectate la retelele publice. Toate aceste solutii utilizeazà unitàti de generare de putere micà bazate pe energie eolianà sau solarà.
3.1. Generatoare PV de micà putere
Dintre diferitele resurse regenerabile, energia solarà este cea mai abundentà; în acelaçi timp, ea este inepuizabilà §i curatà. A§a cum s-a mentionat, existà mai multe solutii pentru transformarea acesteia în electricitate, dar tehnologia PV este cea mai utilizatà deoarece realizeazà o conversie directà §i poate fi implementatà atât pentru aplicatii de putere micà cât §i pentru sisteme de putere mare - Figura 1 [18]. A§a cum se observà, instalatiile PV de putere micà pot fi utilizate în douà variante: sisteme independente (instalate de obicei în zone rurale sau îndepàrtate, dar §i în numeroase aplicatii din zonele construite) §i sisteme conectate la reteaua publicà; articolul trateazà doar a doua variantà deoarece aceasta reprezintà în prezent mai mult de 90% din totalul instalatiilor PV functionabile la nivel mondial.
Tipul centralei Minim Mediu Maxim
Fotoelectricä 0,14 0,25 0,48
Solarä termicä 0,17 0,19 0,20
Eolianä teresträ 0,03 0,06 0,09
Eoliana marinä 0,09 0,12 0,17
Domeniu 1 0.1 kW | 1 kW 1 10 kW | 100kW | ■ - MW
Tîpul si stem uO ui (exemple) Sisteme solare rezidentiale sarcitiL TC
Pro prie ta ti izolale sarcirà TC Í TA
Mierofetele rurale
Ketele locale
Sisteme conectate la retea
Utilizalori Utilizatofi iruJividuali
Utilizalori multipli
Tehnologia sitrsei 1 PV 1 1 1 PV hibride
Figurai. Sisteme PV çi domenii de aplicare.
Astfel de sisteme sunt deja instalate în locuinte individuale sau ansambluri de locuinte, clàdiri de birouri sau cu altà destinatie etc., §i au în componentà urmàtoarele elemente: (i) panoul PV, denumit uzual generator PV; (ii) un invertor (transformà tensiunea continuà furnizatà de panou în tensiune alternativà); (iii) echipament de màsurà pentru electricitatea transmisà în retea §i (iv) echipament de màsurà pentru electricitatea consumatà din retea. Panoul fotoelectric constà din câteva module montate pe o structurà suport §i legate electric în serie/paralel pentru a forma un generator de tensiune continuà. Modulele existente folosesc diferite tehnologii, cele mai utilizate fiind cele bazate pe siliciu cristalin sau pe o peliculà subtire de siliciu amorf.
Deoarece în prezent clàdirile consumà peste 40% din energia totalà §i emit 24% din cantitatea de gaze cu efect de serà, panourile PV integrate în structura acestora au devenit o tehnicà din ce în ce mai ràspândità de generare a electricitàtii în zonele construite. Panourile pot fi amplasate pe acoperiç (optiune cunoscutà drept Building Adapted PV systems - BAPV) sau pot fi integrate în acoperiç sau în fatada clàdirilor (solutie denumità Building Integrated PV systems - BIPV), transformând clàdirea din consumator, în producàtor de energie. De fapt, cu tehnologiile actuale, modulele PV devin un adevarat element de constructie, putând servi §i ca element decorativ, protectie climaticà, izolare termicà, protectie fonicà etc. [19, 20].
Figura 2 prezintà structura principialà a unui sistem BAPV conectat la retea, utilizat din ce în ce mai mult în ansambluri rezidentiale, çcoli, clàdiri rurale sau industriale etc. Pe de altà parte, în zonele în care tarifele de furnizare sunt ridicate, solutia mentionatà este frecvent înlocuità de cea prezentatà în Figura 3; aceasta permite ca întreaga electricitate produsà sà fie vândutà
operatorului de retea, ceea ce este mai avantajos din punct de vedere financiar [21].
(1) Module PV (2) Invertor (3) Echipament de (4) Echipamert de
masura (energía masura (energía vanduta in retea) consumata din retea)
Figura 2. Sistem BAPV conectat la retea (electricitatea produsa este destinata în principal receptoarelor din cladire).
0 1 .1 0 j n
1 1 y
Module PV invertor Echipamente de masura
(energía vanduta in reteaj
Figure 3. Sistem BIPV conectat la retea (toata electricitatea este vânduta în retea)
Figurile anterioare prezintà cele mai simple solutii; în realitate, tinând cont de impredictibilitatea energiei solare, instalatia trebuie sà continà §i sisteme de stocare. Figura 4 prezintà douà variante posibile pentru instalatii conectate la retea [22].
Conform [23], la sfârçitul anului 2012, în EU27 erau instalati circa 70 GWp în sisteme PV, cu o contributie de 2,5% la consumul total; dintre acestea, circa 49% (34.197 MWp) erau instalate în instalatiile de distributie de JT. Sub impulsul îmbunàtàtirilor aduse recent politicilor energetice §i tehnologiilor disponibile, solutiile de tip BIPV
au cunoscut o crestere spectaculoasä în toate tärile europene. Figura 5 prezintä un sistem BIPV
tipic instalat la Freiburg, în Germania [19].
Figura 4. Sistem PV cu stocare: (a) control separat pentru încârcarea bateriei invertor; (b) control integrat.
Figura 5. Sisteme BIPV în Freiburg.
Studiile prezentate de diferiti specialiçti sugereazä cä electricitatea produsä într-un an de o instalatie BIPV, poate acoperi de obicei necesarul de energie al unei familii tipice. De exemplu, Figura 6 comparä energia electricä produsä de o
instalatie PV având 20 m2 (într-o zonä cu 1200 kWh/m2/an) cu cererea zilnicä de energie a unei locuinte cu 2-3 ocupanti; se observä cä cererea este depä§itä, cu exceptia iernii [24].
Figura 6. Comparatie între consumul zilnic al unei locuinte cu 2-3 ocupanti si electricitatea generatä
de un sistem PV de 20 m2.
In acelaçi timp, existenta sistemului BIPV trebuie msotitä de un comportament energetic rational §i de implementarea unor solutii pentru creçterea eficientei energetice (de exemplu, o izolare termicä îmbunätätitä, dublarea geamurilor sau noi aparate electrocasnice).
La final, prezintä interes urmätoarele informatii:
• Sistemele PV instalate pe acoperiç produc energie curatä pe circa 95 % din duratä lor de viatä (30 de ani sau chiar mai mult);
• Sub influenta diverçilor factori, durata de recuperare a investitiei (EPBT) într-o instalatie PV s-a redus permanent -Figura 7 [25], dar depinde de amplasarea geograficä §i de tehnologia utilizatá. De exemplu, aceasta este de 2,5 ani în nordul Europei §i de 1,5 ani sau chiar mai putin, în functie de tehnologie, în sud.
19« 1995 2000 2005 20I& 2013
Year of Installation
Figura 7. Durata de recuperare a investitiei pentru un sistem BIPV din siliciu policristalin instalat în sudul Europei.
3.2. Generatoare eoliene de micâ putere
Vântul este o resursà abundentà, disponibilà în întreaga lume, astfel încât energia eolianà continuà sà fie consideratà o tehnologie importantà de generare a electricitàtii în multe tari.
Randamentul teoretic al turbinelor eoliene urcà pânà la 59%, dar valoarea medie atinsà în practicà este mult mai micà. Dacà privim politica UE în acest domeniu, prezintà interes urmàtoarele date [17]:
• Puterea instalatà în centrale eoliene în anul 2015 corespunde la 44,2% din total, mai mult decât orice altà formà de centralà electricà.
• Centralele eoliene reprezintà o treime din totalul centralelor noi instalate dupà anul 2000 în UE, depàçind centralele hidro ca a treia cea mai mare sursà de generare (15,6% din totalul puterilor instalate).
Majoritatea factorilor politici §i a companiilor se concentreazà asupra turbinelor eoliene de putere mare; totuçi, utilizarea turbinelor de putere micà (SWT) ca §i sisteme de generare distribuità a devenit din ce în ce mai atractivà pentru public în ansamblu, ferme mici §i comunitàti izolate. Din pàcate, existà mai multe definitii pentru SWT astfel încât este
dificil sä se prezinte analize comparabile la nivel mondial. De exemplu, standardul IEC 61400-2 defineçte SWT ca având o putere nominalä sub 50 kW §i o tensiune nominalä de cel mult 1 kV AC sau 1,5 kV DC; pe de altä parte, limita superioarä a puterii variazä între 15 kW §i 100 kW pentru primele cinci täri cu cea mai mare utilizare a acestei tehnologii (China, USA, UK, Italia si Germania) §i urcä pänä la 300 kW în Canada [26, 27].
Un sistem de generare bazat pe SWT poate functiona independent (off-grid), ca parte a unei microretele (eventual cu generare hibridä) sau interconectat la reteaua publicä (grid connected).
Echipamentele tipice lucreazä cu o vitezä minimä a vântului de 3 m/s §i ating puterea nominalä la 11 m/s, aspecte ce limiteazä aplicabilitatea geograficä. In secolul actual, piata mondialä a SWT a cunoscut o creçtere continuä, la sfârçitul anului 2012 fiind instalate în lume cel putin 806.000 unitäti (o creçtere de 10 % fatä de anul anterior); ca urmare, pänä în 2015 a fost anticipatä o ratä de creçtere anualä de 19 - 35 %. Din päcate, dupä câtiva ani de creçtere continuä, 2013 a fost dificil, trei dintre cele mai mari piete suferind o scädere a numärului de unitäti instalate - Figura 8 [26], §i previziunile pänä în 2020 au fost revizuite în scädere. La sfârçitul lui 2013, la nivel mondial erau instalate un numär total de cel putin 870.000 SWT (o creyere de doar 8%), cu o putere instalatä de circa 755 MW (o creçtere de peste 12% comparativ cu anul 2012).
600 3000
ft
__c
I i
500 Annual Installed SWT Capacity (MW) 2500 M
2- <
"3 i i Projected Annual Installed Capacity [MWJ *
g. 400 -^-- 2000 3
Û ' cumulative installed swt rana«tv imwi S et
S
Figura 8. Previziuni privind piata centralelor eoliene de mica putere (2009 - 2020).
SWT sunt avantajoase în special pentru generarea electricitätii la nivelul micilor utilizatori în zone rurale §i izolate, dar §i în zone suburbane sau chiar urbane - Figura 9 [28].
Figura 9. SWT instalate la utilizatori casnici.
O turbinà eolianà de putere micà este formatà din câteva componente principale: (i) un rotor cu un numàr variabil de pale, (ii) un generator electric, (iii) sisteme de control §i protectie §i (iv) electronica de putere (asigurà conectarea la o baterie de stocare, pentru sistemele independente, sau la reteaua publicà). Turbinele pot fi cu axà orizontalà (HAWT) sau verticalà (VAWT), marea majoritate a echipamentelor comercializate având trei pale §i axà orizontalà. In ceea ce priveçte generatorul, existà douà tipuri: generatoare de inductie autoexcitate (SEIG) §i generatoare sincrone cu magneti permanenti (PMSG) [29].
În prezent, aproape toate sistemele existente pe piatà utilizeazà PMSG antrenate de o turbinà eoliana farà cutie de viteze sau un generator de inductie cu rotor bobinat (WRIG); topologia convertorului electronic necesar interconectàrii sistemului SWT depinde de puterea necesarà §i de costul sistemului, deoarece pot fi folosite diferite topologii §i dispozitive electronice -Figura 10 [29].
Figura 10. Turbina eoliana de mica putere cu generator PMSG.
4. Impactul GD asupra retelelor de distributie
Re telele electrice traditionale corespund unui sistem ierarhic, cu o demarcare clarà a subsistemelor de generare, transport §i distributie. Concret, centrale electrice de putere mare (amplasate de obicei în apropierea surselor de energie primarà) furnizeazà energie tuturor utilizatorilor prin intermediul unei infrastructuri pasive de mari dimensiuni ce cuprinde retele de înaltà, medie §i joasà tensiune. Reteaua functioneazà radial iar energia circulà într-o singurà directie: de la centrale (nivel de tensiune ridicat) la consumatori (nivel de tensiune mai scàzut). În ultimele decenii, utilizarea crescândà a resurselor locale (în special a surselor regenerabile) a condus la GD, respectiv la dezvoltarea §i implementarea unor noi scheme de alimentare cu energie electricà. Conform acestui concept inovativ, generarea este realizatà în unitàti de putere micà, amplasate de obicei în apropierea utilizatorilor §i conectate la retelele de medie sau joasà tensiune; practic, asistàm la tranzitia de la retelele pasive traditionale la retele de distributie active [12].
La început, nivelul relativ scàzut de penetrare a GD nu a produs probleme; ulterior, creçterea masivà a generàrii locale a reprezentat o provocare pentru operatorii de retea, care trebuie sà asigure fiabilitatea retelelor §i calitatea energiei furnizate. Câteva aspecte privind functionarea retelelor active de distributie de JT sunt prezentate succint în continuare.
1) Schimbarea sensului de circulatie a puterii în retea
În retelele de distributie active, o parte din cererea de energie este acoperità de centralele clasice iar restul este produs în apropierea utilizatorilor; dacà generarea localà depàçeste consumul, apare o circulatie de putere càtre nivelurile mai ridicate de tensiune.
2) Calitatea energiei electrice
Prezenta unitàtilor de GD poate afecta calitatea energiei electrice furnizatà altor utilizatori racordati la aceeaçi retea. Principalele îngrijoràri se referà la stabilitatea tensiunii (variatii lente §i/sau rapide), nesimetria sistemului de tensiuni, variatiile de frecventà, armonici §i interarmonici, disponibilitatea §i încàrcarea retelei, circulatia puterii reactive etc.
3) Coordonarea protectiei
Retelele de distributie traditionale utilizeazà scheme de protectie relativ simple bazate pe circulatia unidirectionalà a puterii §i a curentilor de defect. Prezenta GD poate schimba aceastà
situatie deoarece circulatia de putere §i curentii de defect pot avea directii schimbate sau cel putin amplitudini modifícate. Exista patru categorii de probleme privind protectia:
(i) sensibilitate: nedetectarea unor defecte sau functionarea intarziatá, aspecte ce pot conduce la noi defecte sau pagube, respectiv instabilitate §i decuplarea unor unitati de generare racordate la alte linii ale retelei; (ii) selectivitate: deconectarea incorecta a unor linii sau unitati de GD in cazul existentei unui defect in altá zona a retelei; (iii) reconectare: perturbarea secventelor de RAR poate determina cresterea duratei de intrerupere in alimentarea unor utilizatori dar §i la deteriorarea unor unitati de generare; (iv) insularizare: orice insularizare neintentionata trebuie prevenita pentru asigurarea sigurantei retelei §i a calitatii energiei electrice.
4) Stabilitatea retelei
Acest subiect se refera atát la contributia unitatilor de GD la nivelul de stabilitate al retelei cat §i la capacitatea de functionare in defect a unitatilor de generare.
5. Concluzii
Articolul prezinta cáteva rezultate ale unui proiect de cercetare ce are ca scop identificarea problemelor de calitate a energiei electrice §i impactul GD bazate pe RES sau al altor sarcini neliniare asupra retelelor de distributie de joasa tensiune din Romania; obiectivul final este dezvoltarea unui Universal Power Quality Conditioner (UPQC) capabil sa reduca perturbatiile existente.
Impusa de actualele politici energetice, utilizarea energiilor regenerabile a crescut considerabil in UE, instrumentul cheie fiind Renewable Energy Directive (Directive 28/2009/EC) [30]; ca rezultat, producerea locala de energie a crescut §i ea, reducánd gradual dependenta fata de importurile de energie §i impactul asupra mediului. Pe de alta parte, cu ajutorul programelor de promovare §i a sprijinului financiar, tehnologiile pentru sursele regenerabile de energie s-au dezvoltat rapid §i unele dintre acestea au ajuns la maturitate, generánd electricitate la un pret ce scade permanent.
Corespunzator obligatiilor de ii revin, Romania a sprijinit constant dezvoltarea energiilor regenerabile; progresele obtinute au fost determinate de urmatorii factori: (i) tara noastra are un potential important §i diversificat de resurse regenerabile (in special energie
eolianä, solará §i biomasä); (ii) imbunätätiri legislative; (iii) programe pentru promovarea energiilor verzi.
Numero§i experti sunt de acord cä RES au devenit o alternativä posibilä, la un pret rezonabil, la utilizarea combustibililor fosili; bazate pe aceastä constatare, investitiile realizate in capacitäti de generare ce utilizeazä resurse curate au cunoscut o creyere semnificativä in intreaga lume. In special energiile eolianä §i solarä au devenit mai competitive, in termen de costuri, cu gazele naturale §i cärbunele; de exemplu, in ultimele decenii, costul electricitätii generate a scäzut cu 50% pentru energia eolianä §i cu 60% in cazul celei solare.
Totu§i, in multe zone resursele regenerabile existente sunt reduse iar puterea unitätilor de generare este inevitabil limitatä; aceastä abordare, de producere a electricitätii in echipamente de micä putere amplasate in apropierea utilizatorilor este denumitä generare distribuitä.
Practic, este vorba despre tehnologii de generare ce deservesc una sau mai multe clädiri sau entitäti, au puteri de pänä la 100 kW §i pot fi interconectate la retelele de distributie existente. A§a cum s-a mentionat anterior, cele mai utilizate solutii sunt sistemele fotoelectrice §i turbinele eoliene de micä putere.
In ceea ce prive§te energia solarä, o atentie specialä a fost acordatä sistemelor PV integrate in configuratia clädirilor, deoarece in prezent acestea consumä peste 40% din energia totalä §i au o pondere de circa 24% in emisiile de gaze cu efect de serä. Existä douä solutii, respectiv Building Adapted PV Systems and Building Integrated PV Systems, care permit trecerea clädirilor din categoria consumatorilor in cea a producätorilor de energie; mai mult, modulele PV pot fi utilizate ca element de constructie sau ornamental, protectie climaticä, izolare termicä sau fonicä etc. Pentru tehnologiile existente, durata de recuperare a investitiei in cazul sistemelor PV s-a redus la 2,5 ani in nordul Europei §i la 1,5 ani sau chiar mai putin, in functie de tehnologie, in sudul continentului.
In acela§i timp, utilizarea turbinelor eoliene mici drept generatoare distribuite a devenit tot mai atractivä pentru publicul larg, ferme mici §i comunitäti izolate. Echipamentele existente pe piatä functioneazä pentru o vitezä a väntului mai mare de 3 m/s §i ating puterea nominalä la 11 m/s, aspecte ce limiteazä aria de implementare; majoritatea utilizeazä generatoare PMSG
antrenate de turbine färä cutie de viteze sau generatoare asincrone cu rotor bobinat.
Configuratia convertoarelor electronice utilizate pentru interconectarea la retea depinde de puterea de ieçire §i de costul sistemului, având în vedere cä pot fi utilizate diferite topologii §i dispozitive electronice.
In practicä, prezenta unitätilor de GD în retelele de distributie indicä tranzitia de la retele pasive la retele active. In general, niveluri reduse de penetrare nu creazä probleme; totuçi, creçterea masivä a generärii locale reprezintä o provocare legatä de integrarea unitätilor existente de o manierä care sä nu afecteze fiabilitatea §i calitatea alimentärii cu electricitate.
In principiu, probleme ce pot apare sunt legate de (i) modificarea circulatiei de putere în sistem, (ii) calitatea energiei electrice, (iii) coordonarea protectiilor §i (iv) stabilitatea retelei.
Toate aceste elemente trebuie studiate în detaliu pentru o evaluare corectä a impactului GD asupra retelei existente §i pentru proiectarea de contramäsuri adecvate.
Bibliografie
[1] European Commission (ed.) 2007: A European Strategic Energy Technology Plan (SET-Plan). Technology Map (SEC(2007) 1510). Brussels.
[2] Leda-Ioanna Tegou et.al. Distributed Generation with Renewable Energy Systems: The spatial dimension for an autonomous Grid. ERSA 2007, Paris, France.
[3] European Commission, 2008. Directive of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources.
[4] Christof Timpe et.al. Integration of electricity from renewable energy sources into European electricity grids. ETC/ACC Technical Paper 2010/18, December 2010.
[5] EREC, Greenpeace (ed.) 2010: energy [r] evolution -Towards a fully renewable Energy Supply in the EU 27.
[6] Inga Boie et al. Efficient strategies for the integration of renewable energy into future energy infrastructures in Europe - An analysis based on transnational modeling and case studies for nine European regions. Energy Policy 67(2014), 170-185
[7] Freris, L. and Infield, D. Renewable Energy in Power Systems. John Wiley & Sons, Ltd, 2008.
[8] Ralph Sims et al., 2011: Integration of Renewable Energy into Present and Future Energy Systems. In IPCC Special Report on RES and CCM, Cambridge University Press, Cambridge, USA.
[9] Chowdhury S. et al. Microgrids and Active Distribution Networks. IET RENEWABLE ENERGY SERIES 6, 2009.
[10] DNV GL Energy Report: A Review of Distributed Energy Resources. Energy Advisory, Arlington, USA, 2014.
[11] Konstantinos Angelopoulos. Integration of Distributed Generation in Low Voltage Networks: Power Quality and Economics. PhD Thesis, University of Strathclyde in Glasgow, 2004.
[12] Angel Fernandez Sarabia. Impact of distributed generation on distribution system. Master Graduate Dissertation, Aalborg University, Denmark, 2011.
[13] Paul Komor and Timothy Molnar. Background Paper on Distributed Renewable Energy Generation and Integration. Prepared for TEC-UNFCCC, Bonn, Germany, 2015.
[14] Eduardo F. Camacho et al. Control for Renewable Energy and Smart Grids. From: The Impact of Control Technology, T. Samad and A.M. Annaswamy (eds.), 2011 (available at www.ieeecss.org).
[15] Analytical Centre for the Government of the Russian Federation. Development of Wind Energy Technology in the World, 2013 (available at www.ac.gov.ru/files/publication/a/1207.pdf).
[16] Fraunhofer ISE (2015): Current and Future Cost of Photovoltaics. Long-term Scenarios for Market Development, System Prices and LCOE of Utility-Scale PV Systems. Study on behalf of Agora Energiewende.
[17] EWEA (the European Wind Energy Association). European Statistics 2015.
[18] Katiraei,F et al. Integration of Photovoltaic Power Systems in High-Penetration Clusters for Distribution Networks and Mini-Grids. International Journal of Distributed Energy Resources, Volume 3, Number 3, July - September 2007.
[19] Farshad Azadian and M.A.M.Radzi. A general approach toward building integrated photovoltaic systems and its implementation barriers: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 22 (2013) 527-538.
[20] M Tripathy and P K Sadhu. Building Integrated Photovoltaic is a Cost Effective and Environmental Friendly Solution. TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering Vol. 14, No. 1, April 2015, pp. 49 - 54.
[21] G. Nofuentes et al. TECHNICAL HANDBOOK. The installation of on-ground photovoltaic plants over marginal areas. PVs in BLOOM Project. ISBN 9788890231001.
[22] Chuck Whitaker et al. Renewable Systems Interconnection Study: Distributed Photovoltaic Systems Design and Technology Requirements. SANDIA Report, 2008.
[23] Michel Vandenbergh et al. PV Grid. D3.1 Prioritization of Technical Solutions Available for the Integration of PV into the Distribution Grid. Version 13, 2013
[24] EPIA, Greenpeace (ed.) 2011: Solar Generation 6. Solar PV Electricity Empowering the World 25.
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE. Photovoltaics Report. 2015.
[26] Hydro-Quebec. A Renewable Energy Option. Small Wind Power. ISBN: 978-2-550- 73924-1
[27] WWEA (World Wind Energy Association). 2015 Small Wind World Report Summary.
[28] Michael Duffy. Small Wind Turbines Mounted to Existing Structures. Master Thesis. Georgia Institute of Technology, 2010.
[29] Arifujjaman,M. et al. Power Electronics Reliability Comparison of Grid Connected Small
Wind Energy Conversion Systems. Wind Engineering Volume 35, NO. 1, 2011.
[30] European Commission. European energy security strategy {C0M(2014) 330 final}.
Multumiri. Aceastä lucrare a fost realizatä prin programul Parteneriate in domenii prioritare - PN II, derulat cu sprijinul MEN - UEFISCDI, proiect nr. PN-II-PT-PCCA-2013-4-1003.
Despre autori,
Chindris Mircea, dr. ing, profesor emerit. Domeniile de cercetare ¡jtiintificä: utilizarea energiei electrice; managementul ¡ji calitatea energiei electrice; eficientä energeticä, aplicatii ale inteligentei artificiale, sisteme energetice moderne E-mail:
[email protected] Miron Anca, dr. ing., conferenciar universitar Departamentul de Electroenergeticä ¡ji Management, Facultatea de Inginerie Electricä. Domeniile de cercetare ¡jtiintificä: sisteme expert in energeticä, aplicatii ale inteligentei artificiale, managementul energiei, sisteme moderne de conversie a energiei. E-mail:[email protected]
Cziker Andrei Crisitinel, dr. ing., decan Facultatea de Inginerie Electrica. Domeniile de cercetare ¡jtiintifica: utilizarea energiei electrice; managementul energiei electrice; instalatii electrice; producerea, transportul §i distributia energiei electrice; proiectarea asistata de calculatorul numeric. E-mail: [email protected] .ro Sacerdotianu Dumitru, dr.ing., cercetator ¡jtiintific. Domeniile de cercetare ¡jtiintifica: cercetare -dezvoltare echipamente electrotehnice, echipamente de monitorizare si diagnosticare stare retele electrice E-mail:
