Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola
Táczi István
FORGÓ TÖMEG NÉLKÜLI
VILLAMOSENERGIA-TERMELŐK RENDSZERINTEGRÁCIÓS
KÉRDÉSEI
Rendszerstabilitás-vizsgálatok és elosztóhálózati állapotbecslés
TÉMAVEZETŐ
Dr. Vokony István
VÁLLALATI KONZULENS
Péter Gábor Mihály
BUDAPEST, 2023 PhD disszertáció
Tartalomjegyzék
1 Bevezetés ... 12
1.1 Az időjárásfüggő villamosenergia-termelés térnyerésének kihívásai ... 14
1.2 Problémafelvetés, kutatási kérdések és célkitűzések megfogalmazása ... 18
2 Rendszerstabilitás és a forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők ... 21
2.1 Stabilitásvizsgálati kategóriák a szakirodalomban ... 23
2.2 A forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők sajátosságai ... 26
2.2.1 A forgó tömeg szerepe, a lengési egyenlet bevezetése ... 26
2.2.2 A frekvenciaváltozás dinamikájának változása ... 30
2.3 Rendszerirányítói tevékenységek... 34
2.3.1 Rendszerméret szerinti intézkedések elemzése ... 38
2.4 Törekvések a stabilitásvizsgálati kategóriáinak bővítésére ... 41
2.5 A kiterjesztett stabilitásvizsgálati kategóriarendszer ... 43
2.6 I. tézis bevezetése ... 45
3 Stabilitásvizsgálati módszerek ... 47
3.1 Szinkrongenerátorok tranziens stabilitásának vizsgálata közvetlen módszerrel .. 48
3.1.1 A tranziens stabilitási index ... 50
3.1.2 A hálózatredukció szerepe ... 52
3.1.3 Szimulációs vizsgálatok ... 53
3.1.4 I. tézis 1. altézise ... 61
3.2 Szintetikus inercia rendszerszintű hatáselemzésének keretei ... 62
3.2.1 Modellalkotás lépései ... 63
3.2.2 Értékelési szempontok ... 65
3.2.3 Szimulációs hatásvizsgálatok ... 66
3.2.4 I. tézis, 2. altézis... 76
4 Feszültségszabályozó eszközök szerepe a kisfeszültségű állapotbecslésben ... 77
4.1 Az elosztóhálózati állapotbecslés sajátosságai ... 78
4.2 Az elosztóhálózati állapotbecslés elvi háttere... 81
4.3 Innovatív eszközök szerepe az állapotbecslésben... 87
4.4 Szimulációs vizsgálatok ... 89
4.4.1 Első kísérleti helyszín – OLTC transzformátor ... 92
4.5 II. tézis ... 101
5 Összefoglalás ... 102
6 Új tudományos eredmények összegzése ... 104
6.1 I. tézis ... 104
6.2 II. tézis ... 105
7 Irodalomjegyzék ... 106
7.1 Saját publikációk ... 106
7.2 Felhasznált irodalom ... 111
Függelék ... 126
7.2.1 A stabilitás időállandóinak bővülése ... 126
7.2.2 Stabilitás kategorizálásának bővülése – kutatási példák ... 127
7.3 Szimulációs vizsgálatokhoz kapcsolódó kiegészítő paraméterek ... 129
Ábrajegyzék
1. ábra: A villamosenergia-rendszer stabilitáskategóriái ... 23
2. ábra: Frekvenciatranziensre vonatkozó hatértékek bevezetése ... 32
3. ábra: Tranziens különböző mértékű forgó tömeg esetén ... 33
4. ábra: TSO-k által azonosított stabilitási kihívások ... 36
5. ábra: A változó erőművi összetételt figyelembe vevő stabilitás alkategóriák 44 6. ábra: IEEE 9 gyűjtősínes rendszere és a vizsgált zárlat helye ... 55
7. ábra: Rendszermodell a hálózatszimulációs szoftverben ... 57
8. ábra: Gönyű erőművi gyűjtősínre redukált hálózat topológiája ... 58
9. ábra: Az átviteli hálózat megőrzött része ... 58
10. ábra: Szintetikus inercia szabályozó egyszerűsített blokkvázlata ... 64
11. ábra: Hazai szigetüzemű modell topológiája ... 67
12. ábra: A kialakuló legkisebb frekvencia szemléltetése ... 69
13. ábra: Elért növekmény a minimális frekvenciában ... 70
14. ábra: IEEE 118 gyűjtősínes rendszerének topológiája [124] ... 72
15. ábra: RoCoF értékek a 118 gyűjtősínes rendszerben ... 73
16. ábra: Egyenlettípusok és a villamos energetikai számítási problémák ... 84
17. ábra: Hiba geometriai értelmezése ... 85
18. ábra: Hiba értelmezése egyenesre vetítéssel ... 85
19. ábra: Első kísérleti helyszín topológia ... 93
20. ábra: Első kísérleti helyszín mögöttes hálózati feszültség ... 93
21. ábra: OLTC - alapeset, állapotbecslés, load flow és hiba ... 94
22. ábra: OLTC - pszeudo mérés eset állapotbecslés, load flow és hiba ... 95
23. ábra: OLTC - mérésintegrált eset állapotbecslés, load flow és hiba ... 96
25. ábra: Mögöttes hálózati feszültség ... 97
26. ábra: SVR - alapeset, állapotbecslés, load flow és hiba ... 98
27. ábra: SVR - pszeudo eset állapotbecslés, load flow és hiba ... 99
28. ábra: SVR - mérésintegrált eset állapotbecslés, load flow és hiba ... 100
29. ábra: Események időállandói a villamosenergia-rendszerben [56] ... 126
30. ábra: PEC kapcsán felmerülő stabilitási kérdések [82] ... 127
31. ábra: Stabilitásvizsgálati kategóriák mikrogridek esetén [74] ... 127
32. ábra: Stabilitási kategóriák bővülése harmonikus stabilitással [83] ... 128
33. ábra: IEEE-CIGRÉ munkacsoport javaslata [36] ... 128
34. ábra: Szintetikus inercia szabályozó ... 129
Táblázatjegyzék
1. Táblázat: Energiatermelési technológiák összehasonlítása ... 15
2. Táblázat: Inerciacsökkenés hatásai rendszerméret szerint ... 41
3. Táblázat: IEEE 9 gyűjtősínes tesztrendszer R2TSI vizsgálata ... 56
4. Táblázat: R2TSI eredmények a magyar villamosenergia-rendszer esetén ... 60
5. Táblázat: Eseménytér definiálása ... 67
6. Táblázat: Minimális frekvencia értékekei a vizsgált esetekben ... 68
7. Táblázat: Minimális frekvencia szélerőművi szintetikus inercia esetén ... 69
8. Táblázat: Energiatároló hatása a minimális frekvenciaértékekre ... 70
9. Táblázat: Szcenáriók paraméterei - IEEE 118 gyűjtősínes tesztendszer ... 72
10. Táblázat: 118 gyűjtősínes rendszer alapeset - eredmények ... 73
11. Táblázat: 118 gyűjtősínes rendszer csökkent forgó tömeg - eredmények .... 74
12. Táblázat: 118 gyűjtősínes rendszer - legnagyobb egyszeres kiesés ... 75
13. Táblázat: Elosztóhálózati állapotbecslés alkalmazási lehetőségei ... 79
14. Táblázat: paraméterbeállítások összefoglalása ... 92
15. Táblázat: Szintetikus inercia paraméterbeállítások ... 130
16. Táblázat: Technológiák munkapontváltoztatási képességei [49] ... 131
Köszönetnyilvánítás
Ezúton szeretnék őszinte köszönetet mondani mindazoknak, akik segítségükkel, támogató hozzáállásukkal segítettek a doktoranduszi évek során. Elsőként Dr. Vokony István témavezetőnek, aki egészen az alapképzéses szakdolgozat óta segített a szakmai előrehaladásban. A közel 8 év közös munka során az elektrotechnika, villamos energia tudományterületén túl is irányt és példát mutatott
Köszönöm Dr. Hartmann Bálintnak, aki a FASTER Kiválósági Kutatócsoport vezetőjeként számos kitűnő lehetőséget biztosított a kutatásaim megvalósítására.
Eredményeimhez nagyban hozzájárult a közös munka során, segített a modellezési feladatokban és az eredmények értelmezésében, példamutató munkája ösztönzött a közös munka során.
Köszönettel tartozom Péter Gábor Mihálynak, aki a Kooperatív Doktori Program keretében vállalati szakértőként csatlakozva az utóbbi 2 évben rengetek szakmai segítséget nyújtott az elosztóhálózati állapotbecslés kapcsán. Hozzáállása és felkészültsége minden nap inspirálóan hat nem csak rám, de kollégáira is.
Az MTA-BME FASTER Lendület Kutatócsoport tagjainak köszönöm a közös munkát. Barancsuk Lilla segítségét a szimulációs keretrendszer kapcsán, illetve Tőzsér Balázs hallgatóm munkáját az állapotbecsléhez kapcsolódó adatok előkészítésében és feldolgozásában.
Köszönöm a lehetőséget az E.ON Észak-dunántúli Áramhálózati Zrt-nek és a MAVIR Zrt-nek a kutatási pályázatok terén. A vállalati együttműködések nagyban hozzásegítettek a megfelelő kutatási kérdések megfogalmazásában, adatszolgáltatásaik pedig az eredményeim szélesebb körű értelmezhetőségének megteremtésében.
Végül, de semmiképp sem utolsóként a fontossági sorban családomnak és barátaimnak szeretnék köszönetet mondani a támogatásért.
A disszertációhoz kapcsolódó pályázati támogatások
Nemzeti Tehetség Program Nemzet Fiatal Tehetségeiért Ösztöndíj (NTP-NFTÖ-17-B-0547) –
„Villamosenergia-rendszer stabilitásának megőrzésére szolgáló tartalékok tervezése és adaptív aktivációs stratégiák”
Pro Progressio MAVIR Zrt. Hallgatói Ösztöndíj – „Villamosenergia-rendszer stabilitási kérdései”, 2017.
Nemzeti Tehetség Program Nemzet Fiatal Tehetségeiért Ösztöndíj (NTP-NFTÖ-18-B-0188) –
„Analitikus megoldások fejlesztése a villamosenergia-rendszer irányításának támogatásához”
Új Nemzeti Kiválóság Program Kari Kiválósági Kutatócsoport Ösztöndíj 2018 „Inercia követelmények szignifikáns megújuló energiaforrás penetrációval rendelkező villamosenergia-rendszerek termelő- és energiatároló egységeire” (Dr. Hartmann Bálint kutatócsoport-vezető, Kazsoki Attila, Sayed Mohammed, Táczi István, Dr. Vokony István) Pro Progressio MAVIR Zrt. Doktorandusz Ösztöndíj – „Kinetikus energia becslése a villamosenergia-rendszerben és hatása a rendszer stabilitására”, 2018.
Új Nemzeti Kiválóság Program Doktorandusz Ösztöndíj (ÚNKP-19-3-I-BME-293) –
„Stabilitásszámítási módszerek smart grid környezetben”
Célzott Lendület Program – „Development of a state estimator based modular toolset to assist observability, targeted dispatch and identify grid reinforcement needs in distributed networks” (Dr. Hartmann Bálint kutatócsoport-vezető, Dr. Cselkó Richárd, Dr. Göcsei Gábor, Dr. Mátrai Tamás, Dr. Németh Bálint, Sinkovics Bálint, Táczi István, Dr. Vokony István), 2019.
Új Nemzeti Kiválóság Program Doktorandusz Ösztöndíj (ÚNKP-20-3-II-BME-127) –
„Megfigyelhetőségi problémák megoldása elosztóhálózatokon smart grid eszközök felhasználásával”
Pro Progressio MAVIR Zrt. Doktorandusz Ösztöndíj – „Forgó tömeg nélküli villamosenergia- termelők rendszerhatásainak vizsgálata”, 2020.
Kooperatív Doktori Program Ösztöndíj – „Szintetikus inercia villamosenergia- rendszerre gyakorolt hatásainak elemzése”, 2020. (Vállalati partner: E.ON Észak-dunántúli Áramhálózati Zrt.
Új Nemzeti Kiválóság Program Doktorjelölti Ösztöndíj (ÚNKP-22-4-I-BME-242) – „Topológiai lezárások hatásainak elemzése rugalmas villamosenergia-rendszerek esetén”, 2022.
Rövidítésjegyzék betűrendben
CCT – Critical Clearing Time – Kritikus zárlathárítási idő
CIGRÉ – Conférence Internationale des Grands Résaux Electrique á Haute Tension – International Council on Large Electrical Systems – Nemzetközi Villamosenergia-rendszerek Szakmai Bizottság
DSO – Distribution System Operator – elosztóhálózati engedélyes
ENTSO-E – European Network of Transmission System Operators – Electricity FFR – Fast Frequency Response
FTK – Frekvencaifüggő terheléskorlátozás HMKE – Háztartási méretű kiserőmű
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers – Nemzetközi Villamosmérnök Szervezet KIF – Kisfeszültség
KÖF – Középfeszültség
LF – Load Flow – teljesítményáramlás-számítás NAF – Nagyfeszültség
OLTC – On-Load Tap Changing – terhelés alatti fokozatváltoztatásra alkalmas/képes PE – Power Electronics – Teljesítményelektronika
REI – Radial, Equivalent, Independent – sugaras, ekvivalens, független
RoCoF – Rate of Change of Frequency – Frekvenciaváltozási sebesség, gradiens RTSI – Revised Transient Stability Index - Továbbfejlesztett tranziens stabilitási index
R2TSI – Re-revised Transient Stability Index – Redukáló eljárással kiegészített tranziens stabilitás index
SVR – Serial Voltage Regulator – soros feszültségszabályozó TSI – Tranziens stabilitás index
TSO –Transmission System Operator –átviteli hálózati engedélyes, rendszerirányító WLS – Weighted Least Square – súlyozott négyzetes eltérés
A disszertációban alkalmazott jelölések
Indexelés – egy adott x fizikai változó vonatkozóan:
xn – az adott változó névleges értéke
xi – a rendszer egyedi elemére vonatkozó változó érték xR – az adott változó rendszerre számított eredő értéke xG – az adott változó egy konkrét generátorra vonatkozó x0 – az adott változó kezdeti értéke
Az egyedi jellegű indexeket az adott változó bevezetésekor definiálom, az itt felsorolt mennyiségek több helyen, több fizikai mennyiség esetén megjelennek.
Fizikai mennyiségek és mértékegységeik Matematikai jelölések [S]=MVA – látszólagos teljesítmény z – mérések vektora
[P]=MW – hatásos teljesítmény h(x) – nemlineáris vektorfüggvény [V]=kV – feszültség x – állapotváltozó vektor (n elemszám)
[f]=Hz – frekvencia e – zaj
[ω]=rad/s – szögsebesség H – Jacobi-mátrix
[t]=s – idő W – mérési kovariancia inverz
[EK.E.]=MWs – kinetikus energia G – erősítési mátrix
[H]=s – inercia állandó b – eredményvektor (m elemszám) [J]=MWs/(rad/s)2 – tehetetlenségi nyomaték A – egyenletrendszer együtthatók
mátrixa (m×n méret) [M]= MWs/(rad/s)– perdület r – reziduális
[T] – N×m – nyomaték p – projekció
[δ] – rad – terhelési szög xp – partikuláris megoldás [D] – N×m×s – csillapítási együttható xn – speciális megoldás
[ε] – rad/s2 – szöggyorsulás 𝒙̂ – állapotváltozóra vonatkozó becslés [df/dt] – Hz/s – frekvenciagradiens
1 Bevezetés
A villamosenergia-rendszerek alapvető funkciójukat három fontos kritérium teljesítésével látják el. Az ellátásbiztonság, a villamosenergia-minőség és a költséghatékonyság minden tervezési, fejlesztési és üzemeltetési kérdés központi fókusza. Napjaink energiapolitikai törekvései ezt a hármast egy negyedik aspektus, a fenntarthatóság fogalmának beépítésével egészítik ki. Ennek egyik fontos hozadéka a megújuló energiaforrás alapú villamosenergia-termelés részarányának jelentős növekedése. Az elmúlt két évtizedben a támogatási rendszerek az energiatermelésben elenyésző szerepet betöltő tényezőből az iparág jelenét és jövőjét meghatározó elemmé, emellett tisztán üzleti alapon is versenyképes megoldássá emelték ezeket a technológiákat. Azonban a villamosenergia-rendszer mindmáig az egyik leginkább komplex műszaki alkotás, melyben egy fontos építőelem, az energiatermelés lényegi megváltoztatása számos hatást gyakorol a rendszer egészére. Napjainkban ezért az elektrotechnika, villamos energetika tudományterületén a megújuló alapú villamosenergia-termelés rendszerintegrációja a műszaki kutatások egyik intenzíven kutatott területe.
A rendszerintegrációs folyamatok során az új technológiákra – melyek elsősorban nap- és szélerőművi kapacitások - jellemző karakterisztikus különbségek számos üzemeltetési és irányítási kihívást hoznak magukkal. A konvencionális szinkrongenerátoros és ezen jelentős mértékben terjedő megújuló alapú technológiák között az időjárásfüggőség, illetve a decentralizált jelleg mellett egyre hangsúlyosabb kutatási terület a villamosenergia-rendszer egészének dinamikus viselkedése. Azok a termelőegységek, melyek a hálózatra teljesítményelektronikai átalakítókon keresztül csatlakoznak, a hagyományos szinkrongenerátoros termelőegységekkel szemben nem járulnak hozzá a rendszer tehetetlenségéhez, azaz inerciájához. Mivel az inercia mértéke fontos szerepet tölt be a stabilitásvizsgálatok egy részében, ezért a termelői összetétel megváltozásának hatásvizsgálata kutatási kérdéseket vet fel.
A rendszerszintű kihívások mellett a termelői oldal decentralizációja az elosztóhálózatok tekintetében is számos kihívást hozott. Az elosztóhálózat szintjén az üzemirányítás teljesen más funkciót tölt be, mint az átviteli hálózatén. A korábban egyirányú áramlásokkal jellemezhető, a feszültségesés és áramterhelhetőség határait szem előtt tartó
tervezési elvek alapján létrejött egy kiterjedt infrastruktúra. Ez definíció szerint a
„villamos energia elosztására és csatlakozási pontra való eljuttatása céljára szolgáló vezetékrendszer, beleértve a tartószerkezeteket is, a hozzá tartozó átalakító és kapcsoló berendezésekkel együtt” [1]. Azaz egy infrastruktúra, ami gyakorlatilag az átviteli hálózat átadási pontjától juttatja el a villamos energiát a felhasználókig. A fogalom, és általánosan az elosztóhálózaton alkalmazott elvek alapjaiban nem veszik figyelembe az elosztott termelés hatékony integrálására alkalmas eszközöket. Ezen megközelítések részletes kutatása szükséges, melyben számos nyitott tudományos kérdés maradt. Kutatásom során olyan vizsgálati módszerekkel foglalkoztam, melyek a jelentős megújuló energiaforrással rendelkező villamosenergia-rendszerek tervezéséhez, fejlesztéséhez és üzemeltetéséhez hozzájárulhatnak.
Az időjárásfüggő elosztott villamosenergia-termelők térnyerése, az energetikai átalakulás folyamata mára bőven túllépett a kezdeti szakaszon. A Nemzetközi Energiaügynökség 2021-es helyzetképe és az elkövetkező 5 évre készített előrejelzései [2] megmutatták, hogy a 2021-es évben újonnan üzembe helyezett rekordmennyiségű (közel 290 GW) megújuló alapú villamosenergia-termelő több mint fele naperőmű. Az elkövetkezendő 5 évben világszinten a jelenleg beépített kapacitás közel duplájára nőhet, a 2020 és 2026 között beépítendő megújuló kapacitás megegyezik a jelenleg beépített atomerőművi és fosszilis alapú technológiák teljesítményével (~4800 GW). Kína élenjáró a folyamatban.
Európa, az Egyesült Államok és India pedig Kínával együtt a várható kapacitáslétesítések 80%-át teszi ki. A globális folyamatok fő hajtóereje a klímaváltozás mérséklése, melyben az energetikai ágazatnak kulcsszerepe van. Az Egyesült Nemzetek Szövetsége által szervezett éghajlatváltozási konferencia esetén például 103 ország kötelezte el magát a metánkibocsátás csökkentése mellett (megemlítendő, hogy a hat legnagyobb kibocsátó ország közül Kína, India és Oroszország nem tartozik az elkötelezett országok közé). Az Európai Unió kapcsán az elhivatottság a megújuló alapú villamosenergia-termelés irányában már hosszú ideje tetten érhető. A negyedik energia csomag, vagy más néven Tiszta Energia Csomag [4], a „Fit for 55” [5] és a RePower EU [6] bizottsági irányelvek és rendeletek ambiciózus terveket és kötelezettségeket vázolnak fel, melynek eredményeképp az elkövetkezendő két-három évtizedben a villamosenergia-rendszer strukturális változáson megy keresztül. Az Európai Unió egyértelmű célja élenjáróvá válni a megújuló alapú villamosenergia-termelés alkalmazásában, illetve csökkenteni az energiaforrások terén uralkodó jelentős függőséget más nemzetektől. Magyarország
tekintetében is adottak a körülmények a megújuló energiatermelés fejlődéséhez, elsősorban a naperőművi kapacitásokra vonatkozóan. Hazánk 2022-ben született rendszerterhelési rekordja 7396 MW [7], míg a beépített naperőművi kapacitás 2022 szeptemberében 3570 MW, melyből 1358 MW háztartási méretű kiserőmű (HMKE) [8].
A Nemzeti Energiastratégia [9] 2030-ra 6500 MW, míg 2040-re 11 000 MW beépített naperőművi kapacitást tűzött ki elérendő célul. Ennek rendszerintegrációja mind a rendszerirányítás különböző szintjein, mind pedig a hálózatfejlesztések kapcsán jelentős kihívás.
1.1 Az időjárásfüggő villamosenergia-termelés térnyerésének kihívásai
A megújuló energiaforrások technológiai szempontból sokrétűek, az egyes technológiák kapcsán pedig eltérő rendszerintegrációs kérdések merülnek fel. Az időjárásfüggő, és elosztottan csatlakozó1 termelők jelentősen eltérnek a hagyományos, centrális és forgó tömeggel rendelkező megoldásoktól, mint például a vízerőművek és biomassza. Kutatásom középpontjában a nap- és szélerőművek rendszerintegrációs kérdései állnak, melyek az elosztottság és időjárásfüggőség mellett teljesítményelektronikai átalakítón keresztül csatlakoznak2 a hálózatra, mely miatt forgó tömeg nélküli termelőként is szokás rájuk hivatkozni. A rendszerintegrációs kihívásokat az irányítási hierarchiával azonos módon is lehet tárgyalni, azaz rendszerszintű a rendszerirányító és átviteli hálózati engedélyes (Transmission System Operator (TSO) hatáskörébe tartozó) és helyi (elosztóhálózati engedélyes, Distribution System Operator (DSO)) szinten előforduló kérdésekre. A témában számos kitűnő összefoglaló készült, például P. Tielens disszertációjában [10] áttekintette, rendszerezte és példákkal szemléltette a különböző termelői összetételű villamosenergia-rendszereket.
1 A tengeri szélerőműparkok és naperőművek esetén akár a GW-os nagyságrend sem elképzelhetetlen, az Egyesült Királyság több ilyen szélerőművi projekttel rendelkezik, míg például Kína és India területén több ilyen hatalmas naperőművel találkozhatunk. A naperőművek esetén hazánkban is találkozhatunk a 100 MW nagyságrendben fejlesztésekkel. A kapacitások jelentős része azonban elosztottan jelenik meg a hálózaton.
2A szélerőművek esetén több kialakítás is elképzelhető, azonban a gyakorlatban leginkább a kétoldalról táplált aszinkron gépes és a teljesen átalakítós megoldás terjedt el [11]. Előbbi esetén némi inercia hatás adott, azonban ez elenyésző a szinkrongenerátoros termelőkhöz képest. Ezért általánosítható, hogy a szélerőművek forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők.
Milano et al. [11] összefoglalta a rendszerszintű hatásokat a frekvencia tekintetében, a modellezési és szimulációs feladatok átalakulását, és a stabilitási aspektusokat. Kitért továbbá az új technológiák nyújtotta lehetőségek érettségére, mint például az inverterek irányítástechnikája, az elosztott irányítási hierarchia, fazormérések alkalmazása vagy a stabilitásvizsgálatok körének bővítése. Az energiatermelési technológiák jellemzőit, a forgó tömeggel rendelkező és anélküli típusok különbségeit az 1. Táblázat foglalja össze. Ez nem egy teljeskörű elemzés a termelői technológiákra vonatkozóan, a legfőbb üzemirányításhoz köthető kihívásokat összegzi.
1. Táblázat: Energiatermelési technológiák összehasonlítása
Forgó tömeg nélküli, elosztott és időjárásfüggő villamosenergia-
termelők
Hagyományos centrális, szinkrongenerátoros villamosenergia-termelők
Rendszerszintű megjelenés
Elosztottság, kisebb egységteljesítmények. Sok esetben akár elosztóhálózati csatlakozások.
Nagy egységteljesítmények, az erőműhöz kapcsolódó villamos infrastruktúrával nagyfeszültségű
csatlakozás.
Hálózati csatlakozás
Teljesítményelektronikai átalakítón keresztül. Az átalakító irányítástechnikája jellemzően a
termelést optimalizálja.
Turbina-generátor egységek, melyek közvetlen hálózati kapcsolatuk révén
biztosítják a forgó tömeget, ellenállóképességet a nyomatékváltozásokkal szemben.
Időjárásfüggőség
A termelési technológia az időjárás függvénye, mely a rendelkezésre állást és a menetrendezhetőséget
alapjaiban meghatározza.
Az erőmű tulajdonképpen az üzemanyag rendelkezésre állása,
karbantartások és üzemzavarok függvényében folytonosan
működőképes, képes munkapontkövetésre.
Feszültségszabályozás
A működési határokat a konverter terhelhetősége szabja meg. Az
elosztóhálózatra csatlakozó termelők helyben feszültségnövelő
hatást fejtenek ki.
Rendszerszintű feszültség- meddőteljesítmény szabályozásban részvétel kidolgozott modell alapján,
a működést a szinkrongenerátor terhelési görbéje szabja meg.
Zárlati viselkedés, védelmi koordináció
Kisebb zárlati teljesítmény, szűkebb terhelhetőségi határok.
Jelentős zárlati teljesítmény, határokat a gép terhelhetősége
szabja meg.
A rendszerszintű integrációs kihívások az üzemirányítás 3 klasszikus szakaszában – az előkészítés, a valós idejű üzemirányítás és az üzemértékelés – egyaránt új feladatokat hoznak, az alábbi kutatási eredmények adtak alapot a kutatási kérdések megfogalmazásához.
Az üzemelőkészítés kapcsán az időjárásfüggő termelőegységek részarányának növekedése új megközelítéseket igényel a tartaléktervezésben [13][14]. Az elosztottságból fakadóan jelentősen átalakulnak a teljesítményáramlások, mely több üzemállapot előzetes mélyreható elemzését kívánja meg, védelmi kérdéseket vet fel, illetve az üzembiztonsági határok betartása is átalakulhat [15][16]. Érdekes példa erre az elosztott termelők frekvenciafüggő terheléskorlátozásra (FTK-ra) gyakorolt hatása [17].
Ezek a relék a nagy/középfeszültségű alállomásokban kapcsolnak, azonban a vonalon levő termelők esetén a kapcsolás hatásánál figyelembe kell venni az aktuális teljesítményáramlásokat is. A hálózati csatlakozás jellegéből fakadó forgó tömeg csökkenés is megjelenik az előkészítési szakaszban. A TSO feladata az irányított rendszer sokszempontú megfelelőségének vizsgálata. A Rendszerüzemeltetési Kézikönyv (System Operation Guideline [18]) 38. és 39. cikke tartalmazza a stabilitásvizsgálatokra vonatkozó előírásokat. A frekvenciastabilitás megfelelőséget minden TSO kétévente ellenőrzi olyan szempontból is, hogy szükséges-e az inercia mértéke kapcsán valamilyen intézkedés az irányított rendszerben. A stabilitással kapcsolatos tevékenységeket minden időtávon a dinamikus biztonságértékelésen (Dynamic Security Assessment) belül végzik az Európai Rendszerirányítók Szövetségénél (European Network of Transmission System Operators – Electricity, ENTSO-E) [19]. Kutatásom egyik központi kérdése a stabilitásvizsgálatok helyes értelmezése a jelentős forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelő részaránnyal rendelkező rendszerekben, melyekre vonatkozóan részletesebb elvi leírást ad a 2. fejezet, amely kitér mind a fogalomkör változásaira, mind pedig a lehetséges új kategóriák definiálására például az átalakítók egymásra hatása miatt.
A valós idejű üzemirányítás kapcsán egyre növekszik a hozzáférhető adatok száma. A diszpécserek számára azonban egyszerű és egyértelmű információt kell biztosítani annak érdekében, hogy munkájukat hatékonyan végezzék. Az üzemeltetési határok betartását a termelői összetétel jelentősen átalakítja: a statikus (terhelhetőségre, feszültségre, tartalékmennyiségre és gradiensképességre, zárlati viselkedésre), illetve a dinamikus (stabilitáskategóriák) határértékek tekintetében is új eszközök szükségesek a TSO-k számára, melyek számos eleme az üzemirányítási rendszer energiamenedzsment-
moduljaként képzelhető el [20]. Ilyen lehet például a forgó tömeg valós idejű megfigyelését szolgáló rendszer [21], vagy a kiterjedt mérési infrastruktúra (Wide Area Measurement System [22]) alkalmazása. Az üzemértékelés során pedig az előkészítési és valós idejű feladatok hatékonyságának ellenőrzése adatalapú eseményértékelés eszközével fontos, hiszen az egyre több rendelkezésre álló adatforrás és informatikai támogatás ezen a szinten segíthet a hatékonyabb számítási módszerek, folyamatok és eszközök kutatásához és fejlesztéséhez.
Az utóértékelés egyik fontos eleme a zárlati viselkedések kiértékelése, melyből számos információ nyerhető a termelői összetétel hatásairól a védelmi koordináció tekintetében [23][24], ezentúl az előkészítésnél említett üzemállapot-értékeléshez az utóértékelés szolgáltat adatot.
A nagyfeszültségű egyenáramú átvitellel létrehozott rendszerkapcsolatok világszinten fontos szerepet játszanak a stabilitás szempontjából, a nagy távolságok esetén egyre gyakoribb alkalmazásuk. Az ilyen típusú összeköttetések esetén ugyanis a rendszerek nem szinkronkapcsolatban állnak, tehát az inercia hatások nem összegződnek [25].
Bizonyos, teljesítményforgalom szempontjából kapcsolatban levő rendszerek így nem tekinthetők szinkronjárónak. A kisebb irányított rendszerek esetén a stabilitási határok kritikusabb tényezők, a nagyfeszültségű egyenáramú kapcsolatok nagy teljesítményforgalma miatt pedig legnagyobb egyszeres hibaként sok esetben képezik a frekvenciastabilitás-vizsgálatok tárgyát.
Az elosztóhálózat tekintetében az időjárásfüggő elosztott termelés más jellegű kihívásokat jelent, elsősorban azért, mert ezen a szinten alapvetően egy passzív struktúráról beszélhettünk, a cél a felhasználók ellátása volt a megfelelő infrastruktúra biztosításával. A villamosenergia-minőségi jellemzők megváltozása – például az átalakítók kapcsolóüzemű működéséből fakadóan, valamint a helyi feszültségviszonyok, túlterhelődések, és a meddőteljesítmény-gazdálkodás egyaránt fontos szerepet kap [26].
Mindazonáltal az elosztóhálózat esetén a termelők integrálása, az „aktív elosztóhálózat”
kialakulása teljes egészében átalakítja az elosztóhálózati tervezési elveket [27], a feszültségszabályozási megoldásokat és a túlterhelések elkerülését[28][29]. Emellett újszerű üzemirányítási megoldásokat is igényel, mely biztosítja a kellő szintű megfigyelhetőséget és az irányíthatóságot [30].
1.2 Problémafelvetés, kutatási kérdések és célkitűzések megfogalmazása
A megújuló rendszerintegráció témakörében felsorolt kihívások számos kutatási kérdést foglalnak magukba. A terület kiterjedtsége és összetettsége miatt a disszertációm fő kérdéseit, fókuszterületeit jelen fejezetben foglalom össze, egyben meghatározva a kutatási célkitűzéseket is, illetve a fejezet végén ismertetem a disszertáció felépítését.
Rendszerszinten a termelői összetétel stabilitást érintő kérdéseire fókuszálok, ezen belül is az inercia csökkenésének kihívásaira. A növekvő részarányban létesülő forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők nem írhatók le az elektromechanikus tranziens megközelítéssel, mely a stabilitási fogalmak és számítások egyik kiinduló eleme. Az első kutatási kérdés tehát a stabilitás fogalmának megfelelő értelmezése a termelői összetétel átalakulásának fényében. A fogalomrendszer ugyanis jelentős mértékben épít a szinkrongenerátoros villamosenergia-termelés fizikai jellemzőire, ebből vezeti le a generátorokra vonatkozó egyedi és rendszerszintű stabilitásvizsgálatokat is.
A forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők térnyerésével a stabilitás fogalomköre felülvizsgálatra szorul. Kutatómunkám során feldolgozom a forgó tömeg nélküli termelők kapcsán felmerülő kérdéseket, az irodalomban fellelhető kategorizálási törekvéseket, illetve a rendszerirányítói gyakorlatot. Erre építve megfogalmazok egy olyan stabilitásra vonatkozó fogalmi osztályozást, mely a termelői összetétel és rendszerméret aspektusait is tartalmazza.
A fogalmi szintű változás következményeként a rendszerleírási és vizsgálati módszerekben is új megközelítések szükségesek. Az egyes gépegységekre vonatkozó szögstabilitás, vagy a jelentősebb események (erőművi kiesések, zárlatok) esetén kialakuló rendszerszintű frekvenciaváltozások mértékének és a frekvenciastabilitás kérdéskörének vizsgálata egyaránt új módszertanok, és hatáselemzések kidolgozását igényli. Az új típusú megközelítések a részben szinkrongenerátoros, részben teljesítményelektronikai átalakítókon keresztül hálózatra csatlakozó termelők jelenléte esetén is megfelelő információkkal szolgálnak az üzemállapotok értékelése kapcsán.
Módszert dolgozok ki a forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők térnyerésének modellezésére vegyes összetételű termelői összetétellel jellemezhető villamosenergia- rendszerekben. Elemzem a megmaradó szinkrongenerátorokra gyakorolt hatást, számszerű értéket biztosító, közvetlen stabilitásvizsgálati módszerrel, mely a valós idejű üzemirányítás számára is hasznos információval szolgálhat.
További fontos kérdéskör a megváltozott rendszerstruktúra esetén felmerülő új szabályozási megoldások vizsgálata. A technológiai, piaci és regulációs előrelépések lehetővé teszik innovatív irányítási megoldások kialakítását is. Ezek közül a villamosenergia-rendszer forgó tömegének csökkenéséhez kötődően jelenik meg a szintetikus (vagy más terminológiával mesterséges, virtuális) inercia fogalma. A kifejezés a termelő-tároló-fogyasztó berendezéseknél alkalmazott teljesítményelektronikai átalakítók olyan vezérlését jelenti, hogy azok a megszokott rendszervizsgálati módszerekhez illeszkedően emulálják az elektromechanikai viselkedést, és így a forgó tömeg jelenlétét. A szintetikus inercia hatáselemzéséhez meg kell határozni azon fizikai jellemzőket, melyek az üzemirányítás szempontjából kiemelten fontosak. A szintetikus inercia szabályozástechnikai, technológiai kereteire számos tanulmány és kísérleti projekt fellelhető, munkám során a villamosenergia-rendszerre gyakorolt hatás számíthatóságát vizsgálom.
A szintetikus inercia kapcsán kutatásom fókuszában a rendszerszemléletű vizsgálatok állnak, az üzemirányítás számára kritikus paraméterek azonosítása, és a biztonságos üzem határainak megállapítása. A frekvenciastabilitás-vizsgálatok vonatkozásában a jelenleg az üzemirányítás során használt fizikai paramétereken keresztül értelmezhető vizsgálati módszert dolgozok ki. A módszer képessé teszi a rendszerirányítót a stabilitás határértékeinek számítására és a stabilitási tartalékok tervezésére, illetve rámutat a szintetikus inercia sajátosságaira.
Az elosztóhálózat tekintetében kutatásom középpontjában a kisfeszültségű (KIF) hálózat, azon belül is a megfigyelhetőség kérdésköre, az állapotbecslés alkalmazása áll.
Kutatásom során lehetőségem nyílt a Célzott Lendület Program és a Kooperatív Doktori Program keretében részt venni egy kísérleti elosztóhálózati állapotbecslő megalkotásában, melyhez számos új számítási eljárást dolgoztunk ki. Az elosztóhálózati üzemirányítás napjainkban a kisfeszültségen tulajdonképpen munkairányítási rendszernek minősíthető. Nincsenek valós idejű mérések, jelzések, hálózati állapot
hogy létrehozzunk megfelelő megbízhatóságú villamos modellt, legyen információ az aktuális feszültségviszonyokról, terhelésekről. Hazánkban is számos projekt foglalkozik a hálózatok felműszerezésével, megjelennek az elosztóhálózaton okos hálózati eszközök, beavatkozók. A rugalmassági szolgáltatások, illetve az aggregátorok térnyerése tovább növeli az aktív elemek és lehetőségek számát. A kisfeszültségű hálózatok állapotbecslése egy fejlődő kutatási terület, melyben az adatok rendelkezésre állása kulcsfontosságú. Az E.ON hazai áramhálózati engedélyesei az elmúlt években több kisfeszültségen alkalmazható okos hálózati technológiát is teszteltek, és döntöttek azok kiterjesztéséről.
Ezen berendezések egyrészt megváltoztatják a hálózat viselkedését, szabályozási karakterisztikájuk egyfajta kényszerként jelenik meg. Másrészt adatforrásként is fontos szerepet tölthetnek be egy hálózatszámító eljárás megalkotásában.
Kutatócsoporti együttműködés keretében kisfeszültségen alkalmazható elosztóhálózati állapotbecslő keretrendszer megalkotását tűztük ki célul, melynek részeként újszerű adatforrás felhasználások integrálása is szükségessé vált. Az elosztóhálózaton egyre nagyobb számban fellelhető okos eszközök állapotbecslő eljárásba integrálásával a számítási pontosság javulását feltételezhetjük. Célkitűzésem a kisfeszültségen alkalmazott integrált okos hálózati technológiák állapotbecslésbe építésének kidolgozása, valamint a hibára gyakorolt hatás számszerűsítése.
A disszertáció felépítésében követi az itt felsorolt célkitűzéseket, az egyes fejezetek ezekre a kérdésfelvetésekre ismertetik új tudományos eredményeimet. A „2.
Rendszerstabilitás és a forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők” fejezet a forgó tömeg nélküli termelők stabilitáskategóriákba építését mutatja be, mely az I. tézis bevezetése. A „3. Stabilitásvizsgálati módszerek” fejezet a rendszervizsgálati módszertant érintő kutatásokat és azok esettanulmányos alkalmazását tartalmazzák, melyek az I. tézis 1. és 2. altézisei, tehát a 2-3. fejezet együttesen mutatja be az I. tézist teljes egészében. A „4. Feszültségszabályozó eszközök szerepe a kisfeszültségű állapotbecslésben” fejezet a kisfeszültségű állapotbecslési eljárásba épített, megfigyelhetőséget és pontosságot javító, okos eszközök működésére építő kutatási eredményeket összegzi.
2 Rendszerstabilitás és a forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők
A villamosenergia-rendszerek stabilitásának fogalomköre igen széles, és a nagy kiterjedésű rendszerek üzemirányításával fejlődött együtt. Alapirodalmának P. Kundur
„Power System Stability and Control” című tekinthető [31], mely átfogó képet ad a tudományterületen alapvető fogalmakról, modellezési eljárásokról, számítási módszerekről, emellett esettanulmányokat és gyakorlatban széles körben alkalmazható paramétereket is tárgyal. A mű hivatkozott kiadása az 1990-es évekig elérhető tudásanyagot gyakorlatilag teljes mértékben lefedi. A biztonságos ellátáshoz szorosan kapcsolódó tulajdonságként a stabilitás az 1920-as évektől jelenik meg a szakirodalomban (egy 1924-es konferencián beszéltek először a hosszú távvezeték esetén felmerülő stabilitási kérdésekről [33]), elsőként az energiatermelő létesítmények és a fogyasztói csomópontok közti összeköttetések kapcsán az üzemeltetési határok meghatározásához vizsgálták a kérdéskört, egyszerű kétgépes rendszerleírásokat alkalmaztak. Az összeköttetések számának növekedésével a stabilitás komplexitása is nőni kezdett, szükségessé vált a többgépes rendszerek leírása is. A számítási képességek javulásával lehetővé vált az összetettebb modellek alkalmazása is Az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) és az International Council of Large Electrical Systems (CIGRÉ) szakmai szervezetek a stabilitáshoz kapcsolódó fogalmak (lengés, stabilitási határ stb.) már az 1960-as években igyekezett egységesíteni munkacsoporti tevékenység keretében. Ettől az időszaktól kezdve a tranziens stabilitás (nagyjelű szögstabilitás) kutatása játszotta a fő szerepet a fejlődésben. A következő mérföldkő a stabilitás fogalomkörének tekintetében a nagy nemzetközi szervezetek, az IEEE és a CIGRÉ P. Kundur által vezetett közös munkacsoportjának tevékenysége volt [32], melynek keretében a gyakorlati alkalmazásokhoz közelebb álló formában igyekeztek megfogalmazni az egyébként meglehetősen összetett matematikai és fizikai háttérrel rendelkező problémakört. A közleményben a stabilitásra vonatkozóan egy fogalomjavaslat is megjelenik [32]:
„A stabilitás a villamosenergia-rendszer azon képessége, hogy egy adott – állandósultnak tekinthető - kiindulási állapotból valamilyen fizikai változás hatása mellett képes megőrizni az üzemi egyensúlyát, a rendszer változói meghatározott határok közt maradnak, tehát a rendszer egésze épségben marad.”
A stabilitás így megfogalmazva rendszerjellemző, de kategorizálásában – melyet a 2.1 fejezet tárgyal – találkozhatunk egyedi elemekre vonatkozó esetekkel is, azonban egyedi elemek stabilitásának elvesztése nem feltétlenül jelent rendszerszintű instabilitást.
A villamosenergia-rendszerek komplexitásából fakadóan a stabilitást ritkán értelmezzük ezen általános definíció szerint, nagyon hamar megfogalmazódott az igény kategóriák definiálására. A kategorizálás alapját a következő megközelítések adják [31]:
• a létrejövő instabilitás fizikai természete, azon paraméterek (pl. feszültség, szög vagy frekvencia) amelyeknek változásában az instabilitás megfigyelhető;
• a kiváltó esemény mértéke, mely megszabja a modellezési eljárás mélységét;
• azon eszközök, folyamatok köre és az időtartam, melyet figyelembe kell venni;
• a számítási módszertan és annak korlátai.
Hazánkban a területen utolsó könyv Bókay Béla és Rácz László
„Villamosenergia-rendszerek stabilitása” [34] című műve volt, mely az 1980-as évekig elérhető tudásanyagot kitűnően összefoglalta. A villamosenergia-rendszerek területét átfogóan Geszti P. Ottó tárgyalta [35], ebben is jelentős szerepe volt a stabilitás kérdéskörének, szintén a 80-as évekkel bezárólag tartalmazza a tudományterület összefoglalását. A háromkötetes mű 2. kötetében megjelennek alapvető számítások és a szinkrongép modellek, míg a 3. kötet tartalmazza a stabilitásszámítás összefüggéseit. Az ezt követő lassan 40 évben hazánkban átfogó mű a tématerületen nem készült, a kutatási eredmények leginkább az egyetemi oktatási jegyzetekben jelentek meg az oktatók és kutatók munkájának eredményeképp.
A tématerület folyamatosan fejlődött és széles szakirodalom épült rá, az elmúlt évtizedben bekövetkezett változás a termelői összetételben azonban alapjaiban formálja át a stabilitás kérdéskörét. Ezt jól mutatja a fogalomértelmezést bemutató tudományos
publikációk megjelenése, melyek közül az IEEE-CIGRÉ munkacsoport közös munkájának legutóbbi fázisa külön kiemelendő [36]. A 2016-ban megkezdett munka eredményeként 2021-ben megjelent cikk a stabilitás fogalomkörét bővíti ki.
Disszertációm 2. fejezetében ezt a kérdéskört tárgyalom, elindulva az évtizedes múltra visszatekintő alaphelyzettől (2.1), a fizikai kép átalakulásán át (2.2) az aktuális rendszerirányítói tevékenységeket (2.3) kutatási eredményeken (2.4) át egy saját javaslattételig (2.5), mely rendező elvként szolgálhat a forgó tömeg nélküli termelők rendszerhatásait megfelelően tárgyaló stabilitáskategorizáláshoz, és elsősorban a gyakorlatban is alkalmazható rendszervizsgálati módszerekhez igazodik, ezzel egy más jellegű megközelítést adva a problémakör kezelésének.
2.1 Stabilitásvizsgálati kategóriák a szakirodalomban
A stabilitás kategorizálásának alapjául a szakirodalom általánosan P. Kundur megközelítését alkalmazza [31]. Fejezetemben nem célom az egyes stabilitáskategóriák mélyreható értelmezése, ez bőven túlmutat a disszertáció keretein. Egy tömör áttekintést adva teszem lehetővé a forgó tömeg nélküli termelők térnyerésének helyes értelmezését a következő fejezetekben. A kategóriák kapcsolatát az 1. ábra szemlélteti, melyen a halványkék téglalap jelöli azt a területet, melyen belül a forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők megjelenése értelmezési kérdéseket hoz be, az ábrát a [31]
irodalom alapján készítettem.
1. ábra: A villamosenergia-rendszer stabilitáskategóriái
Jól kivehető, hogy a generátorok (zöld kategóriák) valamint a fogyasztói oldal (piros kategóriák) viselkedésén alapuló folyamatok elkülöníthetőek egymástól. A generátorokhoz fűződő stabilitási kérdések pedig építenek a szinkrongenerátorok tulajdonságaira. Alapvető feltételezése ennek a kategorizálásnak, hogy a villamosenergia- termelés forgó tömeggel rendelkező egységekkel valósul meg. A fő cél a szinkronizmus megőrzése a generátorok esetén, melynek különböző vetületei vannak. A következő szinten a fizikai jellemző alapján választhatjuk szét a kategóriákat: megjelenik a szög- és frekvenciastabilitás a szinkrongenerátorok esetén, míg a terhelés oldalán a feszültségstabilitás.
A szögstabilitás – vagy rotorszög-stabilitás – tulajdonképpen egyedi szinkrongenerátorok szinkronizmus megőrzési képessége (rendszerszinten az összes generátorra kiterjeszthető), azaz az elektromechanikai tranziensek során a gép nem gyorsul fel, vagy lassul le olyan mértékben, hogy az a szinkronjárás feltételét megsértse [31]. Egyik alfaja a tranziens stabilitás, mely a szinkronozó nyomaték megfelelőségét vizsgálja. Kis mértékű zavarok esetén kisjelű alkategóriájában jellemzően a csillapítás hiányáról beszélhetünk, megjelenése lehet helyi vagy rendszerszintű is.
A frekvenciastabilitás a villamosenergia-rendszer azon képessége, hogy a termelés-fogyasztás aktuális értékekben bekövetkező jelentős változás után képes a frekvencia előírt határok közti tartására [31]. Az instabilitás frekvenciaváltozás formájában jelentkezik, és további termelői/fogyasztói kiesésekhez vezethet. Okai közé tartozhat a nem megfelelő szabályozó beállítás, elégtelen tartalékmennyiség vagy beavatkozás.
A feszültségstabilitás a villamosenergia-rendszer azon tulajdonsága, hogy egy fizikai változás hatását követően képes állandó feszültséget tartani a gyűjtősíneken [31].
Az instabilitás ilyen esetben a gyűjtősínek feszültségében jelentkezik, oka általában az elégtelen meddőteljesítmény-betáplálás. Helyi jellegű, az impedanciaviszonyok és teljesítményáramlások szabják meg.
A következő szint alapvetően a tranzienst kiváltó események mértékében, ebből fakadóan pedig az alkalmazandó modellezési mélységben tesz különbséget: kisjelű vizsgálatok alkalmazhatók, amennyiben az események a munkapont közeléből nem mozdítják ki a rendszert, míg a nagyobb eseményekhez jellemzően már több nemlinearitás figyelembevétele szükséges. Végezetül az időtáv, melyen az eseményeket vizsgáljuk szintén behatárolja az alkalmazható módszereket. A rövid időtáv a
villamosenergia-rendszer stabilitása tekintetében néhány másodperc – néhány tíz másodperc, míg a hosszú időtáv a néhány tíz másodperctől percekig terjedő időtartam (a teljesítményelektronikai átalakítók térnyerésével a stabilitás időtartományának alsó határa csökken, szükségessé válik a korábbinál gyorsabb lefolyású eseményeket is figyelembe venni). Kiemelendő, hogy a stabilitás sok esetben keresztfüggések vizsgálatát is igényli, ilyen esetben komplex analízis, és jellemzően erőforrásigényesebb időbeli szimulációk elvégzése szükséges. A stabilitásvizsgálatokkal kapcsolatos kutatások éveken át a kritikus, részletesen vizsgálandó események halmazának meghatározását tűzték ki célul a számítási kapacitások optimális kihasználásának érdekében. Ennek megvalósításához alkalmaztak közvetlen vizsgálati módszereket, és majoráló kritériumokat.
A stabilitás rendszerelméleti megközelítéssel is kezelhető [32], melynek jelentős természettudományos kutatási háttere van, melyben a Lyapunov stabilitás, vagy a bemenet-kimenet stabilitás említhető példaként. Megfelelő alkalmazásuk esetén tovább szűkíthetik a megengedhető működési tartományokat a biztonságos üzem érdekében.
Fontos fogalmi kérdés a tudományterület értelmezésekor továbbá a stabilitás, megbízhatóság és a biztonság kapcsolata [32]. Megbízhatóság (az angol terminológiában reliability) a kielégítő működés valószínűségének leírása hosszú távon. Ebből fakadóan ez a jellemző egy időtartamra értelmezhető, mérhetőségét pedig az ellátásra káros folyamatok gyakoriságával, nagyságával és időtartamával teremthetjük meg. Ez a legbővebb fogalom, a megbízhatóság magában foglalja a megfelelőség (adequacy) és a biztonság (security) meglétét [37]. Előbbi az ellátási képességet jellemzi kvalitatívan, utóbbi pedig tulajdonképpen egy kockázatértékelés. Azt vizsgálja, hogy a rendszer képes- e adott kontingencia esetén folyamatos szolgáltatást fenntartani. Ebbe beletartoznak a stabilitási események is, de annál bővebb halmaz. A biztonságot és a stabilitást továbbá megkülönbözteti az is, hogy a zavar milyen hatást kelt. Például két rendszer rendelkezhet azonos stabilitási határokkal, de az a rendszer, melyben instabilitás hatása jelentősebb problémákhoz vezet, kevésbé megbízható [36]. A vizsgálatok statikus (az adott állandósult állapotban nincs túlterhelés vagy nem megengedhető feszültség) és dinamikus vizsgálatokat ölelnek fel, utóbbiba tartozik a stabilitásvizsgálatok zöme. A biztonság és a stabilitás rendszerállapotot jellemez, ebben a tekintetben is szűkebbek, mint a megbízhatóság.
2.2 A forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők sajátosságai
A rendszerszintű dinamikai változások megértéséhez a fizikai háttér tárgyalása szükséges. A hagyományos szinkrongenerátoros villamosenergia-termelésre jellemző elektromechanikai leírásmód, ezen belül is az inercia és a lengési egyenlet bevezetése rámutat a villamos frekvencia és a forgó tömeg fizikai kapcsolatára. Ennek ismeretében feltárható, hogy mik azok a konkrét kihívások, melyekkel a rendszerirányító szembesül.
2.2.1 A forgó tömeg szerepe, a lengési egyenlet bevezetése
Forgó tömeggel rendelkező villamosenergia-termelési technológia esetében a szinkron inercia (inercia=tehetetlenség) a termelőegység azon természetes tulajdonsága, hogy frekvenciaváltozás (df/dt 0, angol kifejezéssel Rate of Change of Frequency, RoCoF) esetén a szinkronforgó tömeg a forgási sebességének változása révén, minden egyéb beavatkozás nélkül, a tárolt kinetikus energia megváltozása által képes megváltoztatni a rendszerbe kiadott villamos teljesítményét (df/dt <0 esetén Pg >0, illetve df/dt >0 esetén Pg <0,). Az alábbi levezetés Tamrakar et al. [38]
jelölésrendszerével megegyező leírása a villamosenergia-rendszer elektromechanikus tranzienseinek.
Egy tisztán forgógépes termelői összetétellel rendszerben hirtelen bekövetkező, nagymértékű hatásos teljesítményváltozással járó esemény (generátor kiesés, fogyasztói terület leválás, védelmi működések) esetén a df/dt frekvenciaváltozást a szinkronjáró rendszer dinamikus teljesítményegyensúlyával, a rendszer - szinkronforgó tömegeiben felhalmozott - összes kinetikai energiájának (EK.E) időbeni változásával lehet megadni.
(1) és (2) rendre megadja a villamosenergia-rendszer statikus, és dinamikus egyensúlyának összefüggéseit [38]:
𝑃𝑔 = 𝑃𝑚 = 𝑃𝑓 (1)
𝑃𝑚− 𝑃𝑓 =𝑑(𝐸𝐾.𝐸.,𝑅)
𝑑𝑡 = 𝐽𝑅𝜔𝑅𝑑𝜔𝑅 𝑑𝑡
(2) Ahol Pg a termelőegységek által az váltakozó áramú hálózatba kiadott villamos összteljesítmény, Pm a rendszer időben változó turbinaoldali összteljesítménye, Pf a fogyasztók frekvencia- és feszültségfüggő, időben változó villamosteljesítmény-felvétele (beleértve a veszteségeket is), J a rendszer teljes tehetetlenségi nyomatéka és ωR a
rendszer aktuális szinkron körfrekvenciája. Így a dinamikus egyensúly a forgó mozgás jellemzőivel is kifejezhető. Az állandósult állapotban érvényes statikus egyensúly (1) esetén az időbeli változás 0, ilyenkor a Pm és Pf változók megegyeznek. Ez a megfogalmazás elhanyagolja a rendszerben jelen levő csillapítást és egyéb dinamikai hatásokat, melyeket a 2.2.2 fejezetben mutatok be.
(1) dinamikai oldalról a nyomatékok egyensúlyaként is felírható [31].
Amennyiben a szinkrongép forgórészére ható nyomatékok egyensúlya felbomlik, definiálhatunk egy gyorsítónyomatékot (Tgy), mely a mechanikai (Tm) és villamos nyomaték (Te) közti különbség (előjeles összegben, ezek iránya ugyanis az értelmezésben ellentétes), illetve a dinamikus egyensúly nyomatékmennyiségekkel kifejezve a következőképp alakul [31]:
𝑇𝑔𝑦,𝑖= 𝑇𝑚,𝑖+ 𝑇𝑒,𝑖
(3) Ez tulajdonképpen a dinamikus egyensúly egy más megfogalmazása. Ahogy (1) teljesítményekre, ez nyomatékokra fogalmazza meg. Valamint ahogy a fejezet bevezető gondolatában a teljesítményekre vonatkozóan az előjeleket megfogalmaztam, ugyanez értelmezhető nyomatékokra is: ha Tm csökken, vagy Te nő, az a forgó tömeg lassulásához vezet, és fordítva. Az „i” index minden esetben az egyetlen gépre vonatkoztatott egyenleteket jelöli, az „R” index a rendszerszintű változókat. A csillapítás elhanyagolásával a kinetikus (forgási) energia megváltozásával is felírható a nyomatékegyensúly a következőképp [31]:
𝐽𝑑𝜔𝑖
𝑑𝑡 = 𝑇𝑔𝑦,𝑖 = 𝑇𝑚,𝑖 + 𝑇𝑒,𝑖 (4) A gyorsító nyomaték hatása a szinkrongép forgó tömegét gyorsítja, avagy lassítja a hatás irányának (Tgyelőjelének) megfelelően. A statikus egyensúly esetén nincs gyorsító nyomaték, a mechanikai és villamos összetevő megegyezik. A stabil tartományban a szinkrongenerátorok együttjárása a munkapontmegőrző-képességen alapul. Ha egy esemény hatására egy generátor gyorsabban forog, terhelési szöge (δ) nő, többletterhelést vesz fel, lehetőséget adva a lassabb gépeknek a felgyorsulásra, a szögkülönbségek kiegyenlítődésére. A stabilitás egyik kulcsfontosságú eleme a megfelelő nyomatékok rendelkezésre állása. A nyomatékok kapcsán fontos megjegyezni, hogy vektoriálisan a gyorsító nyomaték két komponensre bontható [31]:
∆𝑇𝑔𝑦,𝑖 = 𝑇𝑠𝑧,𝑖∆𝛿 + 𝑇𝑐𝑠,𝑖∆𝜔
(5) A Tsz szinkronozó nyomaték a szögváltozással fázisban levő tag. Hiánya aperiodikus rotorszögnövekedéshez vezet. A Tcs csillapító nyomaték a szögsebesség- eltéréssel van fázisban, hiánya csillapítatlan, oszcilláló lengésekhez vezet. Néhány ponton a stabilitáshoz kapcsolódó fogalmakban hivatkozok az egyes nyomatékkomponensekre, bevezetésük ezért szükséges.
A tisztán forgógépes rendszerben a kinetikus energia egy gépre vonatkozóan kifejezhető a H szinkron inercia állandóval és az Si látszólagos teljesítménnyel. Ugyanez átírható a forgómozgás dinamikai jellemzőivel, a Ji tehetetlenségi nyomatékkal, n
szögsebességgel, és az Mi perdülettel kifejezve a következőképp [38]:
𝐻𝑖𝑆𝑖 =1
2𝐽𝑖𝜔𝑛2 = 1
2𝑀𝑖𝜔𝑖 = 𝐸𝐾.𝐸.,𝑖 (6)
A rendszerben üzemelő szinkrongenerátorokra összesített kinetikus energia pedig számítható az SR rendszerszinten összegzett generátor látszólagos teljesítménnyel, az egyes forgógépek Hi, Ji és Si változókkal és rendszer n névleges körfrekvenciájával kifejezve (EK,E,R), és ebből megadható a rendszerre vonatkozó inercia állandó (HR), mely átszámítható (6) alapján mechanikai változókkal is, ahogy (8) mutatja [38]:
𝐻𝑅 =𝐸𝐾.𝐸.,𝑅
𝑆𝑅 = ∑ 𝐻𝑖𝑆𝑖 𝑆𝑅
(7)
𝐻𝑅 = 𝐽𝜔𝑛2 2𝑆𝑅
(8)
Ezeket a (2) egyenletbe helyettesítve a dinamikus egyensúly megfogalmazása adódik az inercia konstans, rendszerfrekvencia és teljesítmények felhasználásával [38]:
2𝐻 𝜔𝑛
𝜔𝑅 𝜔𝑛
𝑑𝜔𝑅 𝑑𝑡 = 2𝐻
𝑓𝑛 𝑓𝑅 𝑓𝑛
𝑑𝑓𝑅
𝑑𝑡 = 𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ− 𝑃𝑓𝑜𝑔𝑦 𝑆𝑅
(9) Ahol a dfR/dt a rendszerfrekvencia változási sebessége, a RoCoF. Kisebb H inerciaállandó esetén a RoCoF értéke nagyobb, ami a rendszer frekvenciájának gyorsabb és nagyobb mértékű változását okozza ugyanazon időtartam alatt. (9) jobb oldalán szereplő teljesítménykülönbség segítségével pedig a RoCoF kapcsán becsülhető egy felső korlát is. A legnagyobb egyszeres hiba teljesítményértékét (legyen akár ez egy erőművi/fogyasztói kiesés, zárlat, import/export kapcsolat elvesztése) és a rendszer forgó
tömegét ismerve számítható a legnagyobb érték. A rendszerelemek ismeretében pedig meghatározható az a határérték, melynél nagyobb RoCoF már nem engedhető meg [39].
Erre a csatlakozó rendszerelemek miatt van szükség – a mechanikai forgó tömegek számottevő erőhatásnak lennének kitéve, védelmi működések kapcsán okozhat problémát (szigetüzem elleni védelmek, terheléskorlátozások), illetve a szabályozás reakcióideje elégtelenné válhat [40]. (9) a lengési egyenlet, mely leírja az elektromechanikus tranziens viselkedést.
Visszatérve a (6) összefüggéshez, a H inercia konstans és az EK.E kinetikus energia egyaránt a rendszer tehetetlenségét jellemzi, a termelői összetétel átalakulásával azonban az elektromechanikai leírás paramétereinek fogalmi lényege is megváltozik [41]. Teljesen szinkrongenerátoros villamosenergia-rendszerek esetén ez ezek az S látszólagos teljesítménnyel könnyen megfeleltethetők egymásnak. Sok esetben azonban a szakirodalom sem használja konzisztensen ezekben az összefüggésekben az S látszólagos és P hatásos teljesítmény jelölést. A forgó tömeg nélküli termelők esetében nem beszélhetünk szinkron inerciáról, H=0 s. Emiatt a rendszerrészek egyenértékű lezárássá redukálásakor azonban az inercia konstans – teljesítmény párok (a (7) szerinti Hi*Si
tagok) nagy része kiesik. Az ENTSO-E [42] ezért a viszonyítási alapot már a terhelésre vonatkoztatja hatásos teljesítményben, igazítva a fizikai képet a forgó tömeg nélküli termelők integrációja során bekövetkező változásokhoz. Az irodalomkutatás egy fontos konklúziója, hogy:
Az elektromechanikai tranziens szimulációk esetén a modellekben sok esetben alkalmazunk egyenértékű helyettesítéseket rendszerrészekre (egygépes helyettesítés).
Amikor forgó tömeg szempontjából jellemzünk egy villamosenergia-rendszert, célravezetőbb a kinetikus energiáról beszélni, mint szinkron inerciáról, ez ugyanis egy additív mennyiség. Az inercia konstansok származtatásakor tudományos művek eltérő viszonyítási alapokat alkalmaznak, mely sok esetben megnehezíti az összehasonlíthatóságot és az eredmények értelmezését.
A különböző szinkrongenerátoros villamosenergia-termelési technológiák eltérő H inercia állandóval jellemezhetők a 0,5-10 s intervallumban [10]. A teljesítményelektronikai átalakítón keresztül hálózatra csatlakozó, azaz forgó tömeg nélküli villamosenergia-termelők esetén az inercia konstans értéke 0, szinkron inerciával ezek a berendezések nem rendelkeznek. Emiatt a klasszikus dinamikai leírás
Forgó tömegű villamosenergia-termelési technológia esetében a szinkron inercia a termelőegység azon természetes tulajdonsága, hogy frekvenciaváltozás esetén a szinkronforgó tömeg a forgási sebességének változása révén, minden egyéb beavatkozás nélkül, a tárolt kinetikus energia megváltozása által képes megváltoztatni a rendszerbe betáplált villamos teljesítményét.
Bevezetem továbbá a rendszerszögsebesség és rendszerszöggyorsulás fiktív mennyiséget, mely a rendszer inerciaközéppontjára jellemző. Ezt az ꙍ szögsebességet (vagy 𝜀𝑅, szöggyorsulás) úgy nyerhetjük, hogy a perdületekkel (M) súlyozott átlagot számítjuk a rendszer gépegységeire:
𝜔𝑅 =∑ 𝑀𝑖𝜔𝑖
∑ 𝑀𝑖 , 𝜀𝑅 =∑ 𝑀𝑖𝜀𝑖
∑ 𝑀𝑖 (10)
2.2.2 A frekvenciaváltozás dinamikájának változása
A csillapítással kiegészített lengési egyenlet leírja a szinkrongenerátoros együttjárást dinamikai szempontból, azonban a rendszer frekvenciájára további fizikai folyamatok is hatnak. A European Network of Transmission System Operators – Electricity (ENTSO-E) az elektromechanikus tranziens vizsgálatok során figyelembe vett hatásokat összefoglalta egy kutatási jelentésében, melyek a következők: a terhelés feszültség- és frekvenciafüggése, a kiegyenlítő szabályozások (frekvenciamegtartó – primer, frekvenciahelyreállító – szekunder), a frekvenciaérzékeny működési beállítás, FTK és a szintetikus inercia [42]. Ez a felsorolás tartalmazza azon folyamatokat, melyeket a számítás során a lengési egyenlet megoldásakor figyelembe kell venni.
A rendszer inerciájához nem csak szinkron termelőegységek járulhatnak hozzá, a forgó tömeg minden olyan berendezésre értelmezhető, mely a szinkrongenerátorokra jellemző elektromechanikus viselkedéssel jellemezhető. Ilyen motoros terhelések, villamos hajtások, szivattyúk nagy számosságban megtalálhatók. Bian et al [43] 20%-ra tette a forgó tömeg részarányán belül a fogyasztói oldal hozzájárulását 1,75 s inercia konstanssal. Thiesen és Jauch [44] fogyasztói csoportokra vonatkozóan végzett részletes vizsgálatokat. A fogyasztói dinamika a feszültség- és frekvenciaérzékenységen keresztül is kezelhető, mely ugyan fizikai képben eltér a forgó tömeg alapú megközelítéstől, de megfelelő paraméterválasztás esetén ugyanúgy alkalmas a rendszer megfelelő leírására.
A kérdés ilyenkor az, hogy valaki tisztán a dinamikai szemléletet (forgási energia) akarja érvényesíteni, vagy a folyamatok összességében linearizált összefüggéseivel képezi le a
