Ostrovní elektroenergetické provozy

6.3.4.14

Ostrovní elektroenergetické provozy

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

 NahoruÚvod

Spolehlivost zásobování a kvalita dodávané el. energie je jedním z nejdůležitějších faktorů, které ovlivňují nepřetržité výrobní procesy ve velkých průmyslových podnicích.

Kritériem hodnocení spolehlivosti jsou počty a časový integrál krátkodobých a dlouhodobých výpadků napájecí sítě. Kritéria kvality napájení v sobě navíc zahrnují krátkodobé a dlouhodobé poklesy a přepětí napájecí sítě, obsah vyšších harmonických v proudu a napětí. Vnější napájecí síť je zpětně ovlivňována připojenými odběrateli el. energie, kteří charakterem zátěže ovlivňují kvalitu v daném místě.

Faktory, které ovlivňují kvalitu napájení, jsou příspěvky od poruch v propojené soustavě, které se více nebo méně projeví v daném místě napájení (např. poklesy napětí) a výpadky napájecích vedení a distribučních transformátorů při působení jejich ochran. Parametry kvality předávané el. energie definuje norma ČSN EN 50 160 "Charakteristiky napětí el. energie dodávané z veřejné distribuční sítě“.

Na straně druhé je odběratel el. energie, jehož charakter výroby a zejména úroveň a stav technologie jsou více nebo méně závislé na kvalitě odebírané el. energie.

Obecně existuje celá řada opatření pro zvýšení spolehlivosti napájení důležitých technologií, vybudovaných jak na straně napájecí soustavy, tak na straně odběratele a jejich kombinace.

Lze vyjmenovat ty nejdůležitější:

• nezávislá napájecí vedení z nezávislých energetických uzlů

• postupně napájecí úroveň 110 kV, 22 kV, 6 kV

• paprskovité připojení vvn, vn

• možnost přechodného paralelního spojení nezávislých napájecích oblastí přes nezávislá napájecí vedení

• provoz vlastních energetických zdrojů

• možnost automatického vytvoření plánovaných separátních energetických provozů – ostrovní provozy (OP)

• vytvoření automatických záskoků

• v obecné rovině je využívání moderních spolehlivých selektivních ochran s krátkými časy působení atd.

Méně energeticky náročné technologické provozy lze zálohovat z místních měničových zdrojů, buď plně nebo částečně a následně využít funkci automatického záskoku v časech 0,2 ÷ 1 s, při velkých setrvačných točících se hmotách v technologii je nutné časy prodloužit.

Trvalý paralelní provoz hlavních a záložních distribučních transformátorů, které jsou nezávisle napájeny z nezávislých uzlových bodů energetiky, není vhodný a ČEPS tyto provozy nepovoluje z důvodu vysokých ztrát a přetoku jalových výkonů. Paralelní provoz se umožňuje při povolených manipulacích.

Výroba el. energie vlastními generátory umožňuje při vytváření ostrovní oblasti omezený provoz důležitých technologických procesů nebo plné udržení výroby. Vlastní generátory mají velmi dobrý účinek na snížení hloubky krátkodobých poklesů napětí z vnější sítě a tedy následně dochází ke zvýšení spolehlivosti chodu výrobní technologie.

 NahoruVlastní energetické zdroje

Vlastní energetické zdroje malých výkonů obvykle do 40 ÷ 50 MW jsou součástí průmyslových podniků a zejména tepláren. Vždy se jedná o kombinovanou výrobu páry a el. energie, kdy prioritním médiem je buď pára nebo el. energie.

Turbíny generátorů jsou konstruovány jako protitlaké a kondenzační nebo jejich kombinace. Při provozu protitlaké turbíny je nutné pro zajištění jmenovitého el. výkonu odebrat páru v plném průtoku na výstupu turbíny do navazující parní technologie. V opačném případě prudce klesá el. výkon generátoru.

U kondenzačních turbín výstupní pára kondenzuje a el. výkon je úměrný proteklému množství páry. Velmi často jsou využívány turbíny s kombinací protitlaku a kondenzace.

Regulace generátorů v propojené elektrizační soustavě je výkonová, při separátním provozu otáčková. Výkonová regulace (primární regulace) je obvykle v rozsahu 5% jmenovitého výkonu. Sekundární regulace udržuje napěťovou úroveň na svorkách generátoru. Časové konstanty regulátorů jsou jednotky stovek ms. Necitlivost a velikost proporcionálních složek regulátorů jsou určeny požadavky na chod generátorů a podle dynamických vlastností turbín a parních ventilů.

Ekonomie provozu (cena na výrobu MWh) malých turbogenerátorů je obecně horší ve srovnání s cenou MWh při odběru ze státní sítě. Pokud je prioritou výroba páry, pak výroba el. energie je doplňková a její výrobní náklady nejsou určující. Význam vlastních malých zdrojů je podstatný všude tam, kdy tyto zdroje jsou technicky přizpůsobeny pro zásobování el. energií separátní energetické oblasti v případě poruch v napájecí síti.

Příkladem jsou teplárny s prioritním významem centrálního zásobování teplem, kdy s vlastním el. výkonem je umožněno napájení částí městských aglomerací. Dalším příkladem jsou průmyslové podniky.

Pokud vznik separátních oblastí – ostrovních provozů (OP) je technicky připraven jak na straně vlastních generátorů, tak opatřeními na straně spotřeby (možnost dosažení vyrovnané výkonové bilance), pak úspěšnost udržení chodu OP je vysoká.

Pravděpodobnost poruchy na napájecí síti je závislá na hladině napájení (110 kV, 22 kV), na počtu manipulací, na havarijních stavech ES (např. rozpad propojené soustavy), na povětrnostních podmínkách a živelných katastrofách. Obvykle poruchy v napájecí síti vedoucí k výpadku výroby u průmyslového podniku jsou v počtu jednotek / rok.

Ztráty z jednoho výpadku jsou dobře vyčíslitelné a lze dobře zhodnotit ekonomii nákladů na dodávku a provoz zařízení pro ostrovní provoz, popř. přizpůsobení výrobní technologie a stávajícího rozvodného systému.

 NahoruPodmínky pro vznik a chod ostrovního provozu

Ostrovním provozem se rozumí provoz místního zdroje elektrické energie nebo skupiny zdrojů do elektrické sítě s odběry bez vazby na vnější elektrickou síť. Ostrovní provoz může vzniknout nahodile nebo plánovaně. Provoz v ostrovním režimu má vlastní specifika a může docházet i k odchylce parametrů elektrické energie od standardu. Pro ostrovní provoz platí také norma ČSN EN 50160 , kde jedna z částí definuje kvalitu elektrické energie právě v době ostrovního provozu. V době ostrovního provozu jsou povoleny vyšší odchylky parametrů napětí od běžného provozu. Významné jsou zejména odchylky frekvence.

Pro ostrovní provoz je rozhodující výkonová rovnováha mezi výrobou a spotřebou, charakter odběru a kvalita regulace generátoru a turbíny. Z těchto důvodů mají nahodile vytvořené ostrovní provozy malou naději na úspěch a vyžadují okamžitý zásah obsluhy. U automaticky vytvářených ostrovních provozů, jako reakce na nestandardní poměry v elektrické síti, dochází při vytváření ostrovního provozu automaticky ke změně charakteru regulace generátorů a k vytvoření vyrovnané výkonové bilance. Ostrovní provoz se vytváří rozpojením předem definovaného místa – dělícího bodu rozpadovou automatikou (RA). Vyrovnání a sledování výkonové bilance při vzniku ostrovního provozu i během celého provozu zajišťuje bilanční automatika (BA).

Variant vzniku OP je několik:

• automatické vydělení uzlových míst ES při poruchách s havarijními změnami kmitočtu

• plánovité vytvoření OP pomocí soustavy frekvenčních relé v důležitých dělících místech s nastavením parametrů ve vzájemné vazbě

• plánovité vytvoření OP s využitím speciální rozpadové automatiky (RA), kdy k vytvoření OP dojde pouze v případě, že porucha je mimo plánovanou oblast ostrovního provozu

• plánované vytvoření OP v oblasti zdrojů, minimálně přechod na vlastní spotřebu

• náhodné vytvoření OP v případech výpadků vedení a transformačních stanic přenosové soustavy (PS) a distribuční soustavy

K udržení chodu OP je určeno automatické selektivní frekvenční odlehčování ve dvou úrovních – systémové a lokální.

Z hlediska rozsahu vytvořeného OP lze rozlišovat topologicky větší rozsah části ES, např. uzlové části ES a topologicky menší části soustředěné kolem místních zdrojů, např. teplárny a velké průmyslové podniky.

Technická realizace pro případ velkých průmyslových podniků je jednodušší a přehlednější a popis problematiky OP je pro případ plánovitého vytvoření OP s rozpadovou automatikou.

Další podmínky pro úspěšný vznik a chod OP jsou stanovená dispečerská pravidla a omezení na straně spotřeby a výroby.

 NahoruTechnické prostředky pro realizaci OP

• frekvenční relé (FR) FREA 16 a FREA 16-SOP

• rozpadová automatika (RA) – RA 08

• bilanční automatika (BA) SW v rámci distribuovaného řídicího systému SADS, který zajišťuje:

  • parametrizaci RA, FR, ochran a automatik v plánovaném OP

  • měření U, I a zejména P na zdrojích a spotřebičích

  • monitorování stavu a dálkové ovládání důležitých spínacích prvků OP

• komunikační zařízení a přenosové cesty

• regulátor (označení "ROP“, regulátor ostrovních provozů) vlastních zdrojů OP pro otáčkovou regulaci a pomocné zařízení pro přesné a rychlé měření okamžitých otáček, např. OTG 08

Nastavení regulátorů generátorů OP při chodu v OP musí v případě více než jednoho generátoru umožnit spolehlivý paralelní chod s vyloučením přetoku výkonu a kývání.

 NahoruRozpadová automatika (RA)

Úkolem rozpadové automatiky je sledování vybraných elektrických parametrů v dělícím místě při paralelním provozu sítě a místních zdrojů. Dělícím místem je vybrán bod (body), jejichž rozpojením dojde k oddělení části sítě…