RAPORT DE CERCETARE IN EXTENSO – · proiectarea si conducerea unui sistem energetice tip GD...

Sistem informatic suport pentru proiectarea, implementarea si controlul

fermelor energetic hibride - E-FARM -

RST

1

_____________________________________________________________________________________________ Etapa3: Definirea arhitecturii si stabilirea conceptelor in vederea realizarii sistemului informatic suport (SIS) si sistemului de control – partea 2 Pagina 1

– RAPORT DE CERCETARE IN EXTENSO –

Sistem informatic support pentru proiectarea, implementarea si controlul fermelor energetice hibride- E-FARM

Contract 22134/01.10.2008

Etapa 3: Definirea arhitecturii si stabilirea conceptelor in vederea realizarii sistemului informatic suport (SIS) si sistemului de control – partea 2

COLECTIV DE ELABORARE



RST

2


IPA: CS I ing. Ioan STOIAN – director proiect CS.II Alina CALARASU CS II Eugen STANCEL Ing. Cristian VIGU Ing. Dan GOTA Ec Ioan MARCHIS ISPE: dr ing Fanica VATRA – Responsabil stiintific dr ing. Ana POIDA UTBv: Corneliu MARINESCU – Responsabil stiintific Catalin ION Ioan SERBAN Andreea FORCOS Luminita BAROTE Adrian DEACONU Daniela MARINESCU Paul IACOB Eleonor CIUREA Luminita CLOTEA Marius GEORGESCU Dumitru Mihai VALCAN UTCN: Radu BĂLAN– Responsabil stiintific Sergiu STAN Radu DONCA Olimpiu HANCU Ciprian LĂPUŞAN Vistrian MĂTIEŞ



RST

3


CUPRINS

Nr Denumire capitol pagina1. INTRODUCERE 4 1.1. Obiectul lucrării 4 1.2. Baza lucrării 5

1.2.1 Baza juridică 5 1.2.2. Baza tehnică 6

1.3. Formularea problematicii privind sistemele informatice suport pentru proiectarea, implementarea si controlul FEH

6

1.3.1 Domeniul de aplicabilitate 7 1.3.2. Termeni utilizati 8

1.4. Standarde si norme nationale si internationale de referintă 11 2. REZUMATUL FAZEI 16 3 STABILIREA CONCEPTELOR CE VOR STA LA BAZA

REALIZARII A SIS PENTRU PROIECTARE SI CONTROL AL FEH 19

3.1 Tehnologii de proiectare asistata pentru FEH;Tehnologii de elaborare scenarii si sisteme de suport decizional pentru proiectare si conducere operative (CO)

19

3.1.1 Module, functii, componente 19 3.1.2 Sistemul Grafic de Dialog 21 3.1.3 Structura unei instalaţii eoliene 23

3.1.3.1.Tipuri constructive de captatoare eoliene 27 3.1.3.2.Tipuri de generatoare 29

3.1.4. Componentele unui sistem voltaic 31 3.1.5 Componentele unei MHC 32 3.1.6 Curba de sarcina 41

3.1.6.1. Modul de calcul a puterii necesare pe ore (pe zi) 42 3.2 Formalizarea proceselor de proiectare a diverselor metode de producere a

energiei 44

3.3 Analiza modelelor utilizabile in proiectare FEH (P3) 45 4. DEFINIREA ARHITECTURII SI FUNCTIILOR PENTRU

MODULELE SISTEMULUI INFORMATIC DE PROIECTARE OPTIMALA DE SIS - CAD PENTRU FEH

46

4.1 Arhitectura apliciatiei. Descrierea ecranelor aplicatiei 47 4.2 Modele de generare/ conversie energie pentru SER 48 4.3 Modele de distributie si stocare energie 58 4.3.1.Modele de distribuţie si stocare energie 58 4.3.2. Estimarea stării de încărcare (SOC) a bateriilor 66 4.3.3. Modalitatile de management a bateriilor intr-un sistem SRE-FEH 78 4.4. Sistem de gestiune a bibliotecii de modele 95 4 MANAGEMENTUL ETAPEI 126 5. CONCLUZII 128 6 BIBLIOGRAFIE 130 ANEXE ANEXA 1 - Metoda de proiectare a fermei energetice hibride (FEH) 78 pagini ANEXA 2 – Model pentru un sistem hibrid 9 pagini ANEXA 3 - Prezentarea studiului de caz 15 pagini ANEXA 4 - Modelul conceptual al bazei de date 13 pagini ANEXA 5 - Documentatia tehnica a bazei de date 7 pagini ANEXA 6 - Arhitectura aplicatiei si descrierea ecranelor 6 pagini ANEXA 7 - Portalul proiectului EFARM 8 pagini



RST

4


1. INTRODUCERE

1.1. OBIECTUL LUCRĂRII

Problema adresată de proiectul EFARM este dezvoltarea unui instrument de proiectare si

control inovativ a fermelor energetice hibride menit să contribuie la cresterea utilizării SER (Surselor Energetice Regenerabile) în tară, prin optimizarea proiectării si cresterea eficientei tehnico-economice a exploatării fermelor energetice hibride (FEH). Obiectivul general al proiectului este rezolvarea unor probleme complexe referitoare la proiectarea si conducerea unui sistem energetice tip GD (Generare Distribuită) prin dezvoltarea, validarea si implementarea în conditii reale a unui produs informatic complex pentru proiectare conducere si control optimal al FEH. Astfel, proiectul permite dezvoltarea unui produs informatic menit să faciliteze implementarea si exploatarea FEH având ca obiective:

să “convingă” beneficiarii de eficientă lor economică si functionalitatea SER la acelasi nivel cu a sistemelor conventionale;

să permită “adaptarea” lor la modificările climatice; să raspundă modificărilor cerintelor de consum energetic al beneficiarului (să fie

reconfigurabile) să fie flexibile din perspectiva interfatării cu beneficiarul: să permită acestuia

reconfigurarea lor manuală în functie de experienta acestuia să fie capabile să se autoorganizeze, pe baza interpretării datelor de intrare furnizate de

beneficiar din observatii, pe baza unor date obiective (de la senzori de monitorizare) disponibile în timpul functionării, sau/si pe baza predictiilor si estimărilor

să poata comunica si schimba energie cu SED (Sistemele Energetice Distribuite) din vecinătate.

Scopul realizării sistemului este:

cresterea capacitătii sectorului de CDI în scopul utilizării surselor de energie regenerabilă

Cresterea competentei tehnologice si promovarea transferului de cunostinte si tehnologii în domeniul energiei cu respectarea principiului dezvoltării durabile.

Implementarea de tehnologii curate. Cresterea competitivitătii activitătilor de CDI prin stimularea parteneriatelor în domeniul

prin desfăsurarea actiunilor de cercetare colaborativă între membri consortiului multidisciplinar.

Facilitarea implementarii si exploatarii optimale a resurselor energetice regenerabile este o componentă a dezvoltării durabile

Depasirea dificultătilor si extinderea utilizării SER în tară

Obiectivele specifice ale proiectului E-FARM sunt: Elaborarea unor studii necesare dezvoltării unui sistem informatic suport de proiectare si

control optimal a fermelor energetice hibride din zone izolate bazate pe SER; Dezvoltarea bazelor de date si cunostinte necesare în proiectarea si controlul FEH Dezvoltarea unui sistem informatic suport (SIS) compus din:

o componenta de tip CAD (SIS-CAD), pentru proiectarea optimală a FEH; o componenta de tip sistem inteligent de conducere si control (SIS-IC) în vederea

asigurării functionalitătii, eficientei si stabilitătii FEH.



RST

5


Dezvoltarea unui model functional al FEH, de mică putere amplasat într-un areal geografic precizat în scopul validării sistemului informatic suport.

Realizarea documentatiilor tehnice de proiectare si utilizare a sistemului informatic suport. Dezvoltarea interesului local asupra surselor energetice renegerabile si diseminarea astfel a

cunostintelor potentialului SER (Surse Energetice Regenerabile) local.

Etapele de desfasurare ale proiectului sunt prezentate în Anexa I.2 la Contract - "Planul de realizare al proiectului”, cu responsabilităti asignate fiecărui partener

În etapa prezentă, Etapa a III-a,

Definirea arhitecturii si stabilirea conceptelor in vederea realizarii sistemului informatic suport (SIS) si sistemului de control – partea 2 cu termenul de finalizare 30.11.2010, sunt cuprinse urmatoarele activitati:

Activitatea I.1 Stabilirea conceptelor ce vor sta la baza realizarii a SIS pentru proiectare si control al FEH (SIS) CO: Tehnologii de proiectare asistata pentru FEH;Tehnologii de elaborare scenarii si

sisteme de suport decizional pentru proiectare si conducere operativa P1 : Formalizarea proceselor de proiectare a diverselor metode de producere a energiei P2: Formalizarea proceselor de proiectare a elementelor de stocare a energiei P3: Analiza modelelor utilizabile in proiectare FEH

Activitatea I.2 Definirea arhitecturii si functiilor pentru modulele sistemului informatic de proiectare optimala de SIS - CAD pentru FEH

CO: Proiectare BD si cunostinte suport pentru proiectarea FEH P1: Modele de generare/ conversie energie pentru SER P2: Modele de distributie si stocare energie P3: Sistem de gestiune a bibliotecii de modele

Activitatea I.3 Managementul etapei CO: Coordonarea realizarii etapei; analiza rapoartelor intermediare ale partenerilor, feedback, reanalizarea planurilor de implementare si plan iteratii pentru etapa urmatoare 1.2. BAZA LUCRĂRII

1.2.1. Baza juridică

Proiectul se desfasoară pe baza unui parteneriat între SC IPA SA CIFATT Cluj

(coordonator al proiectului) unitate cu profil de cercetare-dezvoltare, Institutul de Studii si Proiectări Energetice Bucuresti, Universitatea Transilvania din Brasov si Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca,

Baza legală a lucrării o constituie contractul de finantare de la bugetul de stat având nr. 22134/01.10.2008 (Programul 4 din cadrul PNCDI), încheiat între SC IPA SA si Autoritatea contractantă, Centrul National de Management Programe, prin Programul 4 - „Parteneriate în Domeniile Prioritare”.



RST

6


1.2.2. Baza tehnică Baza tehnică a lucrării este constituită din:

o Anexa B - Descrierea proiectului si o Planul de realizare al proiectului, anexe ale contractului.

1.3.Formularea problematicii privind sistemele informatice suport pentru proiectarea, implementarea si controlul FEH

În termeni de economie energetică, sistemele energetice sunt definite ca sistemele tehnico-economice ce îndeplinesc cererea de energie. Totusi, cererea de energiei nu reprezintă o cantitate fixă, aceasta fiind supusă diferitelor influente de tipul: preturi, reguli si preferinte ale consumatorlui. Prin urmare, definirea unui sistem energetic prevede o vedere socio-economică mult mai largă si se referă atât la partea tehnică si economică a alimentarii cu energie cât si a fenomenelor socio-economice din cadrul societătii, ce utilizează energia pentru îmbunătătirea standardului de viată. În plus, trebuie luat în considerare si impactul pe care îl are un astfel de sistem pentru mediul înconjurator. Fermele energetice hibride alcatuite din doua sau mai multe surse regenerabile au avantajul stabilitătii si echilibrului, cunoscând o dezvoltare rapidă în ultimii ani ca urmare a interesului pentru cresterea securitătii surselor de energie, dependentei de sursele traditionale si reducerea gazelor cu efect de seră.

Integrarea diferitelor tipuri de surse de energie (fotovoltaice, turbine de vânt, hidro, generatoare) si a mediilor de stocare în cadrul unui sistem energetic hibrid au ca rezultat structuri complexe de alimentare. Prin urmare, sunt necesare strategii de proiectare, operare, mentenanta si control pentru realizarea unui sistem stabil si eficient atât din punct de vedere energetic cât si economic. Tehnologia sistemelor de energie regenerabilă hibride trebuie să fie fiabile din punct de vedere tehnic si eficiente economic pentru consumator. Aceste două criterii depind de configuratia sistemului (de tipul si mărimea fiecarei componente parte integrantă din sistemul hibrid) si de strategia de control ce operează această configuratie. Proiectul E-FARM îsi propune rezolvarea acestei probleme prin dezvoltarea unui sistem informatic suport pentru proiectare, implementarea si controlul fermelor energetice hibride, capabil să raspundă cerintelor beneficiarilor atât din punct de vedere economic cât si energetic.

Tema are ca scop dezvoltarea unui sistem inovativ prin optimizarea proiectării, implementării si controlului fermelor energetice hibride, toate acestea având o reală contributie la:

Cresterea utilizării surselor energetice regenerabile în tară; Alimentarea cu energie a zonelor izolate Cresterea eficientei tehnico-economice a exploatării fermelor energetice hibride Dezvoltarea cunostintelor în domeniul exploatării surselor energetice regenerabile Producerea de energie curată;

Pe parcursul proiectului se urmăresc, în mod special, conditiile pe care trebuie să le

îndeplinească un sistem energetic hibrid: Eficientă prin îmbunătătirea conditiilor de producere si transmitere a energiei, asigurând

stabilitate în functionare; Fiabilitate pentru îmbunătătirea serviciilor către utilizatori în conditiile existentei

fluctuatiilor, prin asigurarea stabilitătii în functionare si calitătii energiei livrate; Securitate pentru asigurarea pe termen scurt si mediu a atentuării fenomenelor acuzate de

eventualele căderi ale retelei si reducerea costurilor în cazul unor eventuale reparatii



RST

7


Disponibilul limitat de resurse traditionale de energie si posibilul lor impact defavorabil

asupra mediului, corelat cu cresterea necesitătilor/cerintelor de furnizare a energiei în ariile izolate, au crescut –la nivel european – interesul pentru sustinerea cercetării aplicative în implementarea de sisteme eficiente de productie, furnizare si management al energiei de tip SER. Prezenta lucrare îsi propune dezvoltarea unei aplicatii pentru crearea unui sistem energetic hibrid alcătuit din două sau mai multe surse de energie regenerabilă în functie de disponibilitatea geoclimatică a zonei si cerintele economice ale beneficiarilor, aplicatie ce cuprinde componente de modelare, creare scenarii, simulare si optimizare a unui astfel de ansamblu energetic.

Metodele utilizate în cadrul proiectului urmăresc: Elaborarea unei configuratii stabile si eficiente din punct de vedere economic a unei

fermei energetice hibride; Optimizarea configuratiei în functie de cerintele beneficiarilor; Asigurarea unui control optimal a solutiei alese; Crearea unui model functional în vederea validării componentelor sistemului informatic

si a stabilirii metodologiei de implementare a acestora Abordarea explorativă inovativă a problemelor de stocare a energiei electrice cu aplicatii

în cadrul fermelor energetice hibride 1.3.1 Domeniul de aplicabilitate Domeniul de aplicabilitate al proiectului este cel energetic prin promovarea utilizării surselor de energie regenerabilă prin crearea de tehnologii curate. Tema abordată în acest proiect are ca scop realizarea unui produs menit să faciliteze implementarea si exploatarea optimală a resurselor energetice regenerabile ca o componentă a dezvoltării durabile. Proiectul îsi propune realizarea unui sistem informatic suport pentru proiectarea, implementarea si controlul fermelor energetice hibride, contribuind astfel la crearea unor ferme energetice hibride eficiente atât economic cât si energetic. Aportul pe care proiectul îl aduce atât din punct de energetic, economic si social constă în „convingerea” beneficiarilor de eficienta economică si functionalitatea surselor energetice regenerabile, reconfigurabilitea acestuia prin modificarea cerintelor de consum energetic al beneficiarului, flexibilitate din perspectiva interfatării cu beneficiarul si capabilitate de auto-organizare pe baza datelor furnizate de beneficiar. La finalizarea proiectului:

Va fi creat un sistem informatic suport pentru proiectarea si exploatarea optimală a fermelor energetice hibride compus dintr-o componentă de tip CAD-CAM pentru optimizarea prin modelare/simulare pe baza de scenarii create anterior a proiectării fermelor energetice hibride

Crearea unui modul inteligent de conducere bazat pe sistem suport decizie pentru asigurarea controlului optimal a fermei energetice hibride

Validarea sistemului informatic prin intermediul unui model functional Se pun bazele unui parteneriat public-privat: între consortiul format din institutele de

cercetare-dezvoltare si cele doua universităti Se va crea, în cadrul consortiului o bază de cercetare solidă; prin activitătile de cercetare

multidisciplinare se vor dobândi cunostinte avansate si se va crea o bază materială – suport pentru dezvoltarea proiectelor viitoare.



RST

8


1.3.2. Termeni utilizati Autoritate competentă: autorităţi ale administraţiei publice centrale şi/sau teritoriale pentru protecţia mediului, precum şi alte autorităţi desemnate, însărcinate cu aducerea la îndeplinire a dispoziţiilor în conformitate cu prevederile legislaţiei în vigoare privind protecţia mediului Baterie cu oxido-reducere (redox-flow): reprezinta un dispozitiv care transforma energia chimica in energie electrica, avand la baza fenomenul de oxido-reducere. Doi electroliţi diferiţi sunt separaţi printr-o membrana ionic permeabila, iar prin aplicarea unei tensiuni intre electrozii celulei apare o schimbare electrochimica ionica intre electroliţi intr-o anumita direcţie. Calitatea energiei electrice: alimentare cu energie electrică care este întotdeauna disponibilă, având tensiunea şi frecvenţa în limitele admisibile şi cu o curbă de tensiune perfect sinusoidală. Certificat verde: document care atestă o cantitate de 1 MWh de energie electrică produs din surse regenerabile de energie. Certificate albe - certificate emise de organisme de certificare independente care confirmă sustinerile actorilor pietei conform cărora economiile de energie sunt o consecintă a măsurilor de îmbunătătire a eficientei Cogenerare:producerea combinată, simultană de energie electrică şi termică, în unităţi specializate, de înaltă performanţă Compensator static (STATCOM): dispozitiv static ce realizeaza compensarea puterii reactive. Dezvoltare durabila : dezvoltare care corespunde necesitătilor prezentului, fara a compromite posibilitatea generatiilor viitoare de a le satisface pe a lor. Eficienţa energetică: un raport între o ieşire, sub forma unei performanţe, serviciu, bunuri sau energie şi o intrare de energie Emisie: evacuarea directă sau indirectă, de la surse punctiforme ori difuze ale instalaţiei, de substanţe, vibraţii, căldură sau de zgomot în aer, apă ori sol. Energie: toate formele de energie disponibile comercial, inclusiv electricitate, gaz natural (inclusiv gaz natural lichefiat), gaz petrolier lichefiat, orice combustibil pentru încălzire şi racire (inclusiv incalzire si racire centralizata), cărbune brun şi lignit, turbă, combustibili pentru mijloace de transport (exclusiv aerian şi maritim) şi biomasă aşa cum este definită în Directiva 2001 / 77 / EC a Parlamentului European şi a Consiliului din 27 Septembrie 2001, asupra promovării producţiei de energie electrică din surse regenerabile de energie pe piaţa internă de energie electrică Energie electrică produsă din surse regenerabile de energie: energia electrică produsă de centrale electrice (surse de energie electrică) care utilizează numai surse regenerabile de energie, precum şi proporţia de energie electrică produsă din surse regenerabile de energie în centrale electrice hibride care utilizează şi surse convenţionale de energie, incluzând energia electrică consumată de sistemele de stocare a purtătorilor de energie convenţională şi excluzând energia electrică obţinută din aceste sisteme. Energie regenerabilă: energia produsă prin valorificarea surselor regenerabile de energie, inclusiv din combustibil regenerabil. Ferma Energetică Hibridă (FEH): este un sistem energetic de tip GD care constă din două sau mai multe surse de energie electrică produsă din SER (panouri fotoelectrice, instalaţii eoliene, microhidrocentrale, pile cu combustibil, grupuri energetice pe bază de biomasă etc.), un sistem de stocare a energiei electrice, eventual unul sau mai multe grupuri generatoare de rezervă pe bază de combustibili convenţionali (motorină, păcură, gaze naturale etc.), o reţea proprie/internă de distribuţie a energiei electrice la consumatori pe care îi alimentează, precum şi un sistem de monitorizare şi control a puterii produse de diferitele surse din sistem şi de monitorizare şi control a funcţionării respectivului sistem energetic în ansamblu său şi a fiecărei componente în parte.



RST

9


Flicker: impresia de instabilitate a senzaţiei vizuale indusă de un stimul luminos, a cărui luminanţă sau distribuţie spectrală fluctuează în timp. Gaze naturale : Gazele libere din zacamintele de gaz metan, gazele dizolvate în titei, cele din capul de gaze asociat zacamintelor de titei, precum si gazele rezultate din extractia sau separarea hidrocarburilor lichide. Generare distribuită a energiei (GD): numită si generare on-site, generare dispersată, generare descentralizată, se referă la o varietate de surse de energie independente, de mică dimensiune aflate în apropierea consumatorilor. Gol de tensiune: o reducere bruscă a tensiunii de alimentare la o valoare cuprinsă între 90 % şi 1 % din tensiunea declarată Uc, urmată de o restabilire a tensiunii după o periodă scurtă de timp. GUI – Graphical User Interface: interfată grafică ce permite utilizatorului interactiunea cu anumite componente electronice cum ar fi PC. Îmbunătăţirea eficienţei energetice: o creştere a eficienţei energetice la consumul final ca urmare a unei schimbări de ordin tehnologic, comportamental şi/sau economic. Impact: orice modificare a mediului, fie ea pozitivă sau negativă, în totalitate sau parţial legată de activităţile, produsele sau serviciile unei organizaţii, totalitatea efectelor; sau: efect direct sau indirect al unei activităţi umane care produce o schimbare a sensului de evoluţie a stării de calitate a ecosistemelor, schimbare ce poate afecta sănătatea omului, integritatea mediului, a patrimoniului cultural sau condiţiile socio-economice. Instalaţie eoliană - grup eolian : instalaţie care asigură conversia energiei cinetice a vântului în energie electrică. MHC – MicroHidroCentrala : sisteme hidroenergetice cu putere mai mică de 100kW Microretea (MR): reprezinta un sistem de producere a energiei electrice si termice uneori, compus din doua sau mai multe generatoare distribuite, capabil sa functioneze in paralel sau independent de o retea electrica de putere mare si care alimenteaza unul sau mai multi consumatori locali. Norme de calitate a mediului: un ansamblu de cerinţe care trebuie satisfăcute la un moment dat, pentru un element de mediu dat sau ale unei părţi specifice a acestuia, în conformitate cu legislaţia în vigoare. Obiectiv global de mediu :obiectiv cuantificabil, care decurge din politica de mediu, şi pe care întreprinderea îşi propune să îl atingă pentru a-şi îndeplini politica de mediu Obiectiv specific de mediu: cerinţă detaliată privind un anumit aspect al comportamentului faţă de mediu şi aplicabilă întreprinderii. Pila de combustie: reprezintă un dispozitiv care transforma direct energia unui combustibil in energie electrica fara a fi nevoie de arderea acestuia. In general pila de combustie este formata din doi electrozi cu structura poroasa si un electrolit. Poluare : introducerea directă sau indirectă, ca rezultat al activităţii umane, de substanţe, de vibraţii, căldură sau de zgomot în aer, apă ori sol, susceptibile să aducă prejudicii sănătăţii umane sau calităţii mediului, să determine deteriorări ale bunurilor materiale, ori să afecteze sau să împiedice utilizarea în scop recreativ a mediului şi/sau alte utilizări ale acestuia, prevăzute de legislaţia în vigoare. Potentialul hidroenergetic amenajabil: corespunde productiei de energie real posibilă a tuturor amenajărilor hidroelectrice realizabile pe un anumit curs de apă. El poate fi la rândul lui tehnic-amenajabil sau economic amenajabil. Potentialul hidroenergetic economic amenajabil: reprezintă energia sau puterea tuturor amenajărilor care se pot realiza în conditii economice.



RST

10


Potentialul hidroenergetic tehnic amenajabil: reprezintă energia sau puterea ce pot fi obtinute prin amenajarea unui curs de apă, el se calculeaza pe baza unei scheme de amenajare. Potentialul hidroenergetic teoretic: reprezintă resursele de energie hidraulică fără a tine seama de posibilitătile tehnice si economice de amenjare. Punct comun de cuplare (PCC - Point Of Common Coupling): Nodul din reţeaua electrică în care circuitele electrice ale distribuitorului sunt conectate cu circuitele electrice ale utilizatorului reţelei electrice (producător sau consumator de energie electrică) şi prin care are loc un transfer de energie între distribuitor şi utilizator ; este prevăzut cu un sistem de conectare şi deconectare precum şi cu un sistem de măsurare a energiei electrice transferate. Punct de conectare la reţeaua electrică a unei instalaţii eoliene (network connection point wind turbines): nod al reţelei electrice în care se conectează circuitele de ieşire ale unei instalaţii eoliene sau, în cazul unei centrale eoliene (parc eolian, fermă eoliană) sistemul electric colector la care sunt conectate toate instalaţiile eoliene dintr-o centrală eoliană. Regulator dinamic de tensiune (DVR): dispozitiv care pe durata unui gol de tensiune, completează tensiunea remanentă cu tensiunea necesară. Resurse energetice: caracteristica cantitativă a surselor energetice ce se utilizează sau pot fi utilizate. Resurse regenerabile de energie: caracteristica cantitativă a energiei care este utilizată sau poate fi obţinută de la sursele regenerabile de energie. Securitatea alimentarii cu energie electrica: descrie continuitea in alimentare cu energie electrica a consumatorilor, depinzand de disponibilitatea resurselor energetice pe de o parte si de capacitatea sistemului de transport si distributie de a livra energia ceruta Sistem CAD (Computer Aided Design): utilizarea tehnologiei computerizate pentru proiectarea unui produs sau a unui anumit segment al acestuia ce poate utiliza metode vizuale sau bazate pe simboluri. Curbele de sarcina: grafice care prezinat evolutia in timp a puterii cerute de un anumit consumator sau de grupuri de consumatori. Sistem CAM (Computer Aided Manufacturing): reprezintă utilizarea componentelor software ce asistaă inginerii si producătorii în crearea componentelor produsului prototip. CAM este un program ce permite manufacturarea modelelor fizice folosind programe de tip CAD. CAM crează versiuni de modele ale produsului fizic prin intermediul pachetelor software. Sistem de stocare a energiei (SSE): reprezinta un ansamblu care contine unul sau mai multe elemente primare de stocare a energiei (acumulatori) intr-o anumita forma (electrica, mecanica, chimica) si dispozitive de interfatare cu instalatia de utilizare (ex. microretea). Sistem electric (reţea electrică) de distribuţie: ansamblu de instalaţii care asigură alimentarea consumatorilor cu energie electrică; sistemul electric de distribuţie poate să cuprindă şi unităţi/surse de generare a energiei electrice. Sistem electric al unei instalaţii eoliene: totalitatea echipamentelor electrice ale unei instalaţii eoliene, incluzând echipamentul pentru conectare la reţeaua electrică, instalaţia de legare la pământ, sistemul de comunicaţie; de asemenea sunt incluse legăturile electrice locale la instalaţia eoliană care au o legătură la pământ, specifică instalaţiei eoliene. Sistem electric colector al instalaţiilor/centralelor eoliene: sistem electric la care sunt conectate una sau mai multe instalaţii/grupuri eoliene situate într-un acelaşi amplasament; sistemul include toate echipamentele electrice conectate între terminalele instalaţiilor/grupurilor eoliene şi punctul comun de conectare la reţeaua electrică publică. Sistem electroenergetic: Ansamblu de instalaţii şi echipamente destinate să asigure producerea, transportul, distribuţia şi consumul energiei electrice.



RST

11


Sistem suport decisional (SSD): clasă a sistemelor informatice, incluzând sistemele bazate pe cunoastere, ce reprezintă suport în cadrul proceselor decizionale din cadrul diverselor activităti. Supercondensator: reprezinta un condensator electrolitic cu dublu strat cu o densitate de energie ridicata, de sute de ori mai mare decat a unui condensator uzual, putand ajunge pana la 5000F. Supraconductor: material a carui rezistivitate electrica tinde la zero. Supraconductibilitatea apare la temperaturi mai mici decat o valoare specifica a materialului, numita temperatura critica. Surse (de energie electrică) distribuite (DS/DR - distributed sources / resources): surse de energie electrică care nu sunt conectate direct la reţelele de transport a energiei electrice (reţele electrice de înaltă şi foarte înaltă tensiune cu tensiunea nominală ≥ 110 kV) ale unui sistem electroenergetic; sursele distribuite cuprind atât generatoare de energie electrică, cât şi sisteme de stocare a energiei . Surse Energetice Regenerabile (SER): surse de energie naturale care se reînnoiesc în timp; includ energia solară, energia eoliană, energia hidraulică, energia biomasei, energia mediilor cu potenţial termic redus, inclusiv cea geotermică. Surse energetice: totalitatea materiilor sau fenomenelor naturale din care pot fi obţinute diverse forme de energie. Tehnologii de generare a energiei curate (CET – Clean Energy Technolgies): Sisteme de generare a căldurii sau/si energiei ce produc minimul de poluare a mediului comparat cu tehnologiile conventionale Tensiunea armonică: o tensiune sinusoidală cu o frecvenţă egală cu un multiplu întreg al frecvenţei fundamentale a tensiunii de alimentare. Volant (flywheel): reprezinta o piesa in forma de disc sau cilindru, perfect echilibrata, capabila sa inmagazineze energie cinetica prin rotirea la turatii foarte mari (20.000-50.000 RPM). Sistemele de stocare a energiei cu volante actuale sunt structuri incapsulate vidate, cu lagare magnetice si au integrat un sistem motor-generator si convertor electronic pentru interfatarea cu partea electrica a instalatiei. 1.4. Standarde si norme nationale si internationale de referintă

Continua dezvoltare a surselor de energii regenerabile a condus la necesitatea introducerii

de reglementări, standarde, ghiduri de proiectare, şi alte instrumente care să creeze un mediu propice pentru dezvoltarea acestui sector. Statele Unite ale Americii prezintă cel mai dezvoltat mediu în aceasta direcţie, deţinând singurul standard cu caracter general, care reglementează problemele legate de interconectarea surselor de energie distribuite cu puteri de până la 10 MVA. Standardul IEEE 1547 reprezintă un instrument valoros pentru producătorii de astfel de sisteme. IEEE 1547 a fost elaborat în anul 2003 şi tratează problema interconectării surselor de energie distribuite la un sistem electroenergetic de putere mare şi este împărţit în şase capitole principale (P1547.1 – P1547.6) [1-2]. Este un standard american realizat de comitetul de standardizare IEEE SCC21 (Standards Coordinating Committee 21) [2-2] – [5-2]. Standardul stabileşte cerinţele tehnice impuse pentru interconectarea generatoarelor distribuite (bazate în general pe surse de energii regenerabile) cu reţele de putere. Acesta furnizează cerinţe referitoare la performanţă, funcţionare, testare, protecţii şi întreţinere, incluzând cerinţe generale, calitatea energiei, situaţii de avarie, cerinţe de proiectare, etc. Cerinţele stabilite acoperă o gama largă de generatoare distribuite, incluzând maşini sincrone, asincrone, invertoare de putere. Condiţiile sunt aplicabile tuturor tehnologiilor existente în domeniul generării distribuite, cu o capacitate de până la 10 MVA în punctul comun de conectare cu reţeaua. În acelaşi timp acesta se doreşte a fi neutru din punct de vedere tehnologic. Frecvenţa la care se raportează toate datele tehnice este de 60 Hz. Standardul oferă inginerilor în domeniu, un instrument foarte util în implementarea reţelelor conţinând o varietate mare de generatoare distribuite. Realizarea acestuia a implicat



RST

12


multe dezbateri şi cercetări amănunţite din partea a sute de specialişti cu experienţă în domeniu. Deşi IEEE 1547 stabileşte criteriile şi cerinţele pentru interconectare, acesta nu este un ghid de proiectare. Standardul furnizează cerinţele tehnice minime universal valabile în domeniul interconectării, indiferent de tehnologia utilizată la realizarea generatoarelor.

Seria de standarde IEEE-1547 este împărtită în sase părti până în momentul de fată, cu următoarea structura: P1547.1 – specifică testele care ar trebui realizate pentru a vedea în ce masură sistemul respectă prevederile din standard. Echipamentele utilizate la interconectare trebuie să îndeplinească cerintele impuse în standard. Sunt definite proceduri de testare flexibile, pentru a putea fi aplicate la o varietate cât mai mare de tehnologii, indiferent de caracteristicile locului de amplasare a sistemului. P1547.2 – este un ghid ce furnizează detalii în vederea întelegerii cât mai usoare a standardului IEEE 1547. Acest document facilitează utilizarea standardului IEEE 1547 prin caracterizarea diverselor tehnologii de generare distribuită si problemele de interconectare asociate. Tot aici se gasesc descrieri tehnice si scheme electrice, ghid de proiectare, si exemple practice de interconectare. P1547.3 – furnizează informatii referitoare la monitorizare, schimbul de informatii, si controlul în vederea interconectării unui sistem distribuit la un sistem electro-energetic de putere. P1547.4 – furnizează căi alternative si practici pentru proiectarea, functionarea si integrarea sistemelor autonome distribuite cu un SEN (Sistem Energetic National). Este tratată problema capacitătii de separare si reconectare a sistemului autonom la SEN, si mentinerea alimentării micro-retelei izolate în diverse conditii de functionare. Acest ghid este destinat în primul rând proiectantilor de sisteme electro-energetice, operatorilor, integratorilor de sistem si producătorilor de echipamente, furnizând informatii importante referitoare la functionarea sistemelor izolate de tip autonom. P1547.5 – este un ghid referitor la cerintele tehnice, inclusiv de proiectare, constructie, testare, întretinere pentru interconectarea surselor îndepartate de energie electrică cu o capacitate mai mare de 10MVA, la un SEN. P1547.6 – furnizează informatii referitoare la interconectarea surselor distribuite de energie electrică la alte retele electrice secundare (locale), care contin mai multe surse distribuite. Principalele cerinţe impuse în cadrul acestui standard sunt:

Instalaţiile sistemului GD nu trebuie să influenţeze negativ dispozitivele de protecţie din instalaţiile consumatorilor, sau din reţeaua de distribuţie, necesitând echipamente de protecţie şi control suplimentare.

Sistemul GD nu trebuie să compromită siguranţa în funcţionarea sistemului electric la care este interconectat. Proprietarul este responsabil de propriul echipament în cazul apariţiilor de avarii în sistemul de distribuţie.

Instalaţia de interconectare trebuie să fie echipată cu dispozitive de protecţie care să prevină funcţionarea în paralel cu sistemul de distribuţie în cazul în care tensiunea, frecvenţa sau faza nu sunt în limitele normale.

O componentă importantă o reprezintă sistemul de comunicaţie, care se impune în majoritatea cazurilor pentru a asigura o flexibilitate sporită şi siguranţa în funcţionare a sistemului. Mai multe sisteme distribuite pot fi conectate informaţional cu un dispecer automat care ia decizii cu privire la funcţionarea întregului sistem.

Întreruptoarele plasate în punctul comun de cuplare (PCC) trebuie să fie capabile să deconecteze curenţii de scurtcircuit mari, care pot apărea din reţeaua de distribuţie. De asemenea trebuie să existe un dispozitiv manual de deconectare care să poată fi blocat pe poziţia deschis (de. ex. separator) şi vizibil de personalul reţelei de distribuţie.



RST

13


Calitatea energiei furnizate de aceste surse trebuie să respecte standardele generale din domeniu. Un element important îl reprezintă injecţia de armonici (superioare) de curent provocate de funcţionarea convertoarelor electrice existente în sistem. Acestea nu trebuie să depăşească valorile maxim admisibile din standarde. Alte standarde importante la nivel international referitoare la ferme energetice hibride sunt

urmatoarele: IEEE 1547-2003 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric

Power Sistems IEEE 1547.1- 2005 Standard for Conformance Tests Procedures for Equipment

Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Sistems IEEE 1547.2 –Draft, Application guide for Standard for interconnecting Distributed

Resoarces with Electrical Power Sistems IEEE 1547.3 Draft Guide for monitoring, information exchange and control of

distributed resources interconnected with electrical power sistems IEEE 1547.4 Draft Guide for design, operation and integration of Distributed Resources

Island Sistems with electrical Power Sistems IEEE 929-2000, Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV)

Sistems – incorporated in IEEE 1547 UL 1741, Standard for Inverters, Converters, and Controllers for Use in Independent

Power Sistems - elaborated by Underwriters Laboratories Inc. – compatibilzed with IEEE 1547

IEC60050-415 International electrotechnical vocabulary –Part 415:Wind turbine generator sistems

IEC61727 Photovoltaic (PV) sistems - Characteristics of the utility interface - December 2004

IEC 62116 Ed.1 2005: Testing procedure of islanding prevention measures for utility interactive photovoltaic inverter (describes the tests for IEC 61727) – approved in 2007

IEC WT 01- IEC Sistem for conformity testing and certification of wind turbines – Rules and Procedures

IEC-EN 61400-1 Wind Turbine generator sistems Part1: Safety requirements IEC-EN 61400-2 Wind turbine generator sistems Part 2: Safety of small wind turbines IEC-EN 61400-3 Wind turbine generator sistems Part 3: Design requirement for offshore

wind turbines IEC-EN 61400-4 Wind turbine generator sistems Part 4: Design requirement for gearbox

for wind turbines IEC-EN 61400-11 Wind turbine generator sistems Part 11: Acoustic noise measurement

techniques IEC-EN 61400-12 Wind turbine generator sistems Part 12: Wind turbine power

performance testing IEC-EN 61400-13 Wind turbine generator sistems Part 13: Measurement of mechanical

loads IEC-EN 61400-14 Wind turbine generator sistems Part 14: Declaration of sound power

level and tonality values IEC-EN 61400-21 Wind turbine generator sistems Part 21: Measurement and assessment

of power quality characteristics of grid connected wind turbines IEC-EN 61400-22 Wind turbine generator sistems Part 22: Maintenance cycle report to

IEC WT 01 Ed.1: Sistem for conformity testing and certification of wind turbines – Rules and procedures



RST

14


IEC-EN 61400-23 Wind turbine generator sistems Part 23: Full-scale structural testing of rotor blades

IEC-EN 61400-24 Wind turbine generator sistems Part 24: Lighting protection IEC-EN 61400-25 Wind turbine generator sistems Part 25: Communication standard for

remote control and monitoring of wind power plants IEC-prEN 61400-121 Wind turbine generator sistems Part 121: Power performance

measurement of grid connected wind turbines Pr EN50308 – Wind Turbines – proactive measures – requirements for design, operation

and amintenance Pr EN50376 Declaration of sound power level and tonality values of wind turbines VDE0126-1-1 2006 Automatic disconnection device between a generator and the public

low-voltage grid” – Safety issues- applied on German Market Principii fundamentale si de securitate pentru interfata om-masină,

marcare si identificare. Identificarea bornelor echipamentelor,a extremitatilor conductoarelor care au cod de identificare

SR EN 60445:2003

Erori de masurare. Terminologie SR 13251:1996 Tensiuni nominale ale retelelor electrice de distributie publică

de joasă tensiune SR HD 472 S1:2001

Vocabular international de termini fundamentali si generali metrologici

SR 13251:1996

Protectie împotriva socurilor electrice. Aspecte comune în instalatii si echipamente electrice

SR EN 61140:2002

Protectia împotriva electrocutărilor. Instalatii electrice fixe. Prescriptii de proiectare, executii si verificări

STAS 12604/5-90

Protectia contra electrocutărilor. Limite admisibile. STAS 2612-87 Schimbătoare de caldură. Îndrumător de întocmire a

instructiunilor de instalare, de exploatare si de întretinere, necesare pentru mentinerea performantelor tuturor tipurilor de schimbătoare de caldură

SR EN 307:2000

Ghid pentru achizitionarea de echipamente pentru centrale electrice. Partea 5-3: Turbine eoliene

SR EN 45510-5-3:2004

Turbine eoliene. Măsuri protectoare. Prescriptii pentru proiectare, exploatare si întretinere

SR EN 50308:2005

Turbine eoliene. Partea 12: Tehnici de măsurare ale performantelor de putere

SR EN 61400-12:2001

Turbine eoliene. Partea 2: Securitatea turbinelor eoliene mici SR EN 61400-2:2001 Recomandări pentru sisteme mici de energie regenerabilă si

hibride pentru electrificarea rurală. Partea 3: Dezvoltarea si conducerea proiectului

SR CEI/TS 62257-3:2006

Energie solară. Vocabular SR EN ISO- 9488:2002 Captatoare solare. Captatoare solare plane. Clasificare si

simbolizare STAS 12903-90

Instalatii termice solare si componente ale acestora. Captatoare SR EN 12975-1:2006



RST

15


solare. Partea 1: Conditii generale Instalatii termice solare si componentele acestora. Instalatii

prefabricate SR EN 12976:2006

Instalatii electrice în constructii. Partea 7-712: Prescriptii pentru instalatii si amplasamente speciale. Sisteme de alimentare cu energie solară fotovoltaică (PV)

SR HD 60364-7-712:2005

Protectie împotriva supratensiunilor a sistemelor fotovoltaice (PV) generatoare de energie electrică. Ghid

SR EN 61173:2002



RST

16


2. REZUMATUL FAZEI

Pentru atingerea scopului propus prin proiect, si anume realizarea unui sistem

informatic suport pentru asigurarea proiectarii si exploatarii optimale a fermelor energetice hidride in etapa actuala, 3 conform planului de realizare, este denumita “Definirea arhitecturii si stabilirea conceptelor in vederea realizarii sistemului informatic suport (SIS) si sistemului de control – partea a 2-a” cu urmatoarele activitati :

Stabilirea conceptelor ce vor sta la baza realizarii a SIS pentru proiectare si control al FEH (SIS)

Definirea arhitecturii si functiilor pentru modulele sistemului informatic de proiectare optimala de SIS - CAD pentru FEH

Managementul etapei/Coordonarea realizarii etapei; analiza rapoartelor intermediare ale partenerilor, feedback, reanalizarea planurilor de implementare si plan iteratii

La realizarea obiectivelor etapei, au contribuit tot membrii consortiului, fiecare avand bine stabilite obiectivele, dupa cum urmeaza: IPA :

Tehnologii de proiectare asistata pentru FEH;Tehnologii de elaborare scenarii si sisteme de suport decizional pentru proiectare si conducere operativa

Proiectare BD si cunostinte suport pentru proiectarea FEH Coordonarea realizarii etapei; analiza rapoartelor intermediare ale partenerilor, feedback,

reanalizarea planurilor de implementare si plan iteratii pentru Etapa II P1 – ISPE Bucuresti

Formalizarea proceselor de proiectare a diverselor metode de producere a energiei Modele de generare/ conversie energie pentru SER

P2 – Universitatea Transilvania Brasov Formalizarea proceselor de proiectare a elementelor de stocare a energiei Modele de distributie si stocare energie

P3 – Universitatea Tehnica Cluj Napoca Analiza modelelor utilizabile in proiectare FEH Sistem de gestiune a bibliotecii de modele Raportul stiintific si tehnic a fost structurat in asa fel incat sa poate fi usor de identificat

concordanta intre obiectivele propuse si ceea ce s-a realizat efectiv in cadrul acestei etape. In introducere s-au subliniat coordonatele tehnice si administrative in care se deruleaza

proiectul, respectiv, obiectului lucrarii, baza lucrarii (tehnica si juridica, domeniul de aplicabilitate, formularea problematicii privind sistemele informatice suport pentru proiectarea, implementarea si controlul FEH, alinierea la standardele si normle in vigoare, precum si stabilirea unui limbaj comun, prin definirea unor termeni frecventi utilizati in domeniul abordat.

In capitolul 3 “Stabilirea conceptelor ce vor sta la baza realizarii SIS pentru proiectare si control al FEH (SIS)” s-au prezentat tehnologiile de elaborare de scenarii si sistemele suport decisional pentru proiectarea conducerii operative. S-au parcurs subiecte si notiuni care vizeaza modulele, functiile si componentele generice alea unui software CAD, sistemul grafic de dialog impreuna cu componentele sale legate de limbaj, stiluri, meniuri, sistemul de management al ferestrelor (ecranelor), care include o serie de parametrii ca date de intrare si iesire. Ca si parametrii de intrare se vor considera datele legate de vant, radiatia solara, date hidrologice, precum si necesarul de energie pe care il prezinta locatia pentru care urmeaza sa se proiecteze sistemul hibrid.



RST

17


In subcapitolele urmatoare s-au studiat si prezentat conceptele care stau la baza componentelor unui sistem hibrid de producere de energie regenerabila. S-au avut in vedere conceptele, componentele si caracteristicile tehnice pentru sistemele fotovoltaice, eoliene, hidroenergetice, generatoare de back-up.

Subcapitolul 3.1.6 descrie modalitatiile de generare si caractersiticile curbei de sarcina, calculatorul de necesar de energie pentru fiecare locatie pentru care se doreste proiectarea unui sistem de producere de energie regenerabila. O optiune importanta studiata in acest subcapitol reprezinta modulul de prioritizare a surselor de energie si prioritizarea sarcinilor in cazul unui sistem hibrid.

Subcapitolul 3.2 prezintă structura de ansamblu şi reţeaua electrică internă a unei Ferme (Sistem) Energetice Hibride autonome pe bază de surse regenerabile, care constă din:

- două sau mai multe surse de energie electrică produsă din surse regenerabile de energie (instalaţii eoliene, panouri fotoelectrice, microhidrocentrale, celule cu combustibil, grupuri energetice pe bază de biomasă etc.)

- un sistem (o instalaţie) de stocare optimă a energiei electrice; - unul sau mai multe grupuri generatoare de rezervă/siguranţă pe bază de combustibili

convenţionali (motorină, păcură, gaze naturale etc.) - o reţea proprie/internă de distribuţie a energiei electrice la consumatori pe care îi alimentează; - un sistem de monitorizare şi control a puterii produse de diferitele surse din sistem şi de

monitorizare şi control a funcţionării respectivului sistem energetic în ansamblu său (controlul frecvenţei şi tensiunii în reţeaua internă a FEH) şi a fiecărei componente în parte.

De asemenea, se prezintă principalele configuraţii tehnologice ale reţelelor interne pentru astfel de sisteme hibride. Au fost abordate în detaliu etapele ce trebuie parcurse pentru realizarea unui proiect de FEH, şi anume:

determinarea necesarului de putere şi energie consumată: inventarierea surselor de energie regenerabilă disponibile pe amplasament: evaluarea resurselor de energie regenerabilă disponibile pe amplasament; acoperirea consumului de energie electrică din sursele regenerabile locale inventariate:

O importanta este dedicata dimensionarii bateriilor din aplicaţiile de generare distribuita,

care iau in considerare si posibilitatea de conectare la reţea a fermelor cu SRE. Se prezinta algoritmul de dimensionare, algoritm dependent de entitati măsurabile (consumatori definiţi, energie circulata calculabila), precum si de criterii de natura variabila (durata de viata etc). In continuare, se trece la prezentarea a mai multor modele de stocare a energiei electrice pentru un sistem eolian ce functioneaza in regim autonom. Sunt luate in calcul trei forme de stocare a energiei electrice, si anume: bateria de tip VRB, bateria Li-Ion si pila de combustie. Se prezinta si o serie de simulari privind comportamentul sistemului (si implicit contributia majora a elementelor de stocare) in cazul unor variatii semnificative, fie ale vitezei vantului, fie ale sarcinilor alimentate. Activitatea se incheie cu o comparatie din punct de vedere al performantelor pentru modelele de stocare mentionate.

In urma acestei analize efectuate a rezultat o metoda de proiectare a unei FEH (prezentata in anexa 1).

Subcapitolul 3.4 prezinta si analizeaza modelele utilizabile in procesul de proiectare a FEH, punand accentul pe încadrarea acestor modele în sistemul informatic suport şi în particular pe aspectele legate de utilizarea în comun a mai multor surse de energie regenerabilă. Performanţele componentelor individuale pot fi modelate atât pe baze deterministe cât şi prin abordarea probabilistică. In urma analizei efectuate s-a simulat un model pentru un sistem hibrid fotovoltaic/eolian (prezentat in Anexa 2), rezultand un studiu de caz (prezentat in anexa



RST

18


3). Acesta se refera la un sistem format din două bare la care sunt conectate atât generatoare cât şi sarcini, bare care se află la distanţa una faţă de cealaltă. Sursele principale de generare în nanogrid sunt generatorul eolian şi panoul fotovoltaic. O baterie de stocare a energiei electrice şi un generator diesel ce realizează alimentarea de rezervă sunt folosite pentru a menţine continuitatea în alimentarea cu energie electrică când în sistem se modifică puterea sarcinilor cât şi puterea generată de către surse. Capitolul 4 al raportului se refera la “Definirea arhitecturii si functiilor pentru modulele sistemului informatic de proiectare optimala de SIS - CAD pentru FEH”. Acesta prezinta date si notiuni despre arhitectura si baza de date a aplicatiei de proiectare a sistemelor hibride. In primul subcapitol se prezinta unele consideratii privind implementarea bazelor de date relationale, acestea reprezentand date introductive, definitii si caracteristici ale bazelor de date, dupa care se prezinta tabelele continute de aplicatie, cu o scurta descriere a structurii si a rolului fiecarei tabele din baza de date. Au rezultat modelul conceptual al bazei de date (prezentat in Anexa 4) cat si documentatia (prezentata in Anexa 5 )aferenta acesteia cuprinzand schemele datelor care vor urma a fi inregistrate in tabelele bazei de date dupa cum urmeaza: schema pentru sistemele fotovoltaice, schema pentru baterii/acumulatori, schema pentru turbine eoliene, pentru turbinele hidroenergetice, pentru generatoarele de back-up si schema pentru datele privind convertoarele sau interfetele electronice. Este prezentata arhitectura aplicatiei, (prezentata in Anexa 6) facandu-se referire la pasii necesari a fi parcursi pentru proiectarea sistemului hibrid de producere de energie electrica regenerabila, totul concretizandu-se intr-o schema de prezentare a celor descrise si mentionate despre arhitectura. Se face o prezentare grafica a ecranelor aplicatiei. Pentru fiecare fereastra este prezentata o scurta descriere a elementelor din ecran si a rolului fiecarei fereste in aplicatia finala.

In capitolul 4.2 au fost prezentate elemente suplimentare care se iau in considerare in definirea arhitecturii şi funcţiilor pentru modulele sistemului informatic de proiectare optimală de SIS – CAD. Capitolul 4.3. prezenta o aplicatie software destinata analizei fluxurilor de putere dintr-o ferma energetica hibrida, aplicatie utila in vederea determinarii puterii si locului de amplasare al elementelor de stocare a energiei. In continuare este detaliat un algoritm de determinare a starii de incarcare - SOC (state of charge) a bateriilor. apoi se trece la prezentarea unui exemplu practic de management a bateriilor intr-un sistem de tip ferma energetic hibrida, prin folosirea unui convertor de tip Sunny Island. Acesta permite interfatarea mai multor surse de energie regenerabila (solar, eolian) cu un sistem de stocare pe baza de baterii. Capitolul 4.4 prezinta sistemul de gestiune al bibilotecii de module.

Capitolul 5 se refera la managementul etapei activitate indeplinita de coordonatorul proiectului. S-a asigurat de coordonator dialogul si schimbul de informatii intre partenerii consortiului, indeplinirea obiectevelor de care fiecare partener cat si respectarea termenelor in indeplinire a acestora.

In cadrul etapei s-au desfasurat actiuni de diseminare a rezultatelor, dupa cum urmeaza: actualizare site-ului proiectului (http://www.automation.ro/e-farm/) cu facilitate de portal organizarea unei mese rotunde “Calitatea energiilor verzi” in cadrul conferintei

internationale 2010 IEEE International Conference On Automation, Quality And Testing, Robotics (AQTR 2010), THETA 17TH, 28-30 Mai 2010. Au participat 10 specialisti din tara si din strainatate (Ungaria, Rusia, Franta).

organizarea unei mase rotunde, organizata la sediul SC IPA SA, Sucursala Cluj, str Zorilor nr 15. Au participat 14 specialisti, atat din mediul universitar (Universitatea Babes Bolyai, Universitatea Tehnica Cluj, Universitatea Transilvania Brasov), cat si mediul industrial (potentiali beneficiari) cum ar fi: Transelectrica Cluj, Tetarom, SC



RST

19


Electrogrop SA, CMR Transilvania Nord, SC Danex Consult, SDEE Cluj si FDEE EDTN. Au fost publicate 9 articole dintre care:

- 4 cu cotatia ISI si ISI proceedings - 5 in baze de date internationale

A fost publicata o monografie in 2 volume “Surse regenerabile de energie. Abordari actuale” autor prof.dr.ing. Marinescu Corneliu.



RST

20


3. STABILIREA CONCEPTELOR CE VOR STA LA BAZA REALIZARII SIS

PENTRU PROIECTARE SI CONTRAL AL FEH

3.1. Tehnologii de elaborare scenarii si sisteme de suport decizional pentru proiectare si conducere operativa

3.1.1. Module, functii, componente

Computer Aided Design (CAD) reprezinta integrarea metodelor stiintifice si a stiintelor

ingineresti intr-un sistem bazat pe un computer central, format din o baza de date, o librarie program (denumita si lant de programe sau “banca” de metode) si un subsistem de comunicare.

Libraria program contine atat modulele utilizate pentru sistemul elementar de functii

(baza de date, dialog, date I/O, sistemul grafic) cat si modulele care reprezinta algoritmii aplicatiei. Datele I/O se refera la functiile de date de intrare, efectuarea de teste pentru a garanta integritatea si consistenta datelor in baza de date. Subsistemul de comunicatii include module pentru dialog pentru datele de intrare / iesire si pentru procesarea informatiei grafice. Modulul de dialog este compus din limbajul de comanda al sistemului de operare necesar pentru a efectua operatii. Intrariile / iesirile grafice si dialogul grafic interactive sunt procesate in modulul de procesare grafica a informatiei. Interfata dinte datele de model si datele grafice este realizat prin asa numitul modul de prezentare, acesta contine toate informatiile despre apartitia vizuala a definirii produsului pe un modul de iesire. Structura functionala a unui sistem CAD este prezentata in figura de mai jos:

Dialog

Baza Date

I/O Data Interogari

Sistemul Grafic

Aplicatii program

Librarie Program

Fig. 1 – Reprezentare CAD



RST

21


3.1.2.Sistemul Grafic de Dialog

Una dintre cele mai importante componente grafice interactive de baza a unui sistem CAD este introducerea si manipularea obiecteleor structuri complexe prin reprezentarea lor grafica. Aceasta compune asa numita HCI (Human Computer Interface) reprezentand un rol central in sistemele CAD. Desi componenta de comunicatie a sistemelor CAD este o componenta relevanta, designul interfetelor este deseori tratata ca o arta decat ca o stiinta.

Modelul Limbajului

Intr-un sistem CAD un limbaj de dialog reprezinta descrierea actiunilor utilizatorului pentru crearea si manipularea produselor ce urmeaza a fi proiectate. Limbajul este structurat in 4 straturi:

‐ nivelul conceptual; ‐ nivelul semantic; ‐ nivelul sintactic; ‐ nivelul lexical. Nivelul conceptual incorporeaza conceptele sistemului CAD majore, vizibile utilizatorului.

El formeaza modelul utilizatorului care este definit de operatii, obiecte sau clase de obiecte si relatiile dintre acestea.

Nivelul semantic descrie functionalitatea reala a sistemului CAD, insemnatatea operatiilor, a parametrilor, constrangerilor, erorilor semantice, si mesajelor.

Nivelul sintactic defineste ce utilizator poate sa execute functionalitatiile definite la nivelulul semantic. Fiecare functie este descompusa intr-o actiune simpla care poate fi reprezentata de un jeton. Functionalitatea definita de nivelul semantic poate fi descrisa cu ajutorul acestor jetoane de intrare combinate cu jetoane de iesire. Maparea acestor jetoane catre dispositive fizice este activitatea dezvoltata de nivelul lexical.

Stiluri Interactionale O multitudine de tehnici de interactiune se pot folosi si combina pentru a forma jetoanele

lexicale a unei interfete CAD. Fiecare tehnica de interactiune, precum selectarea unui optiuni de meniu, este conectata la anumite dispositive. Selectarea unei tehnici de interactiune potrivita bazata pe dispozitivele disponibile reprezinta cel mai dificil pas in implementarea sistemelor

Metode de baza

Baza de Date Intero

gari

Aplicatii

Grafica

Dialog

User1

User2

User3

Fig. 2 - Structura functionala a sistemului CAD



RST

22


CAD. In cele ce urmeaza se pot clasifica unele dintre cele mai importante stiluri de interactionare.

Interactiune grafica

Majoritatea interactiunilor grafice dintre om si calculator intr-un sistem CAD se realizeaza utilizand tabletele grafice, mouse-ul, joystick, etc. Utilizand aceste dispositive, utilizatorul pune la dispozitie informatii grafice ale obiectelor selectate. Reprezentarile grafice ale produselor afisate pe ecran pot fi modificate prin functii de control. Manipularea directa poate influenta proiectarea CAD prin oferirea interfetelor utilizator directe, aproape de domeniul task-ului de design real.

Selectarea Meniurilor

Selectarea meniurilor este cea mai frecventa interactiune utilizata in sistemele CAD. Utilizatorul executa o selectie dintr-un set de alternative prestabilite. Elementele de meniu reprezinta o colectie de functii si/sau valori de date oferite utilizatorului la un anumit pas de proiectare. Un meniu poate fi la randul lui un submeniu dintr-o structura ierarhica, astfel creandu-se ierarhii in structura meniurilor. Meniurilor pot aparea utilizatorului sub forma de Pop Up, Pull-Down, pot deveni vizibile la o anumita actiune.

Sistemul de management al ferestrelor

Sistemul de management al ferestrelor prezinta o structura organizata pe nivele dupa cum urmeaza. Primul nivel, cel mai de jos, este reprezentat de nivelul intrarilor si iesirilor de baza, care transfera functonalitati specifice si capabilitati hardware ale echipamentelor la un nivel independent de echipamente. Aceasta componenta poate fi realizata prin CGI (Interfata grafica computerizata). Urmatorul nivel (WMS) Serviciile de Management ale Ferestrelor este responsabil pentru gestionarea suprafetelor de pe ecran, facand legatura dintre evenimente si anumite ferestre ale aplicatiei, distribuirea lor catre clienti. WMI (Window Management Interface) poate fi vazuta ca o aplicatie specifica care este responsabila cu toate actiunile aferente ecranelor, ferestrelor, generate de utilizator, cum ar fi mutarea ferestrei, redimensionarea ei, etc. GTK (Libraria Grafica si Tool Kit) este o librarie grafica asemanatoare GKS dar poate fi si o interfata utilizator cu servicii. Ea reprezinta un pachet de subrutine conectate sistemului CAD.

Sistemul de management al interfetelor utilizator (UIMS)

UIMS este un cadru de lucru pentru proiectarea, implementarea interfetelor utilizator asa cum pentru dezvoltarea software sunt mediile de inginerie software. UIMS ofera metode de definire a urmatorelor:

‐ jetoane lexicale si legatura lor cu dispozitivele hardware; ‐ secvente de pasi de dialog; ‐ rutele jetoanelor care procesarea semanctica potrivita.

De la aceste specificatii, care pot fi codificate intr-un fisier UI, este generata componenta runtime a interfetei utilizator. Aceasta interfata opereaza toate interactiunile cu utilizatorul si este separata de aplicatia Kernel. Exista trei tipuri de comunicatie intre componenta interfetei runtime utilizator si aplicatie:

a) Control Intern – defineste interfata utilizator ca o colectie de servicii I/O activate de aplicatia program. In acest caz interfata utilizator este controlata de catre fluxut orientat pe aplicatie al codului program. Comunicatia utilizator este realizata apeland functiile corespunzatoare.



RST

23


b) Control Extern- aplicatia este impartita in pachete mici, fiecare procesand o unitate de dialog. Initiate de secvente de intrare predefinite componentele interfetei utilizator apeleaza functiile aplicatiei pentru a da referinta semantica si pentru a executa pasi de program. Controlul extern asigura o separare clara a functionalitatii dependente si responsabilitatiilor I/O. Controland contextual posibilelor interactiuni, interfata utilizator este capabila de a manipula cererile utilizatorului.

c) Control Mixt- Pachetul interfetei utilizator si aplicatia sunt executate prin co-rutine sau procese paralele. Informatia este transmisa bidirectional. Controlul mixt ofera o interfata flexibila intre interfata utilizator si aplicatie datorita sematicile specifice aplicatiei pot fi inserate la nivelele joase ale interactiunii utilizator.

3.1.3 Structura unei instalaţii eoliene

Principiul de bază al instalaţiilor eoliene a rămas aproape neschimbat şi constă din două procese de conversie a energiei, realizate de principalele componente ale grupului eolian:

• rotorul (componenta principală a turbinei eoliane) este o maşină fluido-dinamică ce converteşte energia cinetică a unui flux de aer (vânt) în energia mecanică de rotaţie a axului acestuia;

• generatorul electric / alternatorul converteşte energia mecanică în energie electrică şi o livrează unei reţele electrice, direct sau prin intermediul unui transformator.

Rotorul şi palele Rotorul este realizat cu pale (“blades”) montate pe un arbore motor; numărul palelor variază de la 1 la cca. 20, uneori mai multe. Arborele poate fi orizontal sau vertical. În primul caz turbinele sunt de tipul cu ax orizontal (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine); în cel de al doilea - cu ax vertical (VAWT - Vertical Axis Wind Turbine). Ultimul tip este, în prezent, foarte rar utilizat şi - din această cauză - ne vom referi, în cele ce urmează, numai la HAWT. O instalaţie eoliană modernă are, de obicei, trei pale. Palele au profil de aripă (fig. 3), fiind realizate în prezent din poliester întărit cu fibre din sticlă sau carbon. Palele sunt montate pe

Fig3 - Secţiune într-o instalaţie eoliană.

generator

cutie de viteze

dulap de control / comandă (controller)

giruetă şi anemometru

turn

rulment principal

motor de orientare

pală

nacelă

butuc

pală

pală

rotor

sistem de frânare axul

lent

axul rapid

Fig.4 - Componentele principale ale unei instalaţii eoliene de mică putere.



RST

24


o structură din oţel numită butuc (“hub”). În cazul turbinelor moderne, palele sunt reglabile pentru controlul unghiului de înclinare a acestora faţă de direcţia vântului (“pitch control”). Palele împreună cu butucul formează rotorul turbinei eoliene.

Cantitatea de energie electrică produsă de un grup eolian depinde de tipul, dimensiunile şi de amplasarea acestuia. În figura 6 se prezintă curbe caracteristice ce reprezintă puterea tipică la ieşire în funcţie de viteza vântului. La viteze reduse nu se produce energie electrică. Turbina începe să funcţioneze de la o viteză a vântului egală cu aproximativ 3 m/s (circa Beaufort 2) şi furnizează puterea maximă la o viteză a vântului egală cu aproximativ 12-14 m/s (circa Beaufort 6). La o viteză a vântului de peste 25-30 m/s grupurile eoliene sunt proiectate să se blocheze în mod controlat pentru a se evita supraîncărcarea şi avarierea instalaţiei eoliene sau a construcţiei. Ultimele tipuri de turbine eoliene sunt echipate cu dispozitiv de control al unghiului de înclinare a palelor care modifică unghiul palei rotorului în condiţii de vreme nefavorabilă. Rezultatul constă în faptul că puterea poate fi generată chiar în condiţii de vreme rea. În timpul furtunilor puternice este necesar totuşi să se blocheze rotorul turbinei. Există trei metode care pot fi utilizate pentru reglarea/controlul puterii la ieşire în situaţiile în care viteza vântului depăşeşte 12 -14 m/s şi anume (a se vedea şi figura 6):

- “stall control” (control cu palele fixe) Tehnologia eoliană cu palele fixe a fost larg folosit în sistemul de control al puterii. Rotorul este menţinut la viteză constantă, majoritatea generatoarelor asincrone fiind conectată la reţeaua publică de 50 sau 60 Hz fără a se folosi convertoare de frecvenţă sau altă electronică de putere. Controlul/reglarea puterii se bazează pe principiul aerodinamic conform căruia, dacă unghiul de atac al curentului de aer atinge o anumită limită / valoare critică (“stall point”), forţa ascensională şi, în consecinţă, momentul de rotaţie a rotorului, se stabilizează sau chiar descreşte în amplitudine

Fig. 5 - Secţiune trasversală a unei pale a rotorului, indicându-se vitezele şi direcţiile de mişcare ale vântului şi rotorului.

viteza vântului

direcţia de rotaţie a rotorului

viteza remanentă a vântului

viteza de rotaţie a rotorului

direcţia vântului

Fig. 6 - Caracteristicile tipice ale unei instalaţii eoliene: puterea la ieşire în funcţie de viteza vântului.

putere dată de vânt

pute

re sp

ecifi

că curbele puterii reale

control cu palele fixe

control al unghiului de înclinare

puterea teoretică maximă utilizabilă

Viteza vântului neperturbat (m/s)



RST

25


(a se vedea figura 5 şi figura 6.a). Avantajul principal al acestui concept este simplitatea sa. Nu este nevoie de nici un sistem mecanic sau electronic pentru a se limita puterea deoarece acesta este un sistem de reglare complet pasiv.

Această metodă este utilizată tot mai rar deoarece, atunci când este aplicat turbinelor cu o putere mai mare de 1,0 - 1,5 MW, el poate conduce la probleme de rezonanţă în pale şi în trenul de dirijare. Alt dezavantaj îl constituie calitatea scăzută a energiei electrice obţinută de la acest tip de instalaţii eoliene.

- “pitch control” (controlul unghiului de înclinare a palelor rotorului)

Deşi acest concept era deja cunoscut şi aplicat, pe scară limitată în anii 1980’ şi 1990’, el a fost dezvoltat după aceea şi este în prezent larg răspândit. Viteza rotorului este variabilă şi creşte cu viteza vântului. La viteza rotorului la care se produce puterea nominală, puterea este menţinută constantă (a se vedea figura 6 şi figura 7.c) prin reglarea/schimbarea unghiului de înclinare a palelor rotorului (“pitching the blades”) către vânt, scăzând unghiul de atac, forţa ascensională şi momentul rotorului. Avantajul acestei metode de reglare/control a puterii la ieşire este că poate fi folosită la instalaţiile eoliene de ordinul MW fără să se introducă rezonanţe mecanice indezirabile. - soluţii intermediare de control/reglare a puterii În ultimele două decade, au fost introduse o serie metode noi de control a puterii, ele fiind bazate pe unul sau altul dintre metode de control prezentate mai sus. Unii producători folosesc metoda combinată numită “active stall control” care combină metoda “stall control” (viteza constantă a rotorului) cu metoda “blade pitch control” (controlul unghiului palelor rotorului) pentru optimizarea caracteristicilor de funcţionare a instalaţiilor eoliene (fig. 6.b). Altă variantă este combinaţia metodei “stall control” cu electronică de putere pentru optimizarea calităţii energiei electrice. Generatorul electric În mod curent, există trei tipuri de instalaţii/grupuri eoliene. Diferenţa principală între aceste concepte se referă la generator şi la modul în care eficienţa aerodinamică a rotorului este limitată atunci când viteza vântului este mai mare decât cea nominală, cu scopul de a se evita suprasarcina. Aproape toate grupurile eoliene instalate în prezent folosesc unul din sistemele următoare (figura 7): generator asincron cu rotor în scurtcircuit (“squirrel-cage induction generator”); generator asincron cu dublă alimentare (cu rotor bobinat) (“double - fed (wound rotor) induction generator”);

Fig. 7 - Caracteristicile de putere ale grupurilor eoliene în funcţie de metoda de control utilizată .



RST

26


generator sincron (“direct-drive synchronous generator”).

Grupurile eoliene din prima generaţie au fost instalaţii cu viteze fixe şi au folosit generatoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit. Acestea au fost denumite instalaţii eoliene cu “viteză constantă a rotorului”, deşi generatorul asincron cu rotorul în scurtcircuit permite mici variaţii ale vitezei rotorului său (aproximativ 1 %). Din cauza diferenţei mari dintre viteza de rotaţie a rotorului instalaţiei eoliene şi cea a rotorului generatorului, este necesară o cutie de viteze pentru multiplicarea vitezei. Înfăşurarea statorului generatorului este conectată la reţeaua electrică. Deoarece generatorul asincron cu rotorul în scurtcircuit consumă putere reactivă pentru excitaţie, lucru care nu este dorit în special în reţele electrice slabe, este necesară conectarea la bornele generatorului a unor condensatoare pentru compensarea puterii reactive consumate de generatorul asincron. Celelalte două tipuri de generatoare permit funcţionarea instalaţiei eoliene cu o variaţie importantă a vitezei rotorului generatorului, cuprinsă între o viteză maximă admisă şi o viteză minimă posibilă. În mod uzual raportul între cele doua viteze este egal cu 2. Aceste nivele diferite de viteză sunt adaptate cu ajutorul electronicii de putere care decuplează frecvenţa rotorului generatorului de frecvenţa reţelei electrice.

În cazul instalaţiilor eoliene cu generatoare asincrone cu dublă alimentare se utilizează electronica de putere pentru alimentarea înfăşurărilor rotorului generatorului. Frecvenţa curentului rotorului este variată astfel încât frecvenţa curentului generat în înfăşurările statorului generatorului să fie egală cu frecvenţa reţelei electrice la care este conectat direct generatorul. O cutie de viteze este necesară pentru a se potrivi vitezele rotorului instalaţiei eoliene şi rotorului generatorului.

În ultima perioadă se utilizează şi o altă configuraţie de instalaţie eoliană cu viteză variabilă, echipată cu generator asincron cu rotorul bobinat şi cu rezistenţă variabilă conectată la înfăşurările rotorului, prin care se poate controla alunecarea generatorului şi astfel se poate regla puterea evacuată (Sistemul OptiSlip produs de Vestas). Generatoarele sincrone conectate direct la reţeaua electrică nu au nevoie de cutie de viteze. Generatorul şi reţeaua electrică sunt complet decuplate prin electronică de putere. Viteza rotorului generatorului este mult mai mică decât în cazul generatoarelor conectate indirect la reţeaua electrică, generatorul putând fi utilizat la viteze mici; acestea sunt uşor de recunoscut datorită diametrelor mari şi proximităţii lor faţă de rotorul instalaţiei eoliene.

Fig. 8 - Sisteme de generare aplicate la grupurile eoliene.

generator sincron

generator asincron cu dublă alimentare

(cu rotor bobinat)

convertor

generator asincron cu rotor în scurtcircuit

convertor

condensatoare pentru

compensare

rotor

reţea reţea reţea

rotor rotor



RST

27


3.1.3.1. Tipuri constructive de captatoare eoliene

Captatoare cu ax orizontal Această categorie cuprinde captatoarele cele mai performante din punct de vedere al

coeficientului de putere şi a posibilităţilor de reglare a puterii. În figura 9 se prezintă cea mai cunoscută variantă constructivă.

Fig. 9.a Turbină eoliană cu ax orizontal.

Turbina este echipat cu două, trei sau mai multe pale, asemănătoare cu cele ale unei elice de avion atât în privinţa profilului cât şi a posibilităţilor de rotire în jurul axului propriu (de modificare a unghiului de atac). Cele cu două sau trei pale mai poartă denumirea de moară olandeză, iar cele cu un număr foarte mare de pale poartă denumirea de moară americană. De asemenea, se poate observa sistemul de orientare după direcţia vântului sub forma unei aripi sau coadă de orientare. Această soluţie constructivă se adoptă şi la puteri mici, dar şi la cele mai mari puteri (diametre peste 100 m).

Există şi construcţii cu ax orizontal, perpendicular pe direcţia vântului (de tip baraj eolian sau cu mişcare oscilantă), dar mai puţin folosite.

Captatoare eoliene cu ax vertical Acestea au cele mai multe variante constructive. Ele, de regulă, nu au nevoie de sistem de

orientare după direcţia vântului. Captatoarele eoliene cu rezistenţă simplă

La aceste turbine eoliene, forţa motoare se obţine ca efect al acţiunii vântului pe palele (verticale) care se deplasează în direcţia acestuia. Mişcarea rotorului este posibilă numai dacă o jumătate de circumferinţă este ecranată (varianta a) sau dacă palele sunt articula

RAPORT DE CERCETARE IN EXTENSO – · proiectarea si conducerea unui sistem energetice tip GD...

Documents

Transcript of RAPORT DE CERCETARE IN EXTENSO – · proiectarea si conducerea unui sistem energetice tip GD...