lucrare de disertaȚie -...
TRANSCRIPT
Universitatea Politehnica București
Facultatea de Automatică și Calculatoare
Departamentul de Automatică și Ingineria Sistemelor
LUCRARE DE DISERTAȚIE
Controlul și echilibrarea sistemelor multiple de
generare și transport a energiei produsă din surse
regenerabile
Autor:
Ing. Dumitru Oancea
Coordonator:
Prof. Dr. Ing. Ciprian Lupu
București, 2015
2
Cuprins
1. Introducere ................................................................................................................................ 4
1.1. Prezentarea industriei energetice ....................................................................................... 4
1.2. Starea actuală a cercetărilor din domeniul resurselor regenerabile ................................... 9
1.3. Scopul lucrări ................................................................................................................... 10
2. Structuri de control .................................................................................................................. 11
2.1. Tipuri de structuri de control pentru sisteme multiple ..................................................... 11
2.1.1. Structuri de control pentru sisteme conectate în serie .............................................. 13
2.1.2. Structuri de control pentru sisteme conectate în paralel ........................................... 13
2.1.3. Structuri de control combinate ................................................................................. 15
2.2. Avantaje și dezavantaje ................................................................................................... 16
3. Sisteme energetice bazate pe energie solară ........................................................................... 18
3.1. Principiul de funcționare și moduri de construcție .......................................................... 19
3.1.1. Modelul matematic al unei celule fotovoltaice ........................................................ 21
3.2. Caracteristica de funcționare a unei celule fotovoltaice, performanțe ............................. 23
3.3. Potențialul fotovoltaic în România .................................................................................. 25
4. Sisteme energetice bazate pe energie eoliene ......................................................................... 27
4.1. Principiul de funcționare și moduri de construcție .......................................................... 28
4.2. Clasificarea generatoarelor folosite în turbinele eoliene ................................................. 29
4.3. Caracteristica de funcționare a unei turbine eoliene, performanțe .................................. 32
4.4. Sisteme de control ............................................................................................................ 33
4.5. Potențialul eolian în România .......................................................................................... 34
5. Sisteme de stocare ................................................................................................................... 37
5.1. Tipuri de sisteme de stocare ............................................................................................. 37
5.1.1. Modelul matematic al unei baterii ............................................................................ 38
5.1.2. Structura de implementare a unei baterii .................................................................. 41
5.2. Evaluarea dispozitivelor de stocare din punct de vedere cost – performanță .................. 43
6. Sisteme compuse de generare a energiei electrice – Virtual Power Plants ............................. 44
6.1. Structurilor de control pentru sisteme de generare de energiei bazate pe surse
regenerabile ................................................................................................................................. 44
3
6.2. Probleme frecvente întâlnite în sistemele de producere de energie electrică formate din
generatoare cu producție discontinuă.......................................................................................... 49
6.3. Avantajele și dezavantajele utilizării unor generatoare bazate pe surse regenerabile ..... 49
6.4. Influența predicțiilor în producția de energie bazată pe resurse regenerabile ................. 50
6.4.1. Tendințe pentru viteza vântului ................................................................................ 51
6.4.2. Tendințe pentru radiația solară ................................................................................. 53
7. Structuri de control pentru sistem multiple ............................................................................. 56
7.1. Comparație între structurile clasice și structura propusă ................................................. 56
7.1.1. Structura încrucișată vs. structura clasică ................................................................. 56
7.1.2. Structură cu patru elemente în paralel ...................................................................... 57
7.1.3. Structuri cu elemente “constante” (Structură hibridă) .............................................. 59
7.2. Rezultate și observații din timpul experimentelor ........................................................... 62
8. Platformă energetică formată din generatoare bazate pe resurse regenerabile ....................... 63
Concluzii ......................................................................................................................................... 69
Îmbunătățiri ................................................................................................................................. 70
Obiective viitoare ........................................................................................................................... 70
Publicații ......................................................................................................................................... 71
Bibliografie ..................................................................................................................................... 72
Anexe .............................................................................................................................................. 75
Termeni ........................................................................................................................................... 76
4
1. Introducere
1.1. Prezentarea industriei energetice
Producția de energie electrică este primul din cele trei procese care definesc industria de
energie electrică. Celelalte două procese care întregesc lanțul sunt procesul de transmisie/
distribuție de energie și procesul de marketing – comercializare. În cadrul procesului de producție
a energiei electrice are loc conversia unei forme de energie, cu ajutorul unui generator, în energie
electrică. Tipul de combustibil folosit pentru alimentarea generatorului definește și tipurile de
puteri.
Este bine cunoscut faptul că pentru producerea energiei se folosesc mai multe tipuri de
combustibili; energia astfel obținută este injectată în rețea, fiind apoi transmisă și distribuită către
utilizatorii finali.
De-a lungul timpului industria energetică a fost un subiect aprins; în fiecare zi apar opinii
noi și au loc dezbateri despre cum să reducem consumul de energie sau cum să plătim mai puțin la
factura de curent. Un moment crucial pentru industria energiei electrice a fost dezastrul nuclear de
la Fukushima Daiichi din Japonia. O serie de dezbateri au avut loc la nivel global în care s-a discutat
siguranța și viitorul energiei nucleare dar și al energiei verzi.
În prezent planul de evoluție al industriei energiei electrice este încă foarte bine delimitat
de experiențele anterioare. De exemplu, modul de gândire al unui om care a trăit într-o țară în care
majoritatea energiei electrice era produsă pe bază de cărbuni, poate să difere foarte mult de modul
de gândire al unui om care a trăit într-o țară în care principala resursă utilizată pentru producția de
energie electrică este fuziunea nucleară. Cu toate acestea, problemele pe care le ridică dezvoltarea
economică, cererea de energie, regimurile de reglare, contextul politic și cei trei A ( availability,
acceptability, affordability) au condus la dezbateri intense legate de avantajele și dezavantajele
fiecărei tip de energie.
Cererea de energie electrică are legătură directă cu creșterea economică. În multe zone de
pe glob, disponibilitatea (availability) reprezintă o constrângere pentru creșterea economică și este
percepută ca o barieră în fața prosperității.
În majoritatea cazurilor avem de-a face cu contexte economice aflate în expansiune, țări în
curs de dezvoltare, unde gradul de industrializare este în creștere sau deja ridicat. Aici se observă
cel mai bine legătura dintre procesul de dezvoltare și necesarul de energie, resursă fundamentală
societății moderne. În prezent, industria energetică este alcătuită din centrale care conțin în cele
mai multe cazuri echipamente care se apropie rapid de sfârșitul ciclului de viață, astfel în
următoarea perioadă se va observa o investiție masivă pentru modernizare sau înlocuirea
echipamentelor vechi. Multe țări dezvoltate au introdus și implementat politici de creștere a
eficienței în încercarea de a evita suprasolicitarea echipamentelor de nouă generație. Cu toate
5
acestea, progresul este limitat și încă omenirea nu poate separa procesul de evoluție, de necesarul
de energie.
Resursele de combustibili fosili au fost mereu o problemă. De-a lungul anilor
disponibilitatea acestora a variat, însă în momentul de față există o criză globală pentru combustibil,
care se transpune în probleme pentru industria energetică.
Combustibilii fosili s-au format de-a lungul timpului prin diverse procese naturale precum
descompunerea anaerobă a materiei organice. Cei mai cunoscuți combustibili fosili sunt cărbunele,
gazele naturale și produsele petroliere. Acestea sunt considerate resurse neregenerabile deoarece
este nevoie de milioane de ani ca să se formeze. Deseori ele devin principala sursă de combustibil
pentru generatoarele de energie, motiv pentru care această categorie de generatoare este considerată
de încredere, având o disponibilitate ridicată. Cu toate acestea în urma procesului de conversie sunt
eliminate în atmosferă cantități foarte mari de dioxid de carbon, nocive pentru mediu.
Răspândirea resurselor pe diverse zone geografice a influențat de-a lungul timpului
dezvoltarea umanității și a orașelor. Acest lucru se poate observa chiar și în zilele noastre în cea
mai importantă resursă pentru umanitate, energia electrică.
În funcție de zona geografică, se poate observa că disponibilitatea resurselor a influențat
producția de energie, de exemplu în SUA, depozitele mari de gaze au determinat ca materia primă
cea mai des utilizată pentru producția de energie sa fie gazele naturale. Franța lipsită de resurse
naturale care să permită obținerea de putere calorică, a optat pentru energia nucleară, având în
prezent un procentaj de 77 % din totalul de energie obținut prin fuziune nucleară.
Figura 1.1. Producția de energie pe categorii de resurse în SUA
41%
31%
10%
10%
8%
Gaze naturale Carbune Fuziune nucleară
Resurse regenerabile Altele
6
Figura 1.2. Producția de energie pe categorii de resurse în Germania
Figura 1.3. Producția de energie pe categorii de resurse în Franța
Figura 1.4. Producția de energie pe categorii de resurse în România
12%
21%
22%10%
24%
11%
Gaze naturale Carbune Fuziune nucleară
Resurse regenerabile Lignit Altele
9%
12%
77%
2%
Gaze naturale și carbune Hidroenergie Fuziune nucleară Altele
36%
25%
23%
16%
Gaze naturale Țiței și derivați petrolieri Cărbune Putere hidraulică și altele
7
Din cauza transformărilor de natură administrativă care au loc în piața de energie și datorită
scăderii cantității de combustibili disponibili pe Pământ, au fost introduse o serie de politici de
conservare a consumului de energie, care au ca scop reducerea consumului. Totodată, prețul
combustibililor fosili a început să crească, obligând consumatorii să reducă consumul de energie,
scăzând astfel și importurile.
Odată cu reducerea cantității de energie produsă au apărut o serie de probleme precum
deviațiile de sarcină, care au un impact major în cadrul industriei energetice. În unele regiuni,
precum SUA, statul a implementat o serie de programe, pentru a reglementa cererea de energie.
Cea mai răspândită metodă este cea a prețului variabil în funcție de perioada zilei, prin întreruperea
furnizării de energie pentru anumite echipamente necritice.
Spre deosebire de combustibili fosili, resursele regenerabile nu au nevoie de perioade lungi
de timp să se refacă și pot fi utilizate imediat, fără a elibera substanțe nocive în atmosferă. Un
dezavantaj al acestor resurse este faptul că echipamentele necesare producerii energiei trebuie să
fie situate în proximitatea resurselor de care depind, față de instalațiile convenționale care se
construiesc în locuri strategice. Acesta este și motivul pentru care anumite tipuri de instalații sunt
mai întâlnite în unele zone și mai puțin în altele. O altă problemă apare în momentul în care se
dorește injectarea acestei energii în rețea, deoarece capacitatea actuală a parcurilor este relativ mică
față de capacitatea parcurilor convenționale și datorită faptului că producția bazată pe resurse
regenerabile nu poate fi controlată, ea este considerată mai puțin de încredere.
Momentan există multe forme de energie regenerabilă. Marea majoritate a acestora depind
într-o formă sau alta de radiațiile solare. Vântul și puterea hidroelectrică sunt rezultate directe ale
încălzirii diferențiată a suprafeței Pământului care conduc la deplasarea maselor de aer, care odată
ajunse la altitudinea potrivită se transformă în precipitații.
Radiația solară este folosită direct în procesul de conversie a luminii solare cu ajutorul unor
panouri sau celule fotovoltaice. Alte forme de energie care nu depind de lumina solară se împart în
energie geotermală, obținută din dezintegrării radioactive în scoarța și mantaua Pământului; și
energia mareelor, care se datorează energiei gravitaționale a Pământului.
Principalele surse de energie regenerabilă pot fi clasificate în următoarele categorii:
Energia solară se bazează pe reacțiile de fuziune nucleară care au loc în miezul Soarelui.
Acest tip de energie poate fi colectată și convertită în diverse forme. Una dintre cele mai uzuale
metode este captarea radiațiilor solare cu ajutorul colectorilor (oglinzi, celule fotovoltaice) care
încălzesc o soluție ce v-a fi folosită în procesul de transformare a căldurii în energie electrică. Din
păcate, în momentul de față aceste surse sunt insuficiente pentru a alimenta pe deplin societatea
noastră modernă.
Energia eoliană. Deplasările maselor de aer sunt produse de diferențele de temperatură de
la suprafața Pământului cauzate de variațiile cantităților de radiații solare care ajung în diverse zone
de pe Glob. Energia eoliană poate fi utilizată să pompeze apă sau să genereze electricitate, dar este
nevoie de o distribuire destul de mare pentru a putea produce cantități semnificative.
8
Energia hidroelectrică. Această formă de energie se folosește de potențialul gravitațional
al nivelului apei. Însă nu putem vorbi în acest caz strict despre resurse regenerabile, întrucât marea
parte a bazinelor hidrografice sunt în acest moment folosite, iar reîncărcarea bazinelor după
utilizare necesită investiții masive.
Bioenergia. Este cea mai comună formă de energie și reprezintă întreaga cantitate de resurse
vegetale. Din păcate cea mai mare parte a energiei, din astfel de resurse, se obține prin ardere,
eliminând în atmosferă cantități uriașe de dioxid de carbon, având astfel o contribuție la actul de
poluare. Cele mai actuale forme de bioenergie sunt obținute în generatoare pe bază de metan și
alcool.
Energia pe bază de hidrogen. Nici acest tip de energie nu este strict regenerabilă dar
disponibilitatea și gradul scăzut în poluare o face foarte populară. Hidrogenul poate fi folosit drept
combustibil, de obicei la autovehiculele care utilizează ca și combustibil apă. Hidrogenul poate fi
folosit pe post de celule de combustibil, similar cu bateriile care propulsează mașinile electrice.
Însă producerea de hidrogen necesită o putere foarte mare ceea ce duce la un randament și o
rentabilitate destul de mică.
Energia geotermală. Energia radiată de nucleul Pământului iese la suprafață încet pe tot
Globul, în fiecare zi. În anumite regiuni, nivelul geotermal este mai mare și îndeajuns de ridicat
încât să fie utilizat la generarea de energie. Cu toate acestea există un număr limitat de locuri în
care condițiile sunt optime pentru exploatare, iar tehnologic există foarte multe probleme pentru
care nu au fost găsite încă soluții. Această sursă de energie are cea mai bună funcționalitate atunci
când se pune problema încălzirii locuințelor, însă nu și în cazul producerii de energie electrică.
În cadrul conferințelor internaționale s-a pus și întrebarea: ”Poate o țară să funcționeze
100% cu energie regenerabilă ? ”. Câteva țari se gândesc deja intens la aceste lucruri și investesc
masiv atât în construcția unor noi parcuri cât și în integrarea acestora în infrastructura existentă.
În prezent aceste surse de energie sunt considerabil mai scumpe decât combustibilii fosili,
ceea ce va duce la dislocări economice și dificultăți din ce în ce mai mari pentru societățile actuale,
în cazul în care vor deveni singurele surse de energie.
Într-un studiu realizat în mai 2011, s-a observat că majoritatea oamenilor intervievați
(18787 subiecți) au o mare deschidere către resursele regenerabile, procentele sunt prezentate în
tabelul de mai jos. [1]
9
Figura 1.5. Gradul de susținere al publicului pentru sursele de energie
Ținând cont de toate cele prezentate mai sus, a apărut o nouă oportunitate și anume
managementul gradului de încărcare a instalațiilor de producere a energiei electrice. Astfel trei
concepte noi au fost dezvoltate, cunoscute sub numele de 3A:
- disponibilitate (availability) – presupune ca puterea să fie disponibilă atunci când este
nevoie de ea; aceasta necesită ca sursa să fie sigură și de încredere.
- acceptabilitate (acceptability) – presupune acceptare din partea publicului a sursei
respective; aceasta este întâlnită în piețele unde există mai mulți comercianți.
- accesibilitate (affordability) – se referă la costurile pe care consumatorii finali trebuie
să le plătească pentru kWh de energie.
1.2. Starea actuală a cercetărilor din domeniul resurselor regenerabile
În prezent se dorește crearea unui centru european de coordonare si reglementare a
întregului sector energetic care să asigure securitate, sustenabilitate, competitivitate și toate acestea
la un preț corect, atât pentru consumatorii casnici cât și pentru consumatorii industriali. Pentru
realizarea acestui obiectiv, sistemul energetic din Europa trebuie să treacă printr-o transformare
fundamentală, însă trebuie avute în vedere și tratatele privind scăderea gradului de încălzire la nivel
global, de exemplu Tratatul de la Kyoto.
O soluție pentru acest fenomen este trecerea de la o producția de energie bazată pe
combustibili fosili, de exemplu gaze și cărbuni, la energii curate, numite și energii verzi, care se
bazează pe puterea solară, eoliană și hidroenergie.
La nivelul României există o strategie energetică care dorește valorificarea potențialului
surselor regenerabile de energie, aceasta fiind integrată în planul de dezvoltare energetică al
97%93% 91%
80%
48%
38%
Energie solară Energie eoliană Hidroenergie Energie termica-gaze naturale
Energie termica-cărbuni
Energie nucleară
10
României pe termen mediu și lung și oferă cadru adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare
la alternativele energetice și înscrierea în acquis-ul comunitar în domeniu.
Conform strategiei de la nivel național se dorește următoarele:
- Energia eoliană: capacitatea globală a energiei eoliene va ajunge la peste 32000MW,
iar procentul de creștere este de 32%/ an. Se dorește ca până în 2020 cererea mondială
de electricitate produsă din energie eoliană să ajungă la 12%.
- Energia solară: energia solară a cunoscut o creștere foarte mare în ultimii 20 de ani cu
cca 33%. [2]
1.3. Scopul lucrări
Lucrarea de față are ca scop prezentarea unei structuri de control și echilibrare a unor
sisteme hibride bazate pe surse regenerabile, în care referința subsistemelor trebuie variată pentru
a menține ieșirea globală a sistemului constantă la o valoare predefinită, indiferent de regimurile
tranzitorii care apare la modificarea referinței, dar și a perturbațiilor de sarcină care pot apărea în
cadrul sistemelor. Schimbarea referințelor subsistemelor trebuie să se realizeze într-un timp cât mai
scurt, pentru a asigura un nivel ridicat de precizie în faza tranzitorie.
Deoarece structura de control trebuie să asigure și stabilitatea sistemului, este necesară
includerea și a unui sistem de stocare de energie care să poată stoca surplusul și care în condiții de
necesitate să reîntoarcă această energie în rețea. Oprirea unui generator necesită compensarea lui
cu o altă sursă, motivându-se astfel alegerea acestei structuri combinate, suplimentată cu un sistem
de stocare.
Pentru analiza structurii de control s-au luat în considerare 3 tipuri de generatoare care pot
transforma în energie electrică 3 tipuri de resurse: radiația solară, puterea eoliană și puterea
hidraulică (reprezentate de sistemele de stocare). Pentru a construi un cadru de test cât mai aproape
de realitate, se va considera și un caz în care vom avea un sistem de stocare a energiei guvernat de
un mecanism de management. Rolul sistemului de stocare este de a interveni în momentele în care
sistemul nu poate să furnizeze cantitatea de energie cerută și să absoarbă surplusul de energie atunci
când producția este peste necesar. În cadrul acestor simulări se dorește ca starea de încărcare a
sistemului să fie in jur de 50%, sau să poată să susțină consumatorii pentru o perioadă determinată.
Pentru comparație se vor folosi structurile convenționale de tip serie și paralel, dar și combinații
între acestea. Pentru control se vor folosi atât regulatoare de tip PID cât și regulatoare adaptive de
tip RST, dar și o structură de tip model predictive control (MPC).
În cadrul acestei lucrări se va prezenta și o platformă energetică construită în laborator cu
ajutorul căreia se vor testa structurile de control propuse.
11
2. Structuri de control
Un sistem de control are ca principal obiectiv reglarea în mod automat a unui proces
tehnologic. Controlul se realizează prin impunerea unei variabile sau a anumitor variabile specifice
unui sistem să urmărească o evoluție dată, în prezența diferitelor perturbații.
Astfel putem defini din punct de vedere matematic că scopul conducerii este acela de a
anula diferența dintre mărimea condusă (reglată) și mărimea impusă, diferență care poartă numele
de abatere sau eroarea sistemului. De multe ori în cadrul sistemelor de reglare automată mărimea
reglată este chiar mărimea măsurată. Așadar putem spune că sistemele de reglare automată asigură
menținerea automată între anumite limite a mărimilor importante pentru buna desfășurare a
procesului tehnologic, precum economisirea de energie, de materii prime sau de creștere a
productivității.
În cadrul sistemelor de automatizare există mai multe tipuri de structuri de control care
depind în principal de tipul instalației tehnologice.
Alegerea unei soluții de automatizare pentru un proces tehnologic se face ținând cont de
performanțele care se doresc de la echipamentul de reglare, sau sistemul de conducere,
particularitățile procesului care se dorește a fi automatizat, mediul în care evoluează procesul,
gradul de siguranță în funcționare pe care trebuie să îl asigure sistemul, modul de exploatare dar și
costul echipamentelor.
Marea majoritate a echipamentelor de automatizare sunt echipamente specializate și au
caracteristici importante precum: modularitate, flexibilitate, versatilitate.
Un sistem de automatizare are următoarele funcționalități:
- Conducere (reglare);
- Alarmare și protecție;
- Supraveghere și monitorizare;
- Pornire – oprire;
- Modificarea regimurilor de funcționare.
2.1. Tipuri de structuri de control pentru sisteme multiple
În figura 2.1. este prezentată structura generală a unui sistem de conducere, în care sunt
evidențiate principalele elemente componente dar și relațiile dintre acestea.
Regulatorul are rolul de a prelucra informația din proces, furnizată prin intermediul
traductorului, și referința r. Referința poate fi stabilită prin intermediul unui bloc de referință sau
prin intermediul sistemului de calcul care are acces la o bază de informații.
12
Figura 2.1. Structura generala a unui sistem de conducere
În cadrul unui sistem, prelucrarea informației și a referinței se face după una sau mai multe
legi de reglare, în funcție de numărul de mărimi ce se doresc a fi reglate. Cea mai des utilizată lege
de reglare este reglarea după mărimea de ieșire, în care principala intrare a regulatorului este dată
de eroarea dintre referință și ieșirea sistemului:
𝜀 = 𝑟(𝑡) − 𝑦(𝑡)
unde: ε – eroarea de reglare; r – referința sistemului; y – ieșirea sistemului; t – momentul de timp.
Cunoașterea legilor de guvernanță a instalației tehnologice în funcție de particularitățile
acesteia, permite obținerea unor modele analitice pentru regimurile de funcționare. Odată stabilit
regimul de funcționare, regulatorul poate să calculeze și să trimită comanda către elementul de
execuție. Astfel pot fi identificate trei regimuri generale de funcționare:
- Automat (A): comanda regulatorului este transmisă direct la elementul de execuție;
- Manual (M): comanda este generată de BCM – bloc comandă manual- și transmisă către
elementul de execuție;
- Sistem de calcul (C): comanda este generată de sistemul de calcul și transmisă către
elementul de execuție.
În funcție de tipurile de sisteme și de modul acestora de organizare au fost dezvoltate mai
multe structuri de control, dintre acestea, cele mai cunoscute sunt structurile de control pentru
conexiunile de tip serie și de tip paralel. Pentru cazurile în care se urmăresc performanțe multiple
de la instalația tehnologică, au fost dezvoltate o serie de structuri de control mai complexe, care
conțin mai multe legi de reglare combinate.
Element de
execuție
Sistem de calcul
Instalație
tehnologică
Regulator
Traductor
BCM
Informații din DB
M
C
A
v
u(t)
y(t)
r(t)
13
2.1.1. Structuri de control pentru sisteme conectate în serie
În cazul sistemelor de producere a energiei electrice bazate pe generatoare care folosesc
resurse regenerabile, capacitatea unui generator este mult prea mică pentru a putea genera suficientă
energie de unu singur, astfel este nevoie ca mai multe generatoare să fie conectate în serie.
Figura 2.2. Sisteme conectate în serie
În cazul conectării mai multor sistem în serie, modelul matematic al noului sistem se poate
obține, atunci când se cunosc funcțiile de transfer, cu următoarea relație:
Yserie(s) = ∏ 𝑃k
n
k=1
(s)
unde n – numărul de sisteme conectate în serie.
Un exemplu de sisteme conectate în serie poate fi un depozit de elemente de stocare de
energie, care montate într-o legătură de tip serie duce la creșterea capacității de stocare a sistemului.
Sistemele conectate în serie, pot fi grupate ca un singur sistem cu funcția de transfer formată
din convoluția tuturor sistemelor, fiind astfel nevoie de un singur regulator și respectiv o singură
mărime de comandă. O structură de control pentru un astfel de sistem este prezentată în figura de
mai jos.
Figura 2.3. Structură de control pentru sisteme conectate în serie
2.1.2. Structuri de control pentru sisteme conectate în paralel
În cazul panourilor fotovoltaice se urmărește menținerea unei tensiuni și a unui curent
constant. Astfel pentru a obține o putere dorită, echipamentele trebuie conectate în paralel. O astfel
de conexiune este prezentată în figura 2.4. Ieșirea noului sistem rezultat se obține prin însumarea
tuturor ieșirilor sistemelor componente.
R(s) Y(s) X23
X12
Y1 Y1 P
1 P
2 P
3
r + C1
Pserie
P1 P2 P3 y
-
14
Figura 2.4. Sisteme conectate în paralel
Pentru obținerea modelului matematic al noului sistem, atunci când se cunosc funcțiile de
transfer, se folosește următoarea relație:
𝑌𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙(𝑠) = ∑ 𝑃𝑘(𝑠)
𝑛
𝑘=1
unde n – numărul de sisteme conectate în paralel.
Structura de control pentru un ansamblu de sisteme conectate în paralel se poate aplica doar
în cadrul procesele care folosesc o singură mărime de control. Semnalul de comandă se împarte la
fiecare sistem proporțional după o lege definită în funcție de capacitatea fiecărui generator / panou
fotovoltaic. Structura de control pentru un astfel de sistem este prezentată în figura de mai jos.
Figura 2.5. Structură de reglare pentru două sisteme conectate în paralel
Semnalul de comandă, r, se formează din descompunerea aditivă în două intrări r1 si r2
(exemplul din figura 2.5.), câte una pentru fiecare generator. Legea după care se face proporționarea
celor doua intrări este:
𝑎1 = 𝑟1
𝑟, 𝑎2 =
𝑟2
𝑟
unde următoarea condiție trebuie respectată:
𝑎1 + 𝑎2 = 1.
În acest caz, eroarea globală a sistemului se calculează după următoarea expresie:
iyiyirie 21
unde i – momentul de timp la care se face măsurătoarea.
r
r
r
r
P1
P2
P3
X1
+ X
2+
+ X
3
Y
15
Conform [3], eroarea globală integrată a sistemului în paralel nu este 0. În cazul în care un
generator cedează, cel de-al doilea nu are posibilitatea să compenseze întreaga cantitate cerută de
referință.
2.1.3. Structuri de control combinate
Un sistem de reglare care îmbină principiul acțiunii prin discordanță cu principiul
compensației se numește sistem de reglare combinată/ sistem de control combinat.
Principiul acțiunii prin discordanță presupune ca mai întâi mărimea reglată să se abată de
la valoarea prescrisă și abia apoi să reacționeze pentru compensarea acestei abateri, indiferent de
perturbația care a produs abaterea. Astfel un avantaj major îl reprezintă faptul că efectul oricărei
perturbații poate fi compensat, însă vor exista abateri nenule.
Principiul compensației presupune că perturbațiile pot fi măsurate și corecții suplimentare
pot fi aplicate, astfel încât să se poată compensa efectul perturbațiilor. Corecțiile pot fi aplicate atât
la ieșirea din legea de reglare, ca un semnal de bias, cât și la intrarea în legea de reglare ca un
semnal de offset. Avantajele acestui principiu sunt regimurile tranzitorii care au abateri nule;
dezavantajul este că nu se pot compensa decât anumite perturbații.
Îmbinarea celor doua principii prezintă un avantaj major în instalațiile tehnologice în care
există perturbații dominante, iar acestea pot fi măsurate.
Dacă, de exemplu un sistem este instabil sau se află în jurul limitei de stabilitate,
introducerea unui element de corecție va determina creșterea stabilității sistemului, acest lucru se
realizează în majoritatea cazurilor prin introducerea sau modificarea factorului total de amplificare.
O altă variantă prin care se poate îmbunătăți comportamentul unui sistem în regim tranzitoriu sau
staționar, este introducerea unor zerouri suplimentare ce determină defazaje pozitive, de anticipare
într-o gamă largă a frecvenței. Prin introducerea unor poli suplimentari se va putea elimina abaterile
erorii staționare.
În practică, în majoritatea cazurilor, se face un compromis între stabilitate și performanțe,
deoarece este posibil ca prin introducerea unor elemente de corecție, performanțele sistemului să
scadă.
O altă structură foarte des întâlnită în automatizări este structura de reglare în cascadă. Prin
sistem de reglare în cascadă se înțelege un sistem la care se reglează prin bucle concentrice o serie
de mărimi intermediare care răspund mai repede la perturbații decât mărimea de ieșire finală ce
trebuie controlată. Prin intermediul buclelor de reglare concentrice se previne într-o mare măsură
acțiunea perturbațiilor asupra mărimii de ieșire.
16
Figura 2.6. Structură de control cu elemente de compensare pentru sisteme conectate în serie (a), sisteme conectate
în paralel (b), sisteme complexe cu reacție după stare (c)
Structura unui sistem de reglare în cascadă cu două bucle este prezentată în figura 2.7. Ea
se poate extinde pentru un număr oarecare de bucle, în funcție de numărul de mărimi intermediare
ale procesului condus. O regulă importantă care trebuie respectată în cadrul acestei structuri de
reglare este ca mărimea care acționează și trebuie reglată cel mai rapid, bucla cea mai rapidă, să se
afle la nivelul cel mai de jos.
Figura 2.7. Schema generală de reglare în cascadă
Unde C1, C2 sunt elemente de calcul al comenzii pentru bucla 1 respectiv bucla 2, iar P1, P2 sunt
sistemele ce se doresc a fi controlate.
Reglarea în cascadă se recomandă în cazul proceselor tehnologice cu funcții de transfer cu
număr mare de constante de timp, care se pot descompune în sub-procese a căror funcții de transfer
să nu conțină mai mult de două constante de timp principale.
2.2. Avantaje și dezavantaje
Succesul unor astfel de structuri de control este dat de faptul că operatorul poate interveni
oricând printr-o comandă manuală pe oricare din buclele de reglare, în cazul unei situații de urgență.
În cadrul unei instalații tehnologie, în mediul industrial, sistemele de conducere și control automat
sunt organizate pe nivele de ierarhie. Astfel, buclele de reglare situate la nivele ierarhice inferioare
primesc cereri sau referințe de la regulatoarele aflate la nivele superioare sau de la regulatorul
master aflat în bucla principală.
Dezavantajul major al schemelor de reglare prezentate în acest capitol constă în faptul că
acțiunea de reglare se declanșează numai după ce mărimile perturbatoare au provocat modificarea
mărimii de ieșire.
CCS
(s) ±
Pk(s) Pk+1
(s)
CCP
(s)
PK(s)
±
(b) (a)
PK(s) P
1(s) P
K+1(s)
CCR
(s)
r(s) A(s) +
-
Y(s)
(c)
P1(s) C1(s) P2(s) C2(s) +
-
r(s) Y(s)
Buclă secundară
Buclă principală
17
Pentru eliminarea acestor dezavantaje, în practică se recurge la utilizarea principiului
combinat care permite compensarea totală sau parțială a influențelor perturbațiilor principale și
diminuarea influențelor tuturor celorlalte mărimi perturbatoare care acționează asupra mărimii de
ieșire.
Structurile de reglare care au la bază concepte simple de reglare prezintă avantaje doar în
cazul în care procesul lucrează în jurul punctului nominal de funcționare. Acest fapt se traduce prin
complexitate de calcul scăzută și timp de răspuns mic. Totodată și costurile aferente implementării
vor fi considerabil mai mici.
Structurile de reglare în cascadă sunt cele mai des utilizate structuri de control în practica
industrială. Regulatorul de la nivelul fiecărei bucle îi revine de compensat numai o parte din
procesul de reglat. Astfel se pot folosi regulatoare simple și ușor de implementat, ceea ce se traduce
printr-o investiție mult mai mică.
Regulatoarele în cascadă permit reducerea duratei regimului tranzitoriu al sistemului prin
intervenția rapidă a buclelor de reglare interioare, la apariția unor perturbații din exterior. În mod
frecvent acestea sunt utilizate pentru reglarea vitezei de rotație la mașinile electrice, indiferent de
tip.
18
3. Sisteme energetice bazate pe energie solară
Producerea de energie electrică din energie solară are la bază instalații termice și panouri
fotovoltaice. Modurile în care energia solară poate fi folosită sunt limitate doar de imaginația
omului. Tehnologiile solare se clasifică în general în pasive sau active, în funcție de modul în care
energia este captată, convertită și/ sau distribuită. Tehnicile solare active sunt reprezentate de
panourile fotovoltaice și de colectoarele termice. Tehnologiile solare pasive sunt reprezentate de
proiectele ceva mai futuriste precum orientarea clădirilor după soare, model preluat din natură,
selectarea de materiale care au proprietăți de dispersie a luminii, etc.
Panourile fotovoltaice au ca principală funcție convertirea directă a luminii, mai precis a
radiației solare provenite de la Soare, în energie electrică la nivel atomic. Unele materiale au
proprietatea de a absorbi fotonii de lumină din radiația solară și de a elibera electroni; acest fenomen
se numește efect fotoelectric.
Prima celulă solară pe bază de siliciu a fost realizată de Daryl Chapin, Calvin Fuller și
Gerald. Pearson în 1954 la Bell Laboratories (SUA), și a fost utilizată pentru început în aplicații
speciale în cadrul programelor spațiale cu o eficiență de conversie a luminii în electricitate de 5%.
Celulele actuale au demonstrat o eficiență de conversie a luminii incidente în energie
electrică de aproximativ 18%, având costuri de producție la o fracțiune față de acum 30 de ani. În
cadrul unor teste de laborator s-a ajuns la eficiențe de până la 25 % pentru celulele fotovoltaice
confecționate din siliciu.
În prezent există mai multe tehnologi de construcție a celulelor fotovoltaice, care depind în
principal de materialul din care este confecționat captatorul de radiație, astfel se cunosc trei mari
clase:
- panouri fotovoltaice formate din siliciu cristalin;
- panouri fotovoltaice formate din filme subțiri;
- panouri fotovoltaice formate din conglomerări de celule fotovoltaice.
Chiar dacă există mai multe tehnologii de fabricare, cea mai răspândită metodă este cea în
care se folosește siliciu. Și deși costurile de producție au mai scăzut în ultima vreme, energia
electrică produsă pe această cale este încă scumpă față de cea convențională [4]. Cu toate acestea
prețul relativ scăzut față de generatoarele eoliene, au făcut ca sistemele fotovoltaice să fie foarte
atractive pentru persoanele care doresc să-și instaleze un sistem pentru uz personal în gospodărie,
mai ales în zonele în care nu există acces la o rețea de alimentare cu energie electrică sau accesul
nu se poate face cu ușurință.
Energia solară are un avantaj superior față de celelalte energii regenerabile: celulele
fotovoltaice produc energie electrică pe timpul zilei, atunci când cererea de energie este cea mai
mare, între ora 9 dimineața și 18 seara. În țările în care potențialul de putere solară este mare,
acestea reprezintă un adevărat avantaj, putând să înlocuiască cu mare succes sursele convenționale.
19
Pentru a contribui la reducerea dependenței de combustibilii fosili, multe din țările
dezvoltate au făcut investiții consistente în capacități de producere a panourilor fotovoltaice și în
dezvoltarea de rețele inteligente de distribuție a energie electrice. Astfel rețele electrice moderne
au ajuns astăzi să includă un număr extrem de mare de micro centrale fotoelectrice de capacități
mici și medii cu scopul de a complementa producția de energie produsă de centralele clasice.
Generatoarele fotovoltaice sunt grupate în principal sub forma unor câmpuri fotovoltaice
amplasate la nivelul solului și include: toate elementele de interconectare, protecții și/sau ansamble
de poziționare a panourilor în funcție de poziția Soarelui.
Figura 3.1. Structura generică a unu power grid format din panouri solare
3.1. Principiul de funcționare și moduri de construcție
Panourile solare folosesc diverse combinații de lentile pentru a reflecta și a concentra într-
o singură rază lumina soarelui, pentru a încălzi un fluid, de obicei aer în vid, apă, ulei sau sare
topită, care înmagazinează căldura pentru a o transforma ulterior în energie electrică.
Un sistem fotovoltaic se comportă ca o diodă semiconductoare de capacitate mai mare, care
în interior dă naștere unor tensiuni. Dacă la capetele diodei se conectează o rezistență cu sarcina
potrivită aceasta poate genera curent. Lumina care cade pe semiconductorul intern crește
concentrația purtătorilor de sarcină și astfel fotonii incidenți sunt absorbiți de materialul
semiconductor transferând puterea generată de electroni și goluri. Electronii și golurile separate de
joncțiunea PN sunt colectați printr-un circuit exterior sub formă de tensiune sau curent continuu.
Radiația solară incidentă care ajunge pe suprafața celulei provoacă eliberarea unor electroni,
fenomen explicat în figura 3.2. [5].
20
Figura 3.2. Procesul de eliberare a electronilor în joncțiunea PN
La nivelul joncțiunii PN au loc fenomene prin care golurile, particule încărcate cu sarcină
electrică pozitivă și electronii, particule încărcate cu sarcină electrică negativă, se deplasează dintr-
o parte în alta a joncțiunii, ca în figura 3.3., generând astfel curent electric.
Figura 3.3. Fenomenul de deplasare a electronilor în joncțiunea PN până la apariția fenomenului de generare
de energie electrică
În funcție de profilul consumatorului, care depinde de cantitatea de electricitate pe care o
consumă timp de o lună, locul în care este construită gospodăria, există mai multe posibilități de
implementare:
- Cu sau fără sisteme de stocare;
- Cu sau fără acoperire a consumului din rețeaua națională;
- Cu sau fără injecție a surplusului de energie în rețeaua națională.
Construcția panourilor fotovoltaice se face modular ceea ce permite fabricarea unor surse
fotovoltaice de puteri de la ordinul Watts până la ordinul megaWatts.
În figura 3.4. sunt prezentate elementele componente ale unui sistem generic format din
celule fotovoltaice.
21
Figura 3.4. Structura generală a unui sistem de producere a energiei fotovoltaice
3.1.1. Modelul matematic al unei celule fotovoltaice
O celulă fotovoltaică se comportă ca o diodă cu suprafață foarte mare de expunere. Atunci
când nu este expusă la lumină ea se comportă ca o diodă semiconductoare simplă.
A. Modelul matematic simplificat
În cazul unei celule fotovoltaice, curentul electric, I, depinde de tensiunea celulei, care în
condiții normale are VT=25˚ = 27,7 mV; IS =10-10 – 10-5 A – curent de saturare.
Ecuația matematică pentru calculul curentului unei celule fotovoltaice poate fi scrisă sub
forma:
𝐼 = −𝐼𝐷 = −𝐼𝑆 ∙ (𝑒𝑉𝐷
𝑚𝑉𝑇 − 1),
unde m variază între 1 și 5. Pentru dioda ideală m are valoarea 1.
Figura 3.3. prezintă schema echivalentă simplificată a unei celule fotovoltaice, în care
curentul electric în sarcină se calculează după următoarea formulă:
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ = −𝐼𝐷 = 𝐼𝑝ℎ−𝐼𝑆(𝑒𝑉𝐷
𝑚𝑉𝑇 − 1)
unde sursa de curent fotovoltaică poate fi calculată după formula:
𝐼𝑝ℎ = 𝑐0 ∙ 𝐸
cu E – iradiația solară și c0 – coeficientul de proporționalitate.
22
Figura 3.5. Circuitul echivalent al unei celule fotovoltaice în formă simplificată
B. Modelul matematic extins cu o diodă
În cazul modelului extins cu diodă pentru celula fotovoltaică se ține cont suplimentar de
conducția serie din cadrul celulei, prin intermediul rezistenței montată în serie RS, și de curentul de
scăpări de la marginea celulei, prin rezistența paralelă Rsh.
Figura 3.6. Circuitul echivalent al unei celule fotovoltaice în formă extinsă, cu o singură diodă
Ecuația neliniară care determină curentul la bornele celulei fotovoltaice, pentru modelul
extins cu o diodă, este reprezentată în continuare:
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼0 ∙ (𝑒𝑞
𝑛𝑁𝑆𝑘𝑇(𝑉+𝐼∙𝑅𝑆)
− 1) − 𝑉 + 𝐼 ∙ 𝑅𝑆
𝑅𝑠ℎ
unde: n – coeficientul de idealitate al diodei, q – fluxul termic (W/m2), k – constanta lui Boltzmann
(1,38 · 10-23 J/K), T – temperatura, NS – numărul de celule fotovoltaice.
Având această ecuație în raport cu două variabile (V, I), se poate rezolva în raport cu una
dintre ele dacă cea de a doua este dată, Idat respectiv Vdat.
O componentă importantă a panourilor solare este invertorul. Curentul DC produs de
panouri este schimbat în curent AC de către invertoare. Performanțele invertorului devin astfel
foarte importante pentru rețea, fiind elementul principal care determină dacă ferma de energie poate
să răspundă la cerințele rețelei.
Un convertor de tensiune este un dispozitiv electric ce poate să crească sau să scadă
tensiunea de intrare, dar totodată să livreze și puterea pe care o primește. Pentru mai multe detalii
se poate consulta referința [6].
23
3.2. Caracteristica de funcționare a unei celule fotovoltaice, performanțe
O caracteristică importantă a panourilor solare este faptul că ele pot funcționa chiar dacă
radiația solară nu cade direct pe celula fotovoltaică. Lumina difuză este folosită pentru producerea
de energie electrică, ceea ce duce la o creștere a ariei în care pot fi amplasate echipamentele.
În comparație cu centralele eoliene, panourile solare nu pun atât de multe probleme atunci
când vine vorba de integrarea lor în rețelele de energie, deoarece radiația solară este mult mai
predictibilă decât vântul.
O celulă fotovoltaică poate fi caracterizată prin trei mărimi: caracteristica amper – volt, I(U)
sau volt – amper U(I) și de caracteristica de putere P(U). Pentru a determina curentul circuitului
exterior este nevoie să se calculeze diferența dintre curentul fotovoltaic și curentul diodei.
Ținând cont de rezistența Rsh, de scurgerile care au loc în joncțiunea pn a celulei fotovoltaice
și de rezistența serie a celulei RS, se va putea realiza o schemă echivalentă completă pentru celula
fotovoltaică.
În continuare sunt definite principalele caracteristici ale unei celule fotovoltaice:
a. Puterea electrică cedată sarcinii R:
𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 = 𝑈 {𝐼𝑆 − 𝐼0 [exp (𝑒𝑈
𝐾𝑇) − 1]}
b. Valoarea maximă a puterii se poate obține într-un punct M al caracteristicii curent – tensiune,
dat de coordonatele obținute din condiția:
𝑑𝑃
𝑑𝑈= 0
𝑈𝑀 = 𝑈0 − 𝑈𝜏ln (1 +𝑈𝑀
𝑈𝜏)
𝐼𝑀 = 𝐼𝑆(1 +𝐼0
𝐼𝑆) ∙
𝑈𝑀
𝑈𝑀 + 𝑈𝜏
unde: 𝑈𝜏 =𝑘𝑇
𝑒.
c. Valoarea optimă a rezistenței sarcinii se calculează după relația:
𝑅𝑀 =𝑈𝑀
𝐼𝑀
În figura 3.5. este reprezentată caracteristica de funcționare a unei celule fotovoltaice care
are maximul de putere în punctul Pmpp, iar VOC este tensiunea de mers în gol.
Pentru funcționarea în condiții normale a unei celule fotovoltaice se ține cont de 3
parametrii tehnici precum:
- Intensitatea luminoasă care nu trebuie să scadă sub 1000 W/m2 în zona panoului;
- Temperatura celulei solare trebuie să fie menținută constantă la valoarea de 25 ˚C;
- Spectru luminii să fie AM 1,5 global, sau să respecte următoarele standarde: DIN EN
61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.
24
AM 1,5 global indică modul în care lumina solară slăbește la suprafața Pământului în
funcție de latitudine datorită parcurgerii unei mase mari de aer proporțional cu latitudinea. Pe timp
de iarnă se înregistrează valori de AM 4 până la AM 6.
Figura 3.7. Caracteristica de funcționare a unei celule fotovoltaice
În urma experimentelor s-a observat că în sezonul de vară, în jurul orelor prânzului,
temperatura celulelor solare poate atinge valori de 30 până la 60 ˚C ceea ce are ca efect o scădere
a randamentului.
Cunoscând aceste aspecte s-a luat în calcul un nou parametru, P care indică puterea ce poate
fi dezvoltată de celula fotovoltaică la temperatura de funcționare nominală.
Ecuația de calcul al randamentului pentru o celulă fotovoltaică este reprezentată de
următoarea expresie:
𝜂 =𝑃𝑚𝑝𝑝
𝐴 ∙ 𝑃𝑜𝑝𝑡
unde: A – suprafața iluminată; Popt – intensitatea luminoasă.
Temperatura normală de funcționare a celulei fotovoltaice se calculează după formula de
mai jos și este necesar ca următoarele condiții să fie îndeplinite: radiația globală să fie 800 W/m2,
temperatura mediului de 20 ˚C și viteza vântului mai mică de 1 m/s.
𝑇𝐶 = 𝑇𝐴 + (𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20
0.8) ∙ 𝑃𝑜𝑝𝑡
unde: TC – temperatura celulei; TA – temperatura mediului.
Ținând cont de cele prezentate în acest capitol, putem concluziona că tehnologia utilizată
pentru construcția captatorilor de radiație solară, influențează în mod inevitabil conversia energiei
25
solare în energie termică, care oricum se realizează cu unele pierderi, precum cele evidențiate în
Figura 3.8.
Cele mai performante panouri solare sunt cele confecționate din siliciu cristalin deoarece
au o rată de conversie de 20%. În ultimul timp panourile solare confecționate din filme subțiri au
captat tot mai multă atenție datorită flexibilității în aplicații și a costurilor mici de producere, chiar
dacă eficiența lor este scăzută, fiind în jur de 11%.
Figura 3.8. Pierderile de randament la nivelul celulelor fotovoltaice
Indiferent de tipul captatorilor solari, în cadrul procesului de conversie a energiei solare în
energie electrică este importantă și poziționarea panourilor solare față de unghiul de cădere a
radiației solare. Dacă nu se ține cont și de acest factor randamentul procesului poate fi puternic
influențat.
Un alt dezavantaj al acestor surse este amplasarea, deoarece nu pot fi amplasate în
apropierea consumatorilor mari. Astfel energia trebuie transportată de la fermă la consumatori, ceea
ce duce la încărcarea și uneori la suprasolicitarea rețelei de transport.
Evoluțiile tehnologice care au avut loc în cadrul acestui domeniu au ca scop creșterea
capacității de absorbție a radiației solare și reducerea într-o proporție cât mai mare a diverselor
tipuri de pierderi.
3.3. Potențialul fotovoltaic în România
În prezent, în întreaga Uniune Europeană, se desfășoară o serie de programe naționale
pentru dezvoltarea și instalarea de centrale fotovoltaice, inclusiv cu conectare la rețelele publice de
alimentare cu energie electrică.
Potențialul fotovoltaic în România este relativ ridicat datorită fluxului energetic solar anual,
care ajunge la valori de peste 1350 kWh/m2/an, în zone precum Litoralul Mării Negre și Dobrogea,
lucru care se poate observa și pe harta din figura 3.9.
26
Figura 3.9. Harta potențialului fotovoltaic în România (Sursă: ICPE, ANM, ICEMENERG, 2006)
Conform raportului Institutului de energie din România, țara noastră este împărțită în 5 zone
de interes pentru potențialul fotovoltaic, cele mai importante 3 zone sunt:
a. Zona cu cel mai ridicat potențial fotovoltaic din România este reprezentată de Dobrogea
și de o mare parte din Câmpia Română.
b. A doua zonă cu potențial fotovoltaic ridicat include nordul Câmpiei Române, Podișul
Getic, Subcarpații Olteniei și Munteniei, o parte din Lunca Dunării, sudul si centrul
Podișului Moldovenesc, Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei,
unde radiația solară la nivelul suprafeței orizontale înregistrează valori intre 1300 si
1400 MJ/m2;
c. Cea de-a treia zonă cu potențial fotovoltaic, înregistrează valori sub 1300 MJ/m2 și
acoperă cea mai mare parte din Podișul Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și
rama Carpatină.
În zonele montane din țara noastră variația radiației solare directe este foarte mare, fiind
influențată în mod automat prin persistența ceții și diminuarea strălucirii Soarelui, în timp ce restul
zonelor de relief, în funcție de unghiul de cădere a radiației solare și de direcția de deplasare a
aerului, pot favoriza sau defavoriza diminuarea radiației solare directe.
În raportul prezentat de ANM, ICPE, ICEMENERG din 2006, în care au fost luate în calcul
atât aplicațiile fotovoltaice cu cuplare la rețea, cât și cele automate, neracordate la rețea, pentru
consumatori izolați, s-a prezentat potențialul energetic solar – fotovoltaic [2]:
Parametru Unitate de măsură Tehnic Economic
Putere de vârf MWp 6000 4000
Energie electrică TWh/an 6 4,8
mii tep/an 516 413
Suprafață ocupată Km2 60 (3 m2/loc) 40 (2 m2/loc)
27
4. Sisteme energetice bazate pe energie eoliene
Prima formă de energie electrică obținută din resurse regenerabile a fost cea produsă pe
baza puterii vântului. Cercetările de-a lungul timpului în acest domeniu au avut ca obiective
principale creșterea, reînnoirea și utilizarea energiei eoliene ca energie nepoluantă.
Modul de obținere a energiei electrice prin intermediul turbinelor de vânt depinde atât de
energia cinetică a vântului care lovește turbina, cât și de designul acesteia. Astfel există două
configurații generale de bază pentru turbinele eoliene:
- turbine de vânt cu ax vertical, la care axa de rotație este perpendiculară pe direcția
vântului;
- turbine de vânt cu ax orizontal, la care axa de rotație este paralelă pe direcția vântului.
Dintre acestea cele mai des întâlnite modele de eoliene sunt cele cu ax orizontal, datorită
randamentului mult mai mare față de cele cu ax vertical, dar și datorită nivelului redus de solicitare
din punct de vedere mecanic, care se traduce prin costuri scăzute de întreținere.
Figura 4.1. Structura generală a unei turbine eoliene cu axă orizontală (stânga) și axă verticală (dreapta), Sursă:
GreenSource
Precum energia solară, și energia eoliană trebuie integrată în sistemul general de transport
al energiei. Avantajul acestei energii este că poate funcționa continuu, atât timp cât puterea vântului
se încadrează în limitele de funcționare ale instalației, ignorând aspecte legate de zi sau noapte.
Astfel se poate produce un surplus de energie noaptea care va fi disponibil la primele ore ale zilei,
atunci când se înregistrează vârfuri de sarcină.
Capacitatea unei turbine eoliene de obicei este limitată și dezvoltă mult mai puțină energie
electrică decât un generator. De aceea ele sunt conectate în paralel cu alte turbine sau alte surse de
energie, și poartă numele de „ferme de vânt”. Energia electrică produsă este colectată și transmisă
în sistemul de transport sub formă de curent alternativ sau curent continuu. Structura generală a
unei astfel de rețele este reprezentată în Figura 4.2.
28
Figura 4.2. Structura unui power grid format din centrale eoliene
Studiile actuale au arătat că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure
de cinci ori necesitatea de energie electrică actuală, astfel multe proiecte de implementare de
turbine eoliene sunt sponsorizate parțial sau integral de stat.
4.1.Principiul de funcționare și moduri de construcție
Producerea pe scară largă a energiei electrice se realizează cu ajutorul generatoarelor
electrice. Funcționarea acestora se bazează pe principiul inducției electromagnetice, și anume pe
generarea unui curent electric într-o buclă de conductor sau o bobină plasată într-un câmp magnetic
prin variația periodică a fluxului magnetic. Aceasta variație se poate obține fie rotind bobina într-
un câmp magnetic constant, fie menținând fixă bobina și rotind câmpul magnetic.
Ținând cont de principiul de funcționare, generatoarele se pot grupa în două mari categorii:
- generatoare cu poli exteriori ( sau cu poli ficși) la care bobina de inducție se rotește între
polii magnetici;
- generatoare cu poli interiori ( sau cu poli rotitori) la care polii magnetici se învârtesc în
fața unei bobine de inducție fixe.
Rotorul are rolul de a genera câmpul magnetic rotitor și este prevăzut la generatoarele de
puteri mici cu magneți permanenți, iar la generatoarele de puteri mari cu electromagneți alimentați
în curent continuu. Curentul continuu pentru alimentarea acestor electromagneți este produs de
obicei de un mic dinam, montat pe același ax cu generatorul, numit generator de excitație cu
excitatoare. Bobinele statorului și rotorului generatorului sunt bobinate consecutiv în sens invers,
pentru ca tensiunea indusă să aibă aceeași direcție.
29
Figura 4.3. Structura unei turbine eoliene, Sursă: Energii regenerabile – 2012 – 1 –TR1-LEO04 – 35470-1
O turbină eoliană poate fi divizată în următoarele componente principale:
- modelul matematic al vântului;
- modelul turbinei eoliene;
- modelul cutiei de viteze;
- modelul generatorului de energie;
- modelul sistemului de control al instalației.
Partea mecanică a turbinei eoliene este formată din primele 3 componente. Ideea de bază
este următoarea: generatorul de energie creează o legătură electromecanică între turbină și energia
produsă, iar sistemul de control are ca scop controlul ieșirii generatorului. Astfel, conceptul de
obținere a energiei electrice pe baza puterii vântului poate fi reprezentat de următoarea diagramă,
Figura 4.4.
Figura 4.4. Diagrama bloc a unui sistem pentru modelarea unei turbine eoliene
4.2. Clasificarea generatoarelor folosite în turbinele eoliene
În prezent există patru tipuri de generatoare folosite în turbinele eoliene [7], fiecare având
caracteristici unice:
Tipul 1. Generator cu inducție cu viteză fixă: a fost introdus pentru prima dată în 1980, și
are la bază conceptul de generatoare cu inducție cu rotor în colivie. Acestea își pot varia viteza de
Bloc model
aerodinamic
Bloc model
mecanic
Bloc model
electric
30
rotație doar puțin, în jur de 1 – 2 %, de aici vine și numele de „viteză fixă”, însă energia pe care o
produc fluctuează odată cu variațiile vitezei vântului.
Turbinele cu viteză fixă au prevăzut în majoritatea cazurilor un sistem de frânare
aerodinamic activă cu toate că există proiectate și sisteme de turbine cu viteză fixă dar cu reglare a
unghiului de atac.
Figura 4.5. Structura unui generator cu inducție cu viteză fixă
Generatoarele asincrone sunt conectate în rețelele de transport prin intermediul unui
transformator datorită fluctuațiilor de tensiune, care determină generatorul să absoarbă putere
reactivă din rețea. Din această cauză în schemă apare și bateria de condensatori cu rolul de a
compensa acest fenomen.
Conectarea la rețea se face prin intermediul unui soft-starter pentru a preveni șocurile de
curent care apar atunci când mai multe generatoare sunt conectate în paralel.
Cu toate acestea indiferent de metoda de control a puterii generată de turbină, fluctuațiile
vântului se transformă în fluctuații ale puterii mecanice și în consecință în fluctuații ale puterii
electrice, care într-o rețea, la punctul de conexiune generează fluctuații de tensiune.
Principalele dezavantaje ale acestui tip de generator sunt necesitatea unui sistem de control
a vitezei, o rețea puternică și capabilă să suporte solicitări mecanice importante.
Tipul 2. Generator cu inducție cu viteză variabilă limitată sunt dotate cu generator asincron
cu rotor bobinat. În cadrul electronicii de putere, amplitudinea rotorului este controlată în curent
ceea ce permite o variere a vitezei cu +/-10 %. Generatoarele de tip 2 sunt dotate cu sisteme active
de control al vârfurilor de sarcină, dar și cu un compensator de putere reactivă.
Figura 4.6. Structura unui generator cu inducție cu viteză variabilă limitată
Pentru a conecta aceste generatoare la o rețea fără șocuri este nevoie de un dispozitiv soft-
starter, dar și de o baterie de condensatori care să compenseze necesarul de putere reactivă. Viteza
31
de rotație a rotorului se modifică prin intermediul unui convertor de frecvență. Astfel reglarea
puterii pe care generatorul poate să o producă, se realizează prin modificarea alunecării mașinii
asincrone, alunecare care se modifică prin variația rezistenței variabile din circuitul rotoric.
Tipul 3. Generator cu inducție cu alimentare dublă: Acest tip de generatoare combină
avantajele celorlalte tipuri prezentate mai sus cu cele mai noi descoperiri din electronica de putere.
Generatorul este conectat la rețea printr-un tranzistor bipolar de tip IGBT care controlează atât
magnitudinea cât și frecvența rotorului de curent. În cadrul acestui generator aproape 40% din
puterea generată se duce direct în rețea și poate astfel maximiza energia captată de la vânt cu până
la 40%. Convertorul asigură de această dată decuplarea controlului pentru puterea activă și reactivă,
obținându-se astfel o flexibilitate mai mare în controlul tensiunii fără a compensa cu putere reactivă.
La fel se întâmpla și în cazul controlului vârfurilor de sarcină care este direct încorporat în schemă.
Figura 4.7. Structura unui generator cu inducție cu alimentare dubla
În acest caz puterea convertorului de frecvență este mult mai mică decât puterea nominală
a generatorului, conferind acestui tip de generator o atractivitate mult mai mare decât în cazul
celorlalte din punct de vedere al costului de implementare și întreținere.
Tipul 4. Generator cu convertor de putere: În cadrul acestui generator, statorul este conectat
la rețea direct prin intermediul unui convertor de putere IGBT, ceea ce înseamnă că toată puterea
generată se duce direct în rețea prin intermediul convertorului. Un astfel de generator este similar
din punct de vedere al caracteristicilor cu un generator de tip 3, și din moment ce este complet
decuplat de rețea, poate oferi o gamă mai mare de variere a vitezei care se traduce prin posibilitatea
reglării puterii reactive oferind astfel un control mai bun al tensiunii. În plus, curentul de ieșire
poate fi modulat la zero, ceea ce înseamnă un curent de scurt-circuit limitat.
Figura 4.8. Structura unui generator cu convertor de putere
De-a lungul timpului au fost dezvoltate și alt fel de generatoare care folosesc forța vântului,
dar nu pot fi montate pe uscat. Numite generatoare de putere off-shore acestea permit amplasarea
lor în parcuri în largul marilor pentru a nu ocupa terenuri, dar mai ales datorită potențialului uriaș
32
care există în mări și oceane. În prezent există o industrie în dezvoltare în ceea ce privește centralele
de putere off-shore, ajungând-se la puteri de până la 3 MW. Datorită spațiului pe care acestea îl
ocupă, spațiu pe care nimeni nu-l folosește, parcurile de eoliene pot fi instalate pe suprafețe mult
mai mari, generând o cantitate mult mai mare decât cele on-shore. De exemplu in Mare de Nord și
Est a Chinei au fost instalate astfel de ferme cu o capacitate de 1000 MW.
4.3. Caracteristica de funcționare a unei turbine eoliene, performanțe
Deplasare maselor de vânt dintr-o parte în alta generează o anumită cantitate de energie.
Această energie depinde de masa și de pătratul vitezei de deplasare. Dacă raportăm această putere
al unitatea de timp se obține o putere, astfel se poate calcula energia cinetică pe secundă:
𝑃 =1
2 (𝑚𝑣2)
unde: P – puterea măsurată în Nm/s sau în W; m – masa aerului pe secundă sau debitul masic în
kg/s; v – viteza vântului în m/s.
În cazul turbinelor eoliene, această lege se aplică masei de aer aflată în mișcare și trece prin
rotor. Volumul de aer necesar este dependent de aria suprafeței rotorului și de viteza vântului în
unitatea de timp. Astfel masa de aer care trece prin rotorul turbinei într-o secundă se calculează
după formula:
𝑚 = 𝜌𝐴𝑣
unde: ρ – densitatea aerului în kg/m3, A – aria suprafeței rotorului în m2, v – viteza vântului în m/s.
Figura 4.9. Modelul simplificat al tubului cilindric creat de fluxul de aer care lovește palele turbinei eoliene
Analizând cele două formule putem concluziona că energia rezultată depinde de viteza
vântului astfel:
𝑃 =1
2(𝜌𝐴𝑣3)
Energia vântului nu poate fi convertită integral în energie utilă la axul rotorului. Utilizând
principiile fizicii și proprietăților fizice ale echipamentelor se poate demonstra că eficiența teoretică
maximă a puterii vântului poate fi exploatată până la 59%. Această valoare poartă numele de
coeficient de putere sau valoarea Cp. Astfel relațiile de mai sus se modifică în:
𝑃 =1
2𝐶𝑝(𝜌𝐴𝑣3)
unde Cp – coeficient mecanic de putere.
33
Având aceste noțiuni definite se poate calcula puterea electrică pe care o poate genera o turbină, în
care se ține cont de eficiența mecanică și electrică:
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐ă =1
2𝐶𝑒𝜌𝐴𝑣3
unde Ce – rata de eficiență electrică în procente.
Luând în considerare legea lui Betz, sa determinat că se poate extrage cel mult 59,2% din
energia eoliană care traversează suprafața unei turbine eoliene. Randamentul de transformare din
punct de vedere teoretic la nivelul elicei este în jur de 86%. Randamentul maxim de transformare
a energiei cinetice a vântului în energie mecanică este de 50%. Adăugând la acestea randamentul
generatorului electric și pierderile s-a obținut un randament pentru întreg lanțul: elice, turbină,
generator electric de 40 – 44%. Turbinele eoliene moderne realizează o eficiență netă totală
cuprinsă între 42% și 46% în raport cu energia vântului. [8]
Performanțele generatoarelor electrice se trasează grafic pe baza încercărilor experimentale
la bancul de probă, obținându-se astfel curbe numite caracteristicile generatorului. Ele arată
dependența a două mărimi considerând-le pe celelalte constante. De obicei la generatoarele
sincrone se trasează următoarele caracteristici:
- caracteristica de mers în gol, reprezintă dependența dintre tensiunea la bornele statorului
și curentul de excitație, când curentul debitat de stator este nul (mers în gol), viteza
rotorului menținându-se, de asemenea, constantă.
- caracteristica externă, reprezintă dependența dintre tensiunea de la bornele statorului și
curentul debitat pe rețea (consumatori) de către mașină când curentul de excitație se
menține constant ca și turația rotorului.
- caracteristica de reglaj, reprezintă dependența dintre curentul de excitație și curentul
debitat în rețea de către stator, atunci când tensiunea la borne și turația rotorului se
mențin constante, caracterul sarcinii menținându-se de asemenea constant.
În cadrul turbinelor eoliene pierderile de randament se împart în două mari categorii:
- pierderi fixe: sunt acele pierderi care nu se modifică în funcție de raportul de încărcare
a generatorului. Principalele pierderi sunt generate de pierderile în fier, care apar din
cauza histerezisului și a curenților turbionari, și de pierderile mecanice, reprezentate de
frecări între rulmenți;
- pierderi variabile: valoarea acestor pierderi se modifică în funcție de raportul de
încărcare a generatorului. În principal ele sunt cauzate de pierderile în cuplul statoric și
rotoric, dar și datorită cuplului rezistiv.
4.4. Sisteme de control
O turbină eoliană va produce energie electrică atât timp cât viteza vântului va fi egală cu
cea calculată, de obicei având valori între 11- 15 m/s. Pentru momentele în care viteza vântului are
valori mai mari, puterea mecanică trebuie limitată, deoarece se produc efecte nedorite precum
suprasolicitări ale palelor rotorului, cutiei de viteze ( multiplicator), generatorului. Toate acestea
exprimă necesitatea controlului puterii/ turației turbinei.
34
Sistemele de control pentru turbinele eoliene se împart astfel:
- sistem de control cu frânare aerodinamică pasivă;
- sistem de control cu reglare a unghiului de atac;
- sistem de control cu frânare aerodinamică activă;
- sistem de control care scoate rotorul turbinei din raza de acțiune a vântului.
Pentru detalii despre fiecare tip de control se poate consulta bibliografia de specialitate, în
care sunt prezente vaste experimente, precum și rezultate din simulări. [9]
Sistemele de control dezvoltate pentru turbinele eoliene au în principal ca prim obiectiv
optimizarea puterii debitate în rețea. Totodată sistemul de control are și rolul de a porni sau opri
instalația pentru a proteja elementele mecanice ale acesteia. Intrarea principală a sistemului este
dată de viteza vântului, care influențează viteza de rotație a eolienei. Soluția într-un astfel de sistem
este să se realizeze un generator de frecvență fixă cu viteză variabilă.
Generatoarele cu viteză variabilă permit funcționarea eolienei la diferite game de valori
pentru viteza vântului, astfel se poate produce energie electrică în cantități cât mai mari.
Figura 4.10. Caracteristica de putere a unei eoliene de 3kW în funcție de viteza vântului și a vitezei de rotație
În cazul turbinelor eoliene cu viteză variabilă, sistemul se reglează astfel încât indiferent de
viteza vântului, generatorul să funcționeze la capacitate maximă. În cazul generatoarelor asincrone
viteza de rotație se poate modifica în limite largi prin schimbarea frecvenței de alimentare a mașinii.
Pentru detalii se poate consulta literatura de specialitate începând cu referința [10].
4.5.Potențialul eolian în România
Analizând datele obținute de la 22 de stații ANM, s-a obținut harta din figura 4.7. care
cuprinde valorile medii anuale calculate la o înălțime de 50 m deasupra solului. Pentru a fi convinși
că resursa eoliană este utilizată cât mai eficient, este nevoie ca pilonul turbinei eoliene să se afle la
înălțimi de peste 50m, valorile recomandate sunt 50, 70 și 90 de metrii.
35
Cu toate că România are cel mai ridicat potențial din sud – estul Europei în domeniul
energiei eoliene, acesta nu este valorificat la capacitatea maximă. Conform hărții eoliene cele mai
importante 3 zone din România sunt:
a. Zonele muntoase, în special pe vârfurile lanțurilor muntoase, unde viteza vântului
afișează valori de peste 8 m/s;
b. Zona litoralului Mării Negre, reprezentând Delta Dunării și nordul Dobrogei, cu viteze
în jur de 6 m/s. În aceste zone au fost date spre folosință și turbine eoliene care
funcționează cu turbulență mai mică a vântului.
c. Zona Bârladului, cu viteze cuprinse între 4-5 m/s.
Alte zone favorabile se regăsesc și în alte areala mai restrânse precum vestul țării, Dealurile
Vestice și Banat.
În lume, viteza vântului se poate exploata atât pe uscat, on-shore, cât și pe mare, off-shore.
Momentan în România nu avem implementat nici un proiecte de tip off-shore, dar astfel de surse
sunt exploatate de foarte mulți ani în țări precum Franța, Japonia, Spania și alte țări cu ieșire la
mare.
Figura 4.11. Harta potențialului eolian în România (Sursa: ANM, 2006)
În strategia de valorificare a resurselor regenerabile de energie, potențialul eolian declarat
al României în 2010, este de aproximativ 14000 MW, putere instalată, care poate furniza o cantitate
de energie de aproximativ 23000 GWh/an.
Deoarece potențialul eolian valorificat economic în România este apreciat doar pe termen
mediu, s-a ales o metodă de evaluare de tip macroeconomică, de tip top-down, pornind de la
premisele macroeconomice:
- Condițiile de potențial eolian tehnic, reprezentate de viteza vântului, în România
sunt apropiate de media Europei;
36
- Politica energetică și piața energiei în România vor fi integrate în politica europeană
și piața europeană de energie.
Studiile de fezabilitate realizate pe acest domeniu au arătat că energia electrică produsă din
surse eoliene ar putea să asigure aproximativ 1,6 % din consumul brut de energie. Față de celelalte
surse de energie aceasta reprezintă 12,3 % din cantitatea totală de energie produsă din resurse
regenerabile.
În urma investigațiilor care au avut loc la nivel național au fost determinate locațiile cele
mai bune pentru instalarea turbinelor eoliene, ținând seamă de planurile de cadastru, configurația
terenului, etc.
Figura 4.12. Zonarea locațiilor aplicațiilor eoliene (Sursă: INL,2006)
37
5. Sisteme de stocare
Sistemele de stocare au un rol foarte important în rețelele de alimentare cu energie electrică,
deoarece au capacitatea de a compensa într-un mod cât mai eficient cantitatea de energie care
trebuie introdusă în rețea. Combinate cu sistemele de producere a energiei electrice bazate pe
resurse regenerabile, pot crește valoarea energiei electrice generate de centralele eoliene și solare,
reușind astfel să injecteze în rețea, energie fix în momentele de vârf sau să acumuleze surplusul,
atunci când cererea de energie este redusă.
Un avantaj major al sistemelor de stocare este acela că facilitează integrarea într-o formă
cât mai simplă și eficientă a sistemelor energetice bazate pe resurse regenerabile.
Poziționarea unor astfel de sisteme de stocare se face strategic, în apropierea consumatorilor,
contribuind astfel la creșterea gradului de utilizare și a eficienței sistemelor existente pentru
transportul și distribuția energiei electrice. Sistemele de stocare sunt utilizate pentru a reduce
vârfurile de sarcină într-o stație de producere de energie electrică, asigurând astfel funcționarea
instalațiilor într-un regim permanent pentru perioade de timp cât mai mari. Sistemele de stocare au
de asemenea și rolul de a asigura calitatea energiei electrice, precum eliminarea fluctuațiilor de
frecvență, a supratensiunilor, căderile de tensiune și chiar întreruperile totale de alimentare cu
energie.
Sistemele de stocare au revoluționat modul în care curentul electric poate fi stocat pentru
perioade variabile de timp. Principalul obstacol întâlnit în sistemele de generare de energie electrică
bazată pe resurse regenerabile este varierea modului de încărcare a generatoarelor (balancing),
ținând cont de mărimile dinamice ce caracterizează modul de funcționare. În acest caz, un sistem
de stocare de energie ușurează foarte mult activitatea de reglare a modului de încărcare a sistemelor.
Integrarea unor elemente noi, precum sistemele de stocare, în structurile actuale de sisteme
energetice nu este o muncă ușoară, în principal datorită modificărilor ce trebuie efectuate la nivelul
sistemului de conducere.
Stocarea energiei pentru o anumită perioadă de timp are multe avantaje care se pot vedea
direct în piața producătorilor de energie, în sistemul de transport și distribuție, dar și în prețul
energiei electrice.
5.1. Tipuri de sisteme de stocare
În funcție de tehnologiile și echipamentele dezvoltate până în prezent sistemele de stocare
pot fi grupate în 3 categorii:
- echipamente de stocare pentru perioade scurte de timp și cu capacități mici, sub 0,5
kWh;
- echipamente de stocare pentru perioade medii, între 12 și 60 de ore, și au capacități
de până la câteva sute de MWh;
38
- echipamente de stocare pentru perioade mari de timp, care au capacități de peste
1000 MWh.
Pentru dimensionarea capacității sistemului de stocare de energie electrică se ține cont de
puterea nominală a consumatorilor și de distribuția necesarului de energie pe intervale orare. Durata
de funcționare a unui astfel de dispozitiv variază destul de mult în funcție de modul de utilizare, în
special de nivelul de descărcare și de temperatură. Odată cu alegerea dispozitivului de stocare,
însemnând tipul de baterie și capacitatea acesteia, se alege controlerul de încărcare/ descărcare și
invertoarele pentru baterii.
Cea mai comună formă de stocare de energie întâlnită în practică implementată la scară
mare este reprezentată de pomparea de apă spre un rezervor aflat la înălțime în momentele în care
cererea de electricitate este mică și reintroducerea acesteia în rețea prin intermediul unui generator
hidro în momentul în care crește consumul. În prezent suma capacităților depozitelor de stocare de
energie depășesc 1 GW. Dezavantajul acestor bazine este că nu pot fi construite decât în zonele în
care relieful are anumite particularități referitoare la nivelul de altitudine.
În literatură există mai multe tipuri de dispozitive folosite la stocarea energiei electrice. Cu
toate acestea, dispozitivul cel mai des utilizat în experimente este bateria modificată de tip
Thevenin. Pentru utilizarea acesteia în simulări au fost luate câteva presupuneri: electrozi sunt
confecționați din materiale poroase, rezistența electrolitică este constantă pe parcursul descărcării,
descărcarea se produce cu o valoare a curentului constant.
5.1.1. Modelul matematic al unei baterii
Pentru a înțelege mai bine modul de operare al unei baterii în cadrul unui sistem de
producere de energie, se va prezenta în continuare modelul neliniar al unei bateri. Un parametru
important pentru un sistem de stocare este starea de încărcare, SoC, care măsoară cantitatea de
energie pe care o are înmagazinată la un moment de timp, t.
Pentru a defini starea de încărcare a unei baterii trebuie să considerăm că inițial aceasta este
descărcată complet. Cunoscând curentul de încărcare, Ib(t), sarcina care intră în baterie se
calculează ca integrală din acest curent. Dacă se ia în considerare și capacitatea totală de
înmagazinare a bateriei, Q0, atunci starea de încărcare a bateriei se poate scrie simplu ca:
𝑆𝑜𝐶(𝑡) = ∫ 𝐼𝑏(𝜎)𝑑𝜎
𝑡
𝑡0
𝑄0× 100
unde: 𝑄0 = ∫ 𝐼𝑏(𝜎)𝑑𝜎∞
𝑡0.
Din motive de siguranță nivelul de încărcare al bateriei trebuie să fie ținut între anumite
limite, care de obicei depind de modul de realizare și de materialele din care este confecționată. De
obicei aceste limite sunt setate între: 20% ≤ SoC(%) ≤ 95%. Pentru a menține aceste limite în timp,
nivelul de încărcare al bateriei trebuie să poată fi calculat la orice moment de timp. Dar acest calcul
nu este ușor de făcut, deoarece SoC depinde de mulți alți factori, precum temperatură, capacitatea
bateriei și rezistențele interne.
39
O metodă de calcul a stării de încărcare a bateriei este definiția clasică, însă din cauză că
formula conține o integrală acest lucru este foarte dificil.
Pentru această lucrare s-a ales însă o altă abordare. Astfel pentru calcul nivelului de
încărcare a bateriei se consideră tensiunea circuitului în buclă deschisă, atunci când curentul prin
baterie este 0. Ținând cont că între starea bateriei și tensiunea din circuit, există o relație directă,
se pot scrie următoarele relații:
𝑉𝑂𝐶(𝑡) = 𝑎1𝑆(𝑡) + 𝑎0
𝑆𝑜𝐶(𝑡) =𝑉𝑂𝐶(𝑡) − 𝑎0
𝑎1
unde: SoC – starea de încărcare a bateriei, exprimată în procente, a0 – este tensiunea la bornele
bateriei atunci când SoC (t) = 0, a1 – este obținut știind valoarea lui a1 și VOC pentru SoC(t) = 100%.
Pentru cazurile în care o astfel de baterie este folosită într-un sistem de producere de energie,
trebuie avute în vedere câteva aspecte legate de parametrii de funcționare a dispozitivului de stocare,
întrucât valorile acestora se modifică de la un model al altul. Principalii parametrii de care trebuie
ținut cont sunt:
Rezistența de încărcare și descărcare: această rezistență este asociată cu rezistențele electrolitice,
plate sau rezistențe lichide și presupun că în funcție de starea de operare a bateriei, încărcare sau
descărcare, valoarea rezistenței diferă.
Rezistența de supra alimentare și supra descărcare: aceste rezistențe se adaugă în plus în cazul în
care dispozitivele sunt supuse unor regimuri peste cele normale de funcționare.
Descărcare continuă: în majoritatea cazurilor bateria se află într-o continuă descărcare, ceea ce
conduce la scăderea în timp a cantității stocate.
Descărcări intermitente: deoarece sistemul trebuie să urmărească cererea de energie cât mai bine,
bateriile se construiesc astfel încât să poată să livreze la diferite perioade de timp cantitatea necesară.
Rata de încărcare și descărcare: în prezent, sistemele de stocare și în special bateriile sunt foarte
scumpe, iar datorită abuzurilor, încărcări și descărcări repetate în intervale scurte de timp, acestea
se pot strica foarte repede. Pentru a putea proteja bateria, în cadrul sistemului de control a fost creat
un nou parametru numit rată de încărcare/ descărcare.
Cel mai comun model de sistem de stocare folosit în aplicațiile virtuale este prezentat în
Figura 5.1. Acest model se bazează pe ideea tensiunii la borne în circuit deschis, V0, și dependența
de rezistența internă, Rint, dar și de tensiunea la bornele bateriei, Vb. În cadrul experimentelor pe
acumulatori reali s-a descoperit că rezistența internă a bateriei diferă în funcție de starea de
funcționare a bateriei: dacă este în regim de încărcare sau de descărcare. Astfel modelul prezentat
în Figura 5.1. nu surprinde aceste regimuri, motiv pentru care s-a construit un nou model care ține
cont de această dinamică internă a bateriei.
40
Figura 5.1. Modelul simplificat al unei baterii
Pentru a lua în considerare modificările rezistenței în funcție de regimul de lucru al bateriei,
trebuie să modificăm circuitul vechi sub forma prezentată în Figura 5.2. Acest nou model definește
două noi rezistențe interne, Rc și Rd, asociate fiecărei stări de funcționare în parte, încărcare și
descărcare. Prezența diodei în circuitul din Figura 5.2. are rolul de a pune în evidență faptul că doar
o rezistență este folosită la un moment de timp.
Observație: Dioda este prezentă doar cu scop demonstrativ și experimental, aceasta nu
având nici o reprezentare fizică.
Ecuațiile dinamice care se pot deduce pe baza noii structuri, se împart pentru cele două
moduri de funcționare astfel:
- pentru regimul de descărcare:
𝑉�̇� = −𝑉𝑝
1
𝑅𝑑𝐶+ 𝑉𝑂𝐶
1
𝑅𝑑𝐶− 𝐼𝑏
1
𝐶, 𝑉𝑝 ≤ 𝑉0
- pentru regimul de încărcare:
𝑉�̇� = −𝑉𝑝
1
𝑅𝑐𝐶+ 𝑉𝑂𝐶
1
𝑅𝑐𝐶− 𝐼𝑏
1
𝐶, 𝑉𝑝 ≤ 𝑉0
unde:
𝐼𝑏 =𝑉𝑝 − 𝑉0
𝑅𝑏
Ib – se presupune că are valori pozitive în momentele în care se descarcă.
Modelele prezentate în această secțiune nu sunt singurele modele care au fost propuse
pentru baterii. Alte modele pot fi găsite în [11].
41
Figura 5.2. Modelul unei baterii Thevenin cu rezistențe diferite pentru încărcare și descărcare
În simulări de obicei sunt folosite reprezentările pe stare ale bateriei care țin cont de toate
variabilele modelului:
𝑥 = [𝐼𝑏 𝑄 𝑆𝑜𝐶 𝑉0 𝑉𝑏 𝑃𝑏𝑎𝑡]𝑇
unde:
𝐼𝑏 =𝑉0
𝑅𝑐𝑡𝑟 + 𝑅𝑖𝑛𝑡
𝑄(𝑡) = ∫ 𝐼𝑏(𝜎)𝑑𝜎𝑡
𝑡0
𝑆𝑜𝐶 =𝑄(𝑡)
𝑄0
𝑉0 = 𝑎1𝑆𝑜𝐶 + 𝑎0
𝑉𝑏 = 𝑉0 − 𝐼𝑏𝑅𝑖𝑛𝑡
𝑃𝑏𝑎𝑡 = 𝑉𝑏 × 𝐼𝑏
unde: Pbat – puterea disponibilă la bornele bateriei; Rint – rezistența internă a bateriei; iar valorile
pentru a1 și a2 sunt alese conform specificului bateriei.
5.1.2. Structura de implementare a unei baterii
Cu ajutorul simulatorului Matlab Simulink, am realizat o implementare a bateriei prezentată
în secțiunea 5.1.1., modelul neliniar, care a fost reprezentat în Figura 5.3.
Pentru a prezenta un caz cât mai realist s-au ales pentru rezistențele interne ale bateriei
valori diferite, precum și pentru cele două regimuri de funcționare ale bateriei, încărcare, respectiv
descărcare. Deși problema rezolvării integralei reprezintă o situație dificilă în cadrul calculelor
numerice, în simulare s-a putut rezolva prin intermediul unei bucle de calcul funcțională.
42
Figura 5.3. Modelul neliniar al unei baterii implementat în Matlab - Simulink
Schema prezentată în figura anterioară, face parte dintr-un ansamblu de sisteme de
producere a energiei electrice pe bază de resurse regenerabile, construit modular. Sistemul simulat
a fost proiectat pentru o putere de 4 kW și a fost conceput pentru a reuni mai multe surse de energie
regenerabile, eoliene, fotovoltaice, etc., inclusiv cu posibilitatea de absorbție de energie dintr-un
sistem extern. În aceste condiții evoluția bateriei a fost descrisă în Figura 5.4.
Figura 5.4. Evoluția principalilor parametrii în cadrul unei baterii utilizate la compensarea necesarului de energie
electrică
43
5.2. Evaluarea dispozitivelor de stocare din punct de vedere cost – performanță
Deși energiile curate, au un avantaj major și anume că nu se epuizează niciodată, acestea
ridică o mare problemă prin faptul că trebuie construite la o scară foarte largă pentru a funcționa în
condiții de eficiență maximă și fără să mai ridice alte probleme de integrare în rețeaua deja existentă.
Toate acestea înseamnă cheltuieli foarte mari pe care doar țările dezvoltate ar putea să și le permită,
pentru restul țărilor reprezentând încă un factor de diminuare a ratei de creștere economică [12].
Principalele tipuri de baterii și proprietățile de bază ale acestora sunt prezentate în tabelul
următor [13]:
Pb NiCd NiMH Li-ion
Cost Redus Mediu Ridicat Foarte mare
Densitatea de energie [Wh/kg] 30 50 75 100
Tensiunea pe element [V] 2,27 1,25 1,25 3,6
Circuitul de sarcină Redus Foarte mare Moderat Mare
Nr. de cicluri de încărcare/descărcare 200-2000 1500 500 300-500
Autodescărcare Redusă Moderată Ridicată Redusă
Timp minim de reîncărcare [ore] 8-16 1,5 2-3 3-6
Impact asupra mediului Ridicat Ridicat Redus Ridicat
În contextul actual, producătorii de echipamente pentru producția de energie bazată pe
resurse regenerabile, au implicări din ce în ce mai mari și în dispozitivele de stocare de curent
electric. Astfel în următorii 5 ani se așteaptă o scădere a costurilor de fabricare a bateriilor, pe
măsură ce producătorii, precum cei de la Tesla Motors din industria auto electrică, vor crește
producția.
În funcție de dimensiuni și de țara în care vor fi vândute, aceste baterii vor costa în jur de
1000 de dolari/kW, față de circa 1350 de dolari/kW, cât costă în prezent o centrală pe gaze. [14]
În prezent cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology lucrează la un proiect
prin care se încearcă crearea unui produs comercial, reprezentând baterii de stocare bazate pe
metale lichide, al căror costuri vor fi de 500 de dolari/kW. Această tehnologie are ca principal
obiectiv oferirea unei alternative pentru sistemele de stocare bazate pe pomparea de apă.
44
6. Sisteme compuse de generare a energiei electrice – Virtual Power
Plants
În această lucrare s-au prezentat diverse aspecte legate de utilizarea generatoarelor bazate
pe surse regenerabile. Principalul element din cadrul acestor sisteme este strategia de echilibrare a
încărcării subsistemelor astfel încât să se producă o cantitate constantă de energie indiferent de
perturbațiile care au loc în procesul de producție.
Structurile propuse pot fi utilizate în aplicații de control a două sau trei surse de energie
conectate în paralel, situație întâlnită foarte des în industria energiei electrice bazată pe resurse
regenerabile.
6.1. Structurilor de control pentru sisteme de generare de energiei bazate pe surse regenerabile
Structurile de control și echilibrare a sistemelor formate din mai multe tipuri de surse și
dintr-un număr variabil de generatoare este și va fi și în continuare o temă importantă pentru toate
națiunile.
De-a lungul timpului au fost implementate o serie de soluții, de la cele mai simple, cum
sunt cele de reglare în bucle de control în paralel, până la cele mai complexe, bazate pe sisteme de
calcul performante și structuri de control inteligente, de exemplu rețele neuronale. Obiectivul
principal al acestor implementări practice este de a crește performanțele, calitatea dar și siguranța
instalațiilor în timpul funcționări.
Figura 6.1. Virtual Power Plant – Rețea de sisteme energetice bazate pe resurse regenerabile
Figura 6.1. prezintă o structură hibridă de sisteme conectate în paralel, care conectează
generatoare de mai multe tipuri, clasificate în funcție de tipul surselor regenerabile. Elementele E1
și E2 sunt turbine eoliene, PV1, PV2, și PV3 reprezintă grupuri de panouri fotovoltaice, iar MHP1
45
este o micro hidrocentrală. Consumatorii sunt notați cu L1 – LN, iar elementul SW-ACC reprezintă
structura de control.
Pentru a stoca energia generată în plus față de necesarul de energie, putem implementa
dispozitive de stocare temporară cu ajutorul unor pompe de apă sau cu ajutorul unor bateri.
Surplusul de energie este transferat sub formă de energie mecanică pompei, care pompează apă în
rezervoarele special amenajate. În momentul în care cererea de energie nu poate fi acoperită doar
cu producția la momentul de timp, t, energie stocată este reinjectată în rețea.
Soluțiile de control implementate pentru structurile de tip paralel MIMO au fost studiate și
folosite de foarte mult timp cu succes în cadrul multor procese din industrie. O reprezentare
schematică a unei structuri de control poate fi Figura 6.2.
Figura 6.2. Soluție clasică bazată pe conexiunea a două sau mai multe surse în paralel fără compensare
Ideea principală urmărită în cadrul acestei structuri este de a produce o anumită cantitate de
energie electrică în conformitate cu necesarul cerut de consumatori, fără a utiliza un supervizor
global.
Referința globală a sistemului aflat în conexiune de tip paralel, r, este formată din două
referințe separate:
𝑟 = 𝑟1 + 𝑟2
câte una pentru fiecare subsistem. Ieșirea globală la fel ca și intrarea este formată din compunerea
celor două ieșiri ale subsistemelor astfel:
𝑦 = 𝑦1 + 𝑦2
În momentul încărcării celor două subsisteme, s-a luat în calcul puterea pe care pot să o
dezvolte individual și s-au definit relațiile de mai jos:
𝑎1 =𝑟1
𝑟; 𝑎2 =
𝑟2
𝑟
Cu toate acestea trebuie să ținem cont și de proprietatea:
𝑎1 + 𝑎2 = 1
Pentru evaluarea performanțelor sistemului, s-a luat în calcul eroarea globală a întregului
sistem, după relația de mai jos, care reprezintă totodată și expresia de reglare după reacție:
𝑒(𝑖) = 𝑟(𝑖) − (𝑦1(𝑖) + 𝑦2(𝑖))
46
𝐸𝑅𝑅𝑠(𝑖) = ∑ 𝑒(𝑖)
𝑁𝑠
0
, 𝐸𝑅𝑅𝑎(𝑖) = ∑ 𝑒(𝑖)
𝑁𝑠
0
unde i = 0,1,…; Ns este numărul de probe.
Conform celor prezentate în [3], dacă analizăm integrala, inclusiv cu semn, a erorii globale,
notată cu ERRs, pentru cazul subsistemelor conectate în paralel vom observa că aceasta nu este 0.
Acest lucru se datorează faptului că un generator rămas singur nu poate să compenseze întregul
necesar de energie cerut, în cazul apariției unei perturbații în cel de-al doilea sistem.
Deoarece în aplicațiile practice din industrie, multe centrale de energie nu au elemente care
să asigure controlul continuu al încărcării și domeniul de variație al elementelor este limitat, apariția
acestui fenomen provoacă incidente care duc la instabilitatea sistemului. Astfel s-a concluzionat
faptul că în ambele situații, echilibrarea și controlul sistemului la nivel global este foarte dificil de
realizat prin intermediul unui supervizor.
Figura 6.3. Structură cu compensare încrucișată pentru conexiuni paralele pentru două surse cu structură de
echilibrare
Pentru a avea un control mai bun, s-a creat o structură de control pentru sisteme de tip
MIMO prezentată în Figura 6.3. Ideea acestei noi structuri este de a adăuga un procent din eroare
de control ca parte suplimentară la referința subsistemelor conectate în paralel. Calculul unei astfel
de referințe este prezentat mai jos:
𝑟1 = 𝑟 ∙ 𝑎1 + 𝑒2 ∙ 𝐹1
𝑟2 = 𝑟 ∙ 𝑎2 + 𝑒1 ∙ 𝐹2
Trebuie menționat faptul că în acest caz, F1 și F2 sunt două elemente, de obicei filtre, cu foarte mare
importanță pentru structura de control din următoarele motive: au rolul de a normaliza referința
pentru fiecare subsistem și în același timp de a stabiliza întregul sistem, prin împiedicarea lui să
intre în regimul de auto-oscilație. La fel s-a procedat și în cazul coeficienților a1 și a2, cu condiția
suplimentară care depinde de numărul de subsisteme, N:
∑ 𝑎𝑖 = 1 , 𝑢𝑛𝑑𝑒 𝑖 = 1, 2, … , 𝑁
Ieșirea unui astfel de sistem format din mai multe generatoare se calculează prin însumarea
tuturor ieșirilor sistemului:
47
𝑦 = ∑ 𝑦𝑖
𝑁
1
, 𝑢𝑛𝑑𝑒 𝑖 = 1, 2, … , 𝑁
Soluțiile de control prezentate în cadrul acestei secțiuni le-am numit soluții de compensare
încrucișată.
În cadrul structurii propuse pentru echilibrarea încărcării prezentată în Figura 6.5. s-a
propus o îmbunătățire a structurii din Figura 6.4.. Elementul C, reprezintă controller-ul care verifică
și modifică referințele subsistemelor pentru a echilibra întregul sistem. Nivelul de încărcare
reprezentat de variabila r este comparat cu ieșirea sistemului y, modificând astfel referința rc –
referință recalculată. Pentru situațiile în care sistemele sunt simple implementarea se poate face cu
ajutorul algoritmilor de reglare clasici precum PID, RST, etc..
Figura 6.4. Soluție clasică (reglare după reacție) pentru conectarea a două sisteme în paralel cu structură de
echilibrare
Principiul de funcționare al controller-ului C, atunci când unul dintre subsisteme se
defectează, este de a crește referința rc astfel încât să se păstreze ieșirea sistemului la o valoare
egală cu necesarul de energie cerut.
Deoarece în timpul funcționării constantele de timp ale subsistemelor pot crea oscilații, se
introduc elemente de filtrare suplimentare care duc la construirea unei structuri ca cea prezentată
în Figura 6.5..
Elementele Fr și Fy sunt două filtre, digitale, implementate software, cu scopul de a preveni
intrarea sistemului în regimul de oscilații. Ținând cont de elementele C, Fr, Fy se recomandă
utilizarea unor algoritmi de tip RST cu două grade de libertate. Se obțin astfel performanțe mult
superioare structurilor clasice.
Deși soluția de control de tip RST este o recomandare foarte bună, pentru sistemele
prezentate în cadrul acestei lucrări nu se folosește, datorită modelului sistemului care se modifică
în funcție de modul de funcționare.
Utilizarea acestor structuri de echilibrare au rolul de a compensa perturbațiile și totodată
oferă o soluție de control și în cazul în care unul din subsisteme se defectează sau este limitat din
punct de vedere fizic. Pentru a putea realiza compensarea unei defecțiuni întotdeauna este bine să
existe o rezervă care să acopere cel puțin 50 % din puterea întregii instalații.
48
Figura 6.5. Structura de reglare propusă pentru reglarea a două sisteme cu elemente de filtrare suplimentare
Observații: În urma simulărilor s-a constatat că odată cu creșterea numărului de subsisteme
conectate în paralel compensarea defecțiunilor se face mult mai ușor.
Comparând această structură de control, Figura 6.3., cu structura de control din Figura 6.2.,
se observă că soluția utilizată are un grad de adaptabilitate ridicat, fapt ce se datorează în principal
de filtrele F1 și F2. Utilizarea acestor filtre contribuie și la asigurarea unei valori mai mici pentru
eroarea EERa.
Însă calculul filtrelor F1 și F2 este foarte dificil, în special în cazurile în care avem mai multe
sisteme implementate.
Pentru validarea structurilor de control prezentate în cadrul acestui capitol s-au realizat o
serie de simulări în Matlab Simulink, iar rezultatele sunt prezentate în cadrul capitolului 7 al lucrării.
Figura 6.6. Structura Simulink a unui sistem hibrid de tip Virtual Power Plant cu elemente de stocare
49
6.2. Probleme frecvente întâlnite în sistemele de producere de energie electrică formate din
generatoare cu producție discontinuă
Având de-a face cu surse de energie regenerabilă acestea nu pot genera suficientă energie
decât dacă sunt conectate mai multe generatoare într-o structură de tip paralel sau serie, în funcție
de nevoile consumatorilor.
Pentru a putea substitui sursele convenționale de producere a energiei electrice pe bază de
combustibili fosili, aceste ”parcuri” de centrale trebuie conectate la rețeaua de distribuție, însă
această operațiune determină apariția unor perturbații în rețea care pot deveni periculoase pentru
stabilitatea rețelei, respectiv pentru consumatori. Această problemă se referă la perturbațiile de
frecvență care apar în cadrul sistemelor de transport de energie electrică.
O altă problemă a acestor sisteme este reprezentată de faptul că centralele nu pot produce
energie într-un mod continuu, datorită indisponibilității surselor regenerabile. Astfel energia
produsă este limitată și nu poate înlocui în totalitate sistemele convenționale.
Așa cum este exemplificat și în Figura 6.1. în cadrul structurii de sisteme paralele, în timpul
funcționării una sau mai multe surse pot fi dezactivate sau se pot defecta și astfel celelalte sisteme
trebuie să preia sarcina. Acest lucru se realizează prin mărirea referințelor celorlalte sisteme. Totul
pentru a menține ieșirea globală a sistemului la valoarea impusă de cererea de energie.
Scenariile de testare a structurilor construite și prezentate în acest capitol au acoperit o serie
de situații critice care ar putea apărea în timpul funcționării instalațiilor. De asemenea acestea
acoperă și situațiile în care apar perturbații în buclele de reglare, de ajustare a referinței și de
acoperire a celorlalte generatoare în caz de defecțiune sau limitare.
Astfel pentru a optimiza modul de funcționare al sistemelor în timp real este recomandat
implementarea unui număr bine definit de generatoare, în conformitate cu profilul utilizatorilor.
6.3. Avantajele și dezavantajele utilizării unor generatoare bazate pe surse regenerabile
Deși energiile regenerabile au acaparat un segment din piața de energie electrică,
implementarea lor presupun o serie de probleme care nu le recomandă ca primă opțiune atunci când
se discută despre crearea unei noi centrale electrice.
Unele dintre aceste probleme se datorează fluctuațiilor de putere și de frecvență pe care
conectarea lor la un sistem de transport le creează, din cauza gradului de disponibilitate.
Principalele surse regenerabile de energie utilizate în cadrul sistemelor hibride sunt energia
solară, prin intermediul panourilor fotovoltaice, PV, și energia eoliană, prin intermediul turbinelor
eoliene. Un dezavantaj major al acestor echipamente este dat de dependența lor de puterea
radiațiilor solare și de puterea vântului. Din această cauză, generarea de energie electrică trebuie să
fie susținută de surse alternative, mult mai rapide. Exemplu de astfel de surse pot fi considerate
hidrocentralele și sistemele de stocare de energie, care pot asigura producția globală conform cereri.
50
Cu toate că aceste tipuri de instalații au încă multe probleme pentru care trebuie găsite
soluții, ele prezintă un avantaj net superior tuturor celorlalte surse prin faptul că gradul de poluarea
se reduce la 0. Fiind vorba de resurse care nu presupun ardere, acestea nu emit dioxid de carbon
contribuind astfel la păstrarea valorilor normale pentru concentrația de oxigen.
6.4. Influența predicțiilor în producția de energie bazată pe resurse regenerabile
În cadrul unei companii de electricitate, principala funcție este să determine necesarul de
energie pentru viitoarea perioadă astfel încât să se producă o cantitate de energie cât mai aproape
de cea consumată. Obținând o predicție cât mai bună se pot lua decizi strategice scăzând astfel
nivelul de incertitudini.
Factorii cheie care se iau în considerare atunci când se fac proiecții pentru perioade lungi
de timp sunt:
- Ritmul de creștere al populației;
- Gradul de creștere al nivelului de industrializare;
- Schimbările din stilul de viață;
- Politicile de conservare a energiei, impuse de diverse state;
- Gradul de dezvoltare al tehnologiilor.
Cea mai importantă autoritate pentru proiectarea cereri de energie la nivel global este
Agenția Internațională de Energie (IEA), care publică anual un raport, World Energy Outlook, în
care sunt prezentate diverse scenarii.
Conform scenariilor pe termen lung pentru prognoza de energie se urmărește o creștere a
probabilității cu care necesarul de energie este atins și totodată se dorește scăderea aproape de zero
a emisiilor de dioxid de carbon.
Necesitatea utilizării unei predicții în cadrul procesului de producție de energie regenerabile
s-a simțit atunci când a apărut problema conectării acestor echipamente la rețeaua de distribuție.
Astfel atunci când se cunoaște locația și energia care trebuie introdusă în rețea, conexiunea cu
rețeaua de distribuție se face mult mai lin, întrucât regimul tranzitoriu poate fi controlat direct și
redus la minim. Obținerea unor tendințe pentru producția de energie din surse regenerabile necesită
utilizarea unor informații despre condițiile meteorologice precum: viteza vântului, direcția,
temperatura, presiunea, gradul de acoperire al norilor, imagini ale cerului, date obținute de la sateliți,
etc.
În general, există două metode de abordare a problemei predicției în cadrul industriei de
producere și distribuire a energiei electrice: predicția cantității de energie regenerabilă ce va fi
produsă, care se bazează pe tendințele condițiilor meteorologice, și predicția necesarului de energie.
Modelul de predicție a condițiilor meteorologice se realizează ținând cont de faptul că
energia care va fi produsă este într-o cantitate rezonabilă și rațională ( poate fi produsă cu
echipamentele disponibile). De exemplu, predicția de energie solară depinde de cât de bine este
făcută predicția pentru radiația solară. Astfel, utilizarea unui model de predicție cât mai precis
51
pentru condițiile meteorologice va conduce la obținerea unui model de predicție a energiei
regenerabile foarte bun.
6.4.1. Tendințe pentru viteza vântului
În cadrul producției de energie eoliană un parametru important este viteza vântului. Dacă
ceilalți parametrii pot fi aproximați sau aleși din tabele, având variații foarte mici, viteza vântului
nu poate fi modelată exact. Astfel a apărut necesitatea realizării unui predicții.
Cu toate că există anumite influențe sezoniere în ceea ce privește puterea vântului pentru
anumite regiuni, variația de la oră la oră și de la o zi la alta au o caracteristică nu foarte ușor de
predictat. Până în prezent cel mai bun model folosit pentru aproximarea vitezei vântului este
modelul stocastic, pentru care algoritmii sunt relativ greoi și necesită o înțelegere foarte bună a
multor concepte legate de prelucrarea datelor și identificarea sistemelor.
Din punct de vedere geografic, vânturile bune se regăsesc de obicei în regiunile din
apropierea mărilor, în spații larg deschise și pe dealuri. Cu toate acestea, randamentul unui astfel
de sistem depinde și de distanța pe care energia trebuie sa o parcurgă de la producție și până la
consumatori.
Pentru turbinele eoliene situate în largul mării, avantajele sunt ceva mai mari deoarece aici
viteza vântului este mai mare cu cât instalația este amplasată mai în larg. Astfel capacitatea acestor
parcuri este cu 30 până la 45 % mai mare. Problemele care apar în acest caz sunt: adâncimea mării
care crește odată cu depărtarea de țărm și rezistența stâlpilor de susținere care sunt supuși unui
mediu coroziv mult mai frecvent decât cei instalați pe uscat, toate aceste lucruri se traduc prin
costuri ceva mai mari de instalare. [1]
În funcție de obiectivele urmărite de operatorul sistemului, pentru realizarea predicției se
ține cont de mai multe orizonturi de timp. Astfel există 4 tipuri de orizonturi de predicție:
- Orizont scurt de 5-60 minute:
Utilizare: regulat, pentru luarea de decizii în timp real;
Fenomene predictate: furtuni, turbulente în tranziții în timpul funcționarii;
Metode: în principal statistice, rezultate din măsurători recente.
- Orizont de predicție pentru 1 – 6 ore:
Utilizare: pentru urmărirea necesarului de energie, stabilirea strategiilor de
operare pentru următoarele ore;
Fenomene predictate: creșteri bruște ale vitezei vântului, deplasări ale
curenților de aer;
Metode: combină metode statistice cu metode numerice.
- Orizont de predicție pe o zi înainte:
52
Utilizare: urmărirea trendurilor din piață și programarea gradului de utilizare
a instalațiilor, identificarea intervalelor cu cerere ridicată;
Fenomene predictate: necesitatea unor cantități mari de energie în diverse
momente ale zilei, defecțiuni în sistem;
Metode: în principiu metode numerice, corelate cu parametrii sistemului.
- Predicții sezoniere/ pe termen lung:
Utilizare: pentru programarea resurselor și a lucrărilor de întreținere;
Fenomene predictate: oscilații climatice datorate sezonului cald și rece,
încălzirea globala;
Metode: se bazează în principal pe analiza diverselor tipare care se repetă
ciclic.
Modelarea erori de predicție pentru surse regenerabile de energie pentru cazul turbinelor
eoliene
Producția de energie obținuta utilizând turbine eoliene este o funcție matematică care
depinde de viteza vântului. Energia produsă de o singură turbină poate fi calculată conform relației
de mai jos:
Pwind(k) = ½ ρairCpπr¬¬2rotorv3wind(k)
Unde Pwind(k) este puterea produsă de turbină la momentul de timp k, ρair este densitatea
aerului (se poate alege valori din tabel, în cazul de față a fost aleasă valoarea 1,225), Cp reprezintă
factorul de capacitate al turbinei ( se alege din tabel în funcție de valoarea turbinei, în cazul de față
s-a ales 0,35) și vwind (k) este viteza vântului în m/s. De asemenea și raza rotorului turbinei este
importantă, în cazul de față având 42,574 m pentru o putere maximă generată de turbină egală cu
5MW. Vom considera că viteza vântului de la care turbina începe să funcționeze este minim 3,5
m/s și 25 m/s maxim.
Pe baza simulărilor realizate în Simulink, s-a observat că pentru un parc de 100 de astfel de
turbine, reprezentând 500MW, evoluția producției de energie arată astfel:
Figura 6.7. Evoluția producției de energie pentru un parc în funcție de viteza vântului
53
Obiectivul principal al utilizării resurselor regenerabile este acela de a furniza o cantitate
cât mai mare din energia necesară. Cunoscând capacitatea de producție a parcului eolian și
necesarul de energie, se pot folosi diverse metode de optimizare pentru minimizarea erorii de
predicție.
Astfel trendul obținut pentru viteza vântului poate fi folosit pentru combinarea optimă a
turbinelor eoliene cu generatoarele convenționale, cu hidrocentrale, sau cu alte elemente de stocare
a energiei.
6.4.2. Tendințe pentru radiația solară
Soarele emite in mod continuu radiații care conțin cantități uriașe de energie. Cantitatea de
radiații care ajunge pe Pământ într-o zi este mai mare decât întreaga cantitate de energie necesara
Pământului pe durata unui an întreg.
Este cunoscut faptul că intensitatea luminii care ajunge pe Pământ variază în funcție de
perioada zilei, locația și condițiile meteorologice. Radiația solară se măsoară în Wh/m2 pe zi sau
KWh/m2 pe an. Pentru a avea o unitate comună de calcul s-a stabilit ca standard o putere de
1000Wh/m2 timp de o oră pentru o zi însorită. Această putere este caracteristică unei suprafețe de
1 m2 în anotimpul de vară, atunci când radiația este perpendiculară pe celula fotovoltaică.
Din punct de vedere al propagării razei luminoase aceasta parcurge o linie dreaptă de la
Soare până la Pământ. La intrarea în atmosfera Pământului, o parte din lumina se împrăștie iar o
parte ajunge la sol sub forma unei radiații directe.
Figura 6.8. Propagarea razei luminoase de la Soare spre Pământ ( 1 – rază directă, 2 – rază absorbită, 3 – rază
reflectată, 4 – rază indirectă)
O altă parte din lumină este absorbită de atmosferă, iar lumina care se împrăștie în atmosferă
este ceea ce numim lumină difuză sau radiație difuză.
Un panou solar poate produce energie electrică chiar și atunci când radiația directă nu există,
astfel chiar dacă este înnorat, panourile fotovoltaice pot produce energie, însă energia va fi mai
mică.
Pentru ca panourile solare să emită o cantitate de energie cât mai mare este nevoie ca acestea
să fie orientate cât mai direct spre soare. Pentru realizarea acestui lucru se folosește fie un sistem
de ghidaj/ orientare după soare, pe modelul plantei de floarea soarelui, fie se orientează panourile
54
într-o poziție cât mai eficientă. Astfel pentru zonele ce se afla în emisfera nordică, panourile se vor
orienta spre sud, iar pentru cele din emisfera sudică, se vor orienta spre nord.
Figura 6.9. Sisteme de orientare a panourilor solare, pentru maximizarea suprafeței de colectare a radiației solare
Pe baza experimentelor s-a descoperit faptul că poziționarea într-un unghi greșit a
panourilor solare conduc la pierderi de energie de până la 8,3%.
i Pierderi = 1-cos(i) i Ore Pierderi
0˚ 0% 15˚ 1 3,4%
1˚ 0,015% 30˚ 2 13,4%
3˚ 0,14% 45˚ 3 30%
8˚ 1% 60˚ 4 >50%
23,4˚ 8,3% 75˚ 5 >75%
Tabel 6.1. Pierderi înregistrate în producția de energie solara, cauzate de poziționarea greșită a panourilor față de
unghiul de cădere a radiației solare
În funcție de sezon, radiația solară cade pe suprafața Pământului sub diferite unghiuri, ceea
ce determină ca poziția panourilor pe timp de vară să difere față de iarnă. Astfel pentru a avea
eficienta maxima in ambele sezoane se face un compromis intre cele doua situații.
Figura 6.10. Unghiul optim de inclinație al panourilor in funcție de sezon (1 – radiația solara pe timp de iarna, 2 –
radiația solara pe timp de vara)
Metode de îmbunătățiri a predicției pentru radiația solară:
- Îmbunătățire prin examinarea erori de predicție: prin experiențe repetate se încearcă
scăderea erorii din predicție cu câteva procente pentru o fiecare nouă predicție;
- Îmbunătățire prin utilizarea unor algoritmi de extragere a rampei de evoluție ( algoritmi tip
swinging door), aceștia efectuează o aproximare liniară pentru o porțiune și face posibilă
predicția pentru următoarea zi. Această metodă presupune efectuarea unui număr de
55
experimente și alegerea doar acelor rampe în care s-a identificat o schimbare mai mare sau
egală cu un prag ( de exemplu, 10 %);
- Îmbunătățirea predicției prin modificarea cu 10% până la 30% a capacități parcului solar.
Performanțele unei predicții pot fi evaluate în funcție de următorii parametrii:
- Orizontul de timp pe care se face predicția, de preferat orizonturi cât mai scurte;
- Localizarea geografica a parcurilor eoliene și solare, în cazul în care se afla la intersecția
unor zone climatice diferite;
- Calitatea datelor folosite în cazul procesului de predicție a condițiilor meteorologice;
- Distribuția vitezei vântului, care influențează curba de putere;
- Tipurile de vânt și condițiile meteorologice din zonele în care sunt amplasate parcurile;
- Gradul de variație al resurselor de vânt și de radiație solară;
- Sensibilitatea aleasă pentru eroarea de predicție.
56
7. Structuri de control pentru sistem multiple
Pentru a valida performanța sistemelor propuse în capitolului 6, s-au efectuat mai multe
teste cu ajutorul mediului de simulare Matlab – Simulink și au fost imaginate diverse scenarii de
evoluție. De asemenea pentru testarea acestor structuri în mediul real s-a realizat și o platformă
experimentală de laborator, împreună cu aplicația de control, care vor fi detaliate în capitolul 8. În
cadrul tuturor experimentelor s-au luate în considerare elemente suplimentare de filtrare.
7.1.Comparație între structurile clasice și structura propusă
7.1.1. Structura încrucișată vs. structura clasică
În cadrul acestui subcapitol sunt prezentate comparativ evoluția unui sistem utilizând două
tipuri de structuri. Pentru partea de simulare experimentală au fost folosite aceleași tipuri de procese
implementate într-o structură de tip bucle închisă de timp continuu.
Intrarea fiecărui generator s-a considerat variabilă în intervalul închis 1 și 1.5 (reprezentând
valori de 1-1.5MW, în acest caz se consideră că generatoarele sunt rapide). Nivelul de încărcare al
fiecărui generator este dat de raportul referințelor inițiale ale sistemului, definite astfel: 65% pentru
primul generator (care este mai puternic) și 35% pentru cel de-al doilea sistem. Astfel în cadrul
structurii din Simulink avem pentru a1 = 0.65 și pentru a2 = 0.35. Filtrele F1 și F2, din Figura 6.4
sunt considerate a fi 1 (astfel ele nu acționează asupra sistemului), în timp ce Fr și Fy (vezi Figura
6.5) sunt filtre trece jos de ordinul întâi.
Figura 7.1. Rezultatele experimentale pentru structura încrucișată (sus) și pentru structura propusă (jos)
57
Așa cum se vede în Figura 7.1., grupul de generatoare are o traiectorie impusă prin care
ieșirea globală a sistemului poate ajunge la valoarea de 1 MW. La momentul de timp 150, referința
globală a sistemului crește de la 1 la 1.5 MW.
În cazul regimurilor perturbate s-au realizat câteva simulări prin introducerea la momentul
75 a unor perturbații de 5% din puterea semnalului, iar la momentul 230 își încetează funcționarea.
Răspunsul structurii de control în acest caz a fost de a crește valorile de referință pentru primul
sistem astfel încât valoarea globală să fie asigurată. Din simulare se poate observa cu ușurință că
ambele sisteme asigură performanțele globale. Cu toate acestea structura de control propusă,
asigură performanțe superioare, lucru vizibil la momentul 230, când generatorul 2 își încetează
funcționarea. Această superioritate este mai vizibilă dacă se urmărește valoarea ERRas, prezentată
în Figura 7.2.
Pentru structura încrucișată și pentru cea propusă, valoarea ERRas este apropiată de 0.9
(MW) față de 0.634, aceasta reprezentând o îmbunătățire de 29%.
Figura 7.2. Evoluția erorii ERRas pentru structura încrucișată (sus) și pentru structura propusă (jos)
Dacă deviația ar avea o corespondență în planul financiar, aceasta s-ar putea traduce printr-
o îmbunătățire directă, prin scăderea pierderilor adică o creștere a veniturilor.
Fiind vorba de un experiment, generatoarele utilizate în primul caz, suferă șocuri destul de
mari, întrucât momentan nu există nici un generator care să poată funcționa cu o rezervă de 50%,
deoarece în realitate ar însemna pierderi foarte mari. Pentru a rezolva această problemă se folosește
o structură cu două generatoare. Într-un caz real, folosirea mai multor generatoare este evidentă și
aduce îmbunătățiri sistemului, deoarece mai multe generatoare reprezintă o încărcare mai mică
pentru fiecare element.
7.1.2. Structură cu patru elemente în paralel
Pentru testarea acestei structuri se consideră patru bucle închise în regim continuu
(generatoare și controller-ul corespunzător acestora) cu aceleași modele pentru generatoare și
pentru controlerul de tip PID. În cadrul acestei serii de experimente, s-a realizat și o comparație
între structura de tip încrucișat descrisă în [15] și structura propusă.
58
În cadrul acestui experiment considerăm generatoarele încărcate (referința) cu o valoare
inițială cuprinsă între 1 și 1.5 (în acest caz putem considera că generatoarele sunt rapide și au puteri
cuprinse între 0.7-1.5 MW). Inițial raportul de încărcare al generatoarelor este de 35% pentru
primul generator, 30% pentru al doilea, 20% pentru al treilea și 15% pentru al patrulea. În cadrul
structurii, acestea sunt reprezentate prin variabilele a1 = 0.35, a2 = 0.30, a3 = 0.20, a4 = 0.15. Filtrele
F1, F2, F3 și F4 sunt considerate a fi 1 (nu au nici o acțiune asupra sistemului), vezi Figura 6.3.,
actualizată pentru 4 generatoare, în timp ce Fr și Fy, vezi Figura 6.5., actualizată, sunt considerate
filtre trece jos de ordinul întâi.
Testele de robustețe au fost realizate prin perturbarea sistemul 2 la momentul 75, care apoi
își încetează funcționarea la momentul 230, Figura 7.3.. Pentru a testa și situații mult mai dificile,
dar uneori întâlnite în practică, în intervalul de timp 300 – 350, sistemele trei și patru sunt perturbate.
Odată stabilit scenariu de testare pentru noua structură de control, valorile de încărcare a sistemelor
sunt modificate astfel încât să se realizeze obiectivul global.
Se poate observa cu ușurință din graficele din Figura 7.3. curbele de evoluție al sistemului.
Diferența subtilă dintre cele două structuri apare în analiza parametrului ERRa care are valoare de
0.45(MW) pentru prima structura și 0.36 pentru structura propusă, reprezentând o îmbunătățire de
21% a performantelor.
Figura 7.3. Evoluția sistemului format din 4 generatoare conectate in paralel împreună cu structura încrucișată
(sus) vs. structura propusă (jos)
59
Figura 7.4. Evoluția erorii ERRa pentru sistemul format din 4 generatoare, structura încrucișată (sus) vs. structura
propusă (jos)
Avantajele structurii propuse se datorează ușurinței cu care controller-ul C propus poate fi
acordat. În funcție de performanțele urmărite se pot ajusta și filtrele F1-F4. Acordarea regulatorului
poate dezvălui o serie de tehnici pentru controller-ele de tip PID clasice, de la plasarea polilor, până
la unele mai avansate precum optimizarea normelor.
7.1.3. Structuri cu elemente “constante” (Structură hibridă)
În anumite cazuri variația gradului de încărcare a sistemelor (referința) poate fi redusă și
variația însăși poate fi relativ considerată constantă. În Figura 7.5. structura RT-BCS a fost simulată
pentru scenariul propus cu trei elemente constante sistemele 1, 2, 3, și un element variabil 4.
Elementul variabil poate fi considerat a fi o micro-hidrocentrală sau alte elemente continue în timp;
iar ca elemente constante am putea considera panourile solare. Pentru ca sistemul să urmărească
cât mai bine referința, în structură trebuie introdus neapărat un element continuu.
Testele pentru simularea acestei structuri se fac în următoarele condiții: după pornirea
simulării se setează referința la 1 MW, si apoi la momentul 150, referința se modifică la 1.5 MW,
urmată de o descreștere înapoi la valoarea de 1 MW, după momentul 300. În ceea ce privește
testarea robusteții structurii hibride, la momentul 75 sistemul doi este perturbat, iar la momentul
230 acesta își încetează funcționarea.
Observând Figura 7.5., sistemul 4 (reprezentat cu verde), are câteva variații importante,
datorate încercării controller-ului de a minimiza eroarea. De asemenea și sistemul 3 (reprezentat cu
albastru) are o evoluție neașteptată: la început acesta ajută sistemul 4, pentru o perioadă scurtă de
timp, după care își micșorează aportul la ieșirea globală. Sistemul revine la regimul normal de
funcționare când referința globală crește. Când referința descrește, după momentul de timp 300,
sistemul 3 se oprește complet.
60
Figura 7.5. Rezultatele simulării structurii hibride (cu elemente constante și un element variabil); evoluția generală
(sus), ieșirea controller-ului (mijloc) și evoluția erorii ERRa (jos)
Comanda controller-ului C este trasată în Figura 7.5.: răspunsul sistemului 4 are o formă
asemănătoare cu evoluția ieșirii controller-ului deoarece acesta recalculează referința generală a
sistemului și doar sistemul 4 este variabil.
Dacă observăm eroarea ERRa, a structurii hibride, aceasta are o valoare mai mare din
moment ce doar un singur generator are ieșirea variabilă, rezultând astfel ca sistemul este mai puțin
flexibil.
7.1.4. Structură hibridă de tip MPC cu elemente de stocare
În cazul utilizării unor sisteme de stocare structura sistemului se modifică, pentru a include
și strategia de management al bateriei. O astfel de implementarea este reprezentată în Figura 6.6..
În cadrul acestui experiment s-a testat atât comportamentul bateriei cât și modul de evoluție
al frecvenței în funcție de evoluția necesarului de energie. Contribuțiile fiecărui sistem pot fi
vizualizate în Figura 7.6. și în Anexa 1.
Pentru a putea testa sistemul în condiții cât mai reale, bateria a fost setată să nu se descarce
foarte repede. În figura 7.7. se poate vedea cum sistemul hibrid întâmpină probleme în urmărirea
cererii de energie. În această situație frecvența începe să descrească până în momentul în care
61
strategia de control nu mai face față, moment în care frecvența scade și mai mult, peste limitele
impuse.
Figura 7.6. Ieșirea sistemului hibrid: roșu – cererea de energie, albastru – energia produsă de fotovoltaice, verde –
energia produsă de turbinele eoliene, negru – energia stocată în baterie
Figura 7.7. Ieșirea sistemului hibrid: roșu – cererea de energie, albastru – energia produsă de fotovoltaice, verde –
energia produsă de turbinele eoliene, negru – energia stocată în baterie, magenta – energia totală produsă de sistem
62
7.2. Rezultate și observații din timpul experimentelor
Structura propusă pentru managementul încărcării sistemelor multiple din această lucrare
poate fi folosită cu ușurință pentru controlul sistemelor de tip MIMO în care avem de-a face cu
regimuri perturbate, sisteme cu funcționarea limitată sau care se opresc complet din funcționare
pentru intervale variabile de timp.
În cadrul acestor experimente au fost folosiți algoritmi clasici PI-PID. Dar prin utilizarea
unor controllere mult mai avansate, de exemplu cu două grade de libertate, precum RST, se obțin
performanțe mult mai bune. Utilizarea acestor tipuri de structuri au avantajul că pot fi acordate
mult mai ușor pentru a se mula pe sistemul ce trebuie controlat, însă necesită cunoașterea modelului
sistemului la fiecare moment de tip; recomandat în cadrul sistemelor cu structură fixă.
Aceste structuri, așa cum au fost construite, au proprietatea de a compensa pierderea unei
surse prin mărirea valorii de referință pentru celelalte sisteme, construind astfel un sistem de control
care știe să mențină ieșirea la o valoare prestabilită, rejectând perturbațiile.
Pentru simulări s-a urmărit ca situațiile de test să fie cât mai apropiate de cele reale. S-au
testat diverse fenomene care pot apărea în natură, inclusiv dispariția unei surse sau defectarea unui
generator. În toate cazurile structura de control a reușit să compenseze ieșirea globală conform
cerințelor impuse sistemului. Aceste obiective au putut fi urmărite în cadrul simulărilor prin analiza
erorii de referință care s-a menținut în jurul valorii 0 pe toată durata simulărilor.
Erorile din sistem au fost analizate utilizând două metode: prin integrare simplă și prin
integrare multiplă. S-a recurs la utilizarea a două metode din cauza faptului că eroarea integrată
simplă poate avea valori pozitive și valori negative, care pot duce la excluderea unor erori
importante pentru sistem. În cazul utilizării metodei de integrare a erorii în modul, toate valorile
fiind pozitive se poate detecta mult mai ușor variațiile care apar în sistem, identificând astfel
posibilele regimuri de funcționare defectuoasă.
În cadrul experimentelor în structura de control au fost introduse și filtre pe intrările
generatoarelor cu scopul de a menține un regim de funcționare sigur. Cu toate acestea s-a observat
că ele au un impact destul de mare și în procesul de stabilizare, deoarece odată eliminate, sistemul
tinde să capete un caracter oscilant.
În funcție de structura procesului controlat, structura de control poate fi folosită atât la nivel
superior cât și la nivelele inferioare de securitate.
63
8. Platformă energetică formată din generatoare bazate pe resurse
regenerabile
Pentru a putea simula și experimenta în condiții reale de funcționare, structurile de control
propuse în această lucrare, a fost realizată o instalație de laborator de tip micro-centrală care să
simuleze comportamentul unor echipamente folosite în procesul de producție a energiei electrice.
Platforma didactică se poate găsi în laboratorul de ”Implementarea Sistemelor de
Conducere pentru Mediul Industrial” din cadrul facultății de Automatică și Calculatoare din
București, departamentul de Automatică și Informatică aplicată.
Pentru platforma energetică s-au folosit două tipuri de generatoare de energie bazate pe cele
mai frecvente resurse regenerabile, radiația solară și puterea vântului. Principalele dispozitive care
alcătuiesc platforma sunt:
- 3 panouri fotovoltaice identice, montate într-o conexiune de tip paralel, dar care pot
funcționa și independent, prin decuplarea celorlalte două panouri. Pentru fiecare panou s-a creat și
un dispozitiv de poziționare în fața fasciculului de lumină pentru a putea simula cât mai real
diferitele comportamente ale celulelor fotovoltaice, în concordanță cu puterii radiațiilor solare pe
care o primesc;
Figura 8.1. Grup de 3 celule fotovoltaice conectate în paralel
- 2 turbine eoliene identice, montate într-o conexiune de tip paralel, dar care pot funcționa și
independent prin decuplarea de la sistem. Pentru mai multe detalii despre modul de construcție si
de funcționare verificați site-ul producătorului din referința [16]. Puterea maximă a eolienei este de
5 m/s. Instalația dispune și de un sistem de stocare a energiei, care în studiile viitoare va fi
64
transformat într-un sistem mai complex de management al încărcării sistemelor și va ajuta la
păstrarea unei puteri constante la ieșirile platformei.
Figura 8.2. Grup format din două turbine eoliene conectate în paralel
- Sistem de achiziție de la National Instruments: NI USB 6008. [17]
Figura 8.3. Instrumentație de laborator folosită pentru achiziția parametrilor din procesul de producere de energie
electrică
Logică pentru
simularea
consumatorilor
Sistem de
achiziție
Sistem de
control și
comunicație
cu PC
65
Pe parcursul implementării platformei au fost realizate o serie de teste preliminarii pentru a
se observa comportamentul sistemului cu diferite tipuri de generatoare. Unele dintre acestea au
avut ca scop dimensionarea instalației dar și măsurarea performanțelor structurilor de control
aplicate individual pe fiecare grup de componente.
Figura 8.4. Sistem de control pentru 3 elemente conectate în paralel
Pentru analiza comportamentului s-a folosit mediul de programare LabWindowsCVI de la
National Instruments, și s-a creat o interfață de lucru cu echipamentul prin care se puteau seta
anumite referințe atât pentru întregul sistem cât și pentru fiecare element. Cea mai importantă etapă
a fost aceea de reglare și tunare a sistemului de control. Inițial s-a pornit de la un regulator de tip
PID numeric. Interfața de control a sistemului este prezentată în Figura 8.5..
Figura 8.5. Interfață de control și comandă pentru platforma energetică, din etapele intermediare
Rezultatele din timpul testelor care au încurajat implementarea platformei la scară și mai
mare sunt prezentate în Figurile 8.6. și 8.7..
Figura 8.6. Rezultate preliminarii obținute în timpul testelor; - evoluția reală a sistemului cu o încărcare de 60 %
din capacitate sistemului (stânga) și eroarea globală a sistemului (dreapta)
66
Figura 8.7. Rezultate preliminarii obținute în timpul testelor: evoluția reală a sistemului cu o rejecție a
perturbațiilor de 60 % din capacitate sistemului: schimbarea distribuției de încărcare a sistemelor (stânga) și
eroarea globală a sistemului (dreapta)
În Figurile 8.8 și 8.9 este prezentat standul experimental creat în laborator pentru testarea
structurilor de control montată împreună cu toate generatoarele (eoliene și panouri solare), sistemul
de achiziție și sistemul de comandă.
Figura 8.8. Platformă energetică bazată pe resurse regenerabile (1)
67
Figura 8.9. Platformă energetică bazată pe resurse regenerabile (2)
Pentru a putea genera în cadrul laboratorului situațiile întâlnite în mediul real, lumina
soarelui și curenții de aer, și pentru a pune în funcțiune echipamentele s-au folosit următoarele
soluții:
- în cazul panourilor fotovoltaice, s-a montat un bec pe un suport reglabil deasupra
echipamentelor și în funcție de poziționarea panourilor radiația luminii poate acoperi
întreaga suprafață a celulei sau doar o parte, simulând în acest fel situații reale din practică;
Figura 8.10. Simularea radiației solare pentru panourile fotovoltaice în cadrul standului experimental
- în cazul turbinele eoliene s-au folosit două ventilatoare poziționate în fața elicelor, vezi
Figura 8.11. Acestea au turația variabilă și sunt comandate software printr-un program
separat. Poziționarea acestora față de eoliene se poate face la alegere, simulându-se astfel
diverse situații din mediul real.
68
Figura 8.11. Simularea radiației solare pentru panourile fotovoltaice în cadrul standului experimental
69
Concluzii
Observând contextul creșterii mondiale a consumului de energie electrică și schimbările
climatice care influențează tot mai mult activitatea zilnică a societăților, s-a văzut o schimbare în
creșterea interesului pentru energia regenerabilă.
Energiile regenerabile vor oferi din ce în ce mai mult din necesarul de energie în viitor, și
toate acestea datorită schimbărilor climatice care au loc din ce în ce mai des, securitatea
combustibililor dar și alte motive de natură socială. Aceasta reprezintă un risc dar și o oportunitate
în același timp.
În urma simulărilor realizate pe rețelele de transport de energie electrică, s-a observat că
odată cu creșterea numărului de ferme, care produc energie din surse regenerabile, crește și
dificultatea controlului eficient, astfel devine din ce în ce mai greu de respectat specificațiile
rețelelor. Cu toate acestea este absolut necesar să combinăm diferite surse și sisteme de stocare
pentru a asigura pe termen scurt și lung necesarul de energie.
Calitatea energiei electrice este o problemă extrem de importantă în sistemele de producere
a energiei electrice. Aceasta se traduce în realitate prin perturbațiile care apar atât în valoarea
tensiunii cât și în caracteristica frecvenței. Calitatea energiei electrice este dată de comportamentul
sistemului atunci când:
- tensiunea în rețea scade brusc, datorită cereri prea mari într-un timp scurt sau datorită
schimbărilor climatice, de exemplu: se oprește vântul sau radiația solară are o putere mult prea
mica pentru a fi convertită;
- armonica frecvenței își modifică valoarea; nu se mai respectă valoarea de 50 Hz sau 60
Hz, cauzată de neliniaritățile care apar în sistem;
- apar probleme în sistemul de reglare al tensiunii, din cauza interacțiunilor dintre
elementele din sistem.
Pentru a crește eficiența centralelor eoliene, s-au dezvoltat de-a lungul timpului o serie de
modele virtuale și aplicații software prin intermediul cărora se pot modela și simula într-un mediu
controlat o serie de configurații de echipamente în diverse situații. Toate acestea au avut loc datorită
costurilor foarte ridicate și a complicațiilor mari pe care le aduc astfel de sisteme atunci când este
vorba de producerea lor în masă și testare.
Un soft care permite efectuare de astfel de experimente virtuale este Matlab, care prin
intermediul modulului de Simulink s-a putut analiza diverse regimuri de funcționare a sistemelor
dinamice, dar și efectul diferitelor structuri de control.
În cazul utilizării unor strategii de control de tip MPC se pot introduce direct în formularea
problemei de optimizare aspecte de natura economica. Astfel se poate optimiza nu numai regimul
de funcționare, ci se pot urmării și alte performante, de exemplu economice. S-a demonstrat în
numeroase lucrări [6], [7] ca o astfel de strategie are un impact major asupra costului de producție
a energiei și datorită posibilității de introducere direct în problema de control a valorilor legate de
70
fenomenele meteo predictate pentru diverse orizonturi de timp, face ca aceasta să fie una din cele
mai răspândite metode.
Structurile propuse până acum pentru echilibrarea unor sisteme paralele de tip multi-input
multi-output (MIMO) sunt capabile să compenseze diverse perturbații care apar în sistemele de
producere a energiei electrice; de exemplu cazurile în care unul din sisteme se defectează sau
cantitatea de energie pe care o produce este limitată în timp. Utilizarea unor astfel de tipuri de
structuri asigură performanțe superioare față de structurile paralele clasice sau cea încrucișată,
ambele prezentate în această lucrare.
În funcție de structura sistemului pentru care se construiește strategia de echilibrare aceasta
poate fi implementata atât la nivelul supervizorului cât și la nivelul de reglare.
Îmbunătățiri
O arie relativ importanta care a fost dezvoltata din ce în ce mai mult în ultima vreme este
cea a forecast-ului pentru perioade scurte de timp. Această analiză presupune utilizarea unor
metode adaptive nu numai pentru a învăța cum evoluează parametrii caracteristici condițiilor
meteorologice ci și pentru a calcula care este probabilitatea de apariție a unui fenomen. În astfel de
cazuri este esențial utilizarea unui istoric de date pentru o perioadă de 3, 6 sau 12 luni.
Utilizarea unui forecast în cadrul procesului de producere a energiei electrice folosind
generatoare pe bază de resurse regenerabile aduc un aport considerabil în minimizarea erorii dintre
cerere și ofertă, permițându-ne astfel să acoperim o cantitate cât mai mare din necesarul de energie
cu energie regenerabilă.
Cu toate acestea, nu tot timpul este posibil acoperirea necesarului de energie cu energie
regenerabilă, astfel rezultatele unui forecast ne poate ajuta la o dimensionare mai bună a sistemul
energetic de producție cât și a sistemele de stocare de energie.
Obiective viitoare
Chiar dacă principalele obiective ale lucrării au fost atinse, există destul de multe lucruri ce
pot fi îmbunătățite și optimizate.
Având în vedere complexitatea sistemului energetic, nivelele de ierarhie, variațiile foarte
mari în timp și a pieței de energie aflată într-o continuă schimbare, ideea unei structuri de control
de timp real centralizată nu poate să facă față tuturor provocărilor. Astfel o structură de control
descentralizată care să țină cont de dinamicele sistemelor bazate pe metode moderne de control și
de optimizare trebuie să fie integrate pentru a beneficia de avantajele oferite chiar și de cele mai
mici surse de energie.
O idee care poate fi dezvoltată în continuare pe baza acestei lucrări este realizarea unei
conexiuni între mai multe astfel de sisteme pentru a crea o rețea de distribuire de energie electrică
care să respecte toate normele de funcționare și protecție precum cele actuale. În sistemele de
producere de energie electrică bazate pe resurse regenerabile, generatoarele au diferite capacități.
Astfel o analiză în profunzime a acestora este nevoie pentru a construi un sistem de management
cât mai capabil să asigure necesarul de energie.
71
De asemenea pornind de la structurile prezentate în cadrul acestei lucrări se pot crea
structuri mai complexe de reglare care să includă și sisteme inteligente de control, care se bazează
fie pe istoricul consumatorilor fie pe modul de evoluție al condițiilor meteorologice. Astfel
algoritmii numerici rapizi vor avea un rol foarte important în dezvoltarea cercetărilor din domeniul
energetic.
Publicații
Pe baza celor prezentate în cadrul acestei lucrări au fost realizate o serie de articole publicate
în reviste de specialitate, relevante pentru industria automatizărilor. Dintre aceste lucrări amintim
următoarele:
1. Ciprian LUPU, Ing. Dumitru OANCEA, Managementul sarcinii de încărcăre în sistemele cu
generatoare multiple (I), publicat în Automatizări și Instrumentație (Control and
Instrumentation) no. 3-4/2014, Octombrie 2014;
2. Ciprian Lupu, Dumitru Oancea, Cristian Oara, Mircea Lupu, Dan Apetrei, An Approach for
Load Balancing in Virtual Power Plant Structures, System Theory, Control and Computing
(ICSTCC), 2014 18th International Conference, Septembrie 2014;
3. Ciprian Lupu, Dumitru Oancea, Balancing Structure for Multiple Generator, Journal of
Electrical and Electronics Engineering, Volume 7, Issue 1, ISSN: 1844-6035, Mai 2014;
4. Dumitru Oancea, Ciprian LUPU, Dumitru POPESCU, Load balancing structure for multiple
sources systems, Annals of the Academy of Romanian Scientists Series on Engineering
Sciences, Volume 3, Number x/2011, ISSN 2066-6950, Martie 2014.
72
Bibliografie
[1] G. @. W. 20, „IPSOS Mori,” Mai 2011. [Interactiv]. Available: https://www.ipsos-
mori.com/Assets/Docs/Polls/ipsos-global-advisor-nuclear-power-june-2011.pdf. [Accesat
Februarie 2015].
[2] I. Turcu și ICPE SA , ANM ,UPB , ISPE SA , INL SA , IGR , OVM, „Studiu privind evaluarea
potenţialului energetic actual al surselor regenerabile de energie în romania (solar, vânt,
biomasă, microhidro, geotermie), identificarea celor mai bune locaţii pentru dezvoltarea
investiţiilor în producerea de energie electrică,” 2010. [Interactiv]. Available:
http://www.minind.ro/domenii_sectoare /energie/studii/potential_energetic.pdf. [Accesat
May 2015].
[3] L. Ciprian, P. Dumitru și F. Gabriel, „Supervised Solutions for Precise Ratio Control:
Applicability in Continuous Production Line,” Studies in Informatics and Control, vol. vol.
23 (1), nr. ISSN 1220-1766, pp. pp. 53-64, 2014.
[4] „Distributed Generation Energy Technology Capital Costs,” NREL - National renewable
energy laboratory, 22 January 2014. [Interactiv]. Available: http://www.nrel.gov/analysis/
tech_cost_dg.html , http://www.nrel.gov/analysis/tech_lcoe_re_cost_est.html. [Accesat
March 2015].
[5] I. Zetis, „Articol Energie solara - fotovoltaice (partea 1),” http://www.rets-project.eu/
UserFiles/File/pdf/respedia/07%20Solar%20energy%20Photovoltaics/07-Solar-energy-Part-
I---Photovoltaics_RO.pdf, România, 2007.
[6] G. C. Dinu și D. Popescu, Modeling a non-linear control of a multi-energy system, Franța:
“Politehnica” University of Bucharest, 2012.
[7] „Grid integration of large-capacity Renewable Energy sources and use of large-capacity
Electrical Energy Storage – White paper,” IEC Market Strategy Board, Octomber 2012.
[8] S. Ioan , V. Ioan și M. Corneliu, „Structura energetica hibrida hidro-eoliana. Modelare şi
tunning pe staţie pilot HIDROEOL,” Executie model functional pentru sistemul energetic
hibrid – partea I, 2003.
[9] M. Gogu, Conversia neconvenţională a energiei electrice, Iași: http://mircea-gogu.ro/html/
conversia_neconventionala_cuprins.html, 2011.
[10] V. Stoica și C. A. -. Laurențiu, „Producerea de energie ieftină folosind centrale eoliene cu
generatorare asincrone cu rotor în colivie,” Electotehnică, Electronică și Automatică,
România, 2008.
73
[11] M. A. Casacca și Z. M. Salameh, „Determination of lead-acid battery capacity via
mathematical modeling techniques,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 7, nr. 1,
pp. 442-446, 1992.
[12] „Tratatul de la Kyoto-repere esenţiale,” BBC Romanian, Septembrie 2004. [Interactiv].
Available: http://www.bbc.co.uk/romanian/news/story/2004/09/040930_tratat_kyoto_
background.shtml.
[13] H. Markiewicz și D. A. Klajn, „Îmbunătăţirea fiabilităţii cu ajutorul surselor de energie de
rezervă,” în Ghid de Aplicare - Calitatea Energiei Electrice, Belgia, Societatea Inginerilor
Energeticieni din România, 2003.
[14] A. Mosoianu, „Energy report,” Laissez Faire SRL, 7 Martie 2014. [Interactiv]. Available:
http://www.energyreport.ro/index.php/2013-electricitate/2013-stiri-electricitate/2013-
energie-electrica/1617-progresul-tehnologiilor-de-stocare-a-electricitatii-ameninta-atat-
sistemul-energetic-centralizat-cat-si-industria-de-petrol-si-gaze. [Accesat 15 Mai 2015].
[15] C. Lupu și D. Oancea, „Structuri de management al incărcării sitemelor multiple,”
Automatizări și Instrumentație, vol. 2, p. 12, 2014.
[16] „ループウイング風力発電工作セット,” TAMIYA, [Interactiv]. Available: http://www.
tamiya.com/japan/products/75021loopwing/index.htm. [Accesat 2014].
[17] „NI USB-6008,” National Instruments Corporation, [Interactiv]. Available: http://sine.ni.
com/nips/cds/view/p/lang/ro/nid/201986. [Accesat 2015].
[18] M. Dragoicea, Real Time Application Programming, Bucharest: Publisher: Editura
Universitara, ISBN 978-973-749-579-2, 2009.
[19] I. D. Landau, R. Lozano and M. M'Saad, Adaptive Control, London: Springer - Verlag, 1997.
[20] C. Marin și P. Dan, „Teoria sistemelor și reglare automată,” Lectii curs, Capitolul 8 -12,
Craiova, 2007.
[21] B. Adrian și N. Horia, Surse regenerabile de energie, București: Editura Agir, 2010.
[22] F. Wien, Artist, Producerea Distribuită şi Regenerabile. [Art]. Leonardo ENERGY,
Noiembrie 2006.
[23] T. Petru, Modeling of Wind Turbines for Power System Studies, Suedia: Department of
Electric Power Engineering CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2001.
[24] F. P. L. d. V. D. A. N. WORKING, „Energii regenerabile Partea I,” 2012-1-TR1-LEO04-
35470-1, România, 2012.
74
[25] C. LUPU, D. POPESCU și G. FLOREA, „Supervised Solutions for Precise Ratio Control:
Applicability in Continuous Production Line,” Studies in Informatics and Control, vol. 23, nr.
1220-1766, pp. 55-64, 2014.
75
Anexe
Prezentarea evoluției principalelor mărimi de interes în cadrul sistemului hibrid (cererea de
energie, ieșirea globală a sistemului, starea de încărcare a bateriei, frecvența sistemului)
76
Termeni
Factor de încărcare este un indicator de eficiență, prin care se măsoară gradul de utilizare a
unei instalații;
Generare Procentul de energie produs în comparație cu capacitatea teoretică
maximă pe care o poate produce instalația;
Predicție/ tendințe
(forecast)
Studiu cu privire la modul de evoluție a unor mărimi în viitor în funcție
de comportamentul lor în trecut, ținând cont de diverși parametri ce
caracterizează sistemul analizat;
MPC – Model
Predictive Control
Strategie de control bazată pe predicția anumitor parametrii, prin care se
analizează evoluția unui sistem în viitor pe un anumit interval de timp
astfel încât să se construiască un vector de comenzi corespunzătoare
cerințelor de sistem.