1 UVOD
Klasičen elektroenergetski sistem je sestavljen iz
proizvodnih enot, visokonapetostnega (VN) prenosnega
omrežja, razdelilnih transformatorskih postaj,
distribucijskega srednjenapetostnega (SN) omrežja,
SN/NN transformatorskih postaj in nizkonapetostnega
(NN) omrežja. Pretok energije poteka od proizvodnih
enot prek omrežja in transformatorskih postaj do
končnih porabnikov.
Zaradi čedalje večje skrbi za okolje in energetske
odvisnosti evropskih držav od uvoza fosilnih goriv so
bili v EU sprejeti cilji ''20-20-20'', ki predvidevajo 20-
odstotno povečanje energetske učinkovitosti, 20-
odstotno zmanjšanje izpustov CO2 ter 20-odstotno
proizvodnjo iz obnovljivih virov energije do leta 2020.
Zaradi teh usmeritev in podpornih shem, ki spodbujajo
proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov,
njihov delež narašča. Ti viri imajo manjšo moč in so
razpršeni po distribucijskem omrežju, zato jih
imenujemo razpršeni viri (RV). Posledica vključenosti
RV v sistem je sprememba pretokov moči, ki je zdaj
mogoč v obe smeri, tudi od nižjega napetostnega nivoja
proti višjemu. Tem razmeram pa vodenje omrežja ni
prilagojeno (regulacija napetosti, nastavitve zaščite in
zagotavljanje kakovosti). Poleg tega RV vplivajo tudi na
Prejet 18. maj,2012
Odobren 30. maj,2012
82  ULJANIĆ, PFAJFAR, PAPIČ, BLAŽIČ
kakovost napetosti in pomenijo nevarnost otočnega
obratovanja v omrežju.
2 VPLIV RAZPRŠENE PROIZVODNJE NA
NAPETOSTNI PROFIL
RV, priključeni v razdelilnem omrežju, spreminjajo
napetostni profil voda [1]. Po navadi imajo omejene
možnosti vodenja ali so celo brez njih in navadno ne
sodelujejo pri regulaciji napetosti. Sodelovanje pri
regulaciji napetosti je sicer predvideno v novih
sistemskih obratovalnih navodilih za distribucijsko
omrežje EE – Priloga 5 [2]. Operaterji omrežij morajo
zagotavljati napetost v predpisanih mejah. Te predpisuje
standard SIST EN 50160 [3]. Standard zajema vse
parametre kakovosti napetosti. Predpisuje motnje v SN-
in NN-omrežju na odjemnem mestu, kjer se srečujeta
odjemalec in javno razdelilno omrežje. V tej točki lahko
opišemo parametre napetosti s trinajstimi značilnostmi.
Slika 1 prikazuje napetostni profil radialnega voda ob
prisotnosti razpršenega vira (G). Ta nam ob delovanju
dviguje napetost ter zmanjšuje izgube v omrežju. Ko pa
ne deluje, napetostne razmere določata breme in
regulacijski transformator. Težave lahko nastopijo, ko je
obremenitev majhna in RV deluje in ko je obremenitev
velika in RV ne deluje. V teh obratovalnih stanjih se
lahko zgodi, da regulacijski transformator ne more
vzdrževati napetosti znotraj predpisanih meja.
VN
omrežje SN
TR
SN / NN
TR
VN / SN
NN vod
G
1
G odklopljen
G priklopljen
N
a
p
e
to
st
(
p
u
)
Dolžina
Slika 1: Napetostni profil radialnega voda z RV
Rešitve situacije, ki lahko nastane, se lahko lotimo z
omejevanjem priključne moči razpršenih virov. Ker pa
bi s tem zavirali njihovo vključevanje, kar ni v skladu z
energetskimi usmeritvami v svetu in EU, lahko od virov
zahtevamo sodelovanje pri regulaciji napetosti.
Možnosti za vzdrževanje napetosti znotraj predpisanih
meja so naslednje [4]:
- primarna regulacija napetosti v razdelilnih
postajah z regulacijskimi transformatorji,
- ojačitev omrežja,
- upravljanje z jalovo močjo RV,
- upravljanje z delovno močjo RV,
- vgradnja napetostnih regulatorjev in
- uporaba kompenzatorjev.
Ker hočemo regulacijo napetosti zagotoviti s čim
manjšim denarnim vložkom, so v nadaljevanju
obravnavane možnosti regulacije napetosti z RV (z
jalovo močjo) in z regulacijskim transformatorjem.
Možnost upravljanja z delovno močjo RV ni
obravnavana, saj je ta ukrep nezaželen za proizvajalca
električne energije.
3 ANALITIČNA DOLOČITEV VPLIVA RV NA
NAPETOST V OMREŽJU
Pri navadnem obratovanju EES je potek pretoka
energije od višjega nivoja napetosti proti nižjemu (tj. od
elektrarn, ki so priključene na prenosno omrežje, do
končnih porabnikov, ki so priključeni na distribucijsko
omrežje), zato se posledično napetosti proti bremenu
nižajo. Ob priključenem razpršenem viru pa se smer
pretoka energije lahko spremeni in postane odvisna tako
od bremen in impedance omrežja kot tudi od RV, kar
posledično vpliva na spremembo padcev napetosti.
Na sliki 2 je prikazana shema enostavnega omrežja z
razpršenim virom. Transformator pomeni
transformatorsko postajo, ki ji sledita SN-vod ter na
koncu razpršeni vir in porabnik.
Prenosno
omrežje
G
Reg. TR URUS
PS, QS PR, QR
Vod / Kabel
I
QRV
PRV
PB, QB
Slika 2: Preprosto omrežje z RV
Oznake na sliki pomenijo:
- US, napetost na zbiralkah RTP,
- UR, napetost v priključni točki RV,
- I, tok voda,
- X, R, reaktanca, rezistanca voda,
- Zb, impedanca bremena,
- PS, QS, delovna in jalova moč na začetku voda,
- PR, QR, delovna in jalova moč na koncu voda,
- PRV, QRV, delovna in jalova moč RV.
V priključni točki generatorja velja naslednja enačba:
*
*
R R
R R R
g
P jQ
U I P jQ I
U

     . (1)
Napetost na zbiralkah RTP lahko zapišemo kot:
( )
S R
U U R jX I    . (2)
Če vzamemo napetost na sponkah generatorja kot
referenčno vrednost
* 0
0
R R R
U U U   , lahko
zapišemo:
R R R R
R S
R R
RP XQ XP RQ
U U j
U U
 
    (3)
iz česar sledi:
R S
U U U j U   . (4)
REGULACIJA NAPETOSTI V DISTRIBUCIJSKIH OMREŽJIH S POMOČJO RAZPRŠENIH VIROV 83
Na sliki 3 je prikazan kazalčni diagram za enačbo (4).
Us
-ΔU
-jδU
Ur
Slika 3: Kazalčni diagram napetosti
Iz slike 3 lahko razberemo, da je razlika amplitud US in
UR posledica ΔU, ki je v fazi z US, medtem ko je razlika
v faznem kotu v glavnem posledica δU.
Amplituda napetosti je na priključnem mestu vira
približno:
R R
R S
R
RP XQ
U U
U

  . (5)
Za generatorsko vozlišče velja:
R B RV
P P P 
R B RV
Q Q Q 
Predpostavimo, da generator ne proizvaja jalove moči,
ter najbolj neugodno situacijo v omrežju, ko je
0
b b
P Q   in moč generatorja največja. Tako dobimo
napetost v točki razpršenega vira:
RV
R S
R
R P
U U
U

  . (6)
Iz enačbe (6) izhaja, da je napetost na mestu priključitve
generatorja odvisna od ohmske upornosti voda,
napetosti na zbiralkah RTP in velikosti proizvedene
delovne moči RV.
4 SIMULACIJSKO OMREŽJE
Na sliki 4 je prikazana poenostavljena enopolna shema
SN-omrežja Savinjske doline, na katerem so bile
zasnovane simulacije. SN 20 kV omrežje je napajano iz
regulacijskega transformatorja z močjo 20 MVA
(regulacija ±12 stopenj, korak 1,33 %). Referenčna
napetost je nastavljena na 1,0375 %. V omrežju je 13
mHE, katerih skupna moč znaša približno 2,5 MVA.
Dve elektrarni imata sinhronski generator (SG),
preostale pa asinhronskega (glej tabelo 1). Vsi
generatorji so na 20 kV omrežje priklopljeni prek 20/0,4
kV transformatorjev.
Bremena so modelirana kot R-X impedance, ki so
napetostno odvisne (v razponu od 80 do 120 %) in
obratujejo s cos φ=0,95. Obremenilni diagrami bremen
so narejeni na podlagi meritev vseh treh izvodov TP
Rastke. Tipi dnevnih diagramov so prikazani na sliki 5.
V simulacijah so obravnavane stabilnostne razmere,
pri katerih so uporabljene efektivne vrednosti. En dan v
realnem času je ponazorjen s 144 sekund dolgo
simulacijo. Ena sekunda torej pomeni 10 minut v
realnem času. Vrednost 0 pomeni čas 0:00:00, vrednost
144 pa 24:00:00. V programu DIgSILENT je
uporabljena simulacija z efektivnimi vrednostmi, ki
omogoča neposreden izračun stacionarnih razmer, pri
tem pa upošteva tudi dinamiko regulacijskih algoritmov
ali elektromehanskih naprav. Merilna točke (MT), na
katerih se izvajajo meritve napetosti, so prikazane na
shemi omrežja in so razporejene glede na to, kje se
pričakujejo najnižje in najvišje napetosti. Pri
generatorjih je bilo predpostavljeno, da obratujejo
celoten čas z maksimalno močjo. Standard SIST EN
50160 določa, da morajo biti ob normalnih pogojih in
brez upoštevanja prekinitve napajalne napetosti 95 %
10-minutnih srednjih efektivnih vrednosti napajalne
napetosti v SN omrežjih v mejah ±10 % nazivne
napetosti. V simulacijah je bila definirana zgornja meja
odstopanja nazivne (20 kV) napetosti +5 % in spodnja
meja -5 %. Tolerančno območje napetostne regulacije je
1 %. Z izbiro zgornje meje so preprečene previsoke
napetosti, prav tako pa je treba upoštevati možnost
najnižjih napetosti, pri čemer je treba zajeti tudi padec
na transformatorjih SN/NN in vodih, ki je bil ocenjen na
4 %.
Omrežje
110 kV
Zkr
Y
Y
D
20 kV
110 kV
Kompenzacija
RTP
Mozirje
RP Nazarje
I
II
RP Ljubno
mHE1
mHE2
mHE3
mHE5
TP Tirosek Zavolovsek
TP
Rinka
Ostali odjem
Mozirje
Ostali odjem
Nazarje
TP
Planina
mHE9
mHE6
mHE7
mHE8
mHE10
mHE12
mHE11
Odjem
Citrija
mHE4
iz
v
o
d
L
o
g
a
rs
k
a
d
o
li
n
a
iz
v
o
d
R
a
st
k
e
Zadrečka dolina
MT1
TP Grunti
T
P
R
a
st
k
e
mHE13
MT2
MT3
M
T
4
M
T
5
MT6 MT7
Slika 4: Poenostavljena enopolna shema omrežja
84  ULJANIĆ, PFAJFAR, PAPIČ, BLAŽIČ
Tabela 1: Podatki o generatorjih v omrežju
Oznaka Nazivna moč / kVA Tip generatorja
mHE1 22 Asinhronski generator
mHE2 132 Asinhronski generator
mHE3 810 Sinhronski generator
mHE4 594 Sinhronski generator
mHE5 19 Asinhronski generator
mHE6 110 Asinhronski generator
mHE7 80 Asinhronski generator
mHE8 160 Asinhronski generator
mHE9 45 Asinhronski generator
mHE10 56 Asinhronski generator
mHE11 56 Asinhronski generator
mHE12 56 Asinhronski generator
mHE13 287 Asinhronski generator
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Čas
D
e
lo
v
n
a
m
o
č
(
p
u
)
Čas
ČasČas
0
0
0
0,2
0,2 0,2
0,4
0,40,4
0,6
0,60,6
0,8
0,80,8
1
11
1,2
1,2 1,2
D
e
lo
v
n
a
m
o
č
(
p
u
)
D
e
lo
v
n
a
m
o
č
(
p
u
)
D
e
lo
v
n
a
m
o
č
(
p
u
)
a) b)
c) d)
Slika 5: Tipi dnevnih obremenilnih diagramov
5 REZULTATI SIMULACIJ
V nadaljevanju so prikazani rezultati simulacij, ki so
bile izvedene na omrežju, predstavljenem na sliki 4.
5.1 Klasična regulacija napetosti
Pri klasični regulaciji sodeluje regulacijski
transformator v razdelilni transformatorski postaji
(RTP). VN/SN-transformatorji imajo 25 regulacijskih
stopenj. Čas zakasnitve med posameznimi preklopi je
po navadi nastavljen na 2–3 minute, odstopanje pa je
lahko 1 % od želene vrednosti. Želena vrednost se
nanaša na napetost na zbiralkah v RTP in je po navadi
nastavljena na 2,5 do 5 % nad nazivno vrednostjo.
Transformator na podlagi izmerjene napetosti in vnaprej
nastavljene referenčne vrednosti prestavi odcep
transformatorja. Na sliki 6 je predstavljena regulacijska
shema transformatorja.
Na sliki 7 so prikazani poteki napetosti pri klasični
regulaciji napetosti. Kot lahko razberemo s slike,
transformator ne zmore vzdrževati napetosti v
predvidenih mejah. Največja vrednost je 1,073 pu (TP
Grunti) najmanjša pa v TP Tirosek Zavolovšek, in sicer
znaša 0,958 pu. Ob morebitni nižji nastavitvi referenčne
vrednosti pa bi lahko bile napetosti ponekod prenizke.
Nastavitev
reg. stopenj
G
o
r
D
o
l
Časovna
zakasnitev
Odstopanje
napetosti
Rele za
ANR
VN
omrežje
Breme
NT
US UR
Uref
Vod / kabel
Slika 6: Klasičen način regulacije primarne napetosti v RTP
Slika 7: Napetosti v MT pri klasični regulaciji napetosti
5.2 Klasična regulacija in regulacija jalove moči
Pri klasični regulaciji napetosti lahko sodelujejo tudi
SG. Vsak SG lahko glede na obratovalno točko bodisi
proizvaja bodisi porablja jalovo moč. Obratovanje SG je
omejeno z obratovalnim diagramom, ki ga omejujejo
naslednje krivulje: termična meja rotorja, termična meja
statorja in termična meja zaradi zaključevanja neželenih
magnetnih pretokov [5]. Na podlagi obratovalne točke
in obratovalnega diagrama se določi kapaciteta jalove
moči. Dejanska jalova moč pa je določena na podlagi
statične karakteristike in izmerjene napetosti. Statična
karakteristika, ki je bila uporabljena v tem primeru, je
podana na sliki 8. Na podlagi obratovalnega diagrama
sta določeni meji Qmaks in Qmin, ki ju generator prispeva
v omrežje, ko je na njegovih sponkah bodisi napetost
Umin oziroma Umaks. Če je napetost med mejama (tj. med
Umin in Umaks), pa generator prispeva delež, ki je določen
s karakteristiko. Lahko bi sicer napetost regulirali na
stalno vrednost, vendar pa to ni bilo izvedeno, kajti če je
napetost regulirana na podlagi karakteristike, vsak
generator prispeva določen delež, poleg tega pa bi
tovrstna regulacija povzročila nestabilno delovanje.
Območje regulacije napetosti (tj. 0,96-1,04 pu) je sicer
zoženo za 1 %, da se izognemo konfliktu z drugimi
regulacijami.
REGULACIJA NAPETOSTI V DISTRIBUCIJSKIH OMREŽJIH S POMOČJO RAZPRŠENIH VIROV 85
Qmaks
Qmin
Q
Umin
Umaks
U
Slika 8: Statična karakteristika SG
Na sliki 9 so prikazani napetostni poteki pri klasični
regulaciji in regulaciji jalove moči. Sodelovanje SG
sicer delno pomaga, saj se vrednosti napetosti zmanjšajo
glede na stanje pri klasični regulaciji in s tem
pripomorejo k lažji vzpostavitvi ustreznih napetostnih
razmer. Največja vrednost napetosti je 1,060 p.u., in
sicer je v TP Rinka, najmanjša pa je v TP Tirosek
Zavolovšek, in sicer 0,964 p.u. Kljub sodelovanju
sinhronskih generatorjev pa so napetosti v nekaterih
merilnih točkah, to je v TP Rastke, TP Planina ter TP
Grunti, zunaj predvidenih meja.
Slika 9: Napetosti v MT pri klasični regulaciji napetosti in
regulaciji jalove moči
5.3 Centralna regulacija napetosti
Pri centralni regulaciji napetosti se meritve napetosti
izvajajo v več točkah omrežja (glej sliko 4). Meritve
vstopijo v regulacijski algoritem, ki sproti določa
referenčno vrednost napetosti. Regulacijski algoritem te
regulacije mora upoštevati, da ob preklopu nobena
napetost ne preseže mejnih vrednosti.
Kot je razvidno s slike 10, so napetosti znotraj
predvidenih meja (0,95-1,05 p.u.). Transformator pa
potrebuje za ohranitev napetosti znotraj meja štiri
preklope.
Slika 10: Napetosti v MT pri centralni regulaciji napetosti
5.4 Centralna regulacija in regulacija jalove moči
Čeprav so izvedene meritve napetosti na predvidenih
kritičnih mestih v omrežju, lahko (zaradi obratovalnih
razmer) pride do obratovalne situacije, ko ni mogoče
ustrezno prestaviti odcepa transformatorja in ohranjati
napetosti znotraj tolerančnega območja. Če pa pri
regulaciji sodelujejo tudi SG z jalovo močjo, lahko
zaradi prispevkov generatorjev zmanjšamo razpon
napetosti in s tem povečamo fleksibilnost omrežja. Tudi
pri centralni regulaciji lahko poleg transformatorja (RTP
Mozirje) sodelujejo tudi SG, ki ves čas regulirajo
napetosti v priključnih mestih. Bistvena razlika glede na
centralno regulacijo je ta, da je razpon med minimalno
in maksimalno napetostjo manjši.
Kot je razvidno s slike 11, so napetosti znotraj
določenih meja. Ob morebitni priključitvi dodatnih
generatorjev bi bila to najustreznejša regulacija
napetosti. V nasprotju s centralno regulacijo
transformator potrebuje za ohranitev napetosti znotraj
meja tri preklope.
Slika 11: Napetosti v MT pri centralni regulaciji napetosti in
regulaciji jalove moči
86  ULJANIĆ, PFAJFAR, PAPIČ, BLAŽIČ
6 IZGUBE V OMREŽJU
Pri regulacijah, ki so bile opisane v prejšnjih poglavjih,
se pretoki moči različno razporedijo, zato se spremenijo
tudi izgube v omrežju. RV zmanjšujejo tokovne
obremenitve vodov, kar se kaže v zmanjšanih izgubah v
omrežju, toda ko je v omrežju velik delež RV, lahko ti
tokovno bolj obremenijo vode in s tem povečajo izgube.
Izgube v omrežju lahko za vezje, ki je prikazano na
sliki 2, pri čemer odmislimo razpršeni vir, ki je
priključen, opišemo z enačbo:
2 2
2
2
R R
R
P Q
L I R R
U

  . (7)
Če pa zapišemo izgube, za isto vezje ob upoštevanju
generatorja dobimo naslednjo enačbo:
2 2
2
( ) ( )
B RV B RV
R
P P Q Q
L R
U
  
 .
(8)
Kot je bilo nakazano v prejšnjih poglavjih, lahko SG
uporabimo za regulacijo napetosti. Napetost lahko
sinhronski generatorji znižajo z absorbiranjem jalove
moči, vendar če pogledamo enačbo (8), vidimo, da bo
absorpcija jalove moči iz omrežja povečala izgube v
omrežju.
V nadaljevanju so prikazane izgube v omrežju za
klasično regulacijo napetosti in razlike med preostalimi
regulacijami napetosti in klasično regulacijo (slika 12).
Izgube pri klasični regulaciji za simulirano omrežje
znašajo 4,925 MWh, za klasično regulacijo in regulacijo
jalove moči 5,244 MWh, za centralno regulacijo
napetosti 4,964 MWh in za centralno regulacijo
napetosti ter regulacijo jalove moči virov 5,188 MWh.
Izgube so pri posamezni regulaciji različne, saj se v
odvisnosti od tipa regulacije spremenijo pretoki moči.
Opazimo lahko, da so izgube pri regulacijah pri katerih
sodelujejo SG, večje, kot pri tistih, pri katerih ne. Zaradi
RV so napetosti v omrežju previsoke, generatorji, ki pa
sodelujejo pri regulaciji napetosti, zaradi pretokov
jalove moči povečajo izgube.
Slika 12: Izgube pri klasični regulaciji napetosti ter razlike
drugih regulacijskih tipov glede na klasično regulacijo
7 SKLEP
Glede na čedalje globljo okoljsko ozaveščenost stopajo
v ospredje obnovljivi viri električne energije.
Povečevanje deleža RV pa spodbujajo tudi države z
raznimi subvencijami, s katerimi želijo povečati delež
RV v omrežju, kot tudi spodbuditi razvoj tehnologije na
tem področju. Delež razpršenih virov v Sloveniji še ni
zelo velik, toda v prihodnosti se bo najverjetneje
povečeval in s tem bo treba nameniti pozornost
parametrom kakovosti napetosti, ki se bodo ob tem
spremenili. V omrežje priključeni viri bodo morali
sodelovati pri regulaciji napetosti, prav tako pa bo treba
natančneje določiti referenco transformatorjev SN/NN.
Le z ustreznim pristopom k vodenju omrežja bo mogoče
zagotavljati nemoteno delovanje.