Context
La nivelul sistemelor energetice din Uniunea Europeană (UE), se observă două direcții principale de dezvoltare a capacităților de producție a energiei electrice: creșterea ponderii surselor regenerabile de energie în mixul energetic al statelor și descentralizarea producției. Aceste schimbări de paradigmă față de imaginea tradițională a sistemelor energetice sunt deosebit de necesare pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră asociate sectorului energetic și pentru a evita schimbările climatice.
Cu toate acestea, trebuie analizate provocările aduse de aceste schimbări asupra stabilității sistemelor electroenergetice și găsite soluții potrivite. Astfel, sursele regenerabile de energie care au cunoscut cel mai mare avânt sunt parcurile fotovoltaice și centralele eoliene. Spre deosebire de centralele clasice, în care generatorul transmite energia electrică în rețea prin intermediul unui transformator, sursele regenerabile au nevoie de convertoare (echipamente construite din dispozitive de electronică de putere) pentru a evacua energia electrică în sistem. În continuare, sunt expuse motivele pentru care aceste surse ridică probleme pentru stabilitatea sistemului electroenergetic și care este rolul centralelor clasice în menținerea funcționării sigure.
Stabilitatea frecvenței
Frecvența reprezintă mărimea care permite întregului sistem electroenergetic și sistemelor interconectate cu acesta să funcționeze sincronizat, să fie un întreg. În momentul în care, în urma unui eveniment, frecvența se abate prea mult de la valoarea nominală, care trebuie să fie aceeași în orice punct al rețelei (naționale și cele interconectate), sistemul electroenergetic se poate separa în subsisteme de frecvență diferită[1] (vezi avaria din 8 ianuarie 2021), iar, în unele cazuri, se poate ajunge chiar la blackout.
În prezent, energia electrică nu poate fi stocată în mod economic în cantități însemnate pentru sistemele electroenergetice. De aceea, este necesar ca puterea generată să fie, în orice moment, egală cu puterea utilizată, pentru a menține frecvența la valoarea nominală de 50 Hz. Altfel, dacă puterea generată este mai mare decât cea utilizată, frecvența crește, iar dacă puterea generată este mai mică decât cea utilizată, frecvența scade.
Răspunsul inerțial al generatoarelor sincrone
Totuși, dacă apare un dezechilibru între cele două puteri, există o caracteristică a generatoarelor sincrone[2] care le face să opună rezistență la variația frecvenței, aceasta este inerția mecanică. Pentru a descrie acest fenomen, în continuare, sunt prezentate cele două tipuri de generatoare sincrone.
În funcție de viteza de rotație a rotorului, generatoarelor sincrone se clasifică în hidrogeneratoare și turbogeneratoare. Primele sunt proiectate pentru viteze mici de rotație, pentru că turbinele hidraulice sunt puse în mișcare de presiunea ridicată a maselor de apă, nu de viteza lor[3]. Astfel, viteza de rotație a turbinei este transferată generatorului, care are un număr relativ mare de perechi de poli (3 – 6 perechi)[4]. În cazul turbogeneratoarelor din termocentrale și centrale nucleare, viteza aburului sau a gazelor care antrenează turbina este mare, ceea ce implică o viteză de rotație mare a rotorului generatorului, deci, un număr relativ mic de perechi de poli magnetici (2 – 3 perechi).
Astfel, generatoarele centralelor termoelectrice și ale centralelor nucleare înmagazinează o energie cinetică mare, datorită vitezelor mari de rotație și a maselor mari. Această proprietate le face ca, în cazul apariției unui eveniment în rețea (scrutcircuit, deconectarea unei centrale, creșterea/reducerea bruscă a puterii utilizate etc.), energia cinetică mare a acestor generatoare să se opună variației frecvenței. Explicația este următoarea: în mod normal, puterea generată este egală cu puterea utilizată, însă, când apare un dezechilibru între cele două puteri, acesta se resimte, la nivelul generatorului, ca o diferență între cuplul mecanic și cuplul electromagnetic ale mașinii sincrone, care ar trebui să fie egale. Mai departe, dezechilibrul va induce în înfășurările de amortizare din statorul generatorului un cuplu electromagnetic care se va opune cauzei care l-a produs[5]. Cu alte cuvinte, capacitatea generatoarelor sincrone de a menține frecvența în sistemul electroenergetic depinde de viteza de rotație a acestora și de masa lor.
Prin urmare, centralele termoelectrice și cele nucleare sunt esențiale pentru sistemul electroenergetic, deoarece, pe lângă faptul că asigură o producție sigură, în bandă, contribuie la menținerea constantă a frecvenței, în ciuda multiplelor dezechilibre apărute în rețea.
Reglajul frecvenței: primar, secundar, terțiar rapid și terțiar lent
Răspunsul inerțial al generatoraelor intervine imedit după apariția variației de frecvență, însă, la perturbațiile mari, acesta nu este suficient pentru a menține echilibrul. Prin urmare, producătorii sunt solicitați să-și adapteze puterea produsă la necesitățile rețelei, așa cum vom descoperi în continuare.
Reglajul primar al frecvenței este un răspuns automat al ansamblului de echipamente din spatele generatorului la variațiile de frecvență din sistem. Regulatorul de viteză măsoară continuu viteza de rotație a rotorului și o compară cu o valoare de consemn, iar când acesta înregistrează o diferență între cele două valori peste un anumit prag, comandă injectarea a mai mult/mai puțin fluid motor (apă, în cazul hidrocentralelor, abur/gaze, în cazul termocentralelor). Acest tip de reglaj intervine automat după 2 – 3 secunde de la producerea perturbației, este mobilizat integral în maxim 30 de secunde și trebuie să rămână în funcțiune pe o durată de minim 15 minute[6]. Scopul acestui reglaj este de a stabiliza frecvența (de a opri oscilațiile de frecvență), nu de a o aduce la valoarea nominală, și este obligatoriu pentru toți producătorii să păstreze o rezervă de reglaj primar, pe care o pot mobiliza la nevoie.
După reglajul primar, intervine reglajul secundar, care are rolul de a restabili frecvența (de a o aduce la valoarea de 50 Hz). Acest tip de reglaj este comandat de către dispecer și trebuie mobilizat în cel mult 15 minute.
În cadrul reglajului secundar, nu putem trece cu vederea rolul deosebit de important al hidrocentralelor, care au capacitatea de a-și modifica rapid parametrii de funcționare. De exemplu, hidrocentrala Lotru – Ciunget este un obiectiv de importanță strategică pentru securitatea sistemului electroenergetic național. Hidrocentrala, echipată cu 3 turbine tip Pelton, de 170 MW fiecare, poate ajunge de la 0 până la puterea nominală în aproximativ 5 minute, iar, dacă grupurile funcționează la puterea minimă necesară menținerii sincronismului, se poate ajunge la puterea nominală în circa 2 minute.
În ceea ce privește reglajul terțiar al frecvenței, acesta se împarte în reglaj terțiar rapid și reglaj terțiar lent. Rezerva de reglaj terțiar rapid se mobilizează în maxim 15 minute de la comanda dispecerului și are ca scop înlocuirea reglajului secundar, pentru a reface rezerva de reglaj secundar (este nevoie permanent de disponibilitatea unei benzi de reglaj pentru managementul congestiilor și pentru restabilirea frecvenței)[7]. Pe de altă parte, reglajul terțiar lent are capacitatea că poate interveni în termen de maxim 7 ore de la comanda dispecerului. Acest tip de reglaj se folosește pentru compensarea dezechilibrelor anticipate în timp util de operatorul de transport și sistem (Transelectrica) și este specific termocentralelor cu turbină pe abur, care-și modifică lent parametrii de funcționare.
Perspective
Prin urmare, din cele expuse, se poate înțelege rolul esențial pe care îl au centralele clasice (centrale nucleare, termocentrale și hidrocentrale de capacități mari) în menținerea stabilității sistemului electroenergetic și, implicit, a alimentării continue a utilizatorilor finali. Având în vedere că sursele regenerabile de energie cunosc o dezvoltare accelerată, trebuie să luăm măsuri pentru a permite integrarea acestora în rețeaua electrică în condiții de siguranță pentru funcționarea sistemului. Printre aceste măsuri, amintim: investițiile în capacități de generare în bandă, care trebuie să coexiste împreună cu regenerabilele; investițiile în capacități de stocare asociate surselor intermitente, pentru a reduce dezechilibrele create de acestea; investiții în capacități flexibile și în demand response; investiții în cercetare, pentru a debloca noi posibilități prin care se poate realiza rapid reglajul frecvenței (ex: supercondensatoare, sisteme inerțiale).
[1] Constantin Bulac, Mircea Eremia, Dinamica Sistemelor Electroenergetice, Editura Printech, 2006
[2] Generatoarele sincrone sunt generatoare care sunt conectate la rețeaua electrică și a căror frecvență de ieșire depinde de viteza de rotație a rotoarelor acestora
[3] Este vorba de turbinele hidraulice ale centralelor hidroelectrice mari. Există, bineînțeles, tipuri de turbine care valorifică viteza maselor de apă, nu presiunea.
[4] Cu cât numărul de perechi de poli magnetici este mai mare, cu atât frecvența mărimilor electrice de la ieșirea generatorului este mai mare. Prin urmare, dacă viteza de rotație a generatorului este mică, acesta va avea un număr mai mare de perechi de poli magnetici, pentru a ajunge la frecvența de 50 Hz. În contrast, dacă viteza de rotație a generatorului este mare, acesta va avea un număr mai mic de perechi de poli magnetici.
[5] Constantin Bulac, Mircea Eremia, Dinamica Sistemelor Electroenergetice, Editura Printech, 2006
[6] Lucian Toma, Rețele Electrice Inteligente, curs universitar, 2023
[7] Ibid.
