A villamosenergia rendszer (VER) és a naperőművek együttműködéséről

Korényi Zoltán címzetes egyetemi docens, az EON nyugalmazott igazgatójának írása – kívülről érkezett igények alapján – azoknak a szakembereknek készült, akik nem rendelkeznek a VER specialistáinak tudásával. Célja, hogy a „belső körön kívüliek” is megértsék egyrészt a VER működésének legfontosabb összefüggéseit, másrészt a naperőművek által újabban felmerülő műszaki kihívásokat, gondolva a nagy ibériai áramkiesésre is.

Nem titkolt célja az is, hogy a „körön kívüliek” is lássák, hogy a villamos hálózatok nem csupán „drótokból és néhány trafóból” állnak, hanem sokkal többől. Működtetésük pedig nagyon magas szintű elméleti és biztos gyakorlati tudást követel. Nem is szólva a VER társadalmi jelentőségéről, s a vele járó óriási felelősségről. Tisztelet a szakembereinek!”

A villamosenergia rendszer (VER) és a naperőművek együttműködéséről

Az Ibériai-félsziget nagy részét érintő (Spanyolország/Portugália) 2025. április 28-i példátlan méretű áramszünet a közfigyelmet az áramellátás biztonsága felé fordította. Ennek megértéséhez tekintsük át a VER működésének főbb műszaki vonatkozásait.

A hazai VER részei: az erőművek, a nagyfeszültségű átviteli hálózat (400 kV, 220 kV) és a fogyasztókat ellátó hat regionális elosztó hálózat (132, 35, 22, 0,42 kV).
A nagyfeszültségű átviteli hálózat (beleértve a hét országgal fennálló határkeresztező kapcsolatokat is) irányítója és üzemeltetője a MAVIR (Transmission System Operator, TSO). A hat elosztói engedélyes (Distribution System Operator, DSO): E.ON Észak-Dunántúl, E.ON Dél-Dunántúl, E.ON-ELMŰ, MVM ÉMÁSZ, MVM DÉMÁSZ, OPUSZ TITÁSZ.

A hazai VER, része az Európa 36 országának 40 átviteli hálózatát egyesítő ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) rendszernek, amely biztosítja a világ legnagyobb összekapcsolt villamosenergia hálózatának biztonságos és összehangolt működését.

A váltakozó áramú, háromfázisú VER betáplálói hagyományosan az erőművek generátorai, amelyek transzformátorokon keresztül csatlakoznak a villamos hálózathoz. A rendszer működési stabilitásának alappillére a frekvencia állandósága (50 ± 0,2 Hz). A hálózatok másik stabilitási jellemzője a feszültség, amelyet a hálózat különböző feszültségszintjein, helyi csomópontokban szabályoznak. A megengedett eltérés: nagyfeszültségen (NAF: 110-400 kV) ±5%, középfeszültségen (KÖF: 10-35 kV) és kisfeszültségen (KIF: 230 V) ±10%.

A hálózati üzemeltetés fontos tudnivalói:

1, A VER egyensúlya, stabilitása

A váltóáramú (AC) villamos hálózatok stabilitásának fizikai feltétele, hogy a betáplált és a veszteséggel csökkent kivett teljesítmények minden pillanatban egyensúlyban legyenek, így biztosítva az 50 Hz-es frekvencia állandóságát. Ha a betáplált teljesítmény csökken, csökken a hálózat frekvenciája. Ha a kivett teljesítmény csökken, nő a frekvencia. Ezt szabályozni kell. A működés megértéséhez lássuk először az alapfogalmakat.

2, A villamos teljesítmény fajtái (vektorok)

A) Aktív teljesítmény, P [kW]: ez a hasznos teljesítmény, ezért fizetjük a számlát;
P=S x cos φ; S=U x I;
B) Meddő teljesítmény, Q [kVAr]: szabályozza (stabilizálja) a hálózat feszültségét.

Q=S x sin φ;

Ha a generátor meddő teljesítményt táplál be a hálózatba, akkor növekszik a bemeneti feszültség, ha a generátor meddőt nyel, akkor csökken. Ez a generátor elektromágnesének egyenáramú gerjesztésével történik. Ha nő a generátor által termelt váltóáram kimeneti feszültsége → nő a hálózati feszültség is.

A meddő teljesítmény biztosítja a motorok és transzformátorok működéséhez szükséges mágneses teret is. Hátránya: növeli az áramerősséget, ezzel nő a szállítási veszteség.

Ha az induktív fogyasztók (motorok) túl sok meddő teljesítményt vesznek fel, akkor azt párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok beépítésével helyben kompenzálják.

Általános alapelv, hogy a hálózati veszteség csökkentése érdekében a kompenzáló berendezéseket (pl. fázisjavító kondenzátorokat) a keletkezési hely közelében kell elhelyezni. Így az erőművekből kisebb meddőteljesítményt kell a távvezetéken keresztül szállítani, amivel csökken a hálózat terhelése, így a vesztesége is. A tarifák is erre ösztönöznek.

C) Látszólagos teljesítmény, S [kVA].

Erre méretezik a berendezéseket, a vezetéket, a transzformátort és a biztosítékokat. Meghatározva ezzel a beruházási költségeket is. (A villanymotorokat a hasznos teljesítményre méretezik).

3, A meddő teljesítmény feszültségszabályozó szerepe a villamos hálózatokban

1. A meddő teljesítmény nem szállítható nagy távolságokra hatékonyan, mert nagy veszteség és feszültségesés keletkezne. Ezért a NAF/KÖF hálózatok energiaszállítását, az energiaveszteségek csökkentése és a feszültségesések minimalizálása érdekében célszerű alacsony meddő teljesítménnyel indítani. A meddő-források pedig távol, a fogyasztási csomópontok közelében helyezendők el (generátorok, kompenzátorok, kondenzátorbankok).
2. A MAVIR nagyfeszültségű átviteli hálózatában az erőművi generátorok mellett, a hálózat kulcscsomópontjaiban, feszültségprofil-szabályozó transzformátorok (több, mint 20 telephelyen); valamint meddő-források (feszültségnövelő kondenzátorok) és meddő nyelők (feszültségcsökkentő fojtótekercsek) találhatók – kb. 15 telephelyen.
3. Az elosztói hálózatokban (DSO engedélyesek) a meddő-források (kondenzátorok), valamint a fojtótekercsek az alállomásokban, és a főelosztóknál, továbbá a nagyobb ipari központoknál találhatók. Becsülhetően többszáz telephelyen.
4. Általában célszerű a meddő-forrásokat elosztva telepíteni, hogy a feszültségeket lokálisan rugalmasan lehessen szabályozni.

4, Frekvenciaszabályozás

1. A mechanikusan összekapcsolt turbina-generátor egységek állandó fordulatszámmal (3000, 1500, 750 f/min), a hálózattal szinkronizált feszültséggel és szinkronizált frekvenciával működnek. Tartva annak 50 Hz-es frekvenciáját. Ennek az egyensúlynak az európai szintű őre, felelőse és irányítója a brüsszeli központú ENTSO-E. De a tényleges, valós idejű rendszerirányítást mindig a tagországok nemzeti átviteli rendszerirányítói (TSO-k) végzik. Magyarországon ennek felelőse a MAVIR diszpécser központja. Manapság a frekvenciaszabályozás – a rendszer erőmű egységeivel együtt – automatikusan történik.
   Az ENTSO-E szintű frekvenciaszabályozáshoz hazánknak 2024-ben 40 MW tartalék kapacitást írtak elő.
2. Ha a hálózatban fellépő teljesítményegyensúly megbomlása miatt hirtelen frekvenciaváltozás áll, be, akkor a gyors reagálásra képes erőművek (első helyen az üzemben lévő vízerőművek és gázturbinás egységek, a „forgó tartalékok”) az eltérést fel- és leszabályozással kiegyenlítik. Ezt műszakilag a turbinák fordulatszámszabályozói – frissgőz szabályozó szelepek segítségével – végzik, amelyek a frekvenciaeltéréssel arányosan, automatikusan növelik, vagy csökkentik a generátor teljesítményét. Ehhez először a gyorsan igénybevehető, üzemben lévő „forgó tartalék” kapacitásokat vetik be. Ezt nevezik primer szabályozás Ennek aktiválási ideje: 1-10 másodperc. Ha ez nem elegendő, akkor jönnek a „meleg tartalékok”, a szekunder szabályozás erőmű egységei (aktiválási idő: 1-10 perc). Ha ez is kevés, akkor következnek a „hideg tartalékok”, elindítják a tercier szabályozás erőműveit (aktiválási idő: 1-10 óra).
3. A turbina-generátor termelő egységek fontos fizikai jellemzője a forgó tömegek (rotorok) tehetetlensége (inerciája). A többszáz MW-os turbina-generátor egységek – a többszáz tonnás forgó tömegükkel, a bennük tárolt mozgási energiával, az egyensúlytalanság megjelenése pillanatában, azonnal fékezik a frekvenciaváltozás sebességét. Ez a tehetetlenség áthidalja a „kritikus első pár másodpercet”, amig a primer szabályozás az érdemi teljesítménykompenzációt elindítja.

5, Naperőművek és a villamos hálózatok kapcsolata

1. Alapprobléma, hogy a hálózatokat történelmileg „sugaras” energiaáramlásra tervezték, nem pedig decentrális betáplálásokra. Ez azt jelenti, hogy a hagyományos nagyerőművek a nagyfeszültségű (400 kV, 220 kV) vezetékekbe táplálnak be, s az energiaáramlás a transzformátorokon át, az alacsonyabb feszültségi szintekre történik. A naperőművek zöme viszont az elosztói hálózatok középfeszültségi (KÖF) és kisfeszültségi (KIF) vezetékeire csatlakozik. Ez helyi kapacitáskorlátokba ütközhet, amelyek a vezetékek és a transzformátorok túlterhelésével járhatnak, valamint feszültségemelkedéseket okozhatnak. Fontos tudni, hogy mivel a napelemek (PV) egyenáramot (DC) termelnek, azt először inverterekkel váltóárammá kell alakítani, hogy csatlakoztathatók legyenek a hálózathoz.
2. A napszak, évszak és időjárásfüggő naperőművi betáplálások pillanatnyi gyors teljesítményváltozásai frekvencia és feszültségváltozást, ezzel instabilitást okozhatnak a hálózatban. Ez kihívás a rendszerirányító MAVÍR és a DSO-k számára.
3. Erős napsütés esetén a helyi transzformátoroknál – helyi fogyasztás hiányában – a magasabb feszültségszintűről az alacsonyabb feszültségszintre történő normális energiaáramlás visszafelé is fordulhat. Az így előálló visszafelé történő energiaáramlás nem mindig kritikus, de okozhat túlterhelést, feszültségproblémákat és védelmi működéseket.
4. Lehetséges hálózati problémák meddő teljesítmény-szabályozás, valamint inercia hiányában és felharmonikus feszültségek megjelenése esetén:
   

   Feszültségingadozás és túlfeszültség. Erős napsütés esetén a betáplálás körzetében túl magasra emelkedik a feszültség, ami az érzékeny fogyasztói berendezések meghibásodásához vezethet, Ez a naperőművek leterhelésével vagy lekapcsolásával kerülhető el – csökkentve azok kihasználtságát. Frekvencia-ingadozás. Ha nagyobb részben inverteres naperőművek szolgáltatják az áramot, és nincsenek a rendszerben forgó tömegek (inercia), amelyek tompítanák a frekvenciaváltozás sebességét, akkor a stabilitás megbomlásával rendszerszinten szétkapcsolódások keletkezhetnek. Ezáltal a villamosenergia rendszer egyik részében teljesítmény többlet, a másik felében teljesítmény hiány keletkezik. Egy ilyen állapot nagyobb területek kikapcsolódását eredményezheti. Hálózati túlterhelés és transzformátorproblémák. A túlterhelés miatt automatikus lekapcsolások vagy védelmi beavatkozások történhetnek. Egyes eszközök vagy fogyasztók védelmi lekapcsolása. Ez különösen kritikus lehet ipari fogyasztóknál, ahol a termelés megszakadása komoly gazdasági veszteséget okozhat. Rezonancia, ha a meddőteljesítmény eloszlása nem megfelelő a hálózatban. Ez csökkentheti a rendszerstabilitást, a keletkező túláram és túlfeszültség akár üzemzavarokat is okozhat. Felharmonikus torzulások, ha főleg a nap- és szélerőművek inverterei a megengedett értéknél nagyobb felharmonikus jelalakot juttatnak a hálózatba. Ez többlet veszteséget okozhat és zavarhatja a csatlakoztatott elektronikus eszközöket.

5. A mai inverterek egyre inkább képesek a meddő teljesítmény nyelésére és termelésére is. Ezzel a helyi hálózati feszültség dinamikusan szabályozható.
6. A legújabb, legkorszerűbb inverterek – akkumulátoros energiatárolással – képesek „virtuális tehetetlenség” (virtuális inercia) szimulálására is.

A fentiek alapján látható, hogy a nap- és szélerőművek megjelenésével a VER üzemirányítása lényegesen bonyolultabbá vált. A korábbi központi betáplálások mellett nagy arányban jelentek meg a decentralizált betáplálások, amelyek a villamosenergia-rendszer működtetésében a MAVIR (TSO) mellett a regionális üzemirányítóknak (DSO) is fontos feladatokat adnak. Hozzá véve a határkeresztező áramlásokat és ENTSO-E kötelezettségeket is. A feszültség- és teljesítményszabályozás, a valós idejű TSO–DSO közötti adatcsere és üzemirányítási koordináció, továbbá a felelősségi határok pontos rögzítése új összehangolási kihívásokat jelent. Emellett új digitális platformokra, kommunikációs protokollokra és vészhelyzeti együttműködési eljárásokra is szükség van ahhoz, hogy a többirányú energiaáramlás mellett a rendszer biztonságosan és hatékonyan működhessen. Az új, komplex üzemirányítási rendszer jelenleg a fejlesztés fázisában van (hálózatmodellezés, szimuláció, pilot-projektek stb.).

A leírtak tükrében intő tanulságként szolgáljon az ibériai villamosenergia‑rendszer hirtelen kiesése. Annak fő okai a feszültség‑instabilitás és lokális rezonancia, az inverteres (nap-/szélerőmű) források túlsúlya és a kevés szinkron generátor miatti alacsony inercia, a feszültség- és frekvencia-ingadozások miatti generátor leválások és azok láncreakciói, valamint a szűkös határkeresztező tartalékok voltak.

Szerző: Dr. Korényi Zoltán okl. gépészmérnök

Lektorálták: Láng Sándor okl. gépészmérnök

Rejtő János okl. villamosmérnök

Budapest, 2025. 11. 12.

Közzéteszi:
Király József
okl. vegyészmérnök