Hogyan késhet egy balkáni vita miatt az óra egy budapesti konyhában?
Szerbia és Koszovó áramvitája az oka annak, hogy január közepétől immár akár 6 teljes percet is késhetnek a háztartások elektromos órái Görögországtól Hollandiáig, Portugáliától Magyarországig. A kontinentális hálózat 2018 január közepétől 113 GWh (gigawatt-óra) energiát veszített, mert a koszovói fogyasztást Szerbia nem termelte vissza a rendszerbe, a hálózati alapfrekvencia pedig tartósan az előírt érték alá csökkent.
A konyhai tűzhelyek, mosó- és szárítógépek, mikrohullámú sütők, fűtési rendszerek időmérői, illetve a régebbi típusú, jellemzően rádiós ébresztőórák lelassulása azért következhetett be, mert a kijelzőjük alapján kvarcórának látszó szerkezetek nem a kvarckristályok saját rezgése, hanem az elérhető elektromos hálózat minden pontján azonos frekvenciaértékhez igazítják saját idejüket. (Az Európai Unióban a hálózati váltakozó áram szabványosított alapfrekvenciája 50 Hz, periódusideje pedig 0,02 másodperc.)
A gép forog, a frekvencia nő
Az európai villamosenergia-ipari átviteli rendszerirányítók szervezete (ENTSO-E) által publikált 113 GWh hiány körülbelül másfél hónap alatt keletkezett. „Ezt a napi körülbelül 80-100 megawattos csökkenést szinte észre sem vesszük összeurópai szinten a fogyasztásban és a frekvenciacsökkenés sem okozott zavart az ellátásban” – mondja Dr. Farkas Csaba, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karának adjunktusa.
Farkas elmondta: „a mai villamosenergia-rendszerben a termelés döntő részét úgynevezett szinkrongépek végzik, kialakításuk és percenkénti fordulatszámuk úgy lett meghatározva, hogy a villamos hálózat frekvenciája 50 Hz legyen. A frekvencia tehát közvetlen kapcsolatban áll a gép fordulatszámával: leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy ha egy gép gyorsabban forog, akkor a frekvencia növekszik, ha lassabban, akkor csökken. Az európai hálózatban rengeteg ilyen szinkrongenerátor üzemel, ezek együttes szabályozása segítségével tartjuk a frekvenciát a névleges értéken”.
Az erőművi gépek két fő részből állnak: egy turbinából és egy generátorból. A turbinát gőz, gáz vagy víz hajtja, tehát forgási, vagyis mechanikai energiával rendelkezik. A generátor ezt a mechanikai teljesítményt alakítja át villamos teljesítménnyé. A rendszerben a pillanatnyi villamos teljesítményfogyasztás folyamatosan változik, s mivel a villamos energia váltakozó áramú formában gyakorlatilag nem tárolható, ezért ezt a fogyasztást folyamatosan meg kell termelni az erőművekkel. „De éppen a fogyasztás váltakozó jellege miatt ez folyamatos szabályozást igényel az erőművek oldalán – a fogyasztókat nem szabályozzuk, bár van a rendszerirányítók kezében lehetőség a fogyasztás befolyásolására is: ez többnyire bizonyos csoportok lekapcsolását, áramellátásának megszüntetését jelenti, amelyet csak vészhelyzet esetén végeznek el” – magyarázta Farkas.
Fékezett turbinák és a szögsebesség
Ha a fogyasztás hirtelen megnövekedik – mondjuk egy váratlan hőhullám esetén, amikor a légkondicionálók csúcsra járnak – a generátoroknak azonnal szolgáltatniuk kell ezt a megnövekedett villamos teljesítményt. A hogyan nem is olyan egyszerű, hiszen ha több teljesítményt kell kiadni, akkor többet is kell megtermelni az erőművekben. Csakhogy a mechanikai teljesítményt nem lehet hirtelen, ugrásszerűen növelni, azonban a turbina forgó tömegében tárolt kinetikus energia felhasználható: a turbina fékezésével fedezhető a fellépő többlet teljesítményigény.
Ha azonban kinetikus energiát „veszünk el” a géptől, akkor annak csökken a szögsebessége, vagyis lassul, ezáltal pedig csökken a frekvencia. Vagyis a fogyasztói igény kielégítésének az az ára, hogy a rendszerben lecsökken a frekvencia. Mint az okleveles villamosmérnök mondja, a bevont gépegységek automatikusan végzik ezt a fajta, úgynevezett primer, ma hivatalos nevén frekvenciamegtartó szabályozást. „Értelemszerűen a konkrét működés esetén szükség van a frekvencia mérésére, beavatkozó szabályozókra, amelyek kiszámítják, hogy az adott gépnek mekkora teljesítményt kell ilyen úton beadnia a rendszerbe” – teszi hozzá Farkas.
A primer szabályozás hatására a terhelésváltozást követő frekvenciaváltozás egy adott értéken megáll, de nem állítja helyre a szabványban szereplő névleges értéket. Ezért létezik az úgynevezett szekunder (újabb nevén frekvencia-helyreállító) szabályozás is. Ez is egy automatikus folyamat, azonban van egy lényeges eltérés a primer szabályozáshoz képest: amíg a primer szabályozást az egész európai rendszer végzi, automatikusan (a cél ugyanis közös, tudniillik a rendszerfrekvencia stabilizálása), a szekunder szabályozást már csak az a rendszertag végzi, amely a hibát okozta (ez az elv az úgynevezett felelősségi elv a hálózatmérnöki protokollban).
A fenti ábra azt mutatja, hogy az erőmű kiesését követően gyakorlatilag egész Európában aktiválódik a primer szabályozás, a hálózat tagjai közösen adják be a szükséges teljesítményt, hogy megállítsák a frekvenciacsökkenést, ezt követően azonban, ha a frekvenciaváltozás megállt (jól látható a frekvenciagörbén), akkor onnantól a hibát okozó tagnak (a példában a franciáknak) kell úgy szabályozni, hogy a frekvencia visszaálljon a névleges érték közelébe. (A villamosmérnök szerint pontosan 50 Hz-re a folyamatos változások miatt sosem lehet szabályozni).
A szekunder szabályozás is automatikusan történik tehát, viszont a rendszertagok irányító rendszereinek fel kell tudniuk ismerni, hogy ők a frekvencia-eltérés okozói. Ezt egy viszonylag egyszerű számítás útján teszik meg, amely során az úgynevezett területi szabályozási hibát számítják ki. Ezt minden rendszerirányító számítja folyamatosan, s ha az értéke nem 0, akkor abból „tudják”, hogy ők okozták az eltérést, s nekik kell beavatkozniuk. A beavatkozás ezúttal is az erőművek oldalán történik, utasítást adnak (automatikusan) arra, hogy termeljenek többet vagy kevesebbet, s ezáltal a frekvenciát állítsák vissza a névlegesre. (A szekunder szabályozáskor általában drágán termelő, de gyorsan aktiválható, hatékony, elsősorban gázturbinás erőműveket indítanak el).
Az áramkereskedelem bonyolítja a mérnöki munkát
Hogy ne legyen ilyen egyszerű, a műveletet az is komplikálja, hogy a területi szabályozási hiba számításakor nem csak a frekvencia-eltérést veszik figyelembe. Ma ugyanis a villamos energiával az egyes országok a határkeresztező vezetékeiken kereskednek is, s a kereskedést előre megmondott, úgynevezett menetrend szerinti villamosenergia-értékekkel végzik. Nyilvánvaló, hogy ha egy frekvenciaeltérés miatt beavatkozásra van szükség, akkor ez a menetrend sérülhet, eltérhet az előre meghatározott értéktől, tehát nem csak a frekvenciát, hanem a menetrendeket is vissza kell állítani a szekunder szabályozás során a „névleges” értékre.
„Az olyan együttműködő villamosenergia-rendszerben, mint amilyen az európai is, az erőművek össze vannak hangolva egymással, szakszóval szinkron járnak, ezért is közös a frekvencia” – mondja Farkas Csaba. Nem jár az európaival szinkronban például az orosz rendszer, de ilyen Nagy-Britannia is: a szigetország egyenáramú kábelekkel van összekötve Európával, s az egyenáramú kábelek közbeiktatása elszeparálja egymástól a két rendszert.
A háztartási időmérők, szakszóval szinkronórák lassulása mindezek alapján azzal magyarázható, hogy ha tartósan kisebb a frekvencia a névlegesnél a villamosenergia-rendszerben, rááadásul ez a lassulás kumulálódik (magyarán felhalmozódik). A német rendszerirányítók az alábbi diagrammal illusztrálták a szinkronórák kumulált késését:
Az ENTSO-E szerint a hiba elhárítása két lépcsőben történik: először meg kell szüntetni a frekcenciaeltérést, majd pótolni kell a hiányzó energiamennyiséget. A szervezet szerint mindez hetekig is eltarthat.
Kapcsolódó cikk a Qubiten: