Во МЕПСО, доколку досега не го направиле тоа, ќе треба да ги отворат лог-фајловите од регистрирањето на податоците од PMU (phasor measurement units) на излезните трафостаници, односно на интерконекторите кон соседните земји, како и од РЕК Битола. Освен напонот во мрежата, особено важна ќе биде историјата на реактивната моќност и нејзиниот карактер (дали била капацитивна), факторот на моќност cos(φ), како и големината и знакот на фазниот агол φ (особено дали бил негативен, односно дали товарот на мрежата бил капацитивен). Врз основа на овие податоци може многу да се дознае за можната причина на проблемот.

Досега познати факти:

1.) Од МЕПСО соопштиле дека рано наутро во неделата се појавиле превисоки напони (460 kV наместо номиналните 400 kV) на интерконекторот со Србија.

2.) Бугарскиот министер за енергетика изјавил дека во Бугарија влегувале преголеми количества реактивна енергија од Србија и Македонија (мора да била капацитивна реактивна енергија, Q<0, штом го кревала напонот - моја забелешка). Бугарија вршела компензација на оваа реактивна моќност, колку што можела, но тоа не го спречило распадот на системот кај нас.

3.) Проблемот се случил преку викендот, пред зори, кога во системот циркулирало многу малку активна моќност, што е многу важен факт. Поради малата активна моќност P, реактивната моќност Q лесно можела да го спушти факторот на моќност cos(φ) прилично под единица, а фазниот агол φ да го направи негативен. Ова го прави AVR системот на синхроните генератори потенцијално нестабилен.

4.) Од МЕПСО не прецизираат дали од Србија влегла во Македонија реактивната моќност или обратно, од Македонија влегла во Србија, но тоа лесно можат да го утврдат од лог-фајловите. Бидејќи во Србија не се случил блекаут, не мора да значи дека навистина таму започнал проблемот, иако можеле да придонесат, како што ќе видиме подолу.

5.) Во последните години во Македонија, но и во регионот, вклучувајќи ја Србија, се изградени многу фотонапонски електрични централи (ФЕЦ), со моќни инвертери. Овој факт исто така е важен, поради врската со капацитивната реактивна моќност, како што ќе видиме понатаму.

6.) Утрото во неделата во Македонија најверојатно работел само еден блок од РЕК Битола, односно само еден синхрон генератор, со кој што можело во извесни граници да се влијае на реактивната моќност и да се спушти напонот. Како што се уверивме, тоа не било доволно во однос на големата капацитивна реактивна моќност.

Да преминеме на техничките детали

Најпрво ќе се задржиме на прашањето на моќните инвертери во македонските ФЕЦ, но и ФЕЦ во околните земји. Инвертерите претставуваат електронски уреди коишто еднонасочната струја од фотонапонските панели ја инвертираат во наизменична струја и преку трафо-станици ја пуштаат во електроенергетскиот систем. Сите инвертери работаат во таканаречен свич-мод режим, на фреквенција од 2.000 до 15.000 херци. Заради елиминирање на радио пречките од продирање на оваа висока фреквенција во мрежата, како и заради добивање чиста синусоида на 50 Hz, помеѓу инвертерот и мрежата се поставува мрежен филтер, по еден на секоја фаза кон нулата.

Производителите не ги даваат шемите на нивните инвертери, но од еден научен труд е земен филтерот од трофазен инвертер за моќност од 1,2 MVA во LCL конфигурација (на првата слика), што работи на линиски напон од 600 V, односно фазен агол 346 V. Индуктивноста L1 во серија со капацитивноста C на 50 Hz претставуваат реактанса X = -j5,71 Ω, што при дадениот фазен напон би пропуштило струја од -j60,67 A. Капацитивната реактивна моќност за сите три фази на овој мрежен филтер изнесува Q = -63 kVAr (киловолт-ампери реактивни), што претставува 5,25% од номиналната моќност на инвертерот од 1,2 MVA. Оваа капацитивна Q влегува во системот и може да биде потенцијална причина за проблемот.

Утрото пред изгрејсонце инвертерите сé уште не испорачувале активна енергија, но веројатно веќе биле вклучени на мрежата и се спремале за производство. Не можеме да знаеме колкава реактивна моќност испорачуваат разните видови инвертери, но ако се слични според конструкција со овој на сликата, тогаш сите инвертери во државата, проектирани за номинална моќност од 900 MVA можеле да внесат во системот Q = -0,0525*900 = -47,5 MVAr.

Но, тоа не е сé. Во Македонија има и многу далеководи и други преносни линии, кои со својата капацитивност (трансформирана преку трансформаторите) исто така внесуваат капацитивна Q. Пред ерата на инвертерите, на далеководите се гледало благонаклоно, бидејќи тие претставувале природни компензатори на индуктивната реактивна моќност од големите електромотори во индустријата. Но, заедно со капацитивноста на инвертерите, далеководите го влошуваат проблемот, особено што во неделата наутро немало електромотори на мрежа. Исто така, драјверите на големите ЛЕД светилки имаат кондензатори на влезот, кои се приклучени на мрежа и го влошуваат проблемот.

Во услови на многу мал активен товар, со оваа огромна реактивна моќност требало да се справи еден генератор од РЕК Битола. Но прашање е дали еден синхрон генератор за 230 MVA можел да се справи со 50-ина MVAr.

Накусо, капацитивната реактивна моќност има тенденција да го крева напонот на синхроните генератори, поради што автоматската регулација на напонот (AVR - automatic voltage regulation) ја намалува возбудата на роторот од генераторот со еднонасочна струја. На тој начин електромоторната сила (ЕМФ) станува помала од напонот во мрежата и пренапонот се намалува. Во секој случај, пренапоните се многу штетни и за самите генератори.

Од друга страна, намалувањето на возбудата го прави системот за регулација на генераторот сé помалку стабилен. Доколку возбудата мора да се спушти до нула или блиску до нула, генераторот би станал гранично подвозбуден и нестабилен, поради што релејната заштита би морала да го исклучи од мрежата. Според некои неофицијални сознанија тоа и се случило во РЕК Битола во неделата утрото.

Можно е српските инвертери исто така да внесувале капацитивна Q во системот, а со неа морале да се справуваат бугарските синхрони генератори, а можеби и специјалните синхрони компензатори, што веројатно ги имаат. Тоа очигледно не било доволно и започнале сукцесивно исклучување на разни делови од системот, односно цели трафостаници 400/110 kV, со што цели градови и подрачја останувале без струја. Во еден момент најверојатно цела Македонија останала без напојување со електрична енергија, после што системот морал одново да се востановува.

Да разгледаме уште едно сценарио, во кое капацитивноста (веројатно доминантно од мрежните филтри од инвертерите) исто така може да има главна улога.

Електропреносната мрежа можеме да ја претставиме со едно еквивалентно RLC коло (на втората слика), каде активните потрошувачи се претставени со отпорот R, примарните намотки на многубројните трансформатори (во отсуство на товар или при мал товар) се претставени со индуктивноста L, а капацитивноста на далноводите и мрежните филтри од инвертерите е претставена со капацитивноста C. Понатаму, ова RLC коло е поврзано преку преносна линија за генераторот на наизменична струја (заради едноставност ќе земеме само еден).

Иако сите овие компоненти постојат на различни напонски нивоа, трансформаторите вршат трансформација на соодветните импеданси и ги сведуваат да речеме на 400 kV ниво.

До пред неколку години, единствениот извор на капацитивност претставувале далноводите и подземните кабли, па доминирала индуктивноста од трансформаторите во празен од (во неделата рано наутро имало многу малку активен товар). Но, со додавањето паралелна капацитивност во мрежата, можно е капацитивната реактанса да се приближила, па дури и изедначила со индуктивната реактанса, односно можела да настане паралелна резонанција. На пример, капацитивност од 10 uF (микрофаради) паралелно на индуктивност од 1 H (хенри) формира резонантно коло на фреквенцијата од мрежата од 50 Hz.

Во услови на мал активен товар, односно големо R, факторот на доброта (Q-факторот) на паралелното резонантно коло станува висок, што при возбудување со генератор може да предизвика високи напони, односно потенцијално слична ситуација на она што се случило во неделата наутро.

Но, резонанцијата не мора да биде само на 50 Hz, туку може да се предизвика и на пониска фреквенција, на пример од разни случајни вклучувања и исклучувања (субхармониска резонанција), но и на повисока фреквенција (надхармониска резонанција), од повисоките хармоници на 50 Hz. Со вакви појави се сретнуваме секојдневно во радиотехниката.

Електроенергетската мрежа претставува многу сложен систем и речиси е невозможно точно да се моделира. Сепак, комбинацијата од два неповолни фактори, високата капацитивност во комбинација со многу мал активен товар многу лесно може да предизвика нестабилност и пренапони, што беа опишани преку овие два примери.

Доколку со анализите на МЕПСО се потврди високата капацитивна реактивна моќност, една од мерките би претставувала постепено вклучување и синхронизирање на инверетрите на мрежа, но само откако тие ќе започнат да испорачуваат активна моќност. Други мерки би вклучувале вградување на синхрони компензатори и STATCOM-и, односно електронска верзија на синхроните компензатори. Понатаму, ќе биде вградување на статички индуктивни VAR компензатори, обратно на досегашните капацитивни компензатори во индустријата.

Систем со многу капацитивност и мал активен товар, особено ноќе и преку викендите, претставува катастрофа што чека да се случи. Но, да ги почекаме резултатите од анализите на МЕПСО.