XIV International PhD Workshop OWD 2012, October 2012 BADANIE WPŁYWU ŹRÓDEŁ WIATROWYCH NA REGULACJE CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY

Transkrypt

1 XIV International PhD Workshop OWD 2012, October 2012 BADANIE WPŁYWU ŹRÓDEŁ WIATROWYCH NA REGULACJE CZĘSTOTLIWOŚCI I MOCY STUDY OF THE IMPACT OF WIND POWER SOURCES ON POWER AND FREQUENCY REGULATION Michał Piekarz, Sylwester Robak, Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Warszawska Abstract This paper outlines issues that concern impact of wind generation sources on quality of frequency and power regulation in power systems. The studies have been conducted on simple power system model, consisting of two sub-systems that contained wind power sources. Frequency domain tests of the system transfer function where used to evaluate dynamic properties of power system. The results have shown that increasing value of wind penetration contribute to the process of frequency regulation. Furthermore, the results also show that the proper choice of parameters of active power controls can contribute to mitigate the effects of introducing wind generation to power system. Streszczenie W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące wpływu źródeł wiatrowych na jakość regulacji częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym. Badania były przeprowadzone na prostym modelu systemu elektroenergetycznego, składającego się z dwóch podsystemów, które zawierały źródła wiatrowe. Do oceny właściwości dynamicznych systemu wykorzystano charakterystyki częstotliwościowe transmitancji operatorowej. Wynik badań pokazały iż wzrost wielkości penetracji generacji wiatrowej wpływa na proces regulacji częstotliwości. Ponadto wyniki wskazują, że odpowiedni dobór parametrów układów regulacji mocy czynnej może przyczyniać się do łagodzenia skutków wprowadzenia generacji wiatrowej do systemu elektroenergetycznego. 1. Wstęp Na świecie już od kilkunastu lat nie słabnie zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii (OZE). Źródła tego typu są atrakcyjne w przypadku budowy małych instalacji zaliczanych do generacji rozproszonej [1], jak również w przypadku dużych obiektów takich jak farmy wiatrowe. Głównym celem aktualnej polityki energetycznej Unii Europejskiej jest zapewnienie 20% udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansie energetycznym całej Unii Europejskiej. W przypadku Polski celem będzie zapewnienie 15% energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto do roku 2020 [2]. Wprowadzanie generacji wiatrowej do istniejących już systemów elektroenergetycznych powoduje szereg problemów [3]. Między innymi generacja ta ma znaczący wpływ na planowanie i eksploatacje systemów, a także powoduje zwiększenie stopnia złożoności układów sterowania, automatyki i procedur eksploatacyjnych systemów dystrybucyjnych i przesyłowych. Wprowadzenie generacji wiatrowej do systemu elektroenergetycznego nie może wpłynąć w negatywny sposób na jego pracę, w tym na jakość regulacji częstotliwości i mocy czynnej. Ze względu na duże znaczenie parametru jakim jest częstotliwość, w celu utrzymania jej odpowiedniej wartości w systemie elektroenergetycznym stosuje się hierarchiczny układ regulacji określany jako Automatyczna Regulacja Częstotliwości i Mocy (ARCM). Układ ten składa się z regulacji pierwotnej, wtórnej oraz trójnej [4]. W tym artykule zostały przedstawione wstępne wyniki badań wpływu źródeł wiatrowych na regulację częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym. Do badań wykorzystano model układu dwusystemowego, w przypadku którego analizowano warianty o różnej wartości penetracji generacji wiatrowej w poszczególnych podsystemach. Ponadto dokonano analizy wpływu wybranych parametrów układu regulacji konwencjonalnych jednostek wytwórczych na proces regulacji zachodzący w systemie elektroenergetycznym. Do oceny właściwości dynamicznych badanego systemu wykorzystano częstotliwościowe charakterystyki amplitudowo- 409

2 fazowe transmitancji systemu elektroenergetycznego oraz częstotliwościowy wskaźnik oceny jakości regulacji. 2. Perspektywy rozwoju Farmy wiatrowe są źródłem mocy o bardzo niestabilnej charakterystyce pracy. Rozwój farm wiatrowych wprowadza nowe uwarunkowania i zasady w kształtowaniu sieci i systemów elektroenergetycznych. Między innymi są przyjmowane przez operatorzy sieci przesyłowych nowe wymagania w zakresie w wielkości wymaganej rezerwy mocy w konwencjonalnych źródłach systemowych, niezbędnej do pokrycia zapotrzebowania w przypadku utraty generacji w obszarach z dużą ilością źródeł wiatrowych [5]. Rozwój generacji odnawialnej, w tym również energetyki wiatrowej jest efektem planowanej ścieżki dochodzenia do ustaleń pakietu energetycznoklimatycznego Unii Europejskiej. Zawarte w nim cele określają udział zużycia energii elektrycznej wytwarzanej przez odnawialne źródła energii i konieczności przyłączenia tych źródeł do sieci przesyłowej i sieci dystrybucyjnej. W celu spełnienia wyżej wymienionych warunków przy uwzględnieniu: prognozowanego krajowego zużycia energii elektrycznej, prognozowanej produkcji energii w OZE z innych źródeł odnawialnych niż farmy wiatrowe, prognozowanym czasie pracy farm wiatrowych w ciągu roku, głównie stosowany w przypadku elektrowni o małej mocy. Obecnie, najczęściej stosowanymi generatorami w elektrowniach wiatrowych dużej mocy, są jednostki pracujące przy zmiennej prędkości obrotowej - generatory asynchroniczne dwustronnie zasilane (DFIG) oraz generatory synchroniczne (SG) [6]. W dalszej części przedstawiono sposób modelowania źródła wiatrowego pracującego w systemie elektroenergetycznym. Współczynnik szybkobieżności λ określany jest jako stosunek prędkości liniowej końca łopaty turbiny do prędkości wiatru [7]: rr (3.1) V gdzie: wind ω r - prędkość obrotowa turbiny, V wind - prędkość wiatru, R promień wirnika turbiny wiatrowej. Współczynnik sprawności aerodynamicznej C P uwzględniający współczynnik szybkobieżności (3.1) określa następująca zależność [8]: C P a b c d e (3.2) gdzie : a = 0,02021, b = -0,01112, c = 0,1056, d = -0,01574, e = 0, prognozuje się, potrzebę uruchomienia mocy osiągalnych w farmach wiatrowych na poziomie określonym w tabeli 2.1: Tabela 2.1 Planowana wielkość osiągalnej mocy farm wiatrowych w określonych latach [5] Table 2.2 Planned size of the capacity of wind farms power in certain years [5] Lata Moc farm wiatrowych [MW] 5,3 8,6 10,4 3. Model systemu elektroenergetycz nego 3.1 Model źródła wiatrowego Generatory w elektrowniach wiatrowych zamieniają energię mechaniczną w elektryczną. Przemiana energii może odbywać się, w zależności od rodzaju generatora, zastosowanego w elektrowni wiatrowej, przy zmiennej lub stałej prędkości obrotowej. Przykładem generatora o stałej prędkości obrotowej jest generator indukcyjny, który jest Rysunek 3.1 Wykres współczynnika C p w funkcji λ dla turbiny o stałym kącie natarcia łopat [8] Figure 3.1 C P Power coefficient curve as a function of λ for constant pitch angle value [8] Moc mechaniczną pozyskiwaną z wiatru uwzględniającą współczynnik sprawności aerodynamicznej (3.2) określa następująca zależność [9]: 410

3 P mech 1 2 R 2 3 C P V wind (3.3) Sn gdzie: S n moc turbiny w MW. Schemat źródła wiatrowego opartego na generatorze asynchronicznym dwustronnie zasilanym opracowany w programie MatLab/Simulink przedstawiono na rysunku 3.2 [10]: Rysunek 3.3 Model systemu zasilanego z różnych typów generacji [11] Figure 3.3 Power system model with three types of generation [11] Parametry transmitancji zastępczej systemu SEE można określić następująco [11]: 2H TP (3.5) fd Rysunek 3.2 Schemat modelu źródła wiatrowego w programie Matlab/Simulink [10] Figure 3.2 Wind Turbine model in Matlab/Simulink [10] 3.2 Model systemu testowego Rysunek 3.3 przedstawia schemat blokowy transmitancji systemu elektroenergetycznego składającego się z konwencjonalnego generatora oraz układu regulacji pierwotnej częstotliwości. Model zawiera dodatkowo sygnał mocy wytwarzanej w źródłach wiatrowych P NC. Zwiększająca się wartość mocy czynnej w wyniku wzrostu zapotrzebowania na moc odbieraną PD jest odejmowana od wartości mocy generowanej przez jednostki konwencjonalne P G i mocy generacji wiatrowej P NC. Różnica ta równa jest mocy pochodzącej z sąsiedniego systemu jak wskazuje poniższa zależność [11]: 1 KP (3.6) D gdzie: D - współczynnik tłumienia, R - statyzm, H eq - bezwładność zastępcza systemu, T h - stała czasowa regulatora turbiny cieplnej, T t -stała czasowa turbiny cieplnej, f - częstotliwość systemu. Zlinearyzowany model dwóch systemów połączonych (System A o mocy P A = 26,5 GW, System B o mocy P B = 156,6 GW) przedstawiono na rysunku 3.4. Układ ten składa się z zarówno jednostek konwencjonalny cieplnych jak i jednostek generacji wiatrowej oraz uwzględnia regulacje pierwotną i wtórną częstotliwości i mocy. Pg PNC P1,2 PD Pf (3.4) gdzie: P g moc generowana przez jednostki konwencjonalne, P NC moc generowana przez jednostki niekonwencjonalne (np. wiatrowe), P 1,2 moc wymiany między systemowej, PD przyrostowe zapotrzebowanie na moc czynną, P f zmiana częstotliwości mocy. Rysunek 3.4 Model zlinearyzowanego systemu [9] Figure 3.4 Linearized Power system model [9] Wartości statyzmu dla poszczególnych generatorów w elektrowniach konwencjonalnych zwiększają się wraz ze wzrostem współczynnika 411

4 penetracji wiatrowej. Zatem statyzm systemu określa się poniższym wzorem [9]: R Lp R (3.7) (1 LP) 4.2 Wyniki symulacji Wyniki badań transmitancji przedstawiono na rysunkach gdzie: L P wartość penetracji wiatrowej. Zwiększająca się wartość penetracji wiatrowej wypiera konwencjonalne jednostki wytwórcze, jednocześnie zmniejszając bezwładność systemu. Powoduje to pogorszenie zdolności regulacji częstotliwości systemu przy braku dodatkowego wsparcia ze strony elektrowni wiatrowych. Bezwładność systemu uwzględniająca wartości penetracji wiatrowej opisano zależnością [9]: H eq,lp Heq(1 LP) (3.8) Turbiny wiatrowe z generatorami indukcyjnymi dwustronnie zasilanymi zapewniają prace przy różnych prędkościach obrotowych. Odchylenia częstotliwości systemu nie wpływają na szybkość i moment turbiny wiatrowej z generatorami DFIG, ale reakcja bezwładności generatora DFIG może być zrealizowana przy pomocy dodatkowego sygnału regulacji częstotliwości. Zmodyfikowaną wartość bezwładności systemu uwzględniającą dodatkowy sygnał regulujący z turbiny wiatrowej przedstawia zależność [9]: Rysunek 4.1 Charakterystyki amplitudowo-fazowe dla różnych wielkości penetracji generacji wiatrowej Figure 4.1 Magnitude-phase diagrams for different values of wind penetration contribution H eq,lp Heq(1 LP) HWTLP (3.9) gdzie: H WT bezwładność turbiny wiatrowej. 4. Badania symulacyjne 4.1 Warianty badań Analizie poddano transmitancje operatorową G 11(s) zdefiniowaną następująco: f a (s) G11(s) (4.1) Pzada(s) Rysunek 4.2 Charakterystyki amplitudowo-fazowe dla różnych wartości bezwładności turbiny wiatrowej Figure 4.2 Magnitude-phase diagrams for different values of wind turbine inertia gdzie: f odchyłka częstotliwości systemu A, P zada przyrost mocy zadanej systemu A. Zrealizowane badania obejmowały: stopniowe zwiększanie udziału generacji wiatrowej, zmianę bezwładności turbiny wiatrowej, zmianę statyzmu turbiny wiatrowej, obliczenie wskaźnika jakości regulacji q(s). Rysunek 4.3 Charakterystyki amplitudowo-fazowe dla różnych wartości statyzmu turbiny wiatrowej Figure 4.3 Magnitude-phase diagrams for different values of wind turbine droop 412

5 Rysunek 4.4 Charakterystyki wskaźnika jakości regulacji q(s) dla układu konwencjonalnego i z generacją wiatrową Figure 4.4 Quality regulation index q(s) diagrams for conventional system and system with wind generation Rysunek 4.5 Charakterystyki wskaźnika jakości regulacji q(s) dla różnych wartości stałej czasowej regulatora turbiny cieplnej Figure 4.5 Quality regulation index q(s) diagrams for different time-constant values of heat turbine regulator Rysunek 4.6 Charakterystyki wskaźnika jakości regulacji q(s) dla różnych wartości wzmocnienia regulatora turbiny cieplnej Figure 4.6 Quality regulation index q(s) diagrams for different gain values of heat turbine regulator Rysunek 4.7 Charakterystyki wskaźnika jakości regulacji q(s) dla różnych wielkości penetracji generacji wiatrowej w obu pod-systemach Figure 4.7 Quality regulation index q(s) diagrams for different wind penetration values in both subsystems Wyniki pokazane na rysunku 4.1 dotyczą przypadku gdy stopniowo zwiększany był udział generacji wiatrowej w systemie A. W przypadku zwiększania udziału generacji wiatrowej, wzrasta amplituda transmitancji systemu A oraz maleje częstotliwość przy której charakterystyka amplitudowa osiąga maksimum. W kolejnym przypadku zmianom podlegała bezwładność turbiny wiatrowej. Badania wykazały, że wraz ze wzrostem bezwładności zwiększa się amplituda i zmniejsza częstotliwość przy której amplituda osiąga wartość maksymalną. Rysunek 4.3 przedstawia wpływ zmiany statyzmu turbiny wiatrowej. Analiza wykazała, że wraz ze wzrostem statyzmu zmniejszała się amplituda i częstotliwość przy której amplituda osiąga maksimum. Rysunki przedstawiają charakterystyki częstotliwościowego wskaźnika jakości regulacji, określonego zależnością [12]: 1 q(s) (4.2) 1 Go (s) gdzie: G o(s) transmitancja operatorowa układu otwartego. Charakterystyki pokazane na rysunkach , miały na celu wykazanie jakie czynniki wpływają na wskaźniki regulacji q(s), a tym samym na jakość regulacji turbiny konwencjonalnej. Badanie wykazało, że dodanie do systemu elektroenergetycznego generacji wiatrowej wpływa na pogorszenie wskaźnika regulacji. Dodatkowo analiza obejmowała sprawdzenie jak wpływają parametry regulatora turbiny takie jak: stała czasowa oraz wzmocnienie na wskaźnik regulacji q(s). Zarówno obniżenie wartości stałej czasowej, jak i wzmocnienia regulatora turbiny cieplnej wpłynęło pozytywnie na jakość regulacji. Wielkość udziału generacji wiatrowej również miała wpływ na 413

6 wskaźnik regulacji q(s). Badania wykazały że najwyższą wartość wskaźnik q(s) osiągnął w przypadku, gdy generacja wiatrowa była przyłączona do obu systemów. Najniższa wartość przypadła dla wariantu, w którym generacja wiatrowa była przyłączona do systemu B. 5. Podsumowanie W artykule przybliżono tematykę związaną z badaniem wpływu generacji wiatrowej na regulacje częstotliwości systemu elektroenergetycznego. Zakres obejmował badania symulacyjne mające na celu zweryfikowanie wpływu określonych czynników na jakość regulacji częstotliwości. Posłużono się modelem układu złożonym z dwóch podsystemów. Model symulacyjny układu został opracowany w programie Matlab/Simulink. System A o mocy 26,5 GW oraz system B o mocy 156,5 GW. Dodatkowo został opracowany model źródła generacji wiatrowej uwzględniający zmienną prędkość wiatru. Badania zobrazowały wpływ źródeł wiatrowych na regulacje częstotliwości i mocy. Wyniki badań wskazują, że generacja wiatrowa ma wpływ na jakość regulacji w systemie elektroenergetycznym. Ponadto można stwierdzić, że pojawienie się w systemie generacji wiatrowej rodzi konieczność weryfikacji parametrów układów regulacji konwencjonalnych jednostek wytwórczych. Takie działanie będzie miało na celu sprawdzenie czy wzrost generacji wiatrowej nie pogarsza w istotny sposób warunków pracy już istniejących systemów. elektroenergetycznym, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa [8] Lerech T. Stany dynamiczne elektrowni wiatrowej z maszyną indukcyjną dwustronnie zasilaną, Rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków [9] Praghnesh B., Ranjit R., Ghoshal S.P., Dynamic participation of double fed induction generator In automatic generator control, Renewable Energy, Volume 36, Issue 4, April 2011, pp [10] Piekarz M., Analiza wpływu źródeł wiatrowych na jakość regulacji częstotliwości i mocy, Praca dyplomowa magisterska, Politechnika Warszawska [11] Jalali M., DFIG Based Wind Turbine Contribution to System Frequency Control, Master Thesis, Waterloo, Ontario, Canada, 2011.Volume 36, Issue 4, April 2011, pp [12] Dokładność Regulacji, pp , Adres służbowy autora: mgr inż. Michał Piekarz Politechnika Warszawska ul. Krasińskiego Milanówek michalpiekarz@o2.pl Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach jako projekt badawczy. 6. Bibliografia [1] Robak S., Rasolomampionona D.D.: Rozproszone zasoby energii przegląd zagadnienia. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 87, , str [2] Robak S.: Farmy wiatrowe wybrane aspekty. Napędy i Sterowanie. Nr4, 2010, str [3] Robak S., Rasolomampionona D.D., Kacejko P., Sobierajski M.: Ocena możliwości przyłączeniowych węzłów systemu elektroenergetycznego. Część I - wymagania i założenia. Rynek Energii, Nr 1(98), [4] Machowski J., Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego, Oficyna Wydawnicza PW, [5] Plan Rozwoju w zakresie zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na energię elektryczną na lata Wyciąg, Konstancin-Jeziorna, marzec 2010, [6] Generatory, [7] Lubośny Z., Farmy wiatrowe w systemie 414