Regulacja napięcia w stacji elektroenergetycznej ze źródłami lokalnymi analiza systemu zaopatrzenia w energię elektryczną

Transkrypt

1 HALINKA Adrian 1 RZEPKA Piotr 1 SZABLICKI Mateusz 1 Regulacja napięcia w stacji elektroenergetycznej ze źródłami lokalnymi analiza systemu zaopatrzenia w energię elektryczną WSTĘP Funkcjonowanie systemu elektroenergetycznego (SEE), jest złożonym procesem dynamicznych zmian topologii sieci oraz wartości parametrów stanu. Własność ta dotyczy nie tylko stanów zakłóceniowych, ale również normalnych warunków eksploatacyjnych. W ustalonych stanach pracy SEE można zaobserwować m.in. zmiany wartości napięć w węzłach sieciowych. Jest to powodowane zmianami obciążeń (w szczególności mocą bierną) obiektów układu sieciowego, zmianami topologii połączeń obiektów SEE, a także zmianami warunków pracy źródeł wytwórczych (w tym również lokalnych źródeł wytwórczych przyłączonych do sieci dystrybucyjnej). Celem ograniczenia zmian wartości napięcia podejmowane są odpowiednie działania. Regulacji napięcia w sieci dystrybucyjnej SN dokonuje się w szczególności za pomocą: zmiany przekładni pod obciążeniem transformatorów WN/SN; zmiany rozpływu mocy biernej (np. za pomocą kompensatorów mocy biernej, w postaci baterii kondensatorów). Przyłączanie lokalnych źródeł wytwórczych do struktur dystrybucyjnej sieci elektroenergetycznej powoduje m.in.: zmiany kierunku rozpływu i poziomu mocy czynnej oraz mocy biernej. Ma to bezpośredni wpływ na stopień obciążenia poszczególnych obiektów układu sieciowego, występujące na nich straty (spadki napięcia) i w efekcie na wartości napięć w poszczególnych węzłach układu sieciowego. Skala oddziaływania źródła lokalnego na poziom wartości skutecznej napięcia jest determinowana m.in. występującym poziomem mocy zwarciowej oraz wartością mocy czynnej generowanej przez źródło, a także w szczególności wartością i charakterem mocy biernej generowanej przez źródło. Dostępne komercyjnie źródła wiatrowe dużych mocy (>1 MV A) wykazują zdolność do generacji mocy biernej o określonej wartości i charakterze (moc bierna indukcyjna bądź moc bierna pojemnościowa). Mając na uwadze możliwość sterowania parametrami mocy biernej źródła wiatrowego, można przyjąć tezę, że odpowiednie jego wysterowanie może prowadzić do zmniejszenia zakresu zmian wartości napięcia w sieci. Przewidywany duży rozwój źródeł lokalnych przyłączanych do sieci dystrybucyjnej SN oraz uzyskane rezultaty wzmiankowanych badań autorskich wskazują, że źródła te mogą znacząco zmieniać warunki napięciowe występujące w rozdzielni SN stacji WN/SN [3]. W związku z powyższym niniejszy artykuł stanowi próbę oszacowania wpływu przyłączenia i pracy źródła wiatrowego na kształtowania się wartości skutecznej napięcia w rozdzielni SN stacji elektroenergetycznej sprzęgającej sieci WN i SN oraz warunki działania układów automatycznej regulacji napięcia (ARN) [2] oddziałujących na przełączniki zaczepów transformatora WN/SN zainstalowanego w tej stacji. 1 REGULACJA NAPIĘCIA W STACJACH WN/SN ZASILAJĄCYCH SIECI DYSTRYBUCYJNE SN Podstawowym miejscem zasilania sieci dystrybucyjnej SN są transformatory zainstalowane w stacjach WN/SN. Regulacja napięcia w tych stacjach jest realizowana za pomocą podobciążeniowej zmiany przekładni transformatorów WN/SN sterowanej układem ARN. 1 Politechnika Śląska; Wydział Elektryczny; Gliwice, ul. B. Krzywoustego 2; tel ; re1@polsl.pl 4454

2 Dla utrzymania odpowiednich poziomów napięcia w sieci dystrybucyjnej SN transformatory WN/SN często mają możliwość zmiany przekładni [7]. Zakres regulacji napięcia zależy od konstrukcji transformatora. Zmiana przekładni transformatorów może być dokonywana automatycznie przez układ automatycznej regulacji napięcia ARN [9]. Podstawowym zadaniem układu ARN jest utrzymywanie wartości napięcia strony dolnej transformatora na zadanym poziomie. Uproszczony schemat ideowy układu ARN przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1.Schemat ideowy układu regulacji napięcia W układzie ARN można wyróżnić człon pomiarowy i człon decyzyjny. W członie pomiarowym dokonywane jest wyznaczenie wielkości kryterialnej wymaganej przez człon decyzyjny. Jest to wartość napięcia (zazwyczaj wartość skuteczna) w rozdzielni SN stacji elektroenergetycznej z transformatorem Tr. Do członu pomiarowego doprowadza się napięcie strony wtórnej przekładnika napięciowego PN. Sygnał wyjściowy z członu pomiarowego ma postać sygnału ciągłego bądź dyskretnego, zależnie od sposobu realizacji układu ARN. Dla układów analogowych jest to sygnał ciągły, natomiast dla układów cyfrowych sygnał dyskretny. Rolą członu decyzyjnego jest porównanie tego sygnału (który odwzorowuje warunki napięciowe po stronie DN transformatora Tr) z wielkością odniesienia, tj. zadaną, oczekiwaną wartością napięcia w rozdzielni SN stacji. W przypadku wystąpienia różnicy między wartościami tych wielkości (na poziomie regulacyjnym), wypracowywana jest decyzja o zmianie położenia przełącznika zaczepów transformatora. Towarzyszy skokowy wzrost bądź zmniejszenie wartości napięcia w rozdzielni SN stacji. Celem zapewnienia stabilności regulacji i uniewrażliwienia układu ARN na chwilowe zmiany wartości napięcia kontrolowanego wprowadza się strefę nieczułości ARN oraz opóźnienie czasowe zadziałania ARN [2], [6]. Strefa nieczułości to zakres zmian wartości napięcia kontrolowanego, których wystąpienie nie prowadzi do zadziałania układu ARN. Nastawienie tego parametru jest determinowane przede wszystkim dopuszczalną zmiennością napięcia obiektów elektroenergetycznych przyłączonych do rozdzielni SN stacji oraz wymaganą czułością działania układu ARN, która decyduje, na jakie zmiany wartości napięcia w rozdzielni SN stacji układ ARN powinien reagować. Natomiast opóźnienie czasowe zadziałania definiuje różnicę pomiędzy momentem wystąpienia zmiany wartości napięcia kontrolowanego przekraczającej strefę niedziałania ARN a momentem generacji decyzji sterującej dotyczącej zmiany pozycji przełącznika zaczepów. Nastawienie tego parametru wpływa m.in. na częstość dokonywanych przełączeń zaczepów. Opóźnienie czasowe zadziałania ARN może być stałe bądź zależne od odchylenia wartości napięcia kontrolowanego od poziomu wymaganego. 2 MODEL UKŁADU SIECIOWEGO DO ANALIZ REGULACJI NAPIĘCIA W STACJI WN/SN Do oszacowania skali potencjalnego oddziaływania źródła wiatrowego na kształtowanie się wartości skutecznej napięcia w rozdzielni SN stacji elektroenergetycznej sprzęgającej sieci WN i SN oraz warunki działania układów automatycznej regulacji napięcia stacji wykorzystano program DIgSILENT PowerFactory. Badania wykonano dla układu elektroenergetycznego, którego struktura i parametry odzwierciedlają rzeczywisty układ występujący w KSE. Schemat ideowy tego układu 4455

3 przedstawiono na rysunku 2. Źródło wiatrowe FW zamodelowano w postaci farmy wiatrowej [8] składającej się z 4 turbin wiatrowych z generatorem asynchronicznym dwustronnie zasilanym [1].Modelowane źródło wiatrowe posiada dwa tryby sterowania mocą bierną: tryb Ureg tryb regulacji napięcia; celem działań podejmowanych przez układy sterowania źródła wiatrowego jest utrzymanie zadanej wartości napięcia w miejscu przyłączenia źródła poprzez wymuszenie generacji mocy biernej przez źródło o odpowiednim charakterze i poziomie; tryb Qreg tryb regulacji mocy biernej; celem działań podejmowanych przez układy sterowania źródła wiatrowego jest utrzymanie zadanego charakteru i wartości mocy biernej wprowadzanej do sieci przez źródło bądź utrzymanie zadanego charakteru i wartości współczynnika mocy. SEE 110 kv T 1 20 kv Odbiory 25 MV A 115± 8x1,25%/22 kv L FW Farma wiatrowa 4 x 2 MW DFIG 20 kv Rys. 2. Schemat ideowy rozpatrywanego fragmentu sieci elektroenergetycznej 3 OPIS METODYKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Przedstawione w niniejszym artykule wyniki rozpatrywań ukierunkowanych na określenie wpływu pracy źródeł wiatrowych na warunki napięciowe występujące w rozdzielni SN (tym samym również wpływu źródeł wiatrowych na warunki działania układu ARN stacji) zostały przeprowadzone przy założeniu określonej metodyki badań uwzględniającej różne możliwe tryby sterowania mocą bierną tych źródeł oraz różne warunki pracy sieci elektroenergetycznej w otoczeniu miejsca ich przyłączenia. Wieloparametryczne badania symulacyjne warunków działania układu ARN koncentrowały się przede wszystkim na określeniu wymaganej zmienności przekładni transformatora WN/SN stacji niezbędnej do utrzymania wartości skutecznej napięcia w rozdzielni SN stacji w zakresie odpowiadającym zmianie przekładni transformatora o jeden zaczep. Przyjęte zmienności dobowe zapotrzebowania odbiorów na moc oraz generacji mocy czynnej przez FW zobrazowano na rysunku 3. Przebiegi zmian w czasie tych wielkości określono w oparciu o [4], [5]. Stanowią one odzwierciedlenie sytuacji występujących w rzeczywistych układach sieciowych. 4456

4 Rys. 3. Założone dobowe zmienności: a) stopnia obciążenia rozdzielni SN stacji (Pobc, Qobc); b) generacji mocy czynnej przez źródło wiatrowe (PFW) 4 BADANIA WPŁYWU PRACY ŹRÓDEŁ WIATROWYCH NA WARUNKI NAPIĘCIOWE W ROZDZIELNI SN STACJI Kształtowanie się poziomów napięć występujących w rozdzielni SN oraz warunki działania układu ARN podczas założonego scenariusza wieloparametrycznych zmian warunków pracy rozpatrywanego układu sieciowego są silnie zależne od aktywnego trybu sterowania mocą bierną źródła wiatrowego oraz przyjętych parametrów regulacji. Wybór sposobu regulacji mocy biernej źródła determinuje m.in. liczbę dokonywanych przełączeń zaczepów transformatora dla modelowanej doby oraz zakres zmian zaczepów. Parametry te, opisujące warunki działania ARN stacji, zamieszczono w tablicy 1, zestawiając dla porównania z wynikami otrzymanymi dla identycznego scenariusza zmian warunków pracy układu sieciowego przy wyłączonym źródle FW. Przyjmując te wyniki jako odniesienie do oceny wpływu pracy FW na warunki działania ARN, można stwierdzić, że przy pracy źródła wiatrowego w trybach Qreg_0 (zerowa generacja mocy biernej) i Qreg_poj(generacja mocy biernej zapewniająca cos = 0,95 o charakterze pojemnościowym) warunki te praktycznie nie zmieniają się. Dla trybu Qreg_0 liczba przełączeń zaczepów wzrosła o 1, natomiast zakres zmian zaczepów jest identyczny (tj. 2 4). Dla trybu Qreg_poj liczba wymaganych przełączeń zaczepów nieznacznie się zmniejszyła (z 23 na 22), podobnie zawęził się zakres zmian zaczepów (z 2 4 na 2 3). Pogorszenie warunków napięciowych w rozdzielni SN stacji, wskutek zwiększenia zmienności wartości skutecznej napięcia, prowadzące do pogorszenia warunków działania ARN, można zaobserwować dla źródła z aktywnym trybem Qreg_ind (generacja mocy biernej zapewniająca cos = 0,95 o charakterze indukcyjnym). Liczba przełączeń zaczepów wzrosła w ciągu doby o 13%. Jedynie dla trybu Ureg wystąpiło znaczące polepszenie warunków działania ARN w odniesieniu zarówno do sytuacji pracy stacji z wyłączonym źródłem FW, jak i innych trybów sterowania mocą bierną FW. Redukcja liczby przełączeń jest bardzo znacząca, zawęził się również zakres zmian zaczepów. Wpływ wyboru trybu sterowania mocą bierną FW na warunki działania ARN stacji rozpatrywanego układu sieciowego obrazują także przebiegi zamieszczone na rysunku 4. Z kolei na rysunku 5 przedstawiono efekty działania automatyki ARN tj. jej wpływ na przebieg napięcia w rozdzielni SN stacji. Reasumując powyższe rozważania stwierdza się, że przedstawione rezultaty rozpatrywań mogą posłużyć m.in. do określenia optymalnego trybu pracy źródeł wiatrowych przyłączanych do rozdzielni SN stacji WN/SN a także modyfikowania zasad działania układów automatycznej regulacji napięcia instalowanych w układach sieciowych z lokalnymi źródłami energii. 4457

5 Rys. 4. Zmiany przekładni transformatora WN/SN stacji (numer zaczepu) towarzyszące dobowym zmianom stopnia obciążenia stacji i generacji mocy czynnej przez źródło wiatrowe dla różnych trybów sterowania mocą bierną źródła wiatrowego: a) tryb Ureg; b) tryb Qreg_0; c) tryb Qreg_ind; d) tryb Qreg_poj Tab. 1. Charakterystyka warunków działania ARN stacji towarzyszących założonym dobowym zmianom stopnia obciążenia stacji i generacji mocy czynnej przez źródło wiatrowe dla różnych trybów sterowania mocą bierną źródła wiatrowego oraz przy wyłączonym źródle tryb FW działanie ARN liczba przełączeń skrajny zaczep + skrajny zaczep zakres zmian zaczepów Ureg Qreg_ Qreg_ind Qreg_poj źródło wyłączone PODSUMOWANIE Skala oddziaływania źródła wiatrowego (także innych lokalnych źródeł wytwórczych) na warunki napięciowe występujące w rozdzielni SN stacji elektroenergetycznej WN/SN determinowana jest m.in. wartością i charakterem mocy biernej generowanej przez źródło, stopniem obciążenia stacji oraz w mniejszym stopniu poziomem mocy czynnej generowanej przez źródło. W zależności od aktywnego trybu sterowania mocą bierną źródło wiatrowe może korzystnie bądź negatywnie wpływać na kształtowanie się warunków napięciowych w stacji, powodując minimalizację lub wzrost liczby niezbędnych przełączeń zaczepów transformatorów stacji. Uzyskane rezultaty badań symulacyjnych dla rozpatrywanego w artykule układu sieciowego mogą stanowić podstawę rozpatrywań zmierzających do zdefiniowania nowej funkcjonalności układów automatycznej regulacji napięcia stacji z przyłączonymi źródłami rozproszonymi, a także do zmiany podejścia operatorów sieci dystrybucyjnych do możliwości wykorzystania źródeł wiatrowych przyłączanych do sieci SN do regulacji napięć węzłowych. Obecnie najczęściej wymaga się pracy tych źródeł w trybie Qreg_0, tj. z zerową generacją mocy biernej niezależnie od poziomu generacji mocy czynnej. Przypuszcza się, że zmiana trybu sterowania mocą bierną źródła wiatrowego na tryb 4458

6 Ureg pozwoli na znaczną poprawę warunków działania ARN. Towarzysząca temu redukcja liczby i/lub częstości przełączeń zaczepów transformatorów stacji może skutkować wymiernymi efektami ekonomicznymi z uwagi na wydłużenie czasu eksploatacji przełączników zaczepów. Rys. 5. Zmiany wartości skutecznej napięcia w rozdzielni SN stacji towarzyszące dobowym zmianom stopnia obciążenia stacji i generacji mocy czynnej i biernej przez źródło wiatrowe dla różnych trybów sterowania mocą bierną źródła wiatrowego: a) tryb Ureg; b) tryb Qreg_0; c) tryb Qreg_ind; d) tryb Qreg_poj Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki analiz dotyczących wpływu pracy lokalnych źródeł wytwórczych na proces regulacji napięcia, który jest realizowany w sieci dystrybucyjnej SN za pomocą zmiany przekładni transformatora zainstalowanego w stacji WN/SN w tzw. stacji GPZ. W przeprowadzonych analizach ujęto różne scenariusze pracy układu sieciowego: różne obciążenia rozdzielni SN stacji WN/SN oraz różne warunki pracy źródeł lokalnych (wartości produkowanej mocy). Badania symulacyjne uwzględniają przyłączenie do sieci dystrybucyjnej źródła lokalnego w postaci farmy wiatrowej o mocy 8 MW. Określono wpływ pracy źródła wiatrowego z różnymi trybami sterowania mocą bierną na warunki działania układów automatycznej regulacji napięcia (ARN), które są jednym z podstawowych układów odpowiedzialnych za utrzymywanie wartości napięcia w sieci dystrybucyjnej SN na wymaganym poziomie. Określono przyczyny odmiennego charakteru uzyskanych wyników dla zadanych trybów sterowania produkcją mocy biernej przez źródło wiatrowe. 4459

7 Voltage regulation in substation with local power sources electricity supply system analysis Abstract The paper presents the results of analyzes on the impact of distributed generation for voltage regulation process, which is implemented in MV distribution network by changing the transformation ratio of transformer installed in HV/MV power substation. The performed analyzes include various power network operating scenarios: different MV busbar substation load profiles in HV/MV power substation and various operating conditions of local sources (e.g. generated power). The simulation include connection of local source (i.e. 8 MW wind farm) to distribution network. Influence of wind source various reactive power operation control modes on the conditions of automatic voltage regulation systems (AVR) operation were defined. These systems are one of the primary systems responsible for maintaining the required voltage level in MV distribution network. Differences in calculation results for various reactive power generation control modes were identified and described. BIBLIOGRAFIA 1. Blecharz K., Sterowanie maszyną dwustronnie zasilaną, pracującą jako generator w elektrowni wiatrowej przy zapadach napięcia. Acta Energetica, nr 11, 2011, Constantin I.C., Iliescu S.S., Automatic voltage regulation of the transformer units implemented in digital multifunction protection system. Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), th International Conference on May 2012, ISSN: , Halinka A., Rzepka P., Szewczyk M., Szablicki M., Przyłączanie farm wiatrowych potrzeba nowego podejścia do sposobu funkcjonowania automatyki elektroenergetycznej sieci WN, Przegląd Elektrotechniczny, 87 (2011), nr 9a, Klucznik J., Udział farm wiatrowych w regulacji napięcia w sieci dystrybucyjnej. Acta Energetica, nr 11, 2011, Kirby B., Parson B.K., Wan Y., Wind Farm Power Fluctuations, Ancillary Services, and System Operating Impact Analysis Activities in the United States, European Wind Energy Conference, Dania, czerwiec Kot A., Szpyra W.,Optymalna regulacja napięcia w sieciach rozdzielczych. Acta Energetica, nr 11, 2011, Kundur P., Power system stability and control. McGraw-Hill. Inc Lubośny Z., Farmy wiatrowe w systemie elektroenergetycznym, WNT, Warszawa, Machowski J., Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa