Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym i ich zdolność do pokrywania obciążenia

Transkrypt

1 Józef PASKA Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym i ich zdolność do pokrywania obciążenia Streszczenie. W artykule przedstawiono stan aktualny i perspektywy elektrowni wiatrowych, zagadnienia przyłączania elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznych oraz wpływ elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny. Zaprezentowano także zdolność elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia. Abstract. In the paper present state and perspectives of wind power plants are described, as well as main issues and schemes for their grid integration and influence of wind power plants on electric power system. Also the load carrying capability of wind power plants is presented. (Wind power plants in electric power system and their load carrying capability). Słowa kluczowe: bezpieczeństwo elektroenergetyczne, niezawodność systemu elektroenergetycznego, zdolność do pokrywania obciążenia, elektrownie wiatrowe Key words: safety of electrical power supply, electric power system reliability, load carrying capability, wind power plants Stan obecny i perspektywy rozwoju elektrowni wiatrowych Dyrektywa 21/77/EC określa cel ilościowy dla krajów Unii Europejskiej w odniesieniu do energii elektrycznej wytwarzanej w źródłach odnawialnych na 21% całkowitego zużycia energii elektrycznej w 21 roku. Celem strategicznym polityki energetycznej Polski jest zwiększenie wykorzystania odnawialnych zasobów energii i uzyskanie 7,5% udziału energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych w krajowym zużyciu energii elektrycznej brutto w roku 21 [17]. W związku z przyjętym przez UE, w marcu 27 roku, zobowiązaniem o osiągnięciu w 22 roku 2% udziału energii ze źródeł odnawialnych w strukturze zużycia paliw pierwotnych, kraje członkowskie stają przed nowymi wyzwaniami po roku 21. W 25 r. energia elektryczna ze źródeł odnawialnych zaspokoiła 15% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną w UE. Uzyskany wynik można uznać za pozytywny dzięki staraniom kilku aktywnych państw członkowskich, jednak wiele państw jest daleko od osiągnięcia swoich celów krajowych [17, 18]. Od 1 października 25 r. funkcjonuje w Polsce zmieniony system wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii (OZE). Zgodnie z ustawą Prawo energetyczne przedsiębiorstwa energetyczne, zajmujące się sprzedażą energii elektrycznej odbiorcom końcowym, mają obowiązek uzyskania i przedstawienia do umorzenia Prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki określonej liczby świadectw pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii, bądź uiszczenia opłaty zastępczej. Rozdzielając świadectwa pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych od energii fizycznej umożliwiono obrót na giełdzie prawami majątkowymi, wynikającymi z tych świadectw. Uzupełnieniem tego mechanizmu, jako konsekwencja rozdziału fizycznego przepływu energii elektrycznej od świadectw pochodzenia, jest obowiązek zakupu przez przedsiębiorstwa energetyczne pełniące rolę sprzedawcy z urzędu, całej energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych, przyłączonych do sieci znajdujących się na obszarze działania danego sprzedawcy, po średniej cenie rynkowej [21] (rys. 1). Gwałtowny wzrost zainteresowania wykorzystaniem odnawialnych zasobów energii jest związany przede wszystkim z nowym kształtem polityki energetycznej Polski po wstąpieniu do Unii Europejskiej, jak również z powszechnym dostępem do najnowszych technologii w tej dziedzinie. Wytwórca OZE Energia elektryczna obowiązek 1 URE Sprzedawca z Urzędu (obecnie Obrotowcy SD) PE wytwórcze, sprzedające EE odbiorcom końcowym Prawa Majątkowe TGE Świadectwa Pochodzenia Prawa Majątkowe Obowiązek 2 Rys. 1. Ilustracja polskiego systemu wspierania energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii: URE Urząd Regulacji Energetyki, TGE Towarowa Giełda Energii, PE Przedsiębiorstwo Energetyczne, SD Spółka Dystrybucyjna Jednocześnie obserwuje się stały wzrost zainteresowania inwestorów elektrowniami wiatrowymi jako technologią wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie w analizach pozwalających na dokonanie oceny wpływu planowanej elektrowni (farmy) wiatrowej na pracę krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE), w wariancie maksymalnym, uwzględnia się łączną moc zainstalowaną w źródłach wiatrowych na poziomie około 9 GW. Według prognozy European Wind Energy Association [8], w 21 roku moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w Polsce przekroczy 1,2 GW. Z kolei w raporcie Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej [11] stwierdza się, że w 22 roku jest realne osiągnięcie poziomu 13,6 GW mocy zainstalowanej w tego rodzaju źródłach. W tabeli 1 przedstawiono moc zainstalowaną i ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w źródłach wykorzystujących odnawialne zasoby energii w latach w Polsce, natomiast na rys. 2 zilustrowano te wielkości, oraz czas wykorzystania mocy zainstalowanej 1, dla elektrowni wiatrowych. Z kolei w tablicy 2 przedstawiono perspektywy rozwoju elektrowni wiatrowych w Polsce wynikające z zainteresowania inwestorów (w tym potencjalnych) [1, 22]. 1 Czas wykorzystania mocy zainstalowanej jest miernikiem służącym do oceny stopnia wykorzystania zdolności wytwórczej elektrowni i jest obliczany jako stosunek rocznej ilości wyprodukowanej energii elektrycznej i mocy zainstalowanej elektrowni. 224 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29

2 Tabela 1. Moc zainstalowana i energia elektryczna wytworzona w koncesjonowanych instalacjach OZE w Polsce Rodzaj źródła Moc zainstalowana [MW] Energia wytworzona [MW h] Elektrownie na biogaz 36,76 45,699 54, , , ,469 Elektrownie na biomasę 238,79 255,39 231, , , ,32 Elektrownie wiatrowe 152,56 287,99 451, , , ,747 Elektrownie wodne 934,31 934,779 94, , , ,683 Współspalanie*) , , ,165 RAZEM 1362, , , , , ,384 *) Aktualnie jest realizowane w 33 jednostkach Rok Moc, MW Energia, GWh Czas w ykorzystania, h/a Czas wykorzystania mocy zainstalowanej, h/a drzewiastą (promieniową), a turbozespoły należące do danej grupy są przyłączone do linii kablowej średniego napięcia. Farma wiatrowa jest połączona z siecią elektroenergetyczną wysokiego napięcia za pośrednictwem transformatora sieciowego. Duże farmy wiatrowe są przyłączane do sieci wysokiego napięcia, ponieważ mają znaczne moce, nawet do setek MW. Sieć przesyłowa 4 kv (38 kv) Szw = 2 3 GV A Duże elektrownie systemowe Połączenia międzysystemowe Przesył na znaczne odległości SNT =,8 1 GV A SNTW 3 MV A Duże farmy wiatrowe morskie (offshore) Rys. 2. Moc zainstalowana, wytworzona energia elektryczna i czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych w Polsce w latach Tabela 2. Perspektywy rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce Wyszczególnienie Moc Liczba [MW] farm Farmy wiatrowe objęte promesami koncesji 1663, Moc przyłączeniowa i liczba farm wiatrowych, 5368 którym wydano warunki przyłączenia (w tym (133) do sieci przesyłowej) 119 (8) Moc i liczba farm wiatrowych, którym określono i uzgodniono zakresy wykonania ekspertyz Moc farm wiatrowych, dla projektów których Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A. udostępnił modele obliczeniowe wykonawcom ekspertyz ok Sieć przesyłowa 22 kv Szw = 1 25 GV A Elektrownie systemowe Połączenia i przesył SNT = 1 3 MV A Sieć rozdzielcza 11 kv Szw = 2 7,5 GV A Przesył i rozdział SNT = 1 5 MV A Sieci rozdzielcze SN (3 kv, 2 kv, 1 kv, 6 kv) Szw = 2 15 MV A Lokalny przesył i rozdział SNT = 1 63 kv A SNT =,3,6 GV A SNTW = 4 3 MV A Farmy wiatrowe SNTW =,2 5 MV A Turbozespoły wiatrowe lub grupy TW Wpływ elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny Możliwości włączenia elektrowni (farm) wiatrowych do systemu elektroenergetycznego wynikają przede wszystkim z ich mocy oraz lokalizacji (rys. 3). Sposób i poziom oddziaływania farm wiatrowych na system elektroenergetyczny obecnie zależy nie od konstrukcji samych turbozespołów wiatrowych, ale nade wszystko od sposobu ich przyłączania do systemu. Elektrownie wiatrowe są budowane w miejscach, gdzie występują dobre warunki wietrzne. Zazwyczaj jednak są to tereny, gdzie system elektroenergetyczny jest słabo rozwinięty, a parametry i struktura sieci oraz miejsce przyłączenia elektrowni wiatrowej mogą mieć duży wpływ na pracę elektrowni i poziom jej oddziaływania na sieć. Instalowane obecnie turbozespoły wiatrowe mają moce od 1 MW do 5 MW, dlatego żeby osiągać duże moce, muszą być łączone w elektrownie (farmy) wiatrowe. Na rys. 4 przedstawiono strukturę modelowej farmy wiatrowej (lądowej on-shore). Elektrownie (farmy) wiatrowe są podzielone na kilka grup składających się z kilku lub nawet kilkunastu jednostek. Sieć wewnętrzna farmy ma zwykle strukturę Sieci rozdzielcze nn (,4,8 kv) Szw 3 MV A Zasilanie odbiorców Rys. 3. Możliwości włączenia elektrowni wiatrowych w system elektroenergetyczny: S NTW znamionowa moc pozorna elektrowni (farmy) wiatrowej, S ZW moc zwarciowa, S NT moc znamionowa transformatora sprzęgającego Rys. 4. Struktura modelowej farmy wiatrowej SNTW 5 kv A Małe TW lub grupy TW PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29 225

3 Moc generowana przez elektrownię wiatrową nie jest stabilna [9, 16, 19]. Zmianom może ulegać także napięcie na szynach elektrowni wiatrowej. Jest to spowodowane głównie zmianami prędkości wiatru, opływającego łopaty wirnika, czego skutkiem jest zmiana momentu mechanicznego wirnika turbiny. Wahania mogą wystąpić przy gwałtownych podmuchach wiatru. Prędkość wiatru może się także nierównomiernie rozłożyć w obszarze wirnika - większe prędkości wiatru występują wtedy w górnej części wirnika. Obniżenie momentu mechanicznego może wstąpić też w momencie przejścia łopaty przed wieżą (shadow effect). Dodatkowo wszelkie drgania i oscylacje wieży oraz elementów konstrukcyjnych gondoli mogą mieć wpływ na pracę elektrowni w systemie elektroenergetycznym. Obecność przekształtników energoelektronicznych, a także wszelkie operacje łączeniowe, mogą wpłynąć na jakość energii elektrycznej, czego skutkiem są wahania, odchylenia i zapady napięcia w sieci elektroenergetycznej [1, 5, 9, 19]. Największe wahania mocy występują, kiedy elektrownia wiatrowa pracuje z obciążeniem częściowym. Ilustracją zmienności mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe są dane dotyczące farm wiatrowych w Niemczech europejskiego lidera w dziedzinie energetyki wiatrowej (rys. 5). Dobowa średnia moc generowana, MW JAN-8 1-JAN-8 19-JAN-8 28-JAN-8 6-FEB-8 15-FEB-8 24-FEB-8 4-mar-8 13-mar-8 22-mar-8 31-mar-8 9-APR-8 18-APR-8 27-APR-8 6-MAY-8 15-MAY-8 24-MAY-8 2-JUN-8 11-JUN-8 2-JUN-8 29-JUN-8 8-JUL-8 17-JUL-8 26-JUL-8 4-AUG-8 13-AUG-8 22-AUG-8 31-AUG-8 9-SEP-8 18-SEP-8 27-SEP-8 6-OCT-8 15-OCT-8 24-OCT-8 2-NOV-8 11-NOV-8 2-NOV-8 29-NOV-8 8-DEC-8 17-DEC-8 26-DEC-8 Rys. 5. Przykład zmienności mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe średnie dobowe moce generowane przez niemieckie elektrownie wiatrowe w 28 roku Można wyróżnić krótko i długookresową zmienność mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe, przy czym z punktu widzenia rezerw mocy w systemie elektroenergetycznym ważna jest zmienność krótkookresowa, obejmująca: zmienność sekundową wynikającą ze zmienności czynnika napędowego (turbulencje) i specyficznych właściwości silników wiatrowych. Zmienność sekundowa ma niewielkie znaczenie i nie stanowi zasadniczego problemu dla prowadzenia ruchu systemu; zmienność minutową czyli zmiany mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe, zachodzące w czasie od 1 minut do godziny. Zmienność minutowa jest istotna dla prowadzenia ruchu SEE. Dla pojedynczej farmy wiatrowej zmiany minutowe mogą wynieść nawet 1% jej mocy znamionowej (np. przy wyłączeniu z powodu nadmiernej prędkości wiatru). Przy większej liczbie farm zlokalizowanych na stosunkowo rozległym obszarze zmienność minutowa jest znacznie mniejsza; zmienność godzinową spowodowaną zmianą warunków atmosferycznych (ruchem ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta jest istotna dla planowania pracy SEE. Jest ona większa niż zmienność minutowa. Dla przykładu zarejestrowana maksymalna zmiana mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe w ciągu 4 12 godzin w Danii wyniosła prawie 6% mocy zainstalowanej, a w Niemczech aż 8%. Wskazana wyżej zmienność mocy generowanej przez Data elektrownie wiatrowe wpływa na konieczność utrzymywania w systemie elektroenergetycznym dodatkowych (w stosunku do stanu bez generacji wiatrowej) operacyjnych rezerw mocy obejmujących rezerwę sekundową, minutową i godzinową (klasyfikacja rezerw zgodna z IRiESP [6]). W przypadku wykorzystywanej w regulacji pierwotnej rezerwy sekundowej (o czasie aktywacji do 3 sekund od chwili wystąpienia zaburzenia bilansu mocy), niewielka zmienność sekundowa mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe powoduje, że jej wpływ na zwiększenie wymaganej rezerwy w systemie jest również niewielki. Dla przykładu szacuje się, że w systemie skandynawskim, który obejmuje systemy Szwecji, Finlandii i Norwegii oraz część systemu duńskiego, przy udziale energii elektrycznej produkowanej przez EW równym 1% zużycia rocznego, wzrost wymaganej rezerwy sekundowej jest równy,3% sumarycznej mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych. Z kolei badania wykonane dla systemu amerykańskiego stanu Idaho wskazują na nieco większy, około 1%, przyrost wymaganej rezerwy sekundowej będący efektem wprowadzenia generacji wiatrowej, przy czym należy zaznaczyć, że system Idaho jest znacznie mniejszy od systemu skandynawskiego. Zmienność minutowa mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe, większa niż zmienność sekundowa, skutkuje również większymi wymaganiami dotyczącymi dodatkowej minutowej rezerwy mocy wykorzystywanej w regulacji wtórnej (rezerwy o czasie aktywacji do 15 minut), przy czym obserwuje się stały wzrost tych wymagań w miarę zwiększania udziału generacji wiatrowej w systemie. Wspomniane już badania dla systemu Idaho wskazują, że w zależności od stosunku mocy zainstalowanej w EW do obciążenia szczytowego systemu, jest konieczne zwiększenie wymaganej rezerwy minutowej o wartość równą od kilku do kilkunastu procent sumarycznej mocy zainstalowanej w EW. Godzinowa zmienność prędkości wiatru jest m.in. przyczyną błędów prognozy dotyczących poziomu mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe, popełnianych podczas planowania pracy systemu elektroenergetycznego. Jest oczywiste, że błąd ten jest tym większy im dłuższy jest horyzont prognozy. Dla zneutralizowania skutków tych błędów jest konieczne utrzymywanie rezerwy godzinowej, która jest wykorzystywana w regulacji trójnej. Dla wspomnianego już systemu skandynawskiego, przy udziale energii elektrycznej produkowanej przez EW równym 1% zużycia rocznego, wzrost wymaganej rezerwy godzinowej jest równy 1,6 2,2% sumarycznej mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych. [MW] Z VET do PSE-O Z PSE-O do VET Fizyczne przepływy mocy w liniach PSE-O-VET Linia trendu mocy zainstalowanej niemieckich FW Rys. 6. Fizyczne przepływy mocy pomiędzy PSE Operator (PSE-O) i Vattenfall Europe Transmission (VET) a moc zainstalowana niemieckich elektrowni wiatrowych [12] [GW] PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29

4 Praca elektrowni wiatrowych w systemie elektroenergetycznym powoduje zmiany rozpływu mocy czynnej i biernej. Skutkiem tego są zmiany poziomów napięcia i strat mocy. Kolejne niepokojące zjawisko wiążące się ze zmianą rozpływu mocy, wywołane przez elektrownie wiatrowe, to wymuszone przepływy mocy pomiędzy sąsiednimi systemami, w jednym z których dynamicznie rozwija się energetyka wiatrowa (rys. 6). Małe farmy przyłączane do sieci wysokich napięć mają mały wpływ na system elektroenergetyczny. Natomiast duże farmy wiatrowe wpływają na poziomy napięć w węzłach systemu. Przyłączanie elektrowni wiatrowych do słabych sieci średniego napięcia może powodować powstawanie dużych wahań napięcia. Podczas pracy elektrowni wiatrowej w czasie niskiego zapotrzebowania na moc w systemie zostają odstawione duże konwencjonalne jednostki wytwórcze z generatorami synchronicznymi. Skutkiem tego jest ograniczenie możliwości regulacji mocy biernej, co skutkuje podwyższonymi napięciami w węzłach systemu elektroenergetycznego. W celu utrzymania ustalonego poziomu napięcia może być konieczne wyłączenie niektórych linii przesyłowych, a co za tym idzie pogorszenie niezawodności zasilania. Kompensacja mocy biernej (baterie kondensatorów) jest stosowana głównie dla elektrowni wyposażonych w generatory indukcyjne, gdyż pobierają one z sieci prąd magnesujący. Jest jednak ryzyko wystąpienia zjawiska samowzbudzenia generatorów indukcyjnych. Problemu tego nie ma w elektrowniach wiatrowych z generatorami asynchronicznymi dwustronnie zasilanymi, które pobierają moc bierną z sieci tylko w celach regulacyjnych. Do regulacji mocy biernej i napięcia mogą być wykorzystane elektrownie z generatorami synchronicznymi oraz wyposażone w przekształtnik energoelektroniczny. Kompensacja mocy biernej służy do utrzymania poziomu napięcia w węzłach sieci. Przyłączanie elektrowni wiatrowych ma znaczący wpływ na jakość energii elektrycznej: zmienność napięcia w punkcie przyłączenia elektrowni wiatrowych oraz odkształcenie krzywej napięcia. Zmienność napięcia jest spowodowana zmienną generacją mocy przez elektrownie wiatrowe oraz procesy łączeniowe. Wahania napięcia mogą być także wywołane przy załączaniu pojedynczej elektrowni do sieci przy wietrze o prędkości odpowiadającej mocy znamionowej oraz przy wyłączaniu pojedynczej elektrowni przy generowaniu mocy znamionowej. Zakłócenia mogą wystąpić także przy zrzucie mocy generowanej przez farmę wiatrową. Ważnym problemem jest generowanie wyższych harmonicznych prądu i napięcia przez elektrownie wiatrowe. Przepływ prądu odkształconego może powodować dodatkowe harmoniczne spadki napięcia, które skutkują odkształceniem przebiegu napięcia. Konsekwencją tego jest nagrzewanie elementów sieci a także ryzyko uszkodzenia aparatury łączeniowej oraz urządzeń u odbiorców. Źródłem wyższych harmonicznych podczas pracy elektrowni wiatrowych są głównie przekształtniki energoelektroniczne turbozespołów wiatrowych. Wpływ farm wiatrowych na jakość energii elektrycznej odczuwają odbiorcy przyłączeni do sieci elektroenergetycznej najbliżej miejsca przyłączenia elektrowni wiatrowych. Elektrownie, bądź całe farmy wiatrowe przyłączone do sieci wysokiego napięcia mają zazwyczaj mały wpływ na wahania napięcia (małe wskaźniki migotania). Natomiast już pojedyncza elektrownia przyłączona do sieci średniego napięcia może spowodować pogorszenie jakości energii elektrycznej. Zdolność elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia Wszystkie zaburzenia powodowane pracą elektrowni wiatrowych mogą mieć wpływ na niezawodność systemu elektroenergetycznego. Niezawodność systemu elektroenergetycznego to jego zdolność do zapewnienia zasilania odbiorcom energią elektryczną o określonych parametrach jakościowych. Niezawodność tę można rozpatrywać w dwóch aspektach: bezpieczeństwa i wystarczalności. Bezpieczeństwo to zdolność systemu do przeciwdziałania zakłóceniom i zachowania integralności, zaś wystarczalność to zdolność do pokrycia zapotrzebowania odbiorców, w każdej chwili, kiedy jest taka potrzeba [14, 15]. Duże farmy wiatrowe o mocach kilkudziesięciu a nawet kilkuset megawatów, przyłączane do sieci rozdzielczych 11 kv lub sieci przesyłowych najwyższych napięć mogą spowodować duże problemy w pracy tych sieci. Przy bardzo silnym wietrze elektrownie wiatrowe są wyłączane. Dodatkowo elementy systemu, jak inne jednostki wytwórcze, transformatory czy linie elektroenergetyczne mogą ulec awarii. Pogarsza się wystarczalność systemu, czego skutkiem jest obniżenie bezpieczeństwa. Przykładem zakłócenia w sieci elektroenergetycznej wywołanego przez elektrownie wiatrowe jest blackout, który wystąpił dnia o godzinie 22:1 na terenie Niemiec. Jedną z jego przyczyn była zbyt duża generacja mocy przez elektrownie wiatrowe, rzędu 33 MW. Polska także odczuła tę awarię. Od 21 roku obowiązuje dyrektywa nr 21/77/WE dotycząca wspierania produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii a od 24 roku dyrektywa nr 24/8/WE promująca wytwarzanie skojarzone energii elektrycznej i ciepła (kogenerację). Zwiększenie udziału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych i wytworzonej w skojarzeniu w rynku energii elektrycznej może mieć wpływ na wskaźniki charakteryzujące pracę systemu elektroenergetycznego, w tym wskaźniki niezawodności. Ze względu na krótki czas funkcjonowania rynku energii elektrycznej i niewielki w nim udział energii ze źródeł odnawialnych nie można wyciągnąć wniosków ze zgromadzonych danych statystycznych 2. Można jedynie przewidywać pewne zjawiska związane z charakterem pracy poszczególnych źródeł. W przypadku klasycznych elektrowni cieplnych ich dyspozycyjność jest dosyć duża - na ogół powyżej 9%, elektrownie te pracują stabilnie przez większą część roku. Inaczej sprawa wygląda przy produkcji energii ze źródeł odnawialnych, przeciętny roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych jest różny dla różnych lokalizacji i różnych krajów. Wartości zawierają się, dla elektrowni na lądzie, w przedziale od 17 do 3 h/rok (średnia dla Hiszpanii to 2342, Danii - 23, Wielkiej Brytanii 26) 3. Specyfika niezawodności jednostek wytwórczych elektrowni wiatrowych jako elementów systemu elektroenergetycznego polega na: Występowaniu stanu niezdatności do produkcji energii z powodu awarii samego turbozespołu wiatrowego (silnika wiatrowego, generatora, układu sterowania itp.) Parametrem jest tutaj wskaźnik awaryjności FOR a, wyznaczany analogicznie jak dla klasycznego bloku energetycznego [13, 14]. Występowaniu stanu niezdatności do produkcji energii z 2 3 W przypadku elektrowni wiatrowych istotne znaczenie ma ich lokalizacja, wskaźniki dla poszczególnych elektrowni mogą się znacznie różnić, przy braku obszernej bazy danych można tylko w przybliżeniu spodziewać się pewnych zjawisk. Jak widać z rys. 2 polskie warunki wiatrowe nie są najlepsze. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29 227

5 powodu prędkości wiatru wykraczającej poza wartości użyteczne 4. Wskaźnik tego stanu - FOR w jest wyznaczany na podstawie statystyki czasów postoju z powodów jak wyżej. Zmienności mocy generowanej zdolności wytwórczej turbozespołu wiatrowego. Obrazem tej zmienności jest rozkład prawdopodobieństwa mocy generowanej w określonym przedziale czasu P gen (, t), który może być wyznaczony na podstawie statystyki z przeszłości lub oszacowany na podstawie rozkładu prędkości wiatru i charakterystyki (krzywej mocy) turbozespołu wiatrowego. Planowych wyłączeniach elektrowni w celu dokonania profilaktyki, remontu lub/i innych czynności eksploatacyjnych. Parametrem jest wskaźnik SOF w wyznaczany analogicznie jak SOF dla klasycznego bloku energetycznego [13, 14]. W przypadku elektrowni wiatrowej wskaźnik postoju w rezerwie można pominąć. W dwustanowym modelu niezawodności elektrowni wiatrowej jako wskaźnik zawodności FOR aw można przyjąć sumę FOR a i FOR w. Problemem jest wartość charakterystyczna mocy (zdolności wytwórczej) wiatrowego bloku energetycznego, która powinna być przyjmowana w obliczeniach niezawodności, a w szczególności przy analizie możliwości pokrycia szczytowego obciążenia systemu. Elektrownie wiatrowe należy traktować jako źródła energii a nie mocy, ze względu na przypadkowy charakter ich pracy nie można liczyć na ich udział w pokrywaniu zapotrzebowania w czasie szczytu systemu. Ta charakterystyczna wartość mocy nie może być analogią mocy osiągalnej stosowanej w przypadku bloków cieplnych, gdzie z definicji jest ona stała w czasie i bliska mocy zainstalowanej. W przypadku energetycznego bloku wiatrowego moc obliczeniową, charakteryzującą jego zdolność wytwórczą można przyjąć mniej lub bardziej arbitralnie, albo ściślej, korzystając z rozkładu prawdopodobieństwa P gen (, t). Można np. przyjąć wartość oczekiwaną tego rozkładu jako moc obliczeniową bloku wiatrowego. (1) P o = E[P gen (, t)] UCTE (Union for Co-ordination of Transmission of Electricity) w swoich bilansach mocy i ocenach niezawodności używa pojęcia mocy wytwórczej niewykorzystywalnej (nie do wykorzystania) non-usable capacity, przez którą rozumie tę część zdolności wytwórczej, którą nie można swobodnie dysponować z różnych powodów: chwilowej niedostępności energii pierwotnej (elektrownie wodne, farmy wiatrowe), redukcji zdolności do wytwarzania energii elektrycznej w wyniku realizacji przez elektrownię wielofunkcyjną innego zadania o wyższym priorytecie (wytwarzanie ciepła przez elektrociepłownię, regulacja gospodarki wodnej przez elektrownię wodną, itp.), braku możliwości wykorzystania elektrowni rezerwowych, braku dostatecznych ilości wody chłodzącej, itd. Uwzględnienie probabilistycznej charakterystyki wiatru i krzywej mocy turbozespołu wiatrowego prowadzi do wielostanowego modelu niezawodnościowego wiatrowej jednostki wytwórczej. Przykład takiego modelu podano na rys. 7. Moc generowana, MW 1,75 1,5 1,25 1,,75,5,25, Stany mocy generowanej Moc generowana Rys. 7. Przykład wielostanowego modelu niezawodnościowego wiatrowej jednostki wytwórczej (turbozespół wiatrowy o mocy znamionowej 1,5 MW - 6 stanów prędkości wiatru, 4 stany mocy generowanej) Często w pracach studialnych dotyczących integracji energetyki wiatrowej w systemie elektroenergetycznym autorzy próbują szukać odpowiedzi na pytanie w jakim stopniu moc zainstalowana w elektrowniach wiatrowych przyczynia się do gwarantowania pokrycia maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną. W teorii niezawodności systemów elektroenergetycznych ta moc gwarantowana nosi nazwę efektywnej zdolności elektrowni do pokrywania obciążenia (effective load carrying capability - ELCC) [2]. Parametr ten (wyrażony w jednostkach względnych lub w %) wskazuje w systemie elektroenergetycznym jaka część mocy zainstalowanej w elektrowniach danego typu (np. wiatrowych) może być uznane za moc dyspozycyjną do pokrycia zapotrzebowania szczytowego. W przypadku elektrowni wiatrowych ich zdolność do pokrywania obciążenia ( moc gwarantowana ) jest nazywana capacity credit i jest kluczowym parametrem dla charakterystyki ich niezawodności. Istnieje wiele definicji i podejść do wyznaczania zdolności elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia [3-4, 23-24]. Zwykle oblicza się zdolność elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia wykorzystując metody probabilistyczne, w których wyznacza się wartość odpowiedniego wskaźnika niezawodności systemu elektroenergetycznego (np. oczekiwany czas niepokrycia zapotrzebowania LOLE, prawdopodobieństwo niepokrycia zapotrzebowania szczytowego LOLP s, wskaźnik niedyspozycyjności energetycznej EIU, wskaźnik zapewnienia energii EIR itp. [13-14]) dla dwóch systemów: pierwszego - bez dodatkowej zdolności wytwórczej jednostek energetyki wiatrowej, drugiego z dodatkową zdolnością wytwórczą jednostek energetyki wiatrowej. W obu systemach musi być uzyskany ten sam poziom niezawodności systemu elektroenergetycznego - taka sama wartość wskaźnika niezawodności (LOLE, LOLP s, EIU, EIR itp.). Zdolność elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia może być wyznaczona z następującego równania: ZWz ZWbez (2) CC P EW,7,6,5,4,3,2,1, Prawdopodobienstwo Prawdopodobieństwo 4 Dla elektrowni wiatrowej wartości użytecznych (roboczych) prędkości wiatru należą do przedziału: od prędkości startu instalacji (umożliwiająca rozruch) tzw. prędkość załączenia (startu) z do prędkości, powyżej której urządzenie powinno być wyłączone ze względu na bezpieczeństwo tzw. prędkość wyłączenia (odcięcia) w. gdzie: CC wyrażona w jednostkach względnych zdolność elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia; ZW z całkowita zdolność SEE do pokrywania obciążenia, obliczona z uwzględnieniem mocy zainstalowanej w jednostkach wiatrowych, MW; ZW bez całkowita zdolność SEE do pokrywania obciążenia, obliczona bez 228 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29

6 uwzględnienia mocy zainstalowanej w jednostkach wiatrowych, MW; P EW - moc zainstalowana (osiągalna) jednostek wiatrowych, MW. Przykład zastosowania zależności (2) pokazano na rysunku 8 dla danych krajowych systemowych jednostek wytwórczych [13] (1 jednostek wytwórczych o łącznej mocy zainstalowanej 2743 MW). Jako dodatkową moc wytwórczą energetyki wiatrowej przyjęto 5 jednostek o mocy osiągalnej 2 MW oraz prawdopodobieństwie stanu dyspozycyjności,25. Rozważana dodatkowa zdolność wytwórcza elektrowni wiatrowych P EW = 1 MW. Do oceny niezawodności wytwarzania energii elektrycznej w SEE zastosowano program ONW w wersji dla Windows [13-14]. Otrzymane, w obu przypadkach, dystrybuanty zdolności wytwórczej (mocy dyspozycyjnej) systemu zostały przedstawione na rys. 8. Posłużyły one do wyznaczenia zdolności systemu do pokrywania obciążenia, odpowiadających temu samemu poziomowi niezawodności wytwarzania w SEE (prawdopodobieństwo niepokrycia zapotrzebowania szczytowego LOLP s =,1). przedziale 1-35% mocy zainstalowanej i zależy głównie od warunków wiatrowych oraz od udziału energetyki wiatrowej w mocy zainstalowanej systemu (penetration). Zagadnienia capacity credit są przedmiotem wielu prac badawczych dotyczących integracji energetyki wiatrowej z poszczególnymi systemami elektroenergetycznymi [3-4, 23-24]. Na rys. 9 przedstawiono zależności zdolności elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia od udziału energetyki wiatrowej w różnych systemach elektroenergetycznych [23]. Rys. 9. Zdolność energetyki wiatrowej do pokrywania zapotrzebowania na moc systemu Rys. 8. Ilustracja sposobu wyznaczania zdolności elektrowni wiatrowych do pokrywania obciążenia na przykładzie krajowych elektrowni systemowych, z wykorzystaniem programu ONW (metoda rekursywna) i wskaźnika LOLP s W rozpatrywanym przypadku, przy przyjętych założeniach, zdolność wytwórcza elektrowni wiatrowych wynosi: (3) CC, 25 1 Oznacza to, że dodanie do krajowego podsystemu wytwórczego cieplnych elektrowni systemowych 1 MW mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych podniesie jego zdolność do pokrywania obciążenia o 25 MW. Powyższy przykład ma znaczenie jedynie ilustracyjne, ponieważ zastosowano w nim tylko dwustanowe modele niezawodności jednostek wytwórczych, zarówno systemowych (cieplnych), jak też wiatrowych (odnawialnych). Również prawdopodobieństwo stanu dyspozycyjności wiatrowej jednostki wytwórczej zostało przyjęte na podstawie oszacowania. Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, by uwzględnić wielostanowe modele niezawodności jednostek wytwórczych (w szczególności wiatrowych, np. jak pokazany na rys. 7) oraz rzeczywiste (z danych statystycznych) wartości ich parametrów. Z powodu zmienności prędkości wiatru moc gwarantowana elektrowni wiatrowych jest zdecydowanie niższa niż dla innych technologii wytwarzania energii elektrycznej. Niemniej jednak istnieje pewna część mocy zainstalowanej w energetyce wiatrowej, która bierze udział w pokryciu zapotrzebowania na moc systemu. Dla elektrowni wiatrowych moc dyspozycyjna zawiera się w Względna wartość zdolności do pokrywania obciążenia ( mocy gwarantowanej ) maleje od wartości w przybliżeniu równej średniemu stopniowi wyzyskania mocy zainstalowanej 5 (25-35%) w sytuacji niewielkiego udziału mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych w całkowitej mocy zainstalowanej systemu, do około 1-15% w sytuacji znacznego udziału mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych. Podsumowanie Obserwuje się duże zainteresowanie inwestorów energetyką wiatrową elektrowniami wiatrowymi jako technologią wytwarzania energii elektrycznej. Jednak dość często inwestorzy skarżą się na szereg barier natury organizacyjnej, infrastrukturalnej, formalnoprawnej i kapitałowej. Część z nich, w tym dość wysokie wymagania związane z uzyskaniem warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej [6-7, 2] i wykonaniem ekspertyzy wpływu przyłączanej elektrowni wiatrowej na system elektroenergetyczny, wydaje się być uzasadniona. Rozwój energetyki wiatrowej może przynieść znaczący i szybki wzrost zdolności wytwórczych krajowego systemu elektroenergetycznego. Nie będzie to jednak wzrost ani tak znaczący i szybki jak by oczekiwali inwestorzy, ani tak niewielki i powolny jak by oczekiwali oponenci tej technologii wytwarzania energii elektrycznej. Nadal otwarte pozostaje też pytanie w jakim stopniu tak uzyskany wzrost zdolności wytwórczych krajowego systemu elektroenergetycznego przełoży się na jego zdolność do pokrywania zapotrzebowania odbiorców na moc i energię elektryczną, czyli na tzw. bezpieczeństwo elektroenergetyczne. LITERATURA [1] A ckerman T. (editor): Wind Power in Power Systems. John Wiley & Sons. Chichester 25. [2] B illinton R., A llan R.N.: Reliability Evaluation of Power Systems, second ed. Plenum Press, New York Określony przez iloraz rocznego czasu wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni i czasu rocznego (876 h). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29 229

7 [3] D A nnunzio C., S a n t o so S: Noniterative Method to Approximate the Effective Load Carrying Capability of a Wind Plant. IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol. 23, No. 2, June 28. [4] Energy Management Planning for the Integration of Wind Energy into the Grid in Germany, Onshore and Offshore by 22, Final report. Study commissioned by Deutsche Energie- Agentur GmbH (dena). Cologne, 24 February 25. [5] H e i e r S.: Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. J. Wiley & Sons. West Sussex. England [6] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej. PSE- Operator SA. Warszawa, listopad 27. [7] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. ENEA- Operator Sp. z o.o., 27; ZEW-T Dystrybucja Sp. z o.o., 28. [8] Large scale integration of wind energy in the European power supply: analysis, issues and recommendations. European Wind Energy Association. December 25, [9] Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT. Warszawa 26. [1] M u r a s Z.: Odnawialne źródła energii - funkcjonujący system wsparcia rola i zadania Prezesa URE. XII Międzynarodowa Konferencja N-T Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce. Kazimierz Dolny, 18-2 marca 29.[11] Ocena możliwości rozwoju i potencjału energetyki wiatrowej w Polsce do roku 22. Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej. [12] P a p roc ki R.: Wpływ energetyki wiatrowej na pracę KSE. Seminarium SSE KE PAN Elektroenergetyka rozproszona. Warszawa, 21 listopada 28. [13] P a ska J.: Ocena niezawodności podsystemu wytwórczego systemu elektroenergetycznego. Prace Naukowe Elektryka, z. 12. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 22. [14] P a ska J.: Niezawodność systemów elektroenergetycznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 25. [15] P a ska J.: Analysis and evaluation of electric power system reliability. Przegląd Elektrotechniczny. Nr 7, 28. [16] P a ska J., S u rm a T., S ał ek M.: Elektrownie wiatrowe - wybrane aspekty budowy. Inżynier budownictwa. Nr 9, 26. [17] P a ska J., S urma T., S ał ek M.: Wytwarzanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w Unii Europejskiej. Energetyka. Nr 1(643), styczeń 28. [18] P a ska J., Surma T., S a ł ek M.: Current status and perspectives of renewable energy sources in Poland. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 13, No 1, 29. [19] P rzyg rodzki M., S i wy E.: Współpraca źródeł wiatrowych z systemem elektroenergetycznym. Rynek Energii. Zeszyt tematyczny Nr 2, 29. [2] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 27 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz. U. 27 r. Nr 93, poz. 957; 28 r. Nr 3, poz. 178; 28 r. Nr 162, poz. 15. [21] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 28 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Dz. U. Nr 156, poz [22] S z wed C.: Wpływ energetyki wiatrowej na rozwój systemu przesyłowego. Seminarium SSE KE PAN Elektroenergetyka rozproszona. Warszawa, 21 listopada 28. [23] V a n H ulle F.: Integration of wind energy in Europe s power systems. Future of wind power market in Poland. March 26. [24] V o o rspools K.R., D h a es eleer W.D.: An analytical formula for the capacity credit of wind power. Renewable Energy. 31 (26). Autor: prof. dr hab. inż. Józef Paska, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, -662 Warszawa, E- mail: Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl 23 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/29