OCENA WPŁYWU GENERACJI PV NA SKUTECZNOŚĆ REGULACJI NAPIĘCIA W SIECIACH NISKIEGO NAPIĘCIA

Transkrypt

1 OCENA WPŁYWU GENERACJI PV NA SKUTECZNOŚĆ REGULACJI NAPIĘCIA W SIECIACH NISKIEGO NAPIĘCIA Autorzy: Robert Jędrychowski, Paweł Pijarski, Sylwester Adamek, Klara Sereja ( Rynek Energii 3/2018) Słowa kluczowe: mikrogeneracja, regulacja napięcia Streszczenie. Rozwój energetyki prosumenckiej oraz pojawienie się nowych urządzeń, takich jak inwertery dla instalacji PV w sieci nn, stwarza nowe wyzwania oraz możliwości techniczne. Coraz większa liczba instalacji PV, z jednej strony prowadzi do pojawienia się w sieci niskiego napięcia zjawisk występujących do tej pory w sieciach wyższych napięć, a z drugiej wymusza stosowanie bardziej rozbudowanych metod kontroli nad jej pracą. Zjawiska, powodujące zmiany rozpływów mocy oraz pogorszenie parametrów jakości energii, które stwarzają potencjalne zagrożenia dla urządzeń pracujących w sieci, zmuszają operatora do podjęcia działań zaradczych. Może to być kontrola pracy tych fragmentów sieci, w których zainstalowano dużą liczbę mikroźródeł o relatywnie dużej mocy oraz stosowanie dodatkowych metod regulacji ich pracy. Źródło energii, współpracujące z siecią może łagodzić lub potęgować zagrożenia spowodowane nadmierną generacją lub dużymi obciążeniami występującymi okresowo. Celem artykułu jest przeprowadzenie analizy wpływu regulacji mocy czynnej i biernej na pracę sieci nn oraz pokazanie wpływu różnych metod regulacji na wartość napięcia w wybranych węzłach sieci. 1. WSTĘP Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia były budowane z przeznaczeniem do dystrybucji energii elektrycznej z sieci wyższego napięcia do odbiorców końcowych. Zakładano, że przepływ mocy będzie w nich jednokierunkowy - od stacji SN/nn do odbiorcy. Obserwowane zainteresowanie prosumentów inwestowaniem we własne mikroinstalacje wytwórcze zmienia warunki pracy sieci. Ze względu na wykorzystanie źródeł odnawialnych [18], [19], głównie fotowoltaicznych, na profile obciążenia odbiorów nakłada się generacja mikroinstalacji Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania., [7]. W przypadku, gdy generowana moc jest zużywana lokalnie w sieci nn występuje zmniejszenie strat mocy i spadków napięcia. Problemy mogą się pojawić w przypadku, gdy generowana moc mikroinstalacji będzie dużo większa w stosunku do mocy aktualnie pobieranej przez odbiorniki. Przy jednoczesnym niedopasowaniu sieci do jej przyjęcia, powoduje to przekroczenia napięciowe (podskoki napięcia w węzłach sieci) oraz przekroczenia prądowe (przeciążenia linii i transformatorów SN/nn). Problemy zostały zauważone przez operatorów sieci dystrybucyjnych i w związku z tym zrealizowano prace badawcze mające na celu opracowanie metod i środków prowadzących do likwidacji zagrożeń. Przykładem takich prac były badania zrealizowane na zamówienie Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej przez Politechnikę Lubelską. W wyniku prac zaproponowano szereg możliwych zabiegów w celu opanowania zagrożeń [1].

2 W niniejszym referacie autorzy postanowili dokładniej zbadać możliwości wykorzystania standardowych funkcji falowników PV, czyli możliwości programowania różnych charakterystyk mocy biernej oraz charakterystyk ograniczenia mocy czynnej. 2. MOŻLIWOŚCI REGULACYJNE FALOWNIKOW INSTALACJI PV Stosowane obecnie falowniki do instalacji fotowoltaicznych są budowane wg ściśle określonych wymagań. W większości przypadków falowniki pozwalają na programowanie charakterystyk generowanej mocy biernej lub współczynnika mocy w funkcji napięcia lub mocy czynnej generowanej oraz ograniczenie mocy czynnej także na podstawie charakterystyki lub informacji przesłanej z nadrzędnego układu sterowania. Z uwagi na to, że przy przesyle mocy generowanej w instalacji fotowoltaicznej poprzez sieć niskiego napięcia zachodzą zjawiska analogiczne do występowania spadków napięcia, w pewnym zakresie można wykorzystać możliwości falowników do regulacji napięcia w sieci poprzez zmianę jego mocy biernej oraz przez zmianę mocy czynnej (w praktyce przez ograniczenie generacji mocy czynnej) [1]. Rys. 1 Efekt działania zabezpieczeń nadnapięciowych falownika PV przebieg wartości skutecznej napięcia [1] Najbardziej oczywistym sposobem ograniczenia podskoku napięcia jest ograniczenie mocy czynnej źródła. Metoda ta jednak wiąże się z pogorszeniem efektywności instalacji PV oraz zmniejsza zyski prosumentów. Ponadto, w najprostszym wydaniu, czyli działaniu zabezpieczenia na podstawie kryterium nadnapięciowego, źródło jest wielokrotnie włączane i wyłączane a w sieci występują duże, wolnozmienne wahania napięcia (rys. 1).

3 Znacznie lepsze i bardziej stabilne warunki pracy falownika i sieci uzyskuje się w przypadku stosowania ograniczenia mocy przez układ nadrzędny lub przez działanie charakterystyki ograniczenia mocy czynnej, np. wg rys. 2 [1]. P [kw] 7,5 kw 1,5 kw U [V] Rys. 2 Przykładowa charakterystyka P(U) zaprogramowana w falowniku instalacji PV [1] Jak wcześniej wspomniano, metody regulacji napięcia, bazujące na ograniczeniu mocy instalacji PV, zawsze obniżają efektywność instalacji PV, co w konsekwencji może prowadzić do protestów inwestorów lub konieczności rekompensowania im strat ze względu na zmniejszenie przychodu. Z punktu widzenia efektywności mikroźródła należy poszukiwać i dążyć do wykorzystania innych metod regulacji napięcia. W przypadku poszukiwania metod bezinwestycyjnych, czyli niewymagających ponoszenia znacznych nakładów na przebudowę sieci lub instalowanie w niej specjalnych urządzeń (np. transformatorów SN/nn z podobciążeniową regulacją zaczepów), istnieje pewna możliwość ograniczania napięcia poprzez zmianę rozpływu mocy biernej. Należy przy tym na wstępie zaznaczyć, że w przypadku sieci nn ze względu na ich specyfikę (duży stosunek R/X) nie będzie to sposób tak efektywny jak w przypadku sieci wyższych napięć. SN cosj = 1 cosj (P) cosj (P) Q g (U) strefa I strefa II strefa III Rys. 3. Linia niskiego napięcia z przyłączonymi mikroinstalacjami i wyróżnionymi trzema strefami dla ustalenia trybów generacji mocy biernej

4 niedowzbudzenie przewzbudzenie W pracy [4] zaproponowano podział linii nn na 3 strefy (rys. 3). Dla strefy I, bliskiej stacji transformatorowej, dla której efekt podbicia napięcia oraz efektywność regulacji przez zmianę rozpływu mocy biernej jest niewielki, zalecany tryb pracy to cosφ =1. Dla strefy II (pośredniej) proponuje się stosowanie charakterystyki cosφ = f(p) (rys. 4), tak by dla większych mocy następował zwiększony pobór mocy biernej. cos j 0,9/0,95* 1 0,2 0,5 1 P/P Emax 0,9/0,95* Rys. 4 Charakterystyka Q =f(p) rekomendowana dla trybu pracy mikroinstalacji w strefie II Dla strefy III (najdalszej), dla której podbicie napięcia będzie najbardziej odczuwalne, a równocześnie, dla której może następować okresowe pogorszenie warunków napięciowych, zalecono stosowanie charakterystyki Q = f(u) (rys. 5). Qg [kvar] Qmax gen U prog2 Umax U min U prog1 U z U [kv] Qmax pob Rys. 5. Charakterystyka Q(U) rekomendowana dla trybu pracy mikroinstalacji w strefie III Podstawą wyboru poszczególnych stref może być wyznaczona pomiarowo impedancja pętli zwarcia, natomiast parametry charakterystyk są uzależnione od możliwości falownika oraz wymagań operatorów sieci dystrybucyjnych.

5 U, kv 3. WYNIKI BADAŃ DLA SIECI TESTOWEJ W celu przeprowadzenia analizy zamodelowany został fragment sieci składający się z transformatora SN/nn oraz jednego obwodu nn o długości lobw równej 800 m. W obwodzie umieszczono cztery węzły (w odległości 200 m od siebie każdy), do których przyłączono obciążenia (rys. 6). Rys. 6. Schemat sieci testowej Dla uproszczenia rozważań przyjęto założenie, że węzły w poszczególnych obwodach są rozłożone równomiernie na całej długości i obciążone taką samą mocą. W modelach uwzględniono rezystancję i reaktancję linii (choć dla linii nn często reaktancja jest pomijana). Przyjęto również stałą wartość współczynnika mocy równą 0,93 (indukcyjny) dla wszystkich obciążeń. W rozważaniach założono, że analizowana sieć niskiego napięcia wykonana została przewodem: AsXSn 0,6/1 kv o przekroju 50 mm 2, AsXSn 0,6/1 kv o przekroju 95 mm 2. W obu przypadkach, oprócz obliczeń związanych z regulacją napięcia, sprawdzano także ograniczenie możliwości przesyłu mocy, wynikające z dopuszczalnej obciążalności prądowej przewodów P, kw Węzeł nr 1 Węzeł nr 2 Węzeł nr 3 Węzeł nr 4 Rys. 7. Zależność U max(p) przy Q=0 kvar dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2

6 U, kv U, kv P, kw Węzeł nr 1 Węzeł nr 2 Węzeł nr 3 Węzeł nr 4 Rys. 8. Zależność U max(p) przy Q=0 kvar dla linii wykonanej przewodem o przekroju 95 mm 2 Każdorazowo przyjmowano równomierny podział obciążeń pomiędzy węzły sieci. Napięcie zadane na szynach nn w stacji SN/nn założono równe 420 V. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń uzyskano wyniki, które przedstawiono na wykresach. Rys. 7 i 8 pokazuje zależność Umax(P) przy Q=0 kvar odpowiednio dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2 i 95 mm 2. Rys. 9 i 10 pokazuje zależność Umax(P) przy Q=-20 kvar odpowiednio dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2 i 95 mm P, kw Węzeł nr 1 Węzeł nr 2 Węzeł nr 3 Węzeł nr 4 Rys. 9. Zależność U max(p) przy Q=-20 kvar dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2

7 U, kv P, kw Węzeł nr 1 Węzeł nr 2 Węzeł nr 3 Węzeł nr 4 Rys. 10. Zależność U max(p) przy Q=-20 kvar dla linii wykonanej przewodem o przekroju 95 mm 2 Z wykresów wynika, że praca źródła z Q = -20 kvar nie pozwala zmniejszyć napięcia do wartości poniżej 440 V dla linii wykonanej przewodem o przekroju sieci 50 mm 2. W kolejnym kroku sprawdzono zatem skuteczność działania charakterystyki z rys. 5. Przyjęto, że Umin=400 V, Uprog1=410 V, Uzad=420 V, Uprog2=430 V, Umax=440 V. Rys. 11 i 12 pokazują zależność U(t) oraz P(t) i Q(t) przy uwzględnieniu charakterystyki Q(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2. Założono, że moc zmienia się w ciągu 8 godzin od wartości 0 do 40 kw. Dla lepszej prezentacji wyników wykresy odpowiadają uporządkowanym mocom źródła od wartości minimalnej do maksymalnej. Obliczenia wykonano dla ostatniego węzła (nr 4). Rys. 11. Zależność U(t) przy uwzględnieniu charakterystyki Q(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2

8 Rys. 12. Zależność Q/P(t) przy uwzględnieniu charakterystyki Q(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2 Z wykresów wynika, że praca źródła przy uwzględnieniu charakterystyki Q(U) nie pozwala zmniejszyć napięcia do wartości poniżej 440 V. W kolejnym kroku sprawdzono zatem skuteczność działania charakterystyk z rys. 2 i 5 jednocześnie. Dla charakterystyki Q(U) przyjęto, że Umin=400 V, Uprog1=410 V, Uzad=420 V, Uprog2=430 V, Umax=440 V. W przypadku charakterystyki P(U) przyjęto, że Uprog1=420 V i Uprog2=440 V. Rys. 13 i 14 pokazują zależność U(t) oraz P(t) i Q(t) przy uwzględnieniu charakterystyk Q(U) i P(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2. Rys. 13. Zależność U(t) przy uwzględnieniu charakterystyk Q(U) i P(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2 Z rys 13 i rys. 14 wynika, że jednoczesne zastosowanie charakterystyk Q(U) i P(U) pozwala uzyskać pożądany efekt, czyli obniżenie napięcia do wartości dopuszczalnej.

9 Rys. 14. Zależność Q/P(t) przy uwzględnieniu charakterystyk Q(U) i P(U) dla linii wykonanej przewodem o przekroju 50 mm 2 4. PODSUMOWANIE Obserwacje prowadzone dla krajowych sieci [4] wskazują, że występowanie przekroczeń napięciowych może pojawiać się w przypadku masowych inwestycji w źródła fotowoltaiczne na niewielkim obszarze, co może zdarzać się przy realizacji gminnych programów instalacji OZE. Oczywistym sposobem likwidacji przekroczeń jest przebudowa sieci, jednak jest to zadanie kosztowne i uciążliwe. Nowoczesne falowniki stosowane w instalacjach fotowoltaicznych mają szereg właściwości pozwalających, przy odpowiednim zaprogramowaniu, na pracę bez ryzyka powodowania przekroczeń napięciowych w sieciach. Odpowiada to wymaganiom stawianym w normach i przepisach [5], [6], [8], [9], [10], [11], [12]. Wykorzystanie tych możliwości pozwala na bezinwestycyjne, z punktu widzenia OSD, likwidowanie ryzyka przekroczeń napięciowych. Przeprowadzone analizy wykazały, że ze względu na specyfikę sieci niskiego napięcia regulacja napięcia poprzez zmianę rozpływu mocy biernej ma ograniczone możliwości. W pewnym zakresie jest możliwe opanowanie przekroczeń przez wymuszenie poboru mocy biernej przez falowniki PV, jednak w celu całkowitego wyeliminowania ryzyka przekroczeń prowadzących do działania zabezpieczeń nadnapięciowych powinno się uaktywniać także charakterystyki ograniczenia mocy czynnej (rys. 2). Ograniczenie mocy czynnej źródeł prowadzi do zmniejszenia produkcji energii, ale jednocześnie eliminuje potrzebę całkowitego odstawiania mikroinstalacji w warunkach dużego nasłonecznienia, eliminuje zagrożenia uszkodzenia urządzeń zainstalowanych u odbiorców ze względu na zbyt wysokie napięcie oraz ryzyko pogorszenia jakości napięcia przez niestabilną pracę układów zabezpieczeniowych falowników.

10 Omawiane metody wymagają wprowadzenia przepisów prawnych pozwalających OSD na uzgodnienie z prosumentem charakterystyki pracy inwerterów w jego mikroinstalacji, z uwzględnieniem możliwości jej zmian dynamicznych. LITERATURA [1] Kacejko P., Adamek S., Wancerz M., Jędrychowski R.: Ocena możliwości opanowania podskoków napięcia w sieci nn o dużym nasyceniu mikroinstalacjami fotowoltaicznymi. Wiadomości Elektrotechniczne 2017 R. 85, nr 9, s [2] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz po bitwie. Rynek Energii, Nr 2 (117) 2015, s [3] Jędrychowski R., Pijarski P., Adamek S.: Monitorowanie wpływu mikroinstalacji prosumenckich na parametry elektryczne sieci nn, Rynek Energii Elektrycznej: Energetyka Rozproszona; [Red:] Połecki Zbigniew - Lublin: Politechnika Lubelska, 2016, s (Monografie - Politechnika Lubelska) [4] Kacejko P. i inni: Raport z pracy badawczej Wpływ mikroinstalacji na parametry jakościowe energii elektrycznej ze szczególnym uwzględnieniem analizy poziomów napięcia w sieci nn wykonanej na zamówienie PTPiREE. Politechnika Lubelska, Lublin [5] IEEE P1547 Standard for Distributed Resources Interconnected with Electric Power Systems. [6] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej dokumenty zamieszczone na stronach internetowych spółek dystrybucyjnych. [7] Kacejko P.: Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2004 r. [8] PN-EN Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. [9] Guide to the Installation of Photovoltaic Systems, Electrical Contractors Association ( ECA ), London [10] VDE_AR_N 4105: Power generation systems connected to the low-voltage distribution network (wersja angielska). [11] Dokument - Network Code Requirements for Generators przyjęty w formie rozporządzenia Komisji UE 2016/631 z dnia r. [12] PN-EN Wymagania dotyczące równoległego przyłączania mikrogeneratorów do publicznych sieci rozdzielczych.

11 ASSESSMENT OF PV GENERATION IMPACTS ON VOLTAGE REGULATION EFFECTIVITY IN LV NETWORK SYSTEMS Key words: microgeneration, voltage regulation Summary: Development of prosumer energy generation as well as implementation of novel devices such as PV panel inverters in LV network systems pose new challenges and provide new technological opportunities. In LV networks, ever growing number of solar PV systems brings about the occurrence of phenomena that are characteristic for higher voltage grids. On the other hand, it imposes the application of more advanced methods for the network operation control. The occurrence of phenomena that produce changes in the load flow and deterioration of power quality parameters and thereby pose a potential hazard to the operation of the network equipment impels the network operator to take remedial actions. Those actions can consist in stricter supervision over the operation of those parts of the network, where many microgeneration sources of relatively high power are installed and implementation of supplementary methods for the control of their performance. Energy sources that cooperate with the network system can mitigate or intensify hazards resulting from excess generation or periodically occurring high load demand. The objective of the present article is to analyze the impact of active and reactive power regulation on the network system operation as well as to show the influence of various regulation methods on voltage values in selected nodes of the grid. Robert Jędrychowski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, r.jędrychowski@pollub.pl. Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, p.pijarski@pollub.pl. Sylwester Adamek, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, s.adamek@pollub.pl. Klara Sereja, mgr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, k.sereja@pollub.pl.