Analiza wpływu lokalnego źródła energii na planowanie pracy elektroenergetycznej sieci rozdzielczej na wybranym przykładzie

Transkrypt

1 Michał Salwa 1, Sylwester Filipiak 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Analiza wpływu lokalnego źródła energii na planowanie pracy elektroenergetycznej sieci rozdzielczej na wybranym przykładzie 1. Wprowadzenie Energia elektryczna stała się jednym z podstawowych surowców i ciężko obecnie wyobrazić sobie reperkusje związane z nagłym jej brakiem. Stąd też tak istotne jest zapewnienie bezpieczeństwa i ciągłej dostawy energii do użytkowników końcowych. Dodatkowym kłopotem jest również brak możliwości składowania dużych ilości tego surowca i koniecznością bilansowania energii wytwarzanej i energii dostarczanej w związku z zależnością tej proporcji na parametry jakościowe energii elektrycznej [1, 2, 3]. Wzrost popularności i rosnąca liczba odnawialnych źródeł stawia pytanie, jaki wpływ będą miały one na proces przesyłu i jakość energii zważywszy na niestabilny typ generowanej energii uzależniony od pierwotnego zasobu energetycznego. Farmy wiatrowe uzależnione są bezpośrednio od kierunku i siły wiatru [4, 5, 6], a ogniwa fotowoltaiczne od kąta i natężenia promienie słonecznych [7]. jak łatwo więc zauważyć najpopularniejsze obiekty OZE uwarunkowane są od warunków atmosferycznych i ich kaprysów, a więc i również generacja energii elektrycznej jest od nich zależna. Brak stabilności przekłada się więc na nieregularną prace obiektu, a to z kolei na generację zaburzeń w linii energetycznej do której jest taki obiekt przyłączony [8, 9, 10]. 2. Przyjęty do analizy układ sieci i jego model Aby zweryfikować i zbadać wpływ generacji rozproszonej opierając się o rzeczywisty model sieci (rys. 1) stworzono model symulacyjny bazujący na pakiecie Simulink programu Matlab. Badana linia 110kV zasilana jest z dwu GPZ o mocy zwarciowej bliskiej 3GVA, a jej długość wynosi 25km. W jej trzon wpięte są trzy odbiory podwójne, składające się z odbiorcy przemysłowego przyłączonego bezpośrednio do linii 110kV i dwóch stacji 110/15 zasilających odbiorców indywidualnych. Obiekt generacji rozproszonej oparto o blok energetyczny przyłączony do powyższej linii składający się z kotłów biomasowych o mocy łącznej ok. 280MW zasilających w pracy kogeneracyjnej turbinę generatora synchronicznego o mocy bliskiej 11kW, generujący napięcie znamionowe 6kV przyłączony to linii przez blok transformatorów. 1 Mgr inż., M. Salwa, Doktorant, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, 2 Dr hab. inż. S. Filipiak, Adiunkt, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. 4058

2 Rys. 1. Schemat przyjętego do analizy rzeczywistego fragmentu sieci 110kV Przy opracowywaniu komputerowego modelu analizowanego elektroenergetycznego układu sieciowego wykorzystano dostępne w bibliotekach pakietu Simulink gotowe komponenty odwzorowujące urządzenia znajdujące się w układzie przedstawionym na rysunku 1. Rys. 2. Model symulacyjny opracowanym w programie Matlab, pakiet Simulink 3. Analiza pracy układu linii 110 kv z przyłączonym lokalnym źródłem energii Na opracowanym modelu przeprowadzono szereg symulacji mających na celu zbadanie wpływu charakterystycznych dla pracy źródła rozproszonego stanów na poziomy napięć jako wyznacznika jakości energii płynącej w sieci i trafiającego do odbiorców, zwłaszcza wynikające z nieregularnej pracy, czyli załączenia i nagłe odłączenia źródła rozproszonego. Przewidziano również różne tryby pracy linii, gdzie najpierw sprawdzono pracę linii dwustronnie zasilanej, a następnie sprawdzono pracę linii zasilanej z jednostronnie. Układ linii okazał się wyjątkowo korzystny 4059

3 dla badań ze względu na usytuowanie obiektu generacyjnego znajdującego się niezwykle blisko jednego z GPZ, co umożliwiło dodatkowo zbadanie dwóch sposobów przyłączenia źródeł rozproszonych do sieci, przyłączenie bezpośrednie i przyłączenie pośrednie. Na końcu zasymulowano niezwykle rzadko występujący stan sieci, tj. praca dwustronna sieci z zachowaniem jednakowych poziomów mocy na obu jej krańcach, który zgodnie z otrzymanymi danymi zdarza się zaledwie kilka razy do roku. Rys. 3. Przebiegi napięć i prądów w GPZ dla odłączenia i przyłączenia źródła rozproszonego Dla każdego z rozpatrywanych stanów sieci sprawdzono trzy różne parametry mocy generatora rozproszonego, gdzie poza rzeczywistym źródłem o mocy 11kW zbadano jednostki o większych mocach generujące moc 25 i 40kV. Skupiono się na zbadaniu wpływu zjawisk, które przeprowadzono w trzech seriach na gotowym modelu odpowiednio ustawiając bloki odłączników. W pierwszej serii sprawdzano wpływ nagłego odłączenia źródła od sieci. Następnie w drugiej części zbadano załączenie obiektu do pracy sieciowej. Na koniec badano wpływ stanów awaryjnych i rolę źródła w tłumieniu lub eskalacji negatywnych skutków. W przypadku dwustronnego zasilania układ zachowywał się stabilnie a wszelkie zmiany nawet przy generatorze 40kW były dobrze tłumione. Zauważono jednak zwiększony wpływ zakłóceń na odbiorcach niż miało to miejsce w stacjach GPZ. Seria ta też wykazała większe znaczenie przyłączanego źródła generacyjnego, gdzie pojawiły się charakterystyki oscylacyjne, świadczące o zjawisku tzw. przepychania mocy, niż odłączanie czy załączanie stałych odbiorów. Następnym układem, który zbadano jest jednostronnie zasilana linia w punkcie bliskim GPZ. Układ ten odwzorowuje przyłączenie pośrednie źródła do sieci, a zachowanie linii było niezwykle stabilne. Zaburzenia 4060

4 wywołane zmianami w sieci, jak również i zaburzenia wynikające z samego generatora rozproszonego były jednakowo odwzorowane w każdym miejscu linii, co pozwala na łatwą kontrole takich stanów. Niemniej amplitudy zakłóceń były większe niż w pierwszym przypadku. Trzecim w kolejności układem był układ, gdzie z jednej strony pracował GPZ z drugiej zaś generator, odwzorowując układ bezpośredni pracy generatora. Uwagę zwrócił w tym układzie różny wpływ zadanych zaburzeń. W przypadku załączenia oscylacje były niezwykle durze i przy nagłym załączeniu pełnej mocy osiągały amplitudy do prawie 40kV. Z drugiej strony zakłócenia spowodowane załączeniem obiektu w trzon sieci był pomijalny. Powyższe wyniki więc wykazują dwa skrajne rezultaty, gdzie z jednej strony mamy najlepszą adaptację układu do zmian przyłączeniowych typu odbiorczego z drugiej zaś wykazujący się najgorszym z dotychczasowych poziomem adaptacji względem zakłóceń wynikających z przyłączenia obiektu o typie pracy generacyjnej. Na koniec zbadano opcję pracy układu dwustronnie zasilanego utrzymującego stały poziom napięć w punktach GPZ. Otrzymane charakterystyki były obiecujące, ze względu na lepszą odpowiedz generacyjną obiektu, gdzie amplitudy oscylacji były mniejsze nawet o kilka volt w porównaniu do badanego w pierwszej kolejności układu. Niestety jednak dobrą adaptację na zakłócenia generacyjne układ opłaca gorszą adaptacją na zakłócenia wynikające przyłączeniem obiektów w trzon linii, gdzie wahania napięcia są większe a tłumienie było dłuższe w porównaniu do poprzednika. W symulacjach skupiono się na charakterystykach napięciowych, jednak skorzystano z opcji generacji przebiegów prądowo-napięciowych, gdzie wraz z przebiegiem napięć wygenerowano również przebiegi prądowe w badanych punktach. Dzięki temu mimo iż nie było to celem badania, zauważono piki prądowe towarzyszące zmianie pracy obiektu o znacznych amplitudach. Ponadto oscylacje napięciowe wywołane przyłączeniem obiektu są równie widoczne w przebiegach prądowych i potrafiły osiągnąć znaczne wartości. 4. Podsumowanie Przeanalizowano pracę rzeczywistego fragmentu sieci rozdzielczej 110 kv, z dołączonym lokalnym źródłem energii. Analiza zawierała cztery warianty pracy analizowanego układu sieciowego. W każdym z tych przypadków zaobserwowano różne poziomy zakłóceń i ich wpływ na stabilność analizowanej linii. Uzyskane wyniki świadczą o tym, iż w zależności od warunków współpracy lokalnego źródła energii z siecią zaobserwowano niekorzystny wpływ na parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom zasilanym z tej sieci. Najmniejsze zakłócenia w przebiegach napięcia zasilającego odbiorców zauważono w wariancie dwustronnego zasilania analizowanej linii. Należy również zwrócić uwagę na drugi wariant symulujący załączenie pośrednie lokalnego źródła. Gdzie zauważono, że wpływ zakłóceń równomiernie odwzorowuje się na przebiegach całej linii. Zastosowanie układów aktywnych filtrów może redukować stopień zakłóceń wprowadzanych do sieci. Otrzymane rezultaty świadczą o tym, iż analizowany wpływ źródeł generacji rozproszonej na prace sieci w pewnych warunkach może powodować pogorszenie parametrów energii oraz prowadzić do zakłóceń w pracy sieci. Przedstawiony artykuł zawiera spostrzeżenia i wnioski odnośnie wpływu lokalnego źródła energii na pracę wybranego fragmentu elektroenergetycznej sieci rozdzielczej. Oczywiście nie wyczerpuje on jednak poruszonej problematyki wpływu generacji rozproszonej na prące sieci, którą to tematyka jest bardzo złożona o czym świadczy fakt że zajmuje się nią wiele ośrodków badawczych w kraju i poza jego granicami. 4061

5 5. L i t e r a t u r a : [1] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera Elektryka tom 2, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007 [2] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera Elektryka tom 3, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005 [3] Dmowski A., Kłos M., Rosłaniec Ł.: Przekształtniki energoelektroniczne w elektrowniach wiatrowych, Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Warszawska 2010 [4] Pawlaczyk L.: Przekształtniki energoelektroniczne w zastosowaniach przemysłowych, [5] Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska 2005 [6] Knott M., Rząsa J.: Przekształtniki energoelektroniczne w sterowaniu rozpływem energii elektrycznej, Małopolsko-Podkarpacki Klaster Czystej Energii 2008 [7] Pieńkowski K., Knapczyk M.: Przekształtniki energoelektroniczne AC/DC/AC i AC/AC układy topologiczne i sterowane, Politechnika Wrocławska 2005 [8] Jurczyk M.: Generacja rozproszona a rynek energii, Rynek Energii Nr 3/2005 [9] Dr inż. Musiał E.: Prądy zwarciowe w niskonapięciowych instalacjach i urządzeniach prądu przemiennego, Biuletyn SEP INPE Informacje o normach i przepisach elektrycznych nr 40, 2001 [10] P. Biczel, J Paska Energetyka rozproszona - Hybrydowa elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym jako przykład wykorzystania w energetyce rozproszonej wielu źródeł energii pierwotnej, PSE S.A. Nr 4,