PRACA ŹRÓDEŁ FOTOWOLTAICZNYCH PRZY ZMIANACH I ZA- NIKACH NAPIĘCIA W SIECI nn

Transkrypt

1 PRACA ŹRÓDEŁ FOTOWOLTAICZNYCH PRZY ZMIANACH I ZA- NIKACH NAPIĘCIA W SIECI nn Autorzy: Piotr Miller, Marek Wancerz ("Rynek Energii" - luty 2017) Słowa kluczowe: odnawialne źródła energii, sieci nn, falowniki, regulacja napięcia Streszczenie. Wraz z rozwojem generacji z odnawialnych źródeł energii, w tym energetyki prosumenckiej, pojawiają się problemy jej oddziaływania na system elektroenergetyczny. Podstawowym problemem technicznym o charakterze lokalnym jest efekt wzrostu napięcia w miejscu przyłączenia instalacji wytwórczej. Innym problemem pracy sieci z generacją rozproszoną jest niebezpieczeństwo podejmowania przez jej źródła pracy wyspowej. Jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów energetyki rozproszonej są mikroinstalacje fotowoltaiczne. Ich elementem wyjściowym przyłączonym do sieci są falowniki konwertujące prąd stały na przemienny. Układy falownikowe współpracujące ze źródłami rozproszonymi powinny być wyposażone w zabezpieczenia przeciwdziałające wyżej wymienionym problemom. W artykule omówiono wyniki badań falowników przy zmianach oraz zanikach napięcia w sieci. Poddano również ocenie skuteczność wewnętrznych zabezpieczeń falownika. 1. WSTĘP Jednym z podstawowych problemów oddziaływania źródeł fotowoltaicznych na sieć nn jest niebezpieczeństwo pracy tych źródeł na sieć wydzieloną. Wymusiło to na producentach, wyposażenie falowników w skuteczne i selektywne zabezpieczenia. Podstawową metodą ochrony przed wspomnianym zagrożeniem jest zabezpieczenie przeciw pracy wyspowej (LOM ang. loss-of-mains) [3]. Istotnym staje się pytanie o obligatoryjność wyposażania tego typu źródeł w zabezpieczenia typu LOM, bowiem zarówno aktualne przepisy i normy techniczne, jak też inżynierskie podejście do bezpieczeństwa pracy sieci nie zezwalają na pracę wyspową generacji rozproszonej w sieciach publicznych. Praca wyspowa może być jednak dopuszczalna w obiektach przemysłowych z jednostkami wytwórczymi, które są w stanie zrównoważyć całkowicie lub częściowo popyt wewnątrz zakładu, kiedy sieć przemysłowa zostaje oddzielona od sieci publicznej, a następnie powrócić bezpiecznie do pracy równoległej z siecią publiczną po przywróceniu w niej napięcia. Także i w tym przypadku praca wyspowa musi być poprawnie zidentyfikowana. Powody, dla których nie dopuszcza się do pracy wyspowej źródeł rozproszonych wynikają przede wszystkim z braku sterowania i nadzoru nad tymi źródłami z poziomu Operatora Sieci Dystrybucyjnej (OSD) oraz ze względów bezpieczeństwa pracowników wykonujących prace na obiektach. Inna kwestia to bezpieczeństwo załączenia tych źródeł po powrocie napięcia w sieci podstawowej. Najbardziej rozpowszechnionymi zabezpieczeniami przed pracą wyspową są te oparte na detekcji pochodnej zmian częstotliwości lub na detekcji przesunięcia fazowego sinusoidy napięcia względem stanu poprzedniego (metoda wektorowa). W artykule przedstawiono wyniki badań wewnętrznych zabezpieczeń falowników przed opisanymi zagrożeniami.

2 Autorzy próbują również odpowiedzieć na pytanie: czy konieczne jest stosowanie dodatkowych, niezależnych zabezpieczeń instalowanych w złączu prosumenta? 2. ZASADY PRZYŁĄCZANIA MIKROINSTALACJI DO SIECI Zagadnienia prawne oraz przepisy dotyczące zasad i sposobów przyłączania mikroinstalacji do sieci oraz rozliczania ich produkcji zostały opublikowane pierwotnie w Ustawie o OZE z dnia 20 lutego 2015 roku, nowelizowanej w niewielkim zakresie dnia 29 grudnia 2015 roku oraz w sposób istotny dnia 22 czerwca 2016 r. Wdraża ona dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy dotyczące zmian energetycznych oraz promocji energetyki opartej o odnawialne źródła energii, a w szczególności dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniającą i w następstwie uchylającą dyrektywę 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz. Urz. UE L 140 z , str. 16, z późn. zm.). Z punktu widzenia operatorów sieci dystrybucyjnych istotny jest fakt, że przyłączenie mikroinstalacji wytwórczej prosumenta o mocy do 40 kw następuje jako rezultat poinformowania operatora o tym zamiarze przez odbiorcę. Stosowany jest termin przyłączenie na zgłoszenie. O ile planowana moc instalacji nie przekracza mocy przyłączeniowej ujętej w umowie odbiorcy, odmowa wydania warunków przyłączenia jest trudna do uzasadnienia [2]. Operatorzy mogą więc wprowadzać szczególne wymagania dla przyłączanych mikroinstalacji, do czego upoważnia stosowny zapis w IRiESD [1]. Wszystko wskazuje, że wraz ze spadkiem cen mikroinstalacji wytwórczych oraz przy utrzymaniu systemu wsparcia określonego w aktualnej wersji ustawy o OZE obserwowany będzie narastający trend wzrostowy liczby prosumentów. Wątpliwa jest możliwość stawiania przez operatorów skutecznych barier próbujących ten trend wyhamować, gdyż ma on charakter globalny. Pozostaje zatem podejmowanie wysiłków w celu opanowania problematyki związanej z energetyką prosumencką za pomocą trafnie dobranych rozwiązań technicznych. 3. KRYTERIA TECHNICZNE PRZYŁĄCZANIA MIKROINSTALACJI DO SIECI Przyłączenie mikroinstalacji do sieci elektroenergetycznej związane jest z oceną parametrów, które wpływają na źródło, a także wpływ źródła na sieć w miejscu przyłączenia. Do najważniejszych elementów należy sprawdzenie, czy dodatkowe źródło energii nie pogorszy wskaźników jakościowych energii, a także czy nie wpłynie ono negatywnie na przeciążenie elementów występujących w wydzielonej części sieci elektroenergetycznej. Ocena przyłączenia mikroinstalacji wymaga zebrania niezbędnych informacji o warunkach sieciowych panujących w planowanym punkcie przyłączenia instalacji OZE (PCC ang. Point of Common Coupling) oraz parametrów jednostek generacji. Do wymaganych parametrów sieciowych w punkcie przyłączenia zalicza się:

3 moc zwarciową S kpcc dla konkretnego punktu sieci liczoną bez podłączonej instalacji OZE, impedancję zwarciową sieci dla punktu przyłączenia Z kpcc, argument impedancji zwarciowej sieci Ψ k Z R jx kpcc kpcc kpcc X kpcc k arctg R kpcc Podstawowymi parametrami źródła, potrzebnymi do obliczeń są: maksymalna moc pozorna pojedynczego źródła S Emax oraz całego systemu generacji S Amax, maksymalna moc czynna pojedynczego źródła P Emax oraz całego systemu generacji P Amax, współczynnik mocy wraz z jego charakterem, współczynnik rozruchu źródła k, który zależy od stosunku prądu rozruchowego I ae źródła do jego prądu znamionowego I re. Całkowita ocena wpływu odnawialnego źródła energii na pracę sieci polega na wyznaczeniu i porównaniu zgodnie z normami wskaźników takich jak [6]: dopuszczalne zmiany napięcia ΔU a, nagłe zmiany napięcia ΔU max, asymetria napięć w poszczególnych fazach k u2, występowanie harmonicznych (w tym THD u ) oraz interharmonicznych napięcia, współczynniki migotania światła P st, P lt, zakłócenia komutacyjne d kom oraz transmisji sygnałów, maksymalne prądy zwarciowe. 4. BADANIA ŹRÓDEŁ PV W INSTALACJACH JEDNOFAZOWYCH I TRÓJFAZOWYCH W celu zbadania praktycznych aspektów problematyki pracy wyspowej instalacji PV, autorzy przeprowadzili szereg badań i eksperymentów laboratoryjnych oraz testów praktycznych w sieci nn Współpraca falownika jednofazowego z siecią zewnętrzną Falownik jednofazowy zasilany z panelu PV połączony został z siecią zewnętrzną za pomocą wyłącznika. Obciążeniem źródła fotowoltaicznego są dedykowane odbiory prosumenta. Pod-

4 czas normalnej pracy zapotrzebowanie pokrywane jest przez panel PV, a ewentualna nadwyżka oddawana jest do sieci elektroenergetycznej. Badania zachowania się falownika w różnych warunkach pracy sieci polegały na ocenie możliwości przejścia układu (źródła) na pracę wyspową. Rys. 1. Wartości chwilowe napięcia na zaciskach falownika po zaniku napięcia w sieci Za pomocą wyłącznika sprzęgającego odłączono źródło od sieci zasilającej (symulacja zaniku napięcia w sieci). Po czasie poniżej 10ms zadziałało zabezpieczenie od pracy wyspowej falownika. Nawet przy idealnym zbilansowaniu generacji PV z odbiorami, falownik przy zaniku napięcia nie podjął pracy wyspowej. Badania wykazały, że na takie zachowanie falownika nie ma wpływu charakter odbiorników Współpraca falownika trójfazowego z siecią zewnętrzną Panel PV wraz z falownikiem trójfazowym pracował na szyny główne rozdzielni (rys. 2). Do szyn nie były przyłączone inne źródła energii. Badania wykonano według scenariusza pokazanego poniżej. 1. Praca źródła PV na sieć zewnętrzną, przy braku odbiorów (wyłącznik W3 otwarty, wyłączniki W1 oraz W2 zamknięte), całość wyprodukowanej energii (moc ok. 4,5kW) przesyłana do sieci.

5 sieć W1 P S W2 W3 W4 P Z pomiar pomiar P O DC AC PV odbiór RLC G Rys. 2. Uproszczony schemat przyłączenia instalacji PV do szyn rozdzielni 2. Praca źródła PV na sieć zewnętrzną, odbiory prosumenta na poziomie 4,5kW (wyłącznik W3 zamknięty), bilans produkcji i konsumpcji w przybliżeniu równy zero. 3. Praca źródła PV na sieć zewnętrzną, odbiory prosumenta na poziomie 9kW (wyłącznik W3 zamknięty), niedobór mocy (ok. 4,5kW) uzupełniany z sieci zewnętrznej. W omówionych stanach pracy sieci wykonano następujące czynności łączeniowe: a) otwarcie wyłącznika W1, a następnie powrót zasilania od strony sieci zewnętrznej; b) krótka przerwa wynikająca z przełączenia zasilania na drugi system szyn (W2). Wyniki pomiarów wybranych wielkości przedstawiono na kolejnych rysunkach. Rys. 3. Przebieg wartości skutecznej napięcia na zaciskach falownika podczas prób łączeniowych Jak widać z powyższego rysunku, bez względu na bilans mocy w analizowanym węźle sieci falownik nie podjął pracy na wydzieloną wyspę. W czasie poniżej 10ms od awarii zasilania głównego, nastąpił zanik napięcia na zaciskach falownika. Przedstawione na kolejnych rysunkach przebiegi wartości chwilowych napięć w trzech fazach pokazują szybkość zanikania napięcia na szynach głównych.

6 a) b) c) Rys. 4. Przebieg wartości chwilowej napięcia podczas zaniku napięcia na szynach głównych: a) praca bez odbiorów prosumenta (punkt 1), b) praca ze zbilansowaniem generacji i odbiorów (punkt 2), c) praca z nadwyżką odbiorów nad generacją (punkt 3). Szybkość zanikania napięcia zależy do chwili otwarcia wyłącznika głównego W1 oraz stopnia zbilansowania analizowanego węzła. W żadnym z przypadków falownik nie podjął pracy na wydzieloną wyspę. Przełączenie na drugi system szyn nie powoduje zaniku napięcia falownik utrzymał się w pracy.

7 4.3. Współpraca falownika z siecią zewnętrzną podczas zmian napięcia Badania falownika przeprowadzono w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 5. Źródło PV przyłączone było poprzez falownik bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej. Próby dynamiczne polegały na zmianie napięcia w szerokich granicach w stosunku do napięcia znamionowego sieci. pomiar PV DC AC w sieć Falownik Rys. 5. Uproszczony schemat instalacji, w której przeprowadzono badania falownika Pierwszy cel pomiarów polegał na obniżaniu napięcia sieci od wartości ustalonej do wartości, przy której zadziałają zabezpieczenia wewnętrzne falownika. Przy napięciu 208V nastąpiło odłączenie źródła PV od sieci (punkt 1, rys. 5). Rys. 6. Wartość skuteczna napięcia sieci podczas przeprowadzania testów dynamicznych Przebieg stanu nieustalonego przedstawiono na kolejnych rysunkach. W wyniku obniżenia się napięcia w sieci falownik wyłącza się, napięcie i prąd na falowniku spada do zera, napięcie w sieci pozostaje bez zmian (napięcie ustalone warunkami sieciowymi). Na rysunku 8 (pierwsza część wykresu) przedstawiono przebieg wartości chwilowych prądu i napięcia w stanie ustalonym po synchronizacji falownika z siecią. Można zaobserwować znaczne odkształcenia przebiegu prądu współczynnik THD i równy jest 19,8%. Po wzroście napięcia w sieci (już przy napięciu 210V), falownik po ok. 30s ponownie zsynchronizował się z siecią. Następnie podjęto próbę zwiększenia napięcia w sieci. Przy napięciu 254V nastąpiło wyłączenie falownika (punkt 2, rys. 6) zadziałały wewnętrzne zabezpieczenia. Przebieg stanu nieustalonego przedstawiono na rysunku 9.

8 Rys. 7. Chwila wyłączenia falownika, której przyczyną było obniżenie się napięcia w sieci Rys. 8. Chwila wyłączenia się falownika prezentacja wartości chwilowych prądu i napięcia Rys. 9. Wartości chwilowe prądu i napięcia podczas wzrostu a następnie obniżenia się napięcia w sieci

9 Rys. 10. Chwila wyłączenia falownika i ponownego załączenia (po obniżeniu się napięcia) wartości skuteczne W wyniku wzrostu napięcia w sieci falownik wyłącza się, napięcie i prąd na falowniku spada do zera, napięcie w sieci pozostaje bez zmian (napięcie ustalone warunkami sieciowymi). Badane źródło PV ma relatywnie małą moc, aby w sposób istotny wpływać na napięcie w sieci. W sieciach z dużą koncentracją źródeł rozproszonych wyłączenie falowników może doprowadzić do obniżenia się napięcia w sieci, a załączenie dużej liczby źródeł PV może być przyczyną podskoku napięcia. Kolejną próbą oceny pracy falownika podczas badań dynamicznych był zanik napięcia w sieci (punkt 3, rys. 6). Przebiegi stanu nieustalonego przedstawiono poniżej. Rys. 11. Zanik napięcia w sieci z równoczesnym wyłączeniem falownika wartości chwilowe prądu i napięcia W wyniku zaniku napięcia w sieci falownik wyłącza się, prąd na falowniku spada do zera. Na zaciskach falownika, po krótkim przepięciu (które nie przenosi się na sieć) następuje również szybki zanik napięcia.

10 Rys. 12. Zanik napięcia w sieci z równoczesnym wyłączeniem falownika wartości skuteczne Po powrocie napięcia, falownik synchronizuje się z siecią zewnętrzną. Rys. 13. Ponowna synchronizacja falownika z siecią po powrocie napięcia w sieci wartości chwilowe Rys. 14. Ponowna synchronizacja falownika z siecią po powrocie napięcia w sieci wartości skuteczne Przy wzroście lub spadku napięcia poza ustalone granice (254 V i 208 V) falownik został odłączony od sieci przez wewnętrzne zabezpieczenia czas wyłączenia wynosił poniżej 10 ms. Również przy zaniku napięcia w sieci, falownik wyłącza się, nie jest możliwa praca wyspowa źródła. Przy czym zadziałanie zabezpieczeń od pracy wyspowej jest niezależne od poziomu generacji źródła PV i bilansu mocy w analizowanym węźle sieci.

11 5. ROZSZERZENIE MOŻLIWOŚCI OCHRONY SIECI I INSTALACJI PROSUMENTA Mikroinstalacja przyłączona do systemu elektroenergetycznego powinna być wyposażona w urządzenia automatyki zabezpieczeniowej, tak aby w przypadku wystąpienia w sieci nieprawidłowości mogła ona zostać szybko odłączona, minimalizując ryzyko zniszczenia urządzeń i porażenia personelu obsługującego sieć [5]. Wszelkie progi zadziałania zabezpieczeń są znormalizowane (min. w normie PL/EN [5]). Standardowo większość przekształtników przeznaczonych do współpracy z OZE jest wyposażona w układ monitorującozabezpieczający, jednakże z reguły nie ma możliwości ich przeprogramowania lub wymaga to dodatkowych uprawnień oraz oprogramowania, które posiadają firmy instalujące układy PV. Większość ze spotykanych na rynku falowników posiada ochronę przed pracą wyspową. Wyposażone są one także w ochronę nad i podnapięciową oraz nad i podczęstotliwościową. Zabezpieczenia dedykowane zewnętrzne, jeśli zaistnieje taka konieczność powinny być instalowane w złączu, gdyż dotyczą one całej instalacji odbiorczej. Rys. 15. Lokalizacja dodatkowego zabezpieczenia w złączu Na rynku dostępne są zabezpieczenia, które mogą być stosowane jako zabezpieczenia zewnętrzne. Są to min.: TELE Haase RE NA003, Bender VMD 460, ABB CM-UFD.M32, Ziehl UFR1001E, ComAp MainsPro. Ich ceny kształtują się od 1500 zł do 5300 zł. Mogą być one zastosowane także do mikoinstalacji, wiązałoby się to jednak z dalszym zwiększeniem kosztów przyłączenia leżących po stronie OSD, poza kosztem zainstalowania licznika dwukwadrantowego.

12 6. PODSUMOWANIE Odnosząc się do problemu pracy wyspowej i konieczności instalacji dodatkowego zabezpieczenia w złączu, autorzy stoją na stanowisku, że dla instalacji prosumenckich stosowanie dedykowanych, zewnętrznych zabezpieczeń LOM nie jest konieczne. Ich zastosowanie należy rozpatrywać w przypadkach szczególnych, gdy OSD zidentyfikuje warunki sprzyjające pracy wyspowej (np. obecność innego źródła rozproszonego pracującego w oparciu o inne niż PV rozwiązania techniczne). Stanowisko to nie stoi w sprzeczności z przepisami prawnymi oraz wynikami prac oraz testów laboratoryjnych przeprowadzonych przez Autorów [4], [7]. Pomimo zróżnicowania typów falowników i szerokiej gamy ich producentów należy przyjmować, że prawdopodobieństwo podejmowania pracy wyspowej przez prosumenckie instalacje PV małej mocy jest bliskie zeru. Powyższe stwierdzenie nie wyklucza możliwości wystąpienia pracy wyspowej w układach, dla których instalacja PV jest dodatkowo zasilana przez maszynowe źródło napięcia przemiennego. W tym przypadku, na OSD spada obowiązek identyfikacji takich warunków i zastosowanie w złączu dedykowanego, zewnętrznego zabezpieczenia typu LOM. LITERATURA [1] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej, PGE Dystrybucja S.A. [2] Kryteria oceny możliwości przyłączenia oraz wymagania techniczne dla mikroinstalacji i małych instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego, [3] Klimpel. A, Kołodziejczyk M.: Niektóre aspekty wpływu rozwoju generacji prosumenckiej i rozproszonej i OZE na niezawodność pracy KSE. Wiadomości Elektrotechniczne, tom: R. 82, nr 9 (2014) [4] Wancerz M., Miller P., Jędrychowski R.: Identyfikacja rzeczywistej topologii sieci elektroenergetycznej na potrzeby aplikacji obliczeniowych działających w czasie rzeczywistym. Zarządzanie energią i teleinformatyką - ZET Lublin: Wydawnictwo Kaprint, s [5] PN-EN 50438: Wymagania dla instalacji mikrogeneracyjnych przeznaczonych do równoległego przyłączania do publicznych sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia. [6] PN-EN Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych [7] Miller P., Wancerz M., Jędrychowski R.: Wykorzystanie informacji o zmianach topologii sieci do dynamicznej korekty nastaw elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Rynek Energii, nr 1/2015. ISSN str

13 THE IMPACT OF VOLTAGE CHANGES ON PHOTOVOLTAIC GENERATION SOURCES Key words: renewable sources, LV network, inverters, voltage regulation Summary. With the development of generation from renewable energy sources, including prosumer energy, there are problems of its impact on the power system. The main technical problem of local growth is the effect of voltage at the connection point of a manufacturing installation. Another problem of the network of distributed generation is a non-safety by making its source operating insular. One of the most dynamically developing areas of distributed energy are photovoltaic installations. Their output element connected to the grid inverters are confanning direct current into alternating. Inverter circuits cooperating with the sources scattered-should be equipped with anti-security issues highlighted above. The article discusses the research results inverters with changes, and outages in the network. Were also assessing the effectiveness of the internal security of the inverter. Marek Wancerz: dr inż., jest absolwentem Wydziału Elektrycznego Politechniki Lubelskiej. Obecnie pracuje w Katedrze Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń. Specjalizuje się w modelowaniu systemów elektroenergetycznych, analizie pracy źródeł wytwórczych, projektowaniu układów EAZ, badaniach stabilności pracy systemu elektroenergetycznego i analizie bezpieczeństwa jego pracy; m.wancerz@pollub.pl Piotr Miller: dr hab. inż., ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Lubelskiej. Obecnie pracuje na stanowisku profesora w Katedrze Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń. Specjalizuje się w problematyce metod numerycznych i oprogramowania stosowanego w analizie stanów awaryjnych systemu elektroenergetycznego. Jest głównym autorem programu komputerowego SCC stosowanego do obliczania wielkości zwarciowych przez wiele jednostek energetyki zawodowej i biura projektowe; p.miller@pollub.pl