Wpływ wyższych harmonicznych na pracę elektrowni wodnej

Transkrypt

1 Marta Bątkiewicz-Pantuła Politechnika Wrocławska Wpływ wyższych harmonicznych na pracę elektrowni wodnej Wprowadzenie Pojęcie jakości energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym jest coraz częściej tematem licznych artykułów w prasie branżowej [1,2,3,5] a także poradników związanych z jakością energii elektrycznej [4]. Wskazuje to na rosnącą świadomość środowiska na nasilające się problemy związany z dostawą, przesyłem oraz wykorzystaniem energii elektrycznej. Powodów tak dużego zainteresowania nowym zagadnieniem w dziedzinie elektrotechniki można znaleźć kilka. Podstawowy powodem jest ciągły rozwój sektora energetycznego, zarówno na poziomie produkcji energii jak, i jej odbioru, i zużycia. Mówimy tutaj o wzroście rozproszonych źródeł energii elektrycznej np. elektrowni wodnej z jednej strony a o rozwoju technologii będącej potencjalnym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych z drugiej strony. Duży wpływ mają urządzenia energoelektroniczne (rozwój techniki półprzewodnikowej) oraz technologia sprzętu informatycznego umożliwiającego realizację coraz bardziej złożonych algorytmów sterowania. Nie bez znaczenia pozostają układy napędowe z silnikami dużych mocy, których rozruch powoduje przetężenia prądowe, zapady napięcia. Energia elektryczna jest postrzegana jako towar, który występuje na rynku energetycznym i podobnie jak inne towary powinna spełniać pewne kryteria, które charakteryzują jej jakość. Klient nabywający energię elektryczną będącą towarem spodziewa się otrzymać produkt dobry jakościowo, który będzie spełniał jego potrzeby i zapewniać mu będzie bezpieczne użytkowanie. Charakterystyka badanego obiektu Na rysunku 1 przedstawiono ogólny ideowy schemat układu pomiarowego. Głównym elementem systemu pomiarowego był rejestrator typu Fluke Wymienione urządzenie rejestruje parametry jakości energii elektrycznej w sposób ciągły w oknie pomiarowym 10 min. Rejestracjom podlegają wartości skuteczne napięć i prądów, ich współczynniki odkształcenia THD oraz harmoniczne. Analizowana elektrownia wodna wyposażona jest w dwa generatory asynchroniczne zainstalowane na turbinach Francisa i Caplana. Elektrownia wodna podłączona jest do sieci za pośrednictwem transformatora SN/nn 21000/ kVA. kład wyposażony jest w pełni zautomatyzowane baterie kondensatorów. W artykule zaprezentowano przykładowe charakterystyki dla wybranego odnawialnego źródła energii elektrycznej. ZK i u Rejestrator parametrów jakościowych N PE 1 Marta Bątkiewicz-Pantuła, Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektryki, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław, marta.batkiewicz-pantula@pwr.edu.pl 8662

2 Rys. 1. Ogólny ideowy schemat układu pomiarowego dla elektrowni wodnej. Wyższe harmoniczne napięć i prądów Napięcie w układzie trójfazowym sieci elektroenergetycznej ma postać trzech sinusoid o częstotliwości 50Hz oraz kątach przesunięcia 120. Taki układ występuje tylko w układzie wyidealizowanym. W rzeczywistości przebiegi napięć są odkształcone. Spowodowane jest to przepływem niesinusoidalnych prądów będących następstwem zasilania odbiorników nieliniowych. Miarą odkształceń są wartości harmonicznych i interharmonicznych. Harmonicznymi nazywa się składowe o częstotliwościach będących całkowitymi krotnościami składowej podstawowej. Każdy odkształcony przebieg napięcia można rozłożyć na szereg składowych harmonicznych, które nakładają się na przebieg podstawowej sinusoidy napięcia. Jest to analiza zgodna z szeregiem Fouriera. W ten sposób można przeprowadzać analizę każdej składowej odkształconego przebiegu. Do źródeł wyższych harmonicznych należą odbiorniki o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej oraz odbiorniki o synchronicznym procesie łączeniowym. Głównymi źródłami wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym są transformatory i autotransformatory, czyli urządzenia z rdzeniem magnetycznym. Powodem występowania wyższych harmonicznych jest nieliniowa charakterystyka magnesowania - nawet niewielki wzrost napięcia przesuwa punkt pracy transformatora co powoduje wzrost wartości prądu magnesowania oraz poziom odkształcenia. Rozpatrując współczynniki odkształcenia napięcia posługujemy się przebiegami w dziedzinie częstotliwości. Odkształcenie napięcia jest charakteryzowane na dwa sposoby [6,7]: przez względną wartość h% harmonicznej rzędu h odniesionej harmonicznej podstawowej 1(analogicznie dla harmonicznej prądu): h h % 100% (1) 1 przez całkowity współczynnik odkształcenia Total Harmonic Distortion (analogicznie dla harmonicznej prądu): h h h 2 h 2 THD % 100% lubthd 1 % RMS 100%, (2) 1 RMS gdzie: h wartość skuteczna napicia harmonicznej rzędu h, 1 wartość skuteczna napicia harmonicznej podstawowej, RMS wartość skuteczna badanego napięcia. Norma [6] i rozporządzenie [7] podają dopuszczalne poziomy zawartości harmonicznych w ten sposób, że oblicza się je wg zależności (1) do h = 25 i wg (2) do h = 40 jako uśrednione wartości dla 10-cio minutowego okna czasowego. Standardowy czas oceny jakości napięcia wg [6] i [7] wynosi 1 tydzień, czyli 1008 takich 10-cio minutowych odcinków pomiarowych. Dopuszczalne poziomy określa się w ten sposób, że dla normalnych warunków pracy, w okresie każdego tygodnia, w 95% pomiarów nie powinno przekraczać podanych wartości dopuszczalnych. Wyniki pomiarów przedstawione w pracy mają przede wszystkim na celu ilustrację typowych przebiegów wybranych parametrów jakości energii elektrycznej dla przykładowej elektrowni wodnej. W tabeli 1 przedstawiono zawartość harmonicznych w przebiegu napięcia odniesienie do wymaganego czasu 95% pomiarów. 8663

3 Rząd harmonicznych Zakres dopuszczalnych wartości harmonicznych (Rozp. [7]) Tabela 1. Zawartość harmonicznych w przebiegu napięcia % zbioru wartości pozostający w przedziale tolerancji CP95 Wartość maksymalna L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Nr [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] [ % ] THD 0,00 8,00 100,00 100,00 100,00 3,30 3,30 3,05 4,08 4,21 3,93 2 0,00 2,00 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 3 0,00 5,00 100,00 100,00 100,00 0,14 0,24 0,16 0,15 0,26 0,18 4 0,00 1,00 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 5 0,00 6,00 100,00 100,00 100,00 0,64 0,57 0,55 0,80 0,88 0,88 6 0,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,02 7 0,00 5,00 100,00 100,00 100,00 3,29 3,28 3,04 4,08 4,20 3,90 8 0,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,04 0,04 0,04 0,07 0,06 0,05 9 0,00 1,50 100,00 100,00 100,00 0,14 0,11 0,12 0,19 0,17 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,06 0,06 0,06 0,09 0,08 0, ,00 3,50 100,00 100,00 100,00 0,85 1,02 0,90 1,33 1,38 1, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0, ,00 3,00 100,00 100,00 100,00 0,15 0,15 0,15 0,22 0,19 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,00 2,00 100,00 100,00 100,00 0,05 0,04 0,04 0,06 0,05 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 1,50 100,00 100,00 100,00 0,02 0,01 0,01 0,03 0,02 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,00 1,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,00 0,50 100,00 100,00 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 1,50 100,00 100,00 100,00 0,01 0,00 0,01 0,01 0,02 0,01 Źródło: Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r., w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.. z dnia 29 maja 2007). Całościowy współczynnik zawartości harmonicznych w napięciu THD mieści się w zakresie tolerancji, która wynosi 0,00 8,00 % dla 95% czasu pomiaru. Wartość współczynnika dla poszczególnych faz (L1, L2, L3) wynosi odpowiednio: 3,30%, 3,30% i 3,05%. Na rysunku 2 przedstawiono tygodniowe przebiegi zmian współczynnika THD(RMS)% oraz odpowiadające im spektrum harmonicznych napięcia. 8664

4 a) b) Rys. 2. Tygodniowe przebiegi zmian współczynnika THD(RMS)% (a) oraz spektrum harmonicznych napięcia (b). Analiza przedstawionych przebiegów pozwala stwierdzić, że: dominują harmoniczne rzędów 5, 7, 11 które mogą pochodzić z prądnic elektrowni wodnych, na zaprezentowanym przebiegu widoczne są charakterystyczne zmiany współczynnika związane z pracą elektrowni, wartości wszystkich zmierzonych parametrów mieszczą się w zakresie dopuszczalnych poziomów określonych w Rozporządzeniu [7]. Dominujące harmoniczne napięcia zostały pokazane na Rysunku 3. Na zaprezentowanych przebiegach można zaobserwować dekompozycję jakim ulegają dominujące harmoniczne. Analizując przedstawiony poniżej rysunek (Rys.3) można wnioskować, iż w trakcie czwartego dnia pomiaru od godz. ok.8:40 były dokonywane rozruchy dodatkowych elementów (turbin) omawianej elektrowni wodnej. 8665

5 a) b) Rys. 3. Dominujące harmoniczne napięcia a) harmoniczna 5 b) harmoniczna 7 c) harmoniczna 11. c) 8666

6 Całkowity współczynnik odkształcenia prądu THDI według Rozporządzenia [7] nie podlegają ocenie niemniej jednak źródła występowania harmonicznych w prądzie powinny być poddawane analizie w celu ustalenia poprawności pracy badanego obiektu. Na rysunku 4 przedstawiono tygodniowe przebiegi zmian współczynnika THDI(RMS)% oraz odpowiadające im spektrum harmonicznych prądu. a) b) Rys. 4. Tygodniowe przebiegi zmian współczynnika THDI(RMS)% (a) oraz spektrum harmonicznych prądu (b). Analiza przedstawionych przebiegów pozwala stwierdzić, że: podobnie jak w przypadku harmonicznych w napięciu dominują harmoniczne rzędów 5, 7, 11, duża wartość harmonicznej 7 (13,58% dla L1), wartości poszczególnych harmonicznych nie maleją wraz ze wzrostem ich rzędów. 8667

7 Podsumowanie Badania i ocena jakości energii elektrycznej są coraz powszechniejsze i mają na celu zwiększenie niezawodności oraz bezpieczeństwa pracy od strony instalacji elektrycznych obiektów zasilanych w energię elektryczną. Na podstawie przeprowadzonej analizy wyższych harmonicznych na pracę elektrowni wodnej można wnioskować: wartości wyższych harmonicznych oraz współczynnika odkształcenia napięcia (THD) są zgodne z wymaganiami, spektrum wyższych harmonicznych w sieciach średniego napięcia współpracujących z elektrownią wodną charakteryzuje się dominującym udziałem harmonicznych rzędów 5, 7, 11 które mogą pochodzić z prądnic siłowni wodnych, czwartego dnia pomiaru od godz. ok.8:40 dokonywane były rozruchy dodatkowych elementów (turbin) omawianej elektrowni wodnej, duża wartość harmonicznej 7 w prądzie dla wszystkich faz, wartości poszczególnych harmonicznych w prądzie nie maleją wraz ze wzrostem ich rzędów, na zaprezentowanym przebiegu współczynnika THD(RMS)% widoczne są charakterystyczne zmiany współczynnika co może świadczyć, że w wytypowany reprezentatywny okres będący znormalizowaną podstawą czasową praca prezentowanej elektrowni wodnej jest związana z przepływem wody. Streszczenie W artykule zaprezentowano przykładowe charakterystyki dla wybranej sieci współpracującej z elektrownią wodną. Podstawę służącą do oceny warunków zasilania stanowi Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Spośród wielu parametrów tej oceny podawanych zarówno przez stosowne Rozporządzenie Ministra Gospodarki jak i zawartych w normie PN-EN , skupiono się na wyższych harmonicznych. Analizę przeprowadzono w oparciu o rzeczywiste pomiary wykonane rejestratorem jakości energii. Z przeprowadzonych pomiarów został wytypowany reprezentatywny okres będący znormalizowaną podstawą czasową dla prezentowanych przebiegów oraz wyznaczonych wskaźników jakości energii. Słowa kluczowe: energetyka odnawialna, jakość energii elektrycznej, wyższe harmoniczne napięć i prądów, elektrownia wodna THE IMPACT OF HIGHER HARMONICS ON THE WORK OF HYDROELECTRIC POWER PLANT Abstract The article presents examples of the characteristics of the selected electrical power networks cooperating with hydroelectric power plant. The basis for evaluating the power supply conditions is the Regulation of the Minister of Economy of 4 May 2007, on the detailed conditions for the operation of the power system. Among the many parameters of power quality, the evaluation given by relevant Regulation of the Minister of Economy and parameters included in the PN-EN , the focus is on the higher harmonics. From the taken measurements it was selected a representative period which is a normalized basis of time for the presented waveforms and set of quality indicators of energy. Keywords: renewable energy, power quality, harmonics of voltages and currents, hydroelectric power plant 8668

8 References [1] Baggini A.: Handbook of Power Quality. John Wiley & Sons, Chichester, 2008 [2] Chapman D.: Koszty. Koszty niskiej jakości zasilania. Jakość zasilania poradnik 2.1, 2001, [3] Hanzelka Z.: Rozważanie o jakości energii elektrycznej, Elektroinstalator, 9/2001. [4] Hanzelka Z.: Jakość energii elektrycznej, część 4 Wyższe harmoniczne napięć i prądów, [5] Klajn A., Bątkiewicz-Pantuła M.: Jakość energii elektrycznej w publicznych sieciach zasilających, elektro.info 7-8/2013, s. 46. [6] PN-EN 50160:2010, Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych [7] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dn. 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.. z dnia 29 maja 2007, poz 623). 8669