EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE MOCĄ FARM WIATROWYCH

Transkrypt

1 Nr (111) Rynek Energ Str. 69 EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE MOCĄ FARM WIATROWYCH Paweł Parsk, Adam Rzepeck, Mchał Wydra Słowa kluczowe: optymalzaca, dopuszczalna obcążalność prądowa, lna napowetrzna, farma watrowa, estymaca stanu Streszczene. Efektywne zarządzane mocą farm watrowych w warunkach przecążana sę stneących ln elektroenergetycznych 110 kv est ważnym zagadnenem z punktu wdzena bezpeczeństwa pracy SEE. Stare lne, o nske temperaturze pracy, stanowące tzw. wąske gardła ne są na czas modernzowane, co w połączenu z rosnącym zapotrzebowanem na moc oraz lczbą przyłączonych/planowanych do przyłączena farm watrowych, powodue znaczne ch przecążane. W artykule przedstawono eden ze sposobów lkwdowana przecążeń ln poprzez zastosowane aparatu matematycznego opartego na optymalzac stałoprądowe metodze wyznaczana rozpływów mocy. Zbudowano stanowsko laboratoryne, składaące sę z układu (zaweraącego moduł estymac stanu oraz moduł optymalzacyny) pracuącego w trybe on-lne. Jego głównym zadanem est wyznaczene tak dobranych nastaw mocy generowane w FW, aby skuteczne odcążyć przecążone elementy oraz w mnmalnym stopnu zredukować moc generowaną przez farmy watrowe. 1. WSTĘP Efektywne zarządzane mocą farm watrowych w warunkach przecążana sę stneących ln elektroenergetycznych est problemem dość złożonym. Z edne strony należy meć na uwadze bezpeczeństwo systemu elektroenergetycznego, z druge stnee potrzeba wytworzena ak nawększe lośc energ ze źródeł odnawalnych. W sytuac, gdy dochodz do przecążena ln elektroenergetyczne, dyspozytor bazuąc na swoe wedzy może odcążyć lnę ogranczaąc generacę wybranego źródła. W takm przypadku nasuwa sę pytane, na ake podstawe dyspozytor podął decyzę o ogranczenu mocy danego źródła? Czy wspomnana decyza była koneczna oraz czy ne lepe było ogranczyć klka nnych ednostek? Ogranczane mocy powodue oczywśce straty fnansowe, a właśccel źródła OZE może domagać sę odszkodowana. Jeżel na wybranym obszarze pracue klka farm watrowych, efektywne zarządzane mocą farm watrowych w sytuac przecążana sę ln elektroenergetycznych mus uwzględnać wszystke farmy, a funkcą celu zadana optymalzacynego pownna być mnmalzaca sumy ogranczeń mocy zarządzane grupy farm watrowych. W takm przypadku uzyskue sę komproms pomędzy zapewnenem bezpeczeństwa systemu a mnmalnym ogranczanem mocy źródeł OZE.. UKŁAD EFEKTYWNEGO ZARZĄDZANIA MOCĄ GRUPY FARM WIATROWYCH Optymalne zarządzane grupą farm watrowych w sytuac przecążeń elementów przesyłowych systemu polega na wysłanu do regulatorów farm nowych wartośc mocy zadanych. Metoda oblczenowa zastosowana do optymalzac została przedstawona w rozdzale trzecm. Do wyznaczena wektora mocy zadanych (optymalnych) nezbędny est aktualny model sec elektroenergetyczne. Uzyskue sę go na podstawe parametrów elektrycznych wszystkch elementów systemu oraz pomarów uzyskwanych z systemu SCADA. Wyznaczane aktualnego t., nabardze prawdopodobnego stanu systemu elektroenergetycznego, odbywa sę w module estymatora stanu. Estymator określa nabardze prawdopodobny stan systemu mmo duże lczby pomarów w systeme zróżncowane dokładnośc pomarowe. Tak model następne est wykorzystywany do optymalzac. Jeżel moduł optymalzacyny otrzyma nepewny model, skuteczność optymalzac malee a co za tym dze efektywność zarządzana mocą grupy farm watrowych malee..1. Moduły składowe Przedstawona koncepca opera sę o układ zaprezentowany na rysunku 1. Wczytane modelu bazowego Konwersa aktualnych parametrów sec (pomarów) na sygnały elektryczne Wyznaczene nowego stanu systemu Pomary analogowe bnarne Proponowane nastawy mocy FW Pętla tera cyna SCADA - WndEx Mode lowane SEE w czase rzeczywstym Oblczone nastawy FW Rys 1. Zntegrowany układ do efektywnego zarządzana FW KDM Model Pomary (XML) W ego skład wchodzą następuące moduły: symulator systemu elektroenergetycznego, system SCADA, Optymalzaca Moduł oblczenowy moduł oblczenowy (estymator+optymalzator).

2 Str. 70 Rynek Energ Nr (111) Wszystke z wymenonych są dedykowanym aplkacam komputerowym pracuącym na przystosowanych do tego ednostkach oblczenowych. Zadanem symulatora SEE est prezentaca procesów zawsk zachodzących w systeme elektroenergetycznym. Na potrzeby zrealzowanego układu zbudowany symulator wyznacza w badanym systeme (w odpowedz na zadane sygnały steruące) nowe rozpływy mocy prądów oraz aktualne wartośc napęć. Funkconalność ta realzue oblczena rozpływowe oparte o mplementacę algorytmu Newtona. Oprócz oblczeń rozpływowych moduł ten pozwala równeż na generowane losowych obcążeń względem tzw. wartośc bazowych. W rzeczywstym SEE wszystke kluczowe dla dyspozytora nformace spływaą do główne central, t. systemu SCADA. Aby poddać analze omawaną koncepcę efektywnego zarządzana FW użyto profesonalne rozwązane frmy Elkomtech system WndEx. System ten w połączenu z ednostką oblczenową MST- stanow w pełn funkconalne narzędze. Pozwala na gromadzene prezentacę pomarów topolog opsuące nadzorowaną seć. Ostatnm, kluczowym w całym procese elementem est moduł estymac stanu oraz optymalzac. Oblczena optymalzacyne do analzy wymagaą aktualnych, warygodnych spónych danych nt. badanego SEE. Z kole złożona budowa rzeczywste topolog sec, potencalne błędy pomarowe, zagrożene braku obserwowalnośc sprawaą, ż użyce narzędza optymalzac wprost est bardzo utrudnone, a nawet w pewnych warunkach nemożlwe. Aby zagwarantować wysoką akość uzyskanych wynków utworzono narzędze estymatora stanu. Wspomnany proces oblczenowy est nezbędny, gdyż często pomary mocy czynne, berne, napęć oraz nne merzone dane bywaą określane ako nespóne [6]. Dzęk zastosowanu tego narzędza można wyznaczyć nabardze prawdopodobny stan systemu elektroenergetycznego wyrażony w postac wyestymowanych napęć, a przez to doprecyzować beżące wartośc pozostałych danych nt. analzowane sec takch ak moce węzłowe, aktualne obcążalnośc czy straty mocy. Na funkconalność zbudowanego estymatora składaą analzator topolog, test obserwowalnośc [8], oblczena estymacyne oraz moduł detekc dentyfkac błędnych pomarów. Do oblczeń optymalzacynych wymaga sę modelu przekształconego z topolog w forme wyłącznk/szyny na gałęze/szyny. Do tego celu użyto (uproszczony) procesor topolog, który w oparcu o beżące pomary wyłącznków wyznacza aktualny zbór połączeń pomędzy szynam oraz przypsue do poszczególnych sekc źródła mocy oraz odbory. Maąc tak oblczoną topologę przeprowadza sę proces badana obserwowalnośc. Jest to etap pracy estymatora w którym sprawdza sę czy dostarczony zestaw pomarów pozwala na wykonane oblczeń estymacynych. Jeżel badany system uznae sę za obserwowalny, następue wyznaczene wartośc wektora napęć zgodne z algorytmem estymac t. Ważonych Namneszych Kwadratów (ang. Weghted Least Squares Estmaton)[7]. Wyznaczone napęca mogą być obarczone błędam grubym (np. w wynku błędnego pomaru stanu wyłącznka). Take przypadk mogą w znacznym stopnu przyczynć sę do przekłamań w oblczenach optymalzacynych, dlatego w celu unknęca ww. następstw zastosowano moduł pomocnczy do detekc dentyfkac błędów pomarowych oparty o algorytm testu standaryzowanych reszt. Po wyznaczenu wektora napęć wyznacza sę pozostałe parametry sec t. moce węzłowe, obcążalnośc napęca które ne stnały wcale lub zostały usunęte w procese estymac ze względu na obarczene znacznym błędem pomaru... Algorytm pracy Opsane wyże moduły tworzą eden spóny układ optymalne regulac mocy farm watrowych. W perwsze kolenośc, po ustalenu wybranego stanu sec następue przecążene częśc ln przesyłowych. Jest to etap symuluący np. wzrost generac mocy FW spowodowany wystąpenem chwlowych bardzo dobrych warunków pogodowych w postac slnego watru. Dane nt. badane sec 110 kv wychodzące z symulatora, dzęk zastosowanu dodatkowego wyposażena, są przekształcane na odpowedne sygnały analogowe oraz bnarne, które w forme pomarów wędruą do systemu SCADA (WndEx). Dzęk zastosowanu przetwornków analogowocyfrowych uzyskano symulacę transms sygnałów analogczną do prowadzone w warunkach rzeczywstych. Gromadzone przez system akwzyc dane są w następne kolenośc poberane przez dedykowane oprogramowane estymacyno-optymalzacyne. Po pobranu przez estymator nformac o pomarach wykonywane są oblczena numeryczne maące na celu określene beżące topolog, sprawdzene obserwowalnośc systemu, usunęce błędów pomarowych, oblczene wyestymowanych napęć a w konsekwenc wyznaczene kompletnego modelu matematycznego dla nadzorowanego (rzeczywstego) SEE. Powstały model est następne analzowany przez optymalzator który dla beżących warunków pogodowych oraz techncznych zaproponue nalep-

3 Nr (111) Rynek Energ Str. 71 sze z możlwych nastawy mocy FW. Nastawy te są podstawą do oblczeń rozpływowych dla symulatora SEE. Wyznaczona w ten sposób odpowedź sec est końcowym etapem poedyncze pętl będące ednocześne podstawą dla dalszych terac uwzględnaących losowe przecążena ln przesyłowych. 3. METODA OPTYMALIZACJI 3.1. Założena do oblczeń Problem maksymalzac sumy mocy generowane w farmach watrowych (mnmalzac redukc sumy mocy w FW) rozwązano ako lnowe zadane optymalzacyne. Optymalzaca danego stanu pracy systemu elektroenergetycznego ma ednak mesce dopero wtedy, gdy uwzględnone zostaną warunk pracy sec przesyłowe zwązane z nm ogranczena. Wprowadzaąc następuące oznaczena: wektor stanu zaweraący w sobe moduły napęć węzłowych U ch argumenty δ [1,, 3] U x δ (1) który spełna równana sec uwzględnaące wektor wymuszeń w (moce odberane w węzłach) PL w QL () oraz wektor sterowań s (moce generowane w węzłach) PG s QG (3) można zdefnować zadane optymalzacyne (zwane w tym przypadku zadanem OPF Optmal Power Flow) zapsane w postac ogólne przy ogranczenach równoścowych nerównoścowych F C x,w,s mn (4) g x,w,s 0 (5) h x,w,s 0 (6) Chcąc wyznaczyć maksymalne wartośc mocy generowane w FW, funkca celu zadana OPF pownna być określona następuąco F C Nz s P (7) 1 G gdze P G moc czynna generowana przez źródło przyłączone do węzła. Jak wdać funkca celu zawera w sobe proste sumowane wybranych elementów wektora sterowań odpowadaących rozpatrywanym węzłom sec. Oczywstym est, że elementam wektora sterowań pozostaą moce wszystkch pracuących w nm źródeł. Szczegółowa postać ogranczeń równoścowych nerównoścowych wynka z zapsów formuł klasycznego zadana rozpływowego. Do ogranczeń zalczyć należy: ogranczene nerównoścowe wynkaące z mnmum techncznego systemu, ogranczene nerównoścowe wynkaące z dopuszczalnych mocy gałęzowych, ogranczene nerównoścowe wynkaące z dopuszczalnego salda wymany zagranczne, ogranczene nerównoścowe wynkaące z dopuszczalnych wartośc napęć w węzłach secowych, ogranczene równoścowe wynkaące z blansu mocy czynne berne wytwarzane oraz poberane. Zadane OPF uwzględnaące kryterum N-1 zalcza sę do kategor SCOPF (Securty Constraned OPF). 3.. Ops metody [4] Borąc po uwagę fakt, że funkca celu est lnowa oraz wykorzystuąc założena typowe dla stałoprądowe metody oblczana rozpływów mocy, zadane optymalzacyne można rozwązać wykorzystuąc do tego celu programowane lnowe. W metodze stałoprądowe korzysta sę z następuące zależnośc na moc węzłową S P Q U I *, 1,,..., w. (8) Jeżel prąd węzłowy wyraz sę wzorem w, (9) I U Y U Y U Y 1 a admtance oraz napęca w postac wykładncze: Y Y e U U e U U e wówczas moc węzłowa przyme postać (10) S U Y e U U Y e. (11)

4 Str. 7 Rynek Energ Nr (111) W metodze stałoprądowe przymue sę następuące założena U Un dla każdego węzła, sn, cos 1 G 0,, 4. SIEĆ TESTOWA CIGRE Badana przeprowadzono dla sec testowe CIGRE, która est secą składaącą sę z 1 generatorów, 17 węzłów, 19 ln oraz autotransformatorów (tabela 1,). Schemat sec pokazany est na rysunku drugm. Kolorem asnym oznaczono źródła klasyczne, natomast kolorem cemnym farmy watrowe. 1 Y, 90 X, w B Y Y. 1 Po uwzględnenu powyższych założeń ostateczne otrzymue sę następuące zależnośc na moc węzłową czynną berną: 1 P U n X 1 1 Q Un 1 X X (1) Oraz moduł prądu płynącego w gałęz ako funkcę mocy węzłowych I c P c P... c P (13) NG NL NG NL gdze c to współczynnk określaący udzał źródła przyłączonego do węzła k w obcążanu sę ln, wyrażaący sę wzorem c k n k k 1 Z Z, (14) U X gdze: L ndeks odnoszący sę do odborów, N G lczba węzłów elektrownanych, N L lczba węzłów obcążenowych elektrownanych, P, Q, Z k, Z k elementy macerzy mpedancyne. Na podstawe powyższych rozważań wdać, że uzyskana zależność pomędzy koneczną zmaną prądu gałęz (z uwag na e przecążene), a nezbędną wartoścą redukc mocy w rozpatrywanym źródle ma charakter lnowy. Na e podstawe można określać wpływ poszczególnych źródeł na efekt odcążana dane ln elektroenergetyczne lub transformatora. Zagadnene to można zalczyć do zadań optymalzac lnowe z ogranczenam do ego rozwązana można zastosować metodę programowana lnowego. W nneszym artykule wykorzystana została metoda Smplex. Lp. Rys.. Seć testowa CIGRE Tabela 1 Lsta gałęz w badane sec wraz z dopuszczalnym obcążalnoścam prądowym (mocowym) gałęz Węzeł pocz. Węzeł kon. In/Sn A/MVA Rodza gałęz 1 LIN10 ZAL1 BOR1 515 lna LIN11 BOR1 KUL1 515 lna 3 LIN1 BOR1 URS1 515 lna 4 LIN13 NAR11 BRZ lna 5 LIN URZ11 ZAL1 515 lna 6 LIN0 URZ111 BUJ lna 7 LIN1 BUJ111 WAN lna 8 LIN WAN111 KOW lna 9 LIN3 KOW111 LA11 05 lna 10 LIN4 LA11 ZLP lna 11 LIN5 ZLP111 CHO lna 1 LIN6 CHO111 WOL lna 13 LIN7 WOL111 URZ lna 14 LIN8 URZ111 LA11 05 lna 15 LIN4 URZ11 BRZ lna 16 LIN6 ZAL1 LAG lna 17 LIN7 LAG11 KUL1 515 lna 18 LIN8 LAG11 UJA1 515 lna 19 LIN9 LAG11 NAR lna 0 TRA- URZ11 URZ Transformator 1 TRA- 1 LAG11 LA11 50 Transformator

5 Nr (111) Rynek Energ Str. 73 Tabela Lsta źródeł w badane sec wraz z wartoścam mocy czynne generowane Lp. Typ źródła Pg, MW Pgmax, MW Un,kV 1 FW BUJ- FW WAN- 3 FW KOW- 4 FW WOL- 5 FW CHO- 6 FW ZLP- 7 Klasyczne B0-8 Klasyczne 169 B3H Klasyczne B07-10 Klasyczne B06-11 Klasyczne B05-1 Klasyczne 199 B4H Stan bazowy sec charakteryzował sę występowanem przecążeń pęcu gałęz czterech ln ednego transformatora (tab. 3), co zostało zobrazowane procentowym wartoścam obcążena poszczególnych gałęz. Sumaryczna moc generowana przez farmy watrowe wynosła 750 MW, natomast przez źródła klasyczne 855 MW. No. gałęz Węzeł początkowy Tabela 3 Lsta elementów przecążonych Węzeł końcowy In/Sn (A/MVA) I/In (S/Sn) % 1 LIN0 URZ111 BUJ LIN3 KOW111 LA LIN4 LA11 ZLP LIN7 WOL111 URZ TRA- URZ11 URZ Dla takego stanu sec wykonano oblczena optymalzacyne. W edne terac udało sę osągnąć stan sec bez przecążeń. Skuteczność metody est węc bardzo wysoka. Sumaryczna moc generowana przez farmy watrowe ogranczona została o wartość 160 MW. Jest to redukca namnesza z możlwych, daąca efekt skutecznego odcążena elementów przecążonych. Ubytek mocy w farmach watrowych skompensowany został przez źródła klasyczne, tak aby zachowany był blans mocy w sec. Metoda określana optymalne redukc mocy ako zadna programowana lnowego może być z praktycznego punktu wdzena satysfakconuąca. Należy sobe ednak zdawać sprawę z tego, że z naukowego punktu wdzena lnearyzaca zadana rozpływowego zawsze est uznawana za podeśce przyblżone. Tabela 4 Lsta źródeł wraz z wartoścam mocy generowane Lp. Typ źródła Pg, MW Pg, MW Stan bazowy Stan optymalny 1 FW BUJ- FW WAN- 3 FW KOW- 4 FW WOL- 5 FW CHO- 6 FW ZLP- 7 Klasyczne 0 0 B0-8 Klasyczne B3H- 9 Klasyczne B07-10 Klasyczne B06-11 Klasyczne B05-1 Klasyczne B4H- 5. PODSUMOWANIE W oparcu o uzyskane wynk oblczeń (symulac) można ednoznaczne stwerdzć ż zaproponowany układ bardzo dobrze spełna założoną rolę. Wydana (pod kątem czasowym) metoda estymac oraz optymalzac ne wymaga dużych nakładów czasowych. W konsekwenc umożlwa funkconowane układu w czase rzeczywstym. Jest to kluczowy atut tego narzędza, zwłaszcza w odnesenu do FW, których to dynamka zman mocy est znaczna. Dodatkowo, dzęk posadanym cechom może stanowć narzędze efektywne wsperaące proces decyzyny dyspozytora, co w sposób bezpośredn przełoży sę ne tylko na akość podemowanych decyz, ale równeż na poprawę bezpeczeństwa stablnośc nadzorowanego SEE. LITERATURA [1] Kaceko P., Parsk P., Mller P.: Oszacowane welkośc mocy źródeł energ elektryczne możlwych do przyłączena do węzłów w Kraowym Systeme Przesyłowym. Praca wykonana na zlecene PSE Operator S.A pod kerownctwem prof. M. Soberaskego. Poltechnka Wrocławska 010. [] Kaceko P., Parsk P., Robak S., Soberask M.: Ocena możlwośc przyłączenowych węzłów systemu elektroenergetycznego. Część III nelnowa optymalzaca generac watrowe. Rynek Energ 01, nr 3 (100), vol. 100, s [3] Kaceko P., Parsk P.: Możlwośc podzału kosztów modernzac na ednostk wytwórcze ubegaące sę o przyłączene. Przegląd Elektrotechnczny 01, NR 9a, vol. 88, s

6 Str. 74 Rynek Energ Nr (111) [4] Kaceko P., Wydra M., Jędrychowsk R.: Optymalne sterowane grupy farm watrowych w oparcu o system WndEx zewnętrzne moduły oblczenowe. Zeszyty Naukowe Wydzału Elektrotechnk Automatyk Poltechnk Gdańske 013, nr 33, s [5] Parsk P.: Algorytm dynamcznego dopasowana pozomu mocy generowane do możlwośc przesyłowych ln elektroenergetycznych. Rozprawa doktorska, Poltechnka Lubelska 011. [6] Abur. A, Exposto A.: Power System State Estmaton. Theory and Implementaton. Marcel Dekker, 004. [7] Montcell A.: Electrc Power system State Estmaton. IEEE Transactons on Power Systems. Vol. 88, NO., February 000, s [8] Castllo E., Coneo A., Pruneda R.: Observablty Analyss n State Estmaton - A Unfed Numercal Approach, IEEE Transactons on Power Systems. Vol. 1, NO., May 006. EFFICIENT MANAGEMENT OF WIND FARM POWER Key words: optmzaton, allowable current-carryng capacty, overhead lne, wnd farm, state estmaton Summary. Effcent management of wnd farm power,when 110 kv power lnes get overloaded, makes an mportant problem from the vewpont of the power system operatonal securty. Old lnes of low workng temperature that make so-called bottle necks are not modernzed n tme. Ther condton together wth ncreasng power demand and a growng number of connected wnd farms results n consderable overloadng of the lnes. The paper presents one of possble methods for the transmsson lne overload relef wth the applcaton of a mathematcal tool based on optmzaton and a drect-current method for load flow determnaton. A laboratory stand has been bult. It s based on an onlne operatng system that ncludes modules of the state estmaton and optmzaton. Its man task s to determne such settngs of the wnd farm generated power that would effcently releve overloaded elements and mnmally reduce power that s generated n wnd farms. Paweł Parsk, dr nż. studa na Wydzale Elektrotechnk Informatyk Poltechnk Lubelske ukończył w 004 r. W paźdzernku 005 r. rozpoczął pracę w Katedrze Sec Elektrycznych Zabezpeczeń na stanowsku asystenta. Pracę doktorską obronł w 01 roku. Jego zanteresowana naukowe zwązane są obecne z wrażlwoścą elektroenergetycznych ln napowetrznych na zmany mocy generowanych w poszczególnych źródłach wytwórczych, optymalzacą rozpływów mocy berne, a także heurystycznym metodam optymalzac. Jest współautorem klku artykułów prac pośwęconych te tematyce. E-mal: p.parsk@pollub.pl Mchał Wydra, dr nż. adunkt w Katedrze Sec Elektrycznych Zabezpeczeń Poltechnk Lubelske. Od 00 roku est pracownkem Wydzału Elektrotechnk Informatyk. Stopeń doktora uzyskał w roku 008. Specalzue sę w modelowanu pracy ednostek wytwórczych pracuących na potrzeby systemu elektroenergetycznego oraz estymac stanu. E-mal: m.wydra@pollub.pl Adam Rzepeck, mgr nż. absolwent Wydzału Elektrotechnk Informatyk Poltechnk Lubelske. Od 011 r. zatrudnony na stanowsku asystenta w Katedrze Sec elektrycznych Zabezpeczeń w Poltechnce Lubelske. W swoe pracy naukowe zamue sę zagadnenam zwązanym z modelowanem systemów elektroenergetycznych oraz estymacą stanu. Jego praca badawcza skupa sę w duże merze na budowe oprogramowana do analzy SEE mplementowanego w ęzyku C++. E-mal: a.rzepeck@pollub.pl