POLITECHNIKA ŚLĄSKA. Analiza przyłączenia do sieci elektrowni fotowoltaicznej

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI I STEROWANIA UKŁADÓW PROJEKT Analiza przyłączenia do sieci elektrowni fotowoltaicznej Autorzy: Bartosz Berk Paweł Karwacki Łukasz Krasoń Maria Sępek Zbigniew Skolarski Prowadzący: dr. hab. Maksymilian Przygrodzki Gliwice, Grudzień 2014 r.

2 1. Cel projektu Celem jest przeprowadzenie analizy technicznej i ekonomicznej przyłączenia w węźle 6 do sieci elektroenergetycznej źródła fotowoltaicznego o mocy szczytowej 1,0 MW wytwarzającego energię elektryczną z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. 2. Charakterystyka źródła Źródło zostanie zbudowane z następujących elementów: Panel słoneczny polikrystaliczny REC 250 PE o mocy 250 W 4000 szt - cena 720 zł/szt Inwerter Solarmax 300C (300kW) 4szt tys. zł/szt Transformator 0,4/15 [kv] o mocy 315kVA 4 szt. Wyłącznik 15kV, 630 A 4szt. Zabezpieczenia Micom 4szt Rozłącznik 15kV, 630 A kabel YKY 185mm 2 o długości 4800m do połączenia zespołów paneli na stojakach z inwerterami, kabel XRUHKXS 120mm 2 o długości 1500m do wyprowadzenia mocy z elektrowni fotowoltaicznej do węzła sieciowego. Przyjęto, że powierzchnia działki na której umieścimy ogniwa wytwórcze, powinna wynosić ok. 2ha, i być prostokątem o przybliżonych wymiarach 250 x 80m. Wynika to z faktu zabudowy rzędowej paneli fotowoltaicznych. Ustalono, że będą one montowane na odpowiednich stojakach, po 16 paneli na każdym (w układzie kwadratu 4x4 panele). Następnie stojaki zostaną umieszczone w ośmiu rzędach, z czego w sześciu rzędach znajdzie się po 31 stojaków, a w dwóch rzędach po 32 stojaki. Całość zostanie połączona w cztery sekcje, połączone z rozdzielnicą 0,4 kv oraz odpowiednio z czterema inwerterami. Inwertery zostaną połączone z transformatorami 0,4/15kV, które będą pracowały równolegle na system szyn zbiorczych rozdzielnicy 15kV. Moc zostanie wyprowadzona przez kabel o długości 500m do stacji w punkcie szóstym schematu sieci. Szczegółowy schemat ideowy instalacji znajduje się na końcu projektu.

3 3. Schemat zasilania

4 4. Rozpływ mocy W celu zbadania wpływu źródła na sieć, wykonano analizy rozpływowe dla różnych stanów pracy sieci. Wyniki zestawiono w tablicach, porównując stany przed przyłączeniem źródła i po przyłączeniu źródła, oraz stany awaryjne, takie jak wyłączenie jednej z linii, czy też wyłączenie obu linii, zasilanych z GPZ. Na rysunkach przedstawiono modele sieci wykonane w programie Powerworld. Tablica 1. Porównanie rozpływów mocy przed i po przyłączeniu źródła. Przed przyłączeniem źródła Po przyłączeniu źródła Gałąź P Q S P Q S - MW Mvar MVA MW Mvar MVA 1-2 5,28 2,32 5,8 5,27 2,30 5, ,12 1,18 3,3 3,12 1,18 3, ,04 0,66 2,1 2,04 0,65 2, ,01 0,21 1,0 1,01 0,21 1, ,35 2,35 4,9 3,31 0,88 3, ,41 1,95 4,8 4,39 1,93 4, ,54 0,45 1,6 1,54 0,45 1, ,65 1,17 2,9 2,65 1,16 2, ,56 0,67 1,7 1,56 0,67 1,7 Rys. 1. Model sieci bez przyłączonego źródła fotowoltaicznego.

5 Rys. 2. Model sieci z przyłączonym generatorem w węźle nr 6. Tablica 2. Porównanie rozpływów mocy w stanie normalnym i w stanach awaryjnych Praca normalna Wyłączona linia 1- Wyłączona linia 1- Wyłączone linie oraz 1-7 Gałąź P Q S P Q S P Q S P Q S - MW Mvar MVA MW Mvar MVA MW Mvar MVA MW Mvar MVA 1-2 5,27 2,30 5, ,26 2,28 5, ,12 1,18 3, ,11 1,17 3, ,04 0,65 2, ,04 0,65 2, ,01 0,21 1, ,01 0,21 1, ,31 0,88 3,3 3,14 0,9 3,3 3,14 0,90 3,3 3,14 0,89 3, ,39 1,93 4,8 4,36 1,89 4, ,54 0,45 1,6 1,54 0,44 1, ,65 1,16 2,9 2,64 1,15 2, ,56 0,67 1,7 1,56 0,66 1, Rys. 3. Model sieci z wyłączoną linią między węzłami 1 i 2.

6 Rys. 4. Model sieci z wyłączoną linią między węzłami 1 i 7. Rys. 5. Model sieci z wyłączonymi liniami między węzłem 1 i 2, oraz między węzłem 1 i 7.

7 5. Analiza napięciowa Analizę napięć węzłowych wykonano, podobnie jak w przypadku rozpływu mocy, dla stanu wyjściowego sieci, z przyłączonym generatorem, oraz stanu awaryjnego. Otrzymane wyniki zestawiono w tablicy 3. Tablica 3. Zestawienie napięć węzłowych w różnych stanach pracy sieci Przed przyłączeniem źródła Po przyłączeniu źródła Wyłączona linia 1-2 Wyłączona linia 1-7 Wyłączone linie 1-2 i 1-7 Węzeł U U U U U - kv kv kv kv kv 1 13,99 14,2 14,58 14,52 14, ,32 13, , ,85 13, , ,61 12, , ,43 12, , ,19 13,24 13,65 13,59 13, ,05 13,28 13, ,61 12,85 13, ,51 12,75 13, ,88 12,13 12, Otrzymane wyniki zestawiono na wykresie ,5 14 Przed przyłączeniem źródła Po przyłączeniu źródła Wyłączona linia 1-2 Wyłączona linia 1-7 Wyłączone linie 1-2 i , , , Rys. 6. Graficzne zestawienie napięć węzłowych w różnych stanach pracy sieci.

8 6. Analiza strat mocy Wykonano analizę strat mocy dla sieci przy włączonym oraz wyłączonym źródle fotowoltaicznym. Otrzymane wyniki zestawiono w tablicy 4. Tablica 4. Zestawienie strat mocy przy wyłączonym i włączonym źródle fotowoltaicznym. Wyłączone źródło Włączone źródło fotowoltaiczne fotowoltaiczne Różnica strat mocy Gałąź P Q P Q ΔP ΔQ - MW Mvar MW Mvar MW Mvar 1-2 0,16 0,34 0,15 0,33 0,01 0, ,08 0,13 0,08 0,12 0 0, ,03 0,04 0,03 0, ,01 0,01 0,01 0, ,36 0,76 0,15 0,32 0,21 0, ,21 0,33 0,20 0,32 0,01 0, ,04 0,05 0,04 0, ,09 0,10 0,08 0,09 0,01 0, ,06 0,07 0,06 0, Analiza zwarciowa Wykonano analizę prądów zwarcia w określonych węzłach po przyłączeniu źródła fotowoltaicznego. W tablicy 5 zestawiono otrzymane prądy zwarcia jednofazowego z ziemią oraz trójfazowego. Tablica 5. Zestawienie otrzymanych prądów zwarciowych. Jednofazowe Trójfazowe Punkt zwarcia I A I A

9 Analiza ekonomiczna Tablica 6. Nr poz. Opis robót Jm Ilość Cena Wartość PLN PLN 1 Infrastruktura 1 Kompletna stacja transfromatorowa wraz z montażem (KST 613) szt , ,00 Infrastruktura ,00 2 Konstrukcja nośna 2 Konstrukcja nośna paneli (KST 291) Wp , ,00 Konstrukcja nośna ,00 3 Panele (moduły fotowoltaiczne) 3 Panele fotowoltaiczne REC 250 PE 552 szt. wraz z montażem (KST 669) szt , ,00 Panele (moduły fotowoltaiczne) ,00 4 Komponenty niskiego napięcia 4 Zakup skrzynek przyłączeniowych wraz z okablowaniem (KST 669) szt , ,00 5 Połączenia międzypanelowe - montaż (KST 669) szt , ,00 Komponenty niskiego napięcia ,00 5 Przekształtniki DC na AC 6 Zakup falowników wraz z niezbędnymi zabezpieczeniami (KST szt , ,00 347) 7 Montaż falowników wraz z konfiguracją (KST 347) szt , ,00 8 Zestaw systemu monitoringu pracy elektrowni wraz z montażem (KST szt , ,00 624) 9 Zestaw: pirometr, wiatromierz, temperatura wraz z montażem - stacja szt , ,80 pogodowa (KST 800) Przekształtniki DC na AC ,80 6 System monitoringu 10 System zabezpieczenia farmy fotowoltaicznej przed zniszczeniem i kpl , ,00 wandalizmem (KST 624) System monitoringu ,00 Razem ,80 Podatek VAT 23% ,64 Ogółem ,44

10 Jak widać z powyższej tabeli, całkowita cena 1 MW wynosi ponad 8 mln zł. Jest to dość dużo biorąc pod uwagę, że elektrownia fotowoltaiczna może działać tylko przy sprzyjających warunkach atmosferycznych, których nie da się jednoznacznie i długoterminowo przewidzieć. Możemy założyć (pomijając warunki pogodowe), że w ciągu roku elektrownia będzie zarabiać ok. 500 tys. zł. Przy takich założeniach inwestycja zwraca się po ponad 16 latach. Żywotność paneli fotowoltaicznych przyjmuje się na ok lat, w zależności od producenta. Biorąc pod uwagę powyższe założenie, zysk będzię się plasował w przedziale od 2 do 3,5 mln zł. Koszt zakupu i wymiany samych paneli to ok. 3 mln zł. Reasumując, prywatnemu inwestorowi nie opłaca się budować elektrowni fotowoltaicznej tylko z własnych środków. Dofinansowania do tego typu inwestycji mogą sięgnąć nawet 85% całkowitych kosztów, więc tylko wtedy jest szansa, że zarobimy na tego typu elektrowni. W naszym przypadku zakładając, że inwestor dostanie najwyższy procent dofinansowania, będzie musiał wyłożyć zaledwie ok. 1,2 mln zł. Pokrycie kosztów związanych z budową zwróci się po ok. 3 latach. Inwestor w kolejnych latach będzie mógł zarobić od 8,5 do 11 mln zł. 9. Podsumowanie Celem projektu było przeprowadzenie analizy technicznej i ekonomicznej przyłączenia do sieci elektroenergetycznej źródła fotowoltaicznego o mocy szczytowej 1,0 MW wytwarzającego energię elektryczną z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. Źródło zostało przyłączone do sieci poprzez linię kablową o długości 500m. Przeprowadzono analizy rozpływu mocy w różnych stanach pracy sieci w stanie wyjściowym - bez przyłączonego źródła, w stanie normalnym z przyłączonym źródłem, oraz w stanie zakłóceniowym przy wyłączeniu jednej i dwóch linii. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że obniżyła się moc pozorna płynąca w linii pomiędzy węzłami nr 1 i nr 6. Wynika to z faktu, że węzeł nr 6 jest dużym odbiornikiem mocy i przyłączone do niego źródło fotowoltaiczne zaspokaja częściowo jedynie potrzeby tego węzła, które i tak są większe, niż przyłączona do niego moc z nowego źródła. Odciążył się również transformator 115/16,5 kv. Podczas wyłączania linii, między węzłami 1-2, 1 7, czy też obu tych linii naraz, zmiana rozpływu mocy polega w zasadzie jedynie na odciążaniu transformatora WN/SN o wartość mocy płynącej w tych liniach. Zmniejszają się również straty w transformatorze. Analiza napięć sieciowych pokazuje, że bez włączonego źródła fotowoltaicznego, napięcie w sieci maleje wraz ze wzrostem odległości od węzła nr 1. Wynika to ze zwiększającej się w miarę odległości impedancji linii oraz z faktu pobierania mocy w kolejnych węzłach. Po przyłączeniu nowego źródła fotowoltaicznego wyraźnie poprawia się wartość napięcia w sieci, szczególnie w węźle nr 6. W pozostałych węzłach również możemy odnotować wzrost napięcia, a w przypadku wyłączania kolejnych linii sytuacja w zasadzie tylko się poprawia, gdyż coraz bardziej zbliżamy się do napięcia znamionowego sieci. Przyłączając źródło przyczyniamy się do zmniejszenia strat mocy na linii między węzłami 1-6. Wynika to z częściowej samowystarczalności węzła szóstego, co powoduje zmniejszony przepływ prądu w linii przesyłowej od stacji WN/SN, a co za tym idzie mniejsze straty. Obniżone zostają również straty w transformatorze GPZ.