ZARZĄDZANIE MIKROINSTALACJAMI OZE REALNE WYZWANIE TECHNICZNE, CZY TYLKO IMPULS MARKETINGOWY?

Transkrypt

1 ZARZĄDZANIE MIKROINSTALACJAMI OZE REALNE WYZWANIE TECHNICZNE, CZY TYLKO IMPULS MARKETINGOWY? Autorzy: Piotr Kacejko, Paweł Pijarski ("Rynek Energii" - luty 2016) Słowa kluczowe: instalacje prosumenckie, mikroźródła, zmiana napięcia Streszczenie. W artykule przedstawiono rozważania dotyczące zarządzania grupą mikroźródeł przyłączonych do sieci niskiego napięcia, w obrębie jednej stacji transformatorowej. Na podstawie przeprowadzonych analiz określono możliwy wpływ dużej liczby instalacji prosumenckich generujących moc w dolinie zapotrzebowania, na zmiany napięcia w tej sieci. Zaproponowano architekturę i algorytm lokalnego układu zarządzania grupą takich źródeł, mającego za zadanie wyeliminowanie efektu podbicia wartości napięcia, który może powodować negatywne konsekwencje dla odbiorców. 1. MIKROINSTALACJE OZE W SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA Systemy wsparcia wprowadzone przez ustawę o OZE oraz postęp technologiczny prędzej czy później doprowadzą do rozwoju systemów wytwarzania przyłączanych do sieci niskiego napięcia. Skala tego rozwoju może być regulowana ustawowo, ale tylko do pewnego stopnia, bowiem spadek cen, szczególnie w zakresie fotowoltaiki, spowoduje wzrost mocy źródeł, którego nie da się zahamować, tak jak nie mógł ulec zahamowaniu rozwój sieci komputerowych lub telefonii komórkowej [2]. Wtedy nawet tak subtelny system wsparcia jak net metering (bez taryfy gwarantowanej) może spowodować okresową nadpodaż energii w rozpatrywanej sieci i jej przepływ w kierunku stacji transformatorowej. Konsekwencje techniczne dla sieci niskiego napięcia, które będą wynikać w przyszłości ze wzrostu liczby źródeł wytwórczych są zróżnicowane. Wydaje się jednak, że najpoważniejsze z nich to oddziaływanie napięciowe wynikające z przepływu mocy od miejsca przyłączenia tych źródeł w stronę stacji SN/nn. Gdyby moc produkowana w źródłach rozproszonych odpowiadała mocy odbieranej w miejscach ich przyłączania, wtedy stan sieci odpowiadałby stanowi jałowemu, czyli poborowi mocy z transformatora SN/nn bliskiemu zeru. Specyfika źródeł rozproszonych i zastosowanych technologii polega jednak na tym, że korelacja mocy w nich wytwarzanej z mocą zapotrzebowaną jest znikoma [1, 7]. Mówiąc konkretnie o fotowoltaice, zapotrzebowanie na moc w miesiącach maksymalnego poziomu promieniowania słonecznego, nie pokrywa się ze szczytowym zapotrzebowaniem na moc u odbiorców, którzy pozostawiają w domach co najwyżej włączone lodówki. Przepływ mocy w kierunku stacji SN/nn powoduje efekt określany jako podbicie napięcia, będący odwrotnością efektu spadku napięcia. Tym

2 samym napięcie w punktach przyłączenia źródeł rozproszonych, jak też w punktach przyłączenia instalacji odbiorczych znajdujących się w ich pobliżu, może wzrastać powyżej wartości dopuszczalnych skracając istotnie czas życia szeregu urządzeń, w szczególności źródeł światła. Zmienność warunków pracy sieci związana ze zmianami obciążenia, zmianami mocy generowanej w źródłach rozproszonych, zmianami zachodzącymi w sieci SN, mogą w rezultacie spowodować dobowe fluktuacje napięć w węzłach odbiorczych sieci niskiego napięcia w szerokim zakresie (np. od 200 do 260 V), które dla odbiorcy będą postrzegane jak swoisty napięciowy dyskomfort. Nie można oczywiście winy za ten dyskomfort przerzucać w całości na źródła rozproszone, ale z pewnością warto prowadzić analizy jaka jest ich faktyczna rola w zniekształcaniu profilu napięciowego sieci nn, a jeżeli w pewnych warunkach okaże się ona istotna, to niezbędne jest zaproponowanie środków technicznych, które ten negatywny wpływ mogą skompensować. 2. ISTOTA EFEKTU PODBICIA NAPIĘCIA Przedmiotem prowadzonych analiz, których wynik opisuje niniejszy artykuł, są zasygnalizowane niżej dwa problemy: zidentyfikowanie warunków i okoliczności, w których negatywne oddziaływanie źródeł rozproszonych może być szczególnie zauważalne, zaproponowanie rozwiązań technicznych pozwalających na zdecentralizowaną regulację mocy biernej tych źródeł, a w warunkach uzasadnionych ograniczanie poziomu generacji ich mocy czynnej, które pozwoli na utrzymanie profili napięciowych sieci nn, w zakresie akceptowalnym dla ogółu odbiorców. Na rys.1 przedstawiono w skróconej postaci kompendium podstawowej wiedzy inżynierskiej o efektach napięciowych związanych z poborem mocy z sieci, jej generacją oraz łącznie poborem i generacją. Nawet w wysokich gremiach decyzyjnych panuje pogląd, że przepływ mocy od źródła do sieci przypomina swoisty proces pompowania, który zachodzi tylko wtedy, gdy napięcie w miejscu generacji jest większe od napięcia w miejscu odbioru. To całkowicie mylne przekonanie znajdujące swoje uzasadnienie we właściwościach sieci prądu stałego. W sieci prądu przemiennego wyższe napięcie w miejscu generacji jest skutkiem przepływu mocy, a nie jego siłą sprawczą. Mocy generowanej w głębi sieci nie trzeba pompować system ją zaabsorbuje zmniejszając generację w jednostkach regulacyjnych nośnikiem informacji o chwilowym nadmiarze mocy jest częstotliwość. Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z mikroinstalacji prowadzona dla ekstremalnie dobranych przypadków wskazuje na ich oddziaływanie silnie i negatywnie wpływające na inne odbiory. Warto zdać sobie sprawę z faktu, że dla napięcia na szynach rozdzielni niskiego napięcia stacji SN/nn na poziomie 400 V (co jest wartością typową, równą napięciu znamionowemu) napięcie u odbiorców oddalonych od stacji na poziomie 360 V nie jest niczym nienormalnym.

3 Rys. 1. Ilustracja zależności napięciowych związanych z przepływem mocy w sieci promieniowej niskiego napięcia: a) odbiór; b) generacja; c) odbiór i generacja Z drugiej jednak strony, w takim przypadku generacja na poziomie mocy odbieranej w szczycie zapotrzebowania, musi wiązać się z podbiciem wartości napięcia do 440 V w jego dolinie. Dokuczliwość zmian napięcia u odbiorców od wartości 440 V do 360 V zależy od ich dynamiki i częstości. Można jednak przypuszczać, że zmienność napięć w tak szerokim zakresie nie może być oceniana jako coś normalnego, akceptowanego w pełni przez odbiorcę. 3. WYNIKI ANALIZY SIECI TESTOWEJ Z MIKROINSTALACJAMI Należy podkreślić, że tak jaskrawy obraz oddziaływania napięciowego mikroźródeł musi być skonfrontowany z analizą uwzględniającą rzeczywistą konfigurację sieci oraz, co bardzo istotne, korelację pomiędzy przebiegiem zapotrzebowania na moc a możliwościami produkcyjnymi mikroźródeł [3, 4]. Rozpatrywana sytuacja, w której zapotrzebowanie spada do zera, a możliwości generacyjne osiągają maksimum, może być bowiem uznana za zbyt pesymistyczną. W artykule przedstawiono wyniki analizy uproszczonej sieci niskiego napięcia, przedstawionej na rys.2. W skład sieci wchodziły trzy obwody zasilające osiem zagregowanych węzłów odbiorczych. Obciążenie każdego z nich wynosiło 10 kw i 4 kvar. Długości poszczególnych obwodów wykonanych przewodem AL 25 wynosiły odpowiednio 600 m, 1000 m i 500 m. Moc transformatora o przekładni 15,75/0,4 kv wynosiła 100 kva. Kwestia doboru przekładni transformatora (regulacja w cyklach kilkuletnich w stanie beznapięciowym) zależy od usytuowania stacji w stosunku do Głównego Punktu Zasilania. Jeśli odcinek SN jest krótki przyjmuje się pracę na zaczepie +5% (napięcie SN nieco za wysokie, przekładnia tak ustawiona obniża napięcie po stronie 0,4 kv), jeśli odcinek SN jest długi

4 U, pu przyjmuje się pracę na zaczepie -5% (napięcie SN jest za niskie, przekładnia tak ustawiona podwyższa napięcie po stronie 0,4 kv). Niestety zmiany konfiguracji sieci SN powodują, że często aktualnie dobrana przekładnia transformatora nie jest adekwatna do warunków napięciowych w sieci SN. Rys. 2. Schemat sieci testowej niskiego napięcia zawierającej zagregowane węzły odbiorcze; wartość napięcia na szynach 15 kv GPZ przyjęto 15,75 kv Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone obliczeniowo za pomocą programu rozpływowego przedstawiono na rys. 3. Wynika z niego, że jeśli przez odpowiedni dobór przekładni i warunki napięciowe w sieci SN, uda się uzyskać na szynach nn napięcie na poziomie 440V 400V to w całej sieci ma ono wartości możliwe do zaakceptowania. Dla napięcia na szynach nn równego 380 V, warunki napięciowe w głębi sieci mogą być przedmiotem reklamacji odbiorców Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m] Rys. 3. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają poszczególnym obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni transformatora SN/nn Mikroinstalacje OZE modelowano zakładając we wszystkich agregowanych węzłach odbiorczych generację mocy o wartości od zera do 10 kw. Schemat sieci z mikroinstalacjami przedstawia rys. 4.

5 U, pu Rys. 4. Schemat sieci testowej niskiego napięcia zawierającej zagregowane węzły odbiorcze z mikroinstalacjami Obliczenia rozpływowe wykonywano dla różnych relacji pomiędzy mocą odbieraną a generowaną. Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone dla relacji niekorzystnej z punktu widzenia sieciowego (moc obciążenia każdego węzła bliska zeru, moc generowana w każdym węźle 10 kw) przedstawiono na rys Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m] Rys. 5. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają poszczególnym obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni transformatora SN/nn i jednakowych mocy generowanych w każdym węźle Jak widać efekt podbicia napięcia, w przypadku dobrych warunków napięciowych na szynach nn (powyżej 400 V) jest znaczący i prowadzi do wartości 460 V. Oceniając jednak kompleksowo możliwość zmian napięcia od stanu zerowej generacji do stanu maksymalnej generacji to w niekorzystnych warunkach sieciowych, może być to zmiana od 320 V (najniżej położony punkt na rys. 2) do wspomnianych 460 V (najwyżej położony punkt na rys. 5). Nawet przy statycznym charakterze takich zmian warunków napięciowych, muszą być one uznane jako niekorzystne dla odbiorców i zastosowanie środków zaradczych staje się uzasadnione.

6 4. KONCEPCJA UKŁADU STEROWANIA GRUPĄ MIKROINSTALACJI Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z mikroinstalacji, prowadzona dla ekstremalnych przypadków, wskazuje na bardzo silne i negatywnie wpływające na inne odbiory oddziaływanie. W dalszej części artykułu zaproponowano koncepcję podjęcia środków zaradczych, sprowadzającą się do objęcia grupy mikroinstalacji prostym systemem sterowania. Najprostszym sposobem oceny kwestii napięciowych sieci niskiego napięcia są zależności: Pi Qi Ui Ri Xi (1 a) Un Un 0 U i U Ui (1 b) Jak widać z wzorów (1) o spadku, jak też o podbiciu napięcia decydują addytywnie dwa elementy związane z przepływem mocy czynnej jak też z przepływem mocy biernej. Zbyt duża wartość zmiany napięcia (1a) może być zatem ograniczona poprzez zmianę mocy czynnej oraz zmianę mocy biernej. O ile w przypadku mocy odbieranej (P Li, Q Li ) nie jest to technicznie możliwe (jeśli wykluczyć odłączanie odbiorców), to w przypadku mocy generowanej (P Gi, Q Gi ) techniczna realizacja wydaje się realna. Warto zwrócić uwagę, że sieć niskiego napięcia, kiedyś całkowicie nieobserwowalna w sensie technicznym, obecnie dzięki zainstalowaniu w niej liczników inteligentnych oferuje bogaty strumień pomiarów (napięcia, prądy, moce czynna i bierna). Korzystanie z niego jest uwarunkowane jedynie możliwościami odpowiednio zorganizowanego i obsługiwanego kanału transmisji. Przekraczanie dopuszczalnych poziomów napięć wynikające z przepływu mocy w kierunku stacji SN/nn może zostać ograniczone w następujący sposób: wymuszenie przepływu mocy biernej płynącej w stronę odbiorów, poprzez zdalne oddziaływanie na falowniki mikroinstalacji (zaleta: nie ma konieczności ograniczania generacji mocy czynnej żadnego podmiotu; wady: niewielka skuteczność z uwagi na małą indukcyjność linii nn, ograniczenia wynikające z prądów znamionowych zabezpieczeń, konieczność ingerowania w instalację, której operator sieci nie jest właścicielem); ograniczanie generacji mocy czynnej produkowanej w mikroinstalacjach, poprzez zdalne oddziaływanie na falowniki źródeł (zaleta: ograniczenie generacji może być przeprowadzone sposób postrzegany przez producentów jako sprawiedliwy, np. proporcjonalny do mocy znamionowej; wady: konieczność ingerowania w instalację, której operator sieci nie jest właścicielem); ograniczanie mocy przepływającej w kierunku szyn rozdzielni poprzez wyłączenie zdalne niezbędnej liczby źródeł najczęściej zlokalizowanych na końcach obwodów (zaleta: techniczna łatwość realizacji, duża skuteczność, brak konieczności ingerowania w instala-

7 U, pu cję, której operator sieci nie jest właścicielem; wada: możliwe niezadowolenie producentów z powodu zróżnicowanego ich traktowania). Skuteczność ostatniego sposobu sterowania grupą mikroinstalacji pokazano na rys.6. Wyłączenie trzech źródeł (każde o mocy 10 kw) zlokalizowanych na końcach każdego z trzech obwodów rozpatrywanej sieci, bardzo efektywnie stabilizuje wartość napięcia w całej sieci, czyniąc podbicie oddziaływaniem korzystnym, zapewniającym wartość napięcia na akceptowalnym poziomie, niezależnie od wartości napięcia po stronie SN. Organizację całego procesu sterowania grupą źródeł rozproszonych przyłączonych do sieci niskiego napięcia pokazano na rys.7. Wymagania stawiane transmisji danych z liczników, biorąc pod uwagę niewielką liczbę przesyłanych danych i powolny charakter zmian wartości mierzonych, są łatwe do spełnienia. Odbiornikiem transmitowanych danych może być rzeczywisty lub wirtualny sterownik, nazwany z uwagi na jednostkę proponującą prezentowane rozwiązanie Sterownik.PL (Politechnika Lubelska). Sterownik rzeczywisty może być zlokalizowany w stacji transformatorowej, lub osadzony na komputerze operatora sieci. Istotne wydaje się odseparowanie proponowanego układu sterowania grupą mikroinstalacji od zasadniczego układu czasu rzeczywistego SCADA, którego operator używa do sterowania siecią SN i 110 kv. Ranga i zadania tych systemów są niewspółmiernie inne i wspomniana separacja jest najlepszym sposobem zapewnienia bezpieczeństwa informatycznego w systemie spółki dystrybucyjnej Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m] Rys. 6. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają poszczególnym obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni transformatora SN/nn i jednakowych mocy generowanych w każdym węźle sytuacja po wyłączeniu źródeł na końcach każdego z obwodów Szczegółowy opis algorytmu sterowania realizowanego przez układ określony jako Sterownik.PL (pokazanego na rys.8) wykracza poza ramy niniejszego artykułu. Możliwe jest zarówno sterowanie poprzez oddziaływanie na parametry falownika każdej instalacji wytwórczej, jak też dokonywanie zdalnych wyłączeń. W każdym przypadku zakres interwencji układu sterowania jest minimalizowany, tak by osiągnięty został stan napięciowy sieci możliwy do

8 zaakceptowania przez odbiorców. W sterowniku ma miejsce również miejsce weryfikacja danych i ich estymowanie w przypadku wykrytych błędów transmisji. Rys. 7. Schemat sieci testowej niskiego napięcia ze źródłami rozproszonymi i układem sterowania wykorzystującym pomiary udostępniane przez liczniki inteligentne Rys. 8. Schemat funkcjonalny sterownika zarządzającego poziomami napiec w sieci nn nasyconej w dużym stopniu źródłami rozproszonymi; możliwe jest oddziaływanie na falowniki źródeł bądź sterowanie poprzez selektywne ich wyłączenia Stosowanie proponowanych układów sterowania w sieci nn znajduje uzasadnienie wtedy, gdy nasycenie mikroinstalacjami jest znaczne. W sieci testowej każdy węzeł odbiorczy był równocześnie węzłem wytwórczym. W sieciach rzeczywistych z pewnością sytuacja taka nie będzie miała miejsca. Ostatecznie o zastosowaniu układu sterowania powinien decydować operator, po poddaniu analizie obliczeniowej danej sieci. Z pewnością układ ten powinien być stosowany jako narzędzie służące zarówno operatorowi jak i odbiorcom, a nie jako kolejna restrykcja nakładana na tych którzy mają odwagę stać się producentami energii elektrycznej z mikroinstalacji OZE. Osobnym problemem jest także aspekt prawny stosowania proponowanego układu, w szczególności w zakresie ograniczenia wartości mocy generowanej P Gi. (zarówno w drodze wyłą-

9 czeń jak i oddziaływania na falowniki) [5, 6]. O ile bowiem kwestie możliwości zdalnego oddziaływania na wartości Q Gi mogą być ujęte w warunkach przyłączenia (podlegających aneksowaniu po wprowadzeniu mikroźródeł), o tyle kwestie zmniejszania poziomu generacji są znacznie bardziej wrażliwe i tu konieczne są studia o charakterze prawnym, bazujące na zapisach ustawy o OZE i ustawy Prawo energetyczne [2]. 5. PODSUMOWANIE Artykuł zwraca uwagę na negatywne oddziaływanie napięciowe dużej liczby rozproszonych instalacji wytwórczych przyłączonych do sieci niskiego napięcia. Ich lokalizacja na końcach obwodów oraz moc porównywana z mocą obciążenia szczytowego, w warunkach maksymalnej generacji występujących w dolinach obciążenia, może prowadzić w pewnych okolicznościach do zmian napięcia w zakresie 320V-460V. Likwidacja negatywnych zjawisk napięciowych pochodzących od mikroinstalacji jest możliwa dzięki zastosowaniu prostych i autonomicznych układów zarządzania i sterowania. Przykład takiego rozwiązania pokazano w artykule opanowanie podskoków napięcia jest możliwe poprzez regulacje mocy biernej i czynnej falowników mikroinstalacji i/lub przeprowadzanie selektywnych wyłączeń źródeł wytypowanych przez algorytm optymalizacyjny realizowany przez dedykowany sterownik. Obydwa rozwiązania wymagają odpowiedniego uzasadniania prawnego na bazie ustawy Prawo energetyczne, ustawy o OZE oraz odpowiednich rozporządzeń. Niniejszy artykuł powstał w ramach realizacji projektu badawczo-rozwojowego GEKON1/O2/ /19/2014, pt. Dynamiczne zarządzanie zdolnościami przesyłowymi sieci elektroenergetycznych przy wykorzystaniu innowacyjnych technik pomiarowych finansowanego w okresie od do przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska w ramach programu GEKON Generator Koncepcji Ekologicznych. LITERATURA [1] Paska J, Pawlak K.: Struktura podsektora wytwarzania energii elektrycznej w warunkach rozwoju sieci inteligentnych oraz instalacji prosumenckich. Rynek Energii, Nr 1 (116) 2015, str [2] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz po bitwie. Rynek Energii, Nr 2 (117) 2015, str [3] Dąbrowski J., Hutnik E.: Analiza opłacalności produkcji energii z mikroinstalacji OZE w budynku mieszkalnym. Rynek Energii, Nr 3 (118) 2015.

10 [4] Dąbrowski J., Hutnik E., Włóka A., Zieliński M.: Analiza wykorzystania instalacji fotowoltaicznej typu on-grid do produkcji energii elektrycznej w budynku mieszkalnym. Rynek Energii, Nr 1 (110) 2014, str [5] Billewicz K.: Mikrogeneracja aspekty różne, nieuwzględnione w polskiej legislacji. Rynek Energii, Nr 3 (112) 2014, str [6] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.: Aspekty wsparcia i rozwoju mikrokogeneracji rozproszonej na terenie Polski. Rynek Energii, Nr 5 (114) 2014, str [7] Zapałowicz Z., Szyszka D.: Stopień wykorzystania energii elektrycznej wytwarzanej przez instalacje fotowoltaiczne. Rynek Energii, Nr 6 (91) 2010, str MANAGEMENT OF MICROGENERATIONS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES - TECHNICAL CHALLANGE OR THE MARKETING IMPULS? Key words: prosumer installation, micro-generation, overvoltage Summary. The article describes the thoughts of the micro sources group management attached to the low voltage grid within one transformer substation. On the bases of carried analysis, there has been defined possible effect of large scale of the prosumer installation generating the input within the demand valley, of voltage changes of this network. The architecture and local algorithm of management system within the group of sources that are eliminating the overvoltage effect is also proposed. This process may cause negative consequences to consumers. Piotr Kacejko, prof. dr hab. inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, p.kacejko@pollub.pl. Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, p.pijarski@pollub.pl.