Współpraca rozproszonych źródeł energii z sieciami elektroenergetycznymi. dr inż. Marek Adamowicz Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego

Transkrypt

1 Współpraca rozproszonych źródeł energii z sieciami elektroenergetycznymi dr inż. Marek Adamowicz Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego

2 PLAN PREZENTACJI Możliwości przyłączania rozproszonych źródeł energii 3-12 Falownik sieciowy Elektrownia wiatrowa Elektrownia fotowoltaiczna Elektrownia wodna Regulatory napięcia - zwiększenie przyłączania źródeł OZE niskiej mocy. 43-2

3 Możliwości przyłączania [1] Kryteria oceny możliwości przyłączania mikroinstalacji i małych instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego. ENERGA Operator, Gdańsk, luty 2017 r. [2] Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne dla mikroinstalacji i małych instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdzialu Energii Elektrycznej PTPiREE, Poznań, 11 sierpnia 2014 r. [3] INSTRUKCJA RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ. ENERGA Operator, Gdańsk, 1 marca 2017 r. 3

4 Możliwości przyłączania 1. Weryfikacja możliwości przyłączenia Ocena wpływu przyłączenia systemu generacji na pracę sieci nn polega na wyznaczeniu i porównaniu z dopuszczalnymi wartościami następujących wskaźników: 4

5 Możliwości przyłączania 1. Weryfikacja możliwości przyłączenia sprawdzenie zachowania poziomu napięcia w zakresie ±10% Un oraz zmian napięcia (odchyleń i zmian poziomu napięcia) sprawdzenie ograniczeń szybkich zmian napięcia wywołanych załączeniem pojedynczego źródła (wahań napięcia) 5

6 Możliwości przyłączania 2. Harmoniczne emisja harmonicznych w prądzie Ograniczenie emisji harmonicznych w prądzie służy bezpośrednio zachowaniu ich poziomów dopuszczalnych w napięciu Jeśli mikroinstalacja lub mała instalacja posiada certyfikat zgodności z normami PN-EN /3-12 oraz jeśli współczynnik zwarciowy w punkcie przyłączenia R kpcc jest przynajmniej równy 33, można przyjąć, że przyłączenie źródła nie wprowadzi harmonicznych prądu ponad dopuszczalne limity. 6

7 Możliwości przyłączania 3. Zdalna redukcja mocy źródło wytwórcze o mocy maksymalnej powyżej 100 kw powinny być zdolne do zdalnej redukcji mocy czynnej z krokiem nie większym niż 10% mocy maksymalnej do wartości narzuconej przez OSD; źródło wytwórcze (lub zespół źródeł wytwórczych) powinno być wyposażone w układ zabezpieczeń NS (nad- i podnapięciowych, nad- i podczęstotliwościowych): 7

8 Możliwości przyłączania 4. Wyłączenie mikroinstalacji i małych instalacji na żądanie operatora systemu dystrybucyjnego (OSD) w wyniku: zagrożenia systemu generacji, przeciążenia lub wystąpienia ryzyka przeciążenia sieci OSD, zagrożenia pozostania systemu generacji w pracy wyspowej, zagrożenia stabilności napięciowej, nadmiernego wzrostu częstotliwości, w razie awaryjnego zarządzania generacją w systemie elektroenergetycznym. 8

9 Możliwości przyłączania 5. Kompensacja mocy biernej Wymagany stopień skompensowania mocy biernej określa ENERGA-OPERATOR SA w warunkach przyłączenia Nie jest wymagane stosowanie urządzeń do kompensacji mocy biernej w przypadku jednostek wytwórczych, których moc osiągalna określona na przewód fazowy nie przekracza 4,6 kva (5 kwp dla jednostek wytwórczych fotowoltaicznych) W pozostałych jednostkach wytwórczych należy stosować urządzenia do kompensacji mocy biernej W jednostkach wytwórczych charakteryzujących się pracą ze zmienną mocą, w szczególności w farmach wiatrowych należy stosować układy automatycznej regulacji mocy biernej W jednostkach wytwórczych z falownikami niezależnymi kompensacja mocy biernej nie jest wymagana 9

10 Możliwości przyłączania Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014) - źródło wytwórcze przyłączone przez falownik Charakterystyka P=f(f) wytwarzania mocy czynnej podczas zmian częstotliwości w sieci nn 10

11 Możliwości przyłączania Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014) - źródło wytwórcze przyłączone przez falownik Przykład charakterystyki: Regulacja generacji mocy biernej - P Emax od 3,68 kw do 13,8 kw 11

12 Możliwości przyłączania Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014) - źródło wytwórcze przyłączone przez falownik Przykład charakterystyki: Regulacja generacji mocy biernej - P Emax powyżej 13,8 kw 12

13 Falownik sieciowy Źródło: S. Piasecki, M. Jasiński, i inni (De Gruyter 2014) 13

14 Falownik sieciowy Technologia tranzystorów IGBT Sterowanie DSP, moduły tranzystorowe, kondensatory Aparatura łączeniowa, zabezpieczenia Prąd sieciowy Filtr sieciowy LC tzw. ripple prądu Przykład realizacji: falownik 250 kw, topologia 3-poziomowa (NPC) zapewnia minimalizację wymiarów filtra. Falownik 40 kw, f sw =5kHz: dobrany dławik filtra L=1.13mH oraz przebiegi prądu dla zbyt małego dławika L=0,38mH i braku C F 14

15 Falownik sieciowy Technologia tranzystorów z materiału węglika krzemu SiC Moduły tranzystorowe SiC MOSFET f sw =33kHz, dławik L F =0,2 mh Amplituda tzw. rippli prądu sieciowego <5A Możliwość zmniejszenia dławika do L F =0,1 mh 15

16 Falownik sieciowy Obszar pracy (P,Q) falownika sieciowego w funkcji zastępczej siły elektromotorycznej SEM sieci L 2 > L 1 I C prąd kolektora tranzystora Źródło: D. Wojciechowski (2005) 16

17 Falownik sieciowy Sterowanie Sterowanie falownika sieciowego jest niezależne od sterowania przyłączonym OZE Estymacja SEM sieci Predykcyjny regulator prądu 17

18 Sterowanie Falownik sieciowy Sterowanie falownika sieciowego jest niezależne od sterowania przyłączonym OZE Źródło: D. Wojciechowski (2005) 18

19 Elektrownia wiatrowa Charakterystyka elektrowni wiatrowej moc turbiny o stałej prędkości obrotowej zwiększa się wraz ze zwiększaniem prędkości wiatru, następnie maleje, Projektowanie łopat: duża stromość lewej strony krzywej Cp=f(Lambda) C p współczynnik mocy turbiny wiatrowej Cp 0,4 0,3 0,2 l R V 0,1 0, l 19

20 Elektrownia wiatrowa Założenia konstrukcyjne małej elektrowni wiatrowej Elektrownia o osi poziomej Stały kąt ustawienia łopat - zaprojektowania łopat o odpowiedniej zależności C p =f(lambda) Sterowanie z maksimum mocy Regulacja przez przeciąganie - zastosowanie regulacji przez przeciąganie do małej elektrowni wiatrowej o zmiennej prędkości obrotowej Projekt łopat turbiny - zastosowaniu takich charakterystyk momentu w funkcji prędkości kątowej turbiny, że przy stałej prędkości obrotowej wzrost prędkości wiatru powoduje zmniejszenie momentu. Hamulec bezpieczeństwa Tak zaprojektowana turbina może bezpiecznie pracować przy dużych prędkościach wiatru 20

21 Elektrownia wiatrowa 21

22 Elektrownia wiatrowa Statyczne krzywe sterowania zadania układu sterowania falownika maszynowego Regulatory zapewniają stałą moc turbiny i ograniczanie prędkości - zapewnienie niezbędnego zapasu momentu generatora do bezpiecznej pracy Stała moc elektrowni zapewniona przez wykorzystanie pracy generatora w zakresie odwzbudzania powyżej prędkości znamionowej 22

23 Elektrownia wiatrowa 23

24 Elektrownia wiatrowa Lotny start Generator indukcyjny zasilany z silnika spalinowego: Etap 1: odbudowa strumienia w maszynie przy zerowym poślizgu, przy poborze energii z sieci na pokrycie strat Etap 2: generowanie momentu zgodnie z algorytmem MPPT Generator indukcyjny elektrowni wiatrowej: Odbudowa strumienia odbywa w czasie lotnego startu jednocześnie z generowaniem momentu ze względu na ograniczenie narastania prędkości kątowej turbiny i ograniczenie energii pobieranej z sieci na pokrycie strat 24

25 Elektrownia fotowoltaiczna 25

26 Elektrownia fotowoltaiczna DC-DC String Optimizer DC-DC String Optimizer Centralny falownik sieciowy 26

27 Elektrownia fotowoltaiczna DC-DC String Optimizer WEJ WYJ Wyższa rozdzielczość algorytmu MPPT szerszy zakres napięcia Zapewnia wyższą o 10% produkcję energii elektrycznej Instalowany blisko łańcuchów paneli fotowoltaicznych Wyższa sprawność przekształcania energii Mniejsze wymiary centralnego falownika sieciowego 27

28 Elektrownia fotowoltaiczna DC-DC String Optimizer String Inverter 6 x DC IN 28

29 Elektrownia fotowoltaiczna 29

30 Elektrownia wodna 30

31 Elektrownia wodna Generacja rozproszona źródłem mocy biernej w sieciach średnich napięć o małej impedancji Współpracujące z siecią średnich napięć źródła rozproszone elektrownie wodne przyłączane są do sieci na sztywno wytwarzają energię elektryczną czynną zależną od ilości energii pierwotnej - poziomu wód w zbiornikach i rzekach Energia elektryczna bierna wytwarzana/pobierana jest w minimalnej ilości, celem zachowania współczynnika mocy bliskiego jedności 31

32 Elektrownia wodna Mała Elektrownia Wodna: dwa jednakowe generatory synchroniczne wzbudzane magnesami trwałymi o łącznej mocy znamionowej 1,1 MW, MEW przyłączono w głębi sieci ok 9 km od głównego punktu zasilania, MEW generuje średnio ok 75 % mocy znamionowej oraz pracuje ze współczynnikiem mocy bliskim jedności, linia SN, w przeważającej większości napowietrzna, o łącznej długości ok 45 km wraz z odgałęzieniami, do której przyłączono MEW, zasila 32 stacje transformatorowe SN/nN obciążone współczynnikiem jednoczesności równym 0,3 oraz współczynnikiem mocy równym 0,96, moc znamionowa MEW jest nieznacznie mniejsza od mocy pobieranej przez odbiorców w okresie szczytu, linia zasila tereny wiejskie oraz częściowo niewielkie miasteczko. Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016) 32

33 Elektrownia wodna Praca źródła rozproszonego pogarsza współczynnik mocy w linii, W linii z którą współpracuje zmniejsza się ilość mocy czynnej, przy zachowaniu tej samej mocy biernej Nie wpływa na częstość zmiany położenia przełącznika zaczepów transformatora Nie ma mierzalnego wpływu na wartość napięcia na sekcji głównego punktu zasilania. Źródło rozproszone: Elektrownia wodna 2 x 550kW Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016) 33

34 Elektrownia wodna Źródło rozproszone 34

35 Elektrownia wodna Źródło rozproszone Regulacji współczynnika mocy biernej (cos φ), Regulacji wg. zadanej mocy biernej Q, Ręczna regulacja wartości napięcia dodawanego, Monitorowanie prawidłowej pracy układu, Monitorowanie i rejestracja istotnych dla pracy układu zdarzeń (zakłócenia, awarie) 35

36 Elektrownia wodna Transformator (U T ) włączony szeregowo w główny tor prądowy generatora (U G, I G ) Przekształtnik energoelektroniczny, z transformatorem o ułamkowej mocy generatora PMSG realizują algorytm regulacji napięcia elektrowni wodnej (U s ) Regulacja amplitudy napięcia generatora Regulacja amplitudy Napięcia i kąta 36

37 Elektrownia wodna Transformator o ułamkowej mocy źródła rozproszonego Przekształtnik energoelektroniczny 37

38 Elektrownia wodna 38

39 Elektrownia wodna Dane techniczne przekształtnika energoelektronicznego - regulatora napięcia 39

40 Elektrownia wodna Źródło rozproszone: Elektrownia wodna 2 x 550kW Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016) 40

41 Elektrownia wodna Zmiana wartości napięcia w miejscu przyłączenia MEW spowodowana zmianą przekładni transformatora mocy oraz zmianą generowanej mocy biernej przez MEW 41

42 Elektrownia wodna Profil mocy biernej w GPZ podczas pracy MEW ze współczynnikiem mocy o charakterze pojemnościowym zmiana ilości generowanej przez MEW mocy biernej nie spowodowała mierzalnych zmian wartości napięcia na sekcji GPZ, ale poprawiła bilans mocy biernej w linii. 42

43 Regulatory napięcia Stan techniki Instalowanie generacji rozproszonej przyłączonej w głębi sieci Korzystne przyłączanie generacji blisko końca analizowanego obwodu linia jest w ten sposób częściowo odciążana i poprawa warunków napięciowych następuje nie tylko za, ale i przed źródłem generacji rozproszonej 43

44 Regulatory napięcia Stan techniki Transformator FITformer REG (Siemens) 630kVA umożliwiający regulację napięcia pod obciążeniem wykorzystanie układu do podobciążeniowego przełączania zaczepów zainstalowanego po stronie niskiego napięcia po stronie SN znajduje się przełącznik zaczepów, którym można sterować beznapięciowo. 44

45 Regulatory napięcia Stan techniki Stabilizatory napięcia instalowane na końcach mocno obciążonych linii zasilających, Przykład: regulator napięcia zbudowany z 3 jednofazowych autotransformatorów, które mogą podnosić napięcie o 6,7%, 13,3% lub 20% w zależności od poziomu napięcia wejściowego Przy braku potrzeby stabilizacji napięcia załączany jest bypass, żeby autotransformatory nie pracowały na biegu jałowym 45

46 Regulatory napięcia Transformator hybrydowy płynna regulacja parametrów napięcia Układy z transformatorem dodawczym 46

47 Regulatory napięcia Transformator hybrydowy płynna regulacja parametrów napięcia Z izolacją realizowana za pomocą izolowanej przetwornicy DC-DC 47

48 Regulatory napięcia Transformator hybrydowy płynna regulacja parametrów napięcia 48

49 Regulatory napięcia 49

50 Regulatory napięcia Transformator hybrydowy 20kV/0.4kV 400 kva wizualizacja 3D Średnia sprawność przekształtnika 96.5% Gęstość mocy 2kVA/litr uwzględniając filtry i obudowę 50

51 Regulatory napięcia Transformator hybrydowy 20kV/0.4kV 400 kva 51

52 Regulatory napięcia Regulator napięcia zainstalowany w głębi sieci 52

53 Dziękuję za uwagę