WYBRANE ASPEKTY PROBLEMATYKI PODNOSZENIA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ PROCESU UZYSKIWANIA MOCY BIERNEJ W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Transkrypt

1 Str. 4 Rynek Energii Nr 6(19) - 13 WYBRANE ASPEKTY PROBLEMATYKI PODNOSZENIA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ PROCESU UZYSKIWANIA MOCY BIERNEJ W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH Sławomir Bielecki Słowa kluczowe: moc bierna, efektywność energetyczna, sieci elektroenergetyczne Streszczenie. Dostarczanie mocy biernej jest powiązane ze zużyciem energii czynnej, więc racjonalne ograniczenie przepływu tej mocy powinno przyczynić się do poprawy efektywności energetycznej użytkowania energii. Związany z tym powszechnie znany paradygmat, dotyczący negatywnego wpływu mocy biernej na straty przesyłowe energii, znalazł swój wyraz w jednym, dosyć ogólnym i nieprecyzyjnym zapisie Ustawy o efektywności energetycznej. Zadanie optymalizacji generacji i przepływów mocy biernej dotyczy przede wszystkim sieci ze źródłami wytwórczymi, w których są zainstalowane generatory o różnej charakterystyce zużycia jednostkowego energii czynnej na produkcję mocy biernej. Zagadnienie to dotyczy zwłaszcza sieci przemysłowych z elektrociepłowniami. W przemysłowych sieciach elektroenergetycznych występuje wiele odbiorów o dużym zapotrzebowaniu na moc bierną. Przy okazji generacji mocy czynnej, powstaje w generatorach synchronicznych również i moc bierna, co poprawia ogólny bilans tej mocy w sieci a w konsekwencji przynosi wymierne korzyści finansowe np. w postaci obniżenia opłat za ponadumowny pobór mocy biernej. Istotne jest, przy rozwiązywaniu problemu racjonalnego dostarczania mocy biernej, określenie relacji pomiędzy stratami mocy czynnej a wielkością potencjalnych przepływów mocy biernej. Relacja ta zazwyczaj jest nieliniowa, a w ogólnym przypadku okazuje się zależnością nie-funkcyjną, co pokazują przykłady zaprezentowane w artykule. Sam problem racjonalnego ograniczania przepływów mocy biernej może być rozpatrywany na kilku płaszczyznach. Z zagadnieniem tym można powiązać kwestie dotyczące prawidłowej definicji mocy biernej dla przypadku ogólnego, rozważań na temat wpływu ograniczenia przepływów mocy biernej na efektywność energetyczną dla dowolnego przypadku, w tym problemu utrzymania właściwych profili napięć w węzłach sieci. W referacie zostały poruszone wszystkie wymienione kwestie. 1. WSTĘP Zjawisko pojawienia się mocy biernej, jako wyniku korelacji przesunięcia w fazie prądu i napięcia, jest immanentną cechą układów elektrycznych zasilanych napięciem przemiennym. Moc ta nie jest związana z wykonywaniem pracy użytkowej, zapotrzebowanie na nią jest związane zazwyczaj z koniecznością wzbudzania zmiennych pól magnetycznych. Moc bierna odgrywa znaczącą rolę w utrzymaniu systemu elektroenergetycznego. Cechą układu elektroenergetycznego, w którym występuje deficyt mocy biernej są obniżone poziomy napięć. Sposobem badania warunków równowagi statycznej w układach symetrycznych, za które mogą być uznane praktycznie wszystkie układy z przynajmniej kilkoma elektrowniami pracującymi na wspólną sieć, jest badanie bilansu mocy biernej w głównych węzłach układu. Do tego celu można wykorzystać charakterystyki napięciowe mocy biernej. W celu utrzymania bezpieczeństwa pracy połączonego systemu elektroenergetycznego należy w sposób ciągły bilansować zarówno moc czynną jak i bierną. Przykładowo, przyczyną awarii, w północno-wschodniej Polsce w dniu r. był deficyt mocy biernej. Praktycznie wszystkie elektrownie w tym rejonie pracowały z pełnym obciążeniem mocą bierną, tracąc możliwości regulacji napięcia. Powszechnie uważa się, że przesył mocy biernej przez sieć elektroenergetyczną wywołuje, ujemny technicznie i ekonomicznie, wpływ na pracę układu. Skutki przepływu mocy biernej omówiono w przeglądowym referacie [13]. W ustawie o efektywności energetycznej [5] znalazł się prosty zapis, wprost uznający ograniczenie przepływów mocy biernej jako jedno z przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej (art.17 ust.1). Problem racjonalnej gospodarki mocą bierną jest o wiele bardziej skomplikowany. Należy wziąć pod uwagę np. rozległość generacji i odbioru (w tym infrastrukturę sieciową), możliwy charakter tej mocy, znaczenie w systemie, a nawet kontrowersje wokół uogólnionej jej definicji. Lokalne źródła mocy biernej mogą pozytywnie wpływać na niezawodność i jakość dostaw energii elektrycznej z sieci dystrybucyjnej. Związane z tym są postulaty uruchomienia, w ramach konkurencyjnego rynku energii, sektora rynku regulacyjnych usług systemowych. W tego typu niszy biznesowej z powodzeniem mogą odnaleźć się elektrociepłownie.. DEFINIOWANIE MOCY BIERNEJ Do dziś pojawiło się wiele koncepcji w ramach teorii mocy obwodów elektrycznych. Koncepcje te można podzielić na oparte na wartościach średnich (lub skutecznych) oraz wartościach chwilowych, ponadto

2 Nr 6(19) - 13 Rynek Energii Str. 43 można wyróżnić definiowane w dziedzinie czasu oraz częstotliwości [8]. Popularność zdobyły koncepcje: Budeanu, Fryzego, Shepherda-Zakikhaniego, Składowych Fizycznych Prądu). Wiele opracowań opiera się na teorii Chwilowej Mocy Biernej, gdzie wielkości określane są w funkcji czasu. Na temat koncepcji uogólnionej mocy biernej można znaleźć informacje w [1] i []. Przegląd koncepcji w ramach teorii mocy można znaleźć w [4] i [8]. W literaturze naukowej zaczęły pojawiać się publikacje o charakterze wzajemnie polemicznym w stosunku do poszczególnych koncepcji [3]. Zaproponowano więc wyodrębnienie jako poddziedziny metateorii mocy [5]. Wyznaczenie wielkości mocy biernej w sensie poszczególnych koncepcji daje zbieżne rezultaty w przypadku obwodów z przebiegami idealnie sinusoidalnymi, których pojawienie się w instalacjach jest współcześnie raczej incydentalne. W pracach [1], [7], [4] pokazane są względne różnice pomiędzy wartościami mocy biernej, liczonych według różnych koncepcji dla tych samych warunków obwodowych. Różnice te mogą sięgać do kilkudziesięciu procent. Poszukiwania właściwego opisu matematycznego mocy nieaktywnych i nieużytecznych dla dowolnych warunków obwodowych nadal trwają. Bardzo pomocnym byłoby, aby podczas rozwiązywania problemów związanych z poprawą efektywności energetycznej obiektów lub instalacji, określenie przepływów mocy biernej uwypuklałoby problem strat związanych z zasilaniem energią o złej jakości. Wielkość mocy biernej jako mocy nieaktywnej może być miarą nieracjonalnego użytkowania energii. Właściwa koncepcja teorii mocy może być punktem wyjścia do opracowania przejrzystej koncepcji rozliczeń za usługi energetyczne, racjonalizującej zużycie i wykorzystanie energii elektrycznej przez odbiorców [1]. Wobec powyższego, bez analizy parametrów jakości energii elektrycznej, analiza wpływu jedynie przepływów mocy biernej na efektywność energetyczną, może prowadzić do niepełnych wniosków. 3. ROLA MOCY BIERNEJ W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM W analizach pracy systemu elektroenergetycznego, zazwyczaj abstrahuje się od problematyki teorii mocy, zakładając na wyższych napięciach przebiegi sinusoidalne. Metody określające lokalizacje źródeł mocy biernej w KSE, mające na celu zmniejszenie przepływów mocy biernej, powinny komprymować realizację dwóch funkcji: zmniejszenia strat przesyłowych mocy czynnej oraz poprawę profili napięciowych. Osiągnięcie celu jest możliwe poprzez odpowiedni wybór metod optymalizacji [19]. Czasem kryterium oceny napięć dostaje priorytet przed ekonomicznym. W [6] zaprezentowano wyniki optymalizacji generacji mocy biernej w jednostkach wytwórczych dla układu testowego. Sterując produkcją mocy biernej w wybranych generatorach, uzyskano ograniczenie strat mocy czynnej na poziomie 11% w stosunku do rozpływu naturalnego. Regulując dodatkowo przekładnią wybranych transformatorów systemowych, uzyskano zmniejszenie strat o 18%. W zadaniu optymalizacji rozpływu mocy OPF proponowane funkcje celu sprowadzają się zazwyczaj do znalezienia takiego poziomu napięć generatorów, by przy optymalnym rozpływie mocy biernej zapewniały minimalizację strat energii. Praktyka pokazuje, że problemy obliczeniowe związane z realizacją takiego zadania często utrudniają efektywne zastosowanie metod optymalizacji [6]. Jeżeli w systemie moce bierne nie bilansują się, powstaje stan nieustalony. W przypadku procesu niestabilnego może dojść do lawiny napięć. Sposobem na zbadanie warunków równowagi statycznej jest wyznaczenie pochodnej mocy biernej względem napięcia, wykorzystując przy tym charakterystyki napięciowe mocy biernej źródeł i odbiorców []. Udział przyrostów węzłowych mocy biernej w krytycznej wartości własnej zredukowanej macierzy Jakobiego równań węzłowych określa wpływ mocy biernej na statyczną stabilność napięciową systemu wielowęzłowego [18]. W [11] przedstawiono zależność pomiędzy mocą bierną a napięciem, która może być wykorzystana w sterowaniu i analizach służących optymalizacji rozpływów mocy w systemie elektroenergetycznym. W [8] przedstawiono metodologię analiz stabilności napięciowej podsystemów w kontekście problemu przeciążenia mocą bierną systemu wraz z wynikami badań symulacyjnych. Poziom zapotrzebowania na moc bierną w KSE na przestrzeni ostatnich lat obniża się, zarówno w okresach szczytów oraz dolin, co wynika ze zmniejszającego się zapotrzebowania na tę moc w węzłach 11/SN (rys.1) [1]. Obserwowany trend spadkowy w rocznym poborze mocy biernej w KSE może powodować problemy regulacyjne, przejawiające się kłopotami w opanowaniu podwyższonych napięć węzłowych w dolinach zapotrzebowania w niektórych rejonach systemu przesyłowego. Niskie zapotrzebowanie na moc bierną zmusza operatorów do intensywnej regulacji z użyciem generatorów, w tym uruchomienie pracy pojemnościowej. Stan taki może prowadzić w pewnych obszarach do niebezpieczeństwa utraty zdolności regu-

3 Str. 44 Rynek Energii Nr 6(19) - 13 lacyjnej napięć. Ogólnokrajowe zbilansowanie środków regulacyjnych nie jest wystarczające z powodu lokalnego charakteru zależności U=f(Q) [1]. Rys.1. Zapotrzebowanie na moc bierną w węzłach odbiorczych 11/SN a) w szczytach i dolinach letnich, b) w szczytach zimowych [1] Pojawia się pewien konflikt interesów pomiędzy operatorami systemu. Z jednej strony operator systemu dystrybucyjnego (OSD) jest zainteresowany, ograniczeniem przepływów mocy biernej w jego sieci, z drugiej zaś operator systemu przesyłowego (OSP) musi dbać o bezpieczeństwo pracy. Instalowanie baterii kondensatorów przez OSP w węzłach sieci przesyłowych NN i WN jest środkiem zaradczym wobec deficytu mocy biernej, który nie może być szybko zbilansowany przez OSD. Dla przykładu, w rejonie południowym KSE obserwuje się duże obciążenie mocą bierną transformatorów NN/11kV w stacjach zasilających duże skupiska miejsko-przemysłowe. Zdaniem autorów [15] problem ten będzie narastał z powodu wycofywania z poziomu sieci 11 kv starych generatorów. Racjonalizacja użytkowania energii elektrycznej wymaga opracowania rozwiązań efektywnej koordynacji OSP i OSD w zakresie zarządzania oraz regulacji istniejącymi i planowanymi zasobami mocy biernej wraz z systemem sprawiedliwych rozliczeń pomiędzy podmiotami na ryku energii. Rolę regulowanych źródeł mocy biernej w inteligentnej sieci mogą też pełnić elektrociepłownie. 4. PRZEPŁYW MOCY BIERNEJ A EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA Ustawa o efektywności energetycznej [5] literalnie wylicza przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej, wśród nich znalazł postulat ograniczenia przepływów mocy biernej. W pracy [1] autorzy zwracają uwagę, że utrzymywanie niskiego współczynnika mocy w instalacjach przemysłowych powoduje m.in. obniżenie efektywności energetycznej. W [3] przedstawiono wpływ kompensacji mocy biernej na straty mocy i energii wraz z analizą kosztów dla układu z kompensacją. Z analizy dla sieci SN wynika, że w niektórych stacjach SN/nn nieopłacalna jest instalacja baterii kondensatorów. W [6] autorzy przedstawili algorytm kompensacji mocy biernej w podsystemie wraz z kalkulacją ekonomicznych oszczędności uzyskanych na ograniczeniu strat energii. W [16] przedstawiono zagadnienie optymalizowania przepływów mocy biernej w celu minimalizacji całkowitych strat energii w systemie elektroenergetycznym, uzyskując dla struktury testowej redukcję strat dochodzącą do 4%. Na problem redukcji strat przesyłowych poprzez poprawę współczynnika mocy na podstawie doświadczeń z KSE zwrócono uwagę w [7]. Kluczowym etapem opracowywania algorytmu rozdzielania generacji mocy biernej jest określenie funkcji strat mocy czynnej od dostarczanej mocy biernej. Ogólnie, relacja pomiędzy stratami mocy czynnej a wielkością przepływającej mocy biernej nie jest monotoniczna. 5. SYMULACJE OBLICZENIOWE Rozważmy prosty model układu, składającego się z odbiornika rezystancyjno-indukcyjnego R+jX L, kompensowanego reaktancją jx C, zasilanego z idealnego źródła napięcia sinusoidalnie zmiennego U przez przewód o rezystancji R P (rys.). Rys.. Model zasilanego odbiornika jednofazowego Można pokazać, że straty doprowadzanej mocy czynnej ΔP w zależności od pobieranej mocy biernej Q, danych zależnościami: ΔP=R P I Q=Im(Z)I Z=[(R+jX L ) (-jx C )]+R P (1) opisywane są formułami: gdzie: U U R Q P, () R R X C [ X R L P X C X L X X C L R ] P P X [ ] C R RP R X C X L (3) RP X C X L

4 Nr 6(19) - 13 Rynek Energii Str. 45 Na obwiedni tworzonej przez punkty opisane (), można wyróżnić następujące punkty (rys.3): A przy X C = (zwarcie odbiornika gałęzią kompensującą), pojawiają się wówczas największe możliwe straty ΔP przy Q=; B przy reaktancji rezonansowej X C = X Crez, pojawiają się najmniejsze straty ΔP przy Q=; C odpowiada brakowi gałęzi kompensującej (X C + lub X C ); D przy reaktancji X C = ½ X Crez, poniżej której reaktancja kompensująca powiększa straty mocy ΔP, E i F odpowiadają największym możliwym wartościom przepływającej mocy biernej Q jakie mogą wystąpić w układzie źródło energii odbiornik. Efektywność dostaw energii elektrycznej mierzono względnymi stratami mocy czynnej w układzie przesyłowym. Badany model składał się ze: źródła generacyjnego E 1 ; odbioru rezystanycyjno-indukcyjnego o admitancji Y ; układu kompensacyjnego o admitancji Y k z regulowaną reaktancją oraz linii elektroenergetycznej. Rozpatrywano trzy rodzaje linii: niskiego napięcia o długości l=5km (model linii II rodzaju) rys.4a; średniego napięcia o długości l=1km (model linii III rodzaju) rys.4b oraz linii najwyższych napięć o długości l=5km (model linii długiej) rys.4c. Zmieniano reaktancję kompensującą od praktycznego zwarcia aż do przerwy izolacyjnej. W zależności od dopływającej mocy biernej Q analizowano straty mocy czynnej ΔP oraz bezwymiarową miarę sprawności (efektywności) przesyłu energii η: Q Im( U *) (4) I P Re( E1I 1*) Re( U I *) (5) Re( U I *), (6) Re( E I *) gdzie oznaczenia jak na rys Rys. 3. Wielkości przepływającej mocy biernej Q i strat mocy czynnej ΔP () zależne od wielkości reaktancji X C (model z rys.) Część obwiedni między CEA odpowiada X C < (gałąź kompensująca ma charakter indukcyjny), część między CBDFA odpowiada X C > (pojemnościowy). Dla punktów znajdujących się na obwiedni pomiędzy FAE stopniowe ograniczenie przepływów mocy biernej Q ze źródła energii do odbiornika, paradoksalnie prowadzi do zwiększenia się strat mocy ΔP, a więc pogorszenia efektywności energetycznej przesyłu energii. Stan ten będzie się utrzymywał dopóki wartości X C nie spowodują przejścia punktu pracy na część pomiędzy ECBDF. Sytuacja ta wystąpi w przypadku bardzo małej reaktancji kompensatora (praktyczne zwarcie odbiornika), wówczas powinny zareagować zabezpieczenia nadprądowe. Ten prosty przykład pokazuje, że możliwe jest aby wzrost przepływu wartości mocy biernej skorelowany był ze zmniejszaniem się strat mocy czynnej. Sytuacja ta jest czysto teoretyczna, lecz pokazuje pewien fenomen i złożoność problematyki. Rys. 4. Modele linii analizowanych układów: a) linia II rodzaju (nn); b) linia III rodzaju (SN); c) linia długa IV rodzaju (NN) Linia może być modelowana czwórnikiem, opisywanym równaniem łańcuchowym postaci: E1 A I1 C BU D I (7) Parametry czwórnika zestawiono w tab.1. Wyniki obliczeń dla poszczególnych modeli linii zaprezentowano na rys.5 rys.7. W tab. podano przyjęte wartości parametrów schematów zastępczych linii. Straty mocy czynnej ΔP odniesiono do wartości maksymalnej dla danego przypadku, natomiast moduł napięcia

5 Str. 46 Rynek Energii Nr 6(19) - 13 w węźle odbiorczym U odniesiono do modułu napięcia w węźle generacyjnym E 1 : P( i) U ( i) P' ( i), U ( i)' (8) max [ P( i)] E ( i) i Tabela1 Parametry czwórników modelujących linie (7) Linia A=D B C II rodzaju* (rys.4a) 1 Z III rodzaju* 1 Z jb l Z jb l Z jbl1 (rys.4b) 4 * gdzie: R jx l długa** (rys.4c) ** gdzie: ( R Z ch( l) Z C sh( l) jx )( G jb ) Z C 1 R jx sh ( l) G jb Z C być tożsamy ze spodziewanym odpowiednim poziomem napięcia w węźle odbiorczym. W punkcie odpowiadającym pełnemu ograniczeniu przepływającej do odbioru mocy biernej (całkowita kompensacja) Q = napięcie w węźle odbiorczym jest niższe niż w węźle generacyjnym. Żądany poziom napięcia w węźle można uzyskać, dopuszczając do określonego przepływu mocy biernej. Dla linii długiej najwyższa efektywność przesyłu może pojawić się w innym punkcie niż odpowiadający pełnej kompensacji mocy biernej przepływającej do odbioru. Relacja poziomu napięcia, strat mocy i efektywności przesyłu w stosunku do wielkości przepływu mocy biernej jest nie funkcyjna. Tabela Wartości parametrów układów z rys.4 przyjęte do obliczeń w jednostkach względnych (p.u.) Linia E 1 Z =(Y ) -1 X o R o B o G o II rodzaju 4+j5 1+j5,8,6 - - III rodzaju (+j5) j5,38, długa (4+j1) j8 1, Na rys.5 7 przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych. Z wykresów widać, że optymalny punkt odpowiadający określonemu przepływowi mocy biernej, związany z najwyższą sprawnością przesyłu nie musi Rys. 5. Rezultaty dla układu modelowanego przez linię IV rodzaju (długa) (rys.4c, tab.) Rys. 6. Rezultaty dla układu modelowanego przez linię II rodzaju (rys.4a, tab.) Rys.7. Rezultaty dla układu modelowanego przez linię III rodzaju (rys.4b, tab.).

6 Nr 6(19) - 13 Rynek Energii Str RYNEK USŁUG SYSTEMOWYCH Usługi pozwalające na dotrzymanie standardów jakościowych dostarczania energii, mogą być przedmiotem umów na rynku energii. Celem funkcji sterowań poziomami napięć jest zrównoważenie bilansów mocy biernej. Z punktu widzenia strat przesyłowych, moc bierna potrzebna w węzłach powinna być generowana lokalnie, w szczególności gdy dotyczy to węzłów 11kV. Regulacja napięć ma charakter rozproszony ze względu na lokalny wpływ zmian napięć w systemie, zatem rynek usług systemowych powinien mieć charakter lokalny. Zapotrzebowanie na moc bierną w sieci rozdzielczej może być pokrywane ze źródeł generacji rozproszonej (np. generatory synchroniczne elektrociepłowni), sieci 11kV (poprzez transformatory WN/SN), baterie kondensatorów w sieci SN, układy CUPS. Współczesna energetyka odnawialna nie zapewnia wystarczającej ilości mocy biernej (wykorzystanie generatorów z maszynami asynchronicznymi dwustronnie zasilanymi w elektrowniach wiatrowych pozostaje na razie w sferze rozważań teoretycznych), a w miejsce zamykanych elektrowni często nie uruchamia się nowych w tej samej lokalizacji. Miejscowy brak mocy biernej będzie przyczyną problemów ze stabilnością napięciową. Produkcji z elektrowni wiatrowych nie da się dokładnie przewidzieć, potrzeba więc większej mocy rezerwowej, która powiększa obciążenie linii, zwiększając zapotrzebowanie na moc bierną. Dodatkowo, elektrownie wiatrowe zaczynają zastępować elektrownie cieplne, będące tradycyjnym źródłem mocy biernej w systemie. Oznacza to, że brak wystarczającej dostępności usług systemowych w przyszłości może stanowić poważny problem [17]. W segmencie usług systemowych mogą z powodzeniem odnaleźć się lokalne elektrociepłownie. Wykorzystując lokalne źródła wytwórcze energii do zapewnienia odpowiednich parametrów jakościowych pracy sieci można uzyskać [14]: obniżenie strat mocy czynnej związanej z niekontrolowanym przepływem mocy biernej, minimalizację ilości przełączeń transformatorów sprzęgających sieć 11kV z sieciami NN, zmniejszenie ceny energii elektrycznej przez ograniczenie opłat przesyłowych, obniżenie strat mocy w liniach przesyłowych NN. Na przykładzie elektrociepłowni w Gdańsku i Gdyni autorzy [14] stwierdzają, że zasadne byłoby wykorzystanie potencjalnych możliwości tych jednostek do kształtowania profilu napięciowego i rozpływu mocy biernej w sieci 11kV. Potrzebne jest wyposażenie elektrociepłowni w układy automatycznej regulacji napięcia i mocy biernej ARNE. Praca elektrociepłowni z tego typu automatyką powinna być interesująca dla OSD (ograniczanie przepływów mocy biernej na 11kV) oraz OSP (opanowanie sytuacji napięciowej) [14]. Układy regulacji generatorów elektrociepłowni i transformatorów 11/6kV powinny zapewniać []: utrzymanie wartości napięć w odpowiednim przedziale (dla elektrociepłowni przemysłowych gwarantujące prawidłowe działanie odbiorników związanych z procesem technologicznym zakładu), ograniczenie poboru mocy biernej z sieci 11kV, wykorzystanie całego obszaru dopuszczalnych stanów generatorów, z uwzględnieniem wszystkich ograniczeń (prąd stojana, prąd wirnika, kąt mocy, temperatura skrajnych pakietów stojana), prawidłowy (w przybliżeniu proporcjonalny) rozdział mocy biernej pomiędzy współpracujące generatory i transformatory, nie przekraczania dopuszczalnej częstości działania przełączników transformatorów. 7. PODSUMOWANIE Celem referatu było: zwrócenie uwagi na złożoność zagadnienia roli mocy biernej w systemie elektroenergetycznym, pokazanie, że wpływ mocy biernej na efektywność energetyczną wymaga każdorazowo prowadzenia odpowiednich analiz, zaś sam postulat ograniczenia przepływów mocy biernej jako środek poprawy efektywności energetycznej nie jest precyzyjny, zwrócenie uwagi na konieczność uporządkowania kwestii związanych z pojęciem mocy biernej w aspekcie teoretycznym (teoria mocy) jak i praktycznym (efektywność energetyczna, racjonalna konstrukcja taryf), zasygnalizowanie celowości istnienia lokalnych rynków usług systemowych w ramach rynku energii, w tym rynku mocy biernej, (zwłaszcza w kontekście zwiększonej penetracji OŹE) który wydaje się predestynowany dla elektrociepłowni, zwrócenie uwagi na konieczność opracowania rozwiązań, porządkujących odpowiedzialność za gospodarowanie mocą bierną w systemie elektroenergetycznym między podmiotami zarządzającymi pracą sieci w aspekcie racjonalnego użytkowania energii. Dyskusyjność zapisu w ustawie [5] o ograniczaniu przepływów mocy biernej można rozpatrywać na przynajmniej dwóch płaszczyznach związanych

7 Str. 48 Rynek Energii Nr 6(19) - 13 z: kwestiami definicji mocy biernej dla przypadku ogólnego oraz problemem właściwego pomiaru tej wielkości i rozliczeń (fizyczne przepływy ), także faktycznym wpływem tej mocy na jakość pracy KSE w ramach racjonalizacji użytkowania energii. System elektroenergetyczny ewoluuje w kierunku rozwiązań inteligentnych (Smart Grid). W przyszłości należy się spodziewać elastycznych taryf za energię, w których cena będzie zmieniać się dynamicznie w zależności od możliwości zbilansowania. Podaż i popyt zarówno na energię czynną jak i bierną jest zmienny w czasie. Optymalny stosunek wielkości przepływającej mocy biernej do czynnej przez węzły sieci powinien być wyznaczany w trybie ciągłym i w oparciu o kryteria techniczne oraz ekonomiczne związane z racjonalnym użytkowaniem energii. Może to oznaczać, że dopuszczalny współczynnik mocy tgφ będzie ruchomy (dynamiczny) i ustalany lokalnie. Wymagać to będzie nowych sposobów rozliczeń za usługi systemowe oraz nowych algorytmów sterowania urządzeniami systemowymi, także wybranymi odbiornikami prosumentów. Lokalne elektrociepłownie, efektywnie wytwarzające energię w skojarzeniu, mogą odgrywać znaczącą rolę w utrzymaniu bezpieczeństwa pracy systemu elektroenergetycznego, poprzez aktywne uczestnictwo na rynku usług systemowych, umożliwiając m.in. bilansowanie mocy biernej. LITERATURA [1] Bielecki S.: Różne wartości mocy biernej w układzie elektrycznym zasilanym napięciem odkształconym. Rynek Energii nr 6(13) 1, s. 3-6 [] Bielecki S., Skoczkowski T.: Racjonalne użytkowanie energii w kontekście zagadnień dostarczania energii elektrycznej. Przegląd Elektrotechniczny Nr 1a/1 s [3] Bielecki S.: Wyznaczanie parametrów charakteryzujących pobór mocy biernej w sieciach rozdzielczych z wykorzystaniem systemów obliczeń rozmytych. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska 1. [4] Czarnecki L:Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prądów i napięć. OWPW5 [5] Czarnecki L.: Teorie mocy i metateoria mocy obwodów elektrycznych. Przegląd Elektrotechniczny 8/11, s [6] Dumitrescu M., Dumitriu T.: Increasing Efficiency on a Power Delivery System. 3rd International Conference Electrical and Electronics Engineering 6, s. 1-4 [7] Fazio Jr.A., Sampaio L., de Brito M., e Melo G. Canesin C.: Comparative Analysis for Reactive Energy Measurement Methodologies, under Non-sinusoidal Conditions in Three-Phase Four-Wire Circuits. Power Electronics Conference COBEP, September 11, Praiamar, Brazil. [8] Firlit A.: Teorie mocy w obwodach prądu przemiennego. Elektro.info 1/9 [9] Fryc E., Kochel Z., Krakowiak J., Ziarno R.: Możliwości poprawy efektywności wykorzystania energii elektrycznej czynnej i biernej. Elektroenergetyka Współczesność i Rozwój Nr 1-(11-1) 1, s [1] Heger Ch., Sen P., Morroni A.: Power Factor Correction a fresh look into today s electrical systems. IEEE-IAS/PCA,14-17 May 1 [11] Jayaraman J., Sekar A.: Study of Reactive Power/Voltage Sensitivities in Interconnected Power System Networks. 4nd South Eastern Symposium on System Theory 1, s [1] Kot A.: Balance Sheet and Analysis of Reactive Power Demand in the Polish Power System. Acta Energetica 1/14(13) s [13] Kot A., Szpyra W.: Problemy mocy biernej w systemach dystrybucyjnych. XV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE 11. Jurata, 8-1 czerwca 11r. [14] Kowalewska E., Wilczewski G.: Transformacja elektrociepłowni na tle zmian i wymogów rynku energii elektrycznej. XXXV Konferencja Naukowo-Techniczna Gdańskie Dni Elektryki 1 SEP O.Gdańsk [15] Kurbiel P., Gajewski B.: Problem nadmiernego obciążenia transformatorów NN/11kV przesyłem mocy biernej w południowym obszarze KSE. XV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE 11. Jurata, 8-1 czerwca 11r. [16] Leeton U., Ratniyomchai T., Kulworawanichpong T.: Optimal Reactive Power Flow with Distributed Generating Plants in Electric Power Distribution Systems. 1 International Conference on Advances in Energy Engineering, s [17] Lipko K.: Zarządzanie złożonością i niepewnością dotyczącą zapotrzebowania na energię, wytwarzania energii i rynku w planowaniu rozwoju systemu elektroenergetycznego w świetle analiz CIGRE. Energetyka, nr 9, s.73-88

8 Nr 6(19) - 13 Rynek Energii Str. 49 [18] Lis. R., Błajszczak G.: Zarządzanie mocą bierną w krajowym systemie elektroenergetycznym w horyzoncie długoterminowym. Rynek Energii Nr 1/1 [19] Lubośny Z., Dobrzyński K., Klucznik J.: Voltage and Reactive Power Load Flow Optimization in the Power System Using Fuzzy Logic. Acta Energetica 1/14(13) s.56-6 [] Nowak J., Bajorek J., Gaworska-Koniarek D., Janta T.: Kompensacja uogólnionej mocy biernej. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 66, 1r., s [1] Nowak J, Kosobudzki G.: Moc obiektów elektroenergetycznych. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 64, 1r., s [] Szczerba Z.: Koordynacja układów regulacji generatorów i transformatorów elektrociepłowni przemysłowej. Acta Energetica 1/11 s [3] Szpyra W., Nowak W., Moskwa S., Tarko R., Bąchorek W., Benesz M.: Efektywność kompensacji mocy biernej w sieciach dystrybucyjnych. XV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE 11. Jurata, 8-1 czerwca 11r. [4] Szubert K.: Pomiary mocy przy przebiegach odkształconych. Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej. Tom -zeszyt -1996, s [5] Ustawa z dn. 15 kwietnia 11 r. o efektywności energetycznej. Dz. U. z 11r. Nr 94, poz. 551 z późn. zm. [6] Wancerz M., Kacejko P.: Minimalizacja strat mocy czynnej w sieci przesyłowej wybrane aspekty problematyki obliczeniowej. Poznan University of Technology Academic Journals No.7 1, s.9-16 [7] Wysocki W., Szlosek M.: Compensation of Reactive Power as a Method for Reducing Energy Losses. 11th International Conference Electrical Power Quality and Utilization EPQU 11, s.1-5 [8] Zajczyk R.: Stabilność napięciowa podsystemu elektroenergetycznego. Acta Energetica /1 s Niniejsza praca jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, poprzez realizację projektu Program rozwoju dydaktycznego Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. SOME ASPECTS OF THE INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY IN ELECTRIC POWER NETWORK IN THE CONTEXT OF REACTIVE POWER PROBLEMS Key words: reactive power, energy efficiency, electric power network Summary. Reactive power delivery is related to the consumption of active energy, so a reasonable limitation of reactive power flow should contribute to improving the energy efficiency of energy use. The well-known paradigm about the negative impact of reactive power for power transmission losses, was taken into account in creation of Polish energy efficiency law (one unprecise paragraph). The task of optimizing generation and flow of reactive power deal with the power networks with the power sources in which are installed generators with different characteristics of the unit of active energy consumption for the production of reactive power. It concerns in particular the industrial power network with CHP plants. There are many high-load reactive power demand in industrial distribution systems. On the occasion of the active power generation, the synchronous generators can generate also reactive power. It improves the balance of power in the network and thus brings financial benefits such as a reduction of charges for reactive power consumption. It is important to determine the relation between reactive power flow and the values of power losses, for solving the problem of rational reactive power delivery. This relationship is usually non-linear, and in the general case the relationship can be non-functional, what was shown on the examples in this paper. The problem of rational reactive power flow reduction can be considered at several levels. There are the problems of proper definition of the reactive power for the general case and deliberation about the impact of reactive power flow on energy efficiency, including the problem of maintaining proper voltage profiles in the nodes of the power network. In this paper all of these issues were presented. Sławomir Bielecki, dr inż., adiunkt w Instytucie Techniki Cieplnej, na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Zainteresowania naukowe: efektywność energetyczna, jakość energii, teoria mocy, inteligencja obliczeniowa. slawomir.bielecki@itc.pw.edu.pl