GENERACJA ROZPROSZONA ŹRÓDŁEM MOCY BIERNEJ W SIECIACH ŚREDNICH NAPIĘĆ O MAŁEJ IMPEDANCJI

Transkrypt

1 GENERACJA ROZPROSZONA ŹRÓDŁEM MOCY BIERNEJ W SIECIACH ŚREDNICH NAPIĘĆ O MAŁEJ IMPEDANCJI Autor: Marcin Wilczek ("Rynek Energii" - sierpień 2016) Słowa kluczowe: generacja rozproszona, moc bierna, regulacja wartości napięcia Streszczenie. W artykule opisano wpływ źródła rozproszonego na sieć średniego napięcia o małej impedancji. Analizę oparto o obliczenia teoretyczne oraz pomiary. Przedstawiono wpływ źródła energii elektrycznej na wartość napięcia w sieci średniego napięcia, rozpływy mocy biernej i starty energii. Zaproponowano, by w sieciach o małych impedancjach wykorzystać źródła rozproszone nie tylko do regulacji wartości napięcia, ale również do bilansowania mocy biernej w linii SN. Wykazano, że regulacja wartości napięcia przez źródła energii elektrycznej może być mało efektywna. Natomiast wykorzystanie generacji rozproszonej jako źródła mocy biernej może poprawić bilans mocy biernej w sieci oraz obniżyć starty energii. 1. WSTĘP Rozproszone źródła energii elektrycznej przyłączane do sieci dystrybucyjnych z jednym kierunkiem przepływu mocy, zmieniają: rozpływy prądów, wartości napięć w otoczeniu źródła oraz strat w sieci. Zmiany te są uwarunkowane przede wszystkim: strukturą sieci, miejscem przyłączenia źródła, mocą znamionową źródła i mocami odbieranymi w sieci [4]. Im większa odległość źródła rozproszonego od głównego punktu zasilania (GPZ), im większa moc znamionowa źródła od mocy odbiorców oraz im większa impedancja sieci, tym znaczniejszy jest wpływ źródła na zmianę wartości napięcia i ilość strat w sieci. Q ind G UI max F P min E E qmaxu/x d 0 P max P max D -U 2 /X d poj A B C Rys. 1. Obszar dopuszczalnej pracy generatora synchronicznego [2]

2 Możliwości regulacyjne źródła rozproszonego (np. tradycyjnej maszyny synchronicznej) przyłączonego przez impedancję do sieci sztywnej (szyn głównego punktu zasilania) ukazują charakterystyki mocy w postaci równań okręgu naniesione na dopuszczalny obszar pracy maszyny synchronicznej. Przykładowy obszar pracy generatora na sieć sztywną zilustrowano na rysunku nr 1. Ograniczony obszar regulacji mocy czynnej i biernej wynika z warunków konstrukcyjnych i eksploatacyjnych zespołu maszynowego: prąd nie może być większy od maksymalnego prądu uzwojenia stojana (odcinki CD i EF), prąd wzbudzenia nie może być większy od maksymalnego prądu uzwojenia wirnika (odcinek FG), kąt mocy nie może przekroczyć wartości wynikającej ze stabilności generatora (odcinek AB), nie może być przekroczona temperatura w elementach obwodu magnetycznego stojana (odcinek BC), moc czynna powinna mieścić się w przedziale mocy minimalnej i maksymalnej turbiny (odcinki DE i GA). Natomiast przykładowe charakterystyki mocy w postaci równań okręgu naniesione na dopuszczalny obszar pracy maszyny synchronicznej w sieci średnich napięć wykreślono na rys. 2. Rys. 2. Przykładowe równania charakterystyki mocy generatora synchronicznego naniesione na dopuszczalny obszar pracy maszyny synchronicznej współpracującej z siecią średnich napięć [1]

3 Współpracujące z siecią średnich napięć źródła rozproszone przyłączane są do sieci na sztywno (bez wykorzystania ich potencjału regulacyjnego), wytwarzając energię elektryczną czynną zależną od ilości energii pierwotnej, np.: poziomu wód w zbiornikach i rzekach, prędkości wiatru oraz nasłonecznienia. Natomiast energia elektryczna bierna wytwarzana/pobierana jest w minimalnej ilości, celem zachowania współczynnika mocy bliskiego jedności lub wielkości określonej przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego w warunkach przyłączenia. Potencjał [3] źródeł rozproszonych daje możliwość w stanach normalnych albo stanach nienormalnych pracy sieci, poprzez sterowanie generacją mocy biernej, lokalnego bilansowania ilości mocy biernej w sieci, regulacji napięcia w otoczeniu źródła, obniżenia wielkości strat w sieci oraz obniżenia liczby zadziałań podobciążeniowego przełącznika zaczepów transformatora mocy. 2. ANALIZA TEORETYCZNA Do teoretycznej analizy możliwości regulacyjnych wartości napięcia przez źródło rozproszone wykorzystano małą elektrownię wodną (MEW) przyłączoną do linii średniego napięcia. Założono, że: w MEW zabudowano 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. Na rysunku nr 3 zaprezentowano schemat testowanej sieci średniego napięcia. Załączenie źródła rozproszonego w okresie szczytu dobowego nieznacznie poprawia warunki napięciowe w analizowanej linii średniego napięcia (wartość napięcia w otoczeniu MEW wzrasta o ok 1,3 %), zmienia profil mocy czynnej w linii (zmniejsza obciążenie linii o wartość mocy generowanej) oraz zmniejsza straty w sieci. Natomiast praca źródła rozproszonego pogarsza współczynnik mocy w linii (w linii, z którą współpracuje źródło, zmniejsza się ilość mocy czynnej, przy zachowaniu tej samej mocy biernej) oraz nie wpływa na częstość zmiany

4 l i n i e S N sekcja GPZ położenia przełącznika zaczepów transformatora mocy i nie ma mierzalnego wpływu na wartość napięcia na sekcji głównego punktu zasilania. źródło rozproszone sieć 110 kv tr WN/SN G1 G2 st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN Rys. 3. Schemat testowanej sieci Celem zobrazowania możliwości regulacyjnych wartości napięcia przez źródło energii elektrycznej, w dalszej analizie MEW będzie pracować ze współczynnikiem mocy w przedziale ±0,9. Na rys. 4 zaprezentowano zmianę wartości napięcia w wyniku zmiany współczynnika mocy w MEW (kolor niebieski) oraz zmianę współczynnika mocy w linii SN (kolor pomarańczowy). cos(fi)=f(u [kv]) 16,00 15,95 15,90 15,85 15,80 15,75 15,70 15,65-1,1-0,9-0,7-0,5-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 cos(fi) MEW cos(fi) linii SN Rys. 4. Wpływ wartości napięcia na współczynnik mocy w MEW i sieci Charakterystyka cos(fi) MEW = f(u) ukazuje możliwości regulacyjne wartości napięcia przez MEW. Pobór z sieci mocy biernej indukcyjnej przez MEW obniża wartość napięcia w otoczeniu miejsca przyłączenia MEW, natomiast dostarczanie do sieci mocy biernej pojemnościowej przez MEW podwyższa wartość napięcia w otoczeniu miejsca przyłączenia MEW. Zatem źródło rozproszone przyłączone do sieci średniego napięcia, poprzez zmianę generacji

5 mocy biernej, może pełnić funkcję płynnego regulatora wartości napięcia, a tym samym może poprawiać lokalnie parametry jakościowe energii elektrycznej. Wzrost mocy biernej indukcyjnej w linii poprzez dostarczanie jej przez MEW pogarsza wartość współczynnika mocy w linii SN, do której przyłączona jest MEW. Kiedy MEW pracuje ze współczynnikiem mocy równym jedności, w sieci zarejestrowano współczynnik mocy równy 0,68. Gdy współczynnik mocy w linii SN jest bliski jedności, MEW pracuje ze współczynnikiem mocy równym 0,94 o charakterze pojemnościowym (obie charakterystyki się pokryją, kiedy bilans mocy czynnej w linii będzie równy zero; im większa będzie różnica pomiędzy mocą odbiorników a mocą wytwarzaną przez źródło rozproszone, tym bardziej charakterystyki będą się od siebie oddalać). Wykreślona charakterystyka cos(fi) linii SN = f(u) ukazała, poza możliwościami lokalnej regulacji wartości napięcia w otoczeniu MEW, możliwość poprawy współczynnika mocy w sieci (poprawy bilansu mocy biernej w sieci) oraz zmianę ilości strat w linii. Przyłączane źródła rozproszone do sieci lokalnie podwyższają wartość napięcia. Wprowadzenie przez źródła rozproszone do sieci dodatkowej mocy biernej indukcyjnej może obniżyć wartość napięcia, ale spowoduje wzrost strat w linii, do której przyłączone są źródła rozproszone. Zmiany napięcia powodowane pracą źródeł rozproszonych oraz ilość strat w sieci zależą od mocy odbiorów, sumarycznej mocy źródeł rozproszonych oraz impedancji sieci. Dlatego analizę pracy każdego źródła rozproszonego na sieć należy rozpatrywać indywidualnie. 3. ANALIZA PRAKTYCZNA Podczas analizy teoretycznej pomija się część zjawisk nieznacznie oddziałujących na sieć (jednak znaczna ilość pomijalnych zjawisk może odczuwalnie oddziaływać na sieć). Celem uproszczenia analizy pomija się je z uwagi na brak o nich wiedzy (np. dokładna informacja o impedancji i admitancji sieci; informacja o dodatkowych źródłach mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej). Nieznane są również faktyczne obciążenia stacji transformatorowych SN/nN przyłączonych do linii SN. Rzeczywisty obraz zjawisk w sieci umożliwiają pomiary. W tym celu wykorzystano trzy przenośne analizatory jakości energii elektrycznej w klasie A, rejestrujące wielkości pomiarowe międzyfazowych napięć i fazowych prądów z interwałem 60 sekund. Pierwszy analizator zabudowano w polu SN głównego punktu zasilania, drugi w miejscu przyłączenia MEW, a trzeci w rozdzielnicy nn jednej z końcowych stacji transformatorowych SN/nN analizowanej linii. Pomiar obejmował okres dwóch tygodni, w których m. in. zwrócono uwagę na poziomy napięć w linii oraz rozpływy mocy biernej. Z uwagi na niewielkie obciążenie linii SN oraz małą moc przyłączeniową MEW pominięto analizę obciążeniową oraz zwarciową. Na podstawie przykładowych wyników pomiarów zauważono, że zmiany napięcia w linii SN są głównie spowodowane zmianą profilu obciążenia odbiorców przyłączonych do sekcji

6 głównego punktu zasilania, które koryguje transformator mocy o regulowanej przekładni (zmiana położenia przełącznika zaczepów transformatora mocy o jeden stopień, w miejscu przyłączenia MEW zmieniała wartość napięcia o 1,2 %). Zmianę poziomu napięcia w linii SN również spowodowała zmianę konfiguracji sieci (planowana zmiana rozcięcia sieci spowodowała w miejscu przyłączenia MEW zmianę wartości napięcia o 1,8 %) oraz załączenie/wyłączenie MEW (wartość napięcia w miejscu przyłączenia MEW zmieniła się o 1,2 %). Na sekcji głównego punktu zasilania nie zarejestrowano zmian wartości napięcia spowodowanych zmianą konfiguracji sieci oraz załączeniem/wyłączeniem MEW. W okresie pomiarów w MEW zmieniono współczynnik mocy z wartości bliskiej jedności (MEW pracowała z niewielkim poborem mocy biernej indukcyjnej) do wartość 0,97 o charakterze pojemnościowym, celem pomiaru intensywności zmian wartości napięcia poprzez zmianę bilansu mocy biernej w linii. Zmiana rozpływu mocy biernej w linii spowodowała lokalną zmianę napięcia w otoczeniu MEW o wartość 0,5 %, tj. wartość napięcia wzrosła o ok 0,08 kv poprzez dostarczenie przez MEW do sieci ok 300 kvar mocy biernej pojemnościowej (rys.5). W pozostałych punktach pomiarowych nie zarejestrowano zmian napięcia spowodowanych zmianą generowanej przez MEW mocy biernej. Rys. 5. Zmiana wartości napięcia w miejscu przyłączenia MEW spowodowana zmianę przekładni transformatora mocy oraz zmianą generowanej mocy biernej przez MEW W polu SN głównego punktu zasilania zabudowany analizator jakości energii elektrycznej m. in. rejestrował ilość mocy biernej w linii SN. W trakcie pomiaru tła (wyłączona MEW) średnia wartość współczynnika mocy linii SN w głównym punkcie zasilania wyniosła 0,99 (pomiar 30 minutowego tła zrealizowano w porannym szczycie). Podczas pracy MEW w analizowanym okresie średnia wartość współczynnika mocy wyniosła 0,86. Na rysunku 6 umieszczono profil mocy biernej w polu SN głównego punktu zasilania podczas pracy MEW z współczynnikiem mocy równym 0,97 o charakterze pojemnościowym.

7 Rys. 6. Profil mocy biernej w GPZ podczas pracy MEW ze współczynnikiem mocy o charakterze pojemnościowym Na podstawie pomiarów wykazano, że zmiana ilości generowanej przez MEW mocy biernej nie spowodowała znacznych zmian wartości napięcia w jej otoczeniu oraz mierzalnych zmian wartości napięcia na sekcji GPZ, ale poprawiła bilans mocy biernej w linii. Z uwagi na fluktuację obciążenia w linii, trudnym było wyznaczenie poziomu generowanej przez MEW mocy biernej, aby w linii SN współczynnik mocy był bliski jedności. Osiągnięcie takiej sytuacji jest możliwe dzięki dwukierunkowej komunikacji źródła energii elektrycznej z GPZ. 4. WNIOSKI KOŃCOWE Źródła rozproszone przyłączane w głębi sieci mając możliwość regulacji wartości napięć, mogą realizować regulację w sposób mało efektywny. Proponuje się, by potencjał źródeł rozproszonych wykorzystać do zmiany/poprawy bilansu mocy biernej w sieci, a tym samym poprawy współczynnika mocy w linii oraz zmniejszenia ilości strat. O tym, czy generację rozproszoną wykorzystać jako źródło napięcia czy mocy biernej powinna decydować teoretyczna analiza poprzedzona rzeczywistymi pomiarami. Analiza powinna uwzględniać nie tylko potrzeby sieci w okresach szczytów i dolin zimowo-letnich, ale również techniczne możliwości regulacyjne i produkcyjne źródła, w tym jego ekonomikę (zasadniczym celem źródła rozproszonego jest generowanie mocy czynnej; generacja mocy biernej nie powinna odbywać się kosztem ograniczenia produkcji mocy czynnej).

8 LITERATURA [1] Kacejko P.: Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin [2] Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2007 [3] Małkowski R.: Generacja rozproszona jako sterowane źrodło napięcia i mocy biernej dla sieci średniego napięcia. Rynek Energii 2012, nr 5, str [4] Przygrodzki M.: Modelowanie rozwoju sieci elektroenergetycznej współpracującej z źródłami rozproszonymi. Wydawnistwo Politechniki Śląskiej. Gliwice [5] Wilczek M.: Regulacja napięcia w sieci dystrybucyjnej. Prace doktorantów. Czerwiec DISEPERSED GENERATION AS A SOURCE OF REACTIVE POWER IN MEDIUM VOLTAGE NETWORKS WITH LOW IMPEDANCE Key words: dispersed generation, reactive power, voltage regulation Summary. The paper describes the influence of a dispersed source on medium voltage networks with low impedance. The analysis was based on theoretical calculations and measurements. The influence of electric power sources on voltage values in medium voltage networks was presented, as well as reactive power distribution and energy losses. It was proposed to apply dispersed energy sources in low-impedance networks not only in order to regulate voltage values but also to balance reactive power in medium voltage power lines. It was proven that voltage regulation by electric power sources can be not very effective. Whereas, using dispersed generation as a source of reactive power can improve reactive power balance in the network as well as reduce energy losses. Marcin Wilczek, doktorant Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej; pracownik TAURON Dystrybucja S.A.