Generacja rozproszona źródłem strat w sieci SN Autor: Marcin Wilczek - Tauron Dystrybucja SA ("Energia Elektryczna" - 9/2016) Rozproszone źródła energii elektrycznej przyłączane do sieci dystrybucyjnych z jednym kierunkiem przepływu mocy zmieniają: rozpływy prądów, wartości napięć w otoczeniu źródła oraz ilość strat w sieci. Zmiany te są uwarunkowane przede wszystkim: strukturą sieci, miejscem przyłączenia źródła, mocą znamionową źródła i mocami odbieranymi w sieci. Współpracujące z siecią średnich napięć (SN) źródła rozproszone przyłączane są do niej na sztywno według zasady przyłącz i zapomnij (bez wykorzystania ich potencjału regulacyjnego) [2], wytwarzają 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 (OSD) w warunkach przyłączenia. Potencjał źródeł rozproszonych daje możliwość w stanach normalnych albo awaryjnych sieci, poprzez sterowanie generacją mocy biernej, lokalnego bilansowania mocy biernej w sieci, regulacji wartości napięcia w otoczeniu źródła, obniżenia wielkości strat w sieci oraz obniżenia liczby zadziałań podobciążeniowego przełącznika zaczepów transformatora mocy [3]. Analiza teoretyczna pomiary Do analizy teoretycznej wpływu źródła energii elektrycznej na sieć wykorzystano przepływową elektrownię wodną, w której pracują dwa generatory synchroniczne z magnesami trwałymi typu NdFeB AXCO DOL PMG 660-200/400V o mocy znamionowej 660 kva każdy. Przyjęto, że moc generowana przez źródło energii elektrycznej przyłączone w głębi sieci (ok. 9 km od Głównego Punktu Zasilania GPZ) jest porównywalna z mocą pobieraną przez odbiorców zlokalizowanych w większości na terenach wiejskich (łączna długości linii SN wraz z odgałęzieniami wynosi 50,36 km). Pominięto obciążalność linii oraz kryteria zwarciowe, a skoncentrowano się na warunkach napięciowych w PCC (ang. point of common coupling) źródła energii elektrycznej, bilansie mocy biernej oraz stratach. Jako model przyjęto sieć przedstawioną na rysunku 1. Skoncentrowano się przede wszystkim na linii średniego napięcia współpracującej z źródłem energii elektrycznej, w przeważającej większości napowietrznej (w torze linii głównej typu AFL-6 o przekroju 70 mm2 i 50 mm2, odgałęzienia typu AFL-6 o przekroju 35 mm2 i 25 mm2; linie kablowe stanowią ok. 10% całkowitej długości linii typu HAKnFtA 3x120 mm2 i 3xYHAKXs 1x120 mm2 oraz HAKnFtA 3x240 mm2), zasilającej 32 stacje transformatorowe SN/nN o łącznej mocy
l i n i e S N sekcja GPZ znamionowej 5,183 MVA, pracujące w okresach szczytów poranno-popołudniowych ze współczynnikiem jednoczesności 0,3 oraz współczynnikiem mocy równym 0,96. W analizie teoretycznej odwzorowano stan rzeczywisty sieci, uwzględniając roczny profil mocy czynnej w linii oraz profil mocy czynnej generowanej przez źródło energii elektrycznej. sieć 110 kv 15,6...16,0 kv ARN tr 110±16%/15 kv Sn = 25 MVA źródło rozproszone Sn = 2x660 kva G1 G2 PP1 PP2 st. SN/nN st. SN/nN PCC źee st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN st. SN/nN tr SN/nN PP3 Rysunek nr 1. Schemat testowanej sieci wraz z naniesionymi punktami pomiarowymi (PP1-3) Rysunek nr 2. Profil mocy czynnej i biernej w linii - pomiary za okres 2 tygodni Wybrane wyniki teoretycznej analizy oraz pomiarów zaprezentowano w tabeli 1. Do analizy teoretycznej wykorzystano program obliczeniowy, wykonujący obliczenia rozpływowe w oparciu o metodę napięć węzłowych. Sieć określona jest przez: zbiór węzłów, zbiór gałęzi, macierz impedancji gałęziowych, wektor prądów odbiorczych, a źródła napięciowe modelowane są w postaci siły elektromotorycznej. Prądy obciążenia w poszczególnych węzłach odbiorczych wyznaczane są jako suma prądów odbiorczych wszystkich odbiorników
przyłączonych do tego węzła (zakłada się przy tym, że prąd ten nie zależy od napięcia w węźle, do którego przyłączony jest odbiornik). Linię traktuje się jako czwórnik typu π [6]. Pomiary zrealizowano wykorzystując trzy analizatory jakości energii elektrycznej w klasie pomiarowej A. Miejsca zabudowy analizatorów pokazano na rysunku 1 (PP1, PP2 i PP3). Analizatory realizowały pomiary wartości trzech napięć fazowych i trzech prądów fazowych oraz napięcia i prądu zerowego z interwałem 60 sekund przez okres 2 tygodni. Pomiary realizowano w oparciu o normę DIN 40110-2. Podane w tabeli 1 trzy pozycje wartości napięcia i mocy czynnej wskazują wartość: minimalną, średnią oraz maksymalną. Znaczna zmiana profilu mocy czynnej wynika z 15-minutowego pomiaru tła (pracy linii bez źródła energii elektrycznej) oraz zmiany układu pracy sieci (zmiana punktu rozcięcia sieci), spowodowanej planowanymi pracami w sieci. Tabela nr 1. Wybrane wyniki analizy teoretycznej oraz pomiarów Opis Analiza teoretyczna Pomiary Profil mocy czynnej w linii SN (pomiar w GPZ) zmianą profilu mocy w linii (w PCC) przyjęto stałe średnie obciążenie linii SN praca bez źródła 1,2 MW praca z źee 0,3 MW nie analizowano (przyjęto stałe obciążenie 30 % mocy znamionowej transformatorów SN/nN) -0,85 MW 0,14 MW 1,31 MW 15,42 kv 15,71 kv 16,04 kv załączeniem/wyłączeniem źee (w PCC) pracą źee ze współczynnikiem mocy w przedziale ±0,9 (w PCC) pracą źee ze współczynnikiem mocy równym 0,97 charakter pojemnościowy (w PCC) zmianą położenia PPZ o jeden stopień zmianą układu pracy sieci (w PCC) ±1,2 % ±1,2 % 15,7 kv 15,9 kv nie analizowano 0,5 % 0,5 % nie analizowano ±1,2 % ±1,4 % ±1,8 %
Ponadto w tabeli 1 zaprezentowano zmiany wartości napięcia spowodowane włączeniem/wyłączeniem źródła energii elektrycznej (zmiana pomiędzy wartością napięcia, gdy źródło jest przyłączone do sieci, a wartością napięcia, gdy źródło jest odłączone i odwrotnie) oraz pracą źródła energii elektrycznej przy rożnych wartościach współczynnika mocy, rejestrowane w PCC źródła (w analizie teoretycznej zmiany napięć były rejestrowane w wielu punktach linii). Na zmianę profilu mocy czynnej w linii podczas pomiarów poza odbiorcami również miała wpływ współpraca sieci ze źródłem rozproszonym. Z jednej strony poprzez współpracę sieci ze źródłem energii elektrycznej uzyskuje się pozytywny efekt obniżenia poboru mocy w linii, ale z drugiej w wyniku m.in. zmiany układu pracy sieci znaczną fluktuację mocy, zwłaszcza podczas przepływu mocy w kierunku GPZ. Wpływ analizowanego źrodła energii elektrycznej poprawia bilans mocy czynnej w analizowanej linii SN z uwagi na średnią wartość mocy w linii wynoszącą 0,14 MW, kiedy średnia wartość mocy czynnej w linii bez źródła rozproszonego oscylowała wokół 1,3 MW. Przyłączone źródło rozproszone obniżyło poziom strat w linii SN oraz transformatorze mocy WN/SN. Na profil generowanej mocy czynnej przez źródło energii elektrycznej (zakładając, że właściciel źródła rozproszonego bez stosownych rekompensat finansowych nie wyrazi zgody na regulację mocy czynnej) oraz na profil mocy pobierany przez odbiorców (zakładając obecne taryfy), OSD nie mają wpływu. Również zmiany układów pracy w sieci nie realizuje się celem zmian warunków napięciowych w sieciach średnich napięć. Skoncentrowano się na zmianie wartości napięcia, poprzez zmianę generowanej przez źródło rozproszone mocy biernej. Podczas analizy teoretycznej oraz po analizie pomiarów, przy pracy źródła rozproszonego ze współczynnikiem mocy równym 0,97poj, zaobserwowano nieznaczny wzrost wartości napięcia na poziomie 0,5% (zmiana wartości napięcia była rejestrowana tylko w bezpośrednim otoczeniu źródła rozproszonego, które przed zmianą pracowało ze współczynnikiem mocy bliskim jedności), wprowadzając do sieci ok. 300,0 kvar mocy biernej (w analizowanej sytuacji wprowadzono moc bierną o charakterze pojemnościowym, fizykalnie uzyskując wzrost wartości napięcia). W analizie teoretycznej zmieniano współczynnik mocy źródła rozproszonego w większym zakresie, uzyskując większe zmiany napięcia (zakres zmian napięcia zaprezentowano w tabeli 1). Znaczne zmiany wartości napięcia można uzyskać, dostarczając do sieci odpowiednią ilość mocy biernej. Dalej prześledzono profil mocy biernej w linii SN współpracującej ze źródłem rozproszonym wykorzystanym do regulacji napięcia w jego otoczeniu. Analiza teoretyczna współczynnika mocy w sieci SN stanowi duże wyzwanie, gdyż ilość mocy biernej nie jest rejestrowana w sieciach średnich napięć. Przyjęto początkowo w analizie teoretycznej średnią wartość współczynnika mocy przy pracy sieci bez źródła energii elektrycznej na poziomie 0,93, gdyż jest to minimalna wartość współczynnika mocy wymagana przez odbiorców w taryfie. W trakcie analizy skorygowano tę wartość poprzez obniżenie mocy biernej pobieranej przez odbiorców, gdyż większość regulatorów baterii kondensatorów zabudowanych u odbiorców utrzymuje wartość współczynnika mocy na
poziomie wyższym niż minimalny. Założono również, że podczas pracy źródła energii elektrycznej ilość mocy biernej w sieci będzie porównywalna z ilością mocy czynnej. Na rysunku 2 zaprezentowano profil mocy czynnej i biernej w linii współpracującej ze źródłem energii elektrycznej podczas pomiaru, a w tabeli 2 przedstawiono średnie wartości współczynnika mocy analizy teoretycznej i pomiarów. W analizie teoretycznej spodziewano się, wprowadzając do sieci przez źródło energii elektrycznej moc bierną, nieznacznych zmian napięcia, zatem zmianę współczynnika mocy w źródle energii elektrycznej dopasowano do bliskiej jedności wartości współczynnika mocy w linii (zakładano, że w linii SN średni współczynnik mocy, podczas pracy źródła energii elektrycznej, jest równy 0,7, zatem wygenerowanie przez źródło energii elektrycznej mocy biernej w ilości ok. 300 kvar poprawi wartości współczynnika mocy w linii do poziomu bliskiego jedności o charakterze indukcyjnym). Podczas pomiarów, z uwagi na znaczną fluktuację mocy czynnej i biernej w sieci w okresach porannego szczytu, częściowo uzyskano oczekiwane rezultaty, ale w godzinach popołudniowych i w nocy w linii SN dominowała moc bierna o charakterze pojemnościowym. Średnia wartość współczynnika mocy, podczas pomiaru tła (bez pracy źródła energii elektrycznej), oscylowała wokół wartości 0,998 (pomiar tła realizowano w okresie szczytu porannego). Natomiast w trakcie pracy źródła energii elektrycznej wartość współczynnika mocy zmieniała się w szerokim zakresie ze średnią wartością 0,86. Analiza straty Analiza strat w sieci obejmuje: linię SN, transformatory SN/nN oraz transformator mocy 110/15 kv. Model linii zaprezentowano na rysunku 1, natomiast wybrane wyniki w tabeli 3. Praca generacji rozproszonej ze współczynnikiem mocy bliskim jedności na sieć średniego napięcia dla analizowanego modelu sieci, jak zaprezentowano w tabeli 3, obniża ilość strat w sieci o ok. 30% w stosunku do pracy sieci bez rozproszonego źródła energii elektrycznej. Obniżenie strat uzyskano w liniach SN oraz transformatorze mocy WN/SN. W analizowanej sieci współpracującej z źródłem rozproszonym (źródło energii elektrycznej pracuje ze współczynnikiem mocy bliski jedności) połowę strat w sieci generują transformatory SN/nN (analizowane źródło rozproszone nie ma wpływu na ilość strat w transformatorach SN/nN). Wykorzystując źródła energii elektrycznej do regulacji wartości napięcia, np. poprzez zmianę wartości napięcia w przedziale }1,5% w PCC poprzez dostarczenie do sieci przez źródło energii elektrycznej mocy biernej, należy spodziewać się, jak pokazano w tabeli 3, wzrostu strat w linii SN i w transformatorze WN/SN oraz obniżenia generacji mocy czynnej kosztem generacji mocy biernej przez źródło energii elektrycznej (intensywność tych zmian jest indywidualna dla każdej maszyny). Optymalnym układem pracy źródła energii elektrycznej pod względem minimalnych strat w linii jest dopasowanie pracy źródła energii elektrycznej do wartości współczynnikiem mocy w linii SN bliskiego jedności. Dopasowanie pracy źródła energii elektrycznej może być
realizowane zarówno przez odpowiednią generacji mocy czynnej, jak i mocy biernej. Konkluzja jest słuszna dla sieci współpracujących z generacją rozproszoną o małej impedancji oraz mocy generowanej przez źródło porównywalnej z mocą odbieraną przez odbiorców. Konkluzje Analiza teoretyczna oraz pomiary wykazały, że w sieciach średnich napięć o małej impedancji regulacja wartości napięcia jest mało efektywna. Aby, poprzez zmianę generowanej przez źródło energii elektrycznej mocy biernej, uzyskać zmianę wartości napięcia w otoczeniu źródła energii elektrycznej w przedziale np. }1,5%, do sieci należy dostarczyć znaczną ilość mocy biernej. Wzrost mocy biernej, zwłaszcza indukcyjnej, wiąże się ze wzrostem strat w linii SN, co wynika z poniższej zależności: Proponuje się, by w sieciach współpracujących ze źródłami energii elektrycznej o małej impedancji utrzymywać współczynnik mocy w linii bliski jedności. Jak wykazano wyżej, zmiana napięcia jest niewielka, a w przypadku podjęcia próby zmiany jej wartości, generowane są straty. Zatem zaleca się, by dla sieci o małej impedancji, współpracujących ze źródłami rozproszonymi, wykorzystać źródła energii elektrycznej do kompensacji mocy biernej w sieci, a tym samym minimalizować straty w sieci (uwzględniając możliwości generacji mocy biernej poszczególnych źródeł). Profil mocy biernej przedstawiony na rysunku 2 ukazuje, że poza wprowadzaniem mocy biernej pojemnościowej do sieci w celach kompensacyjnych (w dniach wolnych od pracy w linii SN zarejestrowano moc bierną o charakterze pojemnościowym) źródła energii elektrycznej można wykorzystywać dla wprowadzania do sieci mocy biernej indukcyjnej (kompensacja indukcyjna). W tym celu nie tylko można wykorzystać maszyny synchroniczne, ale również tradycyjne maszyny asynchroniczne, poprzez obniżenie kompensacji pojemnościowej źródła energii elektrycznej przez baterie kondensatorów. Tabela nr 2. Wybrane wyniki analizy teoretycznej i pomiarów współczynnika mocy w linii SN Opis Analiza teoretyczna Pomiary średnia wartość współczynnika mocy przy pracy sieci bez źee średnia wartość współczynnika mocy przy pracy sieci z źee cos( )=0,96 cos( )=0,7 cos( )=0,998 cos( )=0,86
Tabela nr 3. Wybrane wyniki analizy P łącznych strat podłużnych w liniach SN, transformatorach SN/nN i transformatorze WN/SN Opis Sieć pracuje bez źródła bliskim 1,0 dobranym do współczynnika mocy w linii bliskiego jedności bliskim 0,9 poj bliskim 0,9 ind bliskim 1,0 oraz dodatkową pojemnością (zmiana napięcia w PCC o 1,5 %) bliskim 1,0 oraz dodatkową indukcyjnością (zmiana napięcia w PCC o 1,5 %) P [kw] (I [A]) 44,518 kw (I = 46,9-j12,5 [A]) 31,006 kw (I = 11,66-j11,98 [A]) 30,22 kw (I = 13,82+j0,73 [A]) 30,76 kw (I = 15,26+j3,61 [A]) 37,63 kw (I = 15,21-j27,59 [A]) 38,79 kw (I = 11,7+j20,5) 42,7 kw (I = 11,6+j42,7) Wnioski końcowe Coraz liczniej źródła energii elektrycznie (generacja rozproszona) przyłączane są do sieci dystrybucyjnej. Ich potencjał domaga się wykorzystania. Daje on wiele możliwości zarówno regulacji wartości napięcia, jak i profilu mocy biernej oraz ilości strat. Przemyślana strategia współpracy źródła energii elektrycznej może dostarczyć wartości dodanej właścicielom sieci, jak i źródeł rozproszonych. Indywidualna analiza pracy źródła, poprzedzona pomiarami, umożliwi pełne wykorzystanie potencjału źródeł oraz sieci. Dla sieci o małych impedancjach (linii o znacznych przekrojach i niewielkich odległościach źródła energii elektrycznej od GPZ) zaleca się wykorzystać generację rozproszoną do bilansowania mocy biernej w linii. Proponuje się, by w liniach SN dopasować, przez generację mocy czynnej i biernej przez źródła rozproszone, współczynnik mocy do wartości bliskiej jedności o charakterze indukcyjnym. Czy współczynnik mocy przyjmie wartość 0,97 czy 0,93 powinno być kwestią indywidualną, uwzględniającą ekonomiczne możliwości generacji mocy biernej przez źródła rozproszone. W żadnym przypadku nie wyklucza się możliwości regulacji wartości napięcia w sieciach o małej impedancji, zwłaszcza w stanach awaryjnych, kiedy priorytetem jest utrzymanie u odbiorców ciągłości zasilania oraz wymaganych parametrów jakości energii elektrycznej.
Zmiana wartości napięcia realizowana przez źródło rozproszone poprzez generację mocy biernej niesie ze sobą wzrost mocy biernej w linii. Dostarczona przez generację rozproszoną moc bierna jest źródłem dodatkowych start w linii oraz transformatorze WN/SN. Również praca generacji rozproszonej ze współczynnikiem mocy bliskim jedności może być niekorzystna, gdyż w sieci maleje współczynnik mocy, poprzez zmianę mocy czynnej. Literatura 1. Grządzielski I., Marszałkowicz K., Trzeciak A.: Impact of Voltage Conditions on Distributed Generation Connectivity in Medium Voltage Grids. ActaEnergetica, nr 4/25 (2015). 2. Lubaśny Z.: Maksymalizacja vs optymalizacja elektroenergetycznych sieci rozdzielczych o strukturze promieniowej,,,acta Energetica nr 03/2010. 3. Małkowski R.: Generacja rozproszona jako sterowane źródło napięcia i mocy biernej dla sieci średniego napięcia,,,rynek Energii nr 5/2012. 4. Przygrodzki M.: Modelowanie rozwoju sieci elektroenergetycznej współpracującej ze źródłami rozproszonymi, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. 5. Webs Ewa, Przygrodzki M.: Lokalizacja źródeł generacji rozproszonej w sieci średniego napięcia,,,energetyka, luty 2014. 6. www.ipcsc.pl.