Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 181 Dominik Szuser, Adrian Nocoń Poliechnika Śląska, Insyu Elekroniki i Informayki WPŁYW PARAMETRÓW SIECI DYSTRYBUCYJNEJ ŚREDNIEGO NAPIĘCIA NA STANY PRZEJŚCIOWE GENERATORÓW ŹRÓDEŁ ROZPROSZONYCH ANALIZA WRAŻLIWOŚCI INFLUENCE OF MEDIUM VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORK PARAMETERS ON TRANSIENT STATES OF DISTRIBUTED GENERATORS SENSITIVITY ANALYSIS Absrac: The presened invesigaions deal wih he analysis of ransien waveforms of disribued sources conneced o he medium volage disribuion nework. The paper presens analysis resuls of he influence of he disribuion nework mahemaical model parameers on he ransien saes of hese sources. The invesigaions were performed based on he sensiiviy heory. Synheic, inegral indicaors were used for assessmen of he influence of he nework model parameers. In he invesigaions conduced here were applied nonlinear mahemaical models of he power sysem elemens. Moreover, he uncerainy of he disribued source model and disribuion nework parameers was aken ino accoun. 1. Wsęp W obecnych czasach można wyraźnie zaobserwować wzros zaineresowania źródłami rozproszonymi. Jes o spowodowane chęcią ograniczenia emisji szkodliwych gazów (między innymi CO 2, NOx) poprzez wykorzysanie energii ze źródeł odnawialnych (np. mikro elekrowni wodnych), a akże dążeniem do zwiększenia bezpieczeńswa elekroenergeycznego kraju dzięki wzrosowi udziału generacji rozproszonej w srukurze wywarzania energii [7]. Źródła rozproszone, kóre charakeryzuje niewielka moc (do 5MW) najczęściej insalowane są w sieci rozdzielczej średniego napięcia. Wysępujące w sieci zakłócenia mogą niekorzysnie wpływać na pracę poszczególnych źródeł rozproszonych np. powodując uraę ich sabilności a w konsekwencji awaryjne wyłączenie źródła. W związku z ym konieczne sają się badania sanów dynamicznych sysemu elekroenergeycznego (SEE) z uwzględnieniem generacji rozproszonej [7]. Badania e mogą być podsawą do projekowania układów regulacji źródeł rozproszonych, np. sabilizaorów sysemowych. Badania sanów zakłóceniowych należy przeprowadzić w oparciu o wiarygodne paramery modeli maemaycznych elemenów sysemu elekroenergeycznego (źródeł rozproszonych i sieci dysrybucyjnej) [3]. Przy czym wyznaczenie paramerów modeli maemaycznych nasępuje zazwyczaj na drodze esymacji meodami numerycznymi [6]. Przy ak przyjęej meodologii badań zasadne saje się poszukiwanie paramerów, kórych warości mają największy i najmniejszy wpływ na końcowe wyniki analizy. Po określeniu ychże paramerów możliwe sają się badania, w kórych dokładnie wyznacza się paramery o największym znaczeniu (wpływie na analizowane przebiegi przejściowe) a pozosałe paramery określa się w sposób przybliżony. Tak skonsruowany model pozwala w znaczny sposób ograniczyć nakłady pracy na dokładną esymację wszyskich (znaczących i mniej znaczących) paramerów. Wyznaczenie znaczących i mniej znaczących paramerów modeli maemaycznych powinno doyczyć wszyskich elemenów analizowanego sysemu (generaorów, układów regulacji i sieci elekroenergeycznej). Ze względu na mnogość paramerów w niniejszym arykule przedsawiono jedynie wyniki analizy wpływu paramerów modelu maemaycznego sieci dysrybucyjnej na sany przejściowe generaorów źródeł rozproszonych. Analizę w odniesieniu do paramerów generaorów przedsawia praca [4]. W prezenowanych badaniach określenie bardziej i mniej znaczących paramerów sieci dysrybucyjnej przeprowadzono w oparciu o eorię wrażliwości. Do oceny wpływu paramerów modelu sieci wykorzysano syneyczne wskaźniki całkowe. W przeprowadzanych badaniach zasosowano nieliniowe modele maemayczne elemenów sysemu elekroenergeycznego. Ponado uwzględniono niepewność paramerów modeli maemaycznych (źródeł rozproszonych i sieci dysrybucyjnej), dla kórych wyznaczana była wrażliwość.
182 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 2. Model maemayczny analizowanego sysemu elekroenergeycznego W prezenowanej pracy, jako przedmio badań symulacyjnych zosał wykorzysany model sieci rozdzielczej 15kV będącej fragmenem Krajowego Sysemu Elekroenergeycznego (KSE). Srukurę sieci pokazano na rys. 1 [2]. Model analizowanego SEE składał się z 181 węzłów, 191 linii i 85 odbiorników. Przyjęo, że w rozparywanym sysemie zainsalowane są nasępujące źródła rozproszone: dwie elekrownie wodne o mocy 1MW każda, kóre pracują znamionowo (oznaczone na rys. 1, jako G1 i G2) i rzy elekrownie wiarowe o mocy 1,65 MW z generaorami asynchronicznymi serowanymi poprzez zmianę rezysancji w odwodzie wirnika. Siłownie e oddają do sieci 60% swojej mocy znamionowej. Analizowana sieć zawiera akże zasępczy zespół wywórczy reprezenujący w sposób uproszczony dynamikę pozosałej części KSE. Rys.1. Schema srukuralny sieci rozdzielczej SN W badaniach symulacyjnych wykorzysano uwzględniające nieliniowość nasępujące modele źródeł rozproszonych: zespół reprezenujący ekwiwalen KSE zamodelowano modelem ypu GENCLS, zespoły hydroelekrowni modelami ypu: GENSAL (generaor), EXST1 (układ wzbudzenia), HYGOV (urbina wodna), zespoły elekrowni wiarowych modeli ypu: GENWRI (generaor asynchroniczny), EXWTG1 (układ regulacji), WNDTRB (urbina wiarowa). Oprócz ego zamodelowano ransformaor 110 kv / 15 kv łączący sieć dysrybucyjną
Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 183 z krajowym sysemem elekroenergeycznym, ransformaory 15 kv / 0,4 kv zasilające odbiory niskiego napięcia oraz sieć elekroenergeyczną. Model maemayczny sieci elekroenergeycznej określają warości rezysancji i reakancji poszczególnych gałęzi. Zakładając, że paramery modeli maemaycznych źródeł rozproszonych i sieci dysrybucyjnej wyznaczane są ze skończoną dokładnością, w przeprowadzonych badaniach uwzględniono niepewność niekórych paramerów modeli źródeł rozproszonych, ekwiwalenu sysemu elekroenergeycznego i sieci dysrybucyjnej. Przy czym paramery uwzględniające niepewność o: przejściowa sała czasowa w osi d generaora G1 - T ' d0g1, reakancja przejściowa w osi d generaora G1 - X ' dg1, sała czasowa inercji zespołu wywórczego G1 - H G1, przejściowa sała czasowa w osi d generaora G2 - T ' d0g2, reakancja przejściowa w osi d generaora G2 - X ' dg2, sała czasowa inercji zespołu wywórczego G2 - H G2, sała czasowa inercji zespołu wywórczego reprezenującego ekwiwalen KSE - H PS oraz paramery sieci, j. rezysancje i reakancje linii L0, L15, L42, L43, L103 i L104 (rys. 1). Uwzględnienie niepewności paramerów wyżej wymienionych modeli uzyskano poprzez zasąpienie konkrenych ich warości x i rozkładem normalnym prawdopodobieńswa wysąpienia danej warości parameru k(x i ) o zakresie ±25 %, dla kórego warością średnią x jes warość x i i [1], [4]. Dla modelu uwzględniającego niepewność paramerów badania symulacyjne przeprowadzono poprzez wielokrone powarzanie obliczeń przy losowo wybieranych warościach paramerów zgodne z założonym rozkładem prawdopodobieńswa [3]. Przykładowy rozkład prawdopodobieńswa dla rezysancji linii L43 pokazano na rys. 2. ˆR L43 Rys. 2. Rozkład prawdopodobieńswa dla rezysancji linii L43 3. Analiza wrażliwości wybranych przebiegów dynamicznych na zmiany paramerów sieci dysrybucyjnej W niniejszym arykule badano wpływ zmian paramerów modelu sieci, dla kórych uwzględniono niepewność, na przebiegi wielkości związanych ze sabilnością SEE w sanach przejściowych źródła rozproszonego G1. Przebiegami ymi były: odchyłki mocy chwilowej p(), odchyłki napięcia zaciskowego u() oraz zmiany prędkości wirowania (). Uzyskano je w sanach dynamicznych spowodowanych nagłym wyłączeniem wszyskich siłowni wiarowych oraz dla przemijającego zwarcia w linii L0 zaznaczonej na rys. 1. Do oceny wrażliwości wybranych przebiegów na zmiany paramerów sieci wykorzysano wrażliwość półwzględną. Ze względu na czasowe uzależnienie warości wrażliwości przyjęo całkowe wskaźniki wrażliwości: Sq Sq q( ) 1 xi d x 0 i 2 q( ) 2 d x i xi 0 (1) (2) gdzie: q() przebieg dla kórego wyznaczana jes wrażliwość ( p(), u() lub ()), x i warość parameru względem kórego wyznaczana jes wrażliwość, czas analizy sanu przejściowego [3]. W wyniku badań symulacyjnych uwzględniających niepewność paramerów modeli orzymano pasma przebiegów wybranych wielkości (mocy, napięcia i prędkości wirowania) oraz pasma wrażliwości. Przy czym wszyskie uzyskane pasma określone są poprzez przebiegi graniczne (maksimum i minimum) a akże warość średnią. Badania przeprowadzono w oparciu o zesaw 100 wylosowanych paramerów zgodnie z rozkładem normalnym prawdopodobieńswa. Pasma przebiegów mocy chwilowej, prędkości wirowania i napięcia zaciskowego dla zespołu wywórczego G1 przedsawiono na rys. 3 przy zwarciu w linii L1 oraz na rys. 4 przy wyłączenia generacji farm wiarowych. Na rys. od 5 do 10 przedsawiono przebiegi wskaźników wrażliwości (1) i (2), odpowiednio dla zwarcia i wyłączenia generacji siłowni wiarowych. Przy czym ze względu na czyelność rysunków na wykresach ych przedsawiono ylko warości średnie wskaźników wrażliwości.
184 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 Rys.3. Pasma przebiegów mocy chwilowej p(), prędkości wirowania () i napięcia zaciskowego u() generaora G1 przy zwarciu w linii L0 Rys.4. Pasma przebiegów mocy chwilowej p(), prędkości wirowania () i napięcia zaciskowego u() generaora G1 przy wyłączeniu siłowni wiarowych
Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 185 Rys.5. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Sp() generaora G1 przy zwarciu w linii L0 Rys.8. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Sp() generaora G1 przy wyłączeniu generacji siłowni wiarowych Rys.6. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Sω() generaora G1 przy zwarciu w linii L0 Rys.9. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Sω() generaora G1 przy wyłączeniu generacji siłowni wiarowych Rys.7. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Su() generaora G1 przy zwarciu w linii L0 Rys.10. Przebiegi średniej warości wskaźników wrażliwości mocy chwilowej Su() generaora G1 przy wyłączeniu generacji siłowni wiarowych
186 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 92/2011 4. Wnioski Z przedsawionych wyników badań można wyciągnąć nasępujące wnioski: Na przebiegi wyjściowe generaora G1 (odchyłki mocy czynnej i prędkości obroowej) podczas symerycznego zwarcia szczególnie wpływają rezysancja i reakancja linii, w kórej o zwarcie wysąpiło. Przebieg napięcia zaciskowego dodakowo wrażliwy jes na rezysancję linii, kóra łączy generaor z siecią - R L43. Z kolei w przypadku wyłączenia elekrowni wiarowych duży wpływ na wszyskie analizowane przebiegi mają paramery linii, kóra łączy generaor z siecią (a szczególności jej rezysancja), a akże paramery linii, do kórych przyłączane są farmy wiarowe. W celu oceny współpracy generaora z sysemem elekroenergeycznym (w szczególności jego sabilności dynamicznej) należy znać wiarygodne paramery sieci. Jednakże z przeprowadzonych badań wynika, że nie wszyskie paramery sieci jednakowo wpływają na sany przejściowe generaora. Na podsawie uzyskanych wyników swierdzono, że największe znaczenie mają paramery linii łączącej generaor z siecią oraz paramery linii, w kórej wysąpiło zakłócenie. Zasosowanie modeli z uwzględnieniem niepewności paramerów generaora źródła rozproszonego i sieci elekroenergeycznej wymaga dokonania oceny wagi poszczególnych paramerów i pozwala na analizę sanów przejściowych generaora w sieci przy mniejszym nakładzie koszów (głównie na esymację paramerów). W celu poprawnego doboru układów regulacji generaorów źródeł rozproszonych, w ym sabilizaorów sysemowych, konieczne saje się wyznaczenie dokładnego modelu i paramerów sieci, do kórej źródło zosało przyłączone. Ze względu na rudności z wyznaczeniem wiarygodnych paramerów, do modelowania sieci można wykorzysać modele z uwzględnieniem niepewności. Jednakże wymaga o dalszych badań ze względu na konieczność uwzględnienia ejże niepewności w algorymie opymalizacyjnym. 5. Lieraura [1] Nocoń A., Pasko M., Paszek S.: Sensiiviy analysis including uncerainy of synchronous generaor model parameers. 9h Inernaional Conference Conrol of Power Sysems 10, Taranské Maliare, Slovak Republic, June 2010, pp. 105-128. [2] Kacejko P., Adamek S., Pijarski P.: Ocena oddziaływania generacji rozproszonej na sayczne wskaźniki jakości napięcia w erenowych sieciach rozdzielczych. XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowa APE 09, Juraa 2009, maeriały konferencyjne om IV, ss. 87-96. [3] Nocoń A., Szuser D.: Disribued source mahemaical model including parameer uncerainy. 33h Inernaional Conference on Fundamenals of Elecroechnics and Circui Theory, SPETO 2010, Usroń May 2010, pp. 35-37. [4] Nocoń A., Paszek S., Bojarska M.: Analiza wrażliwości przebiegów zakłóceniowych z uwzględnieniem niepewności paramerów modelu sysemu elekroenergeycznego XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowa APE 11, Juraa 2011, maeriały konferencyjne (w druku) [5] Paszek S.: Opymalizacja sabilizaorów sysemowych w sysemie elekroenergeycznym Zeszyy naukowe Poliechniki Śląskiej seria Elekryka z. 161, Gliwice 1998. [6] Majka, Ł., Paszek, S. (2008): Measuremenbased model parameer esimaion for elecrical par of Rybnik power plan generaing uni, Pr. Nauk. PŚl. Elek. 2008 R. 54 z. 2 (206), pp. 67-77. [7] Popczyk J., Paszek S., Nocoń A., Kraszewski T.: Projek badawczy zamawiany Nr PBZ-MEiN- 1/2/2006, Rapory z realizacji zadań za 2007 i 2008r, Gliwice 2007, 2008 r. Praca jes częściowo finansowana przez Polskie Miniserswo Nauki i Szkolnicwa Wyższego ze środków budżeowych na naukę w laach 2009-2012 jako projek badawczy N N511 352137. Auorzy Mgr inż. Dominik Szuser, Dr inż. Adrian Nocoń, Poliechnika Śląska, Insyu Elekroechniki i Informayki, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 10A, el.: (32)-237-25-22, dominik.szuser@polsl.pl, adrian.nocon@polsl.pl Recenzen Dr hab. inż. Michał Zeńczak