Sławomir CIEŚLIK Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Instytut Elektrotechniki PROBLEMY IDENTYFIKACJI ELEMENTÓW SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO POWODUJĄCYCH WZROST WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA Streszczenie: Problemy jakości energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym są aktualne na każdym poziomie napięcia. Jednym z głównych parametrów jakości energii jest zawartość wyższych harmonicznych w napięciu. Istnieje wiele przyrządów, które mierzą i rejestrują zawartość harmonicznych w prądach i napięciach, praktycznie w dowolnych węzłach systemu. Bardzo istotnym problemem w chwili obecnej jest znalezienie przyczyny wzrostu harmonicznych. Artykuł należy traktować jako przyczynek do dyskusji na temat identyfikacji elementów systemu elektroenergetycznego powodujących wzrost wyższych harmonicznych napięć. W artykule rozpatrzono przykład farmy wiatrowej jako elementu systemu elektroenergetycznego średniego napięcia powodującego wzrost wyższych harmonicznych napięcia. Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych z wykorzystaniem pakietu PSCA. 1. Wstęp Problem identyfikacji elementów systemu elektroenergetycznego powodujących wzrost wyższych harmonicznych napięcia nie jest obecnie wyczerpująco rozwiązany. Jedną z przyczyn są problemy z interpretacją fizyczną mocy w obwodach elektrycznych z przebiegami odkształconymi [1, 2]. W artykule [3] poruszono zagadnienie doboru środków technicznej realizacji układu zasilania w oparciu o centra sterowania jakością w zakresie zapewnienia wymaganej jakości napięcia zasilającego w węzłach odbiorczych. Wśród środków technicznych wymienia się: aktywne układy kondycjonowania energii, energetyczne filtry aktywne, źródła rozproszone oraz zasobniki energii. Próba zastosowania określonych środków technicznych nie może być oderwana od realiów ekonomicznych. Należy rozpatrywać dwa zasadnicze problemy: w którym miejscu systemu instalować środki do poprawy jakości energii oraz kto za te instalacje i związane z tym dodatkowe usługi zapłaci? Problem jest aktualny i wpisuje się w działania operatorów systemów elektroenergetycznych w zakresie specjalistycznych usług eksploatacyjnych dotyczących monitorowania parametrów jakości energii elektrycznej w sieci. Przykładem jest uruchomienie od 1 października 2009 roku w PSE Północ Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej [4]. Okresowe lub ciągłe monitorowanie jakości energii elektrycznej w roku 2010 zostało zrealizowane na różnych poziomach napięcia, łącznie w 16 punktach pomiarowych. W przypadku stwierdzenia w monitorowanym obiekcie długotrwałych lub ciągłych przekroczeń dopuszczalnych wartości parametrów jakości energii elektrycznej, zgodnie z regulaminem działania Centrum mogą być wykonywane ekspertyzy z udziałem jednostek naukowo-badawczych. 43
Zakres monitorowania jakości energii elektrycznej w sieci NN będzie dostosowywany do pojawiających się potrzeb związanych z lokalizacją źródeł zakłóceń oraz rozpoznaniem dróg rozprzestrzeniania się zakłóceń w KSE [4]. Problem zarysowany w niniejszym artykule był już przez autora przedstawiony i dyskutowany na Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej Modelowanie, Symulacja i Zastosowania w Technice, w Kościelisku, w roku 2011 [5]. Głosy w dyskusji, głównie środowiska energoelektroników, utwierdzają autora w przekonaniu o celowości wywoływania dyskusji w zakresie lokalizacji źródeł zakłóceń oraz rozpoznawania dróg rozprzestrzeniania się zakłóceń w KSE. 2. Dopuszczalne poziomy wyższych harmonicznych napięcia w sieciach średniego napięcia W rozdzielczych sieciach średniego napięcia, w normalnych warunkach pracy, w ciągu każdego tygodnia, 95% ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych dla każdej harmonicznej napięcia powinno być mniejsze lub równe wartościom podanym w tabeli 1 [6]. Ponadto, współczynnik THD napięcia zasilającego (uwzględniający wszystkie harmoniczne rzędu 40) powinien być mniejszy lub równy 8%. Tabela 1. Procentowe wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w rozdzielczej sieci średniego napięcia [6] 44 h U h% h U h% h U h% 2 2 10 0,5 18 0,5 3 5 11 3,5 19 1,5 4 1 12 0,5 20 0,5 5 6 13 3 21 0,5 6 0,5 14 0,5 22 0,5 7 5 15 0,5 23 1,5 8 0,5 16 0,5 24 0,5 9 1,5 17 2 25 1,5 W instrukcjach ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnych wielu operatorów wymagania dotyczące zwartości wyższych harmonicznych (w sieciach średniego napięcia 15 kv), w przypadku przyłączania jednostek wytwórczych, są określane następująco: 1) zawartość poszczególnych harmonicznych napięcia odniesionych do harmonicznej podstawowej nie może przekraczać 2,0%, 2) współczynnik THD (uwzględniający wszystkie harmoniczne do rzędu 40) nie może przekraczać 4,0%. W przypadku, gdy jednostką wytwórczą są elektrownie wiatrowe, to w miejscu przyłączenia (PCC) zawartość wyższych harmonicznych napięcia musi być ograniczona do 1,5%. 3. Opis rozpatrywanego systemu Na rys. 1 przedstawiono schemat rozpatrywanego systemu elektroenergetycznego. Krajowy System Elektroenergetyczny reprezentowany jest za pomocą zastępczego generatora przyłączonego do szyny oznaczonej KSE 110 kv.
Rys. 1. Schemat rozpatrywanego systemu elektroenergetycznego Zamodelowano elektroenergetyczną sieć pierścieniową w postaci czterech linii napowietrznych i trzech stacji transformatorowych WN/SN. Ze stacji 2 zasilana jest sieć dystrybucyjna 15 kv, do której planuje się przyłączyć farmę wiatrową o mocy przyłączeniowej 5,0 MW. Farma będzie się składała z dwóch turbozespołów wiatrowych TW1 i TW2, każdy o mocy znamionowej 2,5 MW. Energia elektryczna będzie wyprowadzana do systemu przez dwa transformatory blokowe TB1 oraz TB2. Rozpatrując zagadnienia jakości energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej istotna jest informacja na temat charakterystyki technicznej przyłączanych urządzeń. W aspekcie jakości energii w systemach z turbozespołami wiatrowymi bardzo ważną kwestią jest sposób połączenia elektromechanicznego przetwornika energii z siecią. W analizowanym przypadku rozpatruje się generatory dwustronnie zasilane (pierścieniowe) z energoelektronicznymi przekształtnikami włączonymi pomiędzy zaciski uzwojeń stojana i wirnika. Uzwojenia stojana są bezpośrednio połączone z uzwojeniami DN transformatora blokowego. Napięcie znamionowe generatorów wynosi 660 V. 4. Wyniki analiz symulacyjnych Na rysunku 2 przedstawiono widmo amplitudowe wyższych harmonicznych prądów: pojedynczego turbozespołu wiatrowego (na poziomie napięcia 660 V), farmy wiatrowej (na poziomie napięcia 15 kv w PCC) oraz w polu transformatorowym stacji WN/SN nr 2. Jest to przypadek, gdy turbozespoły wiatrowe pracują z mocami znamionowymi. Pomiar mocy w PCC wykazał, że moc czynna farmy wiatrowej wynosi 4,88 MW, przy poborze z sieci mocy biernej równej 2,64 Mvar. W stacji 2 WN/SN nie jest zainstalowany kondensator do kompensacji mocy biernej. Analiza była przeprowadzona do 40 harmonicznej włącznie, ale dla przejrzystości na rysunkach przedstawiono harmoniczne do 13 (harmoniczne powyżej 13 nie miały 45
istotnego wpływu, ale w obliczaniu współczynnika THD były uwzględniane wyższe harmoniczne do 40 włącznie). Na rysunku 3 przedstawiono widmo wyższych harmonicznych napięć: w PCC oraz po stronie DN transformatora Tr 1. Rys. 2. Widmo amplitudowe wyższych harmonicznych prądów (bez kompensacji mocy biernej Harmoniczne napięć w rozpatrywanej sieci elektroenergetycznej średniego napięcia nie przekraczają wartości dopuszczalnych. Nie występują również przekroczenia wartości współczynnika THD. W tym przypadku jest dość łatwo zidentyfikować przyczynę zwiększenia wyższych harmonicznych napięć w rozpatrywanej sieci. Jeżeli uwzględnimy bardziej rozbudowaną sieć, z większą liczbą jednostek wytwórczych (generacja rozproszona) oraz z odbiornikami nieliniowymi, identyfikacja źródła jest bardzo kłopotliwa. A jednoznaczne określenie udziału poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego w zwiększeniu poziomów harmonicznych napięć jest na dzień dzisiejszy mało realne. Rys. 3. Widmo amplitudowe wyższych harmonicznych napięć (bez kompensacji mocy biernej Dla przykładu dokonano analizy wyższych harmonicznych napięć w tym samym systemie elektroenergetycznym, ale po przyłączeniu kondensatorów do kompensacji mocy biernej. Baterię kondensatorów o mocy 4,5 Mvar przyłączono do szyn rozdzielni 15 kv w stacji 2 WN/SN. Kondensatory mają liniową charakterystykę napięciowo-prądową. 46
Na rysunku 4 przedstawiono widmo amplitudowe wyższych harmonicznych prądów po przyłączeniu baterii kondensatorów. Na uwagę zasługuje fakt znaczącego zwiększenia się poziomu 5, 7, 11 i 13 harmonicznej prądu w polu transformatorowym stacji 2 WN/SN. Z uwagi na impedancję transformatora Tr1 oraz impedancje sieci 110 kv zwiększają się poziomy harmonicznych napięcia po stronie DN. Na rysunku 5 przedstawiono widmo amplitudowe wyższych harmonicznych napięć w rozpatrywanej sieci. Rys. 4. Widmo amplitudowe wyższych harmonicznych prądów (z kompensacją mocy biernej Rys. 5. Widmo amplitudowe wyższych harmonicznych napięć (z kompensacją mocy biernej Poziomy poszczególnych harmonicznych napięć są jeszcze stosunkowo dalekie od poziomów dopuszczalnych, ale fakt ich zwiększenia po dołączeniu liniowego elementu systemu musi zwrócić uwagę na problem identyfikacji elementów powodujących wzrost wyższych harmonicznych napięć. Na rysunku 6 przedstawiono charakterystyki w postaci zależności amplitud wybranych harmonicznych prądu w polu transformatorowym stacji 2 WN/SN od pojemności kondensatorów (jednej fazy) baterii do kompensacji mocy biernej. Z przedstawionych charakterystyk wynika, że dla pojemności kondensatorów odpowiadającej mocy baterii 4,5 Mvar (przy znamionowym napięciu 15 kv), równej 22 μf, 47
Rys. 6. Zależność amplitud wybranych harmonicznych prądu w polu transformatorowym stacji 2 WN/SN od pojemności kondensatorów w baterii do kompensacji mocy biernej występuje stan pracy systemu bliski zjawiskom rezonansowym dla częstotliwości 11 harmonicznej (550 Hz). Z uwagi na zagrożenie zjawiskami rezonansowymi, w tym konkretnym przypadku, zaleca się zastosowanie kompensacji mocy biernej na poziomie 50% mocy pełnej kompensacji. Dodatkowym zaleceniem może być przekompensowanie mocy biernej w farmie wiatrowej dodatkowa usługa systemowa eksploatatorów farm wiatrowych, które są przyłączane do elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych średniego napięcia. 5. Podsumowanie Podany przykład jest bardzo interesujący z punktu widzenia analiz systemów elektroenergetycznych pod kątem możliwości przyłączania nowych jednostek wytwórczych, tworzących generację rozproszoną. Wykonywane ekspertyzy dotyczą stanu obecnego rozpatrywanego systemu z uwzględnieniem działań rozwojowych, głównie związanych ze zwiększeniem przepustowości prądowej sieci. Po przyłączeniu jednostek wytwórczych, które powodują wzrost wyższych harmonicznych napięć w sieci (w zakresie dopuszczalnym), możliwe są działania mające na celu poprawienie współczynnika mocy w rozdzielni stacji WN/SN lub w rozdzielniach SN/nn. Jeżeli zastosowane zostaną baterie kondensatorów, nawet o liniowej charakterystyce napięciowo-prądowej, może nastąpić znaczne pogorszenie jakości energii elektrycznej w zakresie harmonicznych napięć. Niedopuszczalne jest wnioskowanie, że podmiot przyłączający baterie kondensatorów (liniowych) do kompensacji mocy biernej powinien odpowiadać za pogorszenie parametrów jakościowych energii elektrycznej (wzrost wyższych harmonicznych napięć) lub powinien ponosić dodatkowe koszty wynikające z konieczności zastosowania filtrów. 6. Bibliografia 1. Czarnecki L.S., Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prądów i napięć, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, (2005). 48
2. Xu W., Power Direction Method Cannot Be Used for Harmonic Source Detection, Proceedings of the IEEE PES Summer Meeting, vol. 2 (2000), pp. 873 876. 3. Witek B., Sterowanie jakością energii elektrycznej w warunkach rynkowych. Wybrane zagadnienia techniczne, Rynek Energii, VI (2011), nr I, str. 185 190. 4. Szczepański T., Rączka J., Monitorowanie jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej, Elektroenergetyka, 7 (2011), nr 1, str. 57 64. 5. Cieślik S., Identyfikacja elementów systemu elektroenergetycznego powodujących wzrost wyższych harmonicznych napięć, Materiały Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej Modelowanie, Symulacja i Zastosowania w Technice, Kościelisko, (2011), str. 245 247. 6. PN-EN 50160, Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, PKN, (1998). Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego przez Autora na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w dniu 23 listopada 2011 r. w Poznaniu. STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH ODDZIAŁ POZNAŃSKI im. prof. Józefa Węglarza 61-712 Poznań, ul. H. Wieniawskiego 5/9 tel.: 61 853 65 14, fax: 61 856 03 68, e-mail: seppoznan@wp.pl Konferencje Naukowo-Techniczne Oddziału Poznańskiego Stowarzyszenia Elektryków Polskich podczas Międzynarodowych Targów Energetyki EXPOPOWER 2012 8 maja 2012 r. III Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu Energooszczędność w oświetleniu nt. Efektywność energetyczna w oświetleniu nowe wymagania i możliwości (Tereny MTP, godz. 10.00 14.00) Tematyka konferencji: Tematyka konferencji: Systemy hybrydowe, Doświadczenia w oświetleniu diodami LED, Doświadczenia w sterowaniu oświetleniem ulicznym w Poznaniu, Nowa norma dotycząca oświetlenia wnętrz, Dobór słupów ze względu na powierzchnię i ciężar oprawy, Oświetlenie na kolei, Znaki aktywne, sygnalizacja świetlna, System AROT MOST. 9 maja 2012 r. X Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu Instalacje elektryczne niskiego, średniego iwysokiego napięcia nt. Wybrane zagadnienia stacji elektroenergetycznych (Tereny MTP, godz. 10.00 14.00) Kryteria doboru przekładników prądowych i napięciowych do pomiarów i zabezpieczeń, Przekładniki prądowe i napięciowe w stacjach wysokich napięć, Przekładniki prądowe i napięciowe w stacjach średnich napięć, Energooszczędne transformatory o rdzeniach z blach amorficznych, Oszczędności w stratach energii przy wyborze transformatorów rozdzielczych SN/nn. Wstęp na obie konferencje bezpłatny po przesłaniu na adres Oddziału Poznańskiego SEP formularza zgłoszenia uczestnictwa pobranego z Biura OP SEP lub ze strony internetowej www.sep.poznan.pl. 49