ELEKTROWNIE WIATROWE W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM STAN OBECNY I PERSPEKTYWY, STOSOWANE GENERATORY I WYMAGANIA Autorzy: Józef Paska, Mariusz Kłos ( Rynek Energii nr 10/2009) Słowa kluczowe: elektrownie wiatrowe, system elektroenergetyczny, stan obecny i perspektywy, generatory elektrowni wiatrowych, wymagania Streszczenie. W artykule przedstawiono wybrane aspekty prawne i techniczne przyłączania elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznych i pracy w nich. Zasadniczymi aktami prawnymi regulującymi te kwestie są: ustawa Prawo Energetyczne, rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 (zwane systemowym ), instrukcje ruchu i eksploatacji sieci (przesyłowej i/lub dystrybucyjnych). W artykule przedstawiono stan aktualny i perspektywy energetyki wiatrowej w Polsce, omówiono generatory stosowane w elektrowniach wiatrowych oraz wymagania stawiane w Polsce elektrowniom wiatrowym. 1. STAN OBECNY I PERSPEKTYWY ROZWOJU ELEKTROWNI WIATROWYCH W POLSCE Dyrektywa 2001/77/EC określa cel ilościowy dla krajów Unii Europejskiej w odniesieniu do energii elektrycznej wytwarzanej w źródłach odnawialnych na 21% całkowitego zuŝycia energii elektrycznej w 2010 roku. Celem strategicznym polityki energetycznej Polski jest zwiększenie wykorzystania odnawialnych zasobów energii i uzyskanie 7,5% udziału energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych w krajowym zuŝyciu energii elektrycznej brutto w roku 2010 [6]. W związku z przyjętym przez UE, w marcu 2007 roku, zobowiązaniem o osiągnięciu w 2020 roku 20% udziału energii ze źródeł odnawialnych w strukturze zuŝycia energii pierwotnej, kraje członkowskie stają przed nowymi wyzwaniami po roku 2010. W 2005 r. energia elektryczna ze źródeł odnawialnych zaspokoiła 15% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną w UE. W źródłach odnawialnych, z wyłączeniem elektrowni wodnych, wytworzono 148 TW h, co odpowiada łącznemu zuŝyciu energii elektrycznej w Irlandii, Austrii i Portugalii. Uzyskany wynik moŝna uznać za pozytywny dzięki staraniom kilku aktywnych państw członkowskich, jednak wiele państw jest daleko od osiągnięcia swoich celów krajowych [6, 7]. Od 1 października 2005 r. funkcjonuje w Polsce zmieniony system wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii. Zgodnie z ustawą Prawo energetyczne przedsiębiorstwa energetyczne, zajmujące się sprzedaŝą energii elektrycznej odbiorcom końcowym, mają obowiązek uzyskania i przedstawienia do umorzenia Prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki określonej liczby świadectw pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii, bądź uiszczenia opłaty zastępczej. Rozdzielając świadectwa pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych od energii fizycznej umoŝliwiono obrót na giełdzie prawami majątkowymi, wynikającymi z tych świadectw. Uzupełnieniem tego mechanizmu, jako konsekwencja rozdziału fizycznego przepływu energii elektrycznej od świadectw pochodzenia, jest obowiązek zakupu przez przedsiębiorstwa energetyczne pełniące rolę sprzedawcy z urzędu, całej energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych, przyłączonych do sieci znajdujących się na obszarze działania danego sprzedawcy, po średniej cenie rynkowej [9]. Gwałtowny wzrost zainteresowania wykorzystaniem odnawialnych zasobów energii jest związany
przede wszystkim z nowym kształtem polityki energetycznej Polski po wstąpieniu do Unii Europejskiej, jak równieŝ z powszechnym dostępem do najnowszych technologii w tej dziedzinie. Jednocześnie obserwuje się stały wzrost zainteresowania inwestorów energetyką wiatrową elektrowniami wiatrowymi jako technologią wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie w analizach dotyczących oceny wpływu planowanej elektrowni (farmy) wiatrowej na pracę krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE), w wariancie maksymalnym, uwzględnia się łączną moc zainstalowaną w źródłach wiatrowych na poziomie około 9 GW. Według prognozy European Wind Energy Association [4], w 2010 roku moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w Polsce przekroczy 1,2 GW. Analizy wykonane dla KSE wskazują, iŝ istnieją moŝliwości przyłączenia elektrowni wiatrowych o łącznej mocy około 5 GW bez konieczności znaczących inwestycji sieciowych. Z kolei w raporcie Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej [5] stwierdza się, Ŝe w 2020 roku jest realne osiągnięcie poziomu 13,6 GW mocy zainstalowanej w tego rodzaju źródłach. W tabeli 1 przedstawiono moc zainstalowaną i ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w źródłach wykorzystujących odnawialne zasoby energii w latach 2006-2008 w Polsce, natomiast na rys. 1 zilustrowano te wielkości, oraz czas wykorzystania mocy zainstalowanej, dla elektrowni wiatrowych. Tabela 1 Moc zainstalowana i energia elektryczna wytworzona w koncesjonowanych instalacjach OZE w Polsce Rodzaj źródła Moc zainstalowana, MW Energia wytworzona, MW. h 2006 2007 2008 2006 2007 2008 Elektrownie na biogaz 36,760 45,699 54,615 116 691,863 161 767,939 220 854,469 Elektrownie na biomasę 238,790 255,390 231,990 503 846,206 545 764,936 515 044,320 Elektrownie wiatrowe 152,560 287,909 451,090 257 037,412 472 116,429 784 455,747 Elektrownie wodne 934,031 934,779 940,576 2 029 2 252 2 152 635,604 659,312 024,683 Współspalanie * - - - 1 314 1 797 2 520 336,612 217,058 408,165 RAZEM 1 1 1 4 221 5 229 6 192 362,141 523,777 678,271 547,697 525,674 287,384 * Aktualnie jest realizowane w 33 jednostkach 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2006 2007 2008 Rok 1740 1730 1720 1710 1700 1690 1680 1670 1660 1650 1640 1630 Czas wykorzystania mocy zainstalowanej, h/a Moc, MW Energia, GWh Czas w ykorzystania, h/a Rys. 1. Moc zainstalowana, wytworzona energia elektryczna i czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych w Polsce w latach 2006-2008 Z kolei w tabeli 2 przedstawiono perspektywy rozwoju elektrowni wiatrowych w Polsce wynikające z zainteresowania inwestorów (w tym potencjalnych) [10].
Wyszczególnienie Moc przyłączeniowa i liczba farm wiatrowych, którym wydano warunki przyłączenia (w tym do sieci przesyłowej) Moc i liczba farm wiatrowych, którym określono i uzgodniono zakresy wykonania ekspertyz Moc farm wiatrowych, dla projektów których Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A. udostępnił modele obliczeniowe wykonawcom ekspertyz Tabela 2 Perspektywy rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce Moc, MW 5368 (1330) Liczba farm 119 (8) 44273 696 ok. 27288-2. GENERATORY ELEKTROWNI WIATROWYCH W elektrowni wiatrowej silnik wiatrowy napędza generator elektryczny, którym moŝe być prądnica bocznikowa prądu stałego, generator asynchroniczny lub synchroniczny. Najprostszy jest układ z prądnicą bocznikową prądu stałego. Uzyskuje się stałe napięcie w sieci, przy róŝnych prędkościach wiatru, dzięki regulacji wzbudzenia. Współczesne elektrownie wiatrowe o mocach ponad 100 kw są zwykle wyposaŝone w generatory asynchroniczne lub synchroniczne i na ogół współpracują z siecią energetyki zawodowej. W elektrowniach o mocach 100 300 kw bywają stosowane generatory 6- lub 8-biegunowe, połączone z silnikiem wiatrowym przekładnią łańcuchową lub zębatą. Przy wyŝszych mocach 1500 2000 kw czasem rezygnuje się z przekładni i uŝywa generatorów synchronicznych, z wystającymi biegunami (300 biegunów przy 20 obr/min). Generator jest najczęściej lokalizowany, wraz z silnikiem wiatrowym. na szczycie wieŝy, rzadziej na poziomie terenu. Rodzaje maszyn uŝywanych jako generatory w elektrowniach wiatrowych, w zaleŝności od sposobu współpracy z siecią energetyki zawodowej, zestawiono w tabeli 3. Duńska firma Vestas Wind Systems A/S jest największym światowym producentem turbozespołów wiatrowych (TW), drugim z kolei jest niemiecki Enercon, trzecim duńska firma NEG Micon, a czwarte miejsce zajmuje hiszpańska Gamesa. Wszyscy z 10 największych producentów oferują turbozespoły wiatrowe o mocy megawatowej. Najbardziej powszechne jest rozwiązanie ze zmienną prędkością obrotową i regulacją typu pitch. Jedynie firma Bonus konsekwentnie stosuje rozwiązania ze stałą prędkością obrotową i regulacją typu pitch, natomiast wszyscy pozostali producenci z czołowej 10-tki oferują co najmniej jeden, spośród swoich dwóch TW o największej mocy, jako rozwiązanie ze zmienną prędkością obrotową. Najczęściej stosowanym typem generatora jest maszyna indukcyjna (z wirnikiem klatkowym lub pierścieniowym). Tylko 2 producentów, Enercon i Made (Hiszpania), stosuje generatory synchroniczne. Wszyscy producenci wyposaŝają turbozespoły wiatrowe w transformatory podwyŝszające napięcie a tylko jeden Enercon oferuje rozwiązanie ze zmienną prędkością obrotową, bez przekładni mechanicznej [1].
Generator asynchroniczny z wirnikiem klatkowym (zwartym) Generator asynchroniczny z wirnikiem pierścieniowym Tabela 3 Rodzaje maszyn uŝywanych jako generatory w elektrowniach wiatrowych, w zaleŝności od sposobu współpracy z siecią elektroenergetyczną energetyki zawodowej Generatory asynchroniczne a) bezpośrednie połączenie z siecią n = (1-s)60f/p; s 0 0,08 pobór mocy biernej indukcyjnej b) połączenie z siecią z pośrednictwem przetwornic energoelektronicznych n (0,8 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej, c) połączenie z siecią z pośrednictwem przemiennika AC n (0,8 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej d) układ z dynamiczną regulacją poślizgu n = (1-s)60f/p; s 0 0,1 (0,3) pobór mocy biernej indukcyjnej e) nadsynchroniczna kaskada Kramera n (0,8 1,3) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej Generator synchroniczny z układem wzbudzenia wirnika Generator synchroniczny z magnesami trwałymi Generatory synchroniczne g) bezpośrednie połączenie z siecią n = 60f/p h) połączenie z siecią prądu stałego n 0,5 1,2 n N i) połączenie z siecią z pośrednictwem przetwornic energoelektronicznych n (0,5 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej, j) połączenie z siecią z pośrednictwem przetwornic energoelektronicznych n (0,5 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej, k) połączenie z siecią z pośrednictwem przetwornic energoelektronicznych n (0,6 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej,
Generatory asynchroniczne f) generator asynchroniczny podwójnie zasilany Generatory synchroniczne l) połączenie z siecią z pośrednictwem przemiennika AC n (0,8 1,2) 60f/p n (0,8 1,2) 60f/p pobór mocy biernej indukcyjnej SEE system elektroenergetyczny, GAS generator asynchroniczny, GS generator synchroniczny; n mechaniczna prędkość obrotowa, n N znamionowa prędkość obrotowa, s poślizg generatora, p liczba par biegunów, f częstotliwość w sieci W tabeli 4 przedstawiono charakterystykę rozwiązań stosowanych przez czołowych producentów. Producent, typ i moc TW Oznaczenie rozwiązania Regulacja mocy i prędkości Vestas, V80, 2 MW C1 pitch, z ograniczeniem Vestas, V80; 1,8 MW B1 pitch, z ograniczeniem Enercon, E112; 4,5 MW D1 pitch, Enercon, E66, 2 MW D1 pitch, NEG Micon, NM80; 2,75 MW NEG Micon, NM72, 2 MW C1 A2 Tabela 4 Opis rozwiązań stosowanych przez największych producentów pitch, z ograniczeniem aktywna stall, stała prędkość Gamesa, G83, 2 MW C1 pitch, z ograniczeniem Informacje dodatkowe WRIG (DFIG plan) Napięcie generatora: 690 V Prędkość generatora: 905 1915 min -1 Prędkość wirnika: 9 19 min -1 WRIG Napięcie generatora: 690 V Prędkość generatora: 1800 1980 min -1 Prędkość wirnika: 15,3 16,8 min -1 Multiple WRIG Napięcie generatora: 440 V Prędkość generatora i wirnika: 8 13 min -1 Multiple WRIG Napięcie generatora: 440 V Prędkość generatora i wirnika: 10 22 min -1 WRIG (DFIG plan) Napięcie generatora (stator/rotor): 960/690 V Prędkość generatora: 756 1103 min -1 Prędkość wirnika: 12 17,5 min -1 SCIG Napięcie generatora: 690 V Prędkość generatora: 1002,4 min -1 i 1503,6 min -1 Prędkość wirnika: 12 min -1 i 18 min -1 WRIG Napięcie generatora: 690 V Prędkość generatora: 900 1900 min -1 Prędkość wirnika: 9 19 min -1
Producent, typ i moc Oznaczenie Regulacja mocy Informacje dodatkowe TW rozwiązania i prędkości Gamesa, G80; 1,8 MW B1 pitch, WRIG (OptiSlip_ plan) Napięcie generatora: 690 V z ograniczeniem Prędkość generatora: 1818 1944 min -1 Prędkość wirnika: 15,1 16,1 min -1 SCIG prądnica indukcyjna z wirnikiem klatkowym (Squirrel Cage Induction Generator), WRIG - prądnica indukcyjna z wirnikiem pierścieniowym (Wound Rotor Induction Generator), DFIG - prądnica indukcyjna z zasilanym wirnikiem (Doubly Fed Induction Generator), OptiSlip rozwiązanie ze zmienną rezystancją wirnika. 3. WYMAGANIA INSTRUKCJI RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI Elektrownie (farmy) wiatrowe mogą stanowić element skutecznej regulacji przepływów w sieci elektroenergetycznej. Mogą jednak równieŝ stać się przyczyną powaŝnych zaburzeń w pracy systemu elektroenergetycznego oraz źródłem jego destabilizacji. Przyłączanie elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznej regulują w Polsce następujące dokumenty: - Ustawa Prawo energetyczne, - Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [8], - Instrukcja ruchu i eksploatacji sieci przesyłowej (IRiESP) [2], - Instrukcje ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnych (IRiESD) [3]. Instrukcja ruchu i eksploatacji sieci przesyłowej (dystrybucyjnej) określa szczegółowe warunki korzystania z sieci przez jej uŝytkowników, oraz warunki i sposób prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci, w szczególności dotyczące: - przyłączenia urządzeń wytwórczych, sieci dystrybucyjnych, urządzeń odbiorców końcowych, połączeń międzysystemowych oraz linii bezpośrednich, - wymagań technicznych dla urządzeń, instalacji i sieci wraz z niezbędną infrastrukturą pomocniczą, - kryteriów bezpieczeństwa funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, w tym uzgadniania planów działania na wypadek zagroŝenia wystąpienia awarii o znacznych rozmiarach w systemie elektroenergetycznym oraz odbudowy tego systemu po wystąpieniu awarii, - współpracy pomiędzy operatorami systemów elektroenergetycznych, w tym w zakresie koordynowanej sieci 110 kv, - przekazywania informacji pomiędzy przedsiębiorstwami energetycznymi oraz pomiędzy przedsiębiorstwami energetycznymi a odbiorcami, - parametrów jakościowych energii elektrycznej i standardów jakościowych obsługi uŝytkowników systemu. Elektrownie wiatrowe o mocy rzędu kilku MW są przyłączane głównie do sieci średniego napięcia SN, więc naleŝą do trzeciej grupy przyłączeniowej 1. Podlegają one operatorom sieci dystrybucyjnej (OSD) i muszą spełniać wymagania tego operatora, wymienione w instrukcji ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej. 1 Grupa III podmioty przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym wyŝszym niŝ 1 kv, lecz niŝszym niŝ 110 kv.
Elektrownie wiatrowe są zwykle łączone w farmy wiatrowe (nawet kilkadziesiąt MW), dlatego mogą być przyłączane do sieci o napięciu 110 kv - naleŝą wówczas do drugiej grupy przyłączeniowej 2. Podmiot ubiegający się o przyłączenie elektrowni wiatrowej do sieci składa wniosek o określenie warunków przyłączenia. Do wniosku naleŝy dołączyć dokument potwierdzający tytuł prawny podmiotu do korzystania z obiektu, plan zabudowy lub szkic określający usytuowanie obiektu względem istniejącej sieci. Dla elektrowni o mocy powyŝej 2 MW, przyłączonych do sieci SN, musi być wykonana i uzgodniona z danym OSD ekspertyza wpływu elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny. W przypadku farm wiatrowych przyłączonych do sieci WN 110 kv ekspertyza ta, prócz uzgodnienia z OSD, podlega równieŝ uzgodnieniu z OSP (Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A.). Następnym krokiem jest uzyskanie warunków przyłączenia od operatora sieci dystrybucyjnej. Warunki przyłączenia, wydawane przez operatorów sieci, określają: - miejsce przyłączenia, rozumiane jako punkt sieci, w którym przyłącze łączy się z siecią, - miejsce dostarczania energii elektrycznej, - moc przyłączeniową, - rodzaj połączenia z siecią obiektu lub innych sieci wymienionych we wniosku o określenie warunków przyłączenia, - zakres niezbędnych zmian w sieci, związanych z przyłączeniem, - Wymagania wynikające z IRiESD, - miejsce zainstalowania układu pomiarowo-rozliczeniowego, - Wymagania dotyczące układu pomiarowo-rozliczeniowego, w tym m.in. transmisji danych pomiarowych; - rodzaj i usytuowanie zabezpieczenia głównego, dane znamionowe oraz inne niezbędne wymagania w zakresie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej i systemowej. Po spełnieniu wszystkich wymagań, wynikających z warunków przyłączenia, strony zawierają umowę o przyłączenie do sieci dystrybucyjnej, która określa, co najmniej: - Strony zawierające umowę; - Przedmiot umowy wynikający z warunków przyłączenia; - Termin realizacji przyłączenia; - Wysokość opłaty za przyłączenie i sposób jej regulowania (np. wg obowiązującej taryfy OSD PGE Dystrybucja Warszawa Teren sp. z o.o. za przyłączenie do sieci odnawialnych źródeł energii pobiera się połowę opłaty ustalonej na podstawie rzeczywistych nakładów poniesionych przez OSD na realizację przyłączenia), - miejsce rozgraniczenia własności sieci przedsiębiorstwa energetycznego i instalacji podmiotu przyłączanego, - zakres robót niezbędnych przy realizacji przyłączenia, - wymagania dotyczące lokalizacji układu pomiarowo-rozliczeniowego i jego parametrów, - warunki udostępniania przedsiębiorstwu energetycznemu nieruchomości naleŝącej do podmiotu przyłączanego w celu budowy lub rozbudowy sieci niezbędnej do realizacji przyłączenia, 2 Grupa II podmioty przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym 110 kv.
- przewidywany termin zawarcia umowy, na podstawie której nastąpi dostarczanie lub pobieranie energii, - planowane ilości energii elektrycznej pobieranej na potrzeby własne oraz wprowadzanej do sieci OSD, - moc przyłączeniową potrzeb własnych oraz moc przyłączeniową elektrowni wiatrowej, - odpowiedzialność stron za nie dotrzymanie warunków umowy, a w szczególności za opóźnienie terminu realizacji prac w stosunku do ustalonego w umowie; - okres obowiązywania umowy i warunki jej rozwiązania. Załączenie jednostki wytwórczej do sieci, po doprowadzeniu jej do synchronizmu, jest moŝliwe tylko wtedy, gdy napięcie we wszystkich trzech fazach ma odpowiednie parametry. W przypadku stosowania ochrony przed obniŝeniem napięcia powodującej odłączenie jednostki wytwórczej od sieci dystrybucyjnej, powinna ona mieć zwłokę czasową rzędu kilku minut pomiędzy powrotem napięcia w sieci dystrybucyjnej, a ponownym załączeniem jednostki wytwórczej. Elektrownie wiatrowe nie mogą wpływać na parametry sieci elektroenergetycznej, w której pracują. Częstotliwość znamionowa w sieci wynosi 50 Hz z dopuszczalnym odchyleniem zawierającym się w przedziale od 0,5 Hz do + 0,2 Hz przez 99,5% czasu tygodnia. W kaŝdym tygodniu 95% ze zbioru 10- minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń ± 5% napięcia znamionowego lub deklarowanego. Szybkie zmiany napięcia spowodowane pulsacją mocy w elektrowni wiatrowej o częstotliwości 1 Hz powinny mieć amplitudę nie większą niŝ 0,7%. Zawartość poszczególnych harmonicznych odniesionych do harmonicznej podstawowej nie moŝe przekraczać odpowiednio: - 1,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 110 kv i wyŝszym niŝ 30 kv, - 2,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 30 kv i wyŝszym niŝ 1 kv, - 3,5% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 1 kv. Współczynnik odkształcenia napięcia THD nie moŝe przekraczać odpowiednio [3]: - 2,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 110 kv i wyŝszym niŝ 30 kv, - 4,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 30 kv i wyŝszym niŝ 1 kv, - 6,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŝszym niŝ 1 kv. Moc zwarciowa w miejscu przyłączenia elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznej powinna być przynajmniej dwadzieścia razy większa od ich mocy przyłączeniowej. Dla elektrowni wiatrowych współpracującymi z falownikami, w których zastosowano przekształtnik sześciopołówkowy z wygładzeniem indukcyjnym i nie są stosowane szczególne środki do redukcji wyŝszych harmonicznych, powinien być spełniony następujący warunek: moc zwarciowa w miejscu przyłączenia jednostki wytwórczej do sieci elektroenergetycznej powinna być przynajmniej sto dwadzieścia razy większa od jej mocy osiągalnej. Elektrownia wiatrowa powinna mieć moŝliwość pracy w następującym zakresie częstotliwości: - przy 49,5 Hz f 50,5 Hz elektrownia musi mieć moŝliwość pracy trwałej z mocą znamionową,
- przy 48,5 Hz f 49,5 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŝliwość pracy z mocą większą niŝ 90% mocy wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 30 min., - przy 48 Hz f 48,5 Hz elektrownia musi mieć moŝliwość pracy z mocą większą niŝ 85% mocy wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 20 min., - przy 47,5 Hz f 58 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŝliwość pracy z mocą większą niŝ 80% mocy wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 10 min., - przy f < 47,5 Hz elektrownię moŝna odłączyć od sieci ze zwłoką czasową uzgodnioną z operatorem systemu, - przy 50,5 Hz f 51,5 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŝliwość trwałej pracy z mocą ograniczoną, wraz ze wzrostem częstotliwości, do zera przy częstotliwości 51,5 Hz, - przy f > 51,5 Hz elektrownię naleŝy odłączyć od sieci w ciągu max. 0,3 s, o ile operator systemu nie określi inaczej w warunkach przyłączenia do sieci. Elektrownia wiatrowa powinna spełniać dwa pierwsze powyŝsze warunki dla zakresu częstotliwości przy zmianach napięcia w miejscu przyłączenia do sieci w następującym zakresie: - 105 kv 123 kv dla sieci 110 kv, - +/- 10% U n dla sieci SN. Elektrownie wiatrowe o mocy znamionowej 50 MW i wyŝszej powinny być przystosowane do udziału w regulacji częstotliwości w systemie elektroenergetycznym, poprzez zmianę mocy po zmianie częstotliwości. Elektrownia wiatrowa musi mieć moŝliwość regulacji współczynnika mocy lub napięcia w miejscu przyłączenia do sieci. Dla elektrowni wiatrowych przyłączanych do sieci 110 kv, zmiana zakresu regulacji współczynnika mocy powinna się odbywać w sposób zdalny. Dla elektrowni o mocy 50 MW i wyŝszej naleŝy zapewnić system zdalnego sterowania napięciem i mocą bierną z zachowaniem moŝliwości współpracy z nadrzędnymi układami regulacji napięcia i mocy biernej, w tym takŝe z istniejącymi układami regulacji napięcia na stacji ARST. Rys. 2. Wymagany zakres pracy farmy wiatrowej w przypadku wystąpienia zakłóceń w sieci W przypadku wystąpienia zwarć w sieci, skutkujących obniŝką napięcia w punkcie przyłączenia, elektrownie wiatrowe przyłączone do sieci zamkniętej powinny być przystosowane do utrzymania się w pracy. Na rys. 2 przedstawiono wymaganą charakterystykę pracy elektrowni wiatrowej. Obszar powyŝej krzywej jest to obszar, w którym jednostki wytwórcze farmy wiatrowej nie mogą być wyłączane.
Elektrownia wiatrowa przyłączana do sieci o napięciu znamionowym 110 kv powinna mieć zainstalowane rejestratory przebiegów zakłóceniowych, które zapewniają rejestrację przebiegów przez 10 s przed zakłóceniem i przez 60 s po zakłóceniu. Wskaźniki krótkookresowego (P st ) i długookresowego (P lt ) migotania napięcia elektrowni wiatrowych, przyłączonych do sieci 110 kv i oraz SN, nie powinny przekraczać wartości: - P st < 0,35 dla sieci 110 kv i P st < 0,45 dla sieci SN, - P lt < 0,25 dla sieci 110 kv i P lt < 0,35 dla sieci SN. Elektrownie wiatrowe przyłączane do sieci 110 kv powinny być wyposaŝone w system pomiaru i rejestracji parametrów jakości energii (pomiar migotania oraz harmonicznych napięcia i prądu) oraz system teletransmisji danych do odpowiedniego operatora systemu. Parametry mierzone przesyłane do operatora systemu to: moc czynna, moc bierna, napięcie w miejscu przyłączenia do sieci, średnia prędkość wiatru [2, 3]. 4. PODSUMOWANIE DuŜe zainteresowanie inwestorów energetyką wiatrową elektrowniami wiatrowymi jako technologią wytwarzania energii elektrycznej wynika z następujących przesłanek: - polityka energetyczna Unii Europejskiej i Polski w odniesieniu do wykorzystania odnawialnych zasobów energii, - funkcjonujący w Polsce system wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii (obowiązek zakupu oraz świadectwa pochodzenia), - powszechny dostęp do najnowszych technologii. Jednak dość często inwestorzy skarŝą się na szereg barier natury organizacyjnej, infrastrukturalnej, formalno-prawnej i kapitałowej. Część z nich, w tym dość wysokie wymagania związane z uzyskaniem warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej i wykonaniem ekspertyzy wpływu przyłączanej elektrowni wiatrowej na system elektroenergetyczny, wydaje się być uzasadniona. LITERATURA [1] Ackerman T. (editor): Wind Power in Power Systems. John Wiley & Sons. Chichester 2005. [2] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej. PSE-Operator SA. Warszawa, styczeń 2009. [3] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. ENEA-Operator Sp. z o.o., 2007; ZEW-T Dystrybucja Sp. z o.o., 2008. [4] Large Scale Integration of Wind Energy in the European Power Supply: Analysis, Issues and Recommendations. European Wind Energy Association. December 2005, www.ewea.org. [5] Ocena moŝliwości rozwoju i potencjału energetyki wiatrowej w Polsce do roku 2020. Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej. www.visventi.org.pl. [6] Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Rynek Energii 2007, nr 5. [7] Paska J., Surma T., Sałek M.: Current Status and Perspectives of Renewable Energy Sources in Poland. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 13, No 1, 2009. [8] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz. U. 2007 r. Nr 93, poz. 957; 2008 r. Nr 30, poz.
178; 2008 r. Nr 162, poz. 1005. [9] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Dz. U. Nr 156, poz. 969. [10] Szwed C.: Wpływ energetyki wiatrowej na rozwój systemu przesyłowego. Seminarium SSE KE PAN Elektroenergetyka rozproszona. Warszawa, 21 listopada 2008. WIND POWER PLANTS IN ELECTRIC POWER SYSTEM CURRENT STATUS AND PERSPECTIVES, APPLIED GENERATORS AND REQUIREMENTS Key words: wind power plants, electric power system, current status and perspectives, wind generators, requirements Summary. The paper presents chosen legal and technical aspects of wind power plants connecting and work in the electric power system. The main legal documents regulating these issues in Poland are: Energy Law, Minister of Economy ordinance dated 4 th May 2007 (so-called system ordinance), instructions of work and exploitation of network (transmission and/or distribution). In the paper present state and perspectives of wind power in Poland are described as well as generators applied in wind power plants and requirements for wind power plants in Poland. Józef Paska, prof. dr hab. inŝ.; ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Jego zainteresowania naukowe dotyczą niezawodności systemu elektroenergetycznego i bezpieczeństwa zasilania w energię elektryczną, technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym wytwarzania rozproszonego i wykorzystania odnawialnych zasobów energii, gospodarki elektroenergetycznej oraz ekonomiki elektroenergetyki. Autor ponad 200 artykułów i referatów oraz 8 monografii i podręczników akademickich. Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, e-mail: Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl Mariusz Kłos, dr inŝ.; ukończył Wydział Elektryczny PW. Obszar zainteresowań: energoelektronika, odnawialne źródła energii, ogniwa paliwowe, zasobniki energii, prawo energetyczne. Prywatne zainteresowania: sport, turystyka piesza i rowerowa, literatura fantastyczno-naukowa i fantasy. Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, e-mail: mariusz.klos@ien.pw.edu.pl