Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze SIECI 2004 V Konferencja Naukowo-Techniczna Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki Janusz BROŻEK Aleksander KOT Katedra Elektroenergetyki AGH, 30-059 Kraków, ul. Mickiewicza 30 e-mail: jbroz@uci.agh.edu.pl, akot@uci.agh.edu.pl WSPÓŁPRACA ROZPROSZONYCH ŹRÓDEŁ MOCY Z SIECIĄ ŚREDNIEGO NAPIĘCIA (ZAGADNIENIA WYBRANE) Do roku 2010 ma przybyć w obrocie energią elektryczną ok. 4,5 % energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. Największe zainteresowanie wśród inwestorów budzą elektrownie wiatrowe. Zwykle właściciel elektrowni chce wyprowadzić energię elektryczną do najbliższej sieci. Takie rozwiązanie nie zawsze jest możliwe do przyjęcia przez właściciela elektroenergetycznej sieci rozdzielczej ze względu na zmianę parametrów pracy sieci jakie wprowadza dodatkowe źródło. W pracy rozważono pracę elektrowni wiatrowej o maksymalnej mocy 3 x 2 MW przyłączonej do określonego punktu terenowej sieci rozdzielczej średniego napięcia. Przeprowadzono analizę warunków napięciowych w sieci bez elektrowni wiatrowej i z nią oraz rozpatrzono możliwość zachowania dopuszczalnych odchyleń napięcia w sieci przy wykorzystaniu dostępnych elementów regulacji napięcia. 1. WPROWADZENIE Zainteresowanie generacją rozproszoną wśród potencjalnych inwestorów jest bardzo duże. Wynika to z faktu, iż w roku 2010 w obrocie energią elektryczną ma pojawić się 7,5 % [1] energii pochodzącej ze źródeł energii odnawialnej. Statystyki PSE S.A. [8] podają, że ilość mocy zainstalowanej w odnawialnych źródłach energii stanowi 6 % całej mocy systemu (raport PSE.SA 2002) a produkcja energii stanowi 3% (raport PSE S.A. 2001). Oznacza to, że do końca 2010 roku produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych ma wzrosnąć o 4,5 %. Największe zainteresowanie wśród inwestorów budzą elektrownie wiatrowe. Inwestorzy poszukując miejsc odpowiednich do lokalizacji elektrowni wiatrowych kierują się parametrami wiatru na danym terenie. Problemem wtórnym jest wyprowadzenie energii elektrycznej do sieci energetyki zawodowej. Na ogół inwestor zakłada, że energię wprowadzi do najbliższej sieci elektroenergetycznej (np. średniego napięcia) często przebiegającej przez lub w pobliżu terenu elektrowni. Takie rozwiązanie nie zawsze jest możliwe do przyjęcia przez właściciela sieci. Zwykle więc Spółka Dystrybucyjna oczekuje aby w oparciu o rozporządzenie przyłączeniowe [2], do wniosku o wydanie warunków technicznych przyłączenia dodatkowego źródła, dołączyć ekspertyzę oceniającej wpływ przyłączanego źródła na pracę sieci rozdzielczej [3]. Jednym z problemów, który zdaniem autorów, powinien być ujęty w takiej ekspertyzie jest problem jakości napięcia w sieci, w której zainstalowano dodatkowe źródło mocy. Dozwolone odchylenia napięcia w sieci dystrybucyjnej są określone aktami prawnymi [2]. Dodatkowe źródło mocy zainstalowane w głębi sieci [4], podnosi napięcie w sieci. Jeżeli źródłem tym jest elektrownia wiatrowa, to w sieci zmiana napięcia może występować wielokrotnie w ciągu doby. Wynika to z charakteru pracy elektrowni wiatrowej. Problemy wpływu włączenia elektrowni wiatrowej do
72 sieci rozdzielczej SN na warunki napięciowe panującej w tej sieci są przedmiotem [5], [6] oraz niniejszego artykułu. 2. MODEL OBLICZENIOWY DO BADANIA WARUNKÓW NAPIĘCOWYCH Dla potrzeb przeprowadzenia ilościowej analizy napięciowej obwodu zawierającego źródło generacji rozproszonej wykonano model symulacyjny odwzorowujący: transformator 110/15 kv jako źródło napięcia o wartości nastawianej zgodnie z rozdzielczością podobciążeniowego przełącznika zaczepów (+/- 12 stopni co 1,33%), linię SN do której planuje się przyłączenie generatora wraz ze wszystkimi odgałęzieniami zasilającymi poszczególne stacje SN/nn, transformatory w stacjach SN/nn z regulacją zaczepową, zastępczy model sieci niskiego napięcia reprezentowany odpowiednim spadkiem napięcia od szyn stacji 15/0,4 kv do odbiorcy, generator jako źródło mocy przyłączone do wybranego węzła sieci SN. Przyjęto następujące założenia: Obciążenie wszystkich stacji charakteryzuje się jednakowym współczynnikiem mocy wynoszącym 0.9. Obciążenie poszczególnych stacji SN/nn jest proporcjonalne do udziału ich mocy znamionowej w sumie mocy znamionowych stacji przyłączonych do obwodu. Generator modelowany jest jako wymuszenie mocy w węźle przyłączenia do sieci rozdzielczej. Sieć niskiego napięcia spełnia wymagania wytycznych [7] charakteryzując się maksymalnym spadkiem napięcia w szczycie obciążenia 7%. Dla wyznaczenia odchyleń napięcia u odbiorców przyłączonych do sieci niskiego napięcia wykorzystano bilans odchyleń i spadków napięcia uwzględniając: wartość odchylenia napięcia w GPZ wymuszoną przez zadanie poziomu napięcia dolnego transformatora 110/15 kv, spadek napięcia w sieci SN od GPZ do zacisków górnych transformatora 15/0,4 kv będący funkcją obciążenia sieci i generacji mocy w źródle, spadek napięcia na transformatorze 15/0,4 kv będący funkcją jego parametrów i obciążenia, odchylenie napięcia wynikające z różnicy przekładni transformatora i napięć znamionowych łączonych sieci dla transformatorów o przekładni 15/0,kV i nowego napięcia nominalnego w sieci nn wielkość ta jest stała i wynosi 4,8%, odchylenie napięcia wynikające z regulacji zaczepowej transformatora 15/0,4 kv, spadek napięcia w sieci niskiego napięcia, który założono na poziomie 7% na końcu torów nn przy obciążeniu szczytowym. Tak skonstruowany model pozwala wyznaczać odchylenia napięcia u wszystkich odbiorców przyłączonych do sieci niskich napięć w funkcji nastaw napięcia w GPZ oraz nastaw przełączników zaczepów transformatorów 15/0,4 kv w warunkach zmieniającego się obciążenia i generacji mocy. Wprowadzenie dodatkowego źródła mocy czynnej w głębi sieci skutkuje zmianami rozpływu prądów, co z kolei implikuje zmianę rozkładu napięcia w węzłach sieci dystrybucyjnej. Może to powodować problemy utrzymania odchyleń napięcia w dopuszczalnych granicach [2] od +5% do -10 % napięcia znamionowego. Operator sieci dystrybucyjnej dysponuje środkami regulacji w postaci: a) regulacji napięcia w GPZ realizowanej pod obciążeniem, b) regulacji zaczepów transformatorów SN/nn wykonywanej w stanie beznapięciowym (regulacja sezonowa).
3. DANE OBIEKTU ORAZ WYBRANE WYNIKI OBLICZEŃ 73 Analizie poddano rozległy, terenowy obwód sieci 15 kv opisany następującymi podstawowymi parametrami: długość magistrali 8700 m, przekrój magistrali AFL 70 mm 2 długość odgałęzień 30500 m przekrój odgałęzień AFL 35 mm 2 liczba zasilanych stacji SN/nn 49 sztuk całkowita moc zainstalowanych transformatorów 5430 kva obciążenie w szczycie zimowym 2600 kva obciążenie w dolinie letniej 520 kva. Rozważany obwód z zaznaczonym punktem przyłączenia generatora pokazano na rys. 1. Rys. 1. Obwód terenowy wraz z podaną lokalizacją przyłączenia zespołu wiatrowego. Do pokazanej sieci dystrybucyjnej planuje się włączenie elektrowni wiatrowej o podstawowych parametrach: moc maksymalna elektrowni: 3 x 2 MW współczynnik mocy dla zakresu generacji 25-100%: cosϕ el = 1 (pozostałe parametry elektrowni nie są konieczne do prowadzonych obliczeń) Przyłączenie elektrowni jest planowane (ze względu na warunki meteorologiczne) do punktu magistrali oddalonego o około 6,6 km od GPZ. Przyjęty dla odwzorowania sieci system nazewnictwa węzłów jest istotny z punktu widzenia sposobu prezentacji wyników, dlatego też zamieszczono nazwy węzłów na rys. 1 oraz poniżej podano krótką ich charakterystykę: Każdy węzeł nazwano literą i dalej kolejnymi cyframi, Węzły magistrali nazwano od A1 do A21;
74 do to węzły stacji pracujących odczepowo od magistrali; Wszystkie większe odgałęzienia nazwano kolejnymi literami i cyframi przy czym: o Odgałęzienia C, E, F zasilają po 2 stacje o Odgałęzienie D zasila 4 stacje o Odgałęzienie G zasila 5 stacji o Odgałęzienie H zasila 3 stacje o Odgałęzienie I zasila 16 stacji Za punktem przyłączenia zespołu generatorów (węzeł 2) patrząc od strony szyn GPZ znajdują się odczepy 3 do i odgałęzienia G, H oraz I. Jako reprezentatywne dla procesu regulacji napięcia uznano dwa charakterystyczne, skrajne przypadki: stan maksymalnego (szczytowego) obciążenia sieci przy zerowej generacji mocy zespołu wiatrowego, któremu towarzyszą najniższe wartości napięcia; stan doliny obciążania przy jednoczesnej maksymalnej generacji mocy zespołu wiatrowego, któremu towarzyszą najwyższe wartości napięcia. Wszystkie pośrednie kombinacje obciążenia i generacji mocy stwarzać będą sytuacje napięciowe pośrednie w stosunku do stanów wskazanych powyżej. Na rysunku nr 2 pokazano odchylenia napięcia na początku i końcu linii niskiego napięcia zasilanej z każdej stacji 15/0.4 kv rozważanego obwodu dla stanu obciążenia szczytowego i generacji zerowej przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 15,8 kv. Przełączniki zaczepów wszystkich transformatorów SN/nn ustawiono wstępnie na 0 0.0 B2 B4 B6 B8 0 3 5 C2 D2 D6 E2 F2 G2 G5 G8 H4 J2 J6 J10 J15 J19 J23 J26 J30-2.0 Odchylenie napięcia [%] -4.0-6.0-8.0-10.0-12.0-14.0 Rys. 2. Odchylenia napięcia dla stanu obciążenia szczytowego i generacji zerowej przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 15,8 kv. Zaczepy transformatorów 15/0,4 kv ustawione na zero. Ustawienie wyższego napięcia w GPZ nie jest możliwe ze względu na obowiązujące przepisy wzbraniające przekroczenia +5% odchylenia napięcia (15,8 kv odpowiada około +5,3% odchylenia ze względu na przyjętą rozdzielczość przełącznika zaczepów transformatora 110/15 kv). Obserwujemy odchylenia przekraczające 10% na końcach linii nn w wielu stacjach co wskazuje na konieczność korekty nastaw zaczepów zainstalowanych w nich transformatorów w górę.
Nastawy zaczepów odpowiednio skorygowano wykorzystując pierwszy dodatni zaczep który w zależności od konkretnego transformatora pozwalał na nastawę +2,5% lub +5%. Wielkości odchyleń po wprowadzeniu zmian dla tego samego stanu sieci pokazuje rys. 3. Jest to już stan dopuszczalny z punktu widzenia warunków napięciowych. Dla skorygowanych nastaw zaczepów wyznaczono warunki napięciowe dla stanu doliny obciążenia z pełną generacją mocy a wyniki pokazano na rysunku nr 4. Dla utrzymania odchyleń poniżej +5% konieczne było obniżenie napięcia w GPZ aż do 14,6 kv. 75 4,0 2,0 0,0 Odchylenie napięcia [% -2,0-4,0-6,0-8,0-10,0-12,0 Rys. 3. Odchylenia napięcia dla stanu obciążenia szczytowego i generacji zerowej przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 15,8 kv. Zaczepy transformatorów 15/0,4 kv skorygowane. 6,0 4,0 2,0 Odchylenie napięcia [% 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0 Rys. 4. Odchylenia napięcia dla stanu doliny obciążenia i pełnej generacji przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 14,6 kv. Zaczepy transformatorów 15/0,4 kv skorygowane.
76 Obliczenia wskazują, że przy tak określonych nastawach zaczepów i pokazanej zmienności napięcia w GPZ można utrzymać napięcia w układzie w przedziale dopuszczalnych odchyleń. Jednakże głębsza analiza modelu prowadzi do stwierdzenia, iż lepsze efekty uzyska się stosując nastawy zaczepów +5% we wszystkich stacjach SN/nn. Kryterium pozwalającym wartościować jakość regulacji napięcia jest porównywanie sumy kwadratów odchyleń napięcia we wszystkich stacjach SN/nn rozważanego modelu. Przy czym odchylenie oblicza się dla każdej stacji w połowie ciągu niskiego napięcia. Rysunki 5 i 6 przedstawiają warunki napięciowe omawianego obiektu w obu skrajnych stanach po wprowadzeniu nastaw zaczepów +5% we wszystkich transformatorach. 4,0 2,0 0,0 Odchylenie napięcia [% -2,0-4,0-6,0-8,0-10,0 Rys. 5. Odchylenia napięcia dla stanu obciążenia szczytowego i generacji zerowej przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 15,8 kv. Zaczepy wszystkich transformatorów 15/0,4 kv + 5%. 5,0 4,0 3,0 Odchylenie napięcia [%] 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0-3,0-4,0 Rys. 6. Odchylenia napięcia dla stanu doliny obciążenia i pełnej generacji przy napięciu na szynach GPZ wynoszącym 14,6 kv. Zaczepy wszystkich transformatorów 15/0,4 kv + 5%.
Niezależnie od przyjmowanego wariantu nastaw zaczepów transformatorów SN/nn wzrastająca generacja mocy w stanie doliny obciążenia powoduje wzrost napięcia w głębi sieci a co za tym idzie konieczność obniżania napięcia w GPZ tak aby nie powodować przekroczeń dopuszczalnych odchyleń ponad +5 %. Rysunek 7 obrazuje maksymalne dopuszczalne poziomy napięcia w GPZ w zależności od mocy generowanej w dolinie obciążenia. 77 Maksymalne napiecie w GPZ w funkcji mocy generowanej Maksymalne napiecie w GPZ [kv] 15.8 15.6 15.4 15.2 15.0 14.8 14.6 14.4 14.2 14.0 0-1400 1500-2500 2600-3600 3700-4600 4700-5700 >5800 Moc generowana [kw] Rys. 7. Maksymalne dopuszczalne poziomy napięcia w GPZ w funkcji mocy generowanej. Dolina obciążenia. Wymuszane rosnącą generacją mocy w rozważanym obwodzie obniżanie napięcia w GPZ może okazać się niekorzystne z punktu widzenia regulacji napięcia w innych obwodach zasilanych z tego samego transformatora 110/SN nie zawierających źródeł. 4. PODSUMOWANIE Wprowadzenie generatora do rozległego ciągu sieci SN skutkuje istotnymi zmianami rozpływu prądów, którym towarzyszy wzrost poziomów napięć w obwodzie tym większy im większa jest odległość źródła od szyn GPZ, większa moc generowana i mniejsze obciążenie węzłów odbiorczych. Przedstawioną analizę napięciową sieci SN przeprowadzono przy założeniu generacji przez elektrownię wiatrową wyłącznie mocy czynnej. Wprowadzenie regulacji mocy biernej zmieni warunki napięciowe układu. Rozważaną moc 6 MW udaje się wprowadzić do sieci obniżając znacznie napięcie w GPZ w stanach niskich obciążeń, jednakże pamiętać należy, że przesył takiej mocy stanowi praktycznie granicę obciążalności termicznej magistrali AFL 70 mm 2. Wymuszone warunkami generacji stany obniżonego napięcia w GPZ mogą okazać się niekorzystne dla innych linii zasilanych z rozdzielni SN nie zawierających źródeł zwłaszcza w przypadku ich rozległości i większego stopnia obciążenia w dolinie. Zaproponowany zestaw nastaw transformatorów SN/nn stwarza możliwość właściwej regulacji poziomów napięć u odbiorców tzn. utrzymania odchyleń w dopuszczalnych granicach w każdym stanie obciążenia stacji i generacji mocy zespołu wiatrowego. Realizacja optymalnej regulacji napięcia w GPZ wymaga prowadzenia analizy wszystkich linii zasilanych z danego transformatora 110/SN zarówno zawierających jak i nie zawierających źródeł rozproszonych. Optymalny z punktu widzenia całej sieci poziom napięcia w GPZ może różnić się od poziomu pożądanego dla obwodu zawierającego źródło. W takich przypadkach należałoby rozważyć
78 czasowe ograniczenie generacji mocy. Realizacja regulacji optymalnej w obecności dodatkowych źródeł wymaga przeprowadzenia szerszych badań. Praca zespołu generatorów wiatrowych w głębi sieci SN skutkować będzie częstymi zmianami odchyleń napięcia u wszystkich odbiorców przyłączonych do linii zawierającej źródło. Wynika to z fluktuacji mocy generowanej spowodowanej naturalną zmiennością czynnika napędowego. W przypadku większych mocy (kilka MW) i znacznych odległości (kilka km) od GPZ moc siłowni powinna być wprowadzana do stacji odrębnymi liniami co pozwala uniknąć oddziaływania na warunki napięciowe pobliskich odbiorów. LITERATURA [1] Rozporządzenie ministra gospodarki, pracy i polityki społecznej z dnia 30 maja 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. [2] Rozporządzenie ministra gospodarki z dnia 25 wrzenia 2000 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energii elektrycznej, oświadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. (Dz. U. Nr 85, poz. 957) [3] Szwed Paweł.: Współpraca dużej farmy wiatrowej z lokalnym systemem elektroenergetycznym. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowej AKTUALNE PROBLEMY W ELEKTRO- ENERGETYCE, APE 03, tom IV, 11-13 czerwca 2003 r., str. 15-19. [4] Kacejko P., Adamek S.: Techniczne aspekty przyłączania agregatu kogeneracyjnego do miejskiej sieci średniego napięcia. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowej AKTUALNE PROBLEMY W ELEKTRO-ENERGETYCE, APE 03, tom IV, 11-13 czerwca 2003 r., str. 65-73. [5] Hird C.M., Leite H., Jenkins N., Lih.: Network voltage controller for distributed generation. IEE Proceedings, Generation, Transmission & Distribution, Volume 151, Number 2, March 2004, pp. 150-156. [6] PN-E-61400-21:2002 Projekt normy: Turbozespoły wiatrowe, Część 21: Pomiar i ocena parametrów jakości energii dostarczonej przez turbozespoły wiatrowe przyłączone do sieci elektroenergetycznej. [7] Wytyczne programowania rozwoju sieci rozdzielczych (sieci 110 kv, SN i nn). Instytut Energetyki, Zakład Sieci Rozdzielczych, Warszawa, Katowice 1986 r. [8] Strona internetowa PSE S.A. www.pse.pl Opracowana publikacja jest finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych.