Jab FURGAŁ Piotr KACEJKO ANALIZA PRACY IECI ELEKTROENERGETYCZNEJ Z ROZPROZONĄ GENERACJĄ WIATROWĄ TREZCZENIE Na przestrzei ostatich lat obserwowae jest w Polsce ogrome zaiteresowaie rozwojem eergetyi wiatrowej. Zmsiło to Operatorów do opracowaia szczegółowych wymagań wobec tego typ jedoste przyłączaych do sieci Najwięcej otrowersji podmiotów biegających się o przyłączeie wzbdza wymagaie, iż moc zwarciowa w miejsc przyłączeia ma być co ajmiej 0 razy więsza od mocy przyłączeiowej. Celem rozważań zawartych w prezetowaym artyle jest porówaie wartości mocy wyiającej z tego war z rzeczywistą wartością mocy możliwą do wprowadzeia w daym pcie system eletroeergetyczego, jeśli bierze się pod wagę ie ryteria. łowa lczowe: eletrowie wiatrowe, EW, wyższe harmoicze, jaość eergii, system eletroeergetyczy, moc przyłączeiowa, sieć dystrybcyja mgr iż. Jab FURGAŁ e-mail: j.frgal@lbzeldystrybcja.pl prof. dr hab. iż. Piotr KACEJKO e-mail: p.acejo@pollb.pl Politechia Lbelsa Katedra ieci Eletryczych i Zabezpieczeń PRACE INTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 4, 009
6 J. Frgał, P. Kacejo 1. WTĘP Zmiaa polityi eergetyczej obserwowaa a świecie w ostatim dziesięcioleci spowodowała pojawieie się w sieci dystrybcyjej coraz więszej liczby jedoste wytwórczych. W sieci średiego apięcia staowią je ajczęściej pojedycze eletrowie wiatrowe i biogazowe o mocy rzęd 1- MW. Źródła tego typ rzado pracją wyspowo a istalację odbiorcy. W więszości są oe przyłączae do istiejących ciągów N przebiegających w pobliż loalizacji jedoste wytwórczych. Poieważ wprowadzaie mocy w głębi sieci może spowodować szereg egatywych zmia w jej fcjoowai, ażdorazowo przed przyłączeiem do sieci istieje oieczość przeprowadzaia wiliwej aalizy współpracy daej jedosti z systemem. Dopiero a podstawie aalizy OD podejmje się decyzję o przyłączei daej eletrowi. Podstawą prawą do opracowaia aalizy jest Rozporządzeie Miistra Gospodari i Pracy z 0 grdia 004 r. w sprawie szczegółowych warów przyłączaia podmiotów do sieci eletroeergetyczych [1] oraz Istrcja Rch i Esploatacji ieci Dystrybcyjej daego operatora []. Fdametalym wariem dla OD, decydjącym o wartości mocy możliwej do wprowadzeia w daym pcie do system, jest ware, iż moc zwarciowa w daym pcie sieci powia być co ajmiej 0 razy więsza od mocy przyłączeiowej. Z olei podmioty wytwórcze biegające się o przyłączeie podważają zasadość tego zapis. Jao główy argmet podaje się zwyle to, że zapis jest przestarzały i opracoway dla starych jedoste, wprowadzających zaczie więsze załóceia, iż współczese. Celem rozważań zawartych w tym artyle jest sprawdzeie zasadości tego war dla dwóch różych wariatów sieci, dla tórych w pcie przyłączeia moc zwarciowa spełia ware OD, a więc jest 0-rotie więsza od mocy przyłączeiowej. Jedostą wytwórczą w ob przypadach jest trbia Vestas V90 o mocy MW. Jest oa jedą z ajczęściej istalowaych obecie trbi.. TRUKTURA IECI W ażdym z rozważaych przypadów moc zwarciowa w PCC jest 0-rotie więsza od mocy przyłączeiowej. Napięcie zamioowe sieci w ob przypadach jest rówież taie samo i wyosi 15 V. Zasadicza różica polega a strtrze ciąg biorącego dział w przesyłai mocy wyprodowaej w eletrowi.
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 63 Podstawowe parametry sieci w ob przypadach przedstawia ryse 1. a) 110V ABR Tr. 110/16,5 10MVA % 18,4 15V P G, Q G K407MVA K59MVA KMVA b) G Po, Qo Po, Qo G Po, Qo Tr. 110/16,5 110V 5MVA LBT % 1,5 15V Po, Qo Po, Qo P G, Q G Po, Qo K1417MVA K194MVA l.. 35mm l3.3m l. mm l10,3m l.. 35mm l3.3m Vestas V90 MW l.. mm l10,3m l.. 35mm l3.3m l.. mm l10,3m l.. 35mm l3.3m l.. mm l10,3m KMVA Vestas V90 MW Rys. 1. trtra ciągów liiowych biorących dział w przesyłai mocy z eletrowi wiatrowej: a) przypade I, ciąg złożoy z elemetów o małej zdolości przesyłowej (ABR); b) przypade II, ciąg złożoy z elemetów o dżej zdolości przesyłowej (LBT) Przypade I: jedosta wytwórcza przyłączoa jest do stacji 110/15 V z trasformatorem o mocy 10 MVA, tóry ograicza wartość mocy zwarciowej do 59 MVA. Ta mała wartość mocy zwarciowej a szyach stacji powodje, że ware 0-rotości spełioy będzie wyłączie dla ptów przyłączeia zloalizowaych w pobliż GPZ. Kąt fazowy impedacji sieci w pcie przyłączeia wyosi 63. Przypade II: jedosta wytwórcza przyłączoa jest do stacji 110/15 V, wyposażoej w trasformator o dżej wartości mocy pozorej (5 MVA), co w zasadiczy sposób wpływa a wartość mocy zwarciowej a szyach 15 V stacji. Dża wartość mocy zwarciowej a szyach GPZ powodje, że ware 0-rotości spełioy jest awet dla loalizacji zaczie oddaloych od stacji. Kąt fazowy impedacji sieci w pcie przyłączeia wyosi 50. Jedostą wytwórczą w ob przypadach jest trbia wiatrowa Vestas V90 o zamioowej mocy czyej MW. Jest to eletrowia o owoczesej ostrcji, wyposażoa w geerator asychroiczy zasilay dwstroie, możliwwiający pracę jedosti ze zmieą prędością obrotową. Dae do obliczeń jaości eergii wprowadzaej do sieci zaczerpięto ze sprawozdaia WIND- TET [3].
64 J. Frgał, P. Kacejo Jedosta ta, pomimo owoczesej ostrcji, wprowadza szereg zmia i załóceń w pracy sieci. Zachodzi więc oieczość przeprowadzeia aalizy wpływ przyłączeia tej eletrowi a pracę system eletroeergetyczego. 3. ANALIZA WPŁYWU PRZYŁĄCZENIA ELEKTROWNI Parametry jaościowe eergii w pcie przyłączeia wyzaczae są zgodie z zapisami ormy IEC 610-1. Poadto w aalizie badaa jest wytrzymałość ciepla i dyamicza rządzeń biorących dział w odbierai mocy z siłowi wiatrowej. 3.1. tatycze zmiay apięcia Praca eletrowi wiatrowej może wywierać wpływ a wartość apięcia występjącego w staie staloym w sieci eletroeergetyczej, do tórej eletrowia jest przyłączoa [4]. W cel ocey tego wpływ, tj pewieia się, że eletrowia ie powodje wyroczeia apięcia poza dopszczale graice, przeprowadzoo aalizę rozpływ mocy. Do aalizy przyjęto, że całowity pobór mocy w ciąg, do tórego przyłączoa jest eletrowia, jest rówy połowie mocy zamioowej trbiy, a więc 1 MW mocy czyej i 0,4 MW mocy bierej. ymlację wyoao w trzech staach. W pierwszym z ich trbia pracje ze współczyiiem mocy tgφ 0, a więc ie geerje mocy bierej. Następie eletrowia prodje moc bierą, a więc pracje ze współczyiiem tgφ +0,4 oraz pobiera moc bierą z sieci, a więc pracje ze współczyiiem tgφ -0,4. Wyii aalizy wyoaej w programie PowerWorld dla ob wariatów sieci przedstawiają rysi i 3. Poieważ reglator apięcia trasformatora WN/N trzymje a szyach 15 V stacji zadae apięcie, jao ta zway węzeł bilasjący przyjęto właśie szyy 15 V GPZ. PRACE INTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 4, 009
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 65 a) b) c) d) Rys.. Rozpływ mocy i poziom apięć dla wariat I: a) sta sieci przed przyłączeiem EW; b) sta sieci po przyłączei EW Q 0 Mvar; c) sta sieci po przyłączei EW Q 0,8 Mvar, tgφ +0,4; d) sta sieci po przyłączei EW Q - 0,8 Mvar, tgφ - 0,4
66 J. Frgał, P. Kacejo a) b) c) d) Rys. 3. Rozpływ mocy i poziom apięć w ciąg dla wariat II: a) sta sieci przed przyłączeiem EW; b) sta sieci po przyłączei EW Q 0; c) sta sieci po przyłączei EW Q +0.8 Mvar (tgφ 0,4); d) sta sieci po przyłączei EW Q - 0.8 Mvar (tgφ - 0,4)
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 67 Wariat I: Ja wyia z aalizy, statycza zmiaa apięcia w pcie przyłączeia eletrowi wiatrowej dla wariat I wyosi: 15,15 14,77 ΔU %,53% 15 dla tgφ 0 15,1 14,77 ΔU %,93% 15 dla tgφ +0,4 15,08 14,77 ΔU %,00% 15 dla tgφ -0,4 tatycza zmiaa apięcia w pcie przyłączeia dla wariat II wyosi: 15,7 14,77 ΔU % 3,3% 15 dla tgφ 0 15,45 14,77 ΔU % 4,5% 15 dla tgφ +0,4 15,08 14,77 ΔU %,0% 15 dla tgφ -0,4 Wedłg [] praca eletrowi ie powia powodować statyczej zmiay apięcia, przeraczającej wartość +/-5% apięcia zamioowego lb delarowaego i ja widać w obydw przypadach, ware te jest spełioy. 3.. Dyamicze zmiay apięcia Względą zmiaę apięcia wste proces łączeiowego pojedyczego trbozespoł oreślają astępjące zależości: Wariat I: Załączeie trbiy przy rozrchowej prędości wiatr, ( ψ ) 04 d 100 ψ ( ) 100 0,04 0,% Załączeie trbiy przy zamioowej prędości wiatr, ( ψ ) 39 d 100 ψ ( ) 100 0,39 1,95% 0, 0,
68 J. Frgał, P. Kacejo 0, Przełączeie trójąt gwiazda, ( ψ ) 1 d 100 ( ψ ) 100 0,1 0,5%. Wariat II: Załączeie trbiy przy rozrchowej prędości wiatr, ( ψ ) 07 d 100 ψ ( ) 100 0,07 0,35% Załączeie trbiy przy zamioowej prędości wiatr, ( ψ ) 71 d 100 ψ ( ) 100 0,71 3,55% Przełączeie trójąt - gwiazda, ( ψ ) 18 gdzie: ( ) 0, d 100 ψ ( ) 100 0,18 0,9% ψ wsaźi zmia apięcia trbiy wiatrowej dla daej wartości impedacji sieci ψ, zależy od typ maszyy i stos reatacji do rezystacji sieci. Wedłg IRiED [], eletrowia ie powia powodować agłych zmia i soów apięcia, przeraczających,5%. Z obliczeń wyia, że ajwięsza dyamicza zmiaa apięcia występje przy załączei eletrowi przy zamioowej prędości wiatr i przeracza oa o 1,05% wartość dopszczalą. 0, 0, 3.3. Wsaźii migotaia Króto i dłgooresowy wsaźi migotaia światła przy pracy ciągłej eletrowi wiatrowej dla daego ąta impedacji sieci ψ wyosi: Przypade I: P P c( ψ, υ ),1 0, 105 ( ψ, υ ) gdzie c współczyi migotaia zależy od prędości wiatr. a st lt a, a Przypade II: P P c( ψ υ ) 0, 1 st lt υ a
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 69 Emisję migotaia światła wste proces łączeiowego pojedyczego trbozespoł wiatrowego przy daej wartości ąta fazowego impedacji sieciψ oszacowao, posłgjąc się rówaiami zaczerpiętymi z ormy [4]. oowe wsaźii migotaia światła f ( ψ ) oraz masymale liczby łączeń N 10, N 10 mają jedaowe wartości dla ob wariatów przyłączeia. Dlatego wsaźii rótooresowego ( P st ) i dłgooresowego ( P lt ) migotaia apięcia mają jedaowe wartości dla ob wariatów sieci i wyoszą: załączeie trbiy przy rozrchowej prędości wiatr: P 18 N ψ st P 8 N ψ lt ( ) 18 4 0,01 0, 013 10 f ( ) 8 0 0,01 0, 010 10 f załączeie trbiy przy zamioowej prędości wiatr: P 18 N ψ st P 8 N ψ lt ( ) 18 0,04 0, 045 10 f ( ) 8 10 0,04 0, 033 10 f przełączeie trójąt gwiazda: P 18 N ψ st ( ) 18 0,0 0, 0 10 f Plt 8 N10 f ( ψ ) 8 10 0,0 0, 016. Wsaźii rótooresowego ( P st ) i dłgooresowego ( lt ) P migotaia apięcia farm wiatrowych przyłączoych do sieci N ie powiy przeraczać odpowiedio wartości 0,45 i 0,35 []. 3.4. Harmoicze Przy życi program typ EMTP (Eletro-Magetic Trasiet Program) dla ob wariatów przyłączeia wyzaczoo impedację system widziaą z zacisów eletrowi.
70 J. Frgał, P. Kacejo a) b) Rys. 3. Charaterystyi impedacji sieci w fcji częstotliwości (rzęd harmoiczej) dla: a) ciąg liiowego przyłączoego do stacji ABR (wariat I); b) ciąg liiowego przyłączoego do stacji LBT (wariat II) Wartość prądów harmoiczych wprowadzaych do sieci przez trbię Vestas V90 zaczerpięto ze sprawozdaia WINDTET [3]. Pomożoo wartość prądów harmoiczych przez odpowiedią wartość impedacji sieci i w rezltacie otrzymao poziom odształceia apięcia w pcie przyłączeia. Obliczoe wartości przedstawia tabela 1.
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 71 TABELA 1 Wyii aalizy odształceia apięcia dla wariatów I i II Wariat I Wariat II h % I Ih Imp. [Ω] Uh [V] Uh [%] Imp. [Ω] Uh [V] Uh [%] 0, 3,6 79, 0,005,9 63,8 0,004 3 0,1 11 5,4 59,4 0,004 4,3 47,3 0,003 4 0, 7, 158,4 0,011 5,8 17,6 0,009 5 0,8 88 8,9 783, 0,05 7,3 64,4 0,043 6 0, 10,7 35,4 0,016 8,7 191,4 0,013 7 0, 11,9 61,8 0,017 10 0 0,015 10 0,1 11 17,3 190,3 0,013 13 143 0,010 11 0,5 55 19,3 1061,5 0,071 16 880 0,059 13 0,,8 501,6 0,033 18 396 0,06 0,1 11 37,6 413,6 0,08 30 330 0,0 9 0,1 11 48,8 536,8 0,036 41 451 0,030 31 0, 5,8 1161,6 0,077 45 990 0,066 33 0,1 11 57,7 634,7 0,04 38 418 0,08 36 0,1 11 60,9 669,9 0,045 45 495 0,033 46 0,1 11 78,1 859,1 0,057 61 671 0,045 48 0,1 11 8 90 0,060 66 76 0,048 50 0,1 11 85 935 0,06 68 748 0,050 3.5. Wytrzymałość ciepla rządzeń Włączeie do sieci eletrowi wiatrowej wpływa a zmiaę wartości prądów płyących w sieci w staie ormalej pracy. Najsłabszym elemetem sieci łączącym eletrowię wiatrową ze stacją WN/N są zwyle przewody liii ablowych i apowietrzych. Dla wariat I sieć wyoaa jest w całości z przewodów AFL 70, dla tórych prąd dopszczaly dłgotrwale wyosi 145 A. Dla wariat II sieć wyoaa jest w całości ablem o przeroj mm, dla tórego prąd dopszczaly dłgotrwale wyosi 310 A. Najwięszy prąd popłyie w stroę stacji w przypad całowitego bra obciążeia w ciąg i pracy eletrowi ze współczyiiem mocy tgφ 0,4. Jego wartość wyiesie 8 A.
7 J. Frgał, P. Kacejo 4. MAKYMALNY ROZMIAR MOCY PRZYŁĄCZENIOWEJ Ja wyia z powyższych rozważań, spełieie war 0-rotości mocy zwarciowej ie daje pewości, że eletrowia przyłączoa w daym pcie sieci ie będzie egatywie oddziaływać a jaość apięcia w pcie przyłączeia. Dla wariat II strtry sieci, pomimo spełieia tego war, wartość dyamiczej zmiay apięcia przy załączai eletrowi Vestas V90 wyosi aż 3,5% i przeracza o 1,05% wartość dopszczalą. Masymalą wartość mocy, jaą moża przyłączyć w badaym pcie sieci, możemy obliczyć a podstawie astępjącej zależości: P max d,5 100 100 0,71 max ( ψ ) 1, 4 MW gdzie: d max ozacza masymalą dopszczalą zmiaę apięcia w %, miimalą wartość mocy zwarciowej w daym pcie sieci w MVA, a ( ψ ) jest soowym wsaźiiem zmiay apięcia odczytaym z WINDTET dla ąta impedacji ψ w daym pcie sieci. Z powyższych obliczeń wyia, że dopiero stose mocy zwarciowej do mocy przyłączeiowej rówy 8, w rozważaym pcie sieci zapewia dla trbiy Vestas V90 spełieie wszystich wymagaych przez OD warów. Z drgiej stroy, masymalą wartość mocy, jaą moża przyłączyć dla wariat sieci r I, oreśla ware: P max d,5 100 100 0,39 max ( ψ ),56 MW Ozacza to, że dla wariat I i trbiy Vestas V90 wystarczający jest 16-roty stose mocy zwarciowej do mocy przyłączeiowej. 5. PODUMOWANIE Przedstawioe rozważaia poazją, że przy oreślai wielości mocy możliwej do wprowadzeia w daym pcie sieci ależy sgerować się przede
Aaliza pracy sieci eletroeergetyczej z rozproszoą geeracją wiatrową 73 wszystim wyiami doładej aalizy obliczeiowej. Ware wyiający z porówaia 0-rotości z mocą zwarciową oreśla jedyie orietacyją wartość mocy, jaa może być odebraa w daym pcie. Rzeczywista wartość mocy możliwej do przyłączeia może w zaczym stopi odbiegać od wartości wyiającej z omawiaego war. Wyia to z fat, że wartość współczyiów oreślających jaość eergii w pcie przyłączeia zależy ie tylo od mocy zwarciowej, ale rówież od ąta impedacji zwarciowej sieci, tóry wyia z jej strtry W ostatim dziesięcioleci obserwoway jest ogromy postęp w dosoalei trbozespołów wiatrowych, co przełada się a zwięszeie jaości prodowaej przez ie eergii. Jeda ja poazją zaprezetowae przyłady, w pewych warach awet przy spełiei wymagaia 0-rotości, parametry jaościowe eergii w sieci mogą ie mieścić się w dopszczalych graicach. W aalizowaym przypad przeroczoa została wartość dyamiczej zmiay apięcia wste proces łączeiowego. Dże wartości dyamiczych zmia apięcia mogą być w pratyce odczwale przez iych odbiorców przyłączoych w pobliż eletrowi, dlatego problem te ie może być bagatelizoway i msi podlegać wiliwej oceie OD. LITERATURA 1. Rozporządzeie Miistra Gospodari z dia 4 maja 007 r. w sprawie szczegółowych warów fcjoowaia system eletroeergetyczego.. Istrcja Rch i Esploatacji ieci Dystrybcyjej PGE Dystrybcja LUBZEL. 3. Kaiser-Wilchelm-Koog GmbH: prawozdaie z badań jaości eergii eletryczej wytworzoej przez trbię wiatrową V90-MW VC. WT 3956/05. 4. Polsa Norma PN-EN 610-1: Trbozespoły wiatrowe, Część 1: Pomiar i ocea parametrów jaości eergii dostarczaej przez trbozespoły wiatrowe przyłączoe do sieci eletroeergetyczej. PKN, Warszawa, 004. 5. Lbośy Z.: Eletrowie wiatrowe w systemie eletroeergetyczym. Wydawictwo Naowo Techicze, Warszawa 006. 6. Kacejo P.: Geeracja rozproszoa w systemie eletroeergetyczym. Wydawictwa Uczeliae, Lbli, 004. Ręopis dostarczoo dia 15.09.009 r. Opiiowała: dr hab. iż. Herya tryczewsa prof. PL
74 J. Frgał, P. Kacejo ANALIYI OF WORK POWER YTEM WITH DIPERED WIND GENERATION J. FURGAŁ, P. KACEJKO ABTRACT It has bee observed a sigificat developmet of wid eergy i Polad over the past years. This forced Distribtio ystem Operators to develop specific reqiremets for this type of its. There are may reqiremets for ivestors, who apply for joi to grid. The geeral demad says that short-circit apparet power i poit of commo coplig mst be at least 0 times higher tha total power of trbie. This paper shows the way to calclate the vale of real power capacity which ca be coect to the grid i the cosidered locatio. Mgr iż. Jab FURGAŁ stdia a Wydziale Eletrotechii i Iformatyi Politechii Lbelsiej ończył w 007 r. W paździeri 007 r. rozpoczął pracę w Lbelsich Załadach Eergetyczych PGE LUBZEL a staowis iżyiera d.s. Zabezpieczeń i Atomatyi. Jego zaiteresowaia aowe związae są obecie z wpływem geeracji rozproszoej a pracę system eletroeergetyczego. W pracy zawodowej bierze czyy dział w opracowywai stadardów przyłączaia dla źródeł wytwórczych pracjących w głębi sieci. Jest słchaczem stdiów dotoracich prowadzoych a WEiI Politechii Lbelsiej. Prof. dr hab. iż. Piotr KACEJKO jest absolwetem Wydział Eletryczego Politechii Lbelsiej i jej pracowiiem od 1979 r., atalie a staowis profesora adzwyczajego. Habilitację zysał w 1999 r. a Wydziale Eletryczym Politechii Warszawsiej, a tytł profesora w 006 r. Prowadzi badaia z zares aaliz system eletroeergetyczego, w szczególości w staach załóceiowych. Jest atorem ildziesięci prac aowo-badawczych oraz pbliacji z tej dziedziy. Atalie zajmje się problematyą oddziaływaia rozproszoych źródeł wytwórczych a sieć eletroeergetyczą.