Paweł KUCZMA WAHANIA NAPIĘCIA W SIECI ROZDZIELCZEJ JAKO WYNIK ODDZIAŁYWAŃ ODBIORNIKÓW NIESPOKOJNYCH ORAZ GENERACJI ROZPROSZONEJ STRESZCZENIE W pracy zostało przedstawione zjawisko wahania napięcia. Jest to jedna z najczęstszych przyczyn obniżania jakości energii elektrycznej. Zaprezentowano źródła ich występowania, odbiorniki oraz generatory, które mogą je wywoływać, a także sposoby eliminacji do poziomu niezagrażającemu bezpieczeństwu urządzeniom podłączonych do sieci elektroenergetycznej. Słowa kluczowe: wahania napięcia, odbiorniki niespokojne, elektrownie wiatrowe 1. WSTĘP Jednym ze zjawisk, którego występowanie obniża jakość energii elektrycznej dystrybuowanej w systemie elektroenergetycznym są wahania napięcia. Zjawisko to rozumiane jest jako seria szybkich zmian wartości skutecznej napięcia [9]. Wahania napięcia mogą być uciążliwe ze względu na migotanie oświetlenia, które jest wywołane zmianą strumienia świetlnego, mgr inż. Paweł Kuczma e-mail: pawelkuczma@interia.pl PGE Lubzel Dystrybucja PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
138 P. Kuczma którego luminancja lub rozkład spektralny zmienia się w funkcji czasu oraz mogą powodować zakłócenia pracy urządzeń elektrycznych, m.in. maszyn synchronicznych i asynchronicznych, urządzeń do elektrolizy oraz urządzeń elektrotermicznych jak również komputerów [4,5]. Jako źródło wahań napięcia należy wskazać odbiorniki niespokojne cechujące się szybkimi zmianami obciążenia takie jak piece łukowe i indukcyjne napędy klatek walcowniczych, spawarki, zgrzewarki, napędy dźwigowe, maszyny wyciągowe oraz, co ujawnia się w ostatnich latach generację rozproszoną o szybkiej zmianie mocy w czasie głownie elektrownie wiatrowe. Skutki wahań pochodzących z odbiorników i generatorów są bardzo podobne gdyż w obu przypadkach występuje szybka zmiana mocy, co pociąga za sobą zmiany napięcia. 2. PRZYCZYNY WYSTĘPOWANIA WAHAŃ NAPIĘCIA W SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ Wahania napięcia opisuje się [5]: amplitudą wahań ( δ V w woltach lub δv w jednostkach względnych odniesionych do napięcia znamionowego, w procentach) oraz częstością wahań (f u wyrażoną w Hz). Częstość wahań uzależniona jest wyłącznie od częstości zmian stanu obwodu, a zatem w całym obwodzie jest stała, zaś amplituda uzależniona jest od wielkości zmian mocy badanej jednostki lub innych przyłączonych do wspólnego punktu w systemie elektroenergetycznym. Podstawowymi przyczynami wahań napięcia są [10,11]: zmiana impedancji obwodu zasilania; zmiana wartości skutecznej prądu lub przesunięcia fazowego; zmiana widma prądu; propagacja wahań z obwodów zewnętrznych. 2.1. Zmiana impedancji obwodu zasilania Zmiana impedancji obwodu zasilania może wystąpić podczas czynności łączeniowych, być skutkiem zmiany rezystancji zestyków lub też może mieć miejsce poprzez wprowadzenie do systemu uciążliwego odbiornika ze zmienna w czasie impedancją wewnętrzną. Zmiana rezystancji zestyków jest stanem awaryjnym, który w konsekwencji przy odpowiednio dużym obciążeniu prowadzi
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników 139 do przepalenia się styków, zaś do zilustrowania wpływu uciążliwego odbiornika posłuży nam poniższy model [9]: Rys. 1. Model obwodowy do ilustracji propagacji wahań napięcia Źródło U oraz impedancja Z S stanowią model Thevenina systemu energetycznego widzianego z szyn zasilających grupę analizowanych odbiorników [9]. Impedancja Z 2 reprezentuje odbiornik lub grupę odbiorników o stałych parametrach, na których zaciskach występuje wahanie napięcia. Impedancja Z 1 przedstawia odbiornik lub grupę odbiorników, stanowiący źródło zaburzeń. Impedancja ta jest przedstawiona jako zmienna w czasie. Napięcie na zaciskach Z 2 przedstawia równanie: U Z Z 1 2 1 = U (1) Z1ZS + Z2ZS + Z1Z2 Równanie to jest nieliniowe ze względu na Z 1. Oznacza to, że nawet tak prosty model propagacji wahań napięcia jest strukturalnie nieliniowy. 2.2. Zmiana wartości skutecznej prądu lub przesunięcia fazowego Zmiana wartości prądu lub przesunięcia fazowego występuje podczas zmiany stanu odbiornika lub w przypadku generacji w wyniku fluktuacji prędkości i kierunku prądów powietrznych a także w wyniku nagłego włączenia lub odłączenia jednego lub większej liczby generatorów (wyłączenie elektrowni
140 P. Kuczma wiatrowej z powodu osłabnięcia wiatru lub przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej prędkości wiatru). Amplitudę wahań napięcia δ U można przedstawić za pomocą poniższej zależności [6]: δu R S ( I cosϕ I cosϕ ) + X U n S ( I sinϕ I sinϕ ) 100% (2) gdzie: I wartość prądu I przed zmianą, ϕ kąt fazowy pomiędzy I i U przed zmianą, I wartość prądu I po zmianie, ϕ kąt fazowy pomiędzy I i U po zmianie, R S, X S składowe impedancji obwodu zasilania, U n napięcie znamionowe. Amplituda zmian wartości napięcia jest proporcjonalna do zmian prądu oraz do zmian przesunięcia fazowego oraz zależy od impedancji obwodu zasilania. 2.3. Zmiana widma prądu W odkształconych przebiegach prądu wahania napięcia mogą być podyktowane zmianami widma amplitudowego i fazowego [10]. Analiza ilościowa wpływu takich zmian jest złożona. Ze względu na proporcjonalną zależność reaktancji od częstotliwości, zmiany wyższych harmonicznych prądu mogą w znacznym stopniu wpływać na generację wahań napięcia. 2.4. Propagacja wahań z obwodów zewnętrznych W zależności od charakteru odbiornika lub generatora może mieć miejsce propagacja wykrywalnych wahań napięcia w obwodach począwszy od nn aż do WN. W takim przypadku możliwe jest szkodliwe oddziaływanie w obwodzie nn poprzez obwody SN jak również w odwodzie SN poprzez obwody WN. Piece łukowe o mocach kilku MVA mogą propagować uciążliwe wahania sieci SN, zaś o mocy rzędu kilkudziesięciu MVA w obwodach WN.
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników 141 3. WAHANIA NAPIĘCIA GENEROWANE PRZEZ ELEKTROWNIĘ WIATROWĄ Elektrownia wiatrowa wprowadza do systemu szereg przyczyn powodujących pogorszenie jakości energii elektrycznej. Jednym z nich jest wahanie napięcia. Jest ono powodowane przez czynności łączeniowe dokonywane w całej farmie jak również poprzez tzw. efekt cienia aerodynamicznego wieży. Zjawisko to występuje, podczas gdy jedna z łopat mija się z wieżą. Pojawia się wtedy zawirowanie powietrza, co w konsekwencji wywołuje chwilowe obniżenie napięcia, co pociąga za sobą tzw. efekt migotania światła. Wskaźnik migotania światła P st powodowany przez elektrownię wiatrową jest w dużej mierze uzależniony od kąta impedancji systemu elektroenergetycznego. Zmiana napięcia δ U w zależności od kąta fazowego impedancji sieci ϕ s można przedstawić za pomocą następującego uproszczonego związku [7]: ΔS δ U RSΔP X SΔQ δu cos( ϕ S + ϕ ) (3) S gdzie δ U jest to zmiana napięcia w punkcie przyłączenia ze względu na zmianę ΔP i ΔQ przepływająca przez rezystancję i reaktancję systemu elektroenergetycznego. Po przekształceniu, ΔS jest to zmiana mocy, S k jest moc zwarciowa w punkcie przyłączenia, ϕ s jest to kąt fazowy impedancji sieci, zaś ϕ jest wyrażone za pomocą [7]: k ΔQ ϕ = arctg (4) ΔP Generator indukcyjny w punkcie przyłączenia do sieci podczas oddawania mocy czynnej zawsze pobiera moc bierną, więc ϕ > 0. Z powyższego wzoru według [7] otrzymujemy charakterystykę przedstawiającą współczynnik migotania napięcia P st w zależności od kąta fazowego sieci ϕ s : Zgodnie z [7] złożono, że przy prędkości wiatru 10m/s generator będzie oddawał moc około 330kW i ϕ 25. Dlatego też według (3) możemy się spodziewać, że najmniejsze wahanie napięcia będzie przy kącie fazowym systemu ϕ s 65 gdzie ϕ s + ϕ = 90. Dlatego odbiegając od tego punktu wahanie napięcia a co za tym idzie migotanie będą rosły, co w pełni wyjaśnia rysunku 2.
142 P. Kuczma Rys. 2. Wskaźnik migotania światła P st w funkcji ϕ s = arctg(x S /R S ) Według [8] stwierdza się, że całkowite migotanie światła powodowane przez elektrownię wiatrową zależy od migotania światła powodowanego przez pojedynczą turbinę według zależności: N 2 st, cał = Pst,poj (5) i= 1 P gdzie: N P st,cał P st,poj liczba turbin, całkowite migotanie światła powodowane przez elektrownię wiatrową, migotanie światła powodowane przez pojedynczą turbinę. Jeśli wszystkie turbiny są tego samego typu, można uprościć równanie: P = N P (6) st, cał st,poj W artykule [8] została pokazana różnica pomiędzy dwoma metodami obliczeniami współczynnika P st. Pierwszy sposób pomiaru polega na pomiarze wyżej wymienionego współczynnika przy pracującej jednocześnie całej elektrowni wiatrowej, zaś drugi z wykorzystaniem (5). Poziom rzeczywistego migotania jest zazwyczaj wyższy niż przy użyciu (5). Powodem tego są prawdopodobnie wahania napięcia pochodzące z systemu elektroenergetycznego. To wpływa na wszystkie turbiny jednakowo, wywołując zmiany mocy czynnej
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników 143 i biernej, które są podobne we wszystkich turbinach. Z tego powodu wahania napięcia turbin wywoływane przez system powinny być sumowane. Tak, więc jeśli jakość zasilania sieci nie jest zbyt dobra należy przyjąć poprawki do powyższego wzoru. 4. SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Skutki wpływu wahań napięcia zależą w głównej mierze od amplitudy oraz od częstotliwości ich występowania. Na amplitudę oddziałuje między innymi sieć energetyczna, do której podłączone jest urządzenie, zaś częstość ich występowania zależy głównie od charakteru pracy danego urządzenia [2]. W praktyce ograniczenie wahań napięcia sprowadza się do zmniejszenia ich amplitudy. Głównymi sposobami eliminacji wspomnianych wahań są [2]: wymiana uciążliwej jednostki lub zmiana jej charakterystyk, zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia, dynamiczne stabilizatory napięcia, zasobniki energii elektrycznej. 4.1. Zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia Dobór miejsca przyłączenia wynika głownie z jego mocy znamionowej i powinna wynosić wg. [6]: S 20 (7) k P n gdzie: S k P n moc zwarciowa w punkcie przyłączenia jednostki do sieci elektroenergetycznej, moc przyłączeniowa jednostki. Według (3) można zauważyć, że wahania napięcia są odwrotnie proporcjonalne do mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia elektrowni wiatrowej. Tym samym aby zminimalizować powyższe zjawisko w sposób, ażeby nie było uciążliwe dla systemu stosuje się min. z tego powodu równanie (7). Zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia można uzyskać poprzez zmianę punktu zasilania z obwodu nn, SN, WN na odpowiednio SN,
144 P. Kuczma WN i NN lub też zmniejszenie impedancji obwodu zasilania. To ostatnie można osiągnąć wskutek skrócenia linii zasilającej, zwiększenia przekroju przewodów lub zastosowanie transformatora o mniejszej impedancji wewnętrznej. 4.2. Dynamiczne stabilizatory napięcia Skuteczność działania dynamicznych stabilizatorów napięcia zależy w głównej mierze od ich mocy znamionowej oraz od amplitudy wahań napięcia. Powodując przepływ prądu/mocy biernej podstawowej harmonicznej wywołują spadki napięcia na impedancjach sieci zasilającej. W zależności od tego czy jest to prąd pojemnościowy czy indukcyjny powoduje to od odpowiednio wzrost lub obniżenie wartości skutecznej napięcia w punkcie przyłączenia [2]. Dynamicznymi stabilizatorami są: maszyna synchroniczna dławik z obwodem sterującym prądu stałego samonasycający się dławik baterie kondensatorów załączane łącznikami tyrystorowymi 4.3. Zasobniki energii elektrycznej Zasobniki energii są stosowane głownie w elektrowniach wiatrowych, ponieważ występują tam bardzo szybkie zmiany mocy, a reagowanie na nie konwencjonalnymi źródłami przyłączonymi do systemu jest niemożliwe. W celu poprawy jakości energii oddawanej do sieci, wszczynane są prace badawcze opierające się na wykorzystaniu zasobników energii do stabilizacji mocy oddawanej ze źródeł wiatrowych. Zasobniki mają za zadanie pobierać moc, podczas występowania jej nadmiaru, zaś oddawać w trakcie niedoboru mocy w systemie elektroenergetycznym. W energetyce możemy odnaleźć coraz to nowsze układy zasobnikowe, wśród nich w przyszłości dużą rolę odgrywać powinny [1]: baterie chemiczne (litowo jonowa, sód siarka, kwasowo ołowiowa), superkondensatory, ogniwa paliwowe, koła zamachowe i cewki nadprzewodzące. Zasobniki te są w stanie reagować na szybkie zmiany mocy produkowanej w elektrowniach wiatrowych. Urządzenia te mogą pracować na skalę przemysłową, co jest uwidocznione min. w farmie wiatrowej w Japonii o mocy szczytowej 34 MW z dołączonym do niej zasobnikiem energii w postaci baterii sód siarka o mocy szczytowej również 34 MW [3]. Z energetycznego punktu widzenia obiecującą technologią wydają się być wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, które produkują nie tylko energię elektryczną, ale także ciepło. Ciepło to może być wykorzystywane do odparo-
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników 145 wania wody i napędzania turbiny parowej. Innym sposobem wykorzystania ciepła z tych ogniw jest budowa nowoczesnych elektrociepłowni wykorzystujących ciepło do ogrzania lokalnych budynków. Koncepcja farmy wiatrowej, której moc jest stabilizowana przy pomocy zasobników pokazana jest na rysunku (3). Projekt ten zakłada użycie zasobnika energii wykorzystującego baterię chemiczną do niwelowania najszybszych fluktuacji mocy, co pozwoli np. na uruchomienie ogniwa paliwowego. Ogniwo to z kolei może wykorzystywać do produkcji np. metanol, otrzymywany w wyniku reakcji naturalnych z biomasy lub w reakcjach syntetycznych [1]. Rys. 3. Koncepcja wykorzystania wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego i baterii chemicznej do stabilizacji mocy oddawanej z farmy wiatrowej 5. PODSUMOWANIE Elektrownie wiatrowe jak i odbiorniki niespokojne podłączone do systemu elektroenergetycznego są źródłem znacznego pogorszenia jakości energii
146 P. Kuczma elektrycznej poprzez min. opisane powyżej wahania napięcia. W referacie zostało przedstawione, w jaki sposób wspomniane wahanie napięcia można oszacować oraz zaprezentowano szereg sposobów redukcji chroniąc przed zniszczeniem lub nieprawidłową pracą urządzenie podłączone do sieci elektroenergetycznej. LITERATURA 1. Dmowski A. Kłos M. Rosłaniec Ł.: Przekształtniki energoelektroniczne w elektrowniach wiatrowych. 2. Hanzelka Z.: Jakość energii elektrycznej AGH Kraków 2005 r. 3. http://techon.nikkeibp.co.jp/article/honshi/20080924/158411/?p=3 4. Jagieła K.: Wahania napięcia w publicznych sieciach elektroenergetycznych Przegląd Elektrotechniczny nr 4, 2005 r. 5. Kowalski Z.: Wahania napięcia w układach elektroenergetycznych Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985 r. 6. PGE Lubzel Dystrybucja Sp. Z O.O. Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. 7. Stavros A. Spyros J. Michael P. Antonios G.: Wind Turbine Flicker Calculation using Neural Networks Wind Engineering, Vol. 24, Nr 5, 1 September 2000. 8. Thiringer T. Petru T. Lundberg S.: Flicker Contribution From Wind Turbine Installations IEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 19 March 2004. 9. Wetula A.: Zastosowanie transformaty Hilberta do wyznaczenia obwiedni zespolonej sygnałów napięć i prądów sieci elektroenergetycznej Akademia Górniczo Hutnicza, Katedra Metrologii. 10. Wiczyński G.: Kompensacja wahań napięcia w sieci elektroenergetycznej Automatyka Elektroenergetyczna, nr 3, 2002 r. 11. Wiczyński G.: Ograniczanie uciążliwości wahań napięcia w sieci energetycznej Elektronizacja, nr 12, 2001 r. Rękopis dostarczono, dnia 17.09.2009 r. Opiniował: prof. dr hab. Marian Kaźmierkowski
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników 147 VOLTAGE FLICKER AS A RESULT INFLUENCE DISTRIBUTED GENERATION AND RECEIVER TO THE POWER SYSTEM P. KUCZMA ABSTRACT This paper presents what voltage flicker in power networks is. Now, it is one of the reasons decrease quality of electricity. In the paper generation of flicker phenomena are described and ways of elimination them to the safe level are also discussed. Mgr inż. Paweł Kuczma. Studia na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej ukończył w 2008 r. W październiku 2008 r. rozpoczął pracę w PGE Lubzel Dystrybucja na stanowisku inżyniera ds. Automatyki Zabezpieczeń.
148 P. Kuczma