WYKORZYSTANIE ZASOBNIKA ENERGII DO REGULACJI PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA Autorzy: Robert Jędrychowski, Paweł Pijarski, Sylwester Adamek ("Rynek Energii" - kwiecień 2017) Słowa kluczowe: zasobnik energii, mikrogeneracja, jakość energii Streszczenie. W artykule przedstawiono korzyści, jakie można osiągnąć instalując w sieci nn dodatkowe źródło energii w postaci w pełni sterowalnego zasobnika. Artykuł ma na celu pokazanie różnych wariantów pracy zasobnika, uwzględniających zmianę obciążenia oraz generacji w różnych punktach sieci. Pokazuje również wpływ jego pracy na wartości parametrów elektrycznych w poszczególnych punktach sieci. 1. WSTĘP Instalacje prosumenckie zmieniają dotychczasowy sposób pracy sieci nn. Wpływają one na pracę sieci czyniąc instalację prosumencką, w zależności od warunków zewnętrznych, źródłem lub odbiornikiem energii. Powoduje to zmianę kierunku przepływu mocy, a przez to zmianę warunków elektrycznych panujących w sieci nn. Parametry elektryczne w sieci zależą już nie tylko od układu zasilania, profilu zużycia energii przez odbiorców energii, ale również od warunków pogodowych wpływających na pracę mikroelektrowni prosumenckich. Pojawienie się zasobników energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej daje nowe możliwości oddziaływania na jej pracę i parametry elektryczne. Nowe źródło energii, jakim jest zasobnik, może wspomagać pracę sieci, łagodząc lub eliminując niekorzystne zjawiska wynikające ze zmiennego obciążenia sieci lub nadmiernej generacji. Aby było to możliwe powinien być on dostosowany do lokalnie panujących warunków. 2. ZASOBNIKI ENERGII Jednym z popularniejszych rozwiązań zasobników energii stały się magazyny energii wykorzystujące akumulatory. Oferowane są magazyny o różnej pojemności mogące pracować w sieciach SN i nn. Rozwój instalacji prosumenckich zachęcił producentów do wprowadzenia na rynek magazynów energii uzupełniających istniejące instalacje. Energia zgromadzona w takich magazynach może być wykorzystana do poprawy efektywności finansowej instalacji, jak również poprawy jej parametrów technicznych. Dla przykładu, w małych instalacjach prosumenckich rosnącą popularność zdobywają produkty Tesli o nazwie Powerwall o pojemności od 6,4 do 14 kwh i mocy szczytowej 3,3
7 kw [1]. Dla większych instalacji dedykowany jest produkt Powerpack o pojemnościach do 210 kwh i mocy szczytowej do 50 kw. Podawana moc szczytowa magazynu jest tylko jednym z parametrów elektrycznych. Drugim ważnym parametrem jest jego moc ciągła, która możemy przekazać do sieci. Dla podanych, jako przykład produktów Powerwall Tesli wynosi ona od 2 do 5 kw. Inni producenci również oferują swoje magazyny energii, są to między innymi LG, Sonnen czy Schneider. Współczesne magazyny oparte na technologii litowojonowej cechuje duża żywotność, która zależy od głębokości rozładowania. Dla głębokości rozładowania 25 % można uzyskać do 2500 cykli ładowania. Istotnym elementem instalacji jest również inwerter współpracujący z magazynem energii. Jego sposób pracy (jedno lub trójfazowy) oraz moc decyduje o tym jak potencjalne źródło (magazyn + inwerter) będzie wpływało na pracę sieci elektroenergetycznej. 3. OPIS SIECI TESTOWEJ W artykule przeanalizowano wyniki dla sieci testowej przedstawionej na rys. 1. Założono, że sieć niskiego napięcia zasilana jest ze stacji transformatorowej 15/0,4 kv o mocy 63 kva. Możliwości regulacji napięcia przyjęto na poziomie ±7,5% (siedem zaczepów, łącznie z zerowym, co 2,5 %), przy czym zgodnie z praktyką stosowaną w spółkach dystrybucyjnych przekładania nie była regulowana w czasie badań. Sieć niskiego napięcia składała się z jednego ciągu liniowego wykonanego przewodem Al-50, o długości 560 m oraz z ośmiu punktów odbioru energii. Rys. 1. Schemat sieci testowej Założono, że każdy odbiorca ma zainstalowaną instalacje wytwórczą i może generować moc czynną. Dla usystematyzowania badań przyjmowano jednakowe moce we wszystkich węzłach zarówno dla mocy pobieranej jak i generowanej, co odpowiada równomiernemu rozłożeniu obciążeń wzdłuż analizowanej linii.
W modelu sieci testowej przyjmowano, że napięcie w węźle SN jest stałe i wynosi 15,6 kv. Dla transformatora przyjęto stałą przekładnię odpowiadającą położeniu przełącznika zaczepów na pozycji 0%, czyli 15,75/0,42 kv/kv. Napięcia w węzłach sieci nn ustalają się w zależności od spadków napięć uzależnionych od impedancji elementów sieci i rozpływów prądów. 4. WYNIKI OBLICZEŃ DLA SIECI TESTOWEJ Na potrzeby analiz przygotowano 9 wariantów pracy sieci testowej. Wariant wyjściowy, który stanowi odniesienie dla prowadzonych symulacji, dotyczy pracy układu bez generacji i zasobników akumulatorowych. Pozostałe warianty dotyczą dwóch stanów pracy sieci. Wariant dolina dzienna to stan, gdy obciążenia są niewielkie (przyjmowano dla każdego węzła P O = 1 kw i Q O = 0,5 kvar) a generacja ze źródeł fotowoltaicznych duża (przyjmowano dla każdego węzła P G = 5 kw i Q G = 0 kvar), co ma odpowiadać sytuacji, gdy mieszkańcy są w pracy i jednocześnie występuje duże nasłonecznienie. Wariant szczyt wieczorny to stan, gdy obciążenie jest duże (przyjmowano dla każdego węzła P O = 5 kw i Q O = 2 kvar) a generacja zerowa, co z kolei odpowiada sytuacji, gdy mieszkańcy wracają do domów, przygotowują posiłki i wykonują codzienne prace, korzystają z oświetlenia, a jednocześnie generacja ze źródeł fotowoltaicznych przechodzi w stan wyłączenia. Dla każdego z wariantów analizowano wpływ pracy zasobnika energii zlokalizowanego kolejno w węzłach 2, 5 i 8 sieci. Przy czym, dla wariantu doliny zasobnik był ładowany i pobierał moc 15 kw, natomiast dla stanu szczytu zasobnik były rozładowywany i oddawał moc 15 kw. W czasie oceny warunków pracy sieci skupiono się na ocenie warunków napięciowych oraz ocenie strat mocy w układzie. Warunki napięciowe oceniano przy pomocy metody opisanej m.in. w [3], czyli analizie liczby przekroczeń oraz wskaźnika odchyłki napięcia od zakładanej wartości napięcia, tj. wsk U 2 n 1 Ui U o n 100% i 1 UN (1) gdzie: U napięcie w i tym węźle sieci rozdzielczej, i U N napięcie znamionowe sieci, U o oczekiwana wartość napięcia w poszczególnych węzłach sieci, n liczba węzłów stacji transformatorowych SN/nn. Do wyliczenia wskaźnika, jako oczekiwaną wartość napięcia w węzłach odbiorczych przyjmowano 410 V nieco wyższa od znamionowej wartość napięcia pozwala bowiem na kompensowanie spadków napięć w instalacjach odbiorczych użytkowników. Wartość wskaźnika wyznaczanego według (1) powinna być jak najniższa.
Wzrost wartości wskaźnika oznacza zwiększenie odchyłek napięć od wartości oczekiwanej w węzłach odbiorczych. Przekroczenia, zgodnie z wymaganiami [4] zliczano, gdy napięcie w dowolnym węźle różniło się od napięcia znamionowego o więcej niż ±10%. Najważniejsze wyniki obliczeń zestawiono w tabelach 1, 2 i 3. Tabela 1. Wyniki obliczeń dla wariantu odniesienia (bez zasobnika i generacji PV, obciążenie sieci: 8 kw, 4 kvar Lokalizacja zasobnika - P L kw 8,00 Q L kvar 4,00 P G kw 0,00 Q G kvar 0,00 U max V 424,8 Max U dla: nr wez 0 U min V 420,7 Min U dla: nr wez 8 L. przekr. - 0 wsku % 0,094 ΔP kw 0,08 ΔQ kvar 0,07 W tabeli 1 przedstawiono dane uzyskane dla wariantu uznanego za punkt odniesienia dla kolejnych obliczeń. Poszczególne wiersze w tej tabeli przedstawiają następujące dane: P L całkowita moc czynna obciążenia, Q L - całkowita moc bierna obciążenia, P G - sumaryczna moc czynna generowana, Q G - sumaryczna moc bierna generowana, U max - maksymalna wartość napięcia oraz numer węzła, w którym wystąpiła (Max U dla), U min - minimalna wartość napięcia oraz numer węzła, w którym wystąpiła (Min U dla), L. przekr. - liczba przekroczeń, wsku - wskaźnik odchyłki napięcia opisany wzorem (1), ΔP - straty mocy czynnej w linii, ΔQ - straty mocy biernej w linii. Opisany wariant cechuje niewielkie obciążenia sieci oraz brak generacji i ładowania zasobnika. W wariancie tym nie występują przekroczenia napięcia, a wskaźnik odchyłki napięcia wynosi 0. W kolejnych wariantach rozważane były różne stany pracy, w których zmieniano wartości mocy pobieranych i generowanych w poszczególnych węzłach oraz lokalizację zasobnika energii w sieci.
Tabela 2. Wyniki obliczeń dla wariantu z małym obciążeniem, dużą generacją PV i ładowaniem zasobników; obciążenie sieci: 8 kw, 4 kvar, gen. PV: 40 kw, zas: -15 kw Lokalizacja zasobnika - (nr węzła) 2 5 8 P L kw 8,00 8,00 8,00 8,00 Q L kvar 4,00 4,00 4,00 4,00 P G kw 40,00 25,00 25,00 25,00 Q G kvar 0,00 0,00 0,00 0,00 U max V 442,0 437,6 433,5 431,3 Max U dla: nr wez 8 8 8 4 U min V 429,1 427,5 427,6 427,6 Min U dla: nr wez 0 0 0 0 L. przekr. - 3 0 0 0 wsku % 0,474 0,348 0,279 0,253 ΔP kw 0,97 0,50 0,26 0,26 ΔQ kvar 0,80 0,31 0,23 0,23 W tabeli 2 opisano wyniki uzyskane dla stanu sieci pracującej z małym obciążeniem, dużą mocą generowaną oraz zasobnikiem pracującym w trybie ładowania. W pierwszej kolumnie prezentowane są dane, gdy zasobnik jest odłączony od sieci. W kolejnych kolumnach zasobnik dołączany jest do węzła 2, 5 oraz 8. Włączenie zasobnika odbierającego z sieci 15 kw sprawia, że wartość mocy P G zmniejsza się do 25 kw. Dzięki pracy zasobnika zmniejszają się wartości napięć w poszczególnych węzłach, a co za tym idzie, nie występują przekroczenia, zmniejsza się również wskaźnik odchyłki napięcia. Dodatkowo w przypadku umieszczenia zasobnika w węzłach 5 i 8 efekty te są bardziej widoczne, a jednocześnie znacząco zmniejszają się straty mocy czynnej i biernej w sieci. Tabela 3. Wyniki obliczeń dla wariantu z dużym obciążeniem, bez generacji PV i rozładowaniem zasobników; obciążenie sieci: 40 kw, 16 kvar, gen. PV: 0 kw, zas: +15 kw Lokalizacja zasobnika (nr węzła) - 2 5 8 P L kw 40,00 40,00 40,00 40,00 Q L kvar 16,00 16,00 16,00 16,00 P G kw 0,00 15,00 15,00 15,00 Q G kvar 0,00 0,00 0,00 0,00 U max V 417,7 419,6 419,7 419,7 Max U dla: nr wez 0 0 0 0 U min V 396,6 401,8 406,6 409,9 Min U dla: nr wez 8 8 8 6 L. przekr. - 0 0 0 0 wsku % 0,050 0,024 0,013 0,011 ΔP kw 2,07 1,30 0,88 0,82 ΔQ kvar 1,70 0,91 0,75 0,73
Kolejnym przypadkiem, pokazanym w tabeli 3, jest praca sieci z dużym obciążeniem oraz brakiem generacji w instalacjach prosumenckich. Dla takiego stanu źródłem energii może być system oraz zasobnik energii. Tak jak poprzednio, w pierwszej kolumnie prezentowane są dane dla pracy sieci bez zasobnika - stanowią one punkt odniesienia do dalszych rozważań. Jest to klasyczny przypadek sieci jednostronnie zasilanej, gdzie punkt spływu znajduje się w ostatnim węźle. Dodawanie zasobnika energii zmienia rozpływ prądu w sieci poprawiając jednocześnie warunki jej pracy. Zwiększa się wartość napięcia minimalnego w węzłach. W żadnym z prezentowanych w tabeli 3 przypadków nie występują przekroczenia. Wraz z przesuwaniem zasobnika w głąb sieci zmniejsza się wskaźnik odchyłki napięcia oraz zmniejszają się straty mocy czynnej i biernej. Przedstawione wyniki potwierdzają, że stosowanie układów zasobników energii może przyczynić się do poprawy warunków napięciowych w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia. W odniesieniu do zagrożeń obserwowanych w sieci z dużym udziałem fotowoltaicznych instalacji prosumenckich, czyli ryzyka występowania przekroczeń napięciowych w węzłach odbiorczych, można stwierdzić, że odpowiednio dobrana instalacja magazynu energii pozwala na likwidację przekroczeń. W każdym z analizowanych przypadków poprawne stosowanie układu zasobnikowego, czyli takie, by zmniejszać różnicę pomiędzy mocą pobieraną i generowaną przyczyniało się do zmniejszenia wskaźnika odchyłki napięcia. Warto zauważyć, że stosowanie układu zasobnikowego przyczynia się także do istotnego zmniejszenia strat mocy w sieci. Odrębną kwestią przy podejmowaniu decyzji o instalacji zasobnikowej powinno być określenie optymalnego miejsca jej posadowienia. Z oczywistych względów, w przypadku, gdy właścicielem zasobnika będzie prosument, operator sieci nie będzie mógł ingerować w miejsce jego instalacji. W przypadku jednak, gdy inwestorem będzie operator sieci kwestia wyboru lokalizacji będzie istotna. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że zarówno wskaźniki odchyłki napięcia jak i straty mocy korzystnie się zmieniają, gdy zasobnik jest instalowany w głębi sieci. Może to niestety wiązać się z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi, gdyż dla każdego obwodu (lub tylko dla tych, w którym wystąpią istotne zagrożenia napięciowe) należałoby instalować oddzielny układ zasobnikowy. 5. STEROWANIE PRACĄ SIECI W przeprowadzonych obliczeniach założono uproszczone modele odbiorów oraz źródeł energii. W rzeczywistych warunkach zmiany obciążenia w poszczególnych węzłach sieci będą miały charakter losowy. Dlatego też, zainstalowanie zasobnika energii będzie wymagało stworzenia autonomicznego układu monitorującego parametry w wybranych węzłach sieci, monitorującego moce generowane w instalacjach prosumenckich oraz sterującego pracą zasobnika energii [5].
Układ sterowania powinien mieć również możliwość przekazywania wybranych informacji do systemu SCADA operatora sieci dystrybucyjnej [6]. 6. PODSUMOWANIE W ostatnich latach operatorzy sieci elektroenergetycznych wobec rozwoju energetyki prosumenckiej stoją przed wyzwaniami zapewnienia poprawnej pracy układów elektroenergetycznych. Duży udział źródeł fotowoltaicznych w połączeniu ze specyfiką ich pracy może prowadzić do występowania w sieciach przekroczeń napięciowych. W niniejszym artykule zaproponowano wykorzystanie układów zasobników energii w celu łagodzenia zagrożeń napięciowych oraz zmienności rozpływów mocy. Przeprowadzone obliczenia pozwalają stwierdzić, że poprawnie dobrany i zainstalowany układ zasobnikowy może z powodzeniem być wykorzystany jako urządzenie poprawiające warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia. Można stwierdzić, że: stosowanie akumulatorowych zasobników energii w sieciach niskiego napięcia może ograniczyć konieczność przebudowy lub rozbudowy sieci nn; zasobniki energii wpływają na łagodzenie odchyłek napięcia od wartości oczekiwanej w sieci nn; optymalnie zlokalizowane zasobniki energii przyczyniają się do ograniczenia strat mocy w sieci. W przypadku, gdy inwestorem będzie operator sieci wybór lokalizacji zasobnika powinien odbywać się na podstawie analiz obliczeniowych tak, by optymalizować jego wykorzystanie w zakresie regulacji napięcia i minimalizacji strat mocy. Co prawda wyniki obliczeń pokazały, że najkorzystniejsze jest lokalizowanie zasobnika na końcu obwodu aczkolwiek intuicja inżynierska podpowiada, że nie jest to generalna zasada. Siec modelowa została zbudowana tak, że wszystkie odbiory zostały rozłożone równomiernie a linie były wykonane takim samem typem przewodów. W praktyce może być tak, że odcinki końcowe będą wykonywane przewodami lub kablami o mniejszych przekrojach i w związku z tym wymuszanie przepływów mocy w tych odcinkach w związku z ładowaniem lub rozładowaniem baterii akumulatorów spowoduje zwiększenie strat mocy. Wybór miejsca lokalizacji powinien być poprzedzony analizami obliczeniowymi.
LITERATURA [1] www.tesla.com [2] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz po bitwie. Rynek Energii, Nr 2 (117) 2015, str. 40-44. [3] Kacejko P., Adamek S., Wydra M.: Optimal Voltage Control in Distribution Networks with Dispersed Generation. Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT Europe), 2010 IEEE PES [4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz.U. 2007 nr 93 poz. 623, [5] Jędrychowski R., Wydra M.: Modeling of control systems dedicated to dispersed energy sources, Przegląd Elektrotechniczny - 2014, nr 3, vol. 90, s. 247-250 [6] Jędrychowski R.: Kontrola pracy małych źródeł energii elektrycznej w sieci niskiego napięcia. Rynek Energii, nr 1 2013 r. s. 16-20. ENERGY STORAGE APPLIED TO CONTROL ELECTRICAL PARAMETERS OF LOW VOLTAGE NETWORKS Key words: energy storage, microgeneration, energy quality Summary. The paper presents advantages that can be gained by the installation of an additional energy source in the form of a fully controllable energy storage unit in a low voltage network. Its objective is to show variant cases of the energy storage operation taking into account load changes and variously located generation points over the network. The impact of the energy storage operation on electrical parameters in different points of the network is also shown. Robert Jędrychowski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, email: r.jędrychowski@pollub.pl Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, email: p.pijarski@pollub.pl Sylwester Adamek, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, email: s.adamek@pollub.pl