Wpływ zamiany typów eletrowni wiatrowych o porównywalnych parametrach na współpracę z węzłem sieciowym Grzegorz Barzy Paweł Szwed Instytut Eletrotechnii Politechnia Szczecińsa 1. Wstęp Ostatnie ila lat, to ores lawinowo pojawiających się projetów branży energetyi wiatrowej -również w Polsce. Każdy z inwestorów tej gałęzi gospodari chcąc, lecz jedynie niewielu poonując napotane bariery zarówno prawne, administracyjne ja i finansowe, zdobywa jao jeden z etapów swojej działalności trudno osiągalny w polsich warunach doument, jaim są Waruni Techniczne Przyłączenia (WTP). Niestety, w związu z m.in. długim oresem oczeiwania na wydanie technicznych warunów przyłączenia do systemu energetycznego oraz innymi elementami procesu inwestycyjnego, w tym m.in. długością trwania zmian w planie zagospodarowania przestrzennego wielu inwestorów zmienia w międzyczasie swoje pierwotne decyzje dotyczące rodzaju i typu uprzednio projetowanych eletrowni wiatrowych. Ja wyazuje doświadczenie, pratycznie w ażdym z rozpatrywanych przypadów, Spółi dystrybucyjne jao organ wydający WTP wymagają, by w ślad za decyzją o zmianie typu projetowanych urządzeń, inwestor wyonywał nową analizę wpływu projetowanej inwestycji na KSE. De facto stanowiso taie, oznacza onieczność rozpoczynania całej procedury ubiegania się o WTP od nowa, łącznie ze złożeniem nowego wniosu o wydanie WTP. W niniejszej publiacji, autorzy na bazie odniesienia do sonstruowanego przypadu, zaprezentują swoją wizję zmian, jaie wnieść może ewentualna zamiana typu maszyn z uprzednio projetowanych, wyazując odniesienie do przedmiotowej westii formalnej 2. Wymagania dotyczące jaości generowanego napięcia Zespół ds. energetyi wiatrowej działający przy Instytucie Eletrotechnii Politechnii Szczecińsiej, realizując swoje opracowania oreślające wpływ projetowanych eletrowni wiatrowych na KSE przyjął, że dla właściwego sporządzenia analizy wpływu przyłączanej instalacji na system eletroenergetyczny oraz późniejszego opracowania wyniów, możliwa i wsazana jest metodologia zalecana w raporcie technicznym DEFU CR 111-E oparta na normie IEC 61400-21.
Ponieważ powyższe przepisy maja swoje odzwierciedlenie i są zbieżne z polsą normą PN-EN 50160 oraz Rozporządzeniem Ministra Gospodari z dnia 25.09.2000r. tym samym mogą być (i są) podstawą taiego opracowania. Celem wymogów Rozporządzenia Ministra Gospodari z dnia 25 września 2000r. w sprawie szczegółowych warunów przyłączenia podmiotów do sieci eletroenergetycznych, obrotu energią eletryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i esploatacji sieci oraz standardów jaościowych obsługi odbiorców (Dz.U. Nr 85 poz. 957 z dnia 13 październia 2000r.) w zaresie opracowania stwierdzającego wpływu projetowanej instalacji na KSE, jest oreślenie i wyazanie odpowiedniej jaości produowanej energii eletrycznej przez projetowaną inwestycję wiatrową. Jaość ta powinna być zgodna z atualnie obowiązującymi przepisami, tóre w odniesieniu do zawartości sporządzanych analiz obejmują zwyle wielości charateryzujące jaość energii, taie ja: poziom (wartość suteczna), częstotliwość i wahania napięcia, zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie (z wyznaczeniem współczynniów odształcenia napięcia i prądu ), asymetria napięć, przerwy w dostawie energii, szybozmienne zapady i podsoi napięcia, uciążliwość migotania (tzw. efet "flicera"). 3. Efety zmiany typu maszyn Dla celów porównawczych, autorzy przyjęli przypade, w tórym zamianie ulegną pierwotnie planowane maszyny typu Enercon E66 o mocy jednostowej 1800W, na maszyny typu Suedwind S77 o mocy jednostowej 1500W. W rozpatrywanym przypadu, pierwotne plany dotyczą 10 maszyn E-66, po zamianie ilość maszyn S77 wyniesie 12. Łączna moc instalowana farmy nie ulegnie zatem zmianie i nadal będzie wynosić 18MW. Analizując westię zamiany maszyn przedmiotowego przypadu, należy również zauważyć, że oprócz ewidentnej zamiany typu i producenta maszyn, zmianie uległ również rodzaj generatora wyorzystywanego w tych urządzeniach do producji energii eletrycznej. Siłownie Enercon E66/18.70, są to trójpłatowe urządzenia onwertujące energię wiatru na eletryczną, zawierające synchroniczny generator energii eletrycznej. Konwersja energii zachodzi tu poprzez energoeletroniczny obwód pośredniczący
(prostowniowo/falowniowy), wyonany na bazie elementów IGBT. Jaość parametrów eletrycznych tego generatora wyznaczają zapisy świadectwa certyfiującego wyonanego przez Wilhelm Kaiser Koog GmbH nr WT 1501/00 Siłownie Suedwind S77 są to również trójpłatowe urządzenie onwersji energii wiatru, jedna onwersja energii zachodzi tu w generatorze asynchronicznym oraz pośredniczącym energoeletronicznym uładzie prostowniowo-falowniowym odpowiadającym za standardy jaościowe produowanej energii zgodnie z Windtestem nr NV01006B1 (Grevenbroich GmbH). Zmiana rodzaju generatora z synchronicznego na asynchroniczny jest ze względu na wyorzystywane w obu przypadach nowoczesne i szybie ułady pośredniczące prądu stałego pratycznie nieistotna. Stosowane różne ułady energoeletroniczne cechują się jedna wieloma różnymi własnościami, tórych znaczenie dla jaości produowanej energii eletrycznej jest zasadnicze. Tym samym ocena wpływu zamiany typu projetowanej siłowni wiatrowej oprócz stwierdzenia ewentualnych różnic w rozpływach mocy, stanowić będzie odpowiednie porównanie i odniesienie poszczególnych wielości z tzw. Windtestów, do stosownych parametrów puntu przyłączenia. 3.1. Wpływ na zmianę rozpływów Zamiana uprzednio projetowanych siłowni wiatrowych na inne może sutować zmianami oszacowanych rozpływów mocy (a co za tym idzie wpływać odmiennie m.in. na nastawy oraz zaresy zabezpieczeń liniowych), wpływem na wyznaczone wsaźnii migotania w odniesieniu do ich dopuszczalnych wartości oraz na ich związe z ątem przesunięcia fazowego sieci. Produowana przez turbiny wiatrowe moc, musi zostać rozesłana za pośrednictwem sieci energetycznej: istniejącej lub oniecznej do wyonania. Tym samym istnieje ograniczenie ilości mocy możliwej do wprowadzenia do istniejącej sieci. Masymalna moc możliwa do wprowadzenia przez projetowana farmę do sieci, wyznaczona jest według nast. zależności: P = n PnG P = 10 1,8 0,99 17, 82MW - dla E66/18.70 max 10 min = P = n PnG P = 12 1,5 0,98 17, 64MW - dla S77 max 10 min = Zamiana maszyn z E-66/18.70 na S77 spowoduje ja widać nieznaczne zmniejszenie masymalnej mocy możliwej do wprowadzenia do sieci, nie powodując przeroczenia
dopuszczalnej wartości obciążenia prądowego linii, w stosunu do pierwotnie załadanej wielości. W przypadach estremalnych dla maszyn gdzie P 10min oreślona będzie na poziomie 1,1, występująca różnica będzie już więsza i rzutować może ona nie tyle na przeroczenie dopuszczalnych wartości obciążalności przewodów (choć teoretycznie również), ale na np. oszacowanie wartości ąta przesunięcia fazowego sieci z tórej to wartości dobiera się inne parametry wchodzące w sład analizy rachunowej. Rys. 1 Przyład wpływu zmiany wielości produowanej mocy na parametry sąsiednich węzłów oraz gałęzi sieciowych; A- dla S77, B-dla E-66, C- dla siłowni gdzie P 10min =1,1P n 3.2. Wpływ na zmianę poziomu mocy zwarciowej Negatywne oddziaływanie turbin z generatorami asynchronicznymi i wirniami latowymi, wynia głównie z niewłaściwego stosunu poziomu mocy zwarciowej sieci zasilającej, w stosunu do zainstalowanej mocy tychże generatorów. W sieciach z turbinami
wiatrowymi, w puncie przyłączenia, następuje wzrost napięcia, tóry przy małej mocy zwarciowej tego puntu może przeroczyć dopuszczalna wartość. Pozostawienie mocy zainstalowanej generatorów oraz poziomów napięć zwarcia transformatorów przedmiotowych farm wiatrowych na jednaowym poziomie nie sutuje zmianą wartości mocy zwarciowych, a co za tym idzie nie zmienia (nie pogarsza) to oszacowanych uprzednio warunów stabilnościowych w ujęciu mocy zwarciowej. Rys.2 Wyznaczenie mocy zwarciowych puntu przyłączenia oraz sładowych przy zamianie maszyn A- dla S77, B- dla E-66 3.3. Wpływ na pozostałe istotne wielości obliczeniowe moc szacunowa i dobór urządzeń secji przyłączeniowej Eletrownie wiatrowe stanowią niewątpliwe źródło załóceń wprowadzanych na sieć roboczą (parametry napięcia zasilającego). Załócenia te wyniają zarówno z uwagi na naturę czynnia roboczego tj. wiatru (zmienność i charater zmian prędości wiatru) ja i cechy onstrucyjne ze szczególnym uwzględnieniem cech uładów energoeletronicznych. Fat, że ułady energoeletronii posiadają różne własności dynamiczne oraz wyniające stad cechy charateryzujące współpracę z siecią, nałada obligatoryjny wymóg sprawdzenia wpływu tychże urządzeń na punt przyłączenia oraz sieć rozdzielczą, w ażdym z analizowanych przypadów oddzielnie. Występujące w raporcie pomiarowym parametry, umożliwiają szybie wyznaczenie mocy szacunowej farm wiatrowych. Wielość ta (wyznaczana zresztą podobnie ja parametr masymalnej mocy możliwej do wprowadzenia przez farmę do sieci), oreśla wpływ na dobór parametrów urządzeń wyposażenia puntu przyłączenia (muszą być one dobrane na
obciążenia ciągłe wyniające z obliczonej mocy szacunowej). Dla przedmiotowej sytuacji różnica jest stosunowo niewiela, lecz podobnie ja to opisano wcześniej, przy rozpatrywaniu odmiennych typów urządzeń może się oazać, iż oreślone wielości przeraczają wielości dopuszczalne dla danego elementu z typoszeregu. Po oreśleniu mocy szacunowej, przy instalacjach wymagających doboru transformatora np.wn/sn, podobnie ja to oreślono wcześniej, doonać można oreślenia typu oraz wielości danego urządzenia (tóre wpływa na ewentualną zmianę parametru mocy zwarciowej!). W analizowanym przypadu, z uwagi na niewielie różnice pomiędzy odpowiednimi wartościami mocy szacunowej można jednoznacznie stwierdzić, iż transformator (przynajmniej, jeżeli chodzi o urządzenie WN/SN) może pozostać tai sam w obu przypadach, co z olei nie powoduje z tego tytułu dodatowych problemów. Znajomość mocy szacunowej oraz parametru mocy zwarciowej puntu przyłączenia pozwala z olei na oreślenie wymaganej minimalnej mocy zwarciowej w danym puncie przyłączenia do sieci. Należy tu taże podreślić, iż część Spółe Dystrybucyjnych wprowadziła do swoich Instrucji Ruchu warune ategoryczny oreślający dopuszczalny stosune mocy zwarciowej puntu przyłączenia do wielości uładów generatorowych (asynchronicznych) - co dla przedmiotowej zamiany w analizowanym wariancie - z uwagi na niezmienność mocy zwarciowej puntu przyłączenia, jest jedna nieistotne. Masymalne uderzenie prądowe Aparatura ontrolna turbiny wiatrowej powinna ograniczać uderzenia prądowe spowodowane łączeniami. Masymalne uderzenie prądowe turbiny wiatrowej podczas pojedynczych operacji łączeniowych zależne jest od mocy zwarciowej i ąta impedancji fazowej sieci w puncie przyłączenia. Zależność ta oreślana jest współczynniiem masymalnej wartości uderzenia prądowego: gdzie R SC jest stosuniem zwarcia: ( Ψ ) 0, 04 R i SC R = S / S Ponieważ ja wyazano wcześniej, zarówno poziomy mocy zwarciowej puntu przyłączenia, ja i ąty impedancji fazowej sieci zależą od wielości (i typu) urządzeń generatorowych projetowanej inwestycji, toteż sprawdzenie tego warunu powinno być ażdorazowo dla taich sytuacji doonywane. r SC
Migotanie podczas operacji łączeniowych oraz stanu pracy normalnej W przypadu łączeń powtarzalnych, a z taimi zawsze trzeba się liczyć, prąd uderzeniowy musi spełniać ostrzejsze waruni. Masymalna dozwolona wartość współczynnia emisji migotań Ψ ) zależy od mocy zwarciowej, ąta impedancji fazowej i ( sieci w puncie przyłączenia i masymalnej liczby łączeń (N) przez ores dwugodzinny. Masymalny dopuszczalny współczynni migotań c( Ψ ) zależy zaś od mocy zwarciowej i ąta impedancji fazowej sieci w puncie przyłączenia do sieci eletroenergetycznej i oreślony jest następującym wyrażeniem: c ( Ψ ) < 0,25 S / S W przypadu przyłączenia ilu turbin wiatrowych do jednego puntu sieci eletroenergetycznej minimalną moc zwarciową wyznacza się z uwzględnieniem współczynnia migotań oreślonego przez producenta turbiny: S 2 c( Ψ ) S gdzie: A jest liczbą identycznych turbin wiatrowych Gwałtowne zmiany mocy wyjściowej z turbiny wiatrowej, załączanie generatora i łączenie baterii ondensatorów powodują zmiany wartości sutecznej napięcia. Powyżej pewnego poziomu taie zmiany powodują tzw. migotanie oświetlenia eletrycznego. Zalecane jest więc, aby emisja migotań jao średnia ważona dziesięciominutowa była nie więsza od P st =0,35, a jao średnia ważona dwugodzinna jao P lt =0,25. K r r A Ocena zawartości wyższych harmonicznych Zgodnie z zaleceniami międzynarodowymi (DEFU CR 111-E oraz IEC 61400-21) oraz wartościami generowanych sładowych harmonicznych wyniających z raportów pomiarowych, można w prosty i szybi sposób oszacować wnoszone przez eletrownie wiatrowe poziomy generowanych sładowych harmonicznych. Zgodnie z zaleceniami IEC 61400-21 inne urządzenia energoeletroniczne, w tóre wyposażona jest eletrownia wiatrowa, taie ja urządzenia służące do regulacji i urządzenia łagodnego rozruchu nie wytwarzają harmonicznych o istotnej wielości z puntu widzenia obowiązujących norm i zaleceń ograniczających poziom harmonicznych wprowadzanych przez urządzenie podłączane do sieci eletroenergetycznej. Nowoczesne ułady energoeletroniczne pratycznie dla ażdego typu współcześnie produowanych eletrowni wiatrowych dużej mocy (powyżej 1MW) nie wnoszą swojego udziału sładowych harmonicznych ponad dopuszczalne przepisami. Mając jedna
świadomość, iż stwierdzenie taie nie może zostać przyjęte jao delaracja zgodności wszystich spotyanych typów oraz że sładowe harmoniczne w sposób znaczący mogą pogorszyć standardy jaościowe produowanej energii należy ażdorazowo te poziomy oreślać. 4. Podsumowanie Wszystie wymienione w niniejszej publiacji parametry oraz waruni onieczne do sprawdzenia, zależne są od wielości zmieniających się wraz z typem projetowanych urządzeń. Ja wyazuje pratya nawet niewiela wydawałoby się zmiana przy pozostawieniu tego samego poziomu mocy zainstalowanej może zmienić zapisy opracowań sporządzanych dla odmiennych typów eletrowni wiatrowych. Pozostawienie podobnego poziomu mocy zainstalowanej projetowanych eletrowni wiatrowych nie gwarantuje więc, wypełnienia nałożonych i wymaganych standardów zarówno jaości produowanej energii eletrycznej ja i własności współpracy z siecią. W przedmiotowym przypadu, ja wyazano, nie stwierdza się pogorszenia standardów jaościowych produowanej energii oraz własności współpracy z siecią. Oreślono jedna jednoznacznie, iż sytuacje taie w innych przypadach mogą mieć miejsce, co tym samym pozwala stwierdzić, że zmiana typów projetowanych urządzeń, w interesie zarówno OSR ja i taże Inwestora, powinna być poprzedzona sprawdzeniem podstawowych ryteriów mogących ulec przez taą zmianę modyfiacji. 5. Literatura 1. Barzy G. Espertyza wpływu przyłączanej farmy wiatrowej p.n Wydminy na istniejący system eletroenergetyczny; Szczecin 2002 2. Barzy G. Techniczne aspety wyboru oraz onfiguracji puntu przyłączenia projetowanych farm wiatrowych w warunach KSE; Energia Gigawat, maj 2003 3. Barzy G. Wybrane problemy związane z przyłączeniem eletrowni wiatrowych do sieci energetycznej; Artyuł przygotowany na onferencję APE 03, Gdańs 2003 4. Barzy G., Dopiera M.: Significant parameters of wind power plants and their influence on reciving devices operation, in Proceedings of the 3rd ISTC UEES'97; Alushta, September 1997; vol.2; 5. Barzy G., Jabłońsi H. Uwagi dotyczące możliwości przyłączania siłowni wiatrowych oraz ich wpływ na rajowy system eletroenergetyczny, w mat. Konferencji Rozwój Energetyi Wiatrowej Konieczność czy idealizm ; Kielce 2002 6. Defu Report CR 111-E; Danemar 1998 7. Lubośny Z. Metodologia oceny wpływu eletrowni wiatrowej na parametry napięcia zasilającego, APE 01, Gdańs 2001 8. Measnet "Windturbines quality power" 1996, Belgium 9. Norma IEC 61400-1 (Wind turbine generator systems) 10. Rozporządzenie Ministra Gospodari z dnia 25.09.2000r. w sprawie szczegółowych warunów przyłączenia (Dz.U. Nr 85 poz. 957 z dnia 13.10.2000r.) 11. Siodelsi A. Zasady i problemy współpracy eletrowni wiatrowych z siecią eletroenergetyczną. Proc. of I Conference Wind energy On and Off shore, Szczecin 2001