-
ZARZĄDZANIE MIKROINSTALACJAMI OZE – REALNE
WYZWANIE TECHNICZNE, CZY TYLKO IMPULS
MARKETINGOWY?
Autorzy: Piotr Kacejko, Paweł Pijarski
("Rynek Energii" - luty 2016)
Słowa kluczowe: instalacje prosumenckie, mikroźródła, zmiana
napięcia
Streszczenie. W artykule przedstawiono rozważania dotyczące
zarządzania grupą mikroźródeł przyłączonych do
sieci niskiego napięcia, w obrębie jednej stacji
transformatorowej. Na podstawie przeprowadzonych analiz okre-
ślono możliwy wpływ dużej liczby instalacji prosumenckich
generujących moc w dolinie zapotrzebowania, na
zmiany napięcia w tej sieci. Zaproponowano architekturę i
algorytm lokalnego układu zarządzania grupą takich
źródeł, mającego za zadanie wyeliminowanie efektu „podbicia”
wartości napięcia, który może powodować nega-
tywne konsekwencje dla odbiorców.
1. MIKROINSTALACJE OZE W SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA
Systemy wsparcia wprowadzone przez ustawę o OZE oraz postęp
technologiczny prędzej czy
później doprowadzą do rozwoju systemów wytwarzania przyłączanych
do sieci niskiego na-
pięcia. Skala tego rozwoju może być regulowana ustawowo, ale
tylko do pewnego stopnia,
bowiem spadek cen, szczególnie w zakresie fotowoltaiki,
spowoduje wzrost mocy źródeł,
którego nie da się zahamować, tak jak nie mógł ulec zahamowaniu
rozwój sieci komputero-
wych lub telefonii komórkowej [2]. Wtedy nawet tak subtelny
system wsparcia jak net – me-
tering (bez taryfy gwarantowanej) może spowodować okresową
nadpodaż energii w rozpa-
trywanej sieci i jej przepływ w kierunku stacji
transformatorowej. Konsekwencje techniczne
dla sieci niskiego napięcia, które będą wynikać w przyszłości ze
wzrostu liczby źródeł wy-
twórczych są zróżnicowane. Wydaje się jednak, że najpoważniejsze
z nich to oddziaływanie
napięciowe wynikające z przepływu mocy od miejsca przyłączenia
tych źródeł w stronę stacji
SN/nn.
Gdyby moc produkowana w źródłach rozproszonych odpowiadała mocy
odbieranej
w miejscach ich przyłączania, wtedy stan sieci odpowiadałby
stanowi jałowemu, czyli pobo-
rowi mocy z transformatora SN/nn bliskiemu zeru. Specyfika
źródeł rozproszonych
i zastosowanych technologii polega jednak na tym, że korelacja
mocy w nich wytwarzanej
z mocą zapotrzebowaną jest znikoma [1, 7]. Mówiąc konkretnie o
fotowoltaice, zapotrzebo-
wanie na moc w miesiącach maksymalnego poziomu promieniowania
słonecznego, nie po-
krywa się ze szczytowym zapotrzebowaniem na moc u odbiorców,
którzy pozostawiają w
domach co najwyżej włączone lodówki. Przepływ mocy w kierunku
stacji SN/nn powoduje
efekt określany jako „podbicie napięcia”, będący odwrotnością
efektu spadku napięcia. Tym
-
samym napięcie w punktach przyłączenia źródeł rozproszonych, jak
też w punktach przyłą-
czenia instalacji odbiorczych znajdujących się w ich pobliżu,
może wzrastać powyżej warto-
ści dopuszczalnych skracając istotnie czas życia szeregu
urządzeń, w szczególności źródeł
światła. Zmienność warunków pracy sieci – związana ze zmianami
obciążenia, zmianami
mocy generowanej w źródłach rozproszonych, zmianami zachodzącymi
w sieci SN, mogą w
rezultacie spowodować dobowe fluktuacje napięć w węzłach
odbiorczych sieci niskiego na-
pięcia w szerokim zakresie (np. od 200 do 260 V), które dla
odbiorcy będą postrzegane jak
swoisty napięciowy „dyskomfort”. Nie można oczywiście winy za
ten dyskomfort przerzucać
w całości na źródła rozproszone, ale z pewnością warto prowadzić
analizy jaka jest ich fak-
tyczna rola w zniekształcaniu profilu napięciowego sieci nn, a
jeżeli w pewnych warunkach
okaże się ona istotna, to niezbędne jest zaproponowanie środków
technicznych, które ten ne-
gatywny wpływ mogą skompensować.
2. ISTOTA EFEKTU „PODBICIA NAPIĘCIA”
Przedmiotem prowadzonych analiz, których wynik opisuje niniejszy
artykuł, są zasygnalizo-
wane niżej dwa problemy:
zidentyfikowanie warunków i okoliczności, w których negatywne
oddziaływanie źródeł
rozproszonych może być szczególnie zauważalne,
zaproponowanie rozwiązań technicznych pozwalających na
zdecentralizowaną regulację
mocy biernej tych źródeł, a w warunkach uzasadnionych
ograniczanie poziomu generacji
ich mocy czynnej, które pozwoli na utrzymanie profili
napięciowych sieci nn, w zakresie
akceptowalnym dla ogółu odbiorców.
Na rys.1 przedstawiono w skróconej postaci kompendium
podstawowej wiedzy inżynierskiej
o efektach napięciowych związanych z poborem mocy z sieci, jej
generacją oraz łącznie po-
borem i generacją. Nawet w wysokich gremiach decyzyjnych panuje
pogląd, że przepływ
mocy od źródła do sieci przypomina swoisty proces „pompowania” ,
który zachodzi tylko
wtedy, gdy napięcie w miejscu generacji jest większe od napięcia
w miejscu odbioru. To cał-
kowicie mylne przekonanie znajdujące swoje uzasadnienie we
właściwościach sieci prądu
stałego. W sieci prądu przemiennego wyższe napięcie w miejscu
generacji jest skutkiem
przepływu mocy, a nie jego „siłą sprawczą”. Mocy generowanej w
głębi sieci nie trzeba
„pompować” – system ją zaabsorbuje zmniejszając generację w
jednostkach regulacyjnych –
nośnikiem informacji o chwilowym nadmiarze mocy jest
częstotliwość.
Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z
mikroinstalacji prowa-
dzona dla ekstremalnie dobranych przypadków wskazuje na ich
oddziaływanie silnie i nega-
tywnie wpływające na inne odbiory. Warto zdać sobie sprawę z
faktu, że dla napięcia na szy-
nach rozdzielni niskiego napięcia stacji SN/nn na poziomie 400 V
(co jest wartością typową,
równą napięciu znamionowemu) napięcie u odbiorców oddalonych od
stacji na poziomie 360
V nie jest niczym nienormalnym.
-
Rys. 1. Ilustracja zależności napięciowych związanych
z przepływem mocy w sieci promieniowej niskiego
napięcia: a) odbiór; b) generacja; c) odbiór i generacja
Z drugiej jednak strony, w takim przypadku generacja na poziomie
mocy odbieranej w
szczycie zapotrzebowania, musi wiązać się z „podbiciem” wartości
napięcia do 440 V w jego
dolinie. Dokuczliwość zmian napięcia u odbiorców od wartości 440
V do 360 V zależy od ich
dynamiki i częstości. Można jednak przypuszczać, że zmienność
napięć w tak szerokim za-
kresie nie może być oceniana jako coś normalnego,
akceptowanego
w pełni przez odbiorcę.
3. WYNIKI ANALIZY SIECI TESTOWEJ Z MIKROINSTALACJAMI
Należy podkreślić, że tak jaskrawy obraz oddziaływania
napięciowego mikroźródeł musi być
skonfrontowany z analizą uwzględniającą rzeczywistą konfigurację
sieci oraz, co bardzo
istotne, korelację pomiędzy przebiegiem zapotrzebowania na moc a
możliwościami produk-
cyjnymi mikroźródeł [3, 4]. Rozpatrywana sytuacja, w której
zapotrzebowanie spada do zera,
a możliwości generacyjne osiągają maksimum, może być bowiem
uznana za zbyt pesymi-
styczną.
W artykule przedstawiono wyniki analizy uproszczonej sieci
niskiego napięcia, przedstawio-
nej na rys.2. W skład sieci wchodziły trzy obwody zasilające
osiem zagregowanych węzłów
odbiorczych. Obciążenie każdego z nich wynosiło 10 kW i 4 kvar.
Długości poszczególnych
obwodów wykonanych przewodem AL 25 wynosiły odpowiednio 600 m,
1000 m i 500 m.
Moc transformatora o przekładni 15,75/0,4 kV wynosiła 100
kVA.
Kwestia doboru przekładni transformatora (regulacja w cyklach
kilkuletnich w stanie bezna-
pięciowym) zależy od usytuowania stacji w stosunku do Głównego
Punktu Zasilania. Jeśli
odcinek SN jest krótki przyjmuje się pracę na zaczepie +5%
(napięcie SN nieco za wysokie,
przekładnia tak ustawiona obniża napięcie po stronie 0,4 kV),
jeśli odcinek SN jest długi
-
przyjmuje się pracę na zaczepie -5% (napięcie SN jest za niskie,
przekładnia tak ustawiona
podwyższa napięcie po stronie 0,4 kV). Niestety zmiany
konfiguracji sieci SN powodują, że
często aktualnie dobrana przekładnia transformatora nie jest
adekwatna do warunków napię-
ciowych w sieci SN.
Rys. 2. Schemat sieci testowej niskiego napięcia
zawierającej zagregowane węzły odbiorcze; wartość
napięcia na szynach 15 kV GPZ przyjęto 15,75 kV
Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone
obliczeniowo za pomocą progra-
mu rozpływowego przedstawiono na rys. 3. Wynika z niego, że
jeśli przez odpowiedni dobór
przekładni i warunki napięciowe w sieci SN, uda się uzyskać na
szynach nn napięcie na po-
ziomie 440V – 400V to w całej sieci ma ono wartości możliwe do
zaakceptowania. Dla na-
pięcia na szynach nn równego 380 V, warunki napięciowe w głębi
sieci mogą być przedmio-
tem reklamacji odbiorców.
Rys. 3. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn;
linie łamane odpowiadają poszczególnym obwo-
dom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni
transformatora SN/nn
Mikroinstalacje OZE modelowano zakładając we wszystkich
agregowanych węzłach odbior-
czych generację mocy o wartości od zera do 10 kW. Schemat sieci
z mikroinstalacjami przed-
stawia rys. 4.
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
0 200 400 600 800 1000
U, p
u
Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]
-
Rys. 4. Schemat sieci testowej niskiego napięcia zawierającej
zagregowane węzły odbiorcze z mikroinstalacjami
Obliczenia rozpływowe wykonywano dla różnych relacji pomiędzy
mocą odbieraną a gene-
rowaną. Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone
dla relacji niekorzystnej z
punktu widzenia sieciowego (moc obciążenia każdego węzła bliska
zeru, moc generowana w
każdym węźle 10 kW) przedstawiono na rys.5.
Rys. 5. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn;
linie łamane odpowiadają
poszczególnym obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech
przekładni
transformatora SN/nn i jednakowych mocy generowanych w każdym
węźle
Jak widać efekt „podbicia” napięcia, w przypadku dobrych
warunków napięciowych na szy-
nach nn (powyżej 400 V) jest znaczący i prowadzi do wartości 460
V. Oceniając jednak kom-
pleksowo możliwość zmian napięcia od stanu zerowej generacji do
stanu maksymalnej gene-
racji to w niekorzystnych warunkach sieciowych, może być to
zmiana od 320 V (najniżej po-
łożony punkt na rys. 2) do wspomnianych 460 V (najwyżej położony
punkt na rys. 5). Nawet
przy statycznym charakterze takich zmian warunków napięciowych,
muszą być one uznane
jako niekorzystne dla odbiorców i zastosowanie środków
zaradczych staje się uzasadnione.
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
1.15
1.2
0 200 400 600 800 1000
U, p
u
Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]
-
4. KONCEPCJA UKŁADU STEROWANIA GRUPĄ MIKROINSTALACJI
Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z
mikroinstalacji, prowa-
dzona dla ekstremalnych przypadków, wskazuje na bardzo silne i
negatywnie wpływające na
inne odbiory oddziaływanie. W dalszej części artykułu
zaproponowano koncepcję podjęcia
środków zaradczych, sprowadzającą się do objęcia grupy
mikroinstalacji prostym systemem
sterowania.
Najprostszym sposobem oceny kwestii napięciowych sieci niskiego
napięcia są zależności:
0
(1 )
(1 )
i i
i i i
n n
i i
P QU R X a
U U
U U U b
Jak widać z wzorów (1) o spadku, jak też o podbiciu napięcia
decydują addytywnie dwa ele-
menty – związane z przepływem mocy czynnej jak też z przepływem
mocy biernej. Zbyt duża
wartość zmiany napięcia (1a) może być zatem ograniczona poprzez
zmianę mocy czynnej
oraz zmianę mocy biernej. O ile w przypadku mocy odbieranej
(PLi, QLi) nie jest to technicz-
nie możliwe (jeśli wykluczyć odłączanie odbiorców), to w
przypadku mocy generowanej (PGi,
QGi) techniczna realizacja wydaje się realna. Warto zwrócić
uwagę, że sieć niskiego napięcia,
kiedyś całkowicie nieobserwowalna w sensie technicznym, obecnie
dzięki zainstalowaniu w
niej liczników „inteligentnych” oferuje bogaty strumień pomiarów
(napięcia, prądy, moce
czynna i bierna). Korzystanie z niego jest uwarunkowane jedynie
możliwościami odpowied-
nio zorganizowanego i obsługiwanego kanału transmisji.
Przekraczanie dopuszczalnych poziomów napięć wynikające z
przepływu mocy w kierunku
stacji SN/nn może zostać ograniczone w następujący sposób:
wymuszenie przepływu mocy biernej płynącej w stronę odbiorów,
poprzez zdalne oddzia-
ływanie na falowniki mikroinstalacji (zaleta: nie ma
konieczności ograniczania generacji
mocy czynnej żadnego podmiotu; wady: niewielka skuteczność z
uwagi na małą induk-
cyjność linii nn, ograniczenia wynikające z prądów znamionowych
zabezpieczeń, koniecz-
ność ingerowania w instalację, której operator sieci nie jest
właścicielem);
ograniczanie generacji mocy czynnej produkowanej w
mikroinstalacjach, poprzez zdalne
oddziaływanie na falowniki źródeł (zaleta: ograniczenie
generacji może być przeprowa-
dzone sposób postrzegany przez producentów jako sprawiedliwy,
np. proporcjonalny do
mocy znamionowej; wady: konieczność ingerowania w instalację,
której operator sieci nie
jest właścicielem);
ograniczanie mocy przepływającej w kierunku szyn rozdzielni
poprzez wyłączenie zdalne
niezbędnej liczby źródeł – najczęściej zlokalizowanych na
końcach obwodów (zaleta:
techniczna łatwość realizacji, duża skuteczność, brak
konieczności ingerowania w instala-
-
cję, której operator sieci nie jest właścicielem; wada: możliwe
niezadowolenie producen-
tów z powodu zróżnicowanego ich traktowania).
Skuteczność ostatniego sposobu sterowania grupą mikroinstalacji
pokazano na rys.6. Wyłą-
czenie trzech źródeł (każde o mocy 10 kW) zlokalizowanych na
końcach każdego z trzech
obwodów rozpatrywanej sieci, bardzo efektywnie „stabilizuje”
wartość napięcia w całej sieci,
czyniąc „podbicie” oddziaływaniem korzystnym, zapewniającym
wartość napięcia na akcep-
towalnym poziomie, niezależnie od wartości napięcia po stronie
SN.
Organizację całego procesu sterowania grupą źródeł rozproszonych
przyłączonych do sieci
niskiego napięcia pokazano na rys.7. Wymagania stawiane
transmisji danych z liczników,
biorąc pod uwagę niewielką liczbę przesyłanych danych i powolny
charakter zmian wartości
mierzonych, są łatwe do spełnienia. Odbiornikiem transmitowanych
danych może być rze-
czywisty lub wirtualny sterownik, nazwany z uwagi na jednostkę
proponującą prezentowane
rozwiązanie Sterownik.PL (Politechnika Lubelska). Sterownik
rzeczywisty może być zlokali-
zowany w stacji transformatorowej, lub osadzony na komputerze
operatora sieci. Istotne wy-
daje się odseparowanie proponowanego układu sterowania grupą
mikroinstalacji od zasadni-
czego układu czasu rzeczywistego SCADA, którego operator używa
do sterowania siecią SN
i 110 kV. Ranga i zadania tych systemów są niewspółmiernie inne
i wspomniana separacja
jest najlepszym sposobem zapewnienia bezpieczeństwa
informatycznego w systemie spółki
dystrybucyjnej.
Rys. 6. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn;
linie łamane odpowiadają poszczególnym
obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni
transformatora SN/nn i jednakowych mocy
generowanych w każdym węźle – sytuacja po wyłączeniu źródeł na
końcach każdego z obwodów
Szczegółowy opis algorytmu sterowania realizowanego przez układ
określony jako Sterow-
nik.PL (pokazanego na rys.8) wykracza poza ramy niniejszego
artykułu. Możliwe jest zarów-
no sterowanie poprzez oddziaływanie na parametry falownika
każdej instalacji wytwórczej,
jak też dokonywanie zdalnych wyłączeń. W każdym przypadku zakres
interwencji układu
sterowania jest minimalizowany, tak by osiągnięty został stan
napięciowy sieci możliwy do
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
1.15
0 200 400 600 800 1000
U, p
u
Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]
-
zaakceptowania przez odbiorców. W sterowniku ma miejsce również
miejsce weryfikacja
danych i ich estymowanie w przypadku wykrytych błędów
transmisji.
Rys. 7. Schemat sieci testowej niskiego napięcia ze źródłami
rozproszonymi i układem sterowania wykorzystu-
jącym pomiary udostępniane przez liczniki inteligentne
Rys. 8. Schemat funkcjonalny sterownika zarządzającego poziomami
napiec w sieci nn nasyconej
w dużym stopniu źródłami rozproszonymi; możliwe jest
oddziaływanie
na falowniki źródeł bądź sterowanie poprzez selektywne ich
wyłączenia
Stosowanie proponowanych układów sterowania w sieci nn znajduje
uzasadnienie wtedy,
gdy nasycenie mikroinstalacjami jest znaczne. W sieci testowej
każdy węzeł odbiorczy był
równocześnie węzłem wytwórczym. W sieciach rzeczywistych z
pewnością sytuacja taka nie
będzie miała miejsca. Ostatecznie o zastosowaniu układu
sterowania powinien decydować
operator, po poddaniu analizie obliczeniowej danej sieci. Z
pewnością układ ten powinien być
stosowany jako narzędzie służące zarówno operatorowi jak i
odbiorcom, a nie jako kolejna
restrykcja nakładana na tych którzy mają odwagę stać się
producentami energii elektrycznej z
mikroinstalacji OZE.
Osobnym problemem jest także aspekt prawny stosowania
proponowanego układu, w szcze-
gólności w zakresie ograniczenia wartości mocy generowanej PGi.
(zarówno w drodze wyłą-
-
czeń jak i oddziaływania na falowniki) [5, 6]. O ile bowiem
kwestie możliwości zdalnego
oddziaływania na wartości QGi mogą być ujęte w warunkach
przyłączenia (podlegających
aneksowaniu po wprowadzeniu mikroźródeł), o tyle kwestie
zmniejszania poziomu generacji
są znacznie bardziej „wrażliwe” i tu konieczne są studia o
charakterze prawnym, bazujące na
zapisach ustawy o OZE i ustawy Prawo energetyczne [2].
5. PODSUMOWANIE
Artykuł zwraca uwagę na negatywne oddziaływanie napięciowe dużej
liczby rozproszonych
instalacji wytwórczych przyłączonych do sieci niskiego napięcia.
Ich lokalizacja na końcach
obwodów oraz moc porównywana z mocą obciążenia szczytowego, w
warunkach maksy-
malnej generacji występujących w dolinach obciążenia, może
prowadzić w pewnych okolicz-
nościach do zmian napięcia w zakresie 320V-460V. Likwidacja
negatywnych zjawisk napię-
ciowych pochodzących od mikroinstalacji jest możliwa dzięki
zastosowaniu prostych i auto-
nomicznych układów zarządzania i sterowania. Przykład takiego
rozwiązania pokazano w
artykule – opanowanie podskoków napięcia jest możliwe poprzez
regulacje mocy biernej i
czynnej falowników mikroinstalacji i/lub przeprowadzanie
selektywnych wyłączeń źródeł
wytypowanych przez algorytm optymalizacyjny realizowany przez
dedykowany sterownik.
Obydwa rozwiązania wymagają odpowiedniego uzasadniania prawnego
na bazie ustawy Pra-
wo energetyczne, ustawy o OZE oraz odpowiednich
rozporządzeń.
„Niniejszy artykuł powstał w ramach realizacji projektu
badawczo-rozwojowego
GEKON1/O2/2014108/19/2014, pt. “Dynamiczne zarządzanie
zdolnościami przesyłowymi
sieci elektroenergetycznych przy wykorzystaniu innowacyjnych
technik pomiarowych” finan-
sowanego w okresie od 01.06.2014 do 31.05.2016 przez Narodowe
Centrum Badań i Rozwo-
ju oraz Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska w ramach programu
GEKON – Generator
Koncepcji Ekologicznych”.
LITERATURA
[1] Paska J, Pawlak K.: Struktura podsektora wytwarzania energii
elektrycznej w warunkach
rozwoju „sieci inteligentnych” oraz instalacji prosumenckich.
Rynek Energii, Nr 1 (116)
– 2015, str. 32-36.
[2] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz
po bitwie. Rynek Energii, Nr
2 (117) – 2015, str. 40-44.
[3] Dąbrowski J., Hutnik E.: Analiza opłacalności produkcji
energii z mikroinstalacji OZE w
budynku mieszkalnym. Rynek Energii, Nr 3 (118) – 2015.
-
[4] Dąbrowski J., Hutnik E., Włóka A., Zieliński M.: Analiza
wykorzystania instalacji foto-
woltaicznej typu on-grid do produkcji energii elektrycznej w
budynku mieszkalnym. Ry-
nek Energii, Nr 1 (110) – 2014, str. 53-59.
[5] Billewicz K.: Mikrogeneracja – aspekty różne,
nieuwzględnione w polskiej legislacji.
Rynek Energii, Nr 3 (112) – 2014, str. 50-57.
[6] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.:
Aspekty wsparcia i rozwoju
mikrokogeneracji rozproszonej na terenie Polski. Rynek Energii,
Nr 5 (114) – 2014, str.
94-101.
[7] Zapałowicz Z., Szyszka D.: Stopień wykorzystania energii
elektrycznej wytwarzanej
przez instalacje fotowoltaiczne. Rynek Energii, Nr 6 (91) –
2010, str. 77-82.
MANAGEMENT OF MICROGENERATIONS OF RENEWABLE ENERGY
SOURCES - TECHNICAL CHALLANGE OR THE MARKETING IMPULS?
Key words: prosumer installation, micro-generation,
overvoltage
Summary. The article describes the thoughts of the micro sources
group management attached to the low volt-
age grid within one transformer substation. On the bases of
carried analysis, there has been defined possible
effect of large scale of the prosumer installation generating
the input within the demand valley, of voltage
changes of this network. The architecture and local algorithm of
management system within the group of sources
that are eliminating the overvoltage effect is also proposed.
This process may cause negative consequences to
consumers.
Piotr Kacejko, prof. dr hab. inż., jest pracownikiem
Politechniki Lubelskiej, email:
[email protected].
Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki
Lubelskiej, email:
[email protected].