Projekt okładki i stron tytułowych Bartosz Dobrowolski

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redaktor prowadzący Irena Puchalska

Redaktor Maria Kasperska

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2015

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2015 r., (wyd. I)

Warszawa 2016

ISBN 978-83-01-18945-7

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

Wykaz ważniejszych oznaczeń, indeksów i skrótów

1. Wstęp

2. Jakość zasilania odbiorców

2.1. Wprowadzenie

2.2. Zagadnienia prawne

2.3. Jakość energii elektrycznej

2.3.1. Charakterystyka zaburzeń elektromagnetycznych

2.3.1.1. Zmiany częstotliwości napięcia zasilającego

2.3.1.2. Długotrwałe (wolne) zmiany wartości skutecznej napięcia zasilającego

2.3.1.3. Wahania (szybkie zmiany) napięcia

2.3.1.4. Zniekształcenie przebiegu napięcia

2.3.1.5. Asymetria napięcia

2.3.2. Wskaźniki jakości energii elektrycznej

2.3.3. Pomiar i ocena jakości energii

2.4. Niezawodność dostawy energii do odbiorców

2.4.1. Zapady napięcia i krótkie przerwy

2.4.2. Przerwy w zasilaniu

3. Generacja rozproszona w sieciach dystrybucyjnych

3.1. Uwagi ogólne

3.2. Źródła energii

3.2.1. Elektrownie wiatrowe

3.2.1.1. Energia wiatru

3.2.1.2. Budowa turbozespołów wiatrowych

3.2.1.3. Układy regulacji turbin wiatrowych

3.2.2. Źródła fotowoltaiczne

3.2.2.1. Energia promieniowania słonecznego

3.2.2.2. Ogniwa fotowoltaiczne

3.2.2.3. Budowa systemów fotowoltaicznych

3.2.3. Małe elektrownie wodne

3.2.3.1. Energia wody

3.2.3.2. Budowa małych elektrowni wodnych

3.2.4. Elektrownie biogazowe

3.2.4.1. Właściwości energetyczne biogazu

3.2.4.2. Budowa elektrowni biogazowych

3.3. Stan aktualny i perspektywy rozwoju źródeł rozproszonych

3.4. Zagadnienia prawne OZE

4. Problemy integracji rozproszonych źródeł energii z siecią elektroenergetyczną

4.1. Charakterystyka sieci dystrybucyjnych

4.2. Przyłączanie źródeł do sieci elektroenergetycznej

4.2.1. Wymagania przyłączeniowe

4.2.2. Miejsce i sposób przyłączenia

4.2.3. Sterowanie przekształtnikami przyłączeniowymi źródeł

4.3. Wzajemne oddziaływanie źródeł i sieci zasilającej

4.3.1. Wpływ źródeł na pracę sieci

4.3.2. Oddziaływanie sieci zasilającej na źródła

4.4. Zdolność przyłączeniowa sieci

4.5. Wpływ przyłączenia źródeł na obciążenie sieci elektroenergetycznej

4.5.1. Obciążalność sieci

4.5.2. Straty mocy i energii

4.5.3. Zwiększenie zdolności przyłączeniowej

5. Jakość napięcia zasilającego w sieciach z generacją rozproszoną

5.1. Poziomy napięć w węzłach sieci

5.1.1. Zdolność przyłączeniowa sieci według kryterium dopuszczalnych odchyleń napięcia

5.1.2. Regulacja napięcia

5.1.2.1. Regulacja bezpośrednia

5.1.2.2. Regulacja pośrednia

5.1.2.3. Wpływ źródeł rozproszonych na pracę urządzeń regulacyjnych

5.2. Wahania napięcia

5.2.1. Ocena zaburzenia na etapie projektowania przyłączenia źródła

5.2.2. Ocena zaburzenia na podstawie pomiarów

5.3. Harmoniczne napięć i prądów

5.3.1. Ocena stopnia zaburzenia na etapie projektowania przyłączenia

5.3.2. Ocena zaburzenia na podstawie pomiaru

5.4. Asymetria napięcia

5.5. Zapady napięcia i przerwy w zasilaniu

6. Tradycyjne środki stosowane do poprawy jakości zasilania

6.1. Wprowadzenie

6.2. Statyczne kompensatory równoległe

6.2.1. Kompensatory typu SVC

6.2.1.1. Układ FC/TCR

6.2.1.2. Układ TCR/TSC

6.2.2. Kompensatory typu STATCOM

6.2.2.1. Zasada działania

6.2.2.2. Układy wielopulsowe i wielopoziomowe ze sterowaniem techniką modulacji prostokątnej

6.2.2.3. Kompensatory DSTATCOM

6.3. Kompensacja odbioru w sieci SN

6.3.1. Sterowanie kompensatorów SVC

6.3.2. Sterowanie kompensatorów STATCOM

6.4. Kompensacja zaburzeń wprowadzanych przez odbiory i źródła w sieci nN

6.5. Kompensacja zaburzeń napięcia zasilającego za pomocą kompensatora DSTATCOM

6.6. Statyczne kompensatory szeregowe

6.6.1. Zasada działania

6.6.2. Ograniczanie zapadów napięcia

6.6.3. Poprawa jakości energii elektrycznej

6.7. Podsumowanie

7. Wykorzystanie źródeł i zasobników energii do poprawy jakości zasilania

7.1. Technologie zasobnikowe

7.1.1. Uwagi ogólne

7.1.2. Baterie elektrochemiczne (akumulatory)

7.1.3. Zasobniki kinetyczne (koła wirujące)

7.1.4. Superkondensatory

7.1.5. Porównanie zasobników

7.2. Zastosowanie zasobników w sieciach z generacją rozproszoną

7.3. Usługi pomocnicze generacji rozproszonej w zakresie jakości energii

7.3.1. Uwagi ogólne

7.3.2. Sterowanie inwertorów źródeł i zasobników energii

7.3.2.1. Sterowanie prądowe

7.3.2.2. Sterowanie napięciowe

7.4. Inteligentne mikrosystemy elektroenergetyczne

8. Zakończenie

Literatura

Publikacje

Projekty badawcze

Normy i przepisy ogólne

Strony internetowe

Wszystkie rozdziały dostępne w pełnej wersji książki.

Przedmowa

Tematyka jakości zasilania w energię elektryczną, której poświęcona jest niniejsza książka, jest podejmowana od wielu lat, ale w nowych warunkach pracy systemu elektroenergetycznego wynikających ze wzrostu penetracji generacji rozproszonej nabiera nowego znaczenia. Jest oczywiste, że rozproszone źródła energii wpływają na pracę systemu i oddziałują na jakość energii elektrycznej. W potocznym odczuciu uważa się, że wpływ ten jest raczej negatywny, przy czym brakuje jednoznacznej informacji, jaki jest stopień owego negatywnego oddziaływania i w jaki sposób odczuwa to odbiorca energii. Zamierzeniem autorów było przybliżenie czytelnikowi problematyki integracji źródeł z siecią zasilającą oraz pokazanie wpływu tej integracji na parametry jakości zasilania.

Książka dotyczy elektromagnetycznych sieci dystrybucyjnych, tj. sieci średniego i niskiego napięcia, do których bezpośrednio są przyłączani odbiorcy energii i w których kwestia jakości zasilania ma znaczenie największe. Wybór zagadnień podjętych w książce uwzględnia specyfikę tych sieci i został dostosowany do realizacji głównego celu książki, jakim jest wskazanie najbardziej charakterystycznych i najważniejszych problemów oraz wyzwań, pojawiających się we współczesnych sieciach dystrybucyjnych w obszarze jakości zasilania wraz z rozwojem generacji rozproszonej.

Praca przeznaczona jest dla specjalistów z dziedziny elektroenergetyki. Należy podkreślić, że prezentowana tematyka jest obszerna i interdyscyplinarna. Zakres zagadnień jest pewnym kompromisem między objętością książki, zwartością i logiką rozważań a konieczną do przedstawienia wiedzą. W odniesieniu do zagadnień szczegółowych autorzy odwołują się do licznej literatury.

Prezentowane w książce rozważania i wyniki są efektem wieloletniej pracy autorów w obszarze jakości zasilania i pochodzą z badań własnych oraz badań i pomiarów zrealizowanych w układach rzeczywistych. Omawiane zagadnienia są ilustrowane szczegółowymi przykładami obliczeniowymi, wykonanymi za pomocą symulatorów opracowanych przez autorów w ramach kilku projektów badawczych.

Autorzy pragną podziękować dr. inż. Rozmysławowi Mieńskiemu za wieloletnią współpracę i udział w realizacji projektów badawczych, a także dr. inż. Bogusławowi Terleckiemu za współpracę i możliwość wykonywania badań w elektrowni wiatrowej Kamieńsk.

Irena Wasiak

Ryszard Pawełek

Wykaz ważniejszych oznaczeń, indeksów i skrótów

Oznaczenia:

A, E

– energia

a

– operator obrotu o 2/3 π (120°)

C

– pojemność kondensatora

c(ψk, va)

– wskaźnik migotania światła z turbozespołu wiatrowego przy kącie fazo- wym ψk impedancji sieci w PWP oraz prędkości wiatru va

cosφ

– współczynnik mocy

f

– częstotliwość

h

– numer (rząd) harmonicznej

I, I, i

– prąd – wartości odpowiednio: zespolona, skuteczna, chwilowa

Idd

– obciążalność długotrwała przewodów linii

J

– moment bezwładności

j

– jednostka urojona

K2u

– współczynnik asymetrii napięcia

Kp

– współczynnik wzmocnienia regulatora

L

– indukcyjność

Ni

– liczba odbiorców narażonych na przerwę w określonym czasie trwania przerwy

NT

– łączna liczba odbiorców przyłączonych do sieci

p

– chwilowa moc rzeczywista

P

– moc czynna

ΔP

– straty mocy czynnej

pav (qav )

– wartości średnie mocy chwilowych rzeczywistej i urojonej

Plt

– wskaźnik długookresowego migotania światła

posc (qosc )

– składowe zmienne mocy chwilowych rzeczywistej i urojonej

Pst

– wskaźnik krótkookresowego migotania światła

Q

– moc bierna

q

– chwilowa moc urojona

R

– rezystancja

s

– przekrój przewodów

S, S

– moc pozorna – wartości odpowiednio: zespolona i skuteczna

Sk

– moc zwarciowa

Ti

– stała czasowa regulatora

Tz

– czas trwania zapadu

U, U, u

– napięcie – wartości odpowiednio: zespolona, skuteczna, chwilowa

δU

– spadek napięcia

ΔU

– strata napięcia

U_1

– wartość skuteczna harmonicznej podstawowej napięcia

U1(1)

– wartość skuteczna składowej zgodnej harmonicznej podstawowej napięcia

U1(2)

– wartość skuteczna składowej przeciwnej harmonicznej podstawowej napięcia

Uc

– napięcie deklarowane w punkcie PWP

Ur

– napięcie resztkowe

Uz

– amplituda zapadu

v

– prędkość wiatru

X

– reaktancja

Xc

– reaktancja kondensatora

Z, Z

– impedancja – moduł, wartość zespolona

α

– kąt sterowania fazowego tyrystorów

δ

– kąt między napięciami sieci i przekształtnika (dla harmonicznej podstawowej)

ϑ

– przekładnia transformatora

σ

– kąt przewodzenia tyrystorów

φ

– kąt fazowy

ω

– pulsacja

Indeksy:

α, β, 0

– składowe układu współrzędnych αβ0

1, (1)

– oznaczenie składowej harmonicznej o częstotliwości podstawowej

1, 2, 0

– składowe symetryczne zgodna, przeciwna i zerowa

a, b, c

– fazy układu

AC

– oznaczenie stosowane do wielkości występujących po stronie prądu przemiennego

DC

– oznaczenie stosowane do wielkości występujących po stronie prądu stałego

g

– źródło

h

– numer (rząd) harmonicznej

i, j, k

– numer(y) węzła(ów)

k

– kompensator

L

– wartość dotycząca linii, wartość zmierzona

n

– wartość znamionowa

o

– odbiór

prog

– wartość progowa

ref

– wartość referencyjna

s

– sieć zasilająca

z

– zasobnik

Skróty:

APF

− filtr aktywny (ang. Active Power Filter)

ARCM

− automatyczna regulacja częstotliwości i mocy

DSTATCOM

− statyczny kompensator synchroniczny stosowany w sieci dystrybucyjnej (ang. Distribution STATCOM)

DVR

− dynamiczny stabilizator napięcia (ang. Dynamic Voltage Restorer)

FACTS

− układy regulacji przepływów mocy czynnej i/lub biernej (ang. Flexible AC Transmission Systems)

FC

− stała bateria kondensatorów (ang. Fixed Capacitor)

FFT

− szybka transformata Fouriera (ang. Fast Fourier Transform)

GI

− generator asynchroniczny (indukcyjny)

GPZ

− główny punkt zasilający

GR

− generacja rozproszona

GS

− generator synchroniczny

HAWT

− turbina o osi poziomej (ang. Horizontal Axis Wind Turbine)

IEC

− Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (ang. International Electrotechnical Commission)

MAIFI

− wskaźnik przeciętnej częstości występowania przerw krótkich (ang. Momentary Average Interruption Frequency Index)

MPP

− punkt pracy przy mocy maksymalnej (ang. Maximum Power Point)

NN

− napięcie najwyższe[1]

nN

− napięcie niskie[2]

OSD

− operator sieci dystrybucyjnej

OSP

− operator sieci przesyłowej

OZE

− odnawialne źródło energii

PM

− przekładnia mechaniczna

PWM

− technika modulacji szerokości impulsów łączeniowych (ang. Pulse Width Modulation)

PWP

− punkt wspólnego połączenia (punkt przyłączenia instalacji odbiorcy do publicznej sieci zasilającej)

SAIDI

− wskaźnik przeciętnego systemowego czasu trwania przerwy długiej (ang. System Average Interruption Duration Index)

SAIFI

− wskaźnik przeciętnej systemowej częstości występowania przerw długich (ang. System Average Interruption Frequency Index)

SCO

− samoczynne częstotliwościowe odciążenie

SEE

− system elektroenergetyczny

SN

− napięcie średnie[3]

SSC

− statyczny kompensator szeregowy (ang. Static Series Compensator)

STATCOM

− statyczny kompensator synchroniczny (ang. Static Synchronous Compensator)

SVC

− statyczny kompensator mocy biernej (ang. Static Var Compensator)

TCR

− dławik o sterowanym tyrystorowo prądzie (ang. Thyristor Controlled Reactor)

THD

− całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznymi (ang. Total Harmonic Distortion)

TSC

− bateria kondensatorów załączana łącznikami tyrystorowymi (ang. Thyristor Switched Capacitor)

VAWT

− turbina o osi pionowej (ang. Vertical Axis Wind Turbine)

VFRT

− charakterystyka zapadu napięcia, który farma powinna przetrzymać bez wyłączenia (ang. Voltage Fault Ride Through)

WN

− napięcie wysokie[4]

1

Wstęp

System elektroenergetyczny (SEE) składa się z urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Urządzenia te są ze sobą połączone funkcjonalnie w celu realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom przy minimalizacji nakładów przeznaczonych na ten cel. Praca systemu elektroenergetycznego ma podstawowe znaczenie dla funkcjonowania państwa i życia jego obywateli, w związku z tym systemowi stawia się wysokie wymagania techniczne w zakresie bezpiecznej i stabilnej pracy, bezpieczeństwa użytkowania oraz jakości dostawy energii elektrycznej.

Warunki pracy SEE podlegają ustawicznym zmianom. Ciągła zmienność obciążenia wymaga zainstalowania odpowiedniej aparatury pomiarowej oraz urządzeń i układów automatycznej regulacji i sterowania. Zadaniem operatora systemu jest zapewnienie bilansu mocy zarówno czynnej, jak i biernej, w każdej chwili oraz bilansu energii w dowolnym odcinku czasu.

Podstawowym wymaganiem, jakie operatorowi sieci stawiają odbiorcy energii elektrycznej, jest odpowiednia jakość dostawy energii elektrycznej. Na jakość tę składają się następujące zagadnienia [Third Benchmarking Report 2005]:

• jakość energii zdefiniowana odpowiednimi parametrami napięcia zasilającego,

• pewność (niezawodność) dostawy tej energii określona czasem trwania i liczbą przerw w zasilaniu,

• jakość relacji handlowych między dostawcami a odbiorcami (poziom obsługi odbiorców).

Dwa pierwsze z wymienionych problemów dotyczą technicznej i ekonomicznej strony procesu dostawy energii elektrycznej i charakteryzują jakość zasilania (rys. 1.1).

Znaczenie jakości zasilania wzrasta wraz z rozwojem nowych technologii, układów i urządzeń. Z jednej strony zwiększa się liczba i moc odbiorników będących źródłami zaburzeń elektromagnetycznych, a z drugiej wzrasta wykorzystanie odbiorników szczególnie wrażliwych na niedotrzymanie standardów jakościowych. Obserwowane są w praktyce negatywne zjawiska powodujące zakłócenia w pracy układów regulacji, sterowania czy systemów pomiarowych urządzeń, wynikające z nieodpowiednich wartości parametrów jakości energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych [Dugan i in. 1996, Ghosh, Ledwich 2002, Kennedy 2000, Sankaran 2002]. Zakłócenia te mogą powodować znaczne straty techniczne i ekonomiczne u odbiorców, co z kolei skutkuje żądaniem odpowiednich rekompensat finansowych od dostawców energii.

Rys. 1.1. Zagadnienia jakości dostawy energii elektrycznej odbiorcom

Aktualność i waga omawianej tematyki znalazła swoje odbicie w obowiązujących dokumentach prawnych i normalizacyjnych. Zgodnie z ustawą Prawo Energetyczne 1997 jakość zasilania musi być uwzględniana nie tylko w taryfach opłat, ale także w nowych umowach o dostawę energii elektrycznej. Umowa taka zobowiązuje zarówno dostawcę, jak i odbiorcę energii do spełnienia wymagań jakościowych, a także określa ich odpowiedzialność w tym zakresie. Można więc stwierdzić, że obok oczywistych przyczyn technicznych i ekonomicznych również względy prawne uzasadniają konieczność utrzymania odpowiedniej jakości zasilania odbiorców.

Szczególnie złożone jest zagadnienie zapewnienia odpowiedniej jakości dostawy energii elektrycznej w sieciach z generacją rozproszoną. W generacji rozproszonej można wyróżnić dwie grupy źródeł:

• źródła wykorzystujące paliwa nieodnawialne – głównie gaz naturalny,

• źródła wykorzystujące energię odnawialną: Słońca, wiatru, wody, biopaliw lub ciepła Ziemi (geotermalną).

Do pierwszej grupy źródeł zalicza się przede wszystkim mikroturbiny gazowe, ale także silniki spalinowe i ogniwa paliwowe. W grupie drugiej mieszczą się elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne, elektrownie wodne, a także cieplne, które do produkcji ciepła wykorzystują energię pozyskiwaną z biopaliw. Źródła, które wykorzystują w procesie przetwarzania energię odnawialną, nazywane są odnawialnymi źródłami energii (OZE).

Zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym jest jednym z celów polityki energetycznej krajów UE. W Dyrektywach Komisji Europejskiej [Dyrektywa 2001, Dyrektywa 2003, Dyrektywa 2009] zostały określone cele indykatywne, dotyczące wielkości produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Założono zwiększenie ilości energii wytwarzanej w OZE do poziomu 20% w bilansie energii finalnej wszystkich państw członkowskich UE w 2020 roku. Dla Polski jako cel indykatywny przyjęto udział energii z OZE na poziomie 15,48%. Do realizacji tego celu Polska zobowiązała się w dokumencie strategicznym Polityka energetyczna Polski do 2030 r., uchwalonym przez Radę Ministrów w dniu 10 listopada 2009 r.

Podstawowymi czynnikami wpływającymi na powszechność zastosowania rozproszonej generacji są koszty i efektywność przemiany energetycznej. W chwili obecnej ciągle jeszcze wysokie koszty odnawialnych źródeł energii ograniczają ich praktyczne wykorzystanie. Jednak wzrastające ceny paliw płynnych i gazowych oraz zwiększenie kosztów energetyki konwencjonalnej w związku z działaniami na rzecz ochrony klimatu zmieniają relacje cen energii z różnych źródeł na korzyść zwiększonej opłacalności ich wykorzystania. Rozwojowi OZE sprzyjać będą także ekonomiczne instrumenty wsparcia wprowadzone przez państwo. W chwili obecnej szereg rozwiązań osiągnęło już konkurencyjną cenę i akceptowalną efektywność. Biorąc pod uwagę czynniki natury technicznej, ekonomicznej, jak również politycznej, należy spodziewać się ciągłego wzrostu udziału rozproszonych źródeł w systemie elektroenergetycznym.

Pojęcie generacji rozproszonej obejmuje także zasobniki energii, których zastosowanie we współczesnych sieciach dystrybucyjnych znacząco wzrasta. Tradycyjne zastosowania zasobników odnoszą się do obszaru użytkowania energii i zasilania awaryjnego odbiorników. Przyłączanie do sieci rozproszonych źródeł energii, a w szczególności źródeł odnawialnych, stworzyło nowe obszary dla wykorzystania zasobników, które coraz częściej stają się elementem wspomagającym pracę źródeł i sieci i zwiększającym jej efektywność.

Wzrost penetracji źródeł rozproszonych zmienia warunki pracy systemu elektroenergetycznego i wiąże się z występowaniem rozmaitych zjawisk wpływających na jakość dostawy energii elektrycznej odbiorcom. Zakres i skala obserwowanych problemów są różne i zależą od technologii przyłączonych źródeł, ich mocy, miejsca przyłączenia oraz parametrów sieci. Duży wpływ na jakość zasilania mają odnawialne źródła energii, których praca zależy od dostępności energii pierwotnej.

Zagadnienia jakości zasilania występujące w sieciach elektroenergetycznych z generacją rozproszoną są przedmiotem niniejszej książki. Tematyka książki odnosi się do sieci dystrybucyjnych średniego (SN) i niskiego napięcia (nN), do których przyłączani są odbiorcy energii, i w których jakość zasilania ma znaczenie największe. Zakres książki wynika z prezentowanej na rysunku 1.1 definicji jakości zasilania i obejmuje zaburzenia elektromagnetyczne występujące w stanach normalnej pracy sieci, które wpływają na parametry napięcia zasilającego, ale także zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu, będące efektem zakłóceń w systemie elektroenergetycznym. Taka definicja jakości zasilania jest zgodna z rozumieniem odbiorcy energii, który doświadcza określonych skutków występującego zaburzenia niezależnie od przyczyny, która je wywołała. Przykładowo, obniżenie napięcia zasilającego może wynikać zarówno ze zmian obciążenia, występujących w czasie normalnej pracy sieci, ale też może być efektem zwarcia w sieci.

W rozdziale drugim scharakteryzowano typowe zaburzenia elektromagnetyczne i zdefiniowano parametry jakościowe napięcia zasilającego stanowiące miary tych zaburzeń. Podano dopuszczalne wartości tych parametrów, zgodnie z obowiązującymi przepisami. Uwzględniono aspekty niezawodnościowe zasilania odbiorców, tj. zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu. Kolejny rozdział trzeci poświęcony jest generacji rozproszonej. Przedstawiono w nim najbardziej typowe technologie źródeł energii, aktualnie stosowane w sieciach dystrybucyjnych średniego i niskiego napięcia. Pokazano cechy charakterystyczne źródeł, istotne zwłaszcza z punktu widzenia integracji z siecią zasilającą i oddziaływania na jakość energii elektrycznej.

Rozdział czwarty dotyczy ogólnych problemów integracji źródeł z siecią zasilającą. Zawarto w nim wymagania przyłączeniowe określone dla źródeł przez operatora sieci oraz opisano ideę i sposób oceny zdolności przyłączeniowej sieci elektroenergetycznych. Autorzy skoncentrowali się na tych zagadnieniach integracji, które bezpośrednio wiążą się z tematem książki. W kolejnych rozdziałach zagadnienia te zostały przedyskutowane bardziej szczegółowo i zilustrowane przykładami obliczeniowymi.

W rozdziale piątym przedstawiono problematykę jakości zasilania w sieciach z generacją rozproszoną z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań źródeł, sieci i odbiorów. Pokazano sposoby oszacowania zdolności przyłączeniowej sieci według różnych kryteriów oraz podano wartości mocy źródeł, których przyłączenie nie spowoduje przekroczenia dopuszczalnych wartości parametrów jakościowych.

Rozdziały szósty i siódmy książki dotyczą metod i środków stosowanych do poprawy jakości energii elektrycznej. Przedstawiono w nich urządzenia kompensacyjne o najszerszym zastosowaniu, które umożliwiają redukcję większości zaburzeń pogarszających jakość energii w sieciach odbiorczych. Jednocześnie pokazano nowe możliwości poprawy jakości zasilania, które wiążą się z wykorzystaniem urządzeń generacji rozproszonej przyłączanych do sieci przez przekształtniki energoelektroniczne. Do urządzeń tych zalicza się zarówno źródła, jak i zasobniki energii, których wykorzystanie w nowych warunkach pracy sieci systematycznie wzrasta. Przegląd technologii zasobnikowych i ich zastosowań stanowi część rozdziału siódmego.

Podsumowanie zagadnień prezentowanych w książce zamieszczono w rozdziale ósmym.

2

Jakość zasilania odbiorców

2.1. Wprowadzenie

Energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach jest produktem przemysłowym, przesyłanym za pośrednictwem sieci elektroenergetycznych i przeznaczonym dla odbiorców dokonujących jej zakupu. Cechą specyficzną, odróżniającą energię elektryczną od innych towarów rynkowych, jest proces jej dostawy wymagający wysokiego stopnia ciągłości, gdyż realizacja zamówienia na dostawę energii następuje w momencie załączenia danego odbiornika. Ponieważ obecnie możliwości magazynowania energii są ograniczone, w każdej chwili musi być spełniony bilans mocy, a w dowolnym przedziale czasu bilans energii zapotrzebowanej przez odbiorniki i wytwarzanej w elektrowniach.

Energia elektryczna będąca produktem przemysłowym, podobnie jak każdy towar przeznaczony na sprzedaż, ma pewne cechy jakościowe, które określają jej użyteczność. Jakość energii odnosi się do jakości napięcia zasilającego. Przebieg napięcia powinien mieć kształt sinusoidalny o stałej częstotliwości i wartości skutecznej, a wektory trzech napięć fazowych powinny tworzyć układ symetryczny o kolejności zgodnej. Takie napięcie wytwarzane jest na zaciskach generatorów w elektrowniach. Na skutek zjawisk przejściowych występujących w systemie elektroenergetycznym lub też w rezultacie zaburzeń elektromagnetycznych wprowadzanych do sieci przez przyłączone do niej urządzenia przebieg napięcia w węzłach sieci dystrybucyjnych różni się od przebiegu oczekiwanego. Jakość energii elektrycznej jest definiowana parametrami (lub inaczej wskaźnikami), które charakteryzują poziom określonego zaburzenia elektromagnetycznego, powodującego zmiany w idealnym przebiegu napięcia. Jakość energii odnosi się do stanów ustalonych pracy sieci.

Większość zaburzeń wpływających na jakość napięcia zasilającego wynika ze sposobu użytkowania energii elektrycznej przez odbiorców. Zaburzenia te są wprowadzane do sieci w prądzie odbiorników i ulegają propagacji zależnie od konfiguracji i sztywności sieci. Wpływ na jakość energii elektrycznej mają więc także dostawcy energii z racji eksploatowanych przez nich sieci elektroenergetycznych o odpowiedniej przepustowości obciążenia i sztywności napięcia zasilającego. Dostawcy odpowiadają za napięcie zasilające, wymagając od odbiorców, aby eksploatowane przez nich odbiorniki nie wprowadzały do sieci zaburzeń. Z kolei odbiorcy ponoszą odpowiedzialność za zaburzenia prądowe, wymagając od dostawców zapewnienia napięcia zasilającego o odpowiednich parametrach.

Energia elektryczna dociera do odbiorcy za pomocą systemu urządzeń wytwórczych, przesyłowych i rozdzielczych. Każdy element tego systemu może ulec uszkodzeniom lub awariom, wywołanym oddziaływaniem elektrycznym, mechanicznym lub chemicznym, powstającym w wyniku różnych przyczyn, włączając w to ekstremalne warunki atmosferyczne, procesy starzenia, wpływ środowiska, człowieka, zwierząt, ptaków itp. Konsekwencją takich uszkodzeń mogą być przerwy w zasilaniu. Liczba i czas przerw w zasilaniu jest miarą niezawodności zasilania.

Wymagania związane z zapewnieniem odpowiedniej jakości oraz niezawodności energii elektrycznej są ujęte w normach i przepisach prawnych.

2.2. Zagadnienia prawne

Pojęcia i normalizacja w dziedzinie jakości energii elektrycznej są ściśle związane z pojęciami i normalizacją w dziedzinie kompatybilności elektromagnetycznej [Hanzelka, Kowalski 1999]. Z przyjętej przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (ang. International Electrotechnical Commission, IEC) definicji wynika, że kompatybilność elektromagnetyczną odnosi się zarówno do zagadnień odporności urządzeń na zaburzenia występujące w środowisku, w jakim pracują, jak również do emisji tych zaburzeń. Wzajemna relacja między poziomem emisji a poziomem odporności umożliwia określenie poziomu kompatybilności elektromagnetycznej dla określonego zaburzenia. Zgodnie z normą [PN-T-01030 1996] jest nim maksymalny poziom zaburzenia, które może oddziaływać na urządzenie, nie powodując utraty jego funkcji użytkowych. Można więc stwierdzić, że z punktu widzenia użytkownika poziomy kompatybilności ustalone dla poszczególnych zaburzeń stanowią jednocześnie dopuszczalne parametry jakości energii elektrycznej w miejscu przyłączenia odbiorników.

Z pojęciem poziomu kompatybilności wiąże się określenie tzw. poziomu planowanego, wprowadzonego do oceny sumarycznego oddziaływania odbiorników zaburzających na sieć zasilającą. Poziomy planowane ustalane są przez odpowiednie przedsiębiorstwa energetyczne dla sieci średniego (SN) lub wysokiego napięcia (WN), w celu ustalenia dopuszczalnego poziomu emisji dużych odbiorów przyłączonych do tej sieci. Dla danego zaburzenia poziomy planowane zależą od przyjętych poziomów kompatybilności, charakterystyki odbiorów, struktury oraz właściwości sieci i nie są normalizowane.

Zagadnienia będące przedmiotem normalizacji w dziedzinie jakości energii i kompatybilności elektromagnetycznej można podzielić na trzy grupy:

1. Definicje zaburzeń i charakteryzujących je wskaźników.

2. Dopuszczalne wartości wskaźników, w tym poziomy kompatybilności, poziomy emisji i odporności.

3. Metody badań i pomiarów stosowane w ocenie poziomów i emisji zaburzeń oraz odporności urządzeń.

Podstawowymi międzynarodowymi dokumentami normalizacyjnymi są normy IEC wydawane w serii 61000. Seria ta podzielona jest na kilka części. Definicje wskaźników jakościowych oraz poziomy kompatybilności dotyczące sieci odbiorczych SN i nN podane są w części 2 – Environment. Dopuszczalne poziomy emisji wybranych zaburzeń zawarte są w części 3 − Limits, a metody pomiarowe są opisane w części 4 – Measurement techniques. Działalnością normalizacyjną na potrzeby Unii Europejskiej zajmuje się Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki (franc. Comité Européen de Normalisation Electrotechnique, CENELEC). Wiele norm IEC zostało przyjętych przez CENELEC jako normy europejskie (oznaczenie EN). Powszechną praktyką stosowaną przez większość państw europejskich, członków międzynarodowych organizacji normalizacyjnych, jest tłumaczenie norm IEC lub EN i wprowadzanie ich jako normy krajowe. Podobnie postępuje Polska, adaptując sukcesywnie kolejne normy kompatybilnościowe.

O ile poziomy kompatybilności i poziomy planowane dotyczą głównie projektowania układu zasilającego, o tyle jakość energii elektrycznej w istniejących już i eksploatowanych sieciach elektroenergetycznych ocenia się na drodze pomiarowej, przez porównanie zmierzonych wartości parametrów napięcia zasilającego z ich wartościami dopuszczalnymi. Parametry te zdefiniowane są w normie [PN-EN 50160 2010], która dla niektórych z nich podaje także wartości dopuszczalne, w odniesieniu do punktu przyłączenia instalacji odbiorcy nN lub SN do sieci publicznej, tzw. punktu wspólnego połączenia (PWP). Dopuszczalne wartości parametrów jakości napięcia zasilającego podane w normie PN-EN 50160 są z reguły zgodne z poziomami kompatybilności elektromagnetycznej określonymi dla poszczególnych zaburzeń w normach IEC.

Podstawowym dokumentem określającym zarówno standardy jakościowe obsługi odbiorców, jak i parametry techniczne napięcia zasilającego w krajowym systemie elektroenergetycznym jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. stanowiące akt wykonawczy do ustawy [Prawo energetyczne 1997]. Dokument ten podaje podstawy prawne, których celem jest zagwarantowanie określonego stanu jakości energii elektrycznej i ciągłości zasilania odbiorców finalnych oraz określa odpowiedzialność dostawcy i odbiorcy energii za niedotrzymanie parametrów jakościowych. Wartości dopuszczalne parametrów napięcia podane są w Rozporządzeniu w zależności od napięcia znamionowego sieci, do której przyłączani są odbiorcy energii. W odniesieniu do sieci SN i nN są one zgodne z odpowiednimi wartościami zawartymi w normie [PN-EN 50160 2010].

Należy zauważyć, że normalizacja parametrów wkracza wszędzie tam, gdzie obliczenie gospodarczo optymalnych wartości tych parametrów jest niemożliwe, gdyż brak jest metod obliczeniowych lub szczegółowych danych, albo też wymiar problemu uniemożliwia wykonywanie obliczeń w czasie niezbędnym do podjęcia decyzji. Normalizacja musi wkraczać bardzo ostrożnie, rodzi bowiem zawsze skutki gospodarcze. Musi także stawiać wymagania realne do przestrzegania, gdyż w przeciwnym razie normy pochopnie ustanowione będą ignorowane, a operatorzy sieci będą częściej ograniczać przyłączenie do sieci odbiorców zakłócających, w sytuacji gdy poziom wprowadzanych zaburzeń jest zbyt duży.

2.3. Jakość energii elektrycznej

2.3.1. Charakterystyka zaburzeń elektromagnetycznych

Zaburzenia elektromagnetyczne mające wpływ na jakość napięcia zasilającego można podzielić na grupy dotyczące:

• częstotliwości napięcia,

• wartości skutecznej napięcia,

• kształtu przebiegu (odkształcenia) napięcia,

• symetrii napięć w układach trójfazowych.

Zaburzenia zwykle dzieli się na kategorie według kryterium czasu ich trwania. Najkrócej, w zakresie milisekund i sekund, trwają stany przejściowe oraz krótkotrwałe zmiany amplitudy napięcia spowodowane zdarzeniami awaryjnymi (np. zwarciami) lub łączeniami występującymi w sieciach elektroenergetycznych. Odrębną kategorię stanowią zmiany napięcia wynikające ze zmian obciążenia zachodzące w sposób ciągły w czasie normalnej pracy sieci. Obejmują one zarówno obniżenia, jak i wzrosty napięcia i dotyczą czasów rzędu minut. Stanów ustalonych dotyczą zaburzenia wprowadzane do sieci przez odbiory nieliniowe, niesymetryczne oraz odbiory tzw. niespokojne, charakteryzujące się szybkozmiennym poborem mocy. Do zabużeń tych należą odkształcenie przebiegu i wahania amplitudy napięcia oraz asymetria napięć trójfazowych. Podział wszystkich zaburzeń wraz z typowymi czasami ich trwania przedstawiono w tabeli 2.1, a na rysunku 2.1 pokazano źródła zaburzeń stwarzających problemy z utrzymaniem jakości energii elektrycznej. W dalszej części rozdziału scharakteryzowano te zaburzenia. W opisie pominięto informacje szczegółowe, dotyczące między innymi skutków zaburzeń. Zainteresowanym czytelnikom można polecić obszerne prace [Handbook of Power Quality 2008, Hanzelka 2013]

Rys. 2.1. Źródła typowych zaburzeń pogarszających jakość energii elektrycznej