Współpraca rozproszonych źródeł energii z sieciami

Współpraca rozproszonych źródeł
energii z sieciami
elektroenergetycznymi
dr inż. Marek Adamowicz
Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego
PLAN PREZENTACJI






Możliwości przyłączania rozproszonych źródeł energii
3-12
Falownik sieciowy
13-18
Elektrownia wiatrowa
19-24
Elektrownia fotowoltaiczna
25-29
Elektrownia wodna
30-42
Regulatory napięcia - zwiększenie przyłączania
źródeł OZE niskiej mocy.
43-
2
Możliwości przyłączania
[1] Kryteria oceny możliwości przyłączania mikroinstalacji i małych
instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia
Operatora Systemu Dystrybucyjnego. ENERGA Operator, Gdańsk, luty
2017 r.
[2] Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne dla mikroinstalacji
i małych instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego
napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Polskie Towarzystwo
Przesyłu i Rozdzialu Energii Elektrycznej PTPiREE, Poznań, 11 sierpnia
2014 r.
[3] INSTRUKCJA RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ.
ENERGA Operator, Gdańsk, 1 marca 2017 r.
3
Możliwości przyłączania
1. Weryfikacja możliwości przyłączenia
• Ocena wpływu przyłączenia systemu generacji na pracę sieci nN polega na
wyznaczeniu i porównaniu z dopuszczalnymi wartościami następujących
wskaźników:
4
Możliwości przyłączania
1. Weryfikacja możliwości przyłączenia
• sprawdzenie zachowania poziomu napięcia w zakresie ±10% Un oraz zmian
napięcia (odchyleń i zmian poziomu napięcia)
• sprawdzenie ograniczeń szybkich zmian napięcia wywołanych załączeniem
pojedynczego źródła (wahań napięcia)
5
Możliwości przyłączania
2. Harmoniczne – emisja harmonicznych w prądzie
• Ograniczenie emisji harmonicznych w prądzie służy bezpośrednio zachowaniu ich
poziomów dopuszczalnych w napięciu
• Jeśli mikroinstalacja lub mała instalacja posiada certyfikat zgodności z normami
PN-EN 61000-3-2/3-12 oraz jeśli współczynnik zwarciowy w punkcie przyłączenia
RkPCC jest przynajmniej równy 33, można przyjąć, że przyłączenie źródła nie
6
wprowadzi harmonicznych prądu ponad dopuszczalne limity.
Możliwości przyłączania
3. Zdalna redukcja mocy
 źródło wytwórcze o mocy maksymalnej powyżej 100 kW powinny być
zdolne do zdalnej redukcji mocy czynnej z krokiem nie większym niż 10%
mocy maksymalnej do wartości narzuconej przez OSD;
 źródło wytwórcze (lub zespół źródeł wytwórczych) powinno być
wyposażone w układ zabezpieczeń NS (nad- i podnapięciowych, nad- i
podczęstotliwościowych):
7
Możliwości przyłączania
4. Wyłączenie mikroinstalacji i małych instalacji na żądanie operatora
systemu dystrybucyjnego (OSD) w wyniku:
• zagrożenia systemu generacji,
• przeciążenia lub wystąpienia ryzyka przeciążenia sieci OSD,
• zagrożenia pozostania systemu generacji w pracy wyspowej,
• zagrożenia stabilności napięciowej,
• nadmiernego wzrostu częstotliwości,
• w razie awaryjnego zarządzania generacją w systemie
elektroenergetycznym.
8
Możliwości przyłączania
5. Kompensacja mocy biernej
• Wymagany stopień skompensowania mocy biernej określa ENERGA-OPERATOR SA
w warunkach przyłączenia
• Nie jest wymagane stosowanie urządzeń do kompensacji mocy biernej w
przypadku jednostek wytwórczych, których moc osiągalna określona na przewód
fazowy nie przekracza 4,6 kVA (5 kWp dla jednostek wytwórczych fotowoltaicznych)
• W pozostałych jednostkach wytwórczych należy stosować urządzenia do
kompensacji mocy biernej
• W jednostkach wytwórczych charakteryzujących się pracą ze zmienną mocą, w
szczególności w farmach wiatrowych należy stosować układy automatycznej
regulacji mocy biernej
• W jednostkach wytwórczych z falownikami niezależnymi kompensacja mocy
biernej nie jest wymagana
9
Możliwości przyłączania
Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014)
- źródło wytwórcze przyłączone przez falownik
Charakterystyka P=f(f) wytwarzania mocy czynnej podczas zmian
częstotliwości w sieci nN
10
Możliwości przyłączania
Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014)
- źródło wytwórcze przyłączone przez falownik
Przykład charakterystyki:
Regulacja generacji mocy biernej - PEmax od 3,68 kW do 13,8 kW
11
Możliwości przyłączania
Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne (2014)
- źródło wytwórcze przyłączone przez falownik
Przykład charakterystyki:
Regulacja generacji mocy biernej - PEmax powyżej 13,8 kW
12
Falownik sieciowy
Źródło: S. Piasecki, M. Jasiński, i inni (De Gruyter 2014)
13
Falownik sieciowy
Technologia tranzystorów IGBT
Sterowanie DSP,
moduły
tranzystorowe,
kondensatory
Aparatura
łączeniowa,
zabezpieczenia
Filtr
sieciowy LC
Przykład realizacji: falownik 250 kW, topologia
3-poziomowa (NPC) zapewnia minimalizację
wymiarów filtra.
Prąd sieciowy
tzw. ripple prądu
Falownik 40 kW, fsw=5kHz: dobrany dławik filtra
L=1.13mH oraz przebiegi prądu dla zbyt
14
małego dławika L=0,38mH i braku CF
Falownik sieciowy
Technologia tranzystorów z materiału węglika krzemu SiC
 Moduły tranzystorowe SiC MOSFET fsw=33kHz, dławik LF=0,2 mH
 Amplituda tzw. rippli prądu sieciowego <5A
 Możliwość zmniejszenia dławika do LF=0,1 mH
15
Falownik sieciowy
Obszar pracy (P,Q) falownika sieciowego w funkcji zastępczej siły elektromotorycznej
SEM sieci
L2 > L1
IC – prąd kolektora tranzystora
Źródło: D. Wojciechowski (2005)
16
Falownik sieciowy
Sterowanie
 Sterowanie falownika sieciowego jest niezależne
od sterowania przyłączonym OZE
 Estymacja SEM sieci
 Predykcyjny regulator prądu
17
Falownik sieciowy
Sterowanie
 Sterowanie falownika sieciowego jest niezależne od sterowania przyłączonym OZE
Źródło: D. Wojciechowski (2005)
18
Elektrownia wiatrowa
Charakterystyka elektrowni wiatrowej
 moc turbiny o stałej prędkości obrotowej zwiększa się wraz ze zwiększaniem
prędkości wiatru, następnie maleje,
 Projektowanie łopat: duża stromość lewej strony krzywej Cp=f(Lambda)
Cp – współczynnik mocy turbiny wiatrowej
Cp
R
l
V
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16 l
19
Elektrownia wiatrowa
Założenia konstrukcyjne małej elektrowni wiatrowej
 Elektrownia o osi poziomej
 Stały kąt ustawienia łopat - zaprojektowania łopat o odpowiedniej zależności
Cp=f(Lambda)
 Sterowanie z maksimum mocy
 Regulacja przez przeciąganie - zastosowanie regulacji przez przeciąganie do
małej elektrowni wiatrowej o zmiennej prędkości obrotowej
 Projekt łopat turbiny - zastosowaniu takich charakterystyk momentu w
funkcji prędkości kątowej turbiny, że przy stałej prędkości obrotowej wzrost
prędkości wiatru powoduje zmniejszenie momentu.
 Hamulec bezpieczeństwa
Tak zaprojektowana turbina może bezpiecznie pracować przy dużych
prędkościach wiatru
20
Elektrownia wiatrowa
21
Elektrownia wiatrowa
Statyczne krzywe sterowania – zadania układu sterowania falownika
maszynowego
 Regulatory zapewniają stałą moc turbiny i ograniczanie prędkości - zapewnienie
niezbędnego zapasu momentu generatora do bezpiecznej pracy
 Stała moc elektrowni zapewniona przez wykorzystanie pracy generatora w zakresie
22
odwzbudzania powyżej prędkości znamionowej
Elektrownia wiatrowa
23
Elektrownia wiatrowa
Lotny start
Generator indukcyjny zasilany z silnika
spalinowego:
 Etap 1: odbudowa strumienia w maszynie
przy zerowym poślizgu, przy poborze
energii z sieci na pokrycie strat
 Etap 2: generowanie momentu zgodnie z
algorytmem MPPT
Generator indukcyjny elektrowni wiatrowej:
 Odbudowa strumienia odbywa w czasie
lotnego startu jednocześnie z generowaniem
momentu ze względu na ograniczenie
narastania prędkości kątowej turbiny i
ograniczenie energii pobieranej z sieci na
pokrycie strat
24
Elektrownia fotowoltaiczna
25
Elektrownia fotowoltaiczna
DC-DC String Optimizer
DC-DC String
Optimizer
Centralny falownik sieciowy
26
Elektrownia fotowoltaiczna
DC-DC String Optimizer
WEJ





WYJ
Wyższa rozdzielczość algorytmu MPPT – szerszy zakres napięcia
Zapewnia wyższą o 10% produkcję energii elektrycznej
Instalowany blisko łańcuchów paneli fotowoltaicznych
Wyższa sprawność przekształcania energii
Mniejsze wymiary centralnego falownika sieciowego
27
Elektrownia fotowoltaiczna
DC-DC String Optimizer
String Inverter
6 x DC IN
28
Elektrownia fotowoltaiczna
29
Elektrownia wodna
30
Elektrownia wodna
Generacja rozproszona źródłem mocy biernej w sieciach
średnich napięć o małej impedancji
 Współpracujące z siecią średnich napięć źródła rozproszone – elektrownie
wodne przyłączane są do sieci na sztywno wytwarzają energię elektryczną
czynną zależną od ilości energii pierwotnej - poziomu wód w zbiornikach i
rzekach
 Energia elektryczna bierna wytwarzana/pobierana jest w minimalnej
ilości, celem zachowania współczynnika mocy bliskiego jedności
31
Elektrownia wodna
 Mała Elektrownia Wodna: dwa jednakowe generatory synchroniczne
wzbudzane magnesami trwałymi o łącznej mocy znamionowej 1,1 MW,
 MEW przyłączono w „głębi” sieci – ok 9 km od głównego punktu zasilania,
 MEW generuje średnio ok 75 % mocy znamionowej oraz pracuje ze
współczynnikiem mocy bliskim jedności,
 linia SN, w przeważającej większości napowietrzna, o łącznej długości ok
45 km wraz z odgałęzieniami, do której przyłączono MEW, zasila 32 stacje
transformatorowe SN/nN obciążone współczynnikiem jednoczesności
równym 0,3 oraz współczynnikiem mocy równym 0,96,
 moc znamionowa MEW jest nieznacznie mniejsza od mocy pobieranej
przez odbiorców w okresie szczytu,
 linia zasila tereny wiejskie oraz częściowo niewielkie miasteczko.
Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016)
32
Elektrownia wodna
 Praca źródła rozproszonego pogarsza współczynnik mocy w linii,
 W linii z którą współpracuje zmniejsza się ilość mocy czynnej, przy zachowaniu
tej samej mocy biernej
 Nie wpływa na częstość zmiany położenia przełącznika zaczepów transformatora
 Nie ma mierzalnego wpływu na wartość napięcia na sekcji głównego punktu
zasilania.
Źródło rozproszone:
Elektrownia
wodna 2 x 550kW
Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016)
33
Elektrownia wodna
Źródło
rozproszone
34
Elektrownia wodna
Źródło
rozproszone





Regulacji współczynnika mocy biernej (cos φ),
Regulacji wg. zadanej mocy biernej Q,
Ręczna regulacja wartości napięcia dodawanego,
Monitorowanie prawidłowej pracy układu,
Monitorowanie i rejestracja istotnych dla pracy układu zdarzeń
(zakłócenia, awarie)
35
Elektrownia wodna
 Transformator (UT)
włączony szeregowo w
główny tor prądowy
generatora (UG, IG)
 Przekształtnik
energoelektroniczny,
z transformatorem o
ułamkowej mocy
generatora PMSG realizują
algorytm regulacji napięcia
elektrowni wodnej (Us)
Regulacja amplitudy
napięcia generatora
Regulacja amplitudy
Napięcia i kąta 
36
Elektrownia wodna
Transformator
o ułamkowej
mocy
źródła
rozproszonego
Przekształtnik
energoelektroniczny
37
Elektrownia wodna
38
Elektrownia wodna
Dane techniczne przekształtnika energoelektronicznego
- regulatora napięcia
39
Elektrownia wodna
Źródło rozproszone:
Elektrownia
wodna 2 x 550kW
Źródło: M. Wilczek, TAURON (2016)
40
Elektrownia wodna
 Zmiana wartości napięcia w miejscu przyłączenia MEW spowodowana zmianą
przekładni transformatora mocy
 oraz zmianą generowanej mocy biernej przez MEW
41
Elektrownia wodna
 Profil mocy biernej w GPZ podczas pracy MEW ze współczynnikiem mocy o charakterze
pojemnościowym
 zmiana ilości generowanej przez MEW mocy biernej nie spowodowała mierzalnych
zmian wartości napięcia na sekcji GPZ, ale poprawiła bilans mocy biernej w linii.
42
Regulatory napięcia
Stan techniki
 Instalowanie generacji rozproszonej przyłączonej w głębi sieci
 Korzystne przyłączanie generacji blisko końca analizowanego obwodu – linia jest
w ten sposób częściowo odciążana i poprawa warunków napięciowych następuje
nie tylko za, ale i przed źródłem generacji rozproszonej
43
Regulatory napięcia
Stan techniki
• Transformator FITformer REG
(Siemens) 630kVA umożliwiający
regulację napięcia pod obciążeniem
• wykorzystanie układu do
podobciążeniowego przełączania
zaczepów zainstalowanego po
stronie niskiego napięcia
• po stronie SN znajduje się przełącznik
zaczepów, którym można sterować
beznapięciowo.
44
Regulatory napięcia
Stan techniki
 Stabilizatory napięcia instalowane na końcach mocno obciążonych linii zasilających,
 Przykład: regulator napięcia zbudowany z 3 jednofazowych autotransformatorów,
które mogą podnosić napięcie o 6,7%, 13,3% lub 20% w zależności od poziomu
napięcia wejściowego
 Przy braku potrzeby stabilizacji napięcia załączany jest bypass, żeby
autotransformatory nie pracowały na biegu jałowym
45
Regulatory napięcia
Transformator hybrydowy – płynna regulacja parametrów napięcia
Układy z transformatorem dodawczym
46
Regulatory napięcia
Transformator hybrydowy – płynna regulacja parametrów napięcia
Z izolacją realizowana za
pomocą izolowanej
przetwornicy DC-DC
47
Regulatory napięcia
Transformator hybrydowy
– płynna regulacja
parametrów napięcia
48
Regulatory napięcia
49
Regulatory napięcia
Transformator hybrydowy 20kV/0.4kV 400 kVA – wizualizacja 3D
 Średnia sprawność
przekształtnika 96.5%
 Gęstość mocy 2kVA/litr
uwzględniając filtry i
obudowę
50
Regulatory napięcia
Transformator hybrydowy 20kV/0.4kV 400 kVA
51
Regulatory napięcia
Regulator napięcia zainstalowany w głębi sieci
52
Dziękuję za uwagę