Funkcjonowanie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej sieci WN przy niewielkiej wartości prądu zwarciowego generowanego przez farmę wiatrową

W ostatnim dziesięcioleciu energetyka wiatrowa wyróżniała się najbardziej spośród wszystkich technologii odnawialnych źródeł energii (OZE), osiągając w 2010 r. wartość mocy zainstalowanej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym na poziomie 1 GW. Działania inwestorów wskazują jednak na znacznie większe zainteresowanie rozwojem tego sektora OZE. Potwierdzają to informacje przedstawione m.in. w [9], z których wynika, że do końca listopada 2010 roku Urząd Regulacji Energetyki (URE) udzielił promesy koncesji dla 174 instalacji wiatrowych o łącznej mocy ponad 3600 MW.

Dopiero w dalszej kolejności plasują się promesy koncesji wydane przez URE dla pozostałych typów OZE: biogazownie – 25 instalacji o łącznej mocy niespełna 29 MW; elektrownie na biomasę – 5 instalacji o łącznej mocy 21 MW; elektrownie wodne – 12 instalacji o łącznej mocy 7 MW; elektrownie fotowoltaiczne – 5 instalacji o łącznej mocy 1 MW. Natomiast z informacji przedstawionych w [1] wynika, że PSE Operator podpisał umowy o przyłączenie do podlegającej mu sieci elektroenergetycznej farm wiatrowych o sumarycznej mocy 931 MW oraz wydał warunki przyłączenia potwierdzone wpłatą zaliczki dla farm wiatrowych o mocy 4283 MW. Ponadto spółka ta uzgodniła z operatorami sieci dystrybucyjnej warunki przyłączenia do sieci WN farm wiatrowych o sumarycznej mocy na poziomie 9 GW. Można zatem zakładać, że znaczna część inwestycji, które będą realizowane w energetyce wiatrowej w najbliższym okresie, będzie dotyczyć farm wiatrowych przyłączanych do sieci WN.

Przedstawione informacje, zwłaszcza dane dotyczące perspektyw rozwoju energetyki wiatrowej, wskazują, że źródła wiatrowe mogą wywrzeć istotny wpływ na funkcjonowanie sieci WN. Generalnie, wyprowadzenie mocy ze źródeł wiatrowych do sieci WN może prowadzić do zmian: rozpływów mocy, poziomów napięć, wskaźników jakości energii elektrycznej, wartości prądów zwarciowych, a także warunków pracy automatyki elektroenergetycznej w tym elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ). W większości przytoczonych zagadnień wpływ źródeł wiatrowych na pracę sieci jest proporcjonalny do mocy tych źródeł. Jednak w przypadku EAZ przyłączenie farmy wiatrowej nawet o niewielkiej mocy (kilka/kilkanaście MW) do sieci WN może generować istotne problemy w funkcjonowaniu struktur automatyki zabezpieczeniowej w obszarze sieciowym wokół miejsca przyłączenia tej farmy.

Zagwarantowanie prawidłowego działania EAZ sieci WN po przyłączeniu do niej źródeł wiatrowych jest zagadnieniem ważnym z punktu widzenia zapewnienia bezpieczeństwa pracy zarówno elementom sieciowym, jak i samym źródłom wiatrowym. Problem wpływu farm wiatrowych na działanie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej sieci WN jest bardzo obszerny, dlatego w artykule ograniczono się przede wszystkim do przedstawienia problematyki wpływu niewielkiej wartości prądu zwarciowego generowanego przez farmy wiatrowe na działanie EAZ sieci WN.

sposób współpracy źródeł wiatrowych z siecią elektroenergetyczną – wybrane aspekty konstrukcyjne
W rozwiązaniach komercyjnych obecnie dostępne są siłownie wiatrowe o mocy znamionowej w zakresie od ok. 1 kW do kilku MW. Siłownie te mogą być przyłączane do sieci pojedynczo lub w sposób zgrupowany w postaci tzw. farmy wiatrowej. Generalnie przyjmuje się, że pojedyncze siłownie wiatrowe lub farmy wiatrowe niewielkiej mocy (do kilku MW) najczęściej przyłączane są odpowiednio do sieci nn lub SN. Farmy wiatrowe o mocy z zakresu od kilku do kilkudziesięciu MW (w niektórych przypadkach przekraczające 100 MW) przyłączane są zwykle do sieci WN. Natomiast farmy wiatrowe o mocy powyżej 100 MW przyłączane są na ogół do sieci NN.

Sposób przyłączania farmy wiatrowej do sieci WN może być zróżnicowany. Zależy m.in. od mocy i lokalizacji farmy (odległości od poszczególnych stacji elektroenergetycznych WN), a także liczby farm przyłączonych do ciągu liniowego, z którym ma współpracować dana farma. Przykładowy sposób przyłączenia farmy wiatrowej o mocy 40 MW do sieci WN, powszechnie stosowany w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE), przedstawiono na rysunku 1.

Można wyróżnić szereg różnych konstrukcji siłowni wiatrowych, jednak na farmach wiatrowych instaluje się zwykle siłownie o poziomej osi obrotu i trójłopatowym wirniku. Moce siłowni wiatrowych instalowanych na farmach współpracujących z siecią WN zawierają się zwykle w przedziale 0,5÷3 MW. Cechy elektryczne siłowni warunkowane są głównie rodzajem zastosowanego generatora oraz układów regulacji.

Obecnie w siłowniach o mocy rzędu kilkuset kW i większej wykorzystuje się przede wszystkim dwa typy generatorów: generatory asynchroniczne dwustronnie zasilane (DFIG, ang. Doubly-Fed Induction Generator) oraz generatory synchroniczne. Obydwa rodzaje generatorów współpracują z przekształtnikami energoelektronicznymi w sposób zależny od rodzaju danego generatora (rys. 2.). Dzięki wykorzystaniu przekształtników siłownie wiatrowe mają możliwość generowania energii elektrycznej przy stosunkowo dużych zmianach prędkości ob-91 rotowej wirnika, co daje możliwość pracy tych siłowni podczas zmian prędkości wiatru występujących w szerokim zakresie. Ponadto wykorzystanie przekształtników energoelektronicznych oraz zastosowanie odpowiednich układów regulacji umożliwia produkcję mocy biernej oraz poprawę jakości generowanej energii elektrycznej. Bardziej szczegółowe informacje dotyczące sposobów współpracy farm wiatrowych z siecią WN oraz aspektów konstrukcyjnych siłowni wiatrowych przedstawiono m.in. w [6].