Zmienność napięć stacji WN/SN z przyłączonymi źródłami wiatrowymi (część 2.)
Rys. 1. Schemat ideowy rozpatrywanego fragmentu sieci elektroenergetycznej
Rys. A. Halinka i inni
Badania symulacyjne określające wpływ pracy źródła wiatrowego na kształtowanie się warunków napięciowych w rozdzielniach stacji elektroenergetycznej WN/SN/SN, do której przyłączono źródło, wykonano, zmieniając warunki pracy źródła oraz warunki pracy otoczenia sieciowego. Sposób realizacji badań symulacyjnych przedstawiono w części 1 artykułu, charakteryzując metodykę analiz. Zdefiniowano przy tym wielkości, których wartości zmieniano podczas badań symulacyjnych. Strukturę rozpatrywanego układu sieciowego ze źródłem wiatrowym FW przedstawiono na rysunku 1. Parametry obiektów elektroenergetycznych układu zamieszczono w części 1 artykułu.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
Anna Kuziemska Nowe źródła, nowe wymagania: rozdzielnice SN w projektach OZE i magazynów energii
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN...
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN nie jest już wyłącznie elementem klasycznej stacji transformatorowej – coraz częściej staje się węzłem, który musi obsłużyć dwukierunkowy przepływ energii, współpracę z automatyką zabezpieczeniową, systemami telemechaniki, układami pomiarowymi, magazynami energii oraz rozproszonymi źródłami wytwórczymi.
StreszczenieW artykule przedstawiono wyniki rozpatrywań wybranych aspektów wpływu pracy lokalnego źródła wytwórczego (na przykładzie źródła wiatrowego) na warunki napięciowe występujące w rozdzielniach stacji elektroenergetycznej WN/SN ze źródłem. W zrealizowanych badaniach symulacyjnych ujęto różne scenariusze pracy stacji oraz różne warianty pracy źródła wiatrowego. W zależności od aktywnego trybu sterowania mocą bierną źródła wiatrowego i zadanych parametrów regulacji, praca źródła może prowadzić do kilku-, kilkunastoprocentowego wzrostu bądź zmniejszenia wartości napięcia w rozdzielniach stacji.W części 2 artykułu zamieszczono wyniki zrealizowanych badań symulacyjnych definiujących warunki napięciowe w stacji elektroenergetycznej z przyłączonym źródłem wiatrowym oraz przedstawiono dyskusję uzyskanych rezultatów rozpatrywań. AbstractVoltage Variation in HV/LV Substation Operating With Wind Power Sources (Part 2)The paper presents the impact analysis results (for the selected aspects) of the local power sources (on the example of a wind source) on the voltage variation in busbars of the HV/LV substation operating with a wind power source. The performed simulation studies included various scenarios of the substation operation and several variants of the wind source operation. Wind sources, especially of high power, have different reactive power generation control modes. Depending on the selected control mode a diverse range of voltage variation in HV/LV substation can be observed. Occurring differences can reach over a dozen percents of the substation busbar voltage to which the wind source is connected. |
Zmiany warunków napięciowych występujące w poszczególnych rozdzielniach (R-110, R-20 i R-6) stacji układu sieciowego, towarzyszące przyjętym zmianom wielkości opisujących warunki pracy źródła i jego otoczenia sieciowego, oceniano, wyznaczając zmiany wartości skutecznej napięcia w wymienionych rozdzielniach (DU) odniesione do wartości napięcia znamionowego danej rozdzielni (UN).
Badania symulacyjne warunków napięciowych w rozdzielni R-110 stacji
Wpływ pracy źródła wiatrowego FW przyłączonego do rozdzielni R-20 stacji WN/SN/SN na warunki napięciowe w rozdzielni R-110 tej stacji przedstawiono na rysunku 2. Zamieszczone wykresy obrazują niewielkie (<1% UN) zmiany wartości skutecznej napięcia w rozdzielni R-110 wywołane pracą źródła FW przy różnych poziomach mocy czynnej generowanej przez źródło, różnych trybach sterowania mocą bierną generowaną przez źródło oraz granicznych scenariuszach obciążenia stacji (patrz część 1 artykułu). Badania zrealizowano, zakładając zmienną generację mocy czynnej przez źródło wiatrowe (PFW) w zakresie od 0 do poziomu znamionowego (PNFW = 8 MW) oraz niezmienne w czasie obciążenie stacji (Sobc‑20 = const., Sobc-6 = const.).
Uzyskane rezultaty wykonanych badań symulacyjnych pozwalają wnioskować, że praca źródła wiatrowego przyłączonego do rozdzielni SN stacji elektroenergetycznej rozpatrywanego układu sieciowego praktycznie nie powoduje zmian warunków napięciowych w rozdzielni R-110 tej stacji. Obserwowane zmiany wartości skutecznej napięcia nie przekraczają 0,256 kV. Dotyczy to stacji „słabej”, której moc zwarciowa wyznaczona w rozdzielni R-20 wynosi 20-krotność mocy znamionowej źródła (wówczas moc zwarciowa w rozdzielni R‑110 jest równa 1180 MV∙A).
Dla stacji „silnej” (moc zwarciowa w rozdzielni R-110 wynosi 2360 MV∙A) zakres zmian wartości napięcia w rozdzielni R-110, wywołanych pracą źródła FW, jest jeszcze mniejszy – sięga jedynie kilku/kilkunastu V. Porównanie warunków napięciowych w rozdzielni R‑110 dla stacji „silnej” i stacji „słabej” podczas pracy źródła FW z różnymi poziomami generacji mocy czynnej zobrazowano na rysunku 3. dla obciążenia rozdzielni R-20 i R-6 na poziomie – odpowiednio – 12 MV∙A i 8 MV∙A.
Badania symulacyjne warunków napięciowych w rozdzielni R-20 stacji
W rozpatrywanym układzie sieciowym modelowane źródło wiatrowe FW przyłączono do rozdzielni R-20 stacji. Powoduje to, że warunki pracy tego źródła (opisane przede wszystkim wartością generowanej mocy czynnej oraz charakterem i wartością generowanej mocy biernej) w sposób istotny kształtują warunki napięciowe występujące w tej rozdzielni, opisane poziomem wartości skutecznej napięcia. Uwzględniając szeroki zakres zmian warunków pracy źródła FW (generacja mocy czynnej w zakresie od 0 do poziomu znamionowego, cztery tryby sterowania mocą bierną) oraz wiele scenariuszy pracy stacji (różne lokalizacje stacji w strukturze sieci, zmiany obciążenia rozdzielni SN stacji), dla badanego układu sieciowego ze źródłem FW zaobserwowano zmiany wartości skutecznej napięcia w rozdzielni R-20 znacznie przekraczające 8% UN. Na rysunkach 4–7 przedstawiono wpływ pracy źródła wiatrowego FW modelowanego układu sieciowego na warunki napięciowe występujące w rozdzielni R-20 stacji tego układu podczas przyjętych do rozpatrywań zmian wielkości opisujących warunki pracy źródła FW oraz warunki pracy otoczenia sieciowego źródła. Rysunki pogrupowano z uwagi na tryb sterowania mocą bierną źródła FW (rys. 4. – tryb Ureg; rys. 5. – tryb Qreg_ind; rys. 6. – tryb Qreg_poj i rys. 7. – tryb Qreg_0). Jest to podyktowane różną skalą oraz – niejednokrotnie – odmiennym charakterem interakcji źródła i sieci podczas zmian warunków ich pracy w zależności od parametrów mocy biernej generowanej przez źródło FW (parametry determinowane aktywnym trybem sterowania mocą bierną źródła).
Źródło wiatrowe z aktywnym trybem Ureg wykazuje najmniejszy wpływ na zmianę warunków napięciowych występujących w rozdzielni R-20 stacji rozpatrywanego układu sieciowego. Jest to podyktowane przyjętym celem sterowania mocą bierną źródła właściwym dla tego trybu, tj. utrzymaniem zadanej wartości napięcia w stacji FW (patrz rysunek 1.). Stacja FW jest przyłączona do rozdzielni R-20 poprzez linię wyprowadzenia mocy ze źródła FW. Podczas zmian wartości mocy czynnej generowanej przez źródło FW zmiana wartości skutecznej napięcia w rozdzielni R‑20 nie przekracza 0,25% UN. Dotyczy to scenariusza minimalnego obciążenia stacji (patrz rysunek 4a – min obc stacji). Nawet przy maksymalnym obciążeniu stacji obserwowany wzrost wartości napięcia w rozdzielni R-20 jedynie nieznacznie przekracza 0,55% UN. Podkreśla się, że praca źródła FW z aktywnym trybem Ureg umożliwia poprawę warunków napięciowych występujących w rozdzielni R-20 podczas zmiany obciążenia stacji (patrz rysunek 4b). Możliwe jest wówczas znaczące złagodzenie zmniejszania wartości skutecznej napięcia towarzyszącego wzrostowi poziomu obciążenia stacji. Dla rozpatrywanego układu sieciowego przy wyłączonym źródle FW zwiększanie mocy odbioru przyłączonego do rozdzielni R-20 od 0 do 16 MV∙A (moc znamionowa uzwojenia transformatora przyłączonego do rozdzielni R-20 – SN-20) prowadzi do obniżenia wartości napięcia w tej rozdzielni o ponad 5,5% UN. Praca źródła FW pozwala zredukować występujące obniżenie nawet dwukrotnie. Już przy generacji mocy czynnej przez źródło FW na poziomie 25% znamionowej mocy czynnej zmniejszenie wartości skutecznej napięcia jedynie nieznacznie przekracza 2,7% UN.
Dla rozpatrywanego fragmentu sieci elektroenergetycznej ze źródłem wiatrowym FW praca tego źródła z aktywnym trybem Qreg_ind powoduje największą zmianę wartości napięcia w rozdzielni R-20. Im większy poziom generacji mocy czynnej i mocy biernej indukcyjnej przez źródło FW, tym większy występuje wzrost wartości napięcia. W szczególności dotyczy to stacji mocno obciążonej. Dla scenariusza maksymalnego obciążenia stacji (patrz rysunek 5a – max obc stacji) zwiększanie mocy źródła FW od 0 do poziomu znamionowego (przy stałej wartości cosj = 0,95 ind) prowadzi do wzrostu wartości napięcia w rozdzielni R-20 o 2,7% UN. Dla przyjętego typu transformatora WN/SN/SN rozpatrywanej stacji wymagałoby to zmiany przekładni transformatora o 2 zaczepy. Nawet przy braku obciążenia stacji zaobserwowano zwiększenie poziomu napięcia o ok. 1,7% UN. Natomiast podczas zmian obciążenia stacji praca źródła FW z aktywnym trybem Qreg_ind praktycznie nie umożliwia poprawy warunków napięciowych występujących wówczas w rozdzielni R-20. Nawet przy generacji mocy czynnej przez źródło FW na poziomie znamionowym obniżenie wartości napięcia, które towarzyszy zmianie mocy odbioru przyłączonego do rozdzielni R-20, zmniejsza się jedynie nieznacznie, tj. z 5,52% UN (źródło FW wyłączone) do 4,84% UN. Przy generacji mocy czynnej przez źródło FW na poziomie 25% PNFW zmiana jest praktycznie niezauważalna, tj. z 5,52% UN na 5,32% UN. Obrazują to wykresy przedstawione na rysunku 5b.
Praca źródła wiatrowego FW z aktywnym trybem Qreg_poj jest jedynym wariantem pracy źródła FW w rozpatrywanym układzie sieciowym, który powoduje zmniejszenie wartości napięcia w rozdzielni R‑20. Obserwowana zmiana jest tym większa, im wyższy poziom generacji mocy przez źródło oraz mniejsze obciążenie stacji. W skrajnym przypadku dla scenariusza minimalnego obciążenia stacji i generacji mocy czynnej przez źródło FW na poziomie znamionowym (generowana moc bierna pojemnościowa wynosi ok. 2,6 Mvar – wynika to z przyjętego celu sterowania mocą bierną właściwą dla trybu Qreg_poj, tj. utrzymania cosj na poziomie 0,95) następuje zmniejszenie wartości napięcia w rozdzielni R‑20 o ponad 1% UN (patrz rysunek 6a). Dla trybu Qreg_poj praca źródła FW praktycznie nie wpływa na zmianę warunków napięciowych w rozdzielni R-20 wywołaną zmianą obciążenia stacji. Tym samym źródło FW nie umożliwia ograniczenia obserwowanego wówczas obniżenia wartości napięcia w rozdzielni R-20 (patrz rysunek 6b).
Tryb Qreg_0 jest obecnie najczęściej stosowanym trybem sterowania mocą bierną źródeł wiatrowych [1]. Dla rozpatrywanego układu sieciowego praca źródła FW z aktywnym trybem Qreg_0 powoduje tym większy wzrost wartości napięcia w rozdzielni R-20, im wyższy jest poziom generacji mocy czynnej (zakładając niezmienne w czasie obciążenie stacji). Stopień obciążenia stacji również wpływa na zakres występujących zmian wartości napięcia. Dla granicznych scenariuszy obciążenia stacji (patrz rysunek 7a) zaobserwowano prawie 3-krotną różnicę wzrostu napięcia w rozdzielni R‑20 podczas zmiany mocy generowanej przez źródło FW. Na podstawie wyników badań symulacyjnych przedstawionych na rysunku 7b stwierdza się, że zmiana wartości skutecznej napięcia w rozdzielni R-20, towarzysząca zmianie obciążenia stacji, praktycznie nie zależy od stanu pracy źródła FW. Przy wyłączonym źródle FW rozpatrywana zmiana mocy odbioru przyłączonego do rozdzielni R-20 powoduje zmniejszenie wartości napięcia o 5,52% UN. Natomiast przy pracy źródła FW z generacją mocy czynnej na poziomie znamionowym analogiczna zmiana warunków pracy stacji prowadzi do obniżenia wartości napięcia w rozdzielni R-20 o 5,05% UN.
Dla przyjętych parametrów transformatora WN/SN/SN rozpatrywanego układu sieciowego ze źródłem wiatrowym FW wpływ pracy tego źródła na warunki napięciowe w rozdzielni R-20 praktycznie nie zależy od lokalizacji tej stacji w strukturze sieci. Wynika to z niewielkiej różnicy wartości mocy zwarciowej w rozdzielni R‑20 dla uwzględnianych lokalizacji stacji (stacja „słaba” oraz stacja „silna”). Różnica ta wynosi niespełna 23 MV∙A (ok. 15% mocy zwarciowej wyznaczonej dla stacji „słabej”) mimo dwukrotnej różnicy poziomów mocy zwarciowej ekwiwalentu otoczenia sieciowego rozdzielni R-110. Porównanie warunków napięciowych występujących w rozdzielni R-20 stacji „słabej” i stacji „silnej” podczas zmiany wartości mocy czynnej generowanej przez źródło FW w zakresie od 0 do poziomu znamionowego zobrazowano na rysunku 8. Przedstawione wyniki badań symulacyjnych uzyskano dla mocy odbioru obc-20 równej 12 MV∙A i mocy odbioru obc-6 równej 8 MV∙A (dotyczy obu lokalizacji stacji rozpatrywanego układu sieciowego).
Badania symulacyjne warunków napięciowych w rozdzielni R-6 stacji
Praca źródła wiatrowego FW przyłączonego do rozdzielni R-20 stacji rozpatrywanego układu sieciowego wpływa również na warunki napięciowe w rozdzielni R-6 tej stacji. Wyniki badań symulacyjnych wykonanych dla rozdzielni R-6 dla uwzględnianych warunków pracy źródła FW i jego otoczenia sieciowego wykazują zbliżone cechy (m.in. tendencje obserwowanych zmian wartości skutecznej napięcia), jak rezultaty symulacji dla rozdzielni R-20 dla analogicznych serii badań. W tabeli 1. zestawiono procentowe zmiany wartości skutecznej napięcia w rozdzielni R-6 (odniesione do wartości znamionowej napięcia tej rozdzielni UN) wywołane pracą źródła FW na trzech poziomach generacji mocy czynnej dla różnych trybów sterowania mocą bierną źródła przy obciążeniu stacji zgodnym ze scenariuszem maksymalnego obciążenia.
Wnioski i uwagi końcowe
Praca źródła wiatrowego (także każdego innego lokalnego źródła wytwórczego) może wpływać na warunki napięciowe występujące w rozdzielniach stacji elektroenergetycznej z przyłączonym źródłem. Skala oddziaływania źródła na poziom wartości skutecznej napięcia jest determinowana m.in. wartością mocy czynnej generowanej przez źródło, wartością i charakterem mocy biernej generowanej przez źródło, stopniem obciążenia stacji oraz zmiennością w czasie wymienionych parametrów. W zależności od aktywnego trybu sterowania mocą bierną źródła wiatrowego jego praca może prowadzić do wzrostu bądź zmniejszenia wartości napięcia w rozdzielniach stacji.
W źródłach wiatrowych z generatorami asynchronicznymi dwustronnie zasilanymi (najczęściej stosowany rodzaj generatorów w źródłach wiatrowych przyłączonych i planowanych do przyłączenia do KSE) zazwyczaj stosuje się dwa tryby sterowania mocą bierną: tryb regulacji mocy biernej (Qreg) i tryb regulacji napięcia (Ureg). W trybie Qreg parametry (charakter i wartość) mocy biernej generowanej przez źródło wiatrowe mogą być zadawane niezależnie od innych parametrów pracy źródła (z uwzględnieniem ograniczeń regulacyjnych, technicznych itp.) bądź w odpowiedniej proporcji względem generowanej mocy czynnej stosownie do zadanej wartości współczynnika mocy. W trybie Ureg wartość i charakter mocy biernej źródła nie są zadawane wprost – określa się wymagany, oczekiwany poziom napięcia, do którego utrzymania wymusza się generację mocy biernej przez źródło o odpowiedniej wartości i charakterze.
Źródło wiatrowe z aktywnym trybem Ureg wykazuje korzystny wpływ na warunki napięciowe występujące w rozdzielniach stacji elektroenergetycznej. Pracy takiego źródła ze zmienną generacją mocy czynnej towarzyszą niewielkie zmiany wartości skutecznej napięcia. Ponadto możliwe jest znaczące zmniejszenie zakresu zmian wartości napięcia wywołanych zmianami obciążenia stacji w porównaniu do podobnych warunków pracy stacji z wyłączonym źródłem wiatrowym. Natomiast dla trybu Qreg praca źródła wiatrowego praktycznie nie pozwala na poprawę warunków napięciowych występujących podczas zmiany mocy odbiorów stacji. Ponadto podczas zmian mocy czynnej generowanej przez źródło z aktywnym trybem Qreg zakres i charakter (zmniejszenie bądź zwiększenie) zmian wartości napięcia w rozdzielniach stacji są determinowane wartością i charakterem mocy biernej generowanej przez źródło. Podkreśla się, że zmiany wartości napięcia mogą sięgać kilku-, kilkunastu procent. W szczególności dotyczy to rozdzielni SN stacji WN/SN bądź WN/SN/SN. Zwraca się uwagę, że dla stacji z transformatorem trójuzwojeniowym praca źródła wiatrowego w istotny sposób wpływa również na kształtowanie się poziomu napięcia w rozdzielni SN, do której źródło nie jest przyłączone.
Przedstawione rezultaty rozpatrywań wskazują ponadto na możliwość zmiany warunków działania układów regulacji napięcia stacji po przyłączeniu rozproszonych źródeł wytwórczych. Zmiany wartości napięcia, towarzyszące zmianom warunków pracy układów sieciowych ze źródłami, mogą wymuszać częste zmiany przekładni transformatora WN/SN stacji nawet o kilka zaczepów. Wyniki identyfikacji warunków działania układu automatycznej regulacji napięcia stacji transformatorowej ze źródłem wiatrowym przedstawiono w [2] i [3].
Literatura
- Z. Lubośny, Farmy wiatrowe w systemie elektroenergetycznym, WNT, Warszawa 2009.
- A. Halinka, P. Rzepka, M. Szablicki, Układy regulacyjne infrastruktury transportu energii elektrycznej ze źródeł wiatrowych – identyfikacja warunków działania automatycznej regulacji napięcia stacji elektroenergetycznych, „Logistyka”, nr 6, 2014.
- A. Halinka, P. Rzepka, M. Szablicki, Conditions Identification of MV Power Network with Wind Sources for Manual and Automatic Voltage Control in HV/MV Substation, „Przegląd Elektrotechniczny”, przekazano do redakcji.
