Wymagania techniczne stawiane generacji rozproszonej na przykładzie standardu IEEE-1547

Standard IEEE-1547 wprowadzony został w 2003 roku w Stanach Zjednoczonych. Był on jednym z pierwszych dokumentów regulujących przyłączanie rozproszonych jednostek wytwórczych. Jego wprowadzenie, a także wszystkie kolejne modyfikacje, to odpowiedź na potrzebę ujednolicenia przepisów związanych z generacją rozproszoną. W szczególności dotyczy to aspektów związanych z regulacją napięcia oraz z reakcją jednostek wytwórczych na odchyłki napięcia i częstotliwości występujące w systemie elektroenergetycznym. Stosowanie standardu IEEE-1547 – podobnie jak stosowanie Polskich Norm – jest całkowicie dobrowolne, jednakże jest to działanie rekomendowane.

W ramach artykułu analizie poddana została najnowsza wersja standardu IEEE-1547, wydana w lutym 2018 roku. Przedstawione zostały zagadnienia dotyczące przyłączania generacji rozproszonej do systemu elektroenergetycznego, kwestie regulacyjne, a także zabezpieczeniowe. Ponadto wskazane zostały podobieństwa i różnice pomiędzy standardem IEEE-1547 a odpowiadającymi mu dokumentami europejskimi.

Podział jednostek wytwórczych na podstawie standardu IEEE-1547

W odróżnieniu od dokumentów europejskich – według których podział jednostek wytwórczych dokonywany jest na podstawie mocy znamionowej źródła – standard IEEE-1547 wprowadza podział źródeł rozproszonych ze względu na funkcje pełnione w systemie elektroenergetycznym. Istnieją dwa kryteria podziału jednostek wytwórczych:

• wymagania stawiane GR w zakresie pracy w stanie ustalonym,
• wymagania stawiane GR w zakresie odpowiedzi podczas zakłóceń.

Pierwsza grupa definiuje wymogi dotyczące gospodarki mocą bierną oraz zdolność do regulacji napięcia. W grupie tej wyróżnić można dwie kategorie źródeł rozproszonych:

• Kategoria A – dotyczy źródeł, które są przyłączane do sieci z małym rozpowszechnieniem generacji rozproszonej, a sumaryczna moc wytwarzana przez te jednostki nie podlega dużym zmianom,
• Kategoria B – dotyczy źródeł, które są przyłączane do sieci z dużym rozpowszechnieniem generacji rozproszonej, a sumaryczna moc wytwarzana przez te jednostki może podlegać dużym zmianom.

Co ciekawe, standard IEEE-1547 nie definiuje jednak, co dokładnie oznaczają małe i duże zmiany mocy.

Drugim kryterium, na podstawie którego dokonuje się podziału generacji rozproszonej, jest jej zachowanie w stanach nieustalonych. Jednostki wytwórcze powinny wspomagać stabilność i niezawodność systemu elektroenergetycznego. W aspekcie tym wyróżnia się trzy kategorie źródeł rozproszonych:

• kategoria I – wymogi tej kategorii powinny spełniać wszystkie źródła rozproszone przyłączane do systemu elektroenergetycznego,
• kategoria II – dotyczy źródeł rozproszonych, które w przypadku wystąpienia zakłóceń istotnych dla stabilności systemu nie powinny zostać wyłączone i powinny pełnić funkcje wspierające SEE,
• kategoria III – dotyczy źródeł rozproszonych, które oprócz wspomagania stabilności dodatkowo powinny zapewnić odpowiednią niezawodność i jakość zasilania.

Wraz ze wzrostem numeru kategorii, do której należy jednostka wytwórcza, wzrasta poziom restrykcyjności wymagań. Ponadto generacja rozproszona przynależna do kategorii wyższej powinna spełniać wszelkie wymagania stawiane przez kategorię niższą. W przypadku przyłączania jednostek wytwórczych pracujących w obrębie jednej sieci należy w sposób odpowiedni dobierać ich kategorie – zarówno w aspekcie pracy w stanie ustalonym, jak i zakłóceniowym. W celu uzyskania optymalnego poziomu pewności zasilania jednostki należące do kategorii A powinno się łączyć z jednostkami należącymi do kategorii I. W przypadku jednostek mających znaczenie systemowe wymagania kategorii B łączone są zazwyczaj z kategoriami II i III. W artykule autorzy skupili się na analizie wymagań stawianych źródłom rozproszonym należącym do kategorii B oraz kategorii II. W kategorie te wpisują się najbardziej popularne źródła rozproszone instalowane w Polsce, takie jak farmy fotowoltaiczne i farmy wiatrowe.

Wymogi dotyczące jednostek wytwórczych kategorii B

Zdolność do generacji mocy biernej

Pierwszym z istotnych wymogów, jakie spełniać musi generacja rozproszona, należąca do kategorii B, jest zdolność do generacji mocy biernej. Wymagania te, jak wspomniano we wcześniejszej części artykułu, dotyczą stanu pracy ustalonej jednostki wytwórczej (wartość napięcia występującego w sieci powinna zawierać się w granicach od 0,88 do 1,1 U_n). Na rysunku 1. przedstawiona została przykładowa charakterystyka opisująca zdolność do generacji mocy biernej w funkcji aktualnie produkowanej mocy czynnej.

Jak widać, maksymalna wartość mocy biernej może wynosić 0,44 S_n – mocy pozornej znamionowej, zarówno w kierunku produkcji, jak i poboru. Odpowiada to pracy jednostki wytwórczej przy współczynniku mocy cos φ = 0,9 przy znamionowej mocy czynnej.

W dokumentach europejskich zawarte są również wymagania dotyczące gospodarki mocą bierną w funkcji generowanej mocy czynnej. Kodeks Sieci, ustanowiony na podstawie Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. (Dz.Urz. UE L 112/1 z 27.04.2016 r.) określa ogólną obwiednię, w której powinna mieścić się modelowana charakterystyka [3]. Bardziej szczegółowe wymagania zawarte są natomiast w dokumencie będącym polską odpowiedzią na zapisy wynikające z Kodeksu Sieci zatytułowanym „Wymogi ogólnego stosowania wynikające z Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiającego kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci (NC RfG)”. Dokument ten opracowany został przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej (PTPiREE) na zlecenie Polskich Sieci Elektroenergetycznych (OSP). Przykładowa charakterystyka w nim zawarta została przedstawiona na rysunku 2. 

Zaobserwować można, że jej kształt oraz dopuszczalne granice różnią się od charakterystyki zawartej w standardzie IEEE-1547. Ponadto, zarówno w kierunku produkcji, jak i poboru mocy biernej, jednostka wytwórcza nie może pracować ze współczynnikiem mocy mniejszym niż cos φ = 0,95.

Sterowanie mocą bierną i napięciem

Kolejnym istotnym wymogiem, który spełniać muszą źródła wytwórcze należące do kategorii B, jest sterowanie mocą bierną i napięciem. Standard IEEE-1547 wyróżnia cztery tryby sterowania, które różnią się od siebie zastosowaniami.

Pierwszym trybem jest praca jednostki ze stałym współczynnikiem mocy. Jego zastosowanie pozwala łagodzić wpływ zmiennej mocy czynnej na napięcie panujące w sieci. Zgodnie z zapisami zawartymi w standardzie, wartość współczynnika mocy powinna być ustalana indywidualnie przez poszczególnych operatorów, jednak jego wartość minimalna to cos φ = 0,9. Na rysunku 3. przedstawiono przykładową charakterystykę jednostki wytwórczej pracującej w trybie stałego współczynnika mocy.

Drugim trybem wymaganym przez standard IEEE-1547 jest regulacja mocy biernej w funkcji napięcia. W trybie tym jednostka wytwórcza aktywnie kontroluje generowaną moc bierną, w zależności od napięcia panującego w sieci. Przykładowa charakterystyka przedstawiona została na rysunku 4. Jej kształt można modyfikować poprzez odpowiedni dobór współczynników zawartych w tabelach znajdujących się w standardzie.

Na podstawie rysunku 4. zaobserwować można, że w przypadku zwiększenia się napięcia powyżej napięcia znamionowego jednostka wytwórcza powinna „absorbować” moc bierną z sieci, tak aby złagodzić skutki tego wzrostu. W przypadku obniżenia się napięcia generacja rozproszona powinna generować moc bierną do sieci.

Trzecim trybem sterowania jest regulacja mocy biernej w funkcji mocy czynnej. W tym trybie generacja rozproszona aktywnie kontroluje swoją moc bierną w funkcji mocy czynnej, zgodnie z zadaną charakterystyką (rys. 5.). Charakterystykę kształtować można poprzez odpowiedni dobór parametrów (P_x, Q_x, P_x’, Q_x’ – rys. 5.), zawartych w tabelach znajdujących się w standardzie.

Ostatnim, czwartym trybem jest regulacja mocy czynnej w funkcji napięcia. Jest to tryb, w którym jednostka wytwórcza musi ograniczać moc czynną w funkcji napięcia, zgodnie z charakterystyką, którą – podobnie jak we wcześniejszych przypadkach – można kształtować na podstawie tabel. Tryb ten stosowany jest w celu złagodzenia wpływu podwyższonego napięcia. Zgodnie z charakterystyką przedstawioną na rysunku 6., w przypadku wzrostu napięcia w sieci powyżej określonej granicy źródło rozproszone powinno zmniejszyć generowaną moc czynną. Jeśli wartość napięcia w sieci wciąż będzie wzrastać, to jednostka wytwórcza powinna przejść w tryb poboru mocy czynnej (ładowanie magazynu).

Zmiany poszczególnych trybów powinny być dokonywane zdalnie, na polecenie odpowiedniego operatora sieci. Ponadto w danej chwili aktywny może być tylko jeden tryb regulacji.

Wymogi dotyczące jednostek wytwórczych kategorii II

Wymagania, które powinny spełniać źródła rozproszone należące do kategorii II, są związane bezpośrednio ze wspomaganiem stabilności systemu elektroenergetycznego. Według standardu IEEE-1547, istnieją dwa zakłócenia, w przypadku których jednostki wytwórcze powinny zaprzestać generowania mocy czynnej oraz powinny zostać wyłączone: zwarcie oraz zanik jednej z faz w sieci, spowodowany np. zerwanym przewodem lub mostkiem w linii napowietrznej. W przypadku ustąpienia zakłócenia ponowna synchronizacja generacji rozproszonej z siecią powinna nastąpić w warunkach niestwarzających zagrożenia zarówno dla elementów sieci elektroenergetycznej, jak i dla samej jednostki wytwórczej. W tym celu napięcie sieci powinno zawierać się w przedziale 0,917 U_n ≤ U ≤ 1,05 U_n, a częstotliwość w przedziale 59,5 Hz ≤ f ≤ 60,1 Hz.

Zabezpieczenia napięciowe

Pierwszą grupą zabezpieczeń, jaką standard IEEE-1547 przewiduje dla generacji rozproszonej kategorii II, są zabezpieczenia napięciowe. Działanie zabezpieczeń zarówno nadnapięciowych jak i podnapięciowych następuje, gdy napięcie zmierzone w którejkolwiek z faz obniży się poniżej lub przekroczy nastawiony próg (tab. 1.). W przypadku zadziałania zabezpieczenia jednostka wytwórcza powinna zaprzestać generowania mocy czynnej i odłączyć się od systemu elektroenergetycznego po nastawionym czasie (tab. 1.). Standard IEEE-1547 określa przedział, w którym powinny znajdować się nastawy zabezpieczeń napięciowych, a także przytacza nastawy zalecane. Dane te przedstawione zostały w tabeli 1.

Zdolność do utrzymywania generacji podczas zakłóceń napięciowych

Kolejnym ciekawym wymaganiem definiowanym przez standard IEEE-1547 jest zdolność do utrzymywania się jednostki wytwórczej w pracy podczas zakłóceń napięciowych określana mianem Voltage Ride-Through (VRT). Określa ona, jak powinna zachować się generacja rozproszona w trakcie odchyłek napięcia występujących w sieci elektroenergetycznej. Przykładowa charakterystyka VRT została przedstawiona na rysunku 7. 

W zależności od napięcia aktualnie panującego w sieci, wyróżnia się różnego rodzaju tryby, według których powinna pracować jednostka wytwórcza. Na rysunku 7. kolorem zielonym oznaczony został stan pracy ustalonej, gdzie wartość napięcia występującego w sieci powinna zawierać się w granicach od 0,88 do 1,1 U_n. W obszarze tym źródło powinno pracować ze swoimi parametrami znamionowymi.

W przypadku nieznacznego zwiększenia się napięcia generacja rozproszona przechodzi w tryb pracy warunkowej. Oznacza to, że powinna ona utrzymać się w synchronizmie z systemem elektroenergetycznym i nie powinna się wyłączyć. Jednakże może zaprzestać generowania mocy czynnej w celu zapobieżenia dalszemu wzrostowi napięcia w sieci. Po powrocie napięcia do odpowiednich wartości następuje natychmiastowe rozpoczęcie generowania mocy czynnej.

W przypadku dalszego wzrostu napięcia, gdy zmierzona wartość przekroczy nastawiony próg, a punkt pracy jednostki wytwórczej znajdzie się w obszarze oznaczonym kolorem szarym, nastąpić powinno jej wyłączenie z nastawionym czasem.

Gdy napięcie w systemie elektroenergetycznym spadnie poniżej napięcia stanu ustalonego, jednostka wytwórcza przechodzi do trybu pracy obligatoryjnej. W trybie tym generacja rozproszona musi pozostać w synchronizmie z systemem. Nie może zaprzestać generowania mocy czynnej ani się wyłączyć. Dodatkowo nie może ona ograniczyć generowanej mocy poniżej 80% wartości sprzed zakłócenia. Ma to na celu zapobieżenie dalszemu spadkowi napięcia w sieci.

W przypadku dalszego obniżania się napięcia generacja rozproszona przechodzi do warunkowego trybu pracy, a po przekroczeniu progu zadziałania zabezpieczenia podnapięciowego nastąpić powinno wyłączenie jednostki z nastawionym czasem zwłoki. Standard IEEE-1547 określa ponadto minimalne czasy VRT, czyli utrzymywania się generacji rozproszonej w połączeniu z systemem.

Na charakterystyce kolorem białym oznaczone są obszary tzw. niejednoznaczności, w których generacja rozproszona może zarówno utrzymać się w synchronizmie z systemem, jak i się wyłączyć.

W dokumentach europejskich również znaleźć można zapisy dotyczące zdolności do utrzymywania się źródeł rozproszonych w trybie pracy. Charakterystyka VRT zawarta w Kodeksie Sieci przedstawiona została na rysunku 8. 

Jak widać, jest ona łatwiejsza w interpretacji i bardziej czytelna. Kształt charakterystyki modyfikować można poprzez odpowiedni dobór parametrów, a dokładne ich wartości określane są przez poszczególnych operatorów. W przypadkach, gdy punkt pracy generacji rozproszonej znajduje się ponad krzywą, nie powinno nastąpić jej wyłączenie.

Zabezpieczenia częstotliwościowe

Drugą grupą zabezpieczeń, w którą powinna zostać wyposażona generacja rozproszona kategorii II, są zabezpieczenia częstotliwościowe. Podobnie jak w przypadku zabezpieczeń napięciowych, standard IEEE-1547 określa przedział, w którym powinny znajdować się nastawy zabezpieczeń częstotliwościowych, a także przytacza nastawy zalecane. Dane te przedstawione zostały w tabeli 2.

Na podstawie nastaw określonych w tabeli 2. naszkicować można charakterystykę zdolności utrzymywania się w synchronizmie z systemem elektroenergetycznym przy odchyłkach częstotliwości – Frequency Ride-Through (FRT). Na rysunku 9. przedstawiona została przykładowa charakterystyka FRT. Kolorem zielonym oznaczony został stan pracy ustalonej. W przypadku nieznacznych odchyłek częstotliwości zarówno w górę, jak i w dół jednostka przechodzi do trybu pracy warunkowej (obszar kropkowany). Gdy punkt pracy jednostki wytwórczej znajdzie się w obszarze oznaczonym kolorem szarym, powinno nastąpić jej wyłączenie. Obszar oznaczony na rysunku 9. kolorem białym jest obszarem niejednoznaczności odpowiedzi źródła na zmiany częstotliwości.

Odpowiedź na zmiany częstotliwości

Ostatnim z wymogów dotyczących kwestii związanych z odpowiedzą na zmiany częstotliwości jest implementacja charakterystyk odpowiedzi na wzrost częstotliwości. Jest to tryb pracy jednostki wytwórczej, w którym generowana moc czynna zmniejsza się w odpowiedzi na wzrost częstotliwości systemu powyżej określonej wartości. Charakterystykę tę kształtuje się z wykorzystaniem wzorów opisanych szerzej w standardzie [2]. Przykładowa charakterystyka przedstawiona została na rysunku 10. Dotyczy ona sieci, w której źródła rozproszone współpracują z magazynem energii, pełniącym funkcję stabilizatora parametrów systemu. W przypadku wzrostu częstotliwości i nadwyżki mocy czynnej magazyn energii powinien być ładowany, w przypadku spadku częstotliwości powinien być rozładowywany.

Podobne wymagania znaleźć można również w dokumentach europejskich. W Instrukcjach Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej poszczególnych operatorów zawarto charakterystykę odpowiedzi na wzrost częstotliwości systemu. W przeciwieństwie do standardu IEEE-1547 zawiera ona jedynie część związaną z ograniczeniem produkcji mocy czynnej w przypadku wzrostu częstotliwości systemu. Odpowiednie nastawy powinny zostać określone przez operatorów.

Zabezpieczenia dodatkowe

Dla generacji rozproszonej kategorii II standard IEEE-1547 przewiduje zabezpieczenia dodatkowe ROCOF i Vector Shift. Kryterium ROCOF służy do pomiaru szybkości zmian częstotliwości w czasie. Pomiar powinien być dokonywany z wykorzystaniem okien uśredniających o długości co najmniej 100 ms. Zalecana nastawa kryterium ROCOF to 2 Hz/s. W przypadku zabezpieczenia typu Vector Shift, które reaguje na skokowe zmiany kąta fazowego napięcia, zalecana nastawa to 20°. Po przekroczeniu progów nastawczych powinno nastąpić wyłączenie jednostki wytwórczej.

Praca wyspowa

W standardzie IEEE-1547 znaleźć można zapisy dotyczące pracy wyspowej jednostek wytwórczych. Nieintencjonalna praca wyspowa generacji rozproszonej jest niedozwolona. W przypadku wydzielenia się nieintencjonalnej wyspy powinna ona zostać pozbawiona zasilania w czasie nie dłuższym niż 2 s. Jednakże praca wyspowa jest dozwolona, gdy źródło rozproszone spełnia wymogi takie jak:

• zdolność do generacji mocy biernej,
• sterowanie napięciem i mocą bierną,
• zdolność do utrzymywania się w pracy przy odchyłkach częstotliwości i napięcia,
• odpowiedź na zmiany częstotliwości.

Przytoczone powyżej wymogi zostały szczegółowo opisane w artykule.

Wnioski

Standard IEEE-1547 wprowadza innego rodzaju podział źródeł rozproszonych niż standardy europejskie. Podział ten dokonywany jest na podstawie funkcji pełnionych przez źródło rozproszone w systemie elektroenergetycznym, a nie ze względu na moc znamionową tego źródła. Ponadto wymogi zawarte w standardzie IEEE-1547 w części pokrywają się z wymaganiami europejskimi, są one jednak bardziej szczegółowe i restrykcyjne. W niektórych aspektach standard amerykański wprowadza pewnego rodzaju nowinki, dotyczy to między innymi sposobów sterowania napięciem i mocą bierną. W odróżnieniu od dokumentów europejskich, standard IEEE-1547 dopuszcza pracę wyspową jednostek wytwórczych, ale tylko w przypadku spełnienia określonych wymagań. Dodatkowo standard IEEE-1547 przewiduje współpracę generacji rozproszonej z magazynami energii, które powinny wspomagać utrzymywanie równowagi pomiędzy mocą generowaną a mocą odbiorów. Podsumowując, standard IEEE-1547 zdaje się być dokumentem pełniejszym i lepiej przemyślanym. Należy jednak pamiętać, że wymagania stawiane przez ten standard są skrojone pod sieć amerykańską, która ma inną specyfikację niż sieć europejska.

Literatura

1. Renewable Energy Installed Capacity Continent Wise and Its Growth From 2012 to 2021; https://www.irena.org/publications/2022/Apr/Renewable-Capacity-Statistics-2022
2. IEEE Std 1547, IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated Electric Power Systems Interfaces, 2018.
3. Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r.
4. PTPiREE, „Propozycja wymogów wynikających z NC RfG na podstawie Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiającego kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci” – 2017 r.
5. Distributed Generation and Energy Storage, IEEE Guide for Using IEEE Std 1547 TM, 2022.
6. Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej, TAURON Dystrybucja S.A.