1. Wprowadzenie do problemów jakości energii elektrycznej (JEE) w

1. Wprowadzenie do problemów jakości energii elektrycznej (JEE) w

1. Wprowadzenie do problemów jakości energii elektrycznej (JEE) w
układach elektroenergetycznych
Wykład jest poświęcony zagadnieniom właściwości (jednej z cech) energii
elektrycznej nazywanej jakością. PoniewaŜ energia elektryczna, zaleŜnie od
środowiska, moŜe być analizowana w róŜnych kategoriach technicznoekonomicznych, zatem i jej jakość moŜna rozpatrywać stosownie do wymagań i celu
tych analiz.
W ramach wykładu będą rozwaŜane zagadnienia jakości energii elektrycznej (dalej,
JEE) powiązane w duŜej mierze z dwoma kategoriami analiz, a mianowicie:
- transakcjami na rynku energii elektrycznej, na którym energia elektryczna jako
specyficzny towar (produkt) jest objęta warunkami umów zawieranych przez
strony,
- kwestiami przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE (a właściwie
wartości parametrów JEE) na funkcjonowanie urządzeń i układów
elektroenergetycznych.
W umowach dotyczących energii elektrycznej, podobnie jak innych towarów, powinny
być określone m. in. postanowienia następujące: miejsce jej dostarczenia, planowana
ilość w czasie oraz jakość jej dostarczania (w tym parametry JEE). Dodatkowo dla
energii elektrycznej określa się moc umowną. Przykładami takich umów mogą być :
umowa kompleksowa, umowa sprzedaŜy energii elektrycznej odbiorcy czy umowa o
świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej.
Charakterystycznymi miejscami w układach elektroenergetycznych analiz i oceny
jakości energii elektrycznej (dalej JEE), o których mowa w umowach, są miejsca jej
dostarczania do odbiorców.
Wyznaczanie JEE, w odróŜnieniu od większości produktów dostępnych na rynku, jest
trudniejsze co najmniej z trzech powodów. Po pierwsze, właściwości energii
elektrycznej nie moŜna ocenić za pomocą zmysłów, co jest moŜliwe w przypadku
wielu innych produktów. Do określenia JEE konieczne są standardowe procedury
oraz przyrządy pomiarowe. Po drugie, pełna ocena JEE, a właściwie jej poziomu
określonego w umowie, jest moŜliwa przy zapewnieniu ciągłego monitorowania
parametrów kolejnych jej porcji, w przedziałach czasowych ustalonych w
procedurach pomiarowych. Po trzecie, na pogorszenie JEE w miejscach jej
dostarczania, mogą wpływać jej odbiorcy, zaburzając niektóre jej parametry (np.
przebiegi sinusoidalne prądów i napięć). Wymienione oddziaływanie podnosi problem
odpowiedzialności stron (dostawcy i odbiorcy) za JEE.
Analizy przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE na funkcjonowanie
urządzeń i układów elektroenergetycznych są powiązane z pojęciem zaburzeń
elektromagnetycznych (zaburzenia napięcia lub prądu). Zaburzeniem określa się
kaŜde odstępstwo od idealnych parametrów napięcia albo prądu, tzn. ich przebiegów
sinusoidalnych, wartości znamionowych napięcia oraz symetrii. Postać tych
odstępstw jest zróŜnicowana, tym nie mniej moŜna je umownie pogrupować w
sposób następujący : 1) ciągłe przewodzone i emisyjne, niskoczęstotliwościowe (do
10 kHz), 2) ciągłe i emisyjne wysokoczęstotliwościowe, 3) oscylacje, 4) impulsy i
załamania w przebiegach napięć i prądów.
Utrzymanie parametrów idealnych energii elektrycznej nie jest moŜliwe w praktyce,
dlatego dopuszcza się margines zaburzeń, który nie powinien wpływać na poprawną
pracę większości urządzeń i układów elektroenergetycznych. Margines zaburzeń jest
powiązany w duŜym stopniu z pojęciem kompatybilności elektromagnetycznej,
uŜywanej w normach EN- 61000- x (x określa numer arkusza normy).
1
Kompatybilność elektromagnetyczna urządzenia/układu jest to jego zdolność do
prawidłowego działania w danym środowisku elektromagnetycznym oraz nie
emitowania do tego środowiska zaburzeń elektromagnetycznych, mogących
powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń/układów. Zatem, dwa podstawowe
aspekty charakteryzujące kompatybilność obiektu to :
- odporność urządzenia/układu na zaburzenia elektromagnetyczne,
- emisja zaburzeń elektromagnetycznych przez urządzenia/układy.
Na rys. 1, linami poziomymi, zilustrowano granice minimalnej odporności (linia nr 2)
oraz maksymalnej emisji zaburzeń (linia nr 3) dla urządzenia/układu. Linie nr 1 oraz 2
określają odpowiednio bieŜący poziom odporności oraz emisji zaburzeń.
Poziom
zaburzeń
1
2
3
4
Zaburzenia (zakłócenia)
Rys. 1. Granice kompatybilności elektromagnetycznej urządzenia/układu
Wymienione granice odporności i emisji zaburzeń znajdują arbitralne
odzwierciedlenie w normatywach dopuszczalnych parametrów JEE w miejscach jej
dostarczania. Dla odbiorców powyŜsze wymagania przedstawiono na rys. 2
Poziomy
kompatybilności
Wymagania w
zakresie odporności
odbiorców i
urządzeń
Wymagania w zakresie
oddziaływań na sieć
Limity oddziaływań
odbiorców
Metody testowania
i oceny, pomiary
Rozwiązania
zwiększające
odporność odbiorców
i urządzeń
Limity oddziaływań
urządzeń
Rozwiązania dla
odbiorców i urządzeń
w zakresie
dotrzymania limitów
oddziaływań na sieć
Rys. 2. Ilustracja zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej w odniesieniu do
odbiorców
2
Analizy przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE umoŜliwiają poznanie
źródeł zaburzeń elektrycznych, będących elementami opisu JEE, reakcji urządzeń i
układów elektroenergetycznych na zaburzenia elektryczne oraz określenie działań
przeciwdziałających czy zmniejszających poziomy zaburzeń i ich negatywne
oddziaływania.
Jak juŜ nadmieniono, JEE moŜna analizować odrębnie lub jako jeden z aspektów
większego zagadnienia dotyczącego odbiorców, które w literaturze przedmiotu
nazywa się jakością dostarczania energii elektrycznej albo jakością zasilania energią
elektryczną. Zgodnie z klasyfikacją uznawaną przez Radę Europejskich Regulatorów
Energii (CEER) w jakości dostarczania energii elektrycznej moŜna wyróŜnić trzy jej
aspekty; są to : JEE, ciągłość dostarczania energii oraz jakość obsługi odbiorców.
PowyŜsze aspekty jakości dostarczania energii elektrycznej zilustrowano na rys. 3.
Dodatkowo przedstawiono powiązanie odbiorców z JEE (linia przerywana).
Wiadomo, Ŝe podstawowymi parametrami energii elektrycznej są napięcie i prąd
elektryczny. Zatem parametry tych dwóch wielkości powinny charakteryzować JEE.
W praktyce dominuje analiza i ocena JEE na podstawie parametrów napięcia. Tylko
nieliczne kraje, np. Wielka Brytania, uwzględniają w ocenie JEE dostarczanej
odbiorcom normatywy dla wyŜszych harmonicznych prądów.
CIĄGŁOŚĆ DOSTAW ENERGII
Jakość usług
JAKOŚĆ OBSŁUGI ODBIORCÓW
Parametry napięcia
elektrycznego
Parametry prądu
elektrycznego
Zachowanie odbiorcy
JAKOŚĆ
ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
JAKOŚĆ UśYTKOWANIA
ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Rys. 3. Ilustracja aspektów jakości dostarczania odbiorcom energii elektrycznej
Jednym z powodów powszechnego określania JEE na podstawie parametrów
napięcia jest moŜliwość ustalenia standardów oceny jego parametrów w sposób
uniwersalny, odnoszący się do duŜych grup odbiorców.
Na rys. 4 przedstawiono elementy składowe aspektów jakości dostarczania energii
elektrycznej w warunkach krajowych, w których JEE odzwierciedla jakość
parametrów napięcia.
3
Jakość dostarczania
energii elektrycznej
Obsługa odbiorców
Ciągłość dostaw
Zgłoszenia, reklamacje i
skargi
Usuwanie zakłóceń w
dostawach energii
Powiadamianie o
przerwach planowych
Upusty za niedotrzymanie
warunków dostaw energii
Parametry
napięcia elektrycznego
Częstotliwość
Przerwy planowe
Przerwy
nieplanowe :
- mikroprzerwy (do 1 s),
- krótkie (do 3 min),
- długie (do 12 h)
- bardzo długie (do 24 h)
- katastrofalne (od 24 h)
Wartości skuteczne
napięcia
Zmiany napięcia
(odchylenia, zapady,
wahania, podskoki, przepięcia)
Odkształcenia
sinusoidy (harmoniczne)
Asymetria
Udzielanie informacji w
zakresie dostaw energii
Forma i tryb rozliczeń
energii
Warunki przyłączania odbiorców
do sieci elektroenergetycznych
Rys. 4. Elementy składowe podstawowych aspektów jakości dostarczania energii
elektrycznej
Warto podkreślić, Ŝe w jakości napięcia na rys. 4 nie występuje jako element
składowy przerwa napięciowa. Zdaniem prowadzącego wykład przerwa ta stanowi
naturalny składnik opisu ciągłości dostaw energii elektrycznej więc powinna
charakteryzować ten aspekt jakości dostarczania energii elektrycznej. W świetle
powyŜszego, dla odróŜnienia zmian napięcia od przerwy napięciowej za kryterium ich
podziału przyjmuje się wartość napięcia równą 1 % napięcia deklarowanego. Z reguły
napięcie deklarowane jest równe napięciu znamionowemu. Podana wartość
graniczna została zaczerpnięta z normy PN-EN 50 160.
Uwzględniając tylko napięcie, definicję JEE moŜna sformułować następująco :
JEE jest to własność (cecha) energii elektrycznej wyraŜona przez stopień zgodności
wartości parametrów napięcia zasilającego, wyznaczanych według obowiązujących
standardów, z dopuszczalnymi wartościami normatywnymi tych parametrów.
W ujęciu metodycznym, abstrahując od preferencji praktyki, w definicji JEE, obok
napięcia, naleŜy wymieniać równieŜ parametry prądu.
W większości krajów europejskich zbiór parametrów napięcia składających się na
JEE i objętych regulacjami jest bardo podobny. Są to wielkości następujące :
częstotliwość, róŜne zmiany wartości napięcia (odchylenia, wahania, zapady, itp.),
wyŜsze harmoniczne oraz asymetria w układach trójfazowych.
To podobieństwo wynika z faktu, Ŝe ich źródłem pierwotnym w wielu krajach jest ten
sam dokument, a mianowicie norma EN 50 160.
Końcową ocenę JEE zazwyczaj dokonuje się na skali dwustanowej, składającej się z
jakości poprawnej oraz jej przeciwieństwa - jakości niepoprawnej.
4
Niepoprawna JEE oddziaływuje negatywnie na funkcjonowanie odbiorników/układów
elektroenergetycznych i prowadzi do strat (rys. 5).
Awaria
ZagroŜenie dla
Ŝycia i środowiska
Zakłócenia w pracy
urządzeń/układów
Straty ekonomiczne
Niepoprawna JEE
Rys. 5. Skutki niewłaściwej jakości energii elektrycznej
Przyporządkowywanie badanych parametrów napięcia jednemu z tych stanów nie
jest obiektywne i zaleŜy od zastosowanego kryterium klasyfikacji parametrów.
W literaturze przedmiotu przewaŜa kryterium klasyfikacji, wg którego JEE jest
niepoprawna wtedy, gdy co najmniej jeden z parametrów napięcia nie spełnia
normatywnych zmian dopuszczalnych. Jest to prosty w zastosowaniu sposób oceny,
który jednak zakłada, Ŝe stopień negatywnego oddziaływania poszczególnych
parametrów JEE na pracę urządzeń elektrycznych jest zbliŜony, co nie znajduje
potwierdzenia w praktyce.
NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe w klasyfikacji parametrów napięcia do stanu jakości poprawnej
lub niepoprawnej waŜną rolę odgrywają dopuszczalne poziomy zmian parametrów.
Małe dopuszczalne zmiany parametrów JEE będą wymuszały na dostawcach
działania techniczo-ekonomiczne prowadzące do poprawy JEE i odwrotnie
zwiększanie zakresu dopuszczalnych zmian parametrów zwalnia dostawców z tych
działań i będzie powodować pogarszanie JEE dostarczanej odbiorcom. Z opisanego
związku JEE i dopuszczalnych zmian parametrów wynika, ze poza szczególnymi
przypadkami rozstrzyganymi arbitralnie tylko w kategoriach technicznych (np.
zagroŜenie Ŝycia ludzi), powinno się korzystać z kryteriów obiektywnych przy
ustalaniu limitów parametrów. Do nich zalicza się kryterium ekonomiczne, a
konkretnie, np. całkowite koszty roczne. Koszty te zawierają dwa składniki zaleŜne
od poziomu JEE, tj. koszty ponoszone przez dostawców oraz koszty zewnętrzne koszty strat jakie mogą wystąpić u odbiorców. Poglądowo, uwzględniając jedynie
charakter wymienionych kosztów, ich sumaryczną wielkość w zaleŜności od poziomu
JEE R przedstawiono na rys. 6. PoniewaŜ kierunki zmian rozpatrywanych kosztów są
przeciwne - koszty dostawców rosną, natomiast koszty strat odbiorców maleją istnieje taki optymalny poziom JEE, któremu odpowiadają minimalne koszty
całkowite. Te metodyczne rozwaŜania, zilustrowane syntetycznie na rys. 6, są trudne
do powszechnego stosowania w praktyce. Bowiem nie są znane, z powodu wielu
barier w ich wyznaczaniu, ogólne zaleŜności na ww. koszty w funkcji poziomu JEE.
5
100 %
Rys. 6. ZaleŜność kosztów od poziomu JEE R
Mimo zasygnalizowanych problemów z wyznaczaniem ogólnej zaleŜności na koszty,
JEE naleŜy rozpatrywać nie tylko jako kategorię techniczną ale równieŜ jako
kategorię ekonomiczną, która powinna być brana pod uwagę w rozwiązywaniu
zagadnień o charakterze lokalnym, np. doborze filtrów do kompensacji wyŜszych
harmonicznych prądów. Ogólną procedurę rozwiązywania problemów JEE w ujęciu
techniczno-ekonomicznym przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Ogólna procedura rozwiązywania problemów JEE
Rodzaj problemu
Zaburzenia o stanach
Zaburzenia przejściowe, w tym
(Kategoria zaburzeń)
ustalonych
w formie oscylacji i impulsów
Zbadanie ilościowe
problemu
Pomiary (metody, środki)
/ gromadzenie i
przetwarzanie danych
Ustalenie moŜliwych Sieć
miejsc i środków
rozdzielcza
rozwiązania problemu dostawcy
Zestawienie
przedsięwzięć
technicznych
Wybór optymalnego
przedsięwzięcia
technicznego
Sieć
rozdzielcza
odbiorcy
Modelowanie/Procedury
analityczne
Przyczyny
Charakterystyki
Skutki
(oddziaływanie)
Rodzaj urządzeń
elektrycznych /
budowa, wymagania
Określenie wariantów
przedsięwzięć
Ocena efektywności ekonomicznej wariantów przedsięwzięć
W ostatnich latach obserwuje się szybki wzrost zainteresowania zagadnieniami
jakości energii elektrycznej w miejscach przełączenia do sieci jej uŜytkowników. Jest
6
to spowodowane przyczynami następującymi : przekształceniami sektorowymi,
wprowadzeniem zasady TPA, wzrostem znaczenia umów podpisywanych przez
odbiorców, wzrostem liczby i mocy odbiorników nieliniowych, masowym
instalowaniem urządzeń elektrycznych z elementami elektronicznymi oraz sprzętu
informatycznego, dostępem do coraz tańszych analizatorów parametrów JEE,
zapotrzebowaniem na energię elektryczną o wysokim poziomie jakości przez
niektórych odbiorców, przyłączaniem do sieci rozdzielczych źródeł rozproszonych, m.
in. elektrowni wiatrowych, elektrowni fotowoltaicznych.
7