wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań

Paweł KUCZMA
WAHANIA NAPIĘCIA W SIECI ROZDZIELCZEJ
JAKO WYNIK ODDZIAŁYWAŃ ODBIORNIKÓW
NIESPOKOJNYCH ORAZ GENERACJI
ROZPROSZONEJ
STRESZCZENIE
W pracy zostało przedstawione zjawisko
wahania napięcia. Jest to jedna z najczęstszych przyczyn obniżania
jakości energii elektrycznej. Zaprezentowano źródła ich występowania,
odbiorniki oraz generatory, które mogą je wywoływać, a także sposoby eliminacji do poziomu niezagrażającemu bezpieczeństwu urządzeniom
podłączonych do sieci elektroenergetycznej.
Słowa kluczowe: wahania napięcia, odbiorniki niespokojne, elektrownie
wiatrowe
1. WSTĘP
Jednym ze zjawisk, którego występowanie obniża jakość energii
elektrycznej dystrybuowanej w systemie elektroenergetycznym są wahania
napięcia. Zjawisko to rozumiane jest jako seria szybkich zmian wartości skutecznej napięcia [9]. Wahania napięcia mogą być uciążliwe ze względu na
migotanie oświetlenia, które jest wywołane zmianą strumienia świetlnego,
mgr inż. Paweł Kuczma
e-mail: [email protected]
PGE Lubzel Dystrybucja
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
138
P. Kuczma
którego luminancja lub rozkład spektralny zmienia się w funkcji czasu oraz
mogą powodować zakłócenia pracy urządzeń elektrycznych, m.in. maszyn
synchronicznych i asynchronicznych, urządzeń do elektrolizy oraz urządzeń
elektrotermicznych jak również komputerów [4,5].
Jako źródło wahań napięcia należy wskazać odbiorniki niespokojne
cechujące się szybkimi zmianami obciążenia takie jak piece łukowe i indukcyjne
napędy klatek walcowniczych, spawarki, zgrzewarki, napędy dźwigowe,
maszyny wyciągowe oraz, co ujawnia się w ostatnich latach generację
rozproszoną o szybkiej zmianie mocy w czasie – głownie elektrownie wiatrowe.
Skutki wahań pochodzących z odbiorników i generatorów są bardzo podobne
gdyż w obu przypadkach występuje szybka zmiana mocy, co pociąga za sobą
zmiany napięcia.
2. PRZYCZYNY WYSTĘPOWANIA WAHAŃ NAPIĘCIA
W SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ
Wahania napięcia opisuje się [5]: amplitudą wahań ( δV w woltach lub
δV w jednostkach względnych – odniesionych do napięcia znamionowego,
w procentach) oraz częstością wahań (fu wyrażoną w Hz). Częstość wahań
uzależniona jest wyłącznie od częstości zmian stanu obwodu, a zatem w całym
obwodzie jest stała, zaś amplituda uzależniona jest od wielkości zmian mocy
badanej jednostki lub innych przyłączonych do wspólnego punktu w systemie
elektroenergetycznym.
Podstawowymi przyczynami wahań napięcia są [10,11]:
• zmiana impedancji obwodu zasilania;
• zmiana wartości skutecznej prądu lub przesunięcia fazowego;
• zmiana widma prądu;
• propagacja wahań z obwodów zewnętrznych.
2.1. Zmiana impedancji obwodu zasilania
Zmiana impedancji obwodu zasilania może wystąpić podczas czynności
łączeniowych, być skutkiem zmiany rezystancji zestyków lub też może mieć
miejsce poprzez wprowadzenie do systemu uciążliwego odbiornika ze zmienna
w czasie impedancją wewnętrzną. Zmiana rezystancji zestyków jest stanem
awaryjnym, który w konsekwencji przy odpowiednio dużym obciążeniu prowadzi
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników …
139
do przepalenia się styków, zaś do zilustrowania wpływu uciążliwego odbiornika
posłuży nam poniższy model [9]:
Rys. 1. Model obwodowy do ilustracji propagacji wahań
napięcia
Źródło U oraz impedancja ZS stanowią model Thevenina systemu energetycznego widzianego z szyn zasilających grupę analizowanych odbiorników [9].
Impedancja Z2 reprezentuje odbiornik lub grupę odbiorników o stałych parametrach, na których zaciskach występuje wahanie napięcia. Impedancja Z1
przedstawia odbiornik lub grupę odbiorników, stanowiący źródło zaburzeń. Impedancja ta jest przedstawiona jako zmienna w czasie. Napięcie na zaciskach
Z2 przedstawia równanie:
U1 = U ⋅
Z1Z 2
Z1ZS + Z 2 ZS + Z1Z 2
(1)
Równanie to jest nieliniowe ze względu na Z1. Oznacza to, że nawet tak
prosty model propagacji wahań napięcia jest strukturalnie nieliniowy.
2.2. Zmiana wartości skutecznej prądu
lub przesunięcia fazowego
Zmiana wartości prądu lub przesunięcia fazowego występuje podczas
zmiany stanu odbiornika lub w przypadku generacji w wyniku fluktuacji
prędkości i kierunku prądów powietrznych a także w wyniku nagłego włączenia
lub odłączenia jednego lub większej liczby generatorów (wyłączenie elektrowni
140
P. Kuczma
wiatrowej z powodu osłabnięcia wiatru lub przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej prędkości wiatru). Amplitudę wahań napięcia δU można przedstawić za pomocą poniższej zależności [6]:
δU ≅
RS ⋅ ( I ′ cos ϕ ′ − I ′′ cos ϕ ′′) + X S ⋅ ( I ′ sin ϕ ′ − I ′′ sin ϕ ′′)
⋅ 100%
Un
I′
ϕ′
− wartość prądu I przed zmianą,
− kąt fazowy pomiędzy I i U przed zmianą,
(2)
gdzie:
I ′′
ϕ ′′
− wartość prądu I po zmianie,
− kąt fazowy pomiędzy I i U po zmianie,
RS, XS − składowe impedancji obwodu zasilania,
Un
− napięcie znamionowe.
Amplituda zmian wartości napięcia jest proporcjonalna do zmian prądu
oraz do zmian przesunięcia fazowego oraz zależy od impedancji obwodu
zasilania.
2.3. Zmiana widma prądu
W odkształconych przebiegach prądu wahania napięcia mogą być
podyktowane zmianami widma amplitudowego i fazowego [10]. Analiza ilościowa wpływu takich zmian jest złożona. Ze względu na proporcjonalną zależność
reaktancji od częstotliwości, zmiany wyższych harmonicznych prądu mogą
w znacznym stopniu wpływać na generację wahań napięcia.
2.4. Propagacja wahań
z obwodów zewnętrznych
W zależności od charakteru odbiornika lub generatora może mieć
miejsce propagacja wykrywalnych wahań napięcia w obwodach począwszy od
nn aż do WN. W takim przypadku możliwe jest szkodliwe oddziaływanie w
obwodzie nn poprzez obwody SN jak również w odwodzie SN poprzez obwody
WN. Piece łukowe o mocach kilku MVA mogą propagować uciążliwe wahania
sieci SN, zaś o mocy rzędu kilkudziesięciu MVA – w obwodach WN.
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników …
141
3. WAHANIA NAPIĘCIA GENEROWANE
PRZEZ ELEKTROWNIĘ WIATROWĄ
Elektrownia wiatrowa wprowadza do systemu szereg przyczyn powodujących pogorszenie jakości energii elektrycznej. Jednym z nich jest wahanie
napięcia. Jest ono powodowane przez czynności łączeniowe dokonywane
w całej farmie jak również poprzez tzw. efekt cienia aerodynamicznego wieży.
Zjawisko to występuje, podczas gdy jedna z łopat mija się z wieżą. Pojawia się
wtedy zawirowanie powietrza, co w konsekwencji wywołuje chwilowe obniżenie
napięcia, co pociąga za sobą tzw. efekt migotania światła. Wskaźnik migotania
światła Pst powodowany przez elektrownię wiatrową jest w dużej mierze uzależniony od kąta impedancji systemu elektroenergetycznego.
Zmiana napięcia δU w zależności od kąta fazowego impedancji sieci ϕs
można przedstawić za pomocą następującego uproszczonego związku [7]:
δU ≈ RS ΔP − X S ΔQ ⇒ δU ≈
ΔS
cos (ϕ S + ϕ )
Sk
(3)
gdzie δU jest to zmiana napięcia w punkcie przyłączenia ze względu na zmianę
ΔP i ΔQ przepływająca przez rezystancję i reaktancję systemu elektroenergetycznego. Po przekształceniu, ΔS jest to zmiana mocy, Sk jest moc zwarciowa
w punkcie przyłączenia, ϕs jest to kąt fazowy impedancji sieci, zaś ϕ jest wyrażone za pomocą [7]:
⎛ ΔQ ⎞
⎟
⎝ ΔP ⎠
ϕ = arctg⎜
(4)
Generator indukcyjny w punkcie przyłączenia do sieci podczas oddawania mocy czynnej zawsze pobiera moc bierną, więc ϕ > 0.
Z powyższego wzoru według [7] otrzymujemy charakterystykę przedstawiającą współczynnik migotania napięcia Pst w zależności od kąta fazowego
sieci ϕs:
Zgodnie z [7] złożono, że przy prędkości wiatru 10m/s generator będzie
oddawał moc około 330kW i ϕ ≈ 25°. Dlatego też według (3) możemy się
spodziewać, że najmniejsze wahanie napięcia będzie przy kącie fazowym
systemu ϕs ≈ 65° gdzie ϕs + ϕ = 90°. Dlatego odbiegając od tego punktu
wahanie napięcia a co za tym idzie migotanie będą rosły, co w pełni wyjaśnia
rysunku 2.
142
P. Kuczma
Rys. 2. Wskaźnik migotania światła Pst w funkcji ϕs = arctg(XS/RS)
Według [8] stwierdza się, że całkowite migotanie światła powodowane
przez elektrownię wiatrową zależy od migotania światła powodowanego przez
pojedynczą turbinę według zależności:
Pst,cał =
N
∑P
i =1
2
st, poj
(5)
gdzie:
N
– liczba turbin,
Pst,cał – całkowite migotanie światła powodowane przez elektrownię wiatrową,
Pst,poj – migotanie światła powodowane przez pojedynczą turbinę.
Jeśli wszystkie turbiny są tego samego typu, można uprościć równanie:
Pst,cał = N Pst, poj
(6)
W artykule [8] została pokazana różnica pomiędzy dwoma metodami
obliczeniami współczynnika Pst. Pierwszy sposób pomiaru polega na pomiarze
wyżej wymienionego współczynnika przy pracującej jednocześnie całej elektrowni wiatrowej, zaś drugi z wykorzystaniem (5). Poziom rzeczywistego migotania jest zazwyczaj wyższy niż przy użyciu (5). Powodem tego są prawdopodobnie wahania napięcia pochodzące z systemu elektroenergetycznego. To
wpływa na wszystkie turbiny jednakowo, wywołując zmiany mocy czynnej
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników …
143
i biernej, które są podobne we wszystkich turbinach. Z tego powodu wahania
napięcia turbin wywoływane przez system powinny być sumowane. Tak, więc
jeśli jakość zasilania sieci nie jest zbyt dobra należy przyjąć poprawki do
powyższego wzoru.
4. SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA
Skutki wpływu wahań napięcia zależą w głównej mierze od amplitudy
oraz od częstotliwości ich występowania. Na amplitudę oddziałuje między innymi sieć energetyczna, do której podłączone jest urządzenie, zaś częstość ich
występowania zależy głównie od charakteru pracy danego urządzenia [2].
W praktyce ograniczenie wahań napięcia sprowadza się do zmniejszenia ich
amplitudy. Głównymi sposobami eliminacji wspomnianych wahań są [2]:
• wymiana uciążliwej jednostki lub zmiana jej charakterystyk,
• zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia,
• dynamiczne stabilizatory napięcia,
• zasobniki energii elektrycznej.
4.1. Zwiększenie mocy zwarciowej
w punkcie przyłączenia
Dobór miejsca przyłączenia wynika głownie z jego mocy znamionowej
i powinna wynosić wg. [6]:
S k ≥ 20 ⋅ Pn
(7)
gdzie:
Sk – moc zwarciowa w punkcie przyłączenia jednostki do sieci elektroPn
energetycznej,
– moc przyłączeniowa jednostki.
Według (3) można zauważyć, że wahania napięcia są odwrotnie proporcjonalne do mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia elektrowni wiatrowej. Tym
samym aby zminimalizować powyższe zjawisko w sposób, ażeby nie było
uciążliwe dla systemu stosuje się min. z tego powodu równanie (7).
Zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia można uzyskać
poprzez zmianę punktu zasilania z obwodu nn, SN, WN na odpowiednio SN,
144
P. Kuczma
WN i NN lub też zmniejszenie impedancji obwodu zasilania. To ostatnie można
osiągnąć wskutek skrócenia linii zasilającej, zwiększenia przekroju przewodów
lub zastosowanie transformatora o mniejszej impedancji wewnętrznej.
4.2. Dynamiczne stabilizatory napięcia
Skuteczność działania dynamicznych stabilizatorów napięcia zależy w
głównej mierze od ich mocy znamionowej oraz od amplitudy wahań napięcia.
Powodując przepływ prądu/mocy biernej podstawowej harmonicznej wywołują
spadki napięcia na impedancjach sieci zasilającej. W zależności od tego czy
jest to prąd pojemnościowy czy indukcyjny powoduje to od odpowiednio wzrost
lub obniżenie wartości skutecznej napięcia w punkcie przyłączenia [2].
Dynamicznymi stabilizatorami są:
• maszyna synchroniczna
• dławik z obwodem sterującym prądu stałego
• samonasycający się dławik
• baterie kondensatorów załączane łącznikami tyrystorowymi
4.3. Zasobniki energii elektrycznej
Zasobniki energii są stosowane głownie w elektrowniach wiatrowych,
ponieważ występują tam bardzo szybkie zmiany mocy, a reagowanie na nie
konwencjonalnymi źródłami przyłączonymi do systemu jest niemożliwe. W celu
poprawy jakości energii oddawanej do sieci, wszczynane są prace badawcze
opierające się na wykorzystaniu zasobników energii do stabilizacji mocy oddawanej ze źródeł wiatrowych. Zasobniki mają za zadanie pobierać moc, podczas występowania jej nadmiaru, zaś oddawać w trakcie niedoboru mocy
w systemie elektroenergetycznym.
W energetyce możemy odnaleźć coraz to nowsze układy zasobnikowe,
wśród nich w przyszłości dużą rolę odgrywać powinny [1]: baterie chemiczne
(litowo jonowa, sód siarka, kwasowo ołowiowa), superkondensatory, ogniwa
paliwowe, koła zamachowe i cewki nadprzewodzące. Zasobniki te są w stanie
reagować na szybkie zmiany mocy produkowanej w elektrowniach wiatrowych.
Urządzenia te mogą pracować na skalę przemysłową, co jest uwidocznione
min. w farmie wiatrowej w Japonii o mocy szczytowej 34 MW z dołączonym do
niej zasobnikiem energii w postaci baterii sód siarka o mocy szczytowej również
34 MW [3].
Z energetycznego punktu widzenia obiecującą technologią wydają się
być wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, które produkują nie tylko energię
elektryczną, ale także ciepło. Ciepło to może być wykorzystywane do odparo-
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników …
145
wania wody i napędzania turbiny parowej. Innym sposobem wykorzystania
ciepła z tych ogniw jest budowa nowoczesnych elektrociepłowni wykorzystujących ciepło do ogrzania lokalnych budynków. Koncepcja farmy wiatrowej, której
moc jest stabilizowana przy pomocy zasobników pokazana jest na rysunku (3).
Projekt ten zakłada użycie zasobnika energii wykorzystującego baterię chemiczną do niwelowania najszybszych fluktuacji mocy, co pozwoli np. na uruchomienie ogniwa paliwowego. Ogniwo to z kolei może wykorzystywać do produkcji
np. metanol, otrzymywany w wyniku reakcji naturalnych z biomasy lub w reakcjach syntetycznych [1].
Rys. 3. Koncepcja wykorzystania wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego i baterii
chemicznej do stabilizacji mocy oddawanej z farmy wiatrowej
5. PODSUMOWANIE
Elektrownie wiatrowe jak i odbiorniki niespokojne podłączone do systemu
elektroenergetycznego są źródłem znacznego pogorszenia jakości energii
146
P. Kuczma
elektrycznej poprzez min. opisane powyżej wahania napięcia. W referacie
zostało przedstawione, w jaki sposób wspomniane wahanie napięcia można
oszacować oraz zaprezentowano szereg sposobów redukcji chroniąc przed
zniszczeniem lub nieprawidłową pracą urządzenie podłączone do sieci elektroenergetycznej.
LITERATURA
1. Dmowski A. Kłos M. Rosłaniec Ł.: „Przekształtniki energoelektroniczne w elektrowniach
wiatrowych”.
2. Hanzelka Z.: „Jakość energii elektrycznej” AGH Kraków 2005 r.
3. http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20080924/158411/?P=3
4. Jagieła K.: „Wahania napięcia w publicznych sieciach elektroenergetycznych” Przegląd
Elektrotechniczny nr 4, 2005 r.
5. Kowalski Z.: „Wahania napięcia w układach elektroenergetycznych” Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985 r.
6. PGE Lubzel Dystrybucja Sp. Z O.O. Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej.
7. Stavros A. Spyros J. Michael P. Antonios G.: “Wind Turbine Flicker Calculation using
Neural Networks” Wind Engineering, Vol. 24, Nr 5, 1 September 2000.
8. Thiringer T. Petru T. Lundberg S.: “Flicker Contribution From Wind Turbine Installations”
IEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 19 March 2004.
9. Wetula A.: „Zastosowanie transformaty Hilberta do wyznaczenia obwiedni zespolonej
sygnałów napięć i prądów sieci elektroenergetycznej” Akademia Górniczo Hutnicza, Katedra
Metrologii.
10. Wiczyński G.: „Kompensacja wahań napięcia w sieci elektroenergetycznej” Automatyka
Elektroenergetyczna, nr 3, 2002 r.
11.
Wiczyński G.: „Ograniczanie uciążliwości wahań napięcia w sieci energetycznej” Elektronizacja, nr 12, 2001 r.
Rękopis dostarczono, dnia 17.09.2009 r.
Opiniował: prof. dr hab. Marian Kaźmierkowski
Wahania napięcia w sieci rozdzielczej jako wynik oddziaływań odbiorników …
147
VOLTAGE FLICKER AS A RESULT INFLUENCE
DISTRIBUTED GENERATION
AND RECEIVER TO THE POWER SYSTEM
P. KUCZMA
ABSTRACT
This paper presents what voltage flicker in power
networks is. Now, it is one of the reasons decrease quality of electricity.
In the paper generation of flicker phenomena are described and ways
of elimination them to the safe level are also discussed.
Mgr inż. Paweł Kuczma. Studia na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki
Lubelskiej ukończył w 2008 r. W październiku 2008 r. rozpoczął pracę w PGE Lubzel Dystrybucja
na stanowisku inżyniera ds. Automatyki Zabezpieczeń.
148
P. Kuczma