Mikrogeneracja w obiektach budowlanych - wpływ przyłączenia jednostki wytwórczej na warunki zasilania odbiorców w sieci niskiego napięcia

fot. sxc.hu

Przyłączanie jednostek wytwórczych do istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej jest zagadnieniem ciągle aktualnym [3-6]. W świetle nowych uregulowań formalnoprawnych, które mają ułatwić rozwój mikrogeneracji w sieci, preferujących wykorzystanie energii słońca, temat ten cieszy się bardzo dużym zainteresowaniem. Stosowanie dopłat dla wytwórców energii elektrycznej ze źródeł energii odnawialnej skłania do instalowania jednostek wytwórczych i wprowadzania do sieci energii przetworzonej np. z elektrowni wiatrowej lub fotowoltaicznej.

Przy mikrogeneracji jedną z istotnych kwestii jest zagadnienie ma­gazynowania energii elektrycznej. Najlepiej tego uniknąć, ponieważ obecnie jest ono bardzo kłopotliwe. W takim przypadku należy mieć możliwość wprowadzenia do sieci ewentualnej nadwyżki wytwo­rzonej energii elektrycznej. Zatem naturalne staje się pytanie: jak to wpłynie na warunki zasilania innych użytkowników instalacji?

W artykule opisano i analizo­wano przykład przyłączenia jed­nostki wytwórczej do istniejącej instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym, np. domku jedno­rodzinnym. Analizowano wpływ przyłączenia jednostki wytwór­czej o mocy od kilku do kilkuna­stu kilowatów na napięcia w linii niskiego napięcia a także zmianę mocy czynnej odbiorów oraz stra­ty mocy czynnej.

Opis modelowego układu 

Na rys. 1 przedstawiono sche­mat poglądowy modelowanej li­nii elektroenergetycznej niskiego napięcia. Linia wyprowadzona jest ze stacji transformatorowej SN/hN, w której zabudowany jest transformator o danych zna­mionowych: S_N = 63 kVA, U_N = 15,75/0,42 kV, u_k = 4,5%, ΔP0= 150 W, ΔP_obc. = 1,2 kW,Yzn5. Moc zwarciowa na szynach 15 kV stacji transformatorowej wynosi S_k"=308 kVA. Elektroenergetyczna linia niskiego napięcia została wy­konana jako napowietrzna przewodami aluminiowymi o polu przekroju poprzecznego 25 mm² (dłu­gości poszczególnych odcinków linii podano na rys. 1). Instalację wewnętrzną odbioru nr 6 modelowano z uwzględnieniem podziału fazowego obwodów elektrycznych (z uwzględnieniem przewodów instalacyjnych YDY 2,5 mm² dla obwodów gniazd wtyczkowych oraz YDY 1,5 mm² dla obwodów oświetleniowych). Do fezy LI przyłączone są dwa odbiorniki: telewizor (520 W) oraz żelazko (2,4 kW). Do fazy L2 przyłączone są następujące odbiorniki: pral­ka (230 V, 10 A, cos

Rys. 1. Schemat poglądowy  modelowanej linii elektroenergetycznej niskiego napięcia

Poszczególne odbiory od 1 do 5 oraz 7 i 8 modelowane są jako niesymetryczny trójfazowy odbiornik rezystancyjno-indukcyjny o niezmiennych wartościach rezystancji i indukcyjności, wynikają­cych z następujących danych: odbiór nr 1 - moc trójfazowa 3,0 kW, cosę = 0,85, odbiór nr 2 - moc trójfazowa 3,0 kW, cosę = 0,80, od­biór nr 3 - moc trójfazowa 4,0 kW, cosę = 0,88, odbiór nr 4 - moc trójfazowa 1,5 kW, cosę=0,78, odbiór nr 5 -moc trójfazowa 2,5 kW, cosę=0,85, odbiór nr 7 - moc trójfazowa 4,6 kW, cosę=0,83, odbiór nr 8 - moc trójfazowa 3,0 kW, cosę = 0,88.

Jednostka wytwórcza została przyłączona do instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym, oznaczonym jako odbiór 6. Zakłada się, że nie ma potrzeby przebudowy istniejącej instalacji elektrycznej, a jedy­nie w rozdzielnicy nN można dokonać zmiany konfiguracji połączeń, wynikających z instalacji przekształtników energoelektronicznych jako elementów wykonawczych w systemie sterowania rozpływem energii elektrycznej. Ten aspekt mikrogeneracji w istniejących instalacjach elektrycznych nN nie będzie tutaj szczegółowo rozważany. Jednostka wytwórcza jest przyłączona do instalacji elektrycznej obiektu budowlanego przez przekształtnik energoelektroniczny, który dopasowuje przetwornik energii (z założenia pracujący z maksymalną sprawnością przetwarzania energii) do warunków technicznych instalacji. Przyjęto, że przekształtnik działa tak, aby w fezie LI faza początkowa prądu jednostki wytwórczej względem fezy początkowej napięcia tej fezy w instalacji była zgodna z założoną wartością cosę generacji. W pozo­stałych fezach prądy jednostki wytwórczej mają tę samą wartość am­plitudy jak w fezie LI oraz sąprzesunięte o kąt 120° względem siebie, tworząc symetryczny układ trójfazowy źródła prądu.

Wyniki badań symulacyjnych 

Na rys. 2 przedstawiono wyniki symulacji komputerowej w posta­ci wartości napięcia w poszczególnych węzłach elektroenergetycz­nej linii nN, dla trzech faz.

Przy założonych parametrach jednostki wytwórczej (generacja ener­gii z cosę = 1,0), określonych warunkach pracy instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym nr 6 oraz założonych parametrach wszystkich innych odbiorników przyłączonych do rozpabywanej linii elektro­energetycznej, nie jest zaskoczeniem wzrost napięcia w węzłach sieci w otoczeniu węzła przyłączenia jednostki do sieci. Z punktu widzenia operatora sieci elektroenergetycznej taki stan jest korzystny z uwagi na zmniejszenie poboru energii elektrycznej z systemu (ze stacji transfor­matorowej SN/nN) oraz obniżenie strat energii elektrycznej w elemen­tach przesyłowych infrastruktury elektroenergetycznej nN (Rys. 3).

Rys. 2. Napięcia w poszczególnych węzłach elektroenergetycznej linii nN przy różnych wartościach mocy generowanej przez jednostkę wytwórczą (a - faza LI, b - faza L2, c - faza L3)

Przedstawione wyniki uzasadniają zalety rozproszonych źródeł ener­gii przytaczanych w pracach [8,10], tzn. zmniejszenie strat przesyłu i dystrybucji, gdy źródła są umieszczone blisko odbiorców. W przywo­łanych publikacjach, wśród wielu wymieniana jest również inna zaleta rozproszonych źródeł energii, czyli umieszczenie źródeł w pobliżu odbiorców może zwiększyć ich świadomość dotyczącą użytkowania energii, wpływu na środowisko i w konsekwencji kształtować podej­ście energooszczędne i proekologiczne. W lym miejscu należy zwrócić uwagę na fakt zwiększenia napięcia w węzłach sieci, a zatem również w instalacjach u poszczególnych odbiorców energii elektrycznej, co prowadzi do zwiększenia mocy pobieranej z sieci. Liczniki energii elektrycznej będą wskazywały większe zużycie energii elektrycznej.

Rys. 3. Wartości trójfazowej mocy czynnej w polu odpływowym stacji SN/nN, wszystkich odbiorów, jednostki wytwórczej oraz strat mocy czynnej w sieci przy różnych wartościach mocy generowanej przez jednostką wytwórczą.

Obecnie wielu odbiorców może mieć dostęp do danych doty­czących zużycia energii elektrycznej [2]. Z formalnego punktu widzenia błędny jest jednak wniosek, że z powodu przyłączenia jednostki wytwórczej odbiorcy energii elektrycznej przyłączeni do linii elektroenergetycznej będą płacili więcej za pobraną ener­gię elektryczną. Napięcie w każdym węźle sieci musi mieścić się w określonym przedziale ±10% wartości napięcia deklarowanego. Na rys. 4 przedstawiono zmianę napięcia oraz mocy czynnej dla odbioru nr 8 w zależności od mocy generowanej w jednostce wy­twórczej. Taka zmiana napięcia może wystąpić również bez genera­cji energii w jednostce wytwórczej, podczas normalnej eksploatacji sieci, w normalnym stanie pracy systemu. Na przykład na skutek regulacji napięcia w stacji transformatorowej WN/SN zasilającej li­nie średniego napięcia, innych procesów łączeniowych w sieci SN [1] oraz na skutek włączania lub wyłączania odbiorników w insta­lacjach niskiego napięcia u odbiorców przyłączonych do danej linii. 

Rys. 4. Zmiana napięcia oraz mocy czynnej dla odbioru nr 8 w zależności od mocy generowanej w jednostce wytwórczej

Przekroczenie dopuszczalnej wartości napięcia w węzłach sieci z te­oretycznego punktu widzenia nie jest możliwe, gdyż dla każdego przyłączenia jednostki wytwórczej powinno się wykonywać analizy funkcjonowania sieci elektroenergetycznej z przyłączoną generacją i eliminować przypadki, które prowadzą do zagrożenia nadmierne­go wzrostu napięcia. Z praktycznego punktu widzenia powinno się stosować wśród wielu zabezpieczeń [9,11] również zabezpieczenie nadnapięciowe, które w krytycznych przypadkach odłączy jednost­kę wytwórczą od sieci.

Inne aspekty techniczne mikrogeneracji w instalacjach elektroenergetycznych niskiego napięcia 

Zastosowanie lamp wyładowczych w urządzeniach oświetlenio­wych, w zależności od konstrukcji lampy i zastosowanego osprzętu wpływa na kształt przebiegu prądu pobieranego z sieci. W pracy [7] przedstawiono analizę widmową prądu pobieranego przez lam­py wyładowcze oraz zasady doboru zabezpieczeń i przekroju prze­wodów w instalacjach oświetleniowych. W przypadku stosowania świetlówek kompaktowych ze statecznikiem indukcyjnym należy brać pod uwagę występowanie 3. harmonicznej prądu na poziomie kilkunastu procent (przy mocy kilkunastu watów). Dla świetlówek kompaktowych ze statecznikiem elektronicznym spektrum wyż­szych harmonicznych nieparzystych poszerza się: ok. 70% trzecia, ok. 40% piąta, ok. 30% siódma i dziewiąta, ok. 10% trzynasta.

Wyższe harmoniczne w prądzie zasilającym występują również w innych urządzeniach elektrycznych, które zasilane są z zasilaczy impulsowych z niedostatecznym układem filtracji. Wśród urządzeń tego typu należy wymienić zestawy komputerowe. Problem wyż­szych harmonicznych prądu może mieć bardzo istotne znaczenie zwłaszcza w biurowcach, w których pracuje równocześnie często kilkaset zestawów komputerowych i kilkaset opraw oświetlenio­wych. W tych przypadkach przyłączanie jednostki wytwórczej przez przekształtnik energoelektroniczny, który również musi mieć odpowiednie filtry, staje się zagadnieniem wrażliwym pod wzglę­dem negatywnego wpływu na jakość energii elektrycznej w zakre­sie wyższych harmonicznych napięcia sieci. Jednak przekształtnik pośredniczący między przetwornikiem energii a siecią nie musi być elementem pogarszającym jakość energii elektrycznej w poda­nym wyżej zakresie. Wprost przeciwnie, przekształtnik może być tak sterowany, żeby oprócz roli dopasowania elektrycznego pełnił funkcję filtra aktywnego. Wówczas prądy jednostki wytwórczej są generowane tak, aby wyeliminować wpływ (skompensować) np. 3. harmonicznej prądu pobieranego przez zestawy komputerowe i lampy oświetleniowe na przebieg napięcia w sieci. Takie funkcje przekształtnika energoelektronicznego jednostki wytwórczej nale­ży rozpatrywać w kategoriach dodatkowych usług instalacyjnych i sieciowych.

Podsumowanie

Nowe uregulowania formalno-prawne, których wprowadzenie w Polsce jest planowane w roku 2013, mają ułatwić przyłączanie jednostek wytwórczych o mocach znamionowych kilku kilowatów (mikrogeneracja) do sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia, z preferencją wykorzystania energii słońca. Ma to zachęcić prywat­nych odbiorców energii elektrycznej do instalowania jednostek wy­twórczych w domkach jedno- i wielorodzinnych. Celem lokalnym tego typu przedsięwzięć jest wykorzystanie miejscowych zasobów energii odnawialnej oraz zwiększenie efektywności energetycznej obiektu. Efektem globalnym ma być optymalne wykorzystanie re­gionalnych zasobów energii odnawialnej oraz zwiększenie efektyw­ności energetycznej sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia. Umieszczenie źródeł w pobliżu odbiorców może zwiększyć ich świadomość dotyczącą użytkowania energii, wpływu na środowisko i w konsekwencji kształtować podejście energooszczędne i proeko­logiczne [2, 8], Żeby realizować skutecznie przyłączanie jednostek wytwórczych do sieci elektroenergetycznej, w ramach mikroge­neracji, wymagane jest uświadomienie wszystkich użytkowników systemu elektroenergetycznego na poziomie niskiego napięcia o korzyściach wynikających z zastosowanych rozwiązań i braku re­alnych zagrożeń dla indywidualnych podmiotów przyłączonych do wspólnej sieci elektroenergetycznej.

Doświadczenia z przyłączania jednostek wytwórczych do sieci elektroenergetycznej średniego i wysokiego napięcia pozwolą na wykonywanie analiz możliwości przyłączania jednostek wytwór­czych do sieci niskiego napięcia z zapewnieniem bezpiecznego ich funkcjonowania. Wypracowano symulatory komputerowe stanów pracy systemów elektroenergetycznych, które w stopniu adekwat­nym pozwalają analizować stany statyczne systemów elektroener­getycznych z generacją rozproszoną, w tym również sieci niskiego napięcia. Aspekty modelowania procesów przejściowych w tych systemach są przedmiotem prac prowadzonych m.in. w Instytucie Inżynierii Elektrycznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodni- czego w Bydgoszczy. Prowadzone są prace związane z zastosowa­niem komputerowych symulatorów układów elektroenergetycznych współpracujących w czasie rzeczywistym z obiektami realnymi (np. regulatory w układach kompensacji mocy biernej, regulatory napięcia generatorów synchronicznych, cyfrowa automatyka zabez­pieczeniowa).

Wyniki prac z wykorzystaniem komputerowych symulatorów układów elektroenergetycznych pozwalają na wieloaspektową ana­lizę wpływu przyłączanej jednostki wytwórczej na warunki zasila­nia wszystkich użytkowników systemu elektroenergetycznego.

LITERATURA

[1] Bieliński K., Bieliński W.: Procedury dyspozytorskiego wyłączania linii średniego napięcia w stanach deficytu mocy. Rynek Energii 2010 nr 6

[2] Bieliński K.: Monitorowanie jako narzędzie wspomagające zarządzanie energią. Rynek Energii 2012 nr 6

[3] Cieślik S.: Digital Simulators as an Assessment Tool of the Impact of Distributed Generation on Power Grid Infrastructure.Przegląd Elektrotechniczny 2010 nr 8

[4] CieślikS.,MaridewiczA.: Ocena wpływu elektrowni wiatrowych małej mocy na elektroenergetyczną sieć dystrybucyjną średniego napięcia. XV Międzynarodowa Konfe- rencja Naukowa, Aktualne Problemy w Elektroenergetyce”, Jurata 2011

[5] Cieślik S.: Przyłączanie mikrogeneracji do istniejących instalacji elektroenergetycz­nych niskiego napięcia w obiektach budowlanych. XV Sympozjum „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne”, Poznań 2012

[6] Cieślik S., Siegert J.: Generacja rozproszona w elektroenergetycznych sieciach dys­trybucyjnych - wczoraj - dziś - jutro. Rynek Energii 2011 nr 1

[7] Czapp S.: Odkształcenie prądu pobieranego przez urządzenia oświetleniowe i jego wpływ na instalację zasilającą. Acta Energetica 2009 nr 1

[8] Kacejko P.: Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym. Wydawni­ctwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 2004

[9] Korniluk W., Woliński K.W.: Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2009

[10] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepła. Oficyna Wydawni­cza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010

[11] Winkler W. (red.): Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa w przykła­dach i zadaniach. Tom 1. Zakłócenia w pracy systemu elektroenergetycznego i jego elementów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2006