ZARZĄDZANIE MIKROINSTALACJAMI OZE – REALNE

WYZWANIE TECHNICZNE, CZY TYLKO IMPULS

MARKETINGOWY?

Autorzy: Piotr Kacejko, Paweł Pijarski

("Rynek Energii" - luty 2016)

Słowa kluczowe: instalacje prosumenckie, mikroźródła, zmiana napięcia

Streszczenie. W artykule przedstawiono rozważania dotyczące zarządzania grupą mikroźródeł przyłączonych do

sieci niskiego napięcia, w obrębie jednej stacji transformatorowej. Na podstawie przeprowadzonych analiz okre-

ślono możliwy wpływ dużej liczby instalacji prosumenckich generujących moc w dolinie zapotrzebowania, na

zmiany napięcia w tej sieci. Zaproponowano architekturę i algorytm lokalnego układu zarządzania grupą takich

źródeł, mającego za zadanie wyeliminowanie efektu „podbicia” wartości napięcia, który może powodować nega-

tywne konsekwencje dla odbiorców.

1. MIKROINSTALACJE OZE W SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA

Systemy wsparcia wprowadzone przez ustawę o OZE oraz postęp technologiczny prędzej czy

później doprowadzą do rozwoju systemów wytwarzania przyłączanych do sieci niskiego na-

pięcia. Skala tego rozwoju może być regulowana ustawowo, ale tylko do pewnego stopnia,

bowiem spadek cen, szczególnie w zakresie fotowoltaiki, spowoduje wzrost mocy źródeł,

którego nie da się zahamować, tak jak nie mógł ulec zahamowaniu rozwój sieci komputero-

wych lub telefonii komórkowej [2]. Wtedy nawet tak subtelny system wsparcia jak net – me-

tering (bez taryfy gwarantowanej) może spowodować okresową nadpodaż energii w rozpa-

trywanej sieci i jej przepływ w kierunku stacji transformatorowej. Konsekwencje techniczne

dla sieci niskiego napięcia, które będą wynikać w przyszłości ze wzrostu liczby źródeł wy-

twórczych są zróżnicowane. Wydaje się jednak, że najpoważniejsze z nich to oddziaływanie

napięciowe wynikające z przepływu mocy od miejsca przyłączenia tych źródeł w stronę stacji

SN/nn.

Gdyby moc produkowana w źródłach rozproszonych odpowiadała mocy odbieranej

w miejscach ich przyłączania, wtedy stan sieci odpowiadałby stanowi jałowemu, czyli pobo-

rowi mocy z transformatora SN/nn bliskiemu zeru. Specyfika źródeł rozproszonych

i zastosowanych technologii polega jednak na tym, że korelacja mocy w nich wytwarzanej

z mocą zapotrzebowaną jest znikoma [1, 7]. Mówiąc konkretnie o fotowoltaice, zapotrzebo-

wanie na moc w miesiącach maksymalnego poziomu promieniowania słonecznego, nie po-

krywa się ze szczytowym zapotrzebowaniem na moc u odbiorców, którzy pozostawiają w

domach co najwyżej włączone lodówki. Przepływ mocy w kierunku stacji SN/nn powoduje

efekt określany jako „podbicie napięcia”, będący odwrotnością efektu spadku napięcia. Tym

samym napięcie w punktach przyłączenia źródeł rozproszonych, jak też w punktach przyłą-

czenia instalacji odbiorczych znajdujących się w ich pobliżu, może wzrastać powyżej warto-

ści dopuszczalnych skracając istotnie czas życia szeregu urządzeń, w szczególności źródeł

światła. Zmienność warunków pracy sieci – związana ze zmianami obciążenia, zmianami

mocy generowanej w źródłach rozproszonych, zmianami zachodzącymi w sieci SN, mogą w

rezultacie spowodować dobowe fluktuacje napięć w węzłach odbiorczych sieci niskiego na-

pięcia w szerokim zakresie (np. od 200 do 260 V), które dla odbiorcy będą postrzegane jak

swoisty napięciowy „dyskomfort”. Nie można oczywiście winy za ten dyskomfort przerzucać

w całości na źródła rozproszone, ale z pewnością warto prowadzić analizy jaka jest ich fak-

tyczna rola w zniekształcaniu profilu napięciowego sieci nn, a jeżeli w pewnych warunkach

okaże się ona istotna, to niezbędne jest zaproponowanie środków technicznych, które ten ne-

gatywny wpływ mogą skompensować.

2. ISTOTA EFEKTU „PODBICIA NAPIĘCIA”

Przedmiotem prowadzonych analiz, których wynik opisuje niniejszy artykuł, są zasygnalizo-

wane niżej dwa problemy:

zidentyfikowanie warunków i okoliczności, w których negatywne oddziaływanie źródeł

rozproszonych może być szczególnie zauważalne,

zaproponowanie rozwiązań technicznych pozwalających na zdecentralizowaną regulację

mocy biernej tych źródeł, a w warunkach uzasadnionych ograniczanie poziomu generacji

ich mocy czynnej, które pozwoli na utrzymanie profili napięciowych sieci nn, w zakresie

akceptowalnym dla ogółu odbiorców.

Na rys.1 przedstawiono w skróconej postaci kompendium podstawowej wiedzy inżynierskiej

o efektach napięciowych związanych z poborem mocy z sieci, jej generacją oraz łącznie po-

borem i generacją. Nawet w wysokich gremiach decyzyjnych panuje pogląd, że przepływ

mocy od źródła do sieci przypomina swoisty proces „pompowania” , który zachodzi tylko

wtedy, gdy napięcie w miejscu generacji jest większe od napięcia w miejscu odbioru. To cał-

kowicie mylne przekonanie znajdujące swoje uzasadnienie we właściwościach sieci prądu

stałego. W sieci prądu przemiennego wyższe napięcie w miejscu generacji jest skutkiem

przepływu mocy, a nie jego „siłą sprawczą”. Mocy generowanej w głębi sieci nie trzeba

„pompować” – system ją zaabsorbuje zmniejszając generację w jednostkach regulacyjnych –

nośnikiem informacji o chwilowym nadmiarze mocy jest częstotliwość.

Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z mikroinstalacji prowa-

dzona dla ekstremalnie dobranych przypadków wskazuje na ich oddziaływanie silnie i nega-

tywnie wpływające na inne odbiory. Warto zdać sobie sprawę z faktu, że dla napięcia na szy-

nach rozdzielni niskiego napięcia stacji SN/nn na poziomie 400 V (co jest wartością typową,

równą napięciu znamionowemu) napięcie u odbiorców oddalonych od stacji na poziomie 360

V nie jest niczym nienormalnym.

Rys. 1. Ilustracja zależności napięciowych związanych

z przepływem mocy w sieci promieniowej niskiego

napięcia: a) odbiór; b) generacja; c) odbiór i generacja

Z drugiej jednak strony, w takim przypadku generacja na poziomie mocy odbieranej w

szczycie zapotrzebowania, musi wiązać się z „podbiciem” wartości napięcia do 440 V w jego

dolinie. Dokuczliwość zmian napięcia u odbiorców od wartości 440 V do 360 V zależy od ich

dynamiki i częstości. Można jednak przypuszczać, że zmienność napięć w tak szerokim za-

kresie nie może być oceniana jako coś normalnego, akceptowanego

w pełni przez odbiorcę.

3. WYNIKI ANALIZY SIECI TESTOWEJ Z MIKROINSTALACJAMI

Należy podkreślić, że tak jaskrawy obraz oddziaływania napięciowego mikroźródeł musi być

skonfrontowany z analizą uwzględniającą rzeczywistą konfigurację sieci oraz, co bardzo

istotne, korelację pomiędzy przebiegiem zapotrzebowania na moc a możliwościami produk-

cyjnymi mikroźródeł [3, 4]. Rozpatrywana sytuacja, w której zapotrzebowanie spada do zera,

a możliwości generacyjne osiągają maksimum, może być bowiem uznana za zbyt pesymi-

styczną.

W artykule przedstawiono wyniki analizy uproszczonej sieci niskiego napięcia, przedstawio-

nej na rys.2. W skład sieci wchodziły trzy obwody zasilające osiem zagregowanych węzłów

odbiorczych. Obciążenie każdego z nich wynosiło 10 kW i 4 kvar. Długości poszczególnych

obwodów wykonanych przewodem AL 25 wynosiły odpowiednio 600 m, 1000 m i 500 m.

Moc transformatora o przekładni 15,75/0,4 kV wynosiła 100 kVA.

Kwestia doboru przekładni transformatora (regulacja w cyklach kilkuletnich w stanie bezna-

pięciowym) zależy od usytuowania stacji w stosunku do Głównego Punktu Zasilania. Jeśli

odcinek SN jest krótki przyjmuje się pracę na zaczepie +5% (napięcie SN nieco za wysokie,

przekładnia tak ustawiona obniża napięcie po stronie 0,4 kV), jeśli odcinek SN jest długi

przyjmuje się pracę na zaczepie -5% (napięcie SN jest za niskie, przekładnia tak ustawiona

podwyższa napięcie po stronie 0,4 kV). Niestety zmiany konfiguracji sieci SN powodują, że

często aktualnie dobrana przekładnia transformatora nie jest adekwatna do warunków napię-

ciowych w sieci SN.

Rys. 2. Schemat sieci testowej niskiego napięcia

zawierającej zagregowane węzły odbiorcze; wartość

napięcia na szynach 15 kV GPZ przyjęto 15,75 kV

Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone obliczeniowo za pomocą progra-

mu rozpływowego przedstawiono na rys. 3. Wynika z niego, że jeśli przez odpowiedni dobór

przekładni i warunki napięciowe w sieci SN, uda się uzyskać na szynach nn napięcie na po-

ziomie 440V – 400V to w całej sieci ma ono wartości możliwe do zaakceptowania. Dla na-

pięcia na szynach nn równego 380 V, warunki napięciowe w głębi sieci mogą być przedmio-

tem reklamacji odbiorców.

Rys. 3. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają poszczególnym obwo-

dom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni transformatora SN/nn

Mikroinstalacje OZE modelowano zakładając we wszystkich agregowanych węzłach odbior-

czych generację mocy o wartości od zera do 10 kW. Schemat sieci z mikroinstalacjami przed-

stawia rys. 4.

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

0 200 400 600 800 1000

U, p

u

Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]

Rys. 4. Schemat sieci testowej niskiego napięcia zawierającej zagregowane węzły odbiorcze z mikroinstalacjami

Obliczenia rozpływowe wykonywano dla różnych relacji pomiędzy mocą odbieraną a gene-

rowaną. Warunki napięciowe w sieci niskiego napięcia wyznaczone dla relacji niekorzystnej z

punktu widzenia sieciowego (moc obciążenia każdego węzła bliska zeru, moc generowana w

każdym węźle 10 kW) przedstawiono na rys.5.

Rys. 5. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają

poszczególnym obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni

transformatora SN/nn i jednakowych mocy generowanych w każdym węźle

Jak widać efekt „podbicia” napięcia, w przypadku dobrych warunków napięciowych na szy-

nach nn (powyżej 400 V) jest znaczący i prowadzi do wartości 460 V. Oceniając jednak kom-

pleksowo możliwość zmian napięcia od stanu zerowej generacji do stanu maksymalnej gene-

racji to w niekorzystnych warunkach sieciowych, może być to zmiana od 320 V (najniżej po-

łożony punkt na rys. 2) do wspomnianych 460 V (najwyżej położony punkt na rys. 5). Nawet

przy statycznym charakterze takich zmian warunków napięciowych, muszą być one uznane

jako niekorzystne dla odbiorców i zastosowanie środków zaradczych staje się uzasadnione.

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

0 200 400 600 800 1000

U, p

u

Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]

4. KONCEPCJA UKŁADU STEROWANIA GRUPĄ MIKROINSTALACJI

Analiza zmian napięcia związana z wprowadzaniem do sieci mocy z mikroinstalacji, prowa-

dzona dla ekstremalnych przypadków, wskazuje na bardzo silne i negatywnie wpływające na

inne odbiory oddziaływanie. W dalszej części artykułu zaproponowano koncepcję podjęcia

środków zaradczych, sprowadzającą się do objęcia grupy mikroinstalacji prostym systemem

sterowania.

Najprostszym sposobem oceny kwestii napięciowych sieci niskiego napięcia są zależności:

0

(1 )

(1 )

i i

i i i

n n

i i

P QU R X a

U U

U U U b

Jak widać z wzorów (1) o spadku, jak też o podbiciu napięcia decydują addytywnie dwa ele-

menty – związane z przepływem mocy czynnej jak też z przepływem mocy biernej. Zbyt duża

wartość zmiany napięcia (1a) może być zatem ograniczona poprzez zmianę mocy czynnej

oraz zmianę mocy biernej. O ile w przypadku mocy odbieranej (PLi, QLi) nie jest to technicz-

nie możliwe (jeśli wykluczyć odłączanie odbiorców), to w przypadku mocy generowanej (PGi,

QGi) techniczna realizacja wydaje się realna. Warto zwrócić uwagę, że sieć niskiego napięcia,

kiedyś całkowicie nieobserwowalna w sensie technicznym, obecnie dzięki zainstalowaniu w

niej liczników „inteligentnych” oferuje bogaty strumień pomiarów (napięcia, prądy, moce

czynna i bierna). Korzystanie z niego jest uwarunkowane jedynie możliwościami odpowied-

nio zorganizowanego i obsługiwanego kanału transmisji.

Przekraczanie dopuszczalnych poziomów napięć wynikające z przepływu mocy w kierunku

stacji SN/nn może zostać ograniczone w następujący sposób:

wymuszenie przepływu mocy biernej płynącej w stronę odbiorów, poprzez zdalne oddzia-

ływanie na falowniki mikroinstalacji (zaleta: nie ma konieczności ograniczania generacji

mocy czynnej żadnego podmiotu; wady: niewielka skuteczność z uwagi na małą induk-

cyjność linii nn, ograniczenia wynikające z prądów znamionowych zabezpieczeń, koniecz-

ność ingerowania w instalację, której operator sieci nie jest właścicielem);

ograniczanie generacji mocy czynnej produkowanej w mikroinstalacjach, poprzez zdalne

oddziaływanie na falowniki źródeł (zaleta: ograniczenie generacji może być przeprowa-

dzone sposób postrzegany przez producentów jako sprawiedliwy, np. proporcjonalny do

mocy znamionowej; wady: konieczność ingerowania w instalację, której operator sieci nie

jest właścicielem);

ograniczanie mocy przepływającej w kierunku szyn rozdzielni poprzez wyłączenie zdalne

niezbędnej liczby źródeł – najczęściej zlokalizowanych na końcach obwodów (zaleta:

techniczna łatwość realizacji, duża skuteczność, brak konieczności ingerowania w instala-

cję, której operator sieci nie jest właścicielem; wada: możliwe niezadowolenie producen-

tów z powodu zróżnicowanego ich traktowania).

Skuteczność ostatniego sposobu sterowania grupą mikroinstalacji pokazano na rys.6. Wyłą-

czenie trzech źródeł (każde o mocy 10 kW) zlokalizowanych na końcach każdego z trzech

obwodów rozpatrywanej sieci, bardzo efektywnie „stabilizuje” wartość napięcia w całej sieci,

czyniąc „podbicie” oddziaływaniem korzystnym, zapewniającym wartość napięcia na akcep-

towalnym poziomie, niezależnie od wartości napięcia po stronie SN.

Organizację całego procesu sterowania grupą źródeł rozproszonych przyłączonych do sieci

niskiego napięcia pokazano na rys.7. Wymagania stawiane transmisji danych z liczników,

biorąc pod uwagę niewielką liczbę przesyłanych danych i powolny charakter zmian wartości

mierzonych, są łatwe do spełnienia. Odbiornikiem transmitowanych danych może być rze-

czywisty lub wirtualny sterownik, nazwany z uwagi na jednostkę proponującą prezentowane

rozwiązanie Sterownik.PL (Politechnika Lubelska). Sterownik rzeczywisty może być zlokali-

zowany w stacji transformatorowej, lub osadzony na komputerze operatora sieci. Istotne wy-

daje się odseparowanie proponowanego układu sterowania grupą mikroinstalacji od zasadni-

czego układu czasu rzeczywistego SCADA, którego operator używa do sterowania siecią SN

i 110 kV. Ranga i zadania tych systemów są niewspółmiernie inne i wspomniana separacja

jest najlepszym sposobem zapewnienia bezpieczeństwa informatycznego w systemie spółki

dystrybucyjnej.

Rys. 6. Ilustracja warunków napięciowych w sieci testowej nn; linie łamane odpowiadają poszczególnym

obwodom, obliczenia przeprowadzono dla trzech przekładni transformatora SN/nn i jednakowych mocy

generowanych w każdym węźle – sytuacja po wyłączeniu źródeł na końcach każdego z obwodów

Szczegółowy opis algorytmu sterowania realizowanego przez układ określony jako Sterow-

nik.PL (pokazanego na rys.8) wykracza poza ramy niniejszego artykułu. Możliwe jest zarów-

no sterowanie poprzez oddziaływanie na parametry falownika każdej instalacji wytwórczej,

jak też dokonywanie zdalnych wyłączeń. W każdym przypadku zakres interwencji układu

sterowania jest minimalizowany, tak by osiągnięty został stan napięciowy sieci możliwy do

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

0 200 400 600 800 1000

U, p

u

Odległość od stacji transformatorowej SN/nn,[m]

zaakceptowania przez odbiorców. W sterowniku ma miejsce również miejsce weryfikacja

danych i ich estymowanie w przypadku wykrytych błędów transmisji.

Rys. 7. Schemat sieci testowej niskiego napięcia ze źródłami rozproszonymi i układem sterowania wykorzystu-

jącym pomiary udostępniane przez liczniki inteligentne

Rys. 8. Schemat funkcjonalny sterownika zarządzającego poziomami napiec w sieci nn nasyconej

w dużym stopniu źródłami rozproszonymi; możliwe jest oddziaływanie

na falowniki źródeł bądź sterowanie poprzez selektywne ich wyłączenia

Stosowanie proponowanych układów sterowania w sieci nn znajduje uzasadnienie wtedy,

gdy nasycenie mikroinstalacjami jest znaczne. W sieci testowej każdy węzeł odbiorczy był

równocześnie węzłem wytwórczym. W sieciach rzeczywistych z pewnością sytuacja taka nie

będzie miała miejsca. Ostatecznie o zastosowaniu układu sterowania powinien decydować

operator, po poddaniu analizie obliczeniowej danej sieci. Z pewnością układ ten powinien być

stosowany jako narzędzie służące zarówno operatorowi jak i odbiorcom, a nie jako kolejna

restrykcja nakładana na tych którzy mają odwagę stać się producentami energii elektrycznej z

mikroinstalacji OZE.

Osobnym problemem jest także aspekt prawny stosowania proponowanego układu, w szcze-

gólności w zakresie ograniczenia wartości mocy generowanej PGi. (zarówno w drodze wyłą-

czeń jak i oddziaływania na falowniki) [5, 6]. O ile bowiem kwestie możliwości zdalnego

oddziaływania na wartości QGi mogą być ujęte w warunkach przyłączenia (podlegających

aneksowaniu po wprowadzeniu mikroźródeł), o tyle kwestie zmniejszania poziomu generacji

są znacznie bardziej „wrażliwe” i tu konieczne są studia o charakterze prawnym, bazujące na

zapisach ustawy o OZE i ustawy Prawo energetyczne [2].

5. PODSUMOWANIE

Artykuł zwraca uwagę na negatywne oddziaływanie napięciowe dużej liczby rozproszonych

instalacji wytwórczych przyłączonych do sieci niskiego napięcia. Ich lokalizacja na końcach

obwodów oraz moc porównywana z mocą obciążenia szczytowego, w warunkach maksy-

malnej generacji występujących w dolinach obciążenia, może prowadzić w pewnych okolicz-

nościach do zmian napięcia w zakresie 320V-460V. Likwidacja negatywnych zjawisk napię-

ciowych pochodzących od mikroinstalacji jest możliwa dzięki zastosowaniu prostych i auto-

nomicznych układów zarządzania i sterowania. Przykład takiego rozwiązania pokazano w

artykule – opanowanie podskoków napięcia jest możliwe poprzez regulacje mocy biernej i

czynnej falowników mikroinstalacji i/lub przeprowadzanie selektywnych wyłączeń źródeł

wytypowanych przez algorytm optymalizacyjny realizowany przez dedykowany sterownik.

Obydwa rozwiązania wymagają odpowiedniego uzasadniania prawnego na bazie ustawy Pra-

wo energetyczne, ustawy o OZE oraz odpowiednich rozporządzeń.

„Niniejszy artykuł powstał w ramach realizacji projektu badawczo-rozwojowego

GEKON1/O2/2014108/19/2014, pt. “Dynamiczne zarządzanie zdolnościami przesyłowymi

sieci elektroenergetycznych przy wykorzystaniu innowacyjnych technik pomiarowych” finan-

sowanego w okresie od 01.06.2014 do 31.05.2016 przez Narodowe Centrum Badań i Rozwo-

ju oraz Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska w ramach programu GEKON – Generator

Koncepcji Ekologicznych”.

LITERATURA

[1] Paska J, Pawlak K.: Struktura podsektora wytwarzania energii elektrycznej w warunkach

rozwoju „sieci inteligentnych” oraz instalacji prosumenckich. Rynek Energii, Nr 1 (116)

– 2015, str. 32-36.

[2] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz po bitwie. Rynek Energii, Nr

2 (117) – 2015, str. 40-44.

[3] Dąbrowski J., Hutnik E.: Analiza opłacalności produkcji energii z mikroinstalacji OZE w

budynku mieszkalnym. Rynek Energii, Nr 3 (118) – 2015.

[4] Dąbrowski J., Hutnik E., Włóka A., Zieliński M.: Analiza wykorzystania instalacji foto-

woltaicznej typu on-grid do produkcji energii elektrycznej w budynku mieszkalnym. Ry-

nek Energii, Nr 1 (110) – 2014, str. 53-59.

[5] Billewicz K.: Mikrogeneracja – aspekty różne, nieuwzględnione w polskiej legislacji.

Rynek Energii, Nr 3 (112) – 2014, str. 50-57.

[6] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.: Aspekty wsparcia i rozwoju

mikrokogeneracji rozproszonej na terenie Polski. Rynek Energii, Nr 5 (114) – 2014, str.

94-101.

[7] Zapałowicz Z., Szyszka D.: Stopień wykorzystania energii elektrycznej wytwarzanej

przez instalacje fotowoltaiczne. Rynek Energii, Nr 6 (91) – 2010, str. 77-82.

MANAGEMENT OF MICROGENERATIONS OF RENEWABLE ENERGY

SOURCES - TECHNICAL CHALLANGE OR THE MARKETING IMPULS?

Key words: prosumer installation, micro-generation, overvoltage

Summary. The article describes the thoughts of the micro sources group management attached to the low volt-

age grid within one transformer substation. On the bases of carried analysis, there has been defined possible

effect of large scale of the prosumer installation generating the input within the demand valley, of voltage

changes of this network. The architecture and local algorithm of management system within the group of sources

that are eliminating the overvoltage effect is also proposed. This process may cause negative consequences to

consumers.

Piotr Kacejko, prof. dr hab. inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, email:

p.kacejko@pollub.pl.

Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, email:

p.pijarski@pollub.pl.