
Na etapie projektowania farmy PV, przewiduje się urządzenia pozwalające na regulację mocy biernej. Istotną rolę odgrywają inwertery PV, dzięki którym można utrzymać wartość mocy biernej w punkcie przyłączenia na zadanym poziomie – wskazuje Dominik Mamcarz, Ekspert ds. techniczno-rozwojowych, ALSEVA EPC Sp. z o.o.
Dominik Mamcarz, Ekspert ds. techniczno-rozwojowych, ALSEVA EPC Sp. z o.o.
Rozmawiała: Izabela Żylińska
Układy PV kojarzą się z instalacjami na prąd stały (DC), skąd zatem źródła lub odbiory mocy biernej na farmie fotowoltaicznej?
Farmy PV pracują przeważnie na sieć (on-grid) – oznacza to, że chcemy oddawać wyprodukowaną energię do sieci elektroenergetycznej. Dlatego infrastruktura takich obiektów obejmuje swoim zakresem zarówno część stało-prądową (DC), jak i przemienno-prądową (AC). Aby móc zapewnić odpowiedni poziom dopasowania parametrów jakości energii elektrycznej, stosowane są inwertery DC/AC, które pracują jako źródła prądu CSI (ang. Current-Source Inverters). Rozmieszczenie ich w całej infrastrukturze ma istotne znaczenie, ponieważ ograniczając np. długości kabli po stronie AC, zwłaszcza tych pracujących na niskim napięciu (nn), można ograniczyć spadki napięć oraz straty mocy. Z uwagi na to, że straty obciążeniowe zależą od kwadratu prądu, wyprowadzenie mocy z farmy PV odbywa się na średnim (SN) lub wysokim napięciu (WN). Jest to uzależnione od wartości mocy przyłączanej instalacji do sieci elektroenergetycznej. Analizując część AC instalacji nie możemy zapominać, że będzie w niej występowała moc bierna o charakterze indukcyjnym i pojemnościowym. W tego typu instalacjach jest ona związana ze stratami jałowymi (wartości zależne od kwadratu napięcia) oraz stratami obciążeniowymi (wartości zależne od kwadratu prądu). Pomijając straty mocy czynnej, straty jałowe w liniach kablowych to straty mocy biernej związane ze zjawiskiem polaryzacji dielektrycznej (charakter pojemnościowy), natomiast w transformatorach związane ze zjawiskiem wytworzenia strumienia głównego (charakter indukcyjny). Z kolei straty obciążeniowe mocy biernej, zarówno w liniach kablowych, jak i transformatorach, mają charakter indukcyjny. Dodatkowo, inwertery PV mogą pracować w trybie umożliwiającym pracę z zadaną wartością i charakterem mocy biernej. Dlatego na farmę PV musimy patrzyć całościowo.
Jakim obciążeniem biernym (pojemnościowym czy indukcyjnym) względem sieci może być działająca infrastruktura farmy fotowoltaiczna bez i z układami regulującymi (kompensującymi) moc bierną? Od czego ono zależy oraz jak dobowa i sezonowa eksploatacja farmy wpływa na pracę układów regulacji? Czy można mówić o jakichś zakresach ilościowych w kVAR/kW zainstalowanej mocy PV?
Farma fotowoltaiczna bez układów umożliwiających kompensację mocy biernej może być źródłem/odbiorem mocy biernej indukcyjnej, jak i pojemnościowej. Jest to uzależnione od takich czynników, jak: długość linii kablowej, poziom napięcia, na jakim pracuje, materiał i grubość izolacji, moc oraz typ transformatora itd. Dodatkowo, trzeba zwrócić uwagę, jak wygląda rozpływ prądów w instalacji. Wszystko to będzie miało wpływ na wartość i charakter mocy biernej, a jej dobowy profil nie będzie stały. Z tego powodu, na etapie projektowania farmy PV, przewiduje się urządzenia pozwalające na jej regulację. Istotną rolę odgrywają inwertery PV, dzięki którym można utrzymać wartość mocy biernej w punkcie przyłączenia na zadanym poziomie. Jest to zwłaszcza istotne w porach nocnych, jeżeli ma być kompensowana np. moc bierna kabla elektroenergetycznego, ponieważ ma ona charakter pojemnościowy. Ponieważ energia czynna jest w porze nocnej pobierana z sieci elektroenergetycznej głównie na potrzeby własne urządzeń zainstalowanych na farmie PV (możliwa praca w I lub IV kwadrancie płaszczyzny P-Q), łatwo przekroczyć dopuszczalne wartości współczynnika mocy tgφ (dopuszczalna wartość w I kwadrancie: 0≤ tgφ≤0,4; w IV kwadrancie tgφ=0), za co naliczane są dodatkowe opłaty.
Zgodnie z zapisami kodeksu sieciowego dotyczącego wymagań w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych, moduł parku energii (PPM) musi mieć zdolność zapewnienia w punkcie przyłączenia przy maksymalnej mocy czynnej, mocy biernej wynikającej ze współczynnika mocy cosφ=0,95 w kierunku poboru, jak i oddawania. Poniżej mocy maksymalnej dostępna jest cała moc bierna wynikająca z możliwości technicznych instalacji.
Podczas doboru odpowiedniego układu do kompensacji mocy biernej należy wziąć pod uwagę różne warianty oraz niezawodność stosowanych rozwiązań.
Jak bardzo istotna jest kompensacja mocy biernej w punkcie przyłączenia do sieci farmy fotowoltaicznej i z jakimi skutkami musi liczyć się właściciel / zarządca farmy w przypadku niewłaściwej realizacji tych czynności (pod względem technicznym i ekonomicznym)?
Jak już zostało wspomniane, sama infrastruktura, tj. linie kablowe, transformatory, będą miały wpływ na wartość mocy biernej mierzonej w punkcie przyłączenia. Dlatego jej kompensacja jest bardzo ważną kwestią ze względu na wysokie opłaty w przypadku niedotrzymania parametrów określonych w warunkach przyłączenia.
Drugim istotnym czynnikiem jest wpływ mocy biernej na wartości napięcia w sieci elektroenergetycznej (może zostać podwyższona lub obniżona jego wartość), w zależności czy pracujemy z wyprzedzającym czy opóźniającym się prądem za napięciem. Z kolei zbyt wysoka wartość napięcia będzie skutkowała zadziałaniem zabezpieczeń nadnapięciowych i odłączeniem lub redukcją produkcji energii czynnej. Z punktu widzenia właściciela farmy fotowoltaicznej, będzie się to wiązało ze zmniejszeniem dochodów z produkcji energii i wydłużeniem zwrotu inwestycji.
Jakie są przewidywania co do rozwoju i zapotrzebowania na usługi regulacji mocy biernej przez operatorów sieci elektroenergetycznej, biorąc pod uwagę transformację energetyki w kierunku rozwiązań opartych na OZE i smart grid? W jakim zakresie farma fotowoltaiczna może uczestniczyć w usłudze regulacji mocy biernej na rzecz sieci elektroenergetycznej? W jakie urządzenia i technologie powinna być wówczas wyposażona?
Zapotrzebowanie na usługi wprowadzania mocy biernej do systemu elektroenergetycznego przez Operatorów Systemu Dystrybucyjnego (OSD) oraz Operatora Systemu Przesyłowego (OSP) są zazwyczaj bardzo pożądane. Właściwe gospodarowanie mocą bierną w systemie wpływa w znaczącym stopniu na jego stabilizację. Poprzez pracę z wyprzedającym lub opóźniającym się prądem za napięciem, możliwa jest regulacja napięć w punktach węzłowych systemu elektroenergetycznego. Inwertery instalowane na farmach PV mogą częściowo zastąpić kompensatory statyczne (STATCOM), stanowiąc wsparcie w stabilizacji parametrów w sieci elektroenergetycznej. Należy jednak zwrócić uwagę, że inwertery powinny umożliwiać generację mocy biernej również w porze nocnej. Ważne jest, aby instalacje OZE były wyposażone w sterowniki umożliwiające sterowanie mocą czynną i/lub bierną, co wpłynie na zwiększenie się bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego. Dzięki temu OSD ma możliwość zadania, np. przez system SCADA, odpowiedniego trybu pracy i wartości mocy czynnej i biernej.
Dlatego cyfryzacja systemu elektroenergetycznego i umożliwienie zdalnego zarządzania oraz predykcja zachowania sieci elektroenergetycznej jest tak ważną kwestią. Nie można również pomijać w całej infrastrukturze instalowania urządzeń, które umożliwią magazynowanie energii elektrycznej i stanowią nieodzowną infrastrukturę dla źródeł OZE.
W oparciu o jakie standardy, normy i koncepcje teorii mocy jest mierzony lub wyznaczany poziom mocy biernej do celów jego regulacji poprzez infrastrukturę na farmie PV? Czy uwzględniany jest problem odkształconych przebiegów prądu i napięcia na etapie projektu i doboru rozwiązań kompesacji / regulacji mocy biernej?
Do wyznaczenia wartości mocy biernej, dla układów regulacji, wykorzystywane są analizatory parametrów sieci. Ponieważ mierzone przebiegi prądów i napięć są odkształcone, ważne jest, aby urządzenia pomiarowe spełniały wymagania normy PN-EN 61557-12:2022. Opisane są w niej metody pomiarowe dla przebiegów nieliniowych prądów i napięć. Wartości mocy biernej są wyznaczanie w oparciu o teorię mocy Budeanu, stosowaną właśnie w przypadku przebiegów odkształconych.
Dobierając środki używane do kompensacji mocy biernej należy również wziąć pod uwagę obecność wyższych harmonicznych, ponieważ mogą one mieć istotny wpływ na pracę zainstalowanych urządzeń. Szczególnie wrażliwe na występowanie wyższych harmonicznych są układy baterii kondensatorów, ale również oddziałują one na transformatory.
Dodatkowo, na etapie przygotowania projektu, brana jest również pod uwagę możliwość zainstalowania filtra wyższych harmonicznych, którego zadaniem jest poprawa parametrów jakości energii elektrycznej i ograniczenie negatywnego wpływu wyższych harmonicznych na pracę infrastruktury farmy fotowoltaicznej.
Już 18 kwietnia 2024 r. w godz. 11:00 – 11:15 Pan Dominik Mamcarz wygłosi prezentację „Regulacja i kompensacja mocy biernej na farmie PV” w ramach 39. Konferencji Energetycznej EuroPOWER & 9. OZE POWER.
Zapraszamy do wysłuchania wystąpienia!
fot.: freepik / jcomp
© Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy ARTSMART Izabela Żylińska. Więcej w Regulaminie.