ELEKTROWNIE WIATROWE W SYSTEMIE

ELEKTROWNIE WIATROWE W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM – STAN
OBECNY I PERSPEKTYWY, STOSOWANE GENERATORY I WYMAGANIA
Autorzy: Józef Paska, Mariusz Kłos
(„Rynek Energii” – nr 10/2009)
Słowa kluczowe: elektrownie wiatrowe, system elektroenergetyczny, stan obecny i perspektywy, generatory elektrowni
wiatrowych, wymagania
Streszczenie. W artykule przedstawiono wybrane aspekty prawne i techniczne przyłączania elektrowni wiatrowych do sieci
elektroenergetycznych i pracy w nich. Zasadniczymi aktami prawnymi regulującymi te kwestie są: ustawa “Prawo Energetyczne”, rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 (zwane “systemowym”), instrukcje ruchu i eksploatacji
sieci (przesyłowej i/lub dystrybucyjnych). W artykule przedstawiono stan aktualny i perspektywy energetyki wiatrowej
w Polsce, omówiono generatory stosowane w elektrowniach wiatrowych oraz wymagania stawiane w Polsce elektrowniom
wiatrowym.
1. STAN OBECNY I PERSPEKTYWY ROZWOJU ELEKTROWNI WIATROWYCH W
POLSCE
Dyrektywa 2001/77/EC określa cel ilościowy dla krajów Unii Europejskiej w odniesieniu do energii
elektrycznej wytwarzanej w źródłach odnawialnych na 21% całkowitego zuŜycia energii elektrycznej
w 2010 roku. Celem strategicznym polityki energetycznej Polski jest zwiększenie wykorzystania odnawialnych zasobów energii i uzyskanie 7,5% udziału energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych w krajowym zuŜyciu energii elektrycznej brutto w roku 2010 [6]. W związku z przyjętym
przez UE, w marcu 2007 roku, zobowiązaniem o osiągnięciu w 2020 roku 20% udziału energii ze
źródeł odnawialnych w strukturze zuŜycia energii pierwotnej, kraje członkowskie stają przed nowymi
wyzwaniami po roku 2010.
W 2005 r. energia elektryczna ze źródeł odnawialnych zaspokoiła 15% całkowitego zapotrzebowania na
energię elektryczną w UE. W źródłach odnawialnych, z wyłączeniem elektrowni wodnych, wytworzono
148 TW⋅h, co odpowiada łącznemu zuŜyciu energii elektrycznej w Irlandii, Austrii i Portugalii.
Uzyskany wynik moŜna uznać za pozytywny dzięki staraniom kilku aktywnych państw członkowskich,
jednak wiele państw jest daleko od osiągnięcia swoich celów krajowych [6, 7].
Od 1 października 2005 r. funkcjonuje w Polsce zmieniony system wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii. Zgodnie z ustawą „Prawo energetyczne” przedsiębiorstwa
energetyczne, zajmujące się sprzedaŜą energii elektrycznej odbiorcom końcowym, mają obowiązek
uzyskania i przedstawienia do umorzenia Prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki określonej liczby
świadectw pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii, bądź
uiszczenia opłaty zastępczej. Rozdzielając świadectwa pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w
źródłach odnawialnych od energii fizycznej umoŜliwiono obrót na giełdzie prawami majątkowymi,
wynikającymi z tych świadectw. Uzupełnieniem tego mechanizmu, jako konsekwencja rozdziału
fizycznego przepływu energii elektrycznej od świadectw pochodzenia, jest obowiązek zakupu przez
przedsiębiorstwa energetyczne pełniące rolę sprzedawcy z urzędu, całej energii elektrycznej
wytworzonej w źródłach odnawialnych, przyłączonych do sieci znajdujących się na obszarze działania
danego sprzedawcy, po średniej cenie rynkowej [9].
Gwałtowny wzrost zainteresowania wykorzystaniem odnawialnych zasobów energii jest związany
przede wszystkim z nowym kształtem polityki energetycznej Polski po wstąpieniu do Unii Europejskiej,
jak równieŜ z powszechnym dostępem do najnowszych technologii w tej dziedzinie.
Jednocześnie obserwuje się stały wzrost zainteresowania inwestorów energetyką wiatrową – elektrowniami wiatrowymi jako technologią wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie w analizach dotyczących oceny wpływu planowanej elektrowni (farmy) wiatrowej na pracę krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE), w wariancie maksymalnym, uwzględnia się łączną moc zainstalowaną w źródłach
wiatrowych na poziomie około 9 GW. Według prognozy European Wind Energy Association [4],
w 2010 roku moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w Polsce przekroczy 1,2 GW. Analizy
wykonane dla KSE wskazują, iŜ istnieją moŜliwości przyłączenia elektrowni wiatrowych o łącznej
mocy około 5 GW bez konieczności znaczących inwestycji sieciowych. Z kolei w raporcie Polskiego
Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej [5] stwierdza się, Ŝe w 2020 roku jest realne osiągnięcie poziomu
13,6 GW mocy zainstalowanej w tego rodzaju źródłach.
W tabeli 1 przedstawiono moc zainstalowaną i ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w źródłach
wykorzystujących odnawialne zasoby energii w latach 2006-2008 w Polsce, natomiast na rys. 1 zilustrowano te wielkości, oraz czas wykorzystania mocy zainstalowanej, dla elektrowni wiatrowych.
Tabela 1
Moc zainstalowana i energia elektryczna wytworzona w koncesjonowanych instalacjach OZE w Polsce
Energia wytworzona, MW.h
2006
2007
2008
116 691,863 161 767,939 220 854,469
238,790
255,390 231,990
503 846,206
545 764,936
515 044,320
152,560
287,909 451,090
Elektrownie wodne
934,031
934,779 940,576
257 037,412
2 029
635,604
1 314
336,612
4 221
547,697
472 116,429
2 252
659,312
1 797
217,058
5 229
525,674
784 455,747
2 152
024,683
2 520
408,165
6 192
287,384
Rodzaj źródła
Współspalanie*
-
-
-
1
1
1
362,141 523,777 678,271
*
Aktualnie jest realizowane w 33 jednostkach
RAZEM
800
1740
700
1730
1720
600
1710
1700
500
1690
1680
400
300
1670
1660
200
1650
1640
100
0
Czas wykorzystania mocy
zainstalowanej, h/a
Elektrownie na biogaz
Elektrownie na
biomasę
Elektrownie wiatrowe
Moc zainstalowana, MW
2006
2007
2008
36,760
45,699 54,615
1630
2006
2007
2008
Rok
Moc, MW
Energia, GWh
Czas w ykorzystania, h/a
Rys. 1. Moc zainstalowana, wytworzona energia elektryczna i czas wykorzystania mocy zainstalowanej
elektrowni wiatrowych w Polsce w latach 2006-2008
Z kolei w tabeli 2 przedstawiono perspektywy rozwoju elektrowni wiatrowych w Polsce wynikające
z zainteresowania inwestorów (w tym potencjalnych) [10].
Tabela 2
Perspektywy rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce
Wyszczególnienie
Moc przyłączeniowa i liczba farm
wiatrowych, którym wydano
warunki przyłączenia (w tym do
sieci przesyłowej)
Moc i liczba farm wiatrowych,
którym określono i uzgodniono
zakresy wykonania ekspertyz
Moc farm wiatrowych, dla
projektów których Polskie Sieci
Elektroenergetyczne Operator S.A.
udostępnił modele obliczeniowe
wykonawcom ekspertyz
Moc, Liczba
MW farm
5368
(1330)
119
(8)
44273
696
ok.
27288
-
2. GENERATORY ELEKTROWNI WIATROWYCH
W elektrowni wiatrowej silnik wiatrowy napędza generator elektryczny, którym moŜe być prądnica
bocznikowa prądu stałego, generator asynchroniczny lub synchroniczny.
Najprostszy jest układ z prądnicą bocznikową prądu stałego. Uzyskuje się stałe napięcie w sieci, przy
róŜnych prędkościach wiatru, dzięki regulacji wzbudzenia.
Współczesne elektrownie wiatrowe o mocach ponad 100 kW są zwykle wyposaŜone w generatory asynchroniczne lub synchroniczne i na ogół współpracują z siecią energetyki zawodowej. W elektrowniach
o mocach 100÷300 kW bywają stosowane generatory 6- lub 8-biegunowe, połączone z silnikiem
wiatrowym przekładnią łańcuchową lub zębatą. Przy wyŜszych mocach 1500÷2000 kW czasem
rezygnuje się z przekładni i uŜywa generatorów synchronicznych, z wystającymi biegunami (300
biegunów przy 20 obr/min).
Generator jest najczęściej lokalizowany, wraz z silnikiem wiatrowym. na szczycie wieŜy, rzadziej na
poziomie terenu. Rodzaje maszyn uŜywanych jako generatory w elektrowniach wiatrowych, w
zaleŜności od sposobu współpracy z siecią energetyki zawodowej, zestawiono w tabeli 3.
Duńska firma Vestas Wind Systems A/S jest największym światowym producentem turbozespołów
wiatrowych (TW), drugim z kolei jest niemiecki Enercon, trzecim duńska firma NEG Micon, a czwarte
miejsce zajmuje hiszpańska Gamesa. Wszyscy z 10 największych producentów oferują turbozespoły
wiatrowe o mocy „megawatowej”. Najbardziej powszechne jest rozwiązanie ze zmienną prędkością
obrotową i regulacją typu „pitch”. Jedynie firma Bonus konsekwentnie stosuje rozwiązania ze stałą
prędkością obrotową i regulacją typu „pitch”, natomiast wszyscy pozostali producenci z czołowej 10-tki
oferują co najmniej jeden, spośród swoich dwóch TW o największej mocy, jako rozwiązanie ze
zmienną prędkością obrotową. Najczęściej stosowanym typem generatora jest maszyna indukcyjna (z
wirnikiem klatkowym lub pierścieniowym). Tylko 2 producentów, Enercon i Made (Hiszpania), stosuje
generatory synchroniczne. Wszyscy producenci wyposaŜają turbozespoły wiatrowe w transformatory
podwyŜszające napięcie a tylko jeden – Enercon – oferuje rozwiązanie ze zmienną prędkością
obrotową, bez przekładni mechanicznej [1].
Generatory synchroniczne
g) bezpośrednie połączenie z siecią
n = (1-s)60f/p; s ≈ 0÷0,08
pobór mocy biernej indukcyjnej
b) połączenie z siecią z pośrednictwem
przetwornic energoelektronicznych
n = 60f/p
regulacja biernej mocy wyjściowej
n ≈ (0,8÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej,
regulacja biernej mocy wyjściowej
c) połączenie z siecią z pośrednictwem
przemiennika AC
n ≈ (0,8÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej
d) układ z dynamiczną regulacją poślizgu
n = (1-s)60f/p; s ≈ 0÷0,1 (0,3)
pobór mocy biernej indukcyjnej
e) nadsynchroniczna kaskada Kramera
n ≈ (0,8÷1,3) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej
Generator synchroniczny z układem wzbudzenia wirnika
Generatory asynchroniczne
a) bezpośrednie połączenie z siecią
h) połączenie z siecią prądu stałego
n ≈ 0,5÷1,2 nN
i) połączenie z siecią z pośrednictwem
przetwornic energoelektronicznych
n ≈ (0,5÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej,
regulacja biernej mocy wyjściowej
j) połączenie z siecią z pośrednictwem
przetwornic energoelektronicznych
n ≈ (0,5÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej,
regulacja biernej mocy wyjściowej
k) połączenie z siecią z pośrednictwem
przetwornic energoelektronicznych
Generator
synchroniczny z
magnesami trwałymi
Generator asynchroniczny z wirnikiem
pierścieniowym
Generator asynchroniczny z wirnikiem klatkowym (zwartym)
Tabela 3
Rodzaje maszyn uŜywanych jako generatory w elektrowniach wiatrowych,
w zaleŜności od sposobu współpracy z siecią elektroenergetyczną energetyki zawodowej
n ≈ (0,6÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej,
regulacja biernej mocy wyjściowej
Generatory asynchroniczne
f) generator asynchroniczny podwójnie
zasilany
Generatory synchroniczne
l) połączenie z siecią z pośrednictwem
przemiennika AC
n ≈ (0,8÷1,2) 60f/p
n ≈ (0,8÷1,2) 60f/p
pobór mocy biernej indukcyjnej
regulacja biernej mocy wyjściowej
SEE – system elektroenergetyczny, GAS – generator asynchroniczny, GS – generator synchroniczny;
n – mechaniczna prędkość obrotowa, nN – znamionowa prędkość obrotowa, s – poślizg generatora, p –
liczba par biegunów, f – częstotliwość w sieci
W tabeli 4 przedstawiono charakterystykę rozwiązań stosowanych przez czołowych producentów.
Tabela 4
Opis rozwiązań stosowanych przez największych producentów
Producent, typ i moc
TW
Vestas, V80, 2 MW
Vestas, V80; 1,8 MW
Enercon, E112; 4,5 MW
Enercon, E66, 2 MW
NEG Micon, NM80; 2,75
MW
NEG Micon, NM72, 2
MW
Gamesa, G83, 2 MW
Oznaczenie Regulacja mocy
Informacje dodatkowe
rozwiązania
i prędkości
WRIG (DFIG plan)
C1
“pitch”,
zmienna prędkość Napięcie generatora: 690 V
z ograniczeniem Prędkość generatora: 905÷1915 min-1
Prędkość wirnika: 9÷19 min-1
B1
“pitch”,
WRIG
zmienna prędkość Napięcie generatora: 690 V
z ograniczeniem Prędkość generatora: 1800÷1980 min-1
Prędkość wirnika: 15,3÷16,8 min-1
D1
“pitch”,
Multiple WRIG
zmienna prędkość Napięcie generatora: 440 V
Prędkość generatora i wirnika: 8÷13
min-1
D1
“pitch”,
Multiple WRIG
zmienna prędkość Napięcie generatora: 440 V
Prędkość generatora i wirnika: 10÷22
min-1
C1
“pitch”,
WRIG (DFIG plan)
zmienna prędkość Napięcie generatora (stator/rotor):
z ograniczeniem 960/690 V
Prędkość generatora: 756÷1103 min-1
Prędkość wirnika: 12÷17,5 min-1
A2
aktywna “stall”, SCIG
stała prędkość
Napięcie generatora: 690 V
Prędkość generatora: 1002,4 min-1 i
1503,6 min-1
Prędkość wirnika: 12 min-1 i 18 min-1
WRIG
C1
“pitch”,
zmienna prędkość Napięcie generatora: 690 V
z ograniczeniem Prędkość generatora: 900÷1900 min-1
Prędkość wirnika: 9÷19 min-1
Producent, typ i moc
TW
Gamesa, G80; 1,8 MW
Oznaczenie Regulacja mocy
Informacje dodatkowe
rozwiązania
i prędkości
B1
“pitch”,
WRIG (OptiSlip_ plan)
zmienna prędkość Napięcie generatora: 690 V
z ograniczeniem Prędkość generatora: 1818÷1944 min-1
Prędkość wirnika: 15,1÷16,1 min-1
SCIG – prądnica indukcyjna z wirnikiem klatkowym (Squirrel Cage Induction Generator),
WRIG - prądnica indukcyjna z wirnikiem pierścieniowym (Wound Rotor Induction Generator),
DFIG - prądnica indukcyjna z zasilanym wirnikiem (Doubly Fed Induction Generator),
OptiSlip – rozwiązanie ze zmienną rezystancją wirnika.
3. WYMAGANIA INSTRUKCJI RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI
Elektrownie (farmy) wiatrowe mogą stanowić element skutecznej regulacji przepływów w sieci elektroenergetycznej. Mogą jednak równieŜ stać się przyczyną powaŜnych zaburzeń w pracy systemu
elektroenergetycznego oraz źródłem jego destabilizacji.
Przyłączanie elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznej regulują w Polsce następujące dokumenty:
- Ustawa Prawo energetyczne,
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków
funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [8],
- Instrukcja ruchu i eksploatacji sieci przesyłowej (IRiESP) [2],
- Instrukcje ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnych (IRiESD) [3].
Instrukcja ruchu i eksploatacji sieci przesyłowej (dystrybucyjnej) określa szczegółowe warunki korzystania z sieci przez jej uŜytkowników, oraz warunki i sposób prowadzenia ruchu, eksploatacji i
planowania rozwoju sieci, w szczególności dotyczące:
- przyłączenia urządzeń wytwórczych, sieci dystrybucyjnych, urządzeń odbiorców końcowych, połączeń międzysystemowych oraz linii bezpośrednich,
- wymagań technicznych dla urządzeń, instalacji i sieci wraz z niezbędną infrastrukturą pomocniczą,
- kryteriów bezpieczeństwa funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, w tym uzgadniania
planów działania na wypadek zagroŜenia wystąpienia awarii o znacznych rozmiarach w systemie
elektroenergetycznym oraz odbudowy tego systemu po wystąpieniu awarii,
- współpracy pomiędzy operatorami systemów elektroenergetycznych, w tym w zakresie koordynowanej sieci 110 kV,
- przekazywania informacji pomiędzy przedsiębiorstwami energetycznymi oraz pomiędzy przedsiębiorstwami energetycznymi a odbiorcami,
- parametrów jakościowych energii elektrycznej i standardów jakościowych obsługi uŜytkowników
systemu.
Elektrownie wiatrowe o mocy rzędu kilku MW są przyłączane głównie do sieci średniego napięcia SN,
więc naleŜą do trzeciej grupy przyłączeniowej1. Podlegają one operatorom sieci dystrybucyjnej (OSD) i
muszą spełniać wymagania tego operatora, wymienione w instrukcji ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej.
1
Grupa III – podmioty przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym wyŜszym niŜ 1 kV, lecz
niŜszym niŜ 110 kV.
Elektrownie wiatrowe są zwykle łączone w farmy wiatrowe (nawet kilkadziesiąt MW), dlatego mogą
być przyłączane do sieci o napięciu 110 kV - naleŜą wówczas do drugiej grupy przyłączeniowej2.
Podmiot ubiegający się o przyłączenie elektrowni wiatrowej do sieci składa wniosek o określenie warunków przyłączenia. Do wniosku naleŜy dołączyć dokument potwierdzający tytuł prawny podmiotu do
korzystania z obiektu, plan zabudowy lub szkic określający usytuowanie obiektu względem istniejącej
sieci. Dla elektrowni o mocy powyŜej 2 MW, przyłączonych do sieci SN, musi być wykonana i uzgodniona z danym OSD ekspertyza wpływu elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny. W
przypadku farm wiatrowych przyłączonych do sieci WN 110 kV ekspertyza ta, prócz uzgodnienia z
OSD, podlega równieŜ uzgodnieniu z OSP (Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A.).
Następnym krokiem jest uzyskanie warunków przyłączenia od operatora sieci dystrybucyjnej. Warunki
przyłączenia, wydawane przez operatorów sieci, określają:
-
miejsce przyłączenia, rozumiane jako punkt sieci, w którym przyłącze łączy się z siecią,
miejsce dostarczania energii elektrycznej,
moc przyłączeniową,
rodzaj połączenia z siecią obiektu lub innych sieci wymienionych we wniosku o określenie warunków przyłączenia,
zakres niezbędnych zmian w sieci, związanych
z przyłączeniem,
Wymagania wynikające z IRiESD,
miejsce zainstalowania układu pomiarowo-rozliczeniowego,
Wymagania dotyczące układu pomiarowo-rozliczeniowego, w tym m.in. transmisji danych pomiarowych;
rodzaj i usytuowanie zabezpieczenia głównego, dane znamionowe oraz inne niezbędne wymagania
w zakresie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej i systemowej.
Po spełnieniu wszystkich wymagań, wynikających z warunków przyłączenia, strony zawierają umowę
o przyłączenie
do
sieci
dystrybucyjnej,
która
określa,
co
najmniej:
-
Strony zawierające umowę;
-
Przedmiot umowy wynikający z warunków przyłączenia;
-
Termin realizacji przyłączenia;
-
Wysokość opłaty za przyłączenie i sposób jej regulowania (np. wg obowiązującej taryfy OSD PGE
Dystrybucja Warszawa – Teren sp. z o.o. za przyłączenie do sieci odnawialnych źródeł energii
pobiera się połowę opłaty ustalonej na podstawie rzeczywistych nakładów poniesionych przez OSD
na realizację przyłączenia),
miejsce rozgraniczenia własności sieci przedsiębiorstwa energetycznego i instalacji podmiotu
przyłączanego,
zakres robót niezbędnych przy realizacji przyłączenia,
wymagania dotyczące lokalizacji układu pomiarowo-rozliczeniowego i jego parametrów,
warunki udostępniania przedsiębiorstwu energetycznemu nieruchomości naleŜącej do podmiotu
przyłączanego w celu budowy lub rozbudowy sieci niezbędnej do realizacji przyłączenia,
-
2
Grupa II – podmioty przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym 110 kV.
-
przewidywany termin zawarcia umowy, na podstawie której nastąpi dostarczanie lub pobieranie
energii,
planowane ilości energii elektrycznej pobieranej na potrzeby własne oraz wprowadzanej do sieci
OSD,
moc przyłączeniową potrzeb własnych oraz moc przyłączeniową elektrowni wiatrowej,
odpowiedzialność stron za nie dotrzymanie warunków umowy, a w szczególności za opóźnienie
terminu realizacji prac w stosunku do ustalonego w umowie;
okres obowiązywania umowy i warunki jej rozwiązania.
Załączenie jednostki wytwórczej do sieci, po doprowadzeniu jej do synchronizmu, jest moŜliwe tylko
wtedy, gdy napięcie we wszystkich trzech fazach ma odpowiednie parametry. W przypadku stosowania
ochrony przed obniŜeniem napięcia powodującej odłączenie jednostki wytwórczej od sieci dystrybucyjnej, powinna ona mieć zwłokę czasową rzędu kilku minut pomiędzy powrotem napięcia w sieci
dystrybucyjnej, a ponownym załączeniem jednostki wytwórczej.
Elektrownie wiatrowe nie mogą wpływać na parametry sieci elektroenergetycznej, w której pracują.
Częstotliwość znamionowa w sieci wynosi 50 Hz z dopuszczalnym odchyleniem zawierającym się w
przedziale od – 0,5 Hz do + 0,2 Hz przez 99,5% czasu tygodnia. W kaŜdym tygodniu 95% ze zbioru 10minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń ± 5% napięcia znamionowego lub deklarowanego. Szybkie zmiany napięcia spowodowane
pulsacją mocy w elektrowni wiatrowej o częstotliwości 1 Hz powinny mieć amplitudę nie większą niŜ
0,7%. Zawartość poszczególnych harmonicznych odniesionych do harmonicznej podstawowej nie moŜe
przekraczać odpowiednio:
-
1,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 110 kV i wyŜszym niŜ 30 kV,
2,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 30 kV i wyŜszym niŜ 1 kV,
3,5% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 1 kV.
Współczynnik odkształcenia napięcia THD nie moŜe przekraczać odpowiednio [3]:
- 2,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 110 kV i wyŜszym niŜ 30 kV,
- 4,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 30 kV i wyŜszym niŜ 1 kV,
- 6,0% - dla miejsc przyłączenia do sieci o napięciu znamionowym nie wyŜszym niŜ 1 kV.
Moc zwarciowa w miejscu przyłączenia elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznej powinna
być przynajmniej dwadzieścia razy większa od ich mocy przyłączeniowej.
Dla elektrowni wiatrowych współpracującymi z falownikami, w których zastosowano przekształtnik
sześciopołówkowy z wygładzeniem indukcyjnym i nie są stosowane szczególne środki do redukcji
wyŜszych harmonicznych, powinien być spełniony następujący warunek: moc zwarciowa w miejscu
przyłączenia jednostki wytwórczej do sieci elektroenergetycznej powinna być przynajmniej sto
dwadzieścia razy większa od jej mocy osiągalnej.
Elektrownia wiatrowa powinna mieć moŜliwość pracy w następującym zakresie częstotliwości:
- przy 49,5 Hz ≤ f ≤ 50,5 Hz elektrownia musi mieć moŜliwość pracy trwałej z mocą znamionową,
-
przy 48,5 Hz ≤ f ≤ 49,5 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŜliwość pracy z mocą większą niŜ
90% mocy wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 30 min.,
przy 48 Hz ≤ f ≤ 48,5 Hz elektrownia musi mieć moŜliwość pracy z mocą większą niŜ 85% mocy
wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 20 min.,
przy 47,5 Hz ≤ f ≤ 58 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŜliwość pracy z mocą większą niŜ
80% mocy wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przez co najmniej 10 min.,
przy f < 47,5 Hz elektrownię moŜna odłączyć od sieci ze zwłoką czasową uzgodnioną z operatorem
systemu,
przy 50,5 Hz ≤ f ≤ 51,5 Hz elektrownia wiatrowa musi mieć moŜliwość trwałej pracy z mocą
ograniczoną, wraz ze wzrostem częstotliwości, do zera przy częstotliwości 51,5 Hz,
przy f > 51,5 Hz elektrownię naleŜy odłączyć od sieci w ciągu max. 0,3 s, o ile operator systemu nie
określi inaczej w warunkach przyłączenia do sieci.
Elektrownia wiatrowa powinna spełniać dwa pierwsze powyŜsze warunki dla zakresu częstotliwości
przy zmianach napięcia w miejscu przyłączenia do sieci w następującym zakresie:
- 105 kV ÷ 123 kV – dla sieci 110 kV,
- +/- 10% Un – dla sieci SN.
Elektrownie wiatrowe o mocy znamionowej 50 MW i wyŜszej powinny być przystosowane do udziału
w regulacji częstotliwości w systemie elektroenergetycznym, poprzez zmianę mocy po zmianie
częstotliwości.
Elektrownia wiatrowa musi mieć moŜliwość regulacji współczynnika mocy lub napięcia w miejscu
przyłączenia do sieci. Dla elektrowni wiatrowych przyłączanych do sieci 110 kV, zmiana zakresu
regulacji współczynnika mocy powinna się odbywać w sposób zdalny. Dla elektrowni o mocy 50 MW i
wyŜszej naleŜy zapewnić system zdalnego sterowania napięciem i mocą bierną z zachowaniem
moŜliwości współpracy z nadrzędnymi układami regulacji napięcia i mocy biernej, w tym takŜe z
istniejącymi układami regulacji napięcia na stacji ARST.
Rys. 2. Wymagany zakres pracy farmy wiatrowej
w przypadku wystąpienia zakłóceń w sieci
W przypadku wystąpienia zwarć w sieci, skutkujących obniŜką napięcia w punkcie przyłączenia, elektrownie wiatrowe przyłączone do sieci zamkniętej powinny być przystosowane do utrzymania się
w pracy. Na rys. 2 przedstawiono wymaganą charakterystykę pracy elektrowni wiatrowej. Obszar
powyŜej krzywej jest to obszar, w którym jednostki wytwórcze farmy wiatrowej nie mogą być
wyłączane.
Elektrownia wiatrowa przyłączana do sieci o napięciu znamionowym 110 kV powinna mieć
zainstalowane rejestratory przebiegów zakłóceniowych, które zapewniają rejestrację przebiegów przez
10 s przed zakłóceniem i przez 60 s po zakłóceniu.
Wskaźniki krótkookresowego (Pst) i długookresowego (Plt) migotania napięcia elektrowni wiatrowych,
przyłączonych do sieci 110 kV i oraz SN, nie powinny przekraczać wartości:
- Pst < 0,35 dla sieci 110 kV i Pst < 0,45 dla sieci SN,
- Plt < 0,25 dla sieci 110 kV i Plt < 0,35 dla sieci SN.
Elektrownie wiatrowe przyłączane do sieci 110 kV powinny być wyposaŜone w system pomiaru i rejestracji parametrów jakości energii (pomiar migotania oraz harmonicznych napięcia i prądu) oraz system
teletransmisji danych do odpowiedniego operatora systemu. Parametry mierzone przesyłane do
operatora systemu to: moc czynna, moc bierna, napięcie w miejscu przyłączenia do sieci, średnia
prędkość wiatru [2, 3].
4. PODSUMOWANIE
DuŜe zainteresowanie inwestorów energetyką wiatrową – elektrowniami wiatrowymi jako technologią
wytwarzania energii elektrycznej wynika z następujących przesłanek:
-
polityka energetyczna Unii Europejskiej i Polski w odniesieniu do wykorzystania odnawialnych
zasobów energii,
funkcjonujący w Polsce system wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii (obowiązek zakupu oraz świadectwa pochodzenia),
powszechny dostęp do najnowszych technologii.
Jednak dość często inwestorzy skarŜą się na szereg barier natury organizacyjnej, infrastrukturalnej, formalno-prawnej i kapitałowej. Część z nich, w tym dość wysokie wymagania związane z uzyskaniem
warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej i wykonaniem ekspertyzy wpływu przyłączanej
elektrowni wiatrowej na system elektroenergetyczny, wydaje się być uzasadniona.
LITERATURA
[1] Ackerman T. (editor): Wind Power in Power Systems. John Wiley & Sons. Chichester 2005.
[2] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej. PSE-Operator SA. Warszawa, styczeń 2009.
[3] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. ENEA-Operator Sp. z o.o., 2007; ZEW-T
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Dystrybucja Sp. z o.o., 2008.
Large Scale Integration of Wind Energy in the European Power Supply: Analysis, Issues and
Recommendations. European Wind Energy Association. December 2005, www.ewea.org.
Ocena moŜliwości rozwoju i potencjału energetyki wiatrowej w Polsce do roku 2020. Polskie
Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej. www.visventi.org.pl.
Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Rynek Energii
2007, nr 5.
Paska J., Surma T., Sałek M.: Current Status and Perspectives of Renewable Energy Sources in
Poland. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 13, No 1, 2009.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków
funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz. U. 2007 r. Nr 93, poz. 957; 2008 r. Nr 30, poz.
178; 2008 r. Nr 162, poz. 1005.
[9] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 w sprawie szczegółowego zakresu
obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty
zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii
oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w
odnawialnym źródle energii. Dz. U. Nr 156, poz. 969.
[10] Szwed C.: Wpływ energetyki wiatrowej na rozwój systemu przesyłowego. Seminarium SSE KE
PAN “Elektroenergetyka rozproszona”. Warszawa, 21 listopada 2008.
WIND POWER PLANTS IN ELECTRIC POWER SYSTEM – CURRENT STATUS AND
PERSPECTIVES, APPLIED GENERATORS AND REQUIREMENTS
Key words: wind power plants, electric power system, current status and perspectives, wind generators, requirements
Summary. The paper presents chosen legal and technical aspects of wind power plants’ connecting and work in the electric
power system. The main legal documents regulating these issues in Poland are: “Energy Law”, Minister of Economy
ordinance dated 4th May 2007 (so-called “system” ordinance), instructions of work and exploitation of network (transmission
and/or distribution). In the paper present state and perspectives of wind power in Poland are described as well as generators
applied in wind power plants and requirements for wind power plants in Poland.
Józef Paska, prof. dr hab. inŜ.; ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Jego
zainteresowania naukowe dotyczą niezawodności systemu elektroenergetycznego i bezpieczeństwa
zasilania w energię elektryczną, technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym wytwarzania
rozproszonego i wykorzystania odnawialnych zasobów energii, gospodarki elektroenergetycznej oraz
ekonomiki elektroenergetyki. Autor ponad 200 artykułów i referatów oraz 8 monografii i podręczników
akademickich.
Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i
Gospodarki
Elektroenergetycznej,
ul. Koszykowa
75,
00-662
Warszawa,
e-mail:
[email protected]
Mariusz Kłos, dr inŜ.; ukończył Wydział Elektryczny PW. Obszar zainteresowań: energoelektronika,
odnawialne źródła energii, ogniwa paliwowe, zasobniki energii, prawo energetyczne. Prywatne
zainteresowania: sport, turystyka piesza i rowerowa, literatura fantastyczno-naukowa i fantasy.
Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki
Elektroenergetycznej, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, e-mail: [email protected]