Nr 189 43 Sławomir CIEŚLIK Uniwersytet Technologiczno

Regulacja napięcia
Sławomir CIEŚLIK
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Oddział w Bydgoszczy
REGULACJA NAPIĘCIA W SIECIACH DYSTRYBUCYJNYCH
NISKIEGO NAPIĘCIA Z MIKROINSTALACJAMI
Streszczenie. Możliwości przyłączania mikroinstalacji do sieci dystrybucyjnych nn, praktycznie bez uzgadniania z operatorem sieci (tylko zgłoszenie), może spowodować problemy
z utrzymaniem wartości napięcia w dopuszczalnych granicach. Sieci dystrybucyjne nn nie są
dostosowane do podobciążeniowej regulacji napięcia w stacjach transformatorowych SN/nn, zatem możliwość przyłączania do tych sieci źródeł energii elektrycznej (generacja rozproszona)
wymusza zmianę wyobrażenia o ich funkcjonowaniu. W artykule rozpatrzono przykłady wpływu mikroinstalacji na pracę sieci dystrybucyjnej nn, głównie w aspekcie napięciowym. Podano
praktyczne przykłady wprowadzenia regulacji napięcia w tych sieciach.
1. Wstęp
Znowelizowana ustawa [4] wprowadziła pewne ułatwienia w przyłączaniu mikroinstalacji wytwórczych w sieciach elektroenergetycznych, szczególnie niskiego
napięcia. Ustawa ułatwia odbiorcy zmianę statusu na prosumenta zapisem, w ramach
którego wytwarzanie energii elektrycznej w mikroinstalacji przez osobę fizyczną niebędącą przedsiębiorcą w rozumieniu ustawy o swobodzie działalności gospodarczej,
a także sprzedaż tej energii przez tę osobę, nie jest działalnością gospodarczą w rozumieniu tej ustawy. Niestety, w wykładni wielu prawników, zapis ten jest oczywisty
tylko w przypadku, gdy osoba fizyczna (potencjalny prosument) nie prowadzi żadnej
działalności gospodarczej. Zastrzeżenia budzi sytuacja na przykład księgowego, który w domku jednorodzinnym prowadzi działalność gospodarczą w zakresie obsługi
księgowej firm (działalność daleka od zagadnień związanych z energią) i zamierza na
dachu budynku zainstalować panele fotowoltaiczne. W rozumieniu przepisów jest
on osobą fizyczną, ale prowadzona przez niego działalność gospodarcza praktycznie
wyklucza go z grona prosumentów.
Mikroinstalacja jest rozumiana jako odnawialne źródło energii, o łącznej mocy
zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kW, przyłączone do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV lub o łącznej mocy zainstalowanej cieplnej nie większej niż 120 kW. Za przyłączenie mikroinstalacji, którą
planuje się przyłączyć do elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej nie pobiera się
opłaty.
W przypadku, gdy podmiot ubiegający się o przyłączenie mikroinstalacji do sieci
dystrybucyjnej jest przyłączony do sieci jako odbiorca końcowy, a moc zainstalowana
mikroinstalacji, o przyłączenie której ubiega się ten podmiot, nie jest większa niż
określona w wydanych warunkach przyłączenia, przyłączenie do sieci odbywa się
Nr 189
43
Regulacja napięcia
na podstawie zgłoszenia przyłączenia mikroinstalacji. Zapis ten ogranicza moc zainstalowaną mikroinstalacji z 40 kW (definicja) do wartości mocy określonej w warunkach przyłączenia odbiorcy końcowego. Na podstawie zgłoszenia, złożonego
w przedsiębiorstwie energetycznym, do sieci którego ma być przyłączona mikroinstalacja, to przedsiębiorstwo instaluje odpowiednie układy zabezpieczające i układ
pomiarowo-rozliczeniowy. Koszt instalacji układu zabezpieczającego i układu pomiarowo-rozliczeniowego ponosi operator elektroenergetycznego systemu dystrybucyjnego. Ten zapis ustawy [4] narzuca przedsiębiorstwu energetycznemu obowiązek
przyłączenia mikroinstalacji bez żadnych warunków przyłączenia. Dalej można
przeczytać, że przyłączane mikroinstalacje muszą spełniać wymagania techniczne
i eksploatacyjne określone w odpowiednim artykule ustawy [4] (art. 7a, ust. 1). Natomiast szczegółowe warunki przyłączenia, wymagania techniczne oraz warunki
współpracy mikroinstalacji z systemem elektroenergetycznym określają przepisy wydane na podstawie odpowiedniego artykułu tej ustawy (art. 9 ust. 3).
W artykule autor analizuje wpływ mikroinstalacji na pracę sieci dystrybucyjnej
nn, głównie w aspekcie napięciowym. Podaje praktyczne przykłady wprowadzenia
regulacji napięcia w tych sieciach. Jest to kontynuacja tematu rozważanego we wcześniejszej publikacji autora [2].
2. Przykład mikroinstalacji w sieci niskiego napięcia
Na rysunku 1 przedstawiono schemat poglądowy analizowanej sieci dystrybucyjnej nn. Na uwagę zasługuje fakt stosunkowo małej odległości stacji SN/nn od
głównego punktu zasilania, stacji 110/15 kV (830 m, połączenie kablowe). Będzie
to powodowało, że w przypadku minimalnego obciążenia (np. w okresie letnim) poziom napięcia w rozdzielni SN w stacji SN/nn może być wysoki.
W stacji transformatorowej SN/nn, z rozdzielni nn wyprowadzone są kable do
trzech złączy kablowych: ZK-I, ZK-II oraz ZK-III. W obwodach nn wyprowadzonych ze złączy ZK-I i ZK-III nie ma mikroinstalacji. Natomiast ze złącza ZK-II wyprowadzone są trzy obwody nn: II-1, II-2 oraz II-3. Na potrzeby studium przypadku,
który będzie przedmiotem analizy, zakłada się, że tylko w obwodzie II-2 będą przyłączane mikroinstalacje.
W czarnych kółkach podano numery węzłów rozpatrywanego fragmentu sieci
dystrybucyjnej nn. W dalszej części artykułu będą odwołania do tych węzłów, np.
w przypadku podawania wartości napięć. Rozpatruje się schemat tylko dla jednej
fazy. Autor ma oczywiście świadomość, że założenie symetrii obciążeń fazowych
w przypadku elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia, z praktycznego, ogólnego punktu widzenia jest niewłaściwe. Jednak jako studium przypadku, w którym analizowane są aspekty napięciowe w rozpatrywanej sieci, nawet w celu
uzyskania ogólnych wniosków w tym zakresie jest to dopuszczalne.
Mikroinstalacje tworzą jednostki wytwórcze niskiego napięcia, zatem w dalszej
części artykułu będzie mowa o „jednostkach wytwórczych”. Jednostkami wytwórczymi w obecnych warunkach mogą być elektrownie wiatrowe, wodne lub słoneczne.
44
Regulacja napięcia
Rys. 1. Schemat poglądowy analizowanej sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia
Ze względu na aspekty hałasu i konstrukcji mocujących elektrownie wiatrowe
mają ograniczone pole do zastosowań na działkach gospodarstw domowych. Jeszcze
mniejsze możliwości stosowania mają elektrownie wodne, z uwagi na stosunkowo
trudny dostęp do cieków wodnych. Najbardziej pożądanymi jednostkami wytwórczymi, które można – w sposób technicznie prosty – instalować w gospodarstwach
domowych są panele fotowoltaiczne. Jednak w tym przypadku warunki geograficzne Polski powodują stosunkowo krótki czas w roku korzystania z promieni słonecznych. Niezależnie od rodzaju źródła energii, w mikroinstalacjach praktycznie
zawsze będzie występował przekształtnik energoelektroniczny, którego zadaniem
jest elektryczne dopasowanie parametrów wielkości wyjściowych źródła energii
elektrycznej do parametrów elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej. Zastosowanie
przekształtników energoelektronicznych daje również szerokie możliwości regulacyjne oraz elektroenergetycznego zabezpieczenia samej mikroinstalacji, ale również
zabezpieczenia przed niekorzystnym oddziaływaniem jednostki wytwórczej na sieć
elektroenergetyczną.
3. Wpływ mikroinstalacji na napięcia w sieci niskiego napięcia
Na rysunku 2 przedstawiono wartości skuteczne napięć fazowych w węzłach
rozpatrywanej elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej nn dla trzech przypadków.
Pierwszy przypadek dotyczy zasilania odbiorów bez jednostek wytwórczych. Każdy
Nr 189
45
Regulacja napięcia
z odbiorników pobiera moc ok. 450 W (trzy fazy). Jak już wspomniano wcześniej
stacja transformatorowa SN/nn znajduje się niedaleko głównego punktu zasilania,
zatem występują stosunkowo duże wartości napięć fazowych (251 V – 252 V). Wartości napięć w każdym węźle sieci są mniejsze od wartości granicznej 253 V (poziom
napięcia zaznaczony linią przerywaną na rys. 2), wynikającej z instrukcji ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnych
Rys. 2. Wartości skuteczne napięć fazowych w poszczególnych węzłach rozpatrywanej sieci dla
trzech przypadków
Uruchomienie jednostki wytwórczej przyłączonej w instalacji w węźle nr 20 (na
końcu rozpatrywanej linii) i jej praca z mocami –15 kW i +15 var (trzy fazy, moce tylko samej jednostki wytwórczej, oczywiście w węźle będzie moc pomniejszona o moc
odbioru) powoduje wzrost wartości napięć we wszystkich węzłach linii, ale nadal
w żadnym węźle wartość napięcia nie przekracza wartości granicznej.
Komentarza wymaga kwestia znaków przy podawanych wartościach mocy. Znak
„minus” mocy czynnej lub biernej oznacza, że moc jest oddawana (do sieci) z instalacji danego węzła, znak „plus” mocy czynnej lub biernej oznacza, że moc jest pobierana (z sieci) przez instalację danego węzła.
Przyłączenie jednostki wytwórczej w mikroinstalacji w węźle nr 13 i jej praca
z mocami –5 kW i +5 var (trzy fazy) również powoduje zwiększenie wartości napięć
we wszystkich węzłach rozpatrywanej linii. Jednak wartości napięć w węzłach nr: 18,
19 i 20 przekraczają wartość graniczną. Taki stan pracy sieci elektroenergetycznej nie
jest dopuszczalny. W obecnej praktyce, w takim przypadku zadziała zabezpieczenie
nadnapięciowe, ale w mikroinstalacji wytwórczej w węźle nr 20. Jednym z technicznych rozwiązań jest ograniczenie mocy wprowadzanej do sieci w węzłach nr 13 i/lub
20 tak, aby wartości napięć były mniejsze od wartości granicznej. Nie jest to łatwe
w praktyce, ponieważ każdy z prosumentów zainteresowany jest jak największą ilością energii elektrycznej wprowadzanej do sieci (aspekty finansowe). Operator sieci
nie miał możliwości wpływu na wartość mocy jednostek wytwórczych (nie ma warunków przyłączenia, jest tylko zgłoszenie przyłączenia mikroinstalacji). Mikroinstalacja jest własnością prosumenta i jest jego instalacją wewnętrzną, zatem nie jest
46
Regulacja napięcia
możliwe oddziaływanie operatora na urządzenia (np. przekształtniki energoelektroniczne) w wewnętrznej instalacji prosumenta. Jednak to operator musi zastosować
takie rozwiązania techniczne i prawne, które pozwolą na pracę prosumenckich mikroinstalacji z mocą mniejszą od umownej praktycznie w każdych warunkach pracy
sieci.
Tak powstał problem regulacji napięcia w elektroenergetycznych sieciach dystrybucyjnych nn. Do tej pory regulacja napięcia w tego typu sieciach odbywała się okresowo poprzez zmianę przekładni transformatora w stacji SN/nn (zmiana położenia
zaczepów uzwojeń). Zatem transformatory w stacjach SN/nn nie są wyposażone
w podnapięciowe przełączniki zaczepów (tak jak transformatory w stacjach WN/
SN), które umożliwiałyby regulację napięcia w czasie pracy sieci.
4. Sposoby regulacji napięcia w sieci niskiego napięcia
Pierwszym sposobem regulacji napięcia w elektroenergetycznych sieciach dystrybucyjnych nn jest wprowadzenie w początkowym odcinku linii wyprowadzanej ze
stacji SN/nn dodawczego źródła napięcia. Odpowiednie wysterowanie tego źródła
powoduje, że poprzez wprowadzenie napięcia dodawczego można regulować wartości napięć w węzłach linii. Efekt zastosowania tego sposobu pokazano na rysunku 3,
wartości napięć oznaczone numerem 1.
Rys. 3. Wartości skuteczne napięć fazowych w poszczególnych węzłach rozpatrywanej sieci dla
trzech sposobów regulacji napięcia
Wartości napięć we wszystkich węzłach rozpatrywanej linii nie przekraczają
wartości granicznej. Wadami tego rozwiązania są: 1) konieczność „rozłączenia” linii
w celu instalacji dodawczego źródła napięcia, 2) istnienie dodatkowego urządzenia
elektroenergetycznego, nawet w przypadku, gdy nie jest konieczna regulacja napięcia
w węzłach oraz 3) w przypadku, gdy prąd w rozpatrywanej linii płynie w kierunku
do rozdzielni nn stacji transformatorowej nn, to konieczne jest generowanie energii
elektrycznej w dodawczym źródle napięcia.
Tego typu układy sąjuż oferowane komercyjnie. Przykładem jest 1-fazowy system
LVRSys™ [1].
Nr 189
47
Regulacja napięcia
Rys. 4. Schemat 1-fazowego regulatora niskiego napięcia w liniach elektroenergetycznych nn [1]
Drugim sposobem regulacji napięcia jest zmiana wartości mocy biernej w przekształtnikach mikroinstalacji wytwórczych. Jednak sposób ten, omawiany m.in.
w [3], z przyczyn formalno-prawnych, ale i technicznych jest trudny do realizacji.
Przeszkodą są m.in. podobne aspekty do tych, które opisano wyżej w kontekście
ograniczania mocy czynnej jednostek wytwórczych. Na rysunku 3, słupki oznaczone
numerem 2, pokazano efekt zmiany napięć w węzłach na skutek zmiany wartości
mocy biernej w przekształtnikach jednostek wytwórczych przyłączonych w węzłach
13 (+1,0 kvar) i 20 (+3,0 kvar).
Trzeci sposób polega na dołączeniu dławika regulacyjnego, który zainstalowano
w rozdzielni nn stacji transformatorowej SN/nn. Wyniki uzyskane z zastosowaniem
tego sposobu przedstawiono na rysunku 3, słupki oznaczone numerem 3. W analizowanym przypadku dławik regulacyjny pobiera z sieci (trzy fazy) moc czynną
+900 W oraz moc bierną +8,96 kvar.
Rys. 5. Wartości skuteczne napięć fazowych w poszczególnych węzłach rozpatrywanej sieci dla
drugiego przypadku pracy sieci
Drugim analizowanym wariantem był układ, w którym przy minimalnym obciążeniu przyłączono jednostki wytwórcze w węzłach nr: 13–17 oraz 20. Wszyst48
Regulacja napięcia
kie przyłączone jednostki wytwórcze pracują z mocą czynną –25,0 kW oraz bierną
+25 var. Na rysunku 5, słupki oznaczone numerem 2, pokazano wartości skuteczne
napięć w węzłach analizowanej sieci. W węzłach od numeru 2 do 20 występuje przekroczenie wartości granicznej napięcia. Zastosowanie dodawczego źródła napięcia
powoduje obniżenie napięć w węzłach do poziomu poniżej wartości granicznej (rys.
5, słupki oznaczone numerem 1). Jak już wcześniej wspomniano, w przypadku gdy
prąd linii płynie w kierunku do rozdzielni nn w stacji SN/nn, to energia w dodawczym źródle napięcia jest generowana do sieci (w tym przypadku 3-fazowo: –5,70 kW
oraz +2,76 kvar).
Słupki oznaczone numerem 3 (rys. 5) pokazują wartości skuteczne napięć w węzłach linii po przyłączeniu dławika regulacyjnego w rozdzielni nn.
5. Podsumowanie
Przyłączanie mikroinstalacji do elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych nn
może spowodować problemy z utrzymaniem wartości napięć we wszystkich jej węzłach na poziomie poniżej wartości dopuszczalnej. To operator sieci będzie musiał
zapewnić techniczne warunki funkcjonowania sieci zgodnie z obowiązującymi przepisami. W artykule pokazano możliwości zastosowania trzech sposobów regulacji
napięcia w sieciach nn z mikroinstalacjami.
W przypadku, gdy mikroinstalacje w danej sieci będą oparte na fotowoltaice, to
energię niezbędną do sterowania dodawczym źródłem napięcia można uzyskać również z tego typu źródła (panele fotowoltaiczne), umieszczone na lub przy stacji SN/
nn. Wówczas OZE będzie pełniło funkcję usługową w sieci nn, do regulacji napięcia
w jej węzłach.
6. Bibliografia
1. A-Eberle, Special Publication: It’s all about finding the right voltage, May, 2013.
2. Cieślik S., Mikrogeneracja w obiektach budowlanych – wpływ przyłączenia
jednostki wytwórczej na warunki zasilania odbiorców w sieci niskiego napięcia,
Wiadomości Elektrotechniczne, Nr 4/2013, str. 11–13.
3. Sobierajski M., Rojewski W., Kryteria przyłączania OZE do sieci nN, Materiały
VI Konferencji Przyłączanie i Współpraca OZE z Systemem Elektroenergetycznym, Warszawa, 25–26 czerwca 2014 r., str. 73–94.
4. Ustawa Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r., (Dz. U. z 2012 r., poz.
1059 z poźn. zm.).
Artykuł w formie referatu był prezentowany
na XVII Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP
„Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne
i informatyczne” – Sieci i instalacje – zagadnienia wybrane,
które odbyło się w Poznaniu w dniach 19–20 listopada 2014 r.
Nr 189
49