Metody sterowania napięciem w sieciach nn z instalacjami prosumenckimi

Wzrost liczby prosumenckich instalacji fotowoltaicznych przyłączanych do sieci niskiego napięcia doprowadził do sytuacji, w której generacja może lokalnie przekraczać zapotrzebowanie na energię. Skutkiem tego jest wzrost napięcia rejestrowany obecnie w wielu sieciach dystrybucyjnych na terenie kraju. Zbyt wysoka wartość napięcia stanowi poważny problem dla operatorów systemu dystrybucyjnego (OSD) i jest podstawowym ograniczeniem w przyłączaniu nowych źródeł. W artykule zaprezentowano wymogi przepisów w zakresie przeciwdziałania wzrostowi napięcia. Przedstawiono także ocenę efektywności wybranych metod sterowania napięciem na przykładzie modelowej sieci nn.

mgr inż. Klara Janiga, dr hab. inż. Piotr Miller, Katedra Elektroenergetyki, Politechnika Lubelska

Liczba instalacji odnawialnych źródeł energii (OZE) w Polsce stale wzrasta. Z roku na rok zmienia się jednak struktura mocy zainstalowanej w OZE – ostatnie lata to przede wszystkim duży wzrost liczby systemów fotowoltaicznych (PV). W 2021 roku po raz pierwszy moc zainstalowana w fotowoltaice przekroczyła moc źródeł wiatrowych [1]. Pod względem całkowitej mocy zainstalowanej w PV (11,06 GW – stan na wrzesień 2022 r.) Polska znajduje się już na szóstej pozycji wśród krajów Unii Europejskiej [1, 2]. Tempo rozwoju rynku PV jest także rekordowe. Wynik 3,715 GW nowych mocy w fotowoltaice w 2021 r. plasuje Polskę na drugiej pozycji w UE i dziesiątej na świecie [3, 4]. Tak znaczne przyrosty mocy zainstalowanej są zasługą głównie instalacji prosumenckich, które stanowią ok. 75% mocy wszystkich systemów PV. Od cztrech lat rynek prosumentów dynamicznie się rozwija – względem roku 2018 moc zainstalowana wzrosła ponad 30-krotnie, osiągając pod koniec III kwartału 2022 r. 8,36 GW w ponad milionie instalacji prosumenckich (rys. 1).

Intensywny rozwój rynku prosumentów przyniósł wiele pozytywnych skutków. Systematyczny wzrost liczby odnawialnych źródeł energii wpisany jest w politykę UE i ma przyczyniać się do stopniowego ograniczania inwestycji w wysokoemisyjne źródła węglowe oraz zmniejszać deficyty mocy w systemie. Przyłączanie źródeł energii do sieci dystrybucyjnej, a więc bliżej odbiorców, skutkuje obniżeniem strat mocy na przesyle i spadków napięcia w sieci. Jednak oprócz pozytywnych stron tego zjawiska istnieją także pewne problemy techniczne, szczególnie wyraźnie widoczne w sieciach o dużym nasyceniu źródłami PV. Najpoważniejszym z nich jest zjawisko nadmiernego wzrostu napięcia w sieci. Dochodzi do niego lokalnie, gdy poziom generacji jest wysoki przy jednoczesnym niskim zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Sytuacja ta jest zwykle przejściowa i występuje w szczytach nasłonecznienia. Zjawisko wzrostu napięcia dotyka szczególnie prosumentów przyłączonych w głębi sieci, z dala od transformatora SN/nn. Za właściwy poziom napięcia odpowiadają operatorzy systemu dystrybucyjnego, zatem aby umożliwić przyłączanie kolejnych źródeł do sieci i zapewnić stabilne warunki zasilania odbiorcom, konieczne jest podjęcie działań mających przeciwdziałać przekroczeniom napięciowym. Mogą być to inwestycje w modernizację sieci albo wdrożenie odpowiednich metod sterowania napięciem.

Wymogi przepisów dla mikroinstalacji w zakresie sterowania napięciem

Instalacje prosumenckie, będące szczególnym rodzajem mikroinstalacji (czyli instalacji OZE o mocy do 50 kW), podlegają przepisom zawartym w Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej IRiESD (np. [5]). Postanowienia dotyczące mikroinstalacji zawarte w IRiESD wynikają m.in. z kodeksu przyłączeniowego NC RfG (ang. Network Code Requirements for Generators) wprowadzonego Rozporządzeniem Komisji (UE) 2016/631 [6].

W zakresie sterowania napięciem IRiESD formułuje wymogi co do trybu pracy instalacji oraz rodzaju, nastaw i sposobu działania zabezpieczeń nadnapięciowych. Zgodnie z przepisami mikroinstalacja powinna mieć możliwość pracy w trzech trybach:

• w trybie podstawowym Q(U), zgodnym z zadaną charakterystyką (), ustawianym domyślnie dla każdej nowo uruchamianej mikroinstalacji. W trybie tym, gdy napięcie na zaciskach generatora przekroczy wartość 1,06 U_n, falownik instalacji PV powinien podjąć próbę obniżenia napięcia poprzez pobór mocy biernej, z zastrzeżeniem jednak, że wartość cosφ nie może spaść poniżej cosφ = 0,9_ind;
• w trybie alternatywnym cosφ(P);
• w trybie dodatkowym ze stałą wartością cosφ ustawianą w granicach od 0,9_ind do 0,9_poj.

Tryb alternatywny i dodatkowy może być ustawiony jedynie na polecenie OSD. Ponadto, w dokumencie zawarte jest także zalecenie, by mikroinstalacja miała możliwość płynnego zmniejszania mocy czynnej generowanej w funkcji wzrostu napięcia. Tryb P(U) powinien uaktywnić się dopiero, gdy wyczerpane zostaną możliwości sterowania napięciem w trybie Q(U). Przepisy nie precyzują nastaw charakterystyki P(U), a praca źródła w tym trybie nie jest wymogiem, a jedynie zaleceniem OSD. Mikroinstalacje o mocy przekraczającej 10 kW powinny być wyposażone w port wejściowy RS485 obsługujący protokół komunikacyjny SUNSPEC, co umożliwi OSD ograniczenie generacji lub całkowite odłączenia od sieci źródła w sytuacji zagrożenia bezpieczeństwa pracy sieci. Przed wejściem w życie kodeksu sieci RfG, tryb pracy falownika nie był określony, a zatem mikroinstalacje pracowały w trybie najbardziej korzystnym dla prosumenta, ze stałą wartością cosφ = 1. Na istniejące mikroinstalacje (na które umowa zakupu została zawarta przed 17 maja 2018 r.) nie nałożono obowiązku dostosowania do nowych przepisów [7].

Oprócz wymaganych trybów sterowania napięciem mikroinstalacje powinny być wyposażone także we wbudowany układ zabezpieczeń chroniących dwustopniowo przed wzrostem napięcia (tabela).

* 10-minutowa wartość średnia, zgodni z EN 50160. Szczegółowe wymagania w zakresie pomiaru wartości średniej zawarte są w normie PN-EN 50438:2014-02

[Fragment artykułu z numeru 12/2022]