Janusz BROŻEK
Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Elektroenergetyki
Wpływ generacji rozproszonej na stary mocy i energii
w elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej
Streszczenie. y
ródła rozproszone przyłączone są zwykle do elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej Właściciel elektrowni chce wyprowadzić
energię elektryczną do najkrótszą drogą do najbliższej sieci. Takie rozwiązanie nie zawsze jest możliwe do przyjęcia przez Spółkę dystrybucyjną
elektroenergetycznej sieci rozdzielczej ze względu na zmianę parametrów pracy sieci jakie wprowadza dodatkowe z
ródło. W prezentowanej pracy
analizowano straty mocy i energii w sieci rozdzielczej w zależności od mocy i miejsca lokalizacji w terenowej sieci rozdzielczej średniego napięcia
dodatkowego z
ródła mocy.
Abstract. Dispersed sources of power are usually connected to an electric power distribution network. Assume that an owner of a power plant
would like to connect his plant to the network by choosing the shortest way. Such a solution is not always possible from the point of view of the
owner of the network because of the changes of the network s parameters caused by the addition of the new source of power. The paper aims at
analyzing power and energy losses in a distribution network relative to the level of power and location of the new source of power within the network.
(The influence of the dispersed generation on the power and energy losses in an electric power distribution network).
SÅ‚owa kluczowe:elektroenergetyczne sieci dystrybucyjne, generacja rozproszona, stary mocy i energii,, metody obliczania strat mocy.
Keywords: Electric power distribution networks, dispersed generation, power and energy losses, methods of calculating power losses..
Wstęp  Obciążenie wszystkich stacji SN/nn charakteryzuje się
Status prawny i odnośne rozporządzenia [1], [2] jednakowym współczynnikiem mocy wynoszącym 0,9.
sprzyjajÄ… budowie i eksploatacji z
ródeł rozproszonych.  Obciążenie poszczególnych stacji jest proporcjonalne do
Potencjalni inwestorzy poszukując miejsc odpowiednich do udziału ich mocy znamionowej w sumie mocy
lokalizacji z
ródeł rozproszonych kierują się możliwością znamionowych stacji przyłączonych do obwodu.
pozyskania na danym terenie pierwotnych z
ródeł energii  y
ródło mocy jest modelowane jest jako wymuszenie
(wiatru, cieków wodnych, biogazu, z
ródeł termalnych). mocy czynnej przyłączone do węzłów sieci rozdzielczej.
Problemem wtórnym jest wyprowadzenie energii Dla wyznaczenia strat mocy w sieci dystrybucyjnej w
elektrycznej do sieci energetyki zawodowej. Zwykle zależności od mocy i miejsca lokalizacji z
ródła mocy
inwestor zakłada, że energię wprowadzi do najbliższej sieci wykorzystano dedykowany program do obliczeń rozpływu
elektroenergetycznej (np. średniego napięcia) często
mocy i prądów w sieci średniego napięcia.
przebiegającej przez lub w pobliżu terenu inwestycji. Takie
rozwiązanie nie zawsze jest najlepsze dla właściciela
Dane sieci dystrybucyjnej oraz wybrane wyniki obliczeń
elektroenergetycznej sieci rozdzielczej ze względu na
Analizie poddano rozległy, terenowy obwód sieci 15[kV]
zmianę warunków pracy sieci jaką wprowadza dodatkowe
opisany następującymi podstawowymi parametrami [6]:
z
ródło [3].
 długość magistrali  22,15 [km],
Jednym ze efektów przyłączenia lokalnych z
ródeł energii  przekrój magistrali  AFL 70 [mm2],
jest zmiana (najczęściej zmniejszenie) strat mocy i energii w  długość odgałęzień  67,53 [km],
tych sieciach. Efekt ten jest zależny od lokalizacji w sieci  przekrój odgałęzień  AFL 35 [mm2],
dodatkowego z
ródła energii, mocy przyłączanego z
ródła  liczba zasilanych stacji SN/nn  83 [sztuk],
oraz obciążenia tej sieci.
 całkowita moc znamionowa transformatorów  9430[kVA],
W pracy przedstawia się wyniki obliczeń wpływu  obciążenie w szczycie zimowym  3683,4 [kVA].
miejsca przyłączenia i wielkości mocy przyłączanego
Schemat analizowanego obwodu przedstawiono na
dodatkowego z
ródła na straty mocy i energii w
rysunku 1. Do sieci dystrybucyjnej planuje się włączenie
elektroenergetycznej sieci rozdzielczej. Badania
elektrowni o podstawowych parametrach:
przeprowadzono przy użyciu dedykowanego programu do  maksymalna moc elektrowni 5 MW,
obliczeń rozpływów w sieci dystrybucyjnej [4]. Uzyskane  współczynnik mocy dla zakresu generacji 0,37 5[MW]
rezultaty porównano z wynikami obliczeń uzyskanymi
cosÕel=1.
metodÄ… Kulczyckiego przedstawionÄ… w [5].
Miejsca przyłączenia z
ródeł mocy przedstawiono na
rysunku 1. Na rysunku 2 zestawiono wyniki ilustrujÄ…ce straty
Model obliczeniowy do badania strat mocy
mocy czynnej w sieci SN po podłączeniu dodatkowego
Dla potrzeb przeprowadzenia ilościowej analizy strat
z
ródła mocy w wybranych punktach toru głównego sieci.
mocy i energii w sieci dystrybucyjnej zawierajÄ…cej z
ródło
Linią ciągłą zaznaczono straty mocy w analizowanej sieci
generacji rozproszonej wykonano model symulacyjny
bez dodatkowych z
ródeł energii elektrycznej.
odwzorowujący sieć elektroenergetyczną: zaciski
Uzyskane wyniki obliczeń wskazują, że oczekiwane
średniego napięcia transformatora 110/15 kV (węzeł
zmniejszenie strat mocy w sieci z dodatkowÄ… generacjÄ…
bilansujący o znanym napięciu w programie do rozpływów
zależy od miejsca lokalizacji z
ródła i jego mocy.
mocy); linię średniego napięcia SN, do której planuje się
Dodatkowe z
ródło o mocy nie większej niż szczytowe
przyłączenie generatora, wraz ze wszystkimi
obciążenie sieci dystrybucyjnej zmniejsza straty mocy w
odgałęzieniami zasilającymi poszczególne stacje SN/nn;
obwodzie. Uzyskany efekt zależy od miejsca lokalizacji i
transformatory w stacjach SN/nn o znanym
mocy z
ródła. y
ródło o mocy większej niż szczytowe sieci
zapotrzebowaniu na moc i energiÄ™ szczytowÄ…; z
ródło mocy
dystrybucyjnej może spowodować zwiększenie strat mocy
przyłączone do wybranych węzłów sieci SN.
w obwodzie w przypadku lokalizacji z
ródła w odległych od
Przyjęto następujące założenia:
GPZ węzłach sieci.
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006 101
Rys. 1. Obwód terenowy sieci dystrybucyjnej wraz z podaną lokalizacją przyłączenia z
ródeł mocy.
600
""P 2RP
generacja w węz
le A3 generacja w węz
le C19
(3) k = =
p
2
generacja w węz
le E24 generacja w węz
le F1 "P
500 U
generacja w węz
le F41 straty bez generacji
400
(4) "PQ = kei Å" Q
300
gdzie: ke  energetyczny równoważnik mocy biernej
(ekonomiczny równoważnik mocy biernej), obliczany ze
200
wzoru :
100
""P 2RQ
(5) ke = =
0
2
"Q
U
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Generacja mocy [MW]
W przypadku przesyłu mocy przez n elementów
połączonych szeregowo, całkowite straty mocy czynnej
Rys. 2. Straty mocy czynnej w sieci SN po podłączeniu można obliczyć korzystając z zależności (2) i (4), przy czym
dodatkowych z
ródeł mocy w wybranych punktach toru głównego
współczynniki strat układu złożonego z n elementów są
sieci.
równe sumie współczynników strat:
Metoda szacowania wpływu generacji rozproszonej na n
zmniejszenie strat mocy i energii w sieciach (6) kP =
"k pi
rozdzielczych [5] i=1
Straty obciążeniowe w elemencie sieci obliczane są z n
zależności: (7) ke =
"k
ei
i=1
2
S P2 Q2
(1) "Pobc = Å" R = Å" R + Å" R = "Pp + "PQ gdzie: kpi  współczynnik strat mocy czynnej od przepÅ‚ywu
2 2 2
U U U
mocy czynnej dla i -go elementu sieci elektroenergetycznej.
kei  energetyczny równoważnik mocy biernej dla i-go
gdzie: R  rezystancja linii, S  przesyłana moc pozorna P 
elementu sieci elektroenergetycznej.
przesyłana moc czynna Q  przesyłana moc bierna, U 
napięcie międzyfazowe, "PP  straty mocy czynnej
Przy pomocy wzorów (2) i (4) można obliczyć wpływ
pochodzące od przepływu mocy czynnej, "PQ  straty mocy
przepływu mocy na zmianę strat mocy czynnej w obwodzie,
czynnej pochodzące od przepływu mocy biernej,
a więc również od mocy wprowadzonej do sieci rozdzielczej
Stosowanie wzoru (1) wymaga znajomości rozpływu mocy.
przez w z
ródła generacji rozproszonej.
Proponowana metoda szacowania wpływu zmiejszeneia
W przypadku, gdy generator pracuje przy współczynniku
strat mocy i energii od generacji rozproszonej opiera siÄ™ na
mocy cosÕ H"1 wpÅ‚yw generacji rozproszonej na straty w
następujących zależnościach [7]:
sieciach rozdzielczych można obliczyć korzystając tylko ze
wzoru (2).
(2) "Pp = kP Å" P
Korzystając zależności (3) i (6) obliczono dla węzłów
obwodu w których podłączono z
ródła mocy współczynniki
gdzie: kP  współczynnik strat mocy czynnej od przepływu
strat mocy czynnej kpi (tabela 1).
mocy czynnej P, oblicza się w zależności:
102 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006
Straty mocy w [MW]
Tabela 1. Współczynnik strat mocy czynnej kp
obwodzie. Uzyskany efekt zależy od miejsca lokalizacji i
Nr węzła A - 8 C- 19 E- 24 F-1 F-41
mocy z
ródła.
0,057 0,099 0,126 0,142 0,147
Współczynnik kpi
y
ródło o mocy większej niż szczytowe obciążenie sieci
dystrybucyjnej może spowodować zwiększenie strat mocy
Wykorzystując wyniki rozpływów mocy oraz wyliczone
w obwodzie w przypadku lokalizacji z
ródła w odległych od
współczynniki strat mocy czynnej kp,, obliczono zmianę
GPZ węzłach sieci  rys. 5.
strat mocy w analizowanym obwodzie w zależności od
Metoda szacowania wpływu generacji rozproszonej na
miejsca i wielkości przyłączanego dodatkowego z
ródła
zmniejszenie strat mocy i energii w sieciach rozdzielczych
mocy. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 3, 4, 5.
daje wyniki zbliżone do wyników uzyskanych z rozpływów
mocy dla z
ródeł o mocy do kilkunastu procent mocy
70.0
szczytowej obwodu - rys. 3.
program do rozpływów mocy
Metoda szacowania wpływu generacji rozproszonej na
60.0
metoda szacownia strat
zmniejszenie strat mocy i energii w sieciach rozdzielczych
50.0
daje wyniki rozbieżne do wyników uzyskanych z rozpływów
mocy dla z
ródeł o mocy większych od mocy szczytowej
40.0
obwodu - rys. 4 i 5.
30.0
Rozbieżność wyników wiąże się ze sposobem
obliczania strat w metodzie szacowania strat. Zakłada się
20.0
w niej, że dodatkowy przepływ mocy obywa się na drodze
10.0
(rezystancji) od GPZ do węzła w którym jest przyłączone
dodatkowe z
ródło. W rzeczywistości dodatkowe z
ródło
0.0
mocy zwiększając poziomy napięć w miejscu przyłączenia,
węzeł A3 węzeł C19 węzeł E24 węzeł F1 węzeł F41
zmienia rozpływy prądów i mocy powodując straty mocy w
Moc z
ródła w węzłach sieci - Pg = 370 [kW]
obwodzie inne niż wyliczone metodą szacowania strat.
Do dokładnej oceny wpływu generacji rozproszonej na
Rys. 3. Zmiany straty mocy w sieci dystrybucyjnej po przyłączeniu
stary mocy i energii w elektroenergetycznej sieci
z
ródła o mocy Pg = 0,37 [MW] (H" 10% obciążenia szczytowego
dystrybucyjnej należy stosować dedykowane pogramy do
obwodu).
rozpływów mocy i prądów.
Przedstawiona prosta metoda szacowania wpływu
300
generacji rozproszonej na zmniejszenie strat mocy i energii
program do rozpływów mocy
w sieciach rozdzielczych, pozwala w prosty sposób
250
metoda szacownia strat
oszacować wpływ pracy generatora w głębi sieci na
200
wielkość strat mocy energii, jeżeli moc przyłączonego
generatora nie przekroczy kilkunastu procent mocy
150
szczytowej analizowanego obwodu.
100
Opracowana publikacja jest finansowana ze środków
50
Ministerstwa Edukacji i Nauki, grant nr 11.11.120.363.
0
LITERATURA
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
[1] Rozporządzenie ministra gospodarki, pracy i polityki społecznej
Moc z
ródła przyłączanego do węzła A-3 w [MW] z dnia 30 maja 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu
obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych
z
ródeł energii oraz energii wytwarzanej w skojarzeniu z
Rys 4. Zmiany straty mocy w sieci dystrybucyjnej po przyłączeniu
wytwarzaniem ciepła.
z
ródeł o różnej o mocy Pg do węzła A-3.
[2] RozporzÄ…dzenie ministra gospodarki i pracy z dnia 20 grudnia
2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia
800 podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji
program do rozpływów mocy
tych sieci.
600
metoda szacownia strat
[3] K a c e j k o P.: Generacja rozproszona w systemie
elektroenergetycznym, Wydawnictwa Uczelniane Politechniki
400
Lubelskiej, Lublin, 2004.
[4] P a włowski A
.: Obliczanie rozpływów prądów i mocy w
200
sieciach elektroenergetycznych. Praca dyplomowa AGH,
0 Wydział Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki,
Kraków, 2004
-2000.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 [5] K u l c z yc k i J .: Metoda obliczania wpływu generacji
rozproszonej na starty w sieciach rozdzielczych. Materiały III
-400
Konferencja Naukowo Techniczna, Straty energii elektrycznej
Moc z
ródła przyłączanego do węzła F-41 w [MW]
w spółkach dystrybucyjnych, Jelenia Góra, 20 21 paz
dziernika
2005r,str. 85-88
[6] S z a n t yk a W., G a węcki P.: Współpraca z
ródeł energii
Rys 5. Zmiany strat mocy w sieci dystrybucyjnej po przyłączeniu
rozproszonej z sieciÄ… energetyki zawodowej. Praca dyplomowa
z
ródeł o różnej o mocy Pg do F-41.
AGH, Wydział Elektrotechniki Automatyki Informatyki i
Elektroniki, Kraków, 2005.
Podsumowanie i wnioski
[7] Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera Elektryka, Tom 3, WNT,
Wprowadzenie dodatkowego z
ródła mocy do sieci
Warszawa, 2005.
dystrybucyjnej zmienia rozpływ mocy w obwodzie co wiąże
się ze zmianą - najczęściej zmniejszeniem - strat mocy i
Autorzy: dr inż. Janusz Brożek, Akademia Górniczo-Hutnicza,
energii w obwodzie - rys. 3.
Katedra Elektroenergetyki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,
Dodatkowe z
ródło o mocy nie większej niż szczytowe
E-mail: [e-mail];
obciążenie sieci dystrybucyjnej zmniejsza straty mocy w
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006 103
Zmniejszenie strat mocy [kW]
Zmiana straty mocy [kW]
Zmiana straty mocy [kW]