WYKŁAD 3
Praca elektrowni w SEE
Elektrownie podstawowe pracują z prawie niezmiennym obciążeniem przez większość dni w roku, dostarczają do systemu przeważającą cześć energii elektrycznej (czas pracy T>5500 h/z) – elektrownie parowe o małym jednostkowym koszcie paliwa i dużej sprawności, elektrownie jądrowe i elektrociepłownie.
Elektrownie podszczytowe zmniejszają znacznie swoje obciążenie w dolinach obciążenia systemu – starsze elektrownie parowe, elektrownie wodne ze zbiornikiem o niedużym czasie napełniania.
Elektrownie szczytowe uruchamiane tylko w okresach szczytowego obciążenia każdej doby (czas pracy T<3000 h/a) – elektrownie wodne pompowe i zbiornikowe, elektrownie gazowe i gazowo-parowe, specjalne elektrownie parowe o szybkim rozruchu, stare elektrownie parowe o dużym koszcie paliwa.
Praca elektrowni wiatrowych w SEE
Zdecydowana większość dużych elektrowni wiatrowych oddaje wytworzoną moc do publicznych sieci elektroenergetycznych.
Jak wskazują doświadczenia, elektrownie wiatrowe mają także niekorzystne z punktu widzenia systemu cechy techniczne. Zależność obciążenia od prędkości wiatru powoduje:
- konieczność zwiększania rezerw mocy w innych źródłach,
- utrudnione prowadzenie ruchu systemu, np. wskutek gwałtownych zrzutów obciążenia i zmian kierunków przepływu energii w sieciach,
- trudności w planowaniu bilansu mocy i energii.
Występować mogą problemy z regulacją napięcia i mocy biernej, pogarszaniem jakości energii elektrycznej, opanowaniem mocy zwarcia i stabilnością pracy systemu. Problemy te łagodzić może odpowiednie wyposażenie elektrowni wiatrowych w nowoczesne jednostki wytwórcze przystosowane do regulacji parametrów w szeroki zakresie.
Należy postawić pytanie o wpływ pracy elektrowni wiatrowej na jakość energii.
Wśród czynników pogarszających parametry jakości energii w sieci elektroenergetycznej powodowanych pracą elektrowni wiatrowych można rozpatrzyć cztery rodzaje:
- wahania mocy,
- wahania napięcia,
- migotanie,
- wyższe harmoniczne.
Wahania mocy. Wahanie mocy czynnej występuje w elektrowniach na skutek zmienności prędkości wiatru. Wahania mocy biernej pobieranej przez prądnice asynchroniczne są wynikiem zmian generowanej mocy czynnej.
Wahania napięcia. Zmiany napięcia występujące jako następstwo powolnych zmian mocy generowanej przez prądnice (mogą być kompensowane regulacją zmian zaczepów transformatorów, do których są przyłączone elektrownie wiatrowe). Wahania napięcia mogą być także spowodowane zmiennością mocy biernej pobieranej przez prądnice asynchroniczne (kompensacja za pomocą regulatora mocy biernej z odpowiednią baterią kondensatorów) oraz prądami rozruchowymi.
Migotanie(flicker). Gwałtowne zmiany mocy wyjściowej z turbiny wiatrowej, załączenie generatora i łączenie baterii kondensatorów powodują zmiany wartości skutecznej napięcia. Powyżej pewnego poziomu takie zmiany powodują tzw. migotanie oświetlenia elektrycznego.
Wyższe harmoniczne. Zawartość wyższych harmonicznych pochodzących z prądnic wiatrowych może powodować zakłócenia w działaniu automatyki i zabezpieczeń w układach elektroenergetycznych. Drgań harmonicznych należy szukać w przemiennikach częstotliwościowych. Jednak nowoczesne układy energoelektroniczne, praktycznie dla każdego typu współcześnie produkowanych elektrowni wiatrowych dużej mocy(powyżej 1 MW), nie wnoszą swojego udziału składowych harmonicznych ponad dopuszczalne przepisami.
Połączenie rozproszonych grup farm wiatrowych(*rys.)
Geograficzne rozproszenie produkcji energii elektrycznej ujednostajnia zmiany całkowitej energii z tego obszaru!
Struktura sieci elektroenergetycznych
Sieć elektroenergetyczna jest zbiorem urządzeń: linii napowietrznych, kablowych, stacji transformatorowa-rozdzielczych i rozdzielczych łączników, dławików kondensatorów oraz urządzeń pomocniczych, współpracujących ze sobą w celu realizacji zadania, jakim jest przesył energii z elektrowni do dużych węzłów odbiorczych i rozdział pomiędzy odbiorców.
Sieci, za względu na ich funkcje w procesie dostawy energii elektrycznej, dzieli się na przesyłowe (750, 400 i 220 kV) i rozdzielcze.
Sieci przesyłowe i rozdzielcze wraz ze współpracującymi z nimi elektrowniami tworzą elektroenergetyczny system krajowy.
Do sieci rozdzielczych zaliczane są: okręgowe, rejonowe, przemysłowe (110 kV, SN, nn) i wiejskie (SN, nn).
Sieci wszystkich napięć współpracują ze sobą poprzez transformatory sprzęgłowe, łączące sieci w następujących relacjach:
750,400 kV, 400/220kV, 400/110 kV, 220/110 kV, 220 kV/SN (zasilanie dużych zakładów), 110kV/SN, SN/SN o SN/nn.
Wymagania stawiane sieciom
Podstawowe wymagania stawiane sieciom:
- wysoka jakość energii i niezawodność zasilania odbiorców,
- niskie koszty,
- elastyczność sieci,
- prostota i przejrzystość struktury,
- bezpieczeństwo pracy obsługi i użytkowników.
Sieć powinna być tak zaprojektowana, aby zapewnić odpowiednią jakość dostarczanej odbiorcom energii przy minimum poniesionych kosztów.
O jakości energii decydują: odpowiedni poziom napięcia, odpowiednia częstotliwość; nieodkształcona krzywa napięcia zasilającego odbiornik; symetria napięć zasilających.
Napięcia sieci elektroenergetycznych
Norma PN.88/E-02000 – wartości napięć znamionowych
- sieci jednofazowych napięć prądu przemiennego:
6, 12, 24, 48, 60, 110, 230, 400 V
- sieci trójfazowych prądu przemiennego (międzyfazowe):
48, 400, 690 (obecnie stosowane 660), 1000 V
3, 6, 10, 15, 20, 110, 220, 400, 750 kV
- urządzeń prądu stałego:
12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 110, 220, 440, 600, 750, 1000 V
Norma nie dotyczy napięć występujących w urządzeniach zasilanych przez własne transformatory i baterie akumulatorów oraz napięć obwodów elektrycznych wewnątrz urządzeń, zestawów urządzeń i obwodów wtórnych.
Prądy i napięcia w sieciach
Najbardziej rozpowszechnione są sieci prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz, jednofazowe i trójfazowe.
Do specjalnych zastosowań (piece indukcyjne, piece pojemnościowe, itp.) konstruuje się sieci o częstotliwości większej niż 50 Hz.
Prąd stały stosuje się w trakcji elektrycznej, w niektórych zakładach przemysłowych ( np. do zasilania elektrolizerów, urządzeń do galwanizacji) oraz do przesyłu dużych Mozy na duże odległości.
Napięcia dzieli się następująco:
napięcia bezpieczne: do 50 V prądu przemiennego i do 100 V prądu stałego,
napięcia niskie (nn): nie przekraczające 1 kV,
napięcia średnie (SN): powyżej 1 kV do 110 kV),
napięcia wysokie (WN): 110kV,
napięcia najwyższe (NN): 220 kV i 400 kV,
napięcia ultra wysokie (UW): 750 KV i wyższe.
Elementy sieci i odbiory sieciowe
Elementami sieci elektroenergetycznych najczęściej uwzględnianymi w oblicz niech są: linie elektroenergetyczne, transformatory, dławiki, kondensatory.
Rozróżnia się następujące grupy klasyfikacyjne odbiorców:
Przemysł i wielcy odbiorcy. Grupa ta obejmuje odbiorców przemysłowych oraz obiekty użyteczności publicznej. W jej skład wchodzą rozróżniani osobowymi taryfami: drobni odbiorcy siłowi o mocy od 10 kW do 50 kW, odbiorcy o mocy powyżej 50 kW zasilani z sieci nn oraz odbiorcy zasilani z sieci o napięciu znamionowym powyżej 1 kV, lecz bez trakcji elektrycznej.
Trakcja elektryczna PKP. Ma odrębną taryfę w ogólnej grupie taryfowej przemysłu i wielkich odbiorników zasilanych z sieci powyżej 1 kV.
Odbiorcy bytowo-komunalni. Podzieleni są na kilka grup, objętych odrębnymi taryfami: lokale mieszkalne, gospodarstwa rolne, lokale niemieszkalne, oświetlenia ulic, trakcja miejska.
Straty w sieci. Liczy się je jako różnicę bilansową obejmującą straty techniczne jak i handlowe.
Układy sieci elektroenergetycznych
Klasyfikację układów sieci prowadzą ze względu na:
- sposób powiązanie elementów (konfigurację układu)
- wymagania niezawodnościowe
- napięcie
- funkcję
Podział układów ze względu na konfigurację
- promieniowe:
jednostopniowe i wielostopniowe
nierezerwowane i rezerwowane
jednopromieniowe i wielopromieniowe
- magistralne
- pętlowe
- kratowe
Układy promieniowe
(rysunki: układ promieniowy jednostopniowy, układ promieniowy wielostopniowy, układ promieniowy rezerwowany, układ drupromieniowy)
W układach nierezerwowanych każdy węzeł jest zasilany przez oddzielną linię.
W układach rezerwowanych każdy węzeł jest zasilany przez oddzielną linię oraz rezerwowany z linii między węzłami odbiorczymi.
Takie układy są stosowane do wzajemnego rezerwowania się po stronie dolnego napięcia stacji jednotransformatorowych zlokalizowanych blisko siebie.
(rys.)
Z układów wielopromieniowych najczęściej jest stosowany układ dwupromieniowy.
W tym układzie:
- obie linie zasilające węzeł odbiorczy są identyczne
- możliwa jest praca przy jednej lub obu liniach
- w normalnym stanie pracy obciążalność elementów sieci jest niewykorzystywana
- koszty inwestycji są duże
- pewność zasilania jest duża
- prądy zwarciowe są zależne od stanu załączenia łączników sekcyjnych.
Układy magistralne
(rys.)
Magistrala podwójna zasilająca stację dwutransformatorową(rys.)
W układzie magistralnym jedna linia zasila w różnych punktach wiele odbiorników. Przez rozdzielnice w poszczególnych węzłach nie płynie energia do innych odbiorników zasilanych z danej magistrali.
W porównaniu z układami promieniowymi w układach magistralnych zmniejsza się: liczba przyłączy w stacji zasilającej, łączna długość linii, koszt inwestycyjny, pewność zasilania.
Dzielenie magistrali i dwustronne zasilanie skraca czas przerw w zasilaniu odbiorców.
Układy magistralne są trudniejsze w eksploatacji niż układy promieniowe.
Układ z magistralą potrójną(rys.)
Układy pętlowe
Układem pętlowym jest taka magistrala dwustronnie zasilana, w której energia do dalej położonych węzłów odbiorczych przepływa przez szyny rozdzielnic poprzednich odbiorców. Pętle w normalnym stanie pracy są dzielone łącznikiem z jednej z zasilanych rozdzielnie.
(rys.)
Układy pętlowe mają cechy zbliżone do układów magistralnych.
Układy kratowe są to układy, w których niektóre węzły odbiorcze są zasilane trzema i więcej liniami. Cechami tych układów są stosunkowo duże: koszty inwestycyjne, prądy zwarciowe, pewność zasilania oraz stosunkowo trudna obsługa. W celu zmniejszenia prądów zwarciowych i ułatwienia eksploatacji sieci kratowe pracują tylko jako otwarte.
Przykład sieci kratowej(rys.)
Układy mieszane powstają przez połączenie poprzednio wymienionych układów.
Na rynku pokazano układ, w którym każdy węzeł odbiorczy jest zasilany w układzie promieniowym. Ponadto wszystkie węzły są zasilane rezerwowo pojedynczą magistralą, sieci kratowe pracują tylko jako otwarte.
Przykład sieci mieszanej(rys.)
Podział układów ze względu na wymagania niezawodnościowe
Układy mieszane powstają przez połączenie poprzednio wymienionych układów.
- układy nierezerwowane
- układy rezerwowane o średnim poziomie niezawodności i dopuszczalnym długim czasie przerwy zakłóceniowej (kilka godzin)
- układy rezerwowane o wysokim poziomie niezawodności i dopuszczalnym krótkim czasie przerwy zakłóceniowej(kilka minut)
- układy rezerwowane o bardzo wysokim poziomie niezawodności i dopuszczalnym bardzo krótkim czasie przerwy zakłóceniowej (kilka sekund); układy te są zwykle wyposażone w samoczynne przełączenia (SZR).
Układy rezerwowane wymagają niezależnych źródeł zasilania.
Za niezależne źródło zasilania z sieci systemu elektroenergetycznego uznaje się taki układ dwutorowy przesyłu energii elektrycznej do rozpatrywanego węzła, który w przypadku zakłócenia w pracy lub wyłączenia dowolnego elementu w jednym z nich nie powoduje ograniczenia w pracy pozostałego toru.
Podział układów ze względu na napięcie
Rozróżnia się układy wysokiego, średniego i niskiego napięcia. Napięcie zasilania zależy od mocy zapotrzebowanej.
Parametry znamionowe układów sieci ze względu na napięcie podano w tablicy.
Układy rezerwowane wymagają niezależnych źródeł zasilania.
(tabela)
Podział układów ze względu na funkcję
Pod względem funkcjonalnym układy sieci dzieli się na:
- zasilania zewnętrznego
- rozdzielcze
- odbiorcze
Wybór układu zasilania zewnętrznego zależy od następujących czynników: napięcia układu, mocy zapotrzebowanej, wymagań niezawodnościowych, istniejącej sieci energetyki, a przy rozbudowie zakładu – istniejącej sieci zakładu.
Układy zasilania zewnętrznego napięciem 110 i 220 kV są układami o wysokim i bardzo wysokim poziomie niezawodności.
Wybór układu ułatwiają ogólne wskazówki podanie niżej. Wskazówki te mają charakter orientacyjny.
Rozróżnia się następujące rozwiązania:
- przy napięciu 110 kV i mocy zapotrzebowanej do 25 MW oraz przy napięciu 220 kV i mocy zapotrzebowanej do 50 MW stosuje się najczęściej dwie linie zasilające; szczególne wymagania niezawodnościowe mogą tę liczbę zwiększyć
- przy mocach większych stosuje się odpowiednio większą liczbę linii
- przy dwóch liniach zasilających stosuje się zwykle stację w układzie H zasilaną w układzie promieniowym; linie zasilające mogą być wyprowadzone z dwóch stacji lub z jednej o układzie szynowym sekcjonowanym; możliwe jest również zasilanie stacji w układzie pętlowym
- przy trzech lub więcej liniach zasilających stosuje się jedną lub więcej głównych stacji szynowych zależnie od istniejącego układu sieci energetyki;
- stosowany bywa również układ: jedna linia 110 kV (nawet zasilana tylko z odczepu) i jedna linia średniego napięcia; najczęściej jest to układ zasilania tymczasowego.
Linie napowietrzne
Linie napowietrzne są budowane na wszystkie napięcia stosowane w polskich sieciach elektroenergetycznych - od 0,4 kV do 750 kV. Stanowią one ok. 80% łącznej długości wszystkich linii eksploatowanych przez energetykę zawodową.
Elektroenergetyczna linia napowietrzna – urządzenie napowietrzne, przeznaczone do przesyłania energii elektrycznej, składające się z przewodów, izolatorów, konstrukcji wsporczych i osprzętu.
Przęsło – część linii napowietrznej zawarta między sąsiednimi konstrukcjami wsporczymi.
(rys.)
KONIEC