Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Simulace provozu větrných elektráren

Ing. Michal Konč, ČEZ Distribuce, a. s.,
doc. Ing. Radovan Doleček, Ph.D., Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera
 

1. Úvod

 
Koncem roku 2010 se předpokládal vzrůst instalovaného výkonu ve větrných elektrár­nách (VtE) na 303 MW, čemuž odpovídá asi 485 GW·h vyrobené elektřiny ročně. Na­proti tomu v roce 2006 činil instalovaný vý­kon pouhých 44 MW a vykoupená elektřina 49,4 GW·h, což je během čtyřletého období té­měř sedminásobný nárůst instalovaného výko­nu [1]. Mezi největší větrné farmy provozova­né v ČR patří Kryštofovy Hamry v Krušných horách o instalovaném výkonu 42 MW; dru­hou největší VtE je farma Horní Loděnice-Li­pina na pomezí Nízkého Jeseníku a Oderských vrchů o instalovaném výkonu 18 MW. Ostat­ních VtE (nad 100 kW) je asi padesát, ovšem tyto nepřekračují hodnotu instalovaného výko­nu 10 MW (stav k 6/2009). Téměř 30 % veške­rého instalovaného výkonu tuzemských VtE je v Ústeckém kraji a dalších 20 % na Olomouc­ku. Zájem firem o investice do výstavby no­vých VtE roste. Plány investorů počítají v nej­bližších letech s nově instalovaným výkonem VtE po celé ČR přibližně 1 200 MW, což je více než kapacita jednoho bloku jaderné elek­trárny Temelín [2] až [4]. Cílem tohoto člán­ku je ukázat způsoby a možnosti posouzení připojitelnosti zdrojů VtE do napěťových hla­din nn a vn z pohledu zpětných vlivů v praxi a dále najít a navrhnout možná opatření vedou­cí k omezení zjištěných nadlimitních hodnot.
 

2. Metody analýzy výsledků výpočtu zpětných vlivů VtE

 
Při posuzování možných zpětných vlivů na distribuční soustavu (DS) je možné využít výpočtový matematický model nebo simulační programy, které jsou schopny pokrýt svými výpočty větší variabilitu stavů i množ­ství zdrojů.
 
Technické podmínky připojování upřesňují a doplňují pravidla provozovaní distribučních soustav (PPDS) – viz příloha č. 4 [5]. Poža­davky provozovatelů distribučních sítí (PDS), k jejichž sítím se VtE připojují, jsou uvedeny v [5] až [7]. Zpětné vlivy na síť PDS, tj. změny napětí, flikr, proudy harmonických a ovlivnění zařízení HDO (hromadné dálkové ovládání), byly zkoumány na základě výpočtů a simulací.
Pro vyhodnocení byly použity tyto dvě metody:
  • metoda výpočtová
    Zahrnuje matematický model sítě s cha­rakteristickými vstupy, mezi které patří mj. délka vedení, průřez (podle technologických úseků trasovaných ke zdroji), rezistivita, re­aktance a zkratový výkon sítě; transformáto­ry zahrnující zdánlivý výkon, ztráty nakrátko a napětí nakrátko. Výstupními proměnnými jsou maximálně možné připojitelné výko­ny, k nim vztažené změny napětí, příspěvky k vjemu flikru, fázový úhel impedance sítě a proudy harmonických. Nevýhodou je, že tímto způsobem lze řešit pouze jednodušší konfigurace sítě s omezeným počtem zdrojů.
  • metoda simulací
    Využívá program E-vlivy a aplikuje ve svém algoritmu strukturu známou z me­tody výpočtů. Tato metoda umožňuje ovšem navíc stanovit mnohačetnou variabilitu cha­rakterizovanou zejména různými provozními stavy sítí (simulace s vypínači – možnosti zá­ložních napájení apod.), četností zdrojů, včet­ně jejich rozmístění, možností jejich rychlé přeparametrizace.
Tyto dvě zvolené metody byly vzájem­ně v průběhu řešení porovnávány. Jednotlivé výsledky rozdělené podle napěťových hladin v jednotlivých zkoumaných zapojeních se sí­těmi PDS jsou uvedeny v dalším textu.
 

3. Posouzení výroben dodávajících do distribuční sítě vn a nn

 

3.1 Posouzení výroben dodávajících do distribuční sítě nn

Pro výpočet a simulaci byl použit sou­časný případ malé vodní elektrárny (MVE) na řece Moravě. Rozdíl v simulaci oproti VtE je v dosazení do zadání, která doplňují vstupní hodnoty pro výpočet flikru; dále se s ní pracuje jako s VtE. Zdroj způsobí v síti nadměrné, především napěťové změny, což bylo prokázáno měřením. Vstupní parame­try pro výpočet a pro simulaci jsou uvede­ny v [9].
 
Na obr. 1 je schéma zapojení posuzova­ného (již provozovaného) zdroje se jmeno­vitým výkonem asynchronního generátoru 23 kW (AS1). Nově plánovaná VtE o jmeno­vitém výkonu 30 kW je označena jako AS2. V simulaci podle obr. 1 není AS2 již řešena z důvodu překročení povolených napěťových mezí provozovaným zdrojem AS1. Do simu­lace a výpočtu je zahrnuta i nadřazená síť vn 22 kV, která přispívá k výslednému zkratové­mu výkonu v přípojném místě VtE.
 
Velikost skutečných zátěží (Z2 až Z6) je odvozena z celkového změřeného proudové­ho zatížení vývodu (bod U2); rozložení a ve­likost jednotlivých zátěží (Z2 až Z6) po síti jsou uvedeny na základě osobní znalosti. Pří­klady výsledků určení zpětných vlivů sou­časné VtE na nn v U6 jsou uvedeny v tab. 1.
 
Obě metody – jak výpočtová, tak simulač­ní – vycházejí z podmínky neutrálního účiní­ku (cos φ = 1) připojeného zdroje. Výsledný úhel v simulaci je mírně odlišný vlivem výpo­čtu chodu sítě, neutrální účiník pro výpočet se používá jako vstupní statická hodnota. Zásad­ní a důležité diference jsou patrné u zvýšené­ho napětí, původ rozdílů je způsoben odlišným přístupem obou metod. Zatímco při výpočtech je nalezen maximálně možný připojitelný vý­kon SAmax a pro něj přípustné zvýšené napětí ΔuAV v místě připojení (U6), u simulace umož­ňuje program E-vlivy i změny připojovaného výkonu, a tím nalezení optimálního zdánlivé­ho připojitelného výkonu výroben na nn. Pro porovnání s měřením bylo tedy zapotřebí se co nejvíce přiblížit skutečnému stavu v simulaci. Rozdíl od hodnoty získané měřením (23,75 % – uvedeno v [9]) je necelých 5 % (tab. 1). Pro porovnání s manuálními výpočty bylo tedy nutné zjistit maximální připojitelný výkon, kdy nebude překročena 3% hranice zvýšení napětí. Diference mezi zjištěnými hodnotami výkonu představuje přibližně hodnotu 0,5 kW. Na správnost přístupu k výpočtům poukazu­jí všechny ostatní přibližně stejné výsledky. Skutečnou velikost vyšších harmonických ne­lze v tomto případě přesněji určit z důvodu ab­sence ověřovacích protokolů zdroje. Podle [9] je možné určit pouze limitní emisní hodnoty vybraných proudů (tab. 1, sloupec Výpočty).
 
Nový zdroj AS1 by v této fázi nebylo možné připojit (zvýšené napětí Δu překraču­je povolenou hodnotu šestkrát, Δuers dokon­ce sedmkrát – program E-vlivy), a to již při neutrálním účiníku. V tomto případě je třeba připomenout pro daný záměr sice nepodstat­nou, ale přesto zajímavou skutečnost týkají­cí se celkem velkého útlumu signálu HDO (15,7 %), který je však ještě v tolerančních mezích (20 %).
 
Provoz VtE se sítí PDS podle původního stavu je z hlediska příslušných mezí nepří­pustný. I přesto však není možné z důvodů těchto nadlimitních zpětných vlivů zdroj od­stavit. Navíc je zažádáno o připojení další­ho, nového zdroje AS2, situovaného do stejné sítě, tj. vývodu nn a transformátoru vn/nn. Pro splnění požadavků vyplývajících z [5] a dal­ších souvisejících předpisů bude nutné upra­vit síť např. do podoby vyplývající z obr. 2.
 
Dodavatel bude podle svých potřeb (pře­devším z důvodu rychlejšího návratu vlože­ných investic) požadovat měření v místě vý­roby VtE (bod U13). V tab. 2 jsou uvedeny výpočty zpětných vlivů v tomto bodě jako nejbližšího požadovaného místa připojení. Opět je nutné pracovat s výsledky obou pří­stupů ze dvou různých úhlů pohledu. Z uve­dených výsledků vyplývá, že není možné po­žadavkům dodavatele vyhovět. Jako nejbliž­ší předávací místo je ze strany PDS navržen bod U2. Pro tento bod byly simulovány zpět­né vlivy pouze v programu E-vlivy. Hodnoty jsou patrné z tab. 3 a z nich vyplývá, že pro požadovaný výkon zdroje jsou splněny základní požadavky pro jeho připojení. V tom­to stavu lze simulovat i provoz při jiném než neutrálním účiníku, a stanovit tak jeho meze pro vlastní zdroj. Lze i kontinuálně měnit velikost připojovaného výkonu, zvyšovat jej a stanovit jeho maximální hodnotu. Harmo­nické opět nelze spočítat pro absenci ověřo­vacího protokolu; přípustné meze jsou uve­deny v tab. 2. Na obr. 3 je graf příslušných napěťových poměrů uzlů ve sledované síti nn.
 
Možnosti připojení a měření nového zdroje jsou posuzovány v bodech U13 nebo U14. Je tedy na dodavateli, ke které distri­buční transformátorové stanici (DTS) kabel od zdroje přivede (T123 nebo T124). Porov­nají-li se však poměry mezi přibližně stejný­mi délkami kabelů, nelze AS2b provozovat, neboť v uzlu U14 (předávací místo) je zvý­šené napětí přesahující 6 %. Dodavatel tudíž musí komplexně zvážit ekonomiku připojení na základě místních poměrů, nákladů a výčtu možností připojení do sítě. Tento výčet před­kládá příslušný PDS, jenž může rozhodnout o způsobu provozování (pouze bod U2, U6 při rozpojení sítě v U14).
 

3.2 Posouzení výroben dodávajících do distribuční sítě vn

Do sítě vn se připojují již zdroje z katego­rie velkých VtE (až jednotky megawattů). Pro tento případ byl opět zvolen současný zdroj se zkráceným názvem Kmn (typ Vestas V90 – 2 MW) [9], který je napojen přes linku vn 21 do transformovny 110/22 kV. V simulaci jsou bílou barvou podbarveny další zdroje, na kte­ré již byly evidovány nové žádosti.
 
Problémem sítí vn v jakýchkoliv simula­cích je nerovnoměrné rozložení zátěže. DTS jsou nepravidelně a s různou hustotou roz­místěny podél vedení vn. Protože konkrét­ní velikosti odběrů jednotlivých DTS ne­jsou známy, využívají se jen dostupná data z řídicího systému PDS. Vstupní data o za­tížení pro simulace se omezí na zimní, lépe však na letní měření rozvoden (Z1, Z2). Celková délka vedení k předávacímu bodu U9 je více než 21 km. Při posuzování zpět­ných vlivů je nutné respektovat i další hle­diska dotčených úseků v rámci nadřazení sítě ve společnosti PDS, které poskytují vstupní podklady pro simulace. Vychází se ze zá­kladních a náhradních způsobů zapojení, na­pájení linek vn (vypínače SP1, SP2 – přepo­jení na další možné stavy provozu). V tab. 4 jsou uvedeny výsledky výpočtů zpětných vli­vů a výsledky simulací v programu E-vlivy. Opět je na první pohled patrný rozdíl v pří­stupu k vlastnímu posouzení z hlediska vý­počtu a simulace. Výpočet předkládá při­jatelné zpětné ovlivnění zdrojem, bude-li hodnota SAmax rovna hodnotě 1,345 MV·A. Červeně jsou označeny hodnoty nevýznam­ně překračující přípustné parametry. Protože jde o VtE, která je již v provozu, je možné porovnat některé tyto simulované paramet­ry se skutečně naměřenými hodnotami [9]. Při analýze naměřených hodnot nebyl zjiš­těn žádný negativní vliv na síť vn 21. Sní­ží-li se však instalovaný výkon VtE v pro­gramu na hodnotu 1,345 MV·A, hodnota Δu klesne na přibližně stejnou hodnotu jako u výpočtu. Příčinou nadměrné změny napětí Δu pro VtE 2 MW je délka vedení AlFe (lin­ka vn 21) asi 1,2 km při příliš malém průře­zu (S ≤ 42 mm2). U vn by tedy bylo pro si­mulační model nutné eliminovat slabá místa dané linky vn 21 (tedy S ≤ 42 mm2) a nahra­dit je vodiči s průřezem alespoň 110 mm2.
 
V tomto případě již bylo možné se lépe za­měřit na vyšší harmonické emitované zdrojem VtE. Z ověřovacího protokolu [8] byly zjiš­těny procentuální velikosti vztažené k prou­du základní harmonické. Tyto hodnoty bylo nutné pomocí jmenovitého výkonu přepočítat na příslušnou napěťovou hladinu sítě vn. Po­drobné postupy a výsledky jsou uvedeny opět v [9]. Graf na obr. 5 představuje hodnoty zjištěné z výpočtů podle [9] a ze simulace pomocí programu E-vlivy (viz obr. 4 – zdroj harmonic­kých ZI1 získaný z datového listu VtE) a z mě­ření. Žluté sloupce představují povolené emisní limity (některé nejsou v grafu zobrazeny úpl­ně vzhledem k jejich velkým hodnotám). Pro­blém zde však představují simulované hodnoty harmonických >31, které již překračují emisní limity dané výpočty podle [9]. Důvodem zřej­mě bude frekvenční charakteristika U9, kde se skokově velmi mění impedance právě mezi 40. a 50. harmonickou (emise doloženy ově­řovacím protokolem). Podle platné legislativy se měří pouze do 25. harmonické, tudíž nelze tuto skutečnost ověřit. Je nutné též brát v úva­hu vliv transformátoru 22/0,4 kV, Dyn, díky němuž jsou harmonické, které jsou násobkem čísla tři (základní harmonické), eliminovány. Skutečné znečištění vyššími harmonickými by mělo být ověřeno opět měřením (pouze samo­statná VtE – ostrovní provoz).
 

4. Závěr

 
Článek ukazuje, jakým způsobem se po­stupuje, je-li po PDS požadováno posouze­ní zpětného ovlivnění sítí jakoukoliv vý­robnou elektrické energie podle [5] až [7]. Metoda výpočtů je náročná, ovšem použi­telná pouze do určitého počtu zdrojů. Me­toda simulací pomocí programu E-vlivy je naproti tomu mnohem rychlejší a poskytu­je širokou variabilitu při žádaném dosažení optimálního instalovaného výkonu VtE či jiných zdrojů. V článku jsou z hlediska při­pojení (se zaměřením na výpočet zpětných vlivů) posouzeny VtE připojené do napěťo­vých hladin nn a vn. S ohledem na porovná­ní správnosti výsledků byly zvoleny vícepo­hledové výpočetní a simulační metody v lo­kalitách, kde byly i skutečně měřeny zpětné vlivy. Obě metody se v konečném důsledku doplňují, a je tedy možné využít oba způ­soby. Program E-vlivy představuje mnohem pohodlnější, rychlejší a variabilnější přístup ke konečnému řešení.
 

Napětí

Výsledky výpočtů, simulací a měřením na nn, ukazují při respektování současného zatížení na překročení změny napětí Δuers a zvýšené napětí Δu. U VtE AS1 v přípoj­ném bodě U6 jsou to více než 3 %. Náprav­ná opatření s celkovým kladným vyjádřením jsou u nn patrná z obr. 2, kdy je možné pro­vozovat novou VtE i současné VtE i s větším rozsahem hodnot účiníku. Na hladině vn vý­sledky výpočtů i měření ukazují, v součas­ném stavu s respektováním pouze celkového zatížení rozvoden, na nepřekročení zvýšené­ho napětí Δu VtE o výkonu 2 MW v přípoj­ném bodě U9 o více než 2 %, zatímco simu­lační model ukazuje na mírné překročení pa­rametrů Δuers a Δu. Negativní vliv je možné snížit zvětšením průřezu vodičů v kritickém úseku vedení vn.
 

Flikr

Výsledný činitel flikru překračuje stano­vené limity na nn v U6 a v U13; v U2 jsou limity již v toleranci. Na vn v současném sta­vu sítě nejsou limity překračovány ani v pří­padě výpočtů, ani v případě simulačního mo­delu, nejsou tudíž nutná žádná opatření pro jejich snížení.
 

Vyšší harmonické

Nadměrnou produkci vyšších harmonic­kých proudů u VtE připojených na nn ne­lze vyhodnotit z důvodu absence ověřova­cích protokolů zařízení VtE. Pro vlastní mě­ření jsou stanoveny pouze přípustné emisní limity, které nesmí být skutečnými hodnota­mi vyšších harmonických překročeny (zjiště­né následným měřením). Na hladině vn jsou výsledné hodnoty výpočtů, simulace i mě­ření uvedeny v [9], grafické porovnání s vy­počítanými přípustnými hodnotami je patr­né z obr. 5.
 
Zanedbají-li se u vyšších harmonic­kých proudů násobky tří základní harmo­nické vlivem zapojení primárního vinutí u T2 (22/0,4 kV, Dyn), jsou meze překročeny pouze u 31. a 50. harmonické. Tuto skutečnost by bylo zajímavé prověřit mě­řením v praxi.
 

HDO

Signál HDO, jak bylo určeno na základě simulačních modelů, není v žádném z pří­padů, a to ani na nn, ani na vn, nadměrně ovlivněn.
 
Literatura:
[1] Bezpečná integrace OZE do ES ČR. Tisková konference ČSRES, 10. 03. 2010.
[2] http//bids.cz/fines/20091102-439-VtE-v-CR-k-1.6.2009.pdf (26. 03. 2010).
[3] HOŠEK, J.: Využití větrné energie v ČR. ČK konference CIRED, 2007.
[4] VELEK, V.: Očekávané dopady vstřikování vel­kých výkonů větrných elektráren do distribuční a přenosové soustavy. ČK konference CIRED, 2006.
[5] Pravidla provozování distribučních soustav. Příloha 4, pravidla pro paralelní provoz zdrojů se sítí provozovatele distribuční soustavy, 2006.
[6] ČSN EN 50160 Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejné distribuční sítě.
[7] PNE 33 3430-0 Výpočetní hodnocení zpětných vlivů odběratelů distribučních soustav.
[8] Technická specifikace stroje. V90-2 MW, gen. specifikace 14.01.2004 950019.R2.
[9] KONČ, M.: Simulace provozu VtE s ohledem na připojovací podmínky PDS. ČK konference CIRED, 2009.měření
 
Obr. 1. Schéma současného zapojení se zdrojem AS1
Obr. 2. Schéma možného budoucího zapojení se zdroji AS1, AS2
Obr. 3. Rozložení napětí v dotčeném vedení nn s oběma zdroji
Obr. 4. Schéma stávajícího zapojení s VtE K2 a s jeho zdrojem harmonických proudů ZI1
Obr. 5. Graf porovnání emitovaných vyšších harmonických proudu
 
Tab. 1. Výsledky získané metodou výpočtů a simulací zpětných vlivů současné VtE na nn v U6
Tab. 2. Výsledky získané metodou výpočtů a simulací zpětných vlivů plánované VtE na nn v U13
Tab. 3. Výstupní hodnoty zpětných vlivů plánované VtE v U2
Tab. 4. Výpočty zpětných vlivů plánované VtE v U9
 

Ing. Michal Konč ukon­čil v roce 2008 studium na DFJP v Pardubicích s elek­trotechnickým zaměřením. Od roku 1995 pracoval ve VČE, a. s., kde se věno­val problematice provozu sítí, bilancí a ztrát. Od roku 2006 pracuje ve společnosti ČEZ Distribuce, a. s., v úse­ku Řízení sítí se zaměřením na hodnocení kvality a spolehlivosti sítí PDS.
 
doc. Ing. Radovan Dole­ček, Ph.D., vystudoval v le­tech 1994 až 1999 obor elek­trická zařízení v dopravě na DFJP, Univerzity Pardu­bice. V roce 2000 až 2001 byl projektantem u OEZ Letohrad, a. s. V období let 2001 až 2006 studoval post­graduálně obor dopravní infrastruktura – elektrotechnika a od roku 2002 do 2003 byl studentem LIC Sydney Austrálie. V roce 2004 se stal odborným asistentem na ka­tedře elektrotechniky, elektroniky a za­bezpečovací techniky na DFJP, kde půso­bí od roku 2009 jako docent. V současnosti se věnuje výzkumu v oblasti elektromag­netické kompatibility elektrických pohonů a zabývá se simulacemi pro drážní systé­my a energetiku.
 

The paper deals with utilization of wind energy as renewable resource of electric energy generated by wind power plants, their connectivity options and their opera­ting within an electrical energy distribution network. The emphasis is laying parti­cularly on resource influence in electrical energy distribution networks which will be evaluated using the E-vlivy program by EGC – EnerGoConsult ČB, Ltd. The si­mulation results are compared with manual calculation and with the obtained me­asurements of electric energy quality parameters.