Zapotrzebowanie na przyłączenie rozproszonych źródeł energii (RZE), w sieciach rozdzielczych średniego i niskiego napięcia stale rośnie. Możliwości przyłączeniowe w niektórych przypadkach są już przekroczone, a równocześnie liczba i lokalizacja przyszłej generacji rozproszonej jest wielką niewiadomą.
Utrudnia to racjonalne planowanie rozwoju i eksploatacji sieci oraz wymaga dużych inwestycji szczególnie w wiejskich sieciach dystrybucyjnych.
RZE A RYNEK ENERGII
Wysoka penetracja odnawialnych źródeł energii (OZE) utrudnia realizację koncepcji aktywnego rynku energii, na którym równowaga podaży i popytu jest osiągana w sposób dynamiczny. Taka sieć jest zarządzana za pomocą sygnałów ekonomicznych oraz informacji operacyjnych koordynujących i określających produkcję i zużycie energii elektrycznej. Aby sprostać tym wyzwaniom, niezbędne są: wysoka jakość prognoz meteorologicznych, rozwój różnych form magazynowania energii oraz technologie źródeł bazowych o wysokiej dynamice rozruchu i odstawiania, aby móc reagować zarówno na brak, jak i nadmiar produkcji energii w OZE.
STEROWANIE I ZARZĄDZANIE MAJĄTKIEM SIECIOWYM
Do niedawna operatorzy sieci - dla zapewnienia poprawnej pracy systemu zasilającego - sterowali elementami własnej infrastruktury sieciowej. Już obecnie, a w coraz większym stopniu w przyszłości, niezbędna będzie interakcja z nowymi graczami oferującymi usługi elastyczności. Nowi uczestnicy rynku - RZE, a także niektórzy odbiorcy energii - stają się częścią systemu sterowania siecią. Zarządzanie zasobami sieciowymi - w obecności RZE/OZE - staje się złożonym zadaniem. Obejmuje bezpieczeństwo i niezawodność sieci, planowanie, eksploatację, technologię konserwacji, techniki monitorowania online i diagnozowania awarii, zarządzanie cyklem życia majątku sieciowego itp. Wpływa to bezpośrednio na funkcjonowanie oraz rentowność przedsiębiorstw elektroenergetycznych, zwłaszcza na regulowanym rynku energii.
WZROST LICZBY DANYCH
Wyróżniającymi cechami zbiorów danych wykorzystywanych w sieciach elektroenergetycznych są między innymi: wielkość (która ulega zwiększeniu, a dane są pozyskiwane z liczników, falowników, rejestratorów jakościowych, przekaźników, sterowników, układów energoelektronicznych, detektorów meteorologicznych itp.), szybkość przesyłu (kontrola w czasie rzeczywistym wymusza wzrost szybkości transmisji i udostępniania danych, kluczowy staje się wybór medium i struktury systemu teleinformatycznego); unifikacja (niezbędne jest ujednolicenie formatu danych pochodzących z różnych źródeł); wiarygodność (dokładność przesyłanych danych i odporność na zaburzenia); istotność (wartość użytkowa danych jest ograniczona, ważny staje się czas ich przechowywania); bezpieczeństwo danych itp.
RZE A PROJEKTOWANIE SIECI
Sieci projektowane są przy założeniu z reguły niskiego poziomu prawdopodobieństwa równoczesnej pracy odbiorników. W przypadku OZE generacja energii, np. w instalacjach PV czy w elektrowniach wiatrowych następuje na znaczącym obszarze w tym samym czasie, co może prowadzić do przeciążenia elementów sieci. Każde urządzenie lub element infrastruktury (linie, kable, transformatory itp.) ma ograniczoną przeciążalność prądową. Jej przekroczenie powoduje nadmierny wzrost temperatury, degradację materiału, z którego wykonany jest dany element sieci, pogorszenie jego właściwości fizycznych i/lub elektrycznych, a w finale trwałe uszkodzenie.
ZWROTNY PRZEPŁYW ENERGII
Od lat pięćdziesiątych XX wieku projektowanie i działanie ogromnej większości sieci dystrybucji energii elektrycznej opierało się na założeniu, że energia płynie z sieci o wyższym do sieci o niższym napięciu. Obecność RZE sprawiła, że zasada ta przestała obowiązywać. Lokalne źródła wytwarzają często więcej energii niż wynosi jej konsumpcja i wówczas nadwyżka jest przekazywana przez transformator do systemu wyższego napięcia. Istnieją dwa główne czynniki ograniczające dopuszczalną wartość zwrotnego przepływy energii. Pierwszym jest zdolność obciążeniowa elementów sieci, głównie transformatorów, a drugim zdolność systemów automatycznego sterowania siecią do prawidłowego działania w nowych warunkach. To także wyzwanie dla systemów automatyki zabezpieczeniowej, np. „zwarciowej”, oraz układów automatycznej regulacji napięcia.
REGULACJA NAPIĘCIA
Obecność RZE, mimo że niekiedy może pomóc w poprawie profilu napięcia, najczęściej wywołuje niepożądane jego wzrosty na każdym poziomie sieci dystrybucyjnej. W przypadku RZE istnieje także problem ograniczania szybkich zmian napięcia, spowodowanych nadmiernie dużymi pochodnymi wytwarzanej przez źródło mocy czynnej i biernej. WZROST MOCY ZWARCIOWEJ Każdy punkt w sieci elektroenergetycznej charakteryzowany jest poziomem prądu zwarciowego, którego wystąpienie musi być szybko wykryte i przerwane, stanowi bowiem zagrożenie dla infrastruktury sieci oraz zdrowia i życia jej użytkowników. Obecność RZE zwiększa poziomy prądów zwarciowych i dodatkowo utrudnia estymację ich wartości, w porównaniu do układu, w którym cała generacja energii realizowana jest centralnie.
JAKOŚĆ DOSTAWY ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Rosnąca powszechność stosowania RZE wpływa negatywnie na jakość dostawy energii zwiększając zakres wolnych i szybkich zmian napięcia, wahań, asymetrii (np. w przypadku jednofazowych instalacji wytwórczych), odkształcenia napięcia i przepięć. Interfejsy energoelektroniczne RZE wprowadzając do sieci składowe prądu o częstotliwości w paśmie (9-150) kHz oraz zmieniając charakterystyki częstotliwościowe impedancji sieci (efekt obecności pasywnych filtrów wejściowych) mogą utrudniać poprawną pracę układów sygnalizacyjnych, sterowania i bilansowania wykorzystujących sieć jako medium transmisji (PLC).
PRACA WYSPOWA
„Wyspa” energetyczna powstaje, gdy odłączony od sieci publicznej fragment systemu elektroenergetycznego kontynuuje pracę wykorzystując lokalne źródła energii. Rosnąca obecność RZE w sieciach dystrybucyjnych zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia nieplanowanej pracy wyspowej na obszarach, gdzie lokalne wytwarzanie energii jest bliskie jej konsumpcji. W takim przypadku, po zadziałaniu układu zabezpieczeń, „wyspa” może pozostać w stanie „energetycznej równowagi” z nowymi często zmieniającymi się wartościami częstotliwości i napięcia. Oznacza to brak bezpieczeństwa dla użytkowników sieci oraz służb utrzymania ruchu. W przypadku dużej liczby i mocy RZE działanie układów detekcji pracy wyspowej zabezpieczających sieci przed tym stanem pracy może być niekiedy zawodne.
Rozwój rozproszonych źródeł energii (RZE) w tym w szczególności odnawialnych (OZE) jest procesem pożądanym i nieuniknionym. Ich obecność przyniesie korzyści ekonomiczne i społeczne, stanie się podstawą rozwoju innowacyjnej gospodarki opartej na wiedzy. Aby ten proces nie był spowalniany, należy mieć świadomość barier, z którymi trzeba się zmierzyć, w tym także barier technicznych. Konieczne jest podjęcie trudu ich systemowego rozwiązania, co w sposób nieunikniony oznacza wzrost kosztów po stronie operatorów sieciowych, a w konsekwencji wzrost ceny energii.
prof. Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza im Stanisława Staszica w Krakowie
