System sterowania mocą bierną w elektrowni fotowoltaicznej Rzezawa 60 MW
Adam Sobel, Michał Brocki

Wstęp 

Fotowoltaika jest jednym z najszybciej rozwijających się rodzajów odnawialnych źródeł energii, a przy tym jest przyjaznym i najmniej inwazyjnym dla środowiska rozwiązaniem.

Eksploatacja nowo powstających instalacji fotowoltaicznych, zarówno mikroinstalacji jak i tych największych o mocach przekraczających kilkadziesiąt, a nawet kilkaset megawatów spotyka się z różnego rodzaju problemami. Jednym z najważniejszych do rozwiązania jest niewątpliwie prawidłowe sterowanie mocami generowanymi przez jednostki wytwórcze w celu utrzymania stabilności systemu elektroenergetycznego oraz maksymalizacji sprzedaży energii ze Słońca. Sterowanie mocami jest szczególnie istotne i potrzebne w sytuacji kiedy za burzliwym rozwojem wytwórców OZE nie nadążają inwestycje w sieciach elektroenergetycznych (na wszystkich poziomach napięć), a także budowa systemów magazynowania energii. Ostateczne cele, które powinny być osiągnięte w rozwoju fotowoltaiki , są w interesie zarówno operatorów sieci (przesyłowej i dystrybucyjnej), jak i jednostek wytwórczych. Energia czynna z fotowoltaiki jest z punktu widzenia odbiorców bardzo tania (więc warto ją kupować i zużywać), a z punktu widzenia jednostek wytwórczych jest dążenie do sprzedaży jak największej ilości energii. Tak samo jest z gospodarką energią bierną. Operatorom sieci zależy na utrzymywaniu właściwego poziomu współczynników mocy, natomiast w interesie wytwórców jest minimalizowanie opłat za energię bierną.

Fot. 1 – farma fotowoltaiczna Rzezawa 60

W celu uregulowania wymogów w zakresie przyłączania jednostek wytwórczych do sieci, w tym elektrowni fotowoltaicznych, ustanowiono Rozporządzeniem Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. kodeks sieciowy, znany na etapie projektu także jako Network Code Requirements for Generators (NC RfG). 

Kodeks sieciowy definiuje wymagania techniczno-organizacyjne dla jednostek wytwórczych oraz określa procedury przyłączania ich do sieci.

2. Elektrownia fotowoltaiczna Rzezawa 60 MW 

Elektrownia fotowoltaiczna Rzezawa o mocy 60 MW zbudowana została w gminie Rzezawa (pow. bocheński, woj. małopolskie). Generalnym wykonawcą projektu była Grupa ALSEVA. Zaprojektowanie oraz wybudowanie Głównego Punktu Odbioru (GPO) powierzono firmie OPA-ROW. Elektrownia pod względem wymagań kodeksu sieciowego zalicza się do modułów wytwarzania typu D.

Podstawowe elementy wyposażenia elektrowni to :

• panele fotowoltaiczne JKM540M-72HL4-V,
• inwertery łańcuchowe SG 250 HX,
• stacje transformatorowo-rozdzielcze MVS6300-LV,
• rozdzielnia 20 kV – PIX24 Schneider Electric,
• transformator 20/110 kV – TORc 60 MVA,
• aparatura 110 kV – Hitachi, ZWAE,
• linia kablowa 110 kV do SE Wygoda 110 kV.

Fot. 2 – rozdzielnia 110 kV stacji GPO


Fot. 3 – rozdzielnia 20 kV stacji GPO

3. System sterowania mocą bierną w elektrowni fotowoltaicznej Rzezawa 

Jednym z ważnych uregulowań kodeksu sieciowego jest możliwość sterowania mocą bierną w jednostkach wytwórczych w celu ograniczenia negatywnych zjawisk związanych z niedotrzymaniem właściwego współczynnika mocy. 

Przepływy mocy biernej występujące w sieci elektroenergetycznej powodują: 

• zwiększenie strat mocy czynnej w elementach sieci przesyłowej, 
• zwiększenie spadków napięcia na elementach sieci przesyłowej, 
• ograniczenie zdolności sieci przesyłowej, 
• pogorszenie warunków pracy wyłączników mocy, 
• ograniczenie zdolności wytwórczej generatorów, 
• zwiększenie nakładów inwestycyjnych na urządzenia elektroenergetyczne. 

Rys. 1 – Dobowy przebieg mocy czynnej i biernej

Moc bierną należy kompensować jak najbliżej miejsca będącego źródłem tej mocy. W przypadku dużych elektrowni fotowoltaicznych typu D, przyłączonych do sieci co najmniej 110 kV, najkorzystniej jest instalować urządzenia kompensujące w Głównym Punkcie Odbioru (GPO).

W dotychczasowej praktyce dla GPO projektowane były następujące urządzenia: 

• dławiki kompensacyjne, 
• baterie kondensatorów, 
• kompensatory aktywne np. SVC lub STATCOM. 

W celu zmniejszenia generacji mocy biernej (mocy pojemnościowej), której źródłem są głównie linie elektroenergetyczne, dotychczas stosowano dławiki kompensacyjne o stałej mocy lub dławiki kompensacyjne regulowane z podobciążeniowym przełącznikiem zaczepów. 

W przypadku kompensacji mocy indukcyjnej wykorzystuje się wielostopniowe baterie kondensatorów sterowane regulatorem mocy biernej dla utrzymania wymaganego współczynnika mocy.

Aktywne kompensatory mocy biernej zapewniają możliwość płynnej regulacji mocy zarówno pojemnościowej jak i indukcyjnej. W ramach opracowania założeń projektowych dla elektrowni Rzezawa 60 MW uzgodniono, że żadne z powyższych rozwiązań nie będzie konieczne do zastosowania dla spełnienia wymagań odnośnie sterowania mocą bierną. Wykorzystano fakt, że zastosowane inwertery fotowoltaiczne Sungrow SG250 umożliwiają płynne sterowanie generowaną mocą bierną pojemnościową jak i indukcyjną w pełnym zakresie pracy farmy fotowoltaicznej, dlatego nie jest wymagane stosowanie dodatkowych zewnętrznych urządzeń do kompensacji mocy biernej. 

Nadzór nad sterowaniem mocą bierną generowaną przez inwertery pełni wyspecjalizowany sterownik centralny, który dzięki autorskiemu algorytmowi utrzymuje wartość współczynnika mocy biernej na wymaganym poziomie. 

Rys. 2 – Schemat blokowy układu sterowania elektrownią fotowoltaiczną

Inwertery wyposażone są w łącze komunikacyjne pozwalające na zdalny nadzór nad pracą instalacji fotowoltaicznej. Pozwala to na odczyt pomiarów, takich jak m.in.: prąd, napięcie oraz moc czynna i bierna generowana przez instalację. Umożliwia również sterowanie pracą instalacji poprzez wysyłanie komend ograniczenia lub zaprzestania generacji mocy czynnej oraz sterowanie generacją mocy biernej. System sterowania i nadzoru jest połączony ze sterownikiem telemechaniki, zapewniając łączność z centrum dyspozytorskim Operatora Systemu Dystrybucyjnego.

4. Wniosek

Zastosowane autorskie rozwiązanie firmy OPA-ROW pozwala na optymalizację kosztów oraz lepsze wykorzystanie możliwości technicznych inwerterów. Bezpośrednia oszczędność polega na braku konieczności zakupu zewnętrznych urządzeń do kompensacji mocy biernej oraz nie ma potrzeby budowy dodatkowych pomieszczeń lub stanowisk do zabudowy tych urządzeń. Efektem zastosowania takiego rozwiązania jest możliwość budowy bardziej kompaktowych stacji GPO.

OPA-ROW Sp. z o.o.
ul. Rymera 40c
44-270 RYBNIK
tel. (32) 7398 803
tel. 668 689 707
E-Mail: office@opa-row.pl