Źródła energii odnawialnej zyskują na popularności – zarówno wśród konsumentów energii elektrycznej, którzy montują na dachach domów panele słoneczne, by produkować ją na własne potrzeby, a nadwyżki odsprzedawać jej dostawcom, jak i wśród przedsiębiorstw energetycznych, które stawiają na zieloną energię w swojej ofercie, inwestując w wielkopowierzchniowe farmy fotowoltaiczne, lądowe i morskie farmy wiatrowe oraz elektrownie wodne.
W związku z tym transformacja energetyczna zmienia strukturę systemu elektroenergetycznego. Tradycyjnie była ona hierarchiczna, co oznaczało, że energia płynęła jednokierunkowo: za pośrednictwem sieci elektroenergetycznej od elektrowni do odbiorców końcowych. To wymagało nadzoru nad siecią przesyłową i siecią dystrybucyjną oraz zarządzania ograniczoną liczbą stosunkowo przewidywalnych jednostek wytwórczych.
Obecnie przepływ energii jest coraz częściej dwukierunkowy. Wynika to stąd, że jej odbiorcy mogą być jednocześnie jej wytwórcami, a w systemie elektroenergetycznym działa wiele rozproszonych jednostek odbiorczych i wytwórczych oraz coraz częściej również gromadzących energię, m.in. instalacje fotowoltaiczne, farmy wiatrowe, pojazdy elektryczne, magazyny energii. Niesie to ze sobą szereg wyzwań.
BRAK PRZEWIDYWALNOŚCI
Głównym wyzwaniem jest nieprzewidywalność odnośnie do źródeł energii odnawialnej, bo ich wydajność zależy od warunków meteorologicznych. W przypadku np. farm fotowoltaicznych ilość wyprodukowanej energii elektrycznej zależy od dostępności i natężenia światła słonecznego, a w elektrowniach wiatrowych – od dynamiki zmian prędkości i kierunku wiatru. W efekcie wydajność takich jednostek wytwórczych, na którą wpływ mają pora dnia, pora roku oraz lokalne zjawiska pogodowe, może się znacząco wahać w nieregularnych odstępach czasu.
Oznacza to w praktyce, że inaczej niż w przypadku systemu elektroenergetycznego opartego wyłącznie na elektrowniach konwencjonalnych, w którym wydajność produkcji energii dostosowuje się do bieżącego popytu, im większy jest udział odnawialnych źródeł energii, tym bardziej zależność ta ulega odwróceniu. W konsekwencji to popyt musi być elastycznie zarządzany, stosownie do mocy aktualnie dostępnej w systemie. W związku z tym na znaczeniu zyskują rozwiązania w zakresie prognozowania zapotrzebowania na energię elektryczną, automatycznego zarządzania obciążeniem oraz bilansowania sieci elektroenergetycznej.
WPŁYW NA INERCJĘ
Zastępowanie konwencjonalnych jednostek wytwórczych z generatorami synchronicznymi przyłączonymi bezpośrednio do sieci, źródłami odnawialnymi przyłączonymi za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych, jak farmy wiatrowe i słoneczne, prowadzi również do zmniejszenia bezwładności systemu elektroenergetycznego. Konsekwencją tego jest większa podatność częstotliwości sieciowej na wahania wywołane zaburzeniami bilansu mocy czynnej.
Wynika to stąd, że te ostatnie powodują zmianę prędkości kątowej wirników w generatorach synchronicznych, co objawia się zmianą częstotliwości sieciowej. Z kolei zmiana prędkości wirników oznacza zmianę energii kinetycznej zgromadzonej w ich masach wirujących, która jest oddawana do systemu podczas spadku częstotliwości i pobierana z niego podczas jej wzrostu.
Bezwładność systemu elektroenergetycznego przeciwstawia się tym zmianom częstotliwości, ograniczając szybkość i zakres jej odchyleń wywołanych zaburzeniami bilansu mocy czynnej. W związku z tym, że na inercję nie mają wpływu źródła odnawialne przyłączone za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych, rosnący udział OZE wymaga wprowadzania do systemu elektroenergetycznego dodatkowych układów tzw. wirtualnej bezwładności.
OGRANICZONA PRZEPUSTOWOŚĆ
Oprócz tego, przed upowszechnieniem się źródeł energii odnawialnej sieci dystrybucyjne projektowano głównie z myślą o jednokierunkowym przepływie mocy – od elektrowni do odbiorców. Wraz ze wzrostem liczby mikroinstalacji, głównie fotowoltaicznych, w szczególności w okresach szczytowej generacji energii i ograniczonego lokalnego zapotrzebowania, coraz częściej występują przepływy mocy w kierunku przeciwnym, gdy jest ona oddawana do sieci. Zjawisko to może prowadzić do lokalnych wzrostów napięcia, przeciążenia transformatorów i przekroczenia dopuszczalnej obciążalności linii dystrybucyjnych.
W związku z tym wciąż niewystarczająca przepustowość sieci elektroenergetycznych pozostaje głównym ograniczeniem dla przyłączania nowych instalacji OZE. Oznacza to, że dalszy rozwój energetyki odnawialnej nie może opierać się jedynie na zwiększaniu mocy zainstalowanej, ale przede wszystkim wymaga modernizacji infrastruktury energetycznej. Poza tym dlatego na znaczeniu zyskują również technologie zwiększające elastyczność systemu elektroenergetycznego poprzez prognozowanie produkcji energii i obciążenia, automatyczną rekonfigurację czy monitorowanie stanu.
CZYM SĄ SMART GRID?
Odpowiedzią na te wyzwania są inteligentne sieci elektroenergetyczne, smart grids. Stanowią one zbiór rozwiązań umożliwiających integrację infrastruktury sieciowej z zaawansowanymi systemami z zakresu pomiarów, komunikacji, przetwarzania danych oraz automatyki. Dzięki nim każdy istotny element systemu – od transformatorów, przez rozdzielnice, po falowniki w instalacji fotowoltaicznej – staje się źródłem danych o swoim stanie. Są one przesyłane w czasie rzeczywistym do systemów nadzoru i sterowania, gdzie podlegają analizie, której wyniki stają się podstawą do podejmowania decyzji operacyjnych.
Oznacza to odejście od tradycyjnego modelu, w którym operatorzy systemu opierali się na ograniczonych pomiarach przeprowadzanych głównie w sieci przesyłowej, na rzecz ciągłej, kompleksowej obserwacji stanu całego systemu. Dzięki upowszechnianiu się m.in. urządzeń IoT, inteligentnych liczników i mierników synchrofazorów PMU (Phasor Measurement Units), sieci elektroenergetyczne ewoluują w kierunku systemów w pełni cyberfizycznych.
AUTOMATYZACJA DYSTRYBUCJI
Jednym z kluczowych segmentów smart grid są systemy automatyzacji sieci dystrybucyjnej. Stanowią one zbiór rozwiązań sprzętowych i programowych umożliwiających obserwację, analizowanie i sterowanie siecią średniego i niskiego napięcia w czasie rzeczywistym. Ich najważniejsze cele to: skrócenie czasu usuwania awarii, zwiększenie wglądu w stan sieci, poprawa jakości energii, zwiększenie zdolności przyłączania rozproszonych źródeł energii i umożliwienie niezawodnego działania sieci w warunkach dynamicznie zmieniających się przepływów mocy. Oznacza to przejście od sieci sterowanej lokalnie, z ograniczoną liczbą punktów pomiarowych, do systemu, w którym tysiące urządzeń terenowych współpracuje z centralnymi systemami sterowania i automatyki. Pozwala to na automatyczne wykrywanie, lokalizowanie i izolowanie uszkodzonych segmentów sieci. Tradycyjnie usunięcie skutków awarii wymaga interwencji służb technicznych i ręcznego przełączania obwodów. W inteligentnej sieci wiele takich operacji wykonywanych jest natomiast automatycznie, często w ciągu kilku sekund od wykrycia zakłócenia.
Rozwijana jest również koncepcja sieci samonaprawiających się, z możliwością rekonfiguracji topologii oraz przywracania zasilania odbiorcom przy minimalnym udziale operatora. Sprawdzą się one w szczególności na obszarach narażonych na ekstremalne zjawiska pogodowe.
Podstawowym komponentem systemów automatyzacji sieci dystrybucyjnej są inteligentne urządzenia polowe (Intelligent Electronic Devices, IED), instalowane m.in. w stacjach SN/nn, rozdzielnicach średniego napięcia oraz w liniach napowietrznych i kablowych. Są to urządzenia mikroprocesorowe realizujące funkcje zabezpieczeniowe, pomiarowe, komunikacyjne oraz sterownicze. IED obsługują branżowe standardy komunikacyjne, takie jak IEC 61850, IEC 60870-5-104, DNP3, mając możliwość wymiany danych zarówno z systemami SCADA, jak i z innymi urządzeniami w ramach stacji elektroenergetycznej. Ich integracja stanowi podstawę realizacji funkcji automatyki, ponieważ to one dostarczają informacji o stanie sieci i wykonują polecenia sterujące, generowane przez system nadrzędny.
AUTOMATYKA W OZE
Instalacje OZE – elektrownie fotowoltaiczne, wiatrowe i wodne – stanowią szczególny typ obiektów automatyki ze względu na specyficzny dla nich zmienny charakter procesu wytwarzania energii. W przeciwieństwie do konwencjonalnych jednostek wytwórczych, których parametry pracy mogą być stosunkowo precyzyjnie regulowane, generacja ze źródeł odnawialnych jest zależna od czynników zewnętrznych, takich jak nasłonecznienie, wietrzność i warunki hydrologiczne. Powoduje to konieczność stosowania zaawansowanych systemów automatyki umożliwiających bieżącą kontrolę parametrów pracy instalacji, optymalizację produkcji energii i utrzymanie wymaganych parametrów współpracy z siecią elektroenergetyczną.
Podstawowym zadaniem systemów automatyki w OZE jest maksymalizacja wykorzystania dostępnej energii źródła, przy równoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa pracy urządzeń i stabilności systemu elektroenergetycznego. W instalacjach fotowoltaicznych oznacza to m.in. automatyczne wyznaczanie optymalnego punktu pracy modułów z wykorzystaniem algorytmów MPPT (Maximum Power Point Tracking) w falownikach. W elektrowniach wiatrowych automatyka odpowiada z kolei za regulowanie parametrów pracy turbiny poprzez sterowanie kątem ustawienia łopat, kierunkiem ustawienia gondoli oraz pracą generatora. System sterowania powinien zapewnić zarówno maksymalizację uzysku energetycznego w sprzyjających warunkach atmosferycznych, jak i ochronę urządzeń w razie działania przy przeciążeniu i w ekstremalnych warunkach otoczenia, jak np. sztorm na morzu.
Z tego względu klasyczne układy regulacji w tym zastosowaniu często uzupełniane są o algorytmy adaptacyjne, predykcyjne i wykorzystujące sztuczną inteligencję. Systemy sterowania korzystają z danych historycznych, prognoz meteorologicznych, modeli matematycznych opisujących działanie instalacji. Pozwala to na przewidywanie produkcji energii, optymalizowanie ustawień urządzeń i ograniczanie negatywnego wpływu zmienności generacji z OZE na system elektroenergetyczny. Jeżeli chodzi o to ostatnie, to w instalacjach OZE wdrażane są funkcje regulacji mocy czynnej i biernej, kontroli napięcia, ograniczania generacji oraz udziału w regulacji częstotliwości.
AUTOMATYKA W MAGAZYNACH ENERGII
Wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznym sprzyja upowszechnianiu się rozwiązań zwiększających elastyczność pracy sieci elektroenergetycznej, do których zaliczają się sieciowe magazyny energii. Stanowią one jeden z kluczowych elementów transformacji energetycznej i rozwoju inteligentnych sieci elektroenergetycznych (Smart Grid).
Podstawową funkcją magazynów energii jest czasowe gromadzenie energii elektrycznej w okresach nadwyżki produkcji oraz jej oddawanie do sieci w okresach zwiększonego zapotrzebowania albo mniejszej generacji ze źródeł odnawialnych. Dzięki temu eliminuje się konieczność wymuszonej redukcji generacji, poprawia się efektywność wykorzystania energii wytwarzanej przez OZE oraz zmniejsza częstość uruchamiania konwencjonalnych jednostek wytwórczych, jak również można wyrównywać profil obciążenia oraz zredukować szczytowe zapotrzebowanie na moc.
Sieciowe magazyny energii składają się z części bateryjnej oraz układów pomocniczych (chłodzenia, zarządzania, zabezpieczeń) i współpracują z układami energoelektronicznymi, zwykle przekształtnikami dwukierunkowymi. Ich podstawowym komponentem są ogniwa akumulatorów, łączone w zestawy. W wersji sieciowej dominują konstrukcje kontenerowe i modułowe, łatwe do rozbudowy. Systemy zarządzania zapewniają bezpieczną eksploatację baterii, optymalne wykorzystanie zgromadzonej w nich energii oraz dynamiczną współpracę magazynu z systemem elektroenergetycznym.
Podstawowym systemem odpowiedzialnym za bezpieczną pracę zespołu akumulatorów jest BMS (Battery Management System). Jego główne zadanie stanowi ciągły pomiar parametrów elektrycznych i cieplnych poszczególnych ogniw oraz realizacja funkcji ochronnych, takich jak odłączenie baterii przy nadmiernym napięciu, głębokim rozładowaniu, przekroczeniu temperatury i w przypadku wykrycia zwarcia. Istotną funkcją BMS jest także balansowanie ogniw.
Z kolei EMS (Energy Management System) to system nadrzędny, odpowiedzialny za optymalizację pracy całego magazynu energii. O ile BMS koncentruje się na ochronie i kontroli pojedynczych ogniw i ich zestawów, o tyle EMS zarządza przepływem energii między magazynem, siecią elektroenergetyczną i źródłami energii, analizując aktualny stan magazynu, prognozy produkcji energii i zapotrzebowania na nią oraz wymagania operatora sieci. Na tej podstawie wyznacza parametry przebiegu procesów ładowania i rozładowywania ogniw.
Monika Jaworowska
