Problem nadmiernej generacji lub pobierania mocy biernej (innymi słowami bilansowanie) w sieciach elektrycznych jest ważnym i aktualnym dla wszystkich poziomów napięć oraz zarówno jak dla konsumentów jak i dla operatorów sieci przesyłowych i dystrybucyjnych.
1. Moc bierna farmy fotowoltaicznej – konsument
W przypadku farm fotowoltaicznych konsumentem jest właściciel jednostki generującej. Źródła poboru/generacji mocy biernej dla typowych obiektów przemysłowych i biurowych są znane, a temat poruszany był również w naszych poprzednich artykułach. I chociaż ze względu na brak np. silników lub dużej ilości oświetlenia LEDowego może się wydawać, że farmy fotowoltaiczne nie powinny mieć znaczącego poboru/generacji mocy biernej, jednak nie zawsze tak jest. Po pierwsze, transformator dystrybucyjny pobiera moc bierną indukcyjną na potrzeby namagnesowania rdzenia i wytworzenia strumienia rozproszenia. W stanie jałowym ta moc nie jest znacząca i dla transformatora o mocy 1000kVA w zależności od pozostałych parametrów może wynosić ok. 8 kVAr, ale przy obciążeniu znamionowym ta moc wynosi kilkadziesiąt kVAr. [Kalkulator pozwalający na dobór kondensatora jest dostępny w naszych materiałach dla projektantów. Drugim ważnym elementem, który należy brać pod uwagę jest okablowanie. Nawet względnie mała farma fotowoltaiczna może mieć kilometry kabli nN, które są źródłami mocy biernej pojemnościowej.
W rzeczywistości w projektach stacji transformatorowych do farm fotowoltaicznych nie spotyka się jakichkolwiek rozwiązań do kompensacji mocy biernej oprócz kondensatorów do kompensacji mocy biegu jałowego transformatora. Jednocześnie często w stacji przewiduje się rezerwę miejsca na układ kompensacji. W przypadku występowania dużej mocy pobieranej, co sprawdza się podczas eksploatacji farmy, niekiedy instalowany jest układ kompensacji (np. bateria dławikowa). Ale jest to bardzo rzadkie rozwiązanie i we większości przypadków jeżeli w farmie odbywa się jakaś kompensacja mocy biernej, to jest to zazwyczaj robione za pomocą zmiany nastaw współczynnika mocy na falownikach. Wtedy to jest tzw. tryb pracy z zadaną wartością.
Reasumując można powiedzieć, że od strony konsumenta przy niedużych farmach fotowoltaicznych problem mocy biernej może występować, ale zazwyczaj nie jest to brane pod uwagę podczas projektowania, a po włączeniu do eksploatacji problem ten może być częściowo lub całościowo rozwiązany za pomocą nastaw na inwerterach.
Ważnym jest pamiętać również o tym fakcie, że jak i w przypadku z pozostałymi obiektami przyłączanymi do sieci dystrybucyjne, operator tej sieci stawia konkretne wymagania co do współczynnika mocy, a w przypadku niespełnienia onych nalicza odpowiednie dopłaty. Więc decyzja o stosowaniu konkretnego rozwiązania do kompensacji mocy biernej jest pozostawiana konsumentowi.
2. Moc bierna farmy fotowoltaicznej – zakład energetyczny
Zgodnie z najnowszymi rozporządzeniami (w tym kodeksem NC RfG oraz rozporządzeniu UE 2-16/631, n którym ten kodeks się bazował) „Moduły parku energii typu B [zg. z wytycznymi PSE do jednostek typu B należą jednostki o mocy do 10MW, ale nie mniej niż 0,2MW – kom. autora] muszą spełniać następujące dodatkowe wymogi dotyczące stabilnego poziomu napięcia: a) w odniesieniu do zdolności do generacji mocy biernej właściwy operator systemu ma prawo do określenia zdolności modułu parku energii do zapewnienia mocy biernej.” Ze względu na możliwość poprawy warunków napięciowych, w niektórych Zakładach Energetycznych zaczynają stawiać nowe wymagania dotyczące układów telemechaniki w zakresie odczytów danych i sterowania parametrami, dodawając do sterowania generowaną mocą czynną sterowanie generowaną mocą bierną. Jednocześnie fakt stopniowego wprowadzenia powyższych wymagań wynika z chęci używania farm fotowoltaicznych do regulacji napięcia w węzłach sieci. Do wniosku o perspektywiczności wykorzystania źródeł rozproszonych do bilansowania w systemie dystrybucyjnym (również pod kątem napięć i mocy biernej), doszedłem również ja osobiście, symulując i badając model systemu z przyłączonymi źródłami generacji rozproszonej (w tym farm fotowoltaicznych o mocy 1MW) w mojej pracy magisterskiej. Jednocześnie zaznaczałem, że potencjał jest największy w jednostkach posiadających możliwości regulacji i dopasowania do obecnych warunków w sieci.
Przesyła danych dotyczących obecnych parametrów elektrycznych w farmach fotowoltaicznych przesyłane są do Zakładów Energetycznych poprzez zainstalowane w stacjach transformatorowych sterowniki telemechaniki (np. Ex-BRG). Idea sterowania generowaną mocą bierną również opiera się na możliwość wykonania nastaw cos(φ) na inwerterach. Do komunikacji pomiędzy inwerterami a sterownikiem używane są odpowiednie protokoły (np. Modbus lub binarne). Dyspozytor mocy otrzymując informację o warunkach w sieci i obecnych parametrach farmy, w przypadku wdrożenia sterowania, za pośrednictwem modułu komunikacyjnego i sterownika może dokonywać nastaw współczynnika mocy na poszczególnych inwerterach. Powyższy opis dotyczy tzw. regulacji skokowej. Obecnie większość stosowanych inwerterów umożliwia stosowanie takiego regulacji.
Oprócz regulacji skokowej i pracy z zadaną wartością istnieje również płynna regulacja. Jednocześnie jest to rozwiązanie bardziej skomplikowane.
3. Podsumowanie
Farmy fotowoltaiczne nawet o względnie małych mocach kilku megawat, wbrew pozorom zakładającym możliwość generacji wyłącznie czynnej energii ze względu na brak urządzeń wirujących w części generacyjnej, są również potencjalnymi źródłami poboru/generacji mocy biernej. Jednocześnie obecnie w stacja transformatorowych takich farm rzadko stosowane są dedykowane układy kompensacji, a większość roboty z tym związanej robią inwertery. Nie mniej jednak aktualne tendencje wskazują na stopniowe wdrożenia układów umożliwiających Zakładom Energetycznym sterowanie generowaną przez farmę mocą bierną. Powyższe zagadnienia oraz obowiązujące wytyczne Zakładów należy brać pod uwagę przy wykonaniu projektów stacji transformatorowych do farm oraz farm w całości.
Autor: Radosław Ciemniewski
Dyrektor Działu Technicznego firmy EG System Sp. z o.o. Sp. k.