Analiza wpływu mikroinstalacji fotowoltaicznych na wybrane parametry jakości energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych

Spis treści

Wstęp. (Czym jest mikroinstalacja? Czym jest sieć dystrybucyjna?)
Przepisy i dokumenty określające wymagania dla mikroinstalacji PV.
Sposób wytwarzania energii elektrycznej za pomocą instalacji fotowoltaicznych.
Falowniki prosumenckich instalacji fotowoltaicznych – wymagania, warunki stawiane przez operatorów sieci dystrybucyjnych.
Wartość skuteczna napięcia – wahania, przekroczenia i optymalizacja.
Współczynniki asymetrii – zachowanie wartości dopuszczalnych.
Bilansowanie energii oddawanej do sieci i pobieranej przez prosumentów.
Podsumowanie
Bibliografia

1. Wstęp

Analizę wpływu coraz większej liczby mikroinstalacji przyłączonych do sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia należy zacząć od określenia, czym jest mikroinstalacja. Zostało to określone w ustawie o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r. W myśl tej ustawy mikroinstalacja jest to [1] instalacja odnawialnego źródła energii o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 50 kW. Należy również odpowiedzieć sobie na pytanie, czym jest sieć dystrybucyjna? Najprościej ujmując sieć dystrybucyjna jest to zbiór sieci przesyłowych, tj. wysokich, średnich i niskich napięć, nad którą nadzór sprawuje Operator Systemu Dystrybucyjnego (dalej OSD). Oprócz OSD w Polsce, zgodnie z ustawą Prawo energetyczne, wyznacza się jeden podmiot sprawujący funkcję operatora systemu przesyłowego (OSP). Na mocy decyzji Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki funkcję tę do 31 grudnia 2030 roku sprawuje jednoosobowa spółka Skarbu Państwa - Polskie Sieci Elektroenergetyczne SA (PSE SA).

2. Przepisy i dokumenty określające wymagania dla mikroinstalacji PV

Mikroinstalacje fotowoltaiczne zazwyczaj przyłączane są do sieci niskiego napięcia w konkretnym punkcie poboru energii (PPE). W związku z tym, mikroinstalacja musi spełnić określone kryteria przyłączenia przez OSD. Nadrzędnym dokumentem określającym przepisy przyłączania mikroinstalacji jest Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne z późn. zm. Równie istotnym dokumentem jest norma PN-EN 50160 określająca parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Na podstawie tych dokumentów, OSD wdrożyli dokumenty precyzyjnie określające wymagania stawiane takim mikroinstalacjom. Przykładem takiego dokumentu są Kryteriach przyłączania oraz wymagania techniczne dla mikroinstalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego. Dokument ten ma zastosowanie na etapie planowania, budowy i uruchamiania generacji OZE przyłączanej do sieci niskiego napięcia. Z powodu nieprawidłowych parametrów sieci elektroenergetycznej, falowniki mikroinstalacji fotowoltaicznych mogą się nie uruchamiać lub w najgorszym przypadku, zostać uszkodzone. Nieprawidłowe parametry mogą również nieść za sobą konsekwencje u odbiorców energii elektrycznej, uwidaczniające się m.in. poprzez niezachowanie dopuszczalnych poziomów napięcia sieci lub jego wahania. Powodować może to błędne działanie odbiorników energii elektrycznej lub nawet ich uszkodzenia. Stąd coraz większe znaczenie zaczynają mieć parametry sieci elektroenergetycznej w miejscu przyłączenia do sieci.

3. Sposób wytwarzania energii elektrycznej za pomocą instalacji fotowoltaicznych

W celu wytworzenia energii elektrycznej za pomocą instalacji fotowoltaicznej, potrzebny jest szereg współpracujących ze sobą elementów. Głównymi są panele fotowoltaiczne i inwerter. Panele zwane również modułami zbudowane są z ogniw fotowoltaicznych, czyli płytek półprzewodnikowych. Wyróżnić można dwa typy ogniw – monokrystaliczne o jednolitym czarnym kolorze, charakteryzujące się większą sprawnością i żywotnością, oraz polikrystaliczne najczęściej w odcieniach koloru niebieskiego o mniejszej sprawności, ale też tańszych w produkcji. Zasada działania ogniw polega na tym, że na ich powierzchnię padają fotony promieniowania słonecznego i bezpośrednio zostają zamienione na energię elektryczną. Wytworzone poprzez ogniwa prąd i napięcie mają charakter stały. Aby energię elektryczną można było wprowadzić do sieci dystrybucyjnej, należy dostosować jej parametry do wcześniej wspomnianych kryteriów. Przede wszystkim należy przekształcić prąd stały (DC) powstały w panelach na przemienny (AC). W tym celu stosuje się inwerter, zwany też falownikiem. Jego budowa w uproszczeniu składa się z układu wejściowego pozwalającego na podłączenie paneli PV, układu przetwarzającego prąd DC na prąd AC, układu sterującego np. wyświetlacza z panelem użytkownika, układu zabezpieczającego zapewniającego bezpieczną pracę falownika, układu śledzenia maksymalnego punktu pracy modułów MPPT oraz układu wyjściowego pozwalającego na podpięcie inwertera do licznika dwukierunkowego energii elektrycznej lub rozdzielni elektrycznej. Pozostałymi elementami mikroinstalacji są przewody połączeniowe, łączące ze sobą kolejne moduły PV oraz łączące moduły z inwerterem, elementy konstrukcji wsporczych służące do montażu modułów na dachach lub na gruncie, rozdzielnia elektryczna łącząca instalację PV z instalacją elektryczną w budynku, pozwalająca na autokonsumpcję wyprodukowanej energii i przesyłanie nadwyżek do sieci energetycznej oraz elementy zabezpieczeniowe takie jak wyłączniki i bezpieczniki.

4. Falowniki prosumenckich instalacji fotowoltaicznych – wymagania, warunki stawiane przez operatorów sieci dystrybucyjnych

Wiedząc już, że elementem transformującym energie elektryczną powstałą w ogniwach PV na dostosowaną do kryteriów stawianych przez OSD jest inwerter, należy zastanowić się, jakie warunki musi on spełniać. Jak każde urządzenie elektryczne dystrybuowane i instalowane na terenie danego kraju musi spełniać ono szereg norm i wymagań. W kwietniu 2021 roku w życie weszły nowe regulacje i zasady certyfikacji falowników wprowadzone przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej (PTPiREE). Do końca lipca 2021 wydłużono I etap procedury dostosowania falowników do wymogów kodeksu NC RfG (ang. Network Codes Requirements for Generators). Etap I zakładał możliwość stosowania w instalacjach wytwórczych falowników posiadających deklarację zgodności lub dowolny certyfikat potwierdzający zgodność z kodeksem NC RfG (np. przetłumaczony certyfikat wystawiony na inny rynek niż polski), lub certyfikat na zgodność z normą PN-EN 50549. Etap II rozpoczął się z dniem 1 sierpnia 2021. Określa on możliwość stosowania w miejsce certyfikatów potwierdzających spełnienie wymogów kodeksu NC RfG oraz wymogów ogólnego stosowania wynikających z Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631, certyfikatów na zgodność z wymogami kodeksu NC RfG lub certyfikatów na zgodność z normą PN-EN 50549-1 i/lub PN-EN 50549-2 wyłącznie z dokumentem potwierdzającym, zgodnie z zawartą umową z jednostką certyfikującą, przystąpienie do procesu uzyskania certyfikatu potwierdzającego spełnienie wymogów kodeksu NC RfG. Etap II kończy się z dniem 30 kwietnia 2022. Od tego dnia możliwe będzie stosowanie tylko takich falowników, które posiadają certyfikat potwierdzający spełnienie wymogów kodeksu NC RfG oraz wymogów wynikających z rozporządzenia KE 2016/631. Lista pozytywnie ocenionych certyfikatów i dopuszczonych modeli inwerterów do stosowania publikowana i na bieżąco aktualizowana jest na stronie internetowej PTPiREE - http://ptpiree.pl/opracowania/kodeksy-sieci/wykaz-certyfikatow. Operatorzy Systemu Dystrybucyjnego w swoich warunkach przyłączenia instalacji do sieci dystrybucyjnej wyraźnie wskazują na to, że jednym z nich jest przedstawienie w dokumentacji odpowiedniego certyfikatu potwierdzającego spełnienie wymagań NC RfG przez falownik.

5. Wartość skuteczna napięcia – wahania, przekroczenia i optymalizacja

Parametry, jakie powinna spełniać sieć niskiego napięcia (nN) zostały określone w normie PN-IEC 60038. Urządzenia podłączone do sieci elektroenergetycznej muszą również spełniać przepisy i normy kraju, w którym są podłączone. Częstotliwość i napięcie w normie PN-IEC 60038 określone są na poziomie 50 Hz i 230 V ± 10%. W przypadku falowników mikroinstalacji fotowoltaicznych należy zaprogramować urządzenie na kod kraju (parametry sieci), w którym jest on użytkowany. Automatyka inwertera w przypadku, gdy wartości parametrów sieciowych będą spoza zakresu określonego przez normę, ze względów bezpieczeństwa wyłączy falownik i tym samym wstrzyma produkcję energii elektrycznej. Inwertery to urządzenia 1-fazowe lub 3-fazowe, oznacza to, że jeżeli nawet obie fazy będą spełniać wyżej przedstawione parametry, a tylko jedna przekroczy je, to urządzanie nie będzie mogło pracować poprawnie i zostanie wstrzymana produkcja energii. Eksportowana energia przez prosumenta musi również spełniać warunki określane przez normę. Dlatego każdy falownik użytkowany na terenie danego kraju musi być zaprogramowany na kod kraju, w którym pracuje. Jeżeli urządzenie było by ustawione na kod innego kraju, a zatem na inne parametry sieci, wprowadzałoby do sieci zakłócenie. Niespójność napięć wprowadzanych do sieci elektroenergetycznej może być powodem asymetrii napięciowej. W przypadku, gdy wartości chwilowe poszczególnych faz nie są względem siebie równe mówimy o asymetrii, która jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym. Główną przyczyną asymetrii w naszych sieciach domowych jest nierównomierne obciążenie danych faz. Po wykonaniu pomiarów analizatorem PQM-707 jesteśmy wstanie ocenić, która faza jest bardziej obciążona i o jakiej godzinie. Można dzięki temu równomiernie rozdzielić urządzenia w domowej sieci elektrycznej. W sytuacji, gdy w badanej sieci podłączono instalację fotowoltaiczną 3-fazową i obserwuje się niezbilansowane obciążenia w sieci, to wynikiem tego będzie występowanie większego eksportu na fazach nieobciążonych i co za tym idzie większe straty. Na rysunku 1 przedstawiono zmierzone napięcie w instalacji elektrycznej budynku, podczas produkcji energii elektrycznej przez instalację fotowoltaiczną. Zaobserwować można zróżnicowanie wartości napięcia w poszczególnych fazach, gdzie w skrajnych sytuacjach różnica wynosi ponad 13 V!

Rys. 1. Przebieg zmierzonego napięcia w czasie

6. Współczynniki asymetrii – zachowanie wartości dopuszczalnych

Podstawowym dokumentem określającym dopuszczalne poziomy asymetrii jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. określające szczegółowe warunki funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Zawarte są w nim graniczne zawartości składowej symetrycznej przeciwnej napięcia w ciągu każdego tygodnia z 95% zbiorów dziesięciominutowych średnich wartości skutecznych. Dla podmiotów zaliczonych do trzeciej, czwartej oraz piątej grupy przyłączeniowej (SN i nN) poziom asymetrii napięcia nie może przekroczyć 2%.
Wielkościami charakteryzującymi asymetrię sieci są współczynniki asymetrii u2 (składowa asymetrii przeciwnej) oraz u0 (składowa asymetrii zerowej), które przedstawiono na rysunku 2 wygenerowanym za pomocą programu Sonel Analiza. Jest to program, przy pomocy którego w łatwy sposób można przygotować raport z pomiarów jakości sieci m.in. analizatorem jakości zasilania Sonel PQM-707.

Rys. 2. Przebieg współczynników asymetrii w czasie (rysunek poglądowy)

Następnym dokumentem dotykającym kwestię asymetrii napięć i prądów jest norma PN-EN 50160 która określa poziomy asymetrii w sieci SN (średniego napięcia) i nN (niskiego napięcia). Poziom asymetrii sieci niskiego napięcia w warunkach normalnych nie powinien przekraczać 2%. Norma dopuszcza warunki szczególne, gdzie zakres wynosi nie więcej niż 3%. Dla sieci SN poziom dopuszczalny asymetrii to 3%. Jak widać na rysunku 2, w badanej instalacji, wartości asymetrii chwilami przekraczają dopuszczalne 3%.

7. Bilansowanie energii oddawanej do sieci i pobieranej przez prosumentów

Cena instalacji fotowoltaicznej znacząco wpływa na okres spłacania inwestycji. Jednocześnie korzystnie na szybkość spłaty inwestycji wpływa jak największy udział autokonsumpcji. Oznacza to, że bardziej korzystne jest jak największe zużywanie energii na obiekcie, na którym postawiono mikroinstalację, a nie eksportowanie jej do sieci energetycznej. Obecnie prosumenci mikroinstalacji fotowoltaicznych w procesie eksportowania i „magazynowania energii w sieci elektroenergetycznej” w zależności od wielkości swojej instalacji tracą jej od 20% do 30%. Jest to i tak całkiem korzystne, przy założeniu, że prosument ma rok na odzyskanie energii zmagazynowanej. Przy projektach zmian w prawie i ewentualnej zmianie z układu prosumenckiego na sprzedaż-kupno, lepszym rozwiązaniem jest zużywanie jak największej ilości energii na własne potrzeby przez wytwórcę. Większa autokonsumpcja jest też istotna ze względów technicznych. Wprowadzanie wytworzonej energii z mikroinstalacji do sieci przesyłowej, której nikt nie jest w stanie odebrać (nadpodaż) jest bardzo niekorzystne na jej stabilność i może wpływać negatywnie na parametry sieci elektroenergetycznej. Zatem jak zwiększyć udział autokonsumpcji własnej? Możliwości jest kilka. Montaż prywatnych magazynów energii jest wizją niedalekiej przyszłości, widocznej już w krajach, gdzie systemy fotowoltaiczne są montowane od lat. Magazyn taki gromadzi nadwyżki energii, z których możemy korzystać, gdy nie ma wystarczających warunków atmosferycznych na produkcję energii przez ogniwa PV lub gdy prosument ma w danym momencie wzmożone zapotrzebowanie na energie elektryczną. Jednym ze sposobów już zauważalnych na terenie naszego kraju jest magazynowanie energii w postaci cieplnej. Oznacza to ni mniej, ni więcej jak podgrzewanie wody w zbiornikach c.o. czy c.w.o. do temperatur wyższych w czasie, gdy fotowoltaika produkuje nadwyżki energii i późniejsze odbieranie ciepła, gdy mikroinstalacja już nie pracuje. Każdy sposób, który pozwoli na zwiększenie autokonsumpcji, a zmniejszenie eksportu jest dobrym rozwiązaniem.

8. Podsumowanie

Wzrost zużycia energii elektrycznej w życiu codziennym powodowany jest coraz większymi potrzebami używania urządzeń elektrycznych. Energia elektryczna jest nieodzownym elementem życia codziennego od przygotowania posiłku przez ogrzewanie obiektów, aż do ładowania samochodów elektrycznych. Wzrost zapotrzebowania energii powoduje, że jakość każdej kilowatogodziny jest istotna. Stąd normalnym zaczynają być pomiary jakości sieci elektroenergetycznej. Prąd elektryczny jest produktem, który powinien spełniać wymagania i normy określające jego jakość. Wraz ze wzrostem udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w mikroinstalacjach przydomowych, jakość sieci stała się istotnym parametrem, niegdyś w ogóle nieporuszanym w sieci niskiego napięcia. Analizator jakości sieci Sonel PQM-707 jest w stanie zarejestrować parametry pracy naszej sieci i stworzyć przejrzysty raport w prosty sposób, co powoduje, że jest niezbędnym urządzeniem każdego pomiarowca.

9. Bibliografia

[1] Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii. (Dz.U. z dnia 3 kwietnia 2015 r. poz. 478)
[2] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. (Dz.U. z dnia 4 czerwca 1997 r. nr 54 poz. 348)
[3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. (Dz. U. z dnia 29 maja 2007 r. nr 93 poz. 623)
[4] PN-EN 50160:2010 - Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych
[5] PN-EN 50549-1:2019-02 - Wymagania dla instalacji wytwórczych przeznaczonych do równoległego przyłączania do publicznych sieci dystrybucyjnych -- Część 1: Przyłączanie do sieci dystrybucyjnej nN -Instalacje wytwórcze aż do typu B włącznie
[6] Instrukcja ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej. Tauron S.A.
[7] Kryteria przyłączania oraz wymagania techniczne dla mikroinstalacji i małych instalacji przyłączanych do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia Operatora Systemu Dystrybucyjnego. PTPiREE.
[8] http://ptpiree.pl/opracowania/kodeksy-sieci/wykaz-certyfikatow
[9] https://globenergia.pl/od-1-sierpnia-falowniki-bez-deklaracji-zgodnosci-ale-tylko-z-certyfikatami-nc-rfg/
[10] https://www.tauron.pl/dla-domu/obsluga-i-pomoc/chce-zostac-klientem/chce-sie-przylaczyc/mikroinstalacja