Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

Wykładowca

Janusz Brożek

Wydział Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

2

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Plan wykładu

• Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznejrodzaje elektrowni

struktura wytwarzania energii elektrycznej

produkcja energii elektrycznej

• Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznymparametry sytemu elektroenergetycznego

regulacja pracy sytemu elektroenergetycznego

• Stan ustalony sytemu elektroenergetycznegomodele elementów sytemu elektroenergetycznego dla stanu ustalanego

• Analiza stanu ustalonego sytemu elektroenergetycznegorozpływy mocy w systemie elektroenergetycznym

3

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

• Polski system elektroenergetyczny, w ramach grupy regionalnej CENTREL (ČEZ, a.s.- Republika Czeska, MVMRt.-Węgry, PSE SA-Polska i SE, a.s.-Republika Słowacka), w październiku 1995 roku został połączony synchronicznie z systemem UCPTE Europy Zachodniej.

• W roku 1996 w PSE SA oddano do eksploatacji Centrum Regulacyjno-Rozliczeniowe (CRR), które wykonuje funkcje regulacyjno-rozliczeniowe. systemów elektroenergetycznych grupy CENTREL.

• CRR reguluje saldo wymiany poszczególnych systemów wobec pozostałych systemów, z tym, że regulator centralny systemu polskiego wyrównuje odchylenia powstałe na przekroju CENTREL-UCPTE.

• CRR rozlicza również nieplanową wymianę energii elektrycznej pomiędzy systemami grupy CENTREL oraz pomiędzy grupą CENTREL jako całością i UCPTE.

Wg [10 ]

Unia dla Koordynacji Przesyłu Energii Elektrycznej (UCTE) (Union for the Co-ordination of Transmission

of Electricity)

4

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Największe elektrownie cieplne w Polsce

Elektrownie cieplne w Polsce

5

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Wg [12]

ElektrowniePodstawowe dane

techniczne PGE Elektrowni Bełchatów SA:

• Rok uruchomienia elektrowni: 1981.

• Rok uruchomienia ostatniego turbozespołu: 1988.

• Rodzaj paliwa podstawowego: węgiel brunatny.

• Liczba kotłów energetycznych: 12.

• Wydajność znamionowa kotłów [t/h]: 1150.

• Liczba turbozespołów: 12 po 360 MW.

• Moc elektryczna znamionowa [MW]: 4440

6

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

• Współczesna elektrownia jądrowa

• Wydobywające się z chłodni kominowej obłoki to czysta para wodna;

• Na zdjęciu elektrownia atomowa w dole rzeki Rodan Francja – zdjęcie własne.

7

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Elektrownie wodne w Polsce wg [14]

8

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Widok na elektrownię od strony dolnego jeziora

Widok ogólny na elektrownię- w tle Tatry

Elektrownia wodna Niedzica

• Zbudowana w 1995 r. w dorzeczu Górnej Wisły

• Szczytowo-pompowa• 2 turbiny typu Dariaza po

46,375 MW

Wg [19 ]

9

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

• Elektrownia wodna Żarnowiec

• Zbudowana w 1983 r.

• Szczytowo-pompowa

• 4 turbiny typu Francisa po 179 [MW], Wg [11].

10

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Elektrownia- wiatrowa• Park Wiatrowy Suwałki (PWS 41,4 MW)

• Uruchomienie P W S - 26 października 2009• Typ turbiny wiatrowej - Simens SWT-2.3-93 • Moc nominalna - 2300 kW • Liczba turbin - 18 • Łączna moc - 41400 kW• Spodziewana roczna produkcja –około80.000.000 kWh

• Średnica wirnika - 92,8 m• Wysokość piasty - 103 m• Wysokość całkowita - 149,5 m• Minimalna prędkość wiatru - 4 m/s • Pełna moc - od 13-14 m/s • Maksymalna prędkość wiatru - 25 m/s powyżej której następuje automatyczne zatrzymanie wirnika, chroniące przed uszkodzeniem

Wg [17]Elektrownie wiatrowe południe Hiszpanii (zdjęcie własne)

11

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Moc zainstalowana w zależności od źródeł 2008 rok

Moc zainstalowan

a[MW]

Udział % mocy

Elektrownie zawodowe na węgiel kamienny

20 433 57,82%

Elektrownie zawodowe na węgiel brunatny

9 030 25,55%

Elektrownie zawodowe gazowe 769 2,18%

Elektrownie zawodowe wodne 2 209 6,25%

Elektrownie przemysłowe 2 551 7,22%

Elektrownie wiatrowe i inne odnawialne

350 0,99%

Razem: 35 342 100,00% wg [10 ], [ 15]

12

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Produkcja energii elektrycznej w 2008

Produkcjaenergii [GWh]

Udział %

Elektrownie zawodowe na węgiel kamienny 86 549 55,63%

Elektrownie zawodowe na węgiel brunatny 53 798 34,58%

Elektrownie zawodowe gazowe 3 987 2,56%

Elektrownie zawodowe wodne 2 516 1,62%

Elektrownie przemysłowe 8 044 5,17%

Elektrownie wiatrowe i inne odnawialne 680 0,44%

Razem: 155 574 100,00%

Wg [10], [15 ]

13

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Wg [15 ]

14

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Bilans energii elektrycznej w 2008r. wg [ 15 ]

15

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Lp. Źródło energiiRok 2008

[GWh] %

1. Odnawialne źródła energii, w tym:

6 755 4,34

Biomasa i biogaz 3453 2,22

Wiatrowe 837 0,54

Wodne 2465 1,59

2. Węgiel kamienny 86058 55,34

3. Węgiel brunatny 53175 34,20

4. Gaz ziemny 4609 2,96

5. Pozostałe paliwa 4897 3,15

Razem: 155 494 100 Wg [15 ]

16

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Strukura systemu elektroenergetycznego Wg [1]

17

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Porównanie zużycia energii elektrycznej

i produktu krajowego brutto wg [10 ]

18

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

System UCTE (zaczeronięto z [18]).

19

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

Przemiany europejskim sektorze elektroenergetyki:

- wprowadzenie Dyrektywy 96/92/EC i tworzenie jednolitego rynku energii elektrycznej (IEM)

- utworzenie w 1999 roku Europejskiego Stowarzyszenia Operatorów Przesyłowych (ETSO)

spowodowały, że UCPTE przeszło radykalne przemiany:.

1. ograniczono zakres działania UCPTE wyłącznie do przesyłu energii elektrycznej, w wyniku czego w 1999 roku organizacja wyeliminowała ze swego zakresu działania wytwarzanie energii elektrycznej, co spowodowało modyfikację nazwy na UCTE.

2. Zakres odpowiedzialności UCTE w europejskim sektorze elektroenergetycznym zdefiniowano jako zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności dostaw energii elektrycznej na zliberalizowanym rynku energii elektrycznej.

20

Konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej

PSE SA uznały za celowe przyspieszenie starań o członkostwo i złożyły wniosek o uzyskanie pełnego członkostwa przed upływem

czterech lat. W wyniku tych starań PSE SA uzyskały status członka-założyciela "nowego" UCTE i podpisały 17 maja 2001 w

Lizbonie

statut tej organizacji.

Data ta otwiera nowy rozdział w historii UCTE.

Po zmianach UCTE jest organizacją zrzeszającą Operatorów Systemów Przesyłowych odpowiedzialnych za prowadzenie ruchu i

rozwój połączonych systemów elektroenergetycznych o sieci przesyłowej od 220 kV wzwyż. Działa jako stowarzyszenie z

osobowością prawną wg zasad prawa belgijskiego dla stowarzyszeń międzynarodowych.

21

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

Pokrywanie obciążenia dobowego przez elektrownie SEE;(a)- elektrownie podstawowe: jądrowe, na węgiel brunatny, nowoczesne parowe; (b) - elektrownie podszczytowe: starsze elektrownie parowe, niektóre włączane l raz lub 2 razy na dobę, elektrownie wodne zbiornikowe, jeśli w zbiornikach jest wystarczająco dużo wody; (c) = (c1) + (c2) - elektrownie szczytowe: jak (c) oraz turbozespoły gazowe, człony gazowe elektrowni parowo-gazowych, człony MHD , PL(t)- dobowa krzywa obciążenia z okresami: t1-- doliny nocnej obciążenia, t2- szczytu porannego, t3- doliny południowej t4 -- szczytu wieczornego [wg 1]

22

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

Obciążenie systemu elektroenergetycznego w dniu 8 stycznia 2008 roku. Wg [10].

23

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

P f

Q U

Parametry systemu Parametry systemu elektroenergetycznegoelektroenergetycznego

24

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

CZĘSTOTLIWOŚĆ f jest wielkością systemową globalną

SEE krajowy 50 HZ (odchyłki regulowane przez „rozporządzenie systemowe”[9].

jest bezpośrednio związana z bilansem mocy generowanych i odbieranychenergia w systemie jest rozprowadzana, w przybliżeniu z prędkością fali elektromagnetycznej zachodzi prawie jednoczesność wytwarzania iużytkowania energii elektrycznej)

wahania częstotliwości są czułym wskaźnikiem bilansu mocy czynnej

automatyczna Regulacja Częstotliwości i Mocy (ARCM) podstawowyukład regulacji w SEE

25

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

NAPIĘCIE U jest wielkością systemową lokalną napięcie w węzłach systemowych powinny być

zawarte w określonych granicach (odbiory projektowane są na napięcie znamionowe „rozprządzeneie systemowe” [9]),

wymagania dla napięcia nie są tak precyzyjne jak dla częstotliwości,

zdolności przesyłowe linii systemowych zależą silnie od napięć w węzłach systemu,

straty mocy czynnej zależą pośrednio od napięcia.

26

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym

Wzajemna zależność

(P-f) (Q-U)

f jest wielkością systemową

U jest wielkością lokalną

(P-f) (Q-U) jest niezauważalny(Q-U) (P-f) nie należy pomijać.

27

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Stan ustalony systemuelektroenergetycznego

stałość zmiennych oraz parametrów całego procesu

można stasować modele statyczne do analizy i

symulacji pracy systemu

RzeczywistośćObciążenie systemu ulega ciągłym zmianom w rytm

zmiany obciążenia dobowego, rocznego itd

28

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Przez stan SEE rozumie się - w analizie systemów elektroenergetycznych- stan obwodu elektrycznego, jaki przedstawiasystem

Równania różniczkowo algebraiczne opisujące system

),,,( tuyxfx

),,,(0 tuyxg

x- wektor stanu,

dx/dt- pochodna wektora zmiennych stanu

y- wektor odpowiedzi systemu

u- wektor sterowań

t- czas

Stan ustalony

),,(0 uyxg

29

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Jeden z transformatorów 750/400 kV w stacji Widełka (1250 MVA).

30

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Przykład stacji transformatorowej napowietrznej (sieć 15 /0.4 kV) moc około 100 kVA

31

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Transformator dwuuzwojeniowy: a) schemat ideowy, b) schemat tu , c) schemattypu T, d) czwórnik typu , e) schemat bez elementów poprzecznych [3].

T

NN

Ncu

SSUPR

2

N

N

SUuZ 100

2k

22 RZX

2Fe

NUSPG

2N0

100S

NUIB

32

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Transformator trójuzwojeniowy a) schemat ideowy, b)schemat zastępczy [3]

)( 5.0 )( 5.0 )( 5.0

HLLTHT

HTLTHLL

LTHTHLH

ZZZZTZZZZZZZZ

33

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Stosowane w elektroenergetyce do sprzęgania systemów o przekładni napięciowej mniejszej od 2.Schemat zastępczy i ideowy autotransformatora: a) dwuuzwojeniowego b) trójuzwojeniwego [3]

34

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

lRRL 0

U1 U2

I1 I2RL XL

2LG

2LG

2LB

2LB

Schemat zastępczy typu liniielektroenergetycznej (III rodzaju) [3].

lClBBL 00

20

0f

ul

UPG

Gl=G0*l

tgtg 000 CBG

lXX L 0

35

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

GENERATORY

Generator w obliczeniach stanów ustalonych (rozpływy mocy)przestawiany jest jako wymuszenie węzłowe w postaci:

P U lub P Q

Przy rozpływach (z badaniem stabilności) generator jestodwzorowany napięciem za reaktancją zastępczą. W dokładnychobliczeniach np. w stanach powyłączeniowych odwzorowuje sięgenerator za pomocą charakterystyk częstotliwościowych.

36

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

ODBIORY

Najprostszy model: P Q

+P gdy moc dopływa

-P gdy moc odpływa

W obliczeniach zwarć symetrycznych czy badaniach stabilności odbioryzastępuje się admitancją poprzeczną (węzeł ziemia).

Modele dokładniejsze:

Charakterystyki napięciowe odbiorów

Charakterystyki częstotliwościowe odbiorów

LLLL

LL

L jBGYUQ

BUP

G 22

37

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Elektroenergetyczna sieć przesyłowa

modele wg [3]

a) schemat blokowy

b) schemat zastępczy złożony z czwórników typu PI

c) schemat zastępczy złożony z dwójników i źródeł prądowych

38

Stan ustalony systemu elektroenergetycznego

Sieć elektroenergetyczna przesyłowa - modele wg [3]

a) graf dla czwórników z ziemią jako węzłem

b) graf sieci dla dwójników z jednym z węzłów sieci jako węzłem odniesienia

39

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Model sieci elektroenergetycznej wykorzystujący zasadę potencjałów węzłowych

I = YU

Y – admitancyjna macierz węzłowa

W

i

WWWiW

iWiii

Wi

W U

U

U

YYY

YYY

YYY

I

Ii

I 1

1

1

11111

40

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Ogólna postać równań mocy węzłowych:[3]

**

1ijj

w

jiiii YUUQjPS

i = 1,2,...,w

rozwiązujemy ze względu na wektor stanu x = [U;]T

Z poszczególnymi węzłami związane są :• 2 wielkości zespolone S U• 4 wielkości algebraiczne (P--Q) (U-- )• jest to nieliniowy układ równań – co

determinuje sposób jego rozwiązania

41

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

1. Jednofazowa reprezentacja sieci trójfazowej.Symetryczny układ trójfazowy zastępujemy ekwiwalentnym układem jednofazowym

2. Obiekt jest opisany wystarczająco dokładnie, poprzez swoją strukturę i parametry za pomocą macierzy sieciowych: admitancyjnych / impedancyjnych oczkowych / węzłowych YOK , ZOK , YWZ , ZWZ .

3. W systemie następują stałe zmiany mocy zapotrzebowanej w węzłach odbiorczych. Wektor mocy zapotrzebowanych stanowi więc naturalny zbiór wymuszeń nałożonych na obiekt So = [Po;Qo]T gdzie: Po = [Pi; i = 1,2,...,wo]; Qo = [Qi; i = 1,2,...,wo]; wo - liczba węzłów odbiorczych.

Założenia wg [3]

42

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

4. Moce dopływające w węzłach generatorowych muszą w każdej chwili równoważyć zapotrzebowanie i straty w sieci odpowiadając na zapotrzebowanie odbiorów. Moce generowane stanowią wektor zmiennych sterujących Sg = [Pg;Qg]T gdzie: Pg = [Pi; i = 1,2,...,wg]; Qg = [Qi; i = 1,2,...,wg]; wg - liczba węzłów generatorowych. Przez zmiany mocy generowanych można istotnie zmieniać rozpływy wewnątrz sieci.

5. Wektor zespolonych napięć węzłowych x = [U;]T jest wektorem stanu do wyznaczania stanu ustalonego pracy SEE. Jest to najmniejszy wektor z którego można bezpośrednio, analitycznie obliczyć dowolne zmienne w stanie ustalonym pracy SEE, czyli przepływy w gałęziach oraz moce węzłowe i straty w sieci.

Założenia 2 -5 formułują problem rozpływów mocy w SEE jakozagadnienie sterowania

43

Matematyczne sformułowanie zadania.

A. Z prognoz zapotrzebowania na moc w węzłach odbiorczych (wymuszeń) określa się wektor mocy odbieranych w tych węzłach So = [Po;Qo]T.

B. Na podstawie analiz: a) ekonomicznego rozdziału mocy czynnych wg minimalizacji kosztów wytwarzania (ERO-P), b) ekonomicznego rozdziału mocy biernych dla minimalizacji strat przesyłowych (ERO - Q, określa się wartości mocy generowanych (sterowań) w węzłach generatorowych Sg = [Pg;Qg]T, ewentualnie przyjmuje się napięcia zamiast mocy biernych.

C. Wektor stanu x = [U;d]T , czyli wektor napięć węzłowych jest celem obliczeń klasycznego algorytmu rozpływów mocy.

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

44

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Matematyczne sformułowanie zadania.

Z w układu równań:

w przestrzeni liczb zespolonych, wynika 2w równań w przestrzeni liczb rzeczywistych.Są to:• nieliniowe równania algebraiczne węzłów SEE. Nieliniowość równań determinuje sposób ich rozwiązania.Będzie to:• rozwiązanie iteracyjne polegające na wielokrotnym "zgadywaniu" rozwiązania, a następnie na jego podstawianiu do układu równań -celem sprawdzenia czy konkretne rozwiązanie spełnia ten układ.

**

1ijj

w

jiiii YUUQjPS

i = 1,2,...,w

45

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Metody obliczeniowe wyznaczania rozpływów mocy.

1.Metoda Warda-Hale’a2. Metoda Jordana

Są to historycznie pierwsze metody służące do wyznaczaniarozpływów mocy [3].Metoda Warda-Hale’a koryguje napięcia w kolejnych iteracjachwg sztywnego schematu, tj. wg numeracji węzłów,Metoda Jordana wprowadza element wyboru i charakteryzujesię jedynie dobrą zbieżnością początkową.Obie te metody należą do grupy metod bezpośrednich.Obecnie żadna z nich nie jest stosowana w praktycznychobliczeniach energetycznych.

46

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Metody obliczeniowe wyznaczania rozpływów mocy.

3. Metoda Gaussa [3], [4] należy do klasycznych metod

bezgradientowych rozwiązywania układu równań nieliniowych. Ma

ona dobre właściwości numeryczne. Wymaga dużej liczby iteracji.

Admitancyjna metoda Gaussa

Admitancyjna metoda Gaussa-Seidela

Impedancyjna metoda Gaussa

Impedancyjna metoda Gaussa-Seidela

47

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Metody obliczeniowe wyznaczania rozpływów mocy.

4. Metoda Newtona [3], [4] zwana również metodą Newtona-

Raphsona, jest obecnie najczęściej używaną metodą obliczeń

rozpływów mocy.

Należy do grupy metod gradientowych. Jest metodą o poprawnej

zbieżności nawet dla dużych systemów.

48

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

Przykład

Fragment Systemu Elektroenergetycznego (SEE) [2]

a) Dla spodziewanych obciążeń obliczyć rozpływy mocy we fragmencie systemu elektroenergetycznego

b) Wyznaczyć wektory napięć w węzłach systemu elektroenergetycznego

49

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

50

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

51

Analiza stanu ustalonego systemu elektroenergetycznego

LITRATURA[1]. Bernas S.: Systemy elektroenergetyczne. WNT, Warszawa 1986.

[2]. Janusz Brożek, Piotr Jedynak, Wybrane problemy współpracy farm wiatrowych z systemem elektroenergetycznym, XIX Seminarium - Zastosowanie komputerów w nauce i technice’2009 Oddział Gdańsk PTETiS, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, ISSN 1425-5766, Nr 26/2009, str. 21-24

[3]. Kremns Z., Sobierajski M.: Analiza systemów elektroenergetycznych, Warszawa, WNT, 1996.

[4]. Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa, 1990.

[5]. Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2007 r.

[6]. Machowski J., Białek J.W., Bumby J. R.: Power system dynamics and stability, John Wiley & Sons, 1997.

[7]. Machowski J., Bernas S.: Stany nieustalone i stabilność systemu elektroenergetycznego, WNT, Warszawa, 1989.

[8]. Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.

[9].ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, (Dz. U. z dnia 29 maja 2007 r.).

52

Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznymstan ustalony

Źródła

[10]. http://www.pse-operator.pl

[11]. http://www.ewz.home.pl

[12].http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/71/Elektrownie_w_Polsce

[13]. http://energetyka.wnp.pl

[14]. http://www.imgw.pl

[15]. http://www.ptpiree.pl

[17] http://www.wiatraki.suwalki.pl

[18] http://www.ucte.org

[19]. http://www.zzw-niedzica.com.pl/g_elektrownia.htm