20 PŘIPOJOVÁNÍ FOTOVOLTAICKÝCH ZDROJŮ K DISTRIBUČNÍ SÍTI Luděk Ondroušek Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Katedra elektroenergetiky
1. Úvod Výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů (OZE) je moderní téma, které řeší všechny vyspělé státy. U nás se jako nejvhodnější zdroj energie jeví využití štěpné řetězové reakce v jaderných elektrárnách, které se snad brzy stanou hlavním obnovitelným zdrojem. Než se tak stane, musíme se spolehnout na vodu, vítr, slunce a biomasu. Díky legislativním nástrojům dochází k velkému nárůstu požadavků o připojení výrobny k distribuční soustavě. Nejdynamičtější ze všech OZE jsou fotovoltaické elektrárny (FVE). S rostoucím počtem požadavků na připojení však roste i počet problémů spojených s technickými podmínkami připojení. Proto je při zřizování nové výrobny třeba respektovat současná nařízení, předpisy, normy ČSN a směrnice provozovatelů distribučních soustav (PDS). 2. Rozbor problému Větší fotovoltaické elektrárny (řádově stovky kW) připojované k distribučním sítím VN (22 kV) je až na výjimky nutno podrobit tzv. studii připojitelnosti, která je součástí přihlašovacího řízení. Studie primárně řeší výpočet ustálených stavů před a po připojení nového zdroje. Jde většinou o určení změny napětí v místě připojení při připojení plného výkonu s účiníkem rovným jedné. V souladu s přílohou 4 Pravidel provozu distribuční soustavy [1] musí být dodrženy tyto meze napěťové změny: Pro výrobny s místem připojení v sítích NN platí dle [1] podmínka: Δu vn ,110 kV ≤ 2%
(1)
Δu nn ≤ 3%
(2)
Právě tyto hodnoty jsou nejčastějším důvodem „zamítavých“ stanovisek k žádostem investorů o připojení fotovoltaických zdrojů k distribuční síti. Ve studii připojitelnosti je totiž třeba zohledňovat i tzv. rezervovaný výkon, kterým si investor na určitou dobu rezervuje přípojný uzel ve výhodné lokalitě. 3. Aplikace pro výpočet napětí v uzlech dané sítě Pro výpočet studie PDS obvykle poskytuje zjednodušené schéma sítě, její základní parametry a navrhuje uzel, do kterého by bylo možné výrobnu připojit. Ze zadaných parametrů uzlů, vedení, transformátorů a generátorů moje aplikace vypočítá hodnoty jednotlivých prvků náhradních dvojhranů (viz. obrázek 1) a vhodným algoritmem zajistí naplnění uzlové admitanční matice. Napětí v uzlech sítě 2 až n (za předpokladu, že první uzel je bilanční) jsou poté vypočítány pomocí Gauss-Seidlovi metody, jejíž iterační vztah má tento tvar:
U
( k +1) i
1 = Yii
⎛ ⎞ n ⎜ Pi − jQi i −1 ( k +1) (k ) ⎟ ⋅⎜ − ∑ Yij ⋅ U j − ∑ Yij ⋅ U j ⎟ pro i = 2, 3, …,n (3) * (k ) j =1 j = i +1 ⎜ Ui ⎟ ⎝ ⎠
( )
8
Y68k2
1
Y12t1
2
Y23v1
3
Y20v1
Y10t1
Y34v2
4
Y45v3
5
Y40v3
Y30v2
Y56k1
6
Y67t2
Y50k1 Y60k1 Y60k2 Y60t2
7
Y70t2
Y80k2
Y20t1
U1bil
U2
Y30v1
U3
Y40v2
U4
Y50v3
U5
U6
U7
U8
0
Obr. 1: Ukázka výpočtového schématu pro síť z obrázku 3. Mimo této metody je možné použít např. Newtonovu iterační metodu, která rychle konverguje. V našem případě je ale tato metoda zbytečná, protože neuvažujeme výpočet rozsáhlé sítě (počet řešených uzlů se v praxi pohybuje v řádu jednotek až desítek). Program výpočet ukončí v případě, že je rozdíl mezi dvěma po sobě jdoucími výsledky roven 5 V. Pro dosažení větší přesnosti je testována zvlášť reálná a zvlášť imaginární část napětí. Výstupní hodnoty včetně vstupních parametrů jsou přehledně ukládány do MS Excel, kde je může uživatel snadno editovat.
Obr. 2: Hlavní panel pro zadávání vstupních dat.
4. Praktická ukázka výpočtu podle zhotovené aplikace Předpokládejme, že investor podal žádost o připojení nového zdroje k DS. Jde např. o FVE s nadstandardně velkým instalovaným výkonem 6 MW. PDS má povinnost tuto výrobnu připojit, přičemž musí být splněny dané technické požadavky (PPDS, Vyhláška 51/2006 Sb., atd.). Odpovědí PDS na žádost je stanovisko, ve kterém se vyjádří k místu či způsobu připojení a vznese požadavek na vypracování studie připojitelnosti. TR1 110/22kV nap. soustava
U1
U2
U3
V1
U4
V2
U6
U5-PCC
V3
K1
TR2 22/0.4kV
K2
U7
U8
FVE
Obr. 3: Schéma sítě zadané PDS. Relativní změna napětí v uzlech sítě po přípojení FVE
Δ u [%]
7,00 6,00
Požadovaný výkon - 6MW
6,03
Po snížení výkonu na 1,8MW
5,00
5,50
5,45
5,50
4,28
4,00 3,00 1,96
2,00
1,97
2,16
1,97
1,58 0,78
1,00 0,04 0,04
0,34
0,00 2
3
4
5
6
7
Uzly [-]
8
Obr. 4: Grafické znázornění výstupních hodnot. Z předchozího obrázku vidíme, že požadovaný výkon nelze připojit v plném rozsahu. Je proto nutné zvolit buď jiné přípojné místo (s větším zkratovým výkonem) nebo provést připojení se sníženým výkonem (v praxi nejčastější případ). V našem případě je maximální připojitelný výkon 1,8 MW.
5. Ukázka vyvedení výkonu z FVE do sítě VN Dle stanoviska PDS se tedy stanoví místo, na kterém je možné přípojku uvažovat. Stožár se při realizaci vybaví úsekovým odpojovačem/odpínačem, odkud je veden kabelosvod k transformátoru 22/0,42/0,242 kV. Výkony transformátorů se v praxi pohybují v intervalu 50 až 2000 kVA. Pravidlem je, že sloupové trafostanice se používají pro menší výkony cca do 1000 kVA a v případě vyšších výkonů se používají kioskové nebo zděné trafostanice. Při užití transformátoru s vyšším výkonem než 1000 kVA vyžaduje PDS přenos i dispečerských informací, což zvyšuje počáteční investici. Proto je v praxi běžné, že se větší výrobny staví na tzv. etapy. Přitom je použito většího počtu menších transformátorů, u nichž se nevyžaduje přenos dispečerských informací. V našem případě předpokládáme jeden suchý transformátor se zalitým vinutím o výkonu 2000 kVA. Fakturační a dispečerské měření je dle PPDS [1] umístěno na VN straně distribučního rozvaděče, kde jsou pro tyto účely měřící transformátory proudu a napětí. Přesnost těchto transformátorů je upravena příslušnou vyhláškou. Bývá požadováno měření dle vyhlášky č. 218/2001 Sb. podle velikosti zdroje. Pro větší zdroje se nejčastěji užívá průběhové měření s dálkovým přenosem údajů (typ A) – náš případ. Soupravu s obchodním měřením instaluje a hradí PDS. Měření a kompenzace bývá umístěna na nízkonapěťové straně NN distribučního rozvaděče. Z téhož rozvaděče NN jsou pak vyvedeny kabely k podružným rozvaděčům. Transformátor je třeba chránit proti přepětí svodičem, jenž je buď součástí venkovních spodků pro připojení kabelem nebo v poli vypínače-odpínače fotovoltaického zdroje. Rozvaděč VN mimo uvedených dále obsahuje odpínač, pojistky, vypínač VN a elektrické ochrany. Následující obrázek ukazuje jednu z možností, jak připojit FVE k distribuční síti.
Obr. 5: Blokové schéma VN rozvaděče.
Obr. 6: Jednopólové schéma připojení FVE k DS a praktická ukázka VN rozvaděče FVE Sudoměřice. 6. Ekonomické hodnocení Abychom si mohli odpovědět i na otázku vysokého zájmu investorů o připojení do sítě PDS, provedeme výpočet a hodnocení ekonomické rentability projektu FVE. Pro ekonomické zhodnocení efektivnosti projektů týkajících se nejen výstavby FVE existuje mnoho metod. V zásadě se dělí na statické a dynamické. V našem případě použijeme obě. Bez podrobnějšího rozboru, který je uveden v [2] nyní předpokládejme: • Celkové investiční náklady 192,0904·106 Kč. • Roční energetický zisk ve vhodné lokalitě 1627,0242 MWh⋅rok-1. • Provozní výnos (podpora - pevnou výkupní cenou) 20,8096·106 Kč. • Provozní náklady 1,390452·106 Kč. Vypočítáme-li hotovostní toky jako rozdíl peněžních příjmů a peněžních výdajů v jednotlivých letech dostaneme následující graf. Cash flow z investice do FVE 1,8MW CF [Kč]
25000000
Peněžní tok [Kč] Diskontovaný peněžní tok
20000000 15000000 10000000 5000000
19
17
15
čas [rok]
13
11
9
7
5
3
1
0
Obr. 7: Výše čistého a diskontovaného peněžního toku v průběhu ekonomické životnosti.
Pomocí statických metod hodnocení [2] zjistíme, že např. doba návratnosti je v průměru 9,44 let. O výhodnosti projektu v dlouhodobějším horizontu dávají přesnější informaci dynamické metody. Například podle metody čisté současné hodnoty je NPV = 21,0339212·106 Kč. Z předchozích výsledků je patrné, že daný projekt z ekonomického hlediska splňuje všechny kritéria ziskovosti. Pohledem na hotovostní toky (obrázek 7) v jednotlivých letech vidíme, že jsou dostatečně velké i pro pokrytí všech závazků plynoucích například z povinnosti splácet bankovní úvěr. Proto, abychom mohli zvýšit objektivnost hodnocení, by bylo třeba provést tzv. citlivostní analýzu. Analýzou citlivosti zkoumáme v podstatě vliv změny vybraných vstupních hodnot na ziskovost projektu. V praxi totiž dochází ke snižování energetických zisků v čase (pokles výkonu FV modulů) či ke snižování účinnosti střídačů (výrobce garantuje životnost max. 5 let). Investoři proto počítají s tím, že cca po 10 letech provozu provedou kompletní výměnu střídačů za nové. Prostou úvahou však můžeme konstatovat, že když je návratnost naší investice cca 9,4 let, tak investice do výměny střídačů (ve výši cca jednoho čistého zisku) v polovině životnosti elektrárny nebude mít na ziskovost investice zásadní vliv. Pokud se, negativní vliv projeví, je třeba si uvědomit, že všechny hodnoty, se kterými je zde počítáno, jsou nastaveny tak, aby respektovaly nejhorší možnou variantu, která může nastat. Například životnost FVE je jistě vyšší než 20 let (dle názorů odborníků se počítá s 30 lety). Výše jmenované faktory tedy hrají více či méně důležitou roli při finální ziskovosti projektu a záleží jen na zkušenostech a umu lidí, kteří tato hodnocení dělají. 7. Závěr Vzrůstající zájem o připojování FVE v některých částech sítě nutí PDS na tuto situaci reagovat. Důsledkem je většinou to, že některé uzly v síti připojení těchto zdrojů už neumožňují právě z důvodu překročení mezí Δu. Mnou vytvořený program může investorům i PDS posloužit pro rychlé ověření této podmínky. Protože se práce zabývá velmi zajímavou a v praktických aplikacích často řešenou tématikou, považoval jsem za důležité demonstrovat výpočet a praktické vyvedení výkonu na typické FVE, jejíchž připojování je nyní nejvíce požadováno. Závěrečný odstavec příspěvku je věnován odpovědi na otázku: „Proč je tak velká poptávka po připojení fotovoltaických zdrojů?“ Odpovědí se naskýtá hned několik. Ta nejsprávnější je, že: „Projekty tohoto typu v daných lokalitách splňují všechny kritéria ziskovosti.“. 8. Poděkování Chtěl bych poděkovat doc. Ing. Antonínu Matouškovi, CSc., pod jehož vedením jsem zpracovával diplomovou práci a na základě ní vznikl tento příspěvek. Dále děkuji pánům Ing. Pavlovi Veselkovi a Ing. Pavlovi Šenkovi za praktické rady a připomínky. 9. Seznam literatury [1] Pravidla provozu distribuční soustavy [cit. 2009-25-05]. Dostupné z: http://www.eon.cz/cs/distribution/regulations.shtml. [2] Ondroušek, L. Připojování fotovoltaických zdrojů k distribuční síti. Diplomová práce. VUT v Brně. Brno 2009. 99 stran. [3] Haluzík, E. Řízení provozu elektrizačních soustav. VUT v Brně. Editační středisko VUT 1983. 123 stran. [4] Pospíšil, J. Připojování fotovoltaických zdrojů do sítí NN a VN. [on-line]. Konference ČK CIRED 2007. Tábor 2007. [cit. 2008-18-11] Dostupné z: http://www.litovany.ic.cz/index_soubory/down/s4_13.pdf
