konwencjonalne sposoby wytwarzania energii elektrycznej...
TRANSCRIPT
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