Fotowoltaika a spadki napięcia i moc bierna: co mówią badania naukowe?

Dynamiczny rozwój zakładowych instalacji fotowoltaicznych obniża koszty zakupu energii, ale stawia przed Głównymi Energetykami nowe wyzwania jakościowe. Gwałtowne zmiany nasłonecznienia, dwukierunkowy przepływ mocy i lokalne wahania napięcia powodują ryzyko opłat za moc bierną, wyłączeń inwerterów PV i przestojów ciągów technologicznych.

1. Dlaczego fotowoltaika destabilizuje sieć zakładową?

• Dynamika pogodowa: przejście pojedynczej chmury nad dachami hal potrafi w kilka sekund zredukować generację PV o kilkadziesiąt procent, wywołując skoki poboru mocy z sieci dystrybucyjnej.
• Wzrost napięcia w szczytach generacji: przy dużej produkcji i małym poborze własnym napięcie w węzłach rośnie; po przekroczeniu norm falowniki PV wyłączają się, odcinając zakład od darmowej energii.

Klasyczne baterie kondensatorów, ze względu na wolny czas reakcji (sekundy lub minuty) i regulację skokową, nie nadążają za tymi zmianami, prowadząc do przekompensowania lub awarii styczników.

2. Mechanizm fizyczny: jak działa kompensacja bocznikowa?

Spadek napięcia na impedancji linii opisuje zależność ΔU = Us - Ur ≈ R·I·cos φ + X·I·sin φ, gdzie Us i Ur to napięcia na początku i końcu linii, I - prąd obciążenia, R i X - rezystancja i reaktancja linii, a φ - kąt przesunięcia fazowego.

Ponieważ składowa I·sin φ odpowiada za przepływ mocy biernej Q, każda jej zmiana wpływa bezpośrednio na spadek napięcia. Dynamiczny kompensator bocznikowy działa jak sterowane źródło prądowe - w czasie rzędu milisekund generuje lub pochłania moc bierną, utrzymując napięcie na zadanym poziomie niezależnie od skoków mocy z instalacji PV.

3. Wyniki badań naukowych

A. Systemy hybrydowe z PV (Heliyon, 2023)

• Poprawa profilu napięcia: dynamiczna kompensacja w węzłach zakłócanych przez generację OZE podniosła średni profil napięcia z 98,3% do 99,5% wartości nominalnej.
• Redukcja spadków napięcia: spadki w gałęziach zasilających zmniejszono niemal o połowę, a straty mocy w gałęziach przesyłowych spadły o 2,1-2,4%.

B. Eltamaly et al. (2018): odpowiedź dynamiczna i moc zwarciowa

• Czas reakcji pętli regulacji zależy od wzmocnienia całkującego oraz reaktancji sieci - Tc = 1 / (Ki · (Xs + Xn)).
• Skokowe zmiany napięcia (0,97 pu → 1,03 pu → 1,0 pu) potwierdziły natychmiastowe tłumienie uchybu napięcia przez kompensator.
• W sieciach o niskiej mocy zwarciowej (np. 600 MVA) kompensacja odgrywa jeszcze krytyczniejszą rolę w wygaszaniu oscylacji.

C. Fernando (2017): reakcja na zwarcia (RTDS)

• Bez kompensacji: po zwarciu system tracił stabilność, a powrót do parametrów nominalnych trwał ponad 40 sekund.
• Z kompensacją bocznikową (regulator PI strojony metodą Zieglera-Nicholsa): stabilizacja napięcia po zwarciu w zaledwie 2 sekundy, prądu i mocy generatorów - w około 11 sekund.

4. Przełożenie wyników na praktykę zakładową

1. Optymalny profil napięcia (99,5-100%) chroni transformatory i maszyny przed nadmiernym nagrzewaniem.
2. Bezawaryjna praca PV: brak nadmiernego wzrostu napięcia w punktach przyłączenia eliminuje wyłączanie inwerterów w szczycie nasłonecznienia.
3. Ciągłość produkcji: skrócenie zapadu napięcia z 40 do 2 sekund zapobiega zatrzymaniu linii, sterowników PLC i robotów.
4. Brak opłat za ponadumowny pobór energii biernej dzięki bezstopniowej regulacji utrzymującej cos φ ≈ 1,0.

Podsumowanie

Wolne układy ze stycznikami mechanicznymi nie są w stanie sprostać dynamice współczesnej fotowoltaiki ani zakłóceniom w sieci dystrybucyjnej. Kompensatory energoelektroniczne SVG eliminują ryzyko zapadów napięcia, stabilizują pracę inwerterów PV i chronią przed kosztownymi przestojami.

Źródła i literatura naukowa

1. ScienceDirect / Heliyon (2023). Power quality improvement of a proposed grid-connected hybrid system by load flow analysis using static var compensator. Heliyon, Elsevier.
2. Eltamaly, A. M., Al-Saud, M. S., Abo-Khalil, A. G. (2018). Multi-Control Module Static Var Compensation Techniques for Enhancement of Power System Quality. ANNALS of Faculty Engineering Hunedoara, Tome XVI, Fascicule 3.
3. Fernando, M. A. R. (2017). Power Quality Improvement in Power Systems Using a Static VAR Compensator. Master''s Thesis, California State University, Long Beach.