Biogazownie chociaż i nie są tak mocno rozreklamowanym źródłem odnawialnej energii elektrycznej, w Europie i Polsce są stabilnie popularnym rozwiązaniem. Bardziej szczegółowy opis zasady działania takiego obiektu można znaleźć w osobnym naszym artykule. W tym wpisie postaramy się skupić na specyfice wykonanie stacji transformatorowych do współpracy z biogazowniami.
Źródłem energii elektrycznej w przypadku elektrowni biogazowej jest generator synchroniczny, który napędzany jest silnikiem gazowym. Generator podłączany jest po stronie nN (400V AC) do rozdzielnicy nN która poprzez transformator SN/nN oraz znajdujące się za nim rozdzielnicę SN i kable SN łączy go z siecią elektryczną dystrybucyjną. Schematycznie układ pokazany jest na rys 1. Taki układ pracy nazywa się pracą równoległą i w zasadzie jest taki sam jak dla innych OZE z wymaganą zmianą źrodła energii (np. panele fotowoltaiczne i inwertery w farmach fotowoltaicznych).Jest to dość typowe rozwiązanie i było wiele razy stosowane przez EG System podczas realizacji zdań związanych z budowami przyłączy dla OZE. Niżej zostaną opisane poszczególne elementy składające się na stację transformatorową.
1. Rozdzielnica niskiego napięcia.
Rozdzielnica niskiego napięcia (rozdzielnica nN) jest urządzeniem do operacji łącznościowych oraz pomiarowych po stronie 400V. Właśnie do rozdzielnicy nN przyłączany jest generator. Zazwyczaj przyłączenie to odbywa się za pomocą wyłącznika odpływowego (na rysunku 1 oznaczony jako Q3). Czasami stosowane są rozwiązania z bezpośrednim (bez aparatu) podłączeniem generatora lub z użyciem rozłączników bezpiecznikowych, które są nieznacznie tańsze, ale jednocześnie znacznie ograniczające możliwości sterowania.
Osobną sekcję stanowią odbiory własne biogazowni. Z tych odpływów zasilane są urządzenia używane na samej elektrowni fotowoltaicznej (np. oświetlenie i instalacja siły innych budynków, silniki itd.).
Wyżej opisaną sekcję odbiorów własnych nie należy mylić z sekcja potrzeb własnych stacji transformatorowej, która stanowi osobny przedział w rozdzielnicy nN i jest typowo zasilana sprzed wyłącznika głównego (Q2). Z tej sekcji zasilają się drobne odpływy zapewniające normalną prace stacji. Do tych odpływów należą również zabezpieczenia oraz urządzenia pomiarowe, która typowo posiadają również zasilanie rezerwowe z UPS zainstalowanego w rozdzielnicy nN. Do zasilania urządzeń z napięciem znamionowym 24V DC używa się zasilacza.
Ostatnim elementem rozdzielnicy jest wyłącznik główny (Q2). Jest to aparat odłączający cała rozdzielnicę (z wyłączeniem sekcji potrzeb własnych stacji) od transformatora oraz, jak skutek, sieci Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD). Wyłącznik ten jest konieczny do stosowania w przypadku możliwości pracy wyspowej biogazowni. W przeciwieństwie do większości farm fotowoltaicznych, które budowane są tylko w celu bezpośredniego oddania całej wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci, elektrownie biogazowe, ze względu na obecność znacznego własnego zapotrzebowania, mogą być również wykorzystywane do pracy niezależnej od sieci elektroenergetycznej (tzw. pracy wyspowej lub pracy „off-grid”). Ze względu na obecność własnego układu wzbudzenia tylko biogazownie z generatorami synchronicznymi pozwalają na taki rodzaj pracy. W przypadku gdy dla danej inwestycji planowane jest umożliwienie pracy wyspowej istnieje konieczność zaznaczenia tego Operatorowi Systemu Dystrybucyjnego (do sieci którego się przyłączamy) podczas przygotowania wniosku o przyłączenie się.
Rysunek 1 – Ideowy schemat połączenia elektrycznego generatora w biogazowni do sieci elektroenergetycznej.
Po otrzymaniu warunków przyłączeniowych z pozwoleniem na pracę wyspowa należy pamiętać o tym, że Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (IRiESD) operatorów stawia dwa podstawowe wymogi (oba się znajdują w Załączniku nr. 1 Instrukcji):
– „Praca wyspowa jednostek wytwórczych jest możliwa jedynie na wyspę urządzeń tego wytwórcy, o ile uwzględniono to w warunkach przyłączenia.”
– W” przypadku, gdy jest możliwa praca wyspowa jednostki wytwórczej na wyspę urządzeń tego wytwórcy, musi ona posiadać dodatkowy łącznik dostosowany do oddzielenia wyspy od sieci dystrybucyjnej, wyposażony w system zdalnego sterowania z odwzorowaniem jego stanu pracy.”
2. Transformator w elektrowniach biogazowych.
Transformato nN/SN służy do zmiany napięcia z niskiego (400V) na średnie (6kV, 10kV, 15kV, 20kV, 30kV – w zależności od lokalnego napięcia w sieci elektroenergetycznej). Transformatory do stosowania na elektrowniach biogazowych mają być podwyższające napięcie (step-up). Po stronie nN transformator jest łączony typowo za pomocą kabli lub szyn, po stronie SN zaś zazwyczaj stosowane są tylko kable.
Osobnym elementem standardowego wyposażenia transformatora jest układ zabezpieczenia termicznego. Składa się z sond (czujników) zainstalowanych w transformatorze oraz przekaźnika zabezpieczeniowego odczytującego wskazania sond. W przypadku transformatorów suchych rekomendowanych przez naszą firmę do pracy na elektrowniach biogazowych, przekaźnik zabezpieczający ma szeroki zakres pomiaru temperatur oraz umożliwia indywidualne nastawienie progów zadziałania (w tym progu włączenia się układu wentylacji wymuszonej, jeśli taki występuje).
3. Rozdzielnica średniego napięcia.
Rozdzielnica średniego napięcia (SN) służy do operacji łącznościowych po stronie SN.
Standardowy układ pól w rozdzielnicy SN składa się z pola liniowego (na rysunku 1 jest to pole skrajne lewe), pola pomiarowego (pole po środku) oraz pola transformatorowego (pole skrajne prawe). Oczywiście, układ pól może być zmieniany w zależności od wymagań i potrzeb na danym obiekcie.
Na przedstawionym przez nas rysunku uwzględnione zostało najbardziej optymalne rozwiązanie w zakresie rozmieszczenia aparatów – z łącznikiem sprzęgającym zlokalizowanym w polu transformatorowym. IRiESD ma jedno podstawowe wymaganie obowiązujące dla biogazowni zarówno jak i dla pozostałych OZE – w instalacji ma być zastosowany „łącznik dostosowany do wyłączania jednostki wytwórczej” [1]. Na rysunku nr. 1 rolę takiego łącznika odgrywa wyłącznik Q1. Dodatkowo, jako optymalizacja, we wrysowanym układzie zakłada się wykorzystanie tego wyłącznika jak aparatu zabezpieczającego transformator. W przypadku gdy wyłącznik sprzęgający miałby być zainstalowany jako pierwszy od strony sieci elektroenergetycznej (na rysunku 1 jest w tym miejscu stosowany rozłącznik), konieczne byłoby stosowanie dodatkowego aparatu do zabezpieczenia transformatora (rozłącznik + podstawa bezpiecznikowa lub wyłącznik – w zależności od mocy transformatora).
Typowo przekładniki pomiarowe SN instalowane są w polu pomiarowym, które ma być przystosowane do plombowania. Standardowe rozwiązanie zawiera przekładniki wielordzeniowe (z kilkoma uzwojeniami wtórnymi), każde służy do przekazania informacji pomiarowych do układu pomiaru energii elektrycznej, układu zabezpieczającego (sterownik polowy) oraz analizatora parametrów sieci (jeśli taki występuje).
Rozdzielnica SN jest również miejscem zainstalowania głównego układu zabezpieczeń w stacji oraz sterownika polowego. Sterownik polowy – to urządzenie służące do realizacji funkcji automatyk zabezpieczeniowych. W tym celu posiada on możliwość odczytu stanu aparatów oraz wykonania pomiarów (po stronie SN zarówno jak i nN), daje możliwość zdalnego sterowania aparatami i współpracuje z systemem SCADA operatora systemu dystrybucyjnego. Przy doborze sterownika polowego (urządzenia wykonującego funkcje zabezpieczeń oraz sterowania łącznikami) należy pamiętać m. in. o zaznaczonych w danym artykule wymaganiach. Na rynku dostępne są różne konfiguracje i typy sterowników, lecz nie wszystkie posiadają odpowiednie funkcje lub/i posiadają odpowiednią ilość wejść/wyjść.
EG System w swojej ofercie posiada urządzenia umożliwiające stosowanie obu najbardziej rozpowszechnionych rodzin sterowników polowych: uReg (prod. Regulus) oraz e2Tango (prod. Elektrometal Energetyka).
4. Tablica pomiarowa.
Tablica pomiarowa (również zwana tablicą licznikową), jak wynika to z nazwy, służy miejscem zainstalowania urządzeń pomiarowych, które biorą udział w odczycie wskazań poboru/generacji mocy oraz przekazują tę informację do OSD. W skład tablicy licznikowej wchodzi listwa pomiarowa (do uporządkowania i wprowadzenia/wyprowadzenia sygnałów pomiarowych z przekładników do licznika), licznik oraz moduł komunikacyjny.
Powszechnie spotykanym jest rozwiązanie polegające na fizycznym umiejscowieniu tablicy w rozdzielnicy nN stacji tak, aby stanowiła ona osobną sekcję (ponieważ, jak każda część układu pomiarowego musi zostać ona oplombowana).
W stacji transformatorowej dla biogazowni rozróżnia się dwa układy pomiarowe: układ pomiaru netto oraz układ pomiarowy brutto. Układ pomiarowy netto pobiera dane pomiarowe z przekładników prądowych i napięciowych zainstalowanych w rozdzielnicy SN, wiec jest układem pośrednim. Układ brutto zaś podłącza się po stronie nN na odejściu do generatora i jest układem półpośrednim (ze względu na to, że dane o prądzie pobierane z przekładników prądowych, ale dane o napięciu pobierane bezpośrednio z szyn rozdzielnicy). Układ pomiarowy netto jest to główny układ do rozliczeń z Zakładem Energetycznym w zakresie energii pobieranej/wytwarzanej. Układ brutto służy do pomiaru energii wyprodukowanej przez generator i służy do przekazania informacji do URE.
5. Automatyka SPZ.
SPZ (Samoczynne ponowne załączanie) – automatyka elektroenergetyczna, której działanie polega na samoczynnym podaniu impulsu załączającego wyłącznik linii po upływie odpowiednio dobranego czasu, po przejściu tego wyłącznika w stan otwarcia z powodu zadziałania zabezpieczenia. [1] Automatyka ta jest bardzo przydatna ponieważ znacznie skraca czas odstawienia generacji po wystąpieniu zakłóceń(czas ten wyznaczany jest przez OSD) – np. typowa nastawa czasu pobudzenia automatyki SPZ wynosi 10 minut. W przypadku biogazowni SZP stosowany jest po zadziałaniu zabezpieczeń podnapięciowego (U<), pod- i nad- częstotliwościowego (f< i f> odpowiednio). Automatyka SZP podczas próby ponownej synchronizacji generatora z siecią elektroenergetyczna zazwyczaj działa na wyłącznik oznaczony na rysunku nr. 1 jako Q3. Równocześnie rozwiązanie to może być inne w zależności od wymagań konkretnego ZE oraz specyfiki wykonania instalacji na każdym obiekcie.
Oczywiście, ten artykuł to jest tylko powierzchniowy opis specyfiki wykonania układów instalacji elektrycznej w zakresie połączenia biogazowni z siecią elektroenergetyczną, a powierzchniowość ta związana jest przede wszystkim ze znaczącą ilość niuansów, zmieniającymi czas od czasu wymaganiami zarówno jak i mogącymi różnić się pomiędzy sobą wymaganiami Zakładów Energetycznych.
Dlatego głównym wnioskiem jest ważność postawienia na doświadczenie i wiedzę – oba te składniki ma EG System, dzięki czemu pomożemy pomyślnie przejść przez realizacje budowy części elektroenergetycznej biogazowni od początku do końca.
[1] – Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej PGE Dystrybucja S.A. (obowiązująca od 17 lutego 2022r.).
Autor: Yurii Sihida