Podstawy elektroenergetyki

Opis

Wydawnictwo Naukowe PWN ma zaszczyt zaprezentować Państwu wyjątkowe kompendium wiedzy dotyczące podstaw elektroenergetyki. Napisana przez dwóch specjalistów w tej dziedzinie – prof. dr. hab. inż. Piotra Kacejko oraz dr. hab. inż. Pawła Pijarskiego – obejmuje całokształt zagadnień z zakresu elektroenergetyki. Co ważne, w skondensowanej i kładącej nacisk na praktykę formie i treści.

Oprócz zagadnień technicznych, niezbędnych dla studenta nauk inżynieryjnych, opisane są również w tej publikacji współczesne problemy, związane z rozwojem OZE (głównie fotowoltaiki i energetyki wiatrowej). Znajdują się w niej również istotne kwestie zw. z transformacją energetyczną oraz bezpieczeństwem elektroenergetycznym.

W publikacji Podstawy elektroenergetyki będziecie Państwo mogli m.in. przeczytać na temat:

- sytuacji energetycznej na świecie oraz w Polsce,

- budowy i modelowania elementów systemu elektroenergetycznego,

- podstaw automatyki zabezpieczeniowej,

- jakości energii elektrycznej,

- podstaw sterowania i kierowania pracą systemu elektroenergetycznego oraz

- przykładów oprogramowania komputerowego stosowanego w elektroenergetyce.

Ta wyjątkowa publikacja kierowana jest przede wszystkim do studentów uczelni technicznych studiujących na kierunkach: elektrotechnika, energetyka, inżynieria środowiska (przykładowe przedmioty: Podstawy elektroenergetyki / Elektroenergetyka / Podstawy projektowania instalacji OZE / Inżynieria odnawialnych źródeł energii).

Inną grupą Czytelników, której opublikowana książka przyda się w pracy zawodowej będą inżynierowie elektrycy, energetycy, specjaliści z zakresu inżynierii środowiska, przedstawiciele firm energetycznych i sektora OZE.

W zamiarze autorów niniejsza książka ma stanowić pomoc w kształceniu inżynierskim pierwszego i drugiego stopnia specjalistów elektrotechników i energetyków oraz osób reprezentujących inne specjalności, zaangażowanych w transformację energetyczną – elektroników, informatyków, specjalistów z zakresu inżynierii środowiska, inżynierii mechanicznej i logistyki. Wieloletnie doświadczenia autorów obejmujące procesy inwestycyjne w energetyce, zarówno na etapie projektowania i budowy jak też eksploatację systemu elektroenergetycznego wskazują, że biorą w nich udział także prawnicy i ekonomiści, a nawet przedstawiciele kierunków humanistycznych, którzy niezwykle szybko absorbują wiedzę specjalistyczną. Pod ich kątem przygotowano obszerne fragmenty tej książki, tak by hermetyczny język pojęć i akronimów nie stanowił bariery dla ich entuzjazmu i chęci działania w sektorze energetycznym. (…)

Wiele treści zawartych w książce to wynik doświadczeń autorów, którzy od ponad 20 lat pracują na styku zakresów działania operatorów systemów elektroenergetycznych oraz inwestorów planujących przyłączanie do sieci nowych źródeł – zarówno największych bloków węglowych oraz farm OZE, jak i małych instalacji czy prosumentów. Z przedstawicielami tych wszystkich podmiotów autorzy odbywali mnóstwo dyskusji, z których czerpali inspirację co do zakresu przedstawianych treści.

Spis treści

Wstęp / 9

Oznaczenia / 12

1. Elektroenergetyka – początki odległe, ale terminologia znajoma / 17

2. System elektroenergetyczny – podstawowe elementy, właściwości, terminologia / 20
2.1. Energetyka i elektroenergetyka – historia i teraźniejszość w ujęciu statystycznym / 20
2.2. Meandry jednostek fizycznych stosowanych w energetyce / 38
2.3. Elektrownie cieplne / 42
2.3.1. Wprowadzenie / 42
2.3.2. Elektrownie parowe konwencjonalne / 42
2.3.3. Elektrownie z turbinami i silnikami gazowymi / 47
2.3.4. Elektrownie jądrowe / 57
2.4. Odnawialne źródła energii / 62
2.4.1. Wprowadzenie / 62
2.4.2. Elektrownie wodne / 64
2.4.3. Elektrownie wiatrowe / 70
2.4.4. Elektrownie fotowoltaiczne / 77
2.5. Wytwarzanie energii elektrycznej w Polsce – trendy i polityka / 83
2.5.1. Struktura wytwarzania energii elektrycznej w Polsce / 83
2.5.2. Transformacja energetyczna – plany i oczekiwania / 86
2.6. Hierarchiczna struktura systemu elektroenergetycznego / 92
2.6.1. Informacje podstawowe, statystyka / 92
2.6.2. Sieć przesyłowa / 94
2.6.3. Sieci dystrybucyjne / 98

3. Budowa i modelowanie elementów systemu elektroenergetycznego / 105
3.1. Wiadomości podstawowe / 105
3.2. Jednostki względne / 107
3.3. Składowe symetryczne / 112
3.4. Urządzenia wytwórcze – źródła / 122
3.4.1. Generatory synchroniczne / 123
3.4.2. Generatory asynchroniczne (indukcyjne) / 127
3.4.3. Źródła współpracujące z inwerterami / 131
3.5. Linie elektroenergetyczne / 132
3.5.1. Linie napowietrzne – wiadomości podstawowe / 132
3.5.2. Modelowanie linii dla stanów symetrycznych / 139
3.5.3. Modelowanie linii napowietrznych dla stanów niesymetrycznych / 154
3.5.4. Parametry typowych linii napowietrznych SN, WN i NN spotykanych w elektroenergetyce krajowej / 176
3.5.5. Linie kablowe / 180
3.5.6. Pomiarowe wyznaczanie impedancji linii / 191
3.6. Transformatory i autotransformatory / 193
3.6.1. Wiadomości podstawowe / 193
3.6.2. Transformatory dwuuzwojeniowe / 197
3.6.3. Transformatory trójuzwojeniowe / 203
3.6.4. Transformatory czterouzwojeniowe / 207
3.6.5. Autotransformatory / 211
3.6.6. Modelowanie transformatorów w niesymetrycznych stanach pracy / 213
3.6.7. Przesuwniki fazowe / 222
3.7. Obciążalność linii i transformatorów / 225
3.7.1. Obciążalność przewodów linii elektroenergetycznych / 225
3.7.2. Obciążalność transformatorów energetycznych / 246
3.8. Odbiory / 249
3.9. Dławiki i baterie kondensatorów / 252
3.10. System zastępczy (ekwiwalentny) / 254
3.11. Linie prądu stałego / 254
3.12. Magazyny energii / 257
3.13. Stacje i rozdzielnie / 264
3.13.1. Wiadomości podstawowe / 264
3.13.2. Układy połączeń stacji / 266
3.13.3. Pola rozdzielcze / 273

4. Problemy napięciowe w systemie elektroenergetycznym / 277
4.1. Spadki, straty i odchylenia napięcia / 278
4.2. Regulacja napięcia / 294
4.2.1. Regulacja napięcia za pomocą napięć dodawczych / 295
4.2.2. Regulacja napięcia za pomocą zmiany impedancji sieci / 301
4.2.3. Regulacja napięcia za pomocą zmiany rozpływów mocy biernej / 302
4.3. Ograniczenia napięciowe energetyki odnawialnej / 305

5. Straty mocy i energii w sieciach elektroenergetycznych / 307
5.1. Straty mocy / 307
5.1.1. Straty mocy w liniach elektroenergetycznych / 307
5.1.2. Straty mocy w transformatorach elektroenergetycznych / 309
5.1.3. Energetyczny równoważnik mocy biernej / 313
5.2. Straty energii / 315
5.3. Bilans strat energii spółki dystrybucyjnej / 319
5.4. Straty wynikające z asymetrii obciążenia w sieciach niskich napięć / 321
5.5. Kompensacja mocy biernej – aspekty techniczne i ekonomiczne / 322
5.5.1. Zależności podstawowe / 322
5.5.2. Dobór układu i pojemności kondensatorów / 326
5.5.3. Sposób naliczania opłat karnych za ponadumowny pobór mocy biernej / 327

6. Rozpływy mocy w systemie elektroenergetycznym / 329
6.1. Wiadomości podstawowe / 329
6.2. Zależności podstawowe / 330
6.3. Metody służące do wyznaczania rozpływów mocy / 337
6.3.1. Metoda Newtona–Raphsona / 338
6.3.2. Metoda stałoprądowa / 358

7. Optymalizacja stanów pracy SEE / 366
7.1. Wiadomości podstawowe / 366
7.2. Ogólna postać zadania optymalizacji / 372

8. Zakłócenia w systemach elektroenergetycznych / 379
8.1. Wprowadzenie / 379
8.2. Podstawowe informacje o zakłóceniach zwarciowych / 379
8.3. Teoretyczne podstawy wyznaczenia prądów zwarć symetrycznych i niesymetrycznych / 395
8.3.1. Zwarcie trójfazowe / 395
8.3.2. Zwarcia niesymetryczne / 399
8.3.3. Maksymalne wartości prądów zwarcia / 405
8.3.4. Warunek skuteczności uziemienia punktu neutralnego sieci / 407
8.4. Obliczanie wielkości zwarciowych wg PN-EN- 60909-0 / 409
8.5. Problematyka zwarć z ziemią w sieciach średniego napięcia / 418
8.6. Przerwy w fazach / 425
8.7. Zakłócenia wielokrotne / 428
8.7.1. Podwójne zwarcie jednofazowe / 428
8.7.2. Zwarcie wraz z przerwą w jednej fazie / 431
8.8. Ograniczanie prądów zwarcia / 432
8.9. Metody numeryczne obliczania prądów zwarcia / 435
8.9.1. Wprowadzenie / 435
8.9.2. Macierzowe równania sieci / 436
8.9.3. Bifaktoryzacja – podstawowa metoda wyznaczania elementów macierzy impedancyjnej / 444

9. Problematyka przyłączeniowa / 447
9.1. Identyfikacja problemów związanych z przyłączaniem do sieci instalacji OZE / 447
9.2. Ograniczenia sieciowe / 451
9.2.1. Sieć przesyłowa i 110 kV / 451
9.2.2. Sieć średniego napięcia / 458
9.2.3. Sieć niskiego napięcia – prosumenci / 462
9.3. Problemy bilansowania SEE z dużym udziałem generacji odnawialnej / 467
9.3.1. Redysponowanie nierynkowe – nowa rzeczywistość w skali masowej / 467
9.3.2. Ocena ryzyka ograniczenia generacji z OZE / 468
9.4. NC RfG – podstawowe wymagania dla otrzymania FON / 480
9.5. Przyszły system elektroenergetyczny – kluczowa rola inwerterów GFM / 482

10. Stabilność systemu elektroenergetycznego / 487
10.1. Wiadomości podstawowe / 487
10.2. Stabilność kątowa / 488
10.3. Stabilność napięciowa / 496
10.4. Stabilność częstotliwościowa / 503
10.5. Blackout, obrona przed awarią katastrofalną, restytucja poawaryjna / 507
10.5.1. Wiadomości podstawowe / 507
10.5.2. Obrona przed awarią katastrofalną / 509
10.5.3. Odbudowa zdolności wytwórczych źródeł po wystąpieniu awarii katastrofalnej / 511

11. Podstawy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej / 513
11.1. Wiadomości podstawowe / 513
11.2. Zabezpieczenia linii / 514
11.3. Zabezpieczenia transformatorów / 522
11.4. Zabezpieczenia generatorów synchronicznych / 528
11.5. Zabezpieczenia silników elektrycznych / 532
11.6. Zabezpieczenia źródeł generacji rozproszonej / 535

12. Jakość energii elektrycznej / 539
12.1. Problemy ogólne / 539
12.2. Szczegółowe wymagania w zakresie jakości energii / 541
12.3. Przykłady oceny jakości energii / 548

13. Przykłady oprogramowania komputerowego stosowanego w elektroenergetyce / 555

Bibliografia / 559