Symetryzacja prądów i napięć w sieciach nn

Lawinowy wzrost instalacji fotowoltaicznych przyczynia się do powstawania znacznych wahań napięć w sieci. W związku z tym, jednym z kluczowych wyzwań staje się zapewnienie możliwości odpowiedniej regulacji napięć oraz w zależności od sytuacji w danej sieci ich symetryzacji. W tym celu wykorzystuje się nowoczesne rozwiązania, które przyczyniają się do zwiększenia poziomu elastyczności sieci nn. Co to za rozwiązana i czym się charakteryzują?

Dane Urzędu Regulacji Energetyki wskazują, że w Polsce liczba nowych instalacji fotowoltaicznych cały czas dynamicznie rośnie. Chociaż stopniowo dochodzi do nasycenia rynku, to wciąż pojawia się dużo nowych instalacji. W samym styczniu 2025 r. powstało ich ponad 7,6 tys., a w okresie od stycznia 2024 do stycznia 2025 moc instalacji solarnych wzrosła w Polsce o ponad 25% rok do roku.

Asymetria prądu w sieci

Rozwój OZE, jako zjawisko jednoznacznie pozytywne, niesie ze sobą jednak pewne wyzwania i konsekwencje dla sieci. W dotychczas funkcjonującym schemacie, operatorzy systemów dystrybucyjnych zakładali w procesie planowania sieci symetryczne warunki obciążenia sieci nn, przyjmując pewną średnią poboru energii, równomiernie z trzech faz. We współczesnej energetyce to założenie jest jednak obarczone licznymi ryzykami. Obecnie projektowanie sieci elektroenergetycznych musi brać pod uwagę charakterystykę procesu produkcji, jak i poboru energii. Dlaczego są one tak istotne?

Rosnąca liczba mikroinstalacji OZE sprawia, że w okresach wysokiego nasłonecznienia, systemy PV generują jednocześnie prąd, który, w przypadku braku możliwości wykorzystania przez odbiorcę, jest kierowany do sieci. Ze względu na fakt, że operatorzy systemów dystrybucyjnych nie mają wpływu, do której fazy podłącza się prosument pojawia się asymetria prądów fazowych w sieci. Jednym z rozwiązań jest wyłączenie falownika w instalacji fotowoltaicznej, w sytuacji, gdy potencjalnie panują najlepsze warunki do jej efektywnej pracy. Jest to zjawisko niepożądane, gdyż podważa sens i opłacalność inwestycji w odnawialne źródła energii.

Z drugiej strony, zmienia się także model funkcjonowania odbiorców energii. Na przykład rosnąca liczba samochodów elektrycznych i ich ładowanie przydomowe, powoduje, że w godzinach nocnych, gdzie dotychczas poziom zużycia był stosunkowo niski, może pojawić się asymetria prądów obciążenia. Te zjawiska przyczyniają się do sytuacji, w której potrzebna jest kompensacja asymetrii prądów.

Kompensacja asymetrii prądów

Wzrosty napięcia, w liniach energetycznych z przyłączonymi mikroinstalacjami fotowoltaicznymi ponad wartości dopuszczalne w normach, stanowią jedno z najpoważniejszych wyzwań. Asymetria generacji wywołana nierównomiernym rozłożeniem źródeł PV może powodować przepływ prądu w przewodzie neutralnym z nawet podwójną wartością prądu fazowego pojedynczej fazy, co powoduje straty energii i wzrost napięcia w punkcie przyłączenia odbiorcy. Dlatego, kompensacja asymetrii prądów czy też symetryzacja prądów linii stanowi niezwykle istotne zagadnienie we współczesnej energetyce. W tym celu stosuje się rozwiązania, dzięki którym możliwa jest regulacja napięcia w sieci nn. Do takich rozwiązań zaliczamy:

• regulatory napięcia
• transformatory symetryzujące
• symetryzatory prądów
• magazyny energii

Regulatory napięcia

Regulacja napięcia w sieci nn jest możliwa m.in. przy wykorzystaniu specjalistycznych urządzeń przeznaczonych do wykorzystania w sieciach niskiego napięcia, jakimi są regulatory napięcia LVRSys (low-voltage regulation system). Ich działanie polega na wykorzystaniu dodatkowych transformatorów jednofazowych w każdej fazie. Działają, kierując napięcie dodawcze po stronie regulowanego obwodu przeciwnie do lub zgodnie z napięciem zasilającym, podnosząc lub obniżając napięcie w obwodzie.

Regulatory napięcia powinny być instalowane w miejscu, które wynika z przeprowadzonych analiz i obliczeń, tj. w takim od którego pojawiają się problemy z wartością napięcia. Dobór miejsca instalacji regulatorów jest niezwykle ważny również dla odbiorców znajdujących się od strony stacji zasilającej ze względu na potencjalny wzrost napięcia w przypadku zainstalowanej PV. Należy zaznaczyć, że działanie regulatora jest dwukierunkowe, tj. w przypadku klasycznego obciążenia może on podnosić napięcie, a w przypadku źródeł obniżać. Są to urządzenia o budowie modułowej, dzięki czemu mogą być umieszczone zarówno wewnątrz stacji, jak też na wolnym powietrzu, a ich instalacja jest łatwa.

Transformatory symetryzujące

Transformator symetryzujący (tzw. zygzak) pozwala równoważyć prądy fazowe, poprzez zmniejszanie prądu w przewodzie neutralnym. Skutkiem działania transformatora symetryzującego jest zmniejszenie występującej asymetrii napięć poprzez wyrównanie rozpływu prądów fazowych. Ograniczeniem tych transformatorów jest fakt, że są to urządzenia pasywne, tj. takie które nie umożliwiają “wstrzykiwania” prądów w sposób płynny (sterowalny).

Symetryzator prądów

Współcześnie jednym ze skuteczniejszych rozwiązań, które eliminują wady transformatora symetryzującego są symetryzatory prądów. Urządzenie, wykorzystujące aktywny symetryzator prądów, wykazuje się wyższą sprawnością działania i dużą skutecznością na linii zasilającej od źródła do miejsca instalacji symetryzatora. W zależności od potrzeb, urządzenie może być instalowane zarówno przy stacji transformatorowej, jak i w głębi sieci nn. Należy zwrócić uwagę, że w zasadzie w każdym przypadku miejsce instalacji jest w głębi sieci.

Symetryzator energoelektroniczny reguluje prądy płynące z sieci do obciążenia w taki sposób, że w sieci płyną prądy fazowe symetryczne, a prąd w przewodzie neutralnym jest zerowy lub bliski zeru. Pozwala to ograniczyć spadki napięcia na linii. Współcześnie budowa sieci elektroenergetycznej może uwzględniać zastosowanie symetryzatora wykonanego z wysokiej jakości komponentów energoelektronicznych, by zmniejszyć ryzyko i koszt utrzymania sieci.

Magazyn energii

Rozwiązaniem, które pozwala zniwelować ryzyko wynikające z charakterystycznego dla OZE fluktuacyjnego modelu wytwarzania energii, są także magazyny energii. Magazyn energii elektrycznej może gromadzić wytworzoną w szczytowym okresie produkcji energię, by została wykorzystana w momencie, kiedy pojawi się dodatkowe zapotrzebowanie na energię u odbiorców. Ilustruje to podany wcześniej przykład instalacji fotowoltaicznej i ładowania samochodu elektrycznego. Wyprodukowana w ciągu dnia energia zgromadzona w magazynie energii może w nocy posłużyć do długotrwałego ładowania samochodu elektrycznego, co pozwala ograniczyć wpływ instalacji fotowoltaicznych na fluktuację napięć w ramach sieci elektroenergetycznej.