Zeszyty Naukowe Elektryka - Sparse Matrices

Transkrypt

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (234)
2015
Rok LXI
Sławomir BIEROŃSKI, Roman KORAB, Robert OWCZAREK
Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, Politechnika Śląska w Gliwicach
WPŁYW REGULACJI PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH
INSTALOWANYCH W REJONIE EUROPY ŚRODKOWOWSCHODNIEJ NA TRANSGRANICZNE PRZEPŁYWY MOCY
Streszczenie. W ostatnich latach systemy przesyłowe w rejonie Europy ŚrodkowoWschodniej (Central and Eastern Europe – CEE) doświadczają znaczących przepływów
nieplanowych mocy czynnej. Przepływy te prowadzą zarówno do pogorszenia
bezpieczeństwa pracy połączonych systemów elektroenergetycznych, jak i zmniejszenia
dostępnych zdolności przesyłowych na połączeniach transgranicznych. Jednym
z możliwych sposobów pozwalających na ograniczenie tych niepożądanych przepływów
jest zastosowanie przesuwników fazowych (PF), czyli specjalnych transformatorów,
które umożliwiają sterowanie przepływami mocy czynnej w sieciach przesyłowych.
Artykuł wyjaśnia sens stosowania PF w systemie przesyłowym, przedstawia najczęściej
spotykane rozwiązania PF oraz omawia kwestię przepływów nieplanowych na obszarze
CEE. Głównym celem artykułu jest przedstawienie wyników badań dotyczących wpływu
zastosowania PF w rejonie CEE na transgraniczne przepływy mocy czynnej.
Słowa kluczowe: przesuwniki fazowe, przepływy nieplanowe, regulacja przepływów mocy,
przepływy transgraniczne, linie wymiany międzysystemowej
INFLUENCE OF ADJUSTMENT OF PHASE SHIFTERS INSTALLED
IN THE CENTRAL AND EASTERN EUROPE REGION
ON CROSS-BORDER POWER FLOWS
Summary. In recent years, power transmission systems in the Central and Eastern
Europe (CEE) region are subject to considerable unscheduled power flows. These flows
lead to both the deterioration of operational safety of the interconnected power systems,
and the limitations of the available transmission capacity. One possible way to reduce
these undesirable flows is to use phase shifting transformers (PSTs), i.e. special
transformers that are used to control active power flows in transmission networks. The
paper explains the meaning of the application of PSTs in electric transmission systems,
presents the most common solutions of PSTs and discusses the issue of unscheduled
flows in the CEE region. The main purpose of this paper is to present study results on the
influence of the application of PSTs in the CEE region on cross-border power flows.
Keywords: phase shifting transformers, unscheduled power flows, power flow control, cross-border
power flows, tie-lines
8
S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek
1. WPROWADZENIE
W ostatnich latach w regionie Europy Środkowo-Wschodniej (Central and Eastern
Europe – CEE) obserwuje się silny wzrost tzw. przepływów karuzelowych (kołowych), czyli
nieplanowych przepływów wyrównawczych mocy czynnej między systemami przesyłowymi
poszczególnych państw. Do podstawowych przyczyn nasilania się tego zjawiska należy
dynamiczny rozwój generacji ze źródeł odnawialnych w Niemczech oraz nienadążający
za nim rozwój sieci elektroenergetycznych. Przepływy nieplanowe wykorzystują znaczącą
część fizycznych zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych w regionie CEE
(szczególnie linii wymiany systemu polskiego), ograniczając tym samym ilość mocy
przesyłowych udostępnianych uczestnikom rynku, zainteresowanym międzysystemowym
handlem energią. Mogą powodować również wzrost strat przesyłowych w pewnych
obszarach, pogorszając tym samym ekonomikę pracy sieci. Jednakże znacznie poważniejszą
konsekwencją tej sytuacji jest fakt, że ze względu na swój charakter przepływy nieplanowe
prowadzą do pogorszenia bezpieczeństwa pracy systemu połączonego, w tym bezpieczeństwa
funkcjonowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) [22].
Podstawowym kryterium wykorzystywanym w analizach bezpieczeństwa pracy systemu
elektroenergetycznego jest kryterium n-1, które mówi, że system powinien pracować z takimi
marginesami bezpieczeństwa, aby po wyłączeniu dowolnego z jego elementów składowych
(linii, transformatora, sekcji szyn zbiorczych, generatora itd.), pozostałe w ruchu elementy
były w stanie przejąć obciążenie elementu wyłączonego, bez przekroczenia obowiązujących
ograniczeń technicznych. W sytuacji przeciwnej może dojść do kaskadowych wyłączeń
kolejnych elementów systemu, prowadzących w skrajnym przypadku do awarii katastrofalnej
(blackoutu). Międzysystemowe przepływy mocy czynnej powodują zwiększenie obciążenia
poszczególnych elementów sieci, w szczególności gałęzi znajdujących się w pobliżu granic
dwóch obszarów. W związku z tym, aby zagwarantować bezpieczeństwo pracy systemów
połączonych, konieczne jest utrzymywanie przepływów międzysystemowych poniżej
wartości dopuszczalnych. W przypadku systemu polskiego newralgicznym przekrojem jest
przekrój zachodni, na którym obserwuje się ciągły wzrost niekontrolowanych przepływów
mocy czynnej z systemu niemieckiego.
W związku z opisaną sytuacją, operatorzy systemów przesyłowych (OSP) w CEE
podejmują odpowiednie działania, zmierzające do zmniejszenia negatywnego wpływu
przepływów nieplanowych na warunki pracy sieci w regionie. Obejmują one rekonfigurację
sieci poprzez dokonywanie odpowiednich przełączeń (otwieranie sprzęgieł w stacjach lub
wyłączenie wybranych linii NN), zmianę grafików pracy jednostek wytwórczych w systemie
polskim lub w systemach polskim i niemieckim (tzw. cross-border redispatching, czyli
transgraniczne przekierowanie mocy) oraz zastosowanie tzw. pętli stałoprądowej (DC Loop),
czyli przesyłanie mocy z Niemiec do Polski przez Danię i Szwecję z wykorzystanie połączeń
Wpływ regulacji przesuwników fazowych…
9
stałoprądowych Polska – Szwecja i Dania – Niemcy [20]. Pomimo stosowania tych środków
zaradczych, coraz częściej zdarzają się sytuacje, w których środki te stają się
niewystarczające do zachowania bezpiecznej pracy systemu w stanach n-1 [12]. W efekcie
wzrasta ryzyko zaistnienia kaskadowych wyłączeń sieci, mogących w skrajnych przypadkach
doprowadzić do rozległych blackoutów. Skuteczne przeciwdziałanie sformułowanemu
zagrożeniu wymaga zastosowania kolejnych środków, pozwalających na efektywną redukcję
przepływów nieplanowych. Należy do nich regulacja przepływów mocy czynnej w liniach
wymiany transgranicznej z wykorzystaniem tzw. przesuwników fazowych PF (phase shifters,
phase shifting transformers, PSTs) [4]. Są to transformatory specjalnej konstrukcji, które
umożliwiają regulację fazy napięcia (tzw. regulacja poprzeczna), i tym samym przepływów
mocy czynnej [7, 8].
Na granicy z Niemcami polski OSP zamierza zainstalować cztery komplety PF (po
jednym w każdym torze linii), tzn. dwa komplety PF w linii Mikułowa (PL) – Hagenverder
(DE) oraz dwa kolejne, po przełączeniu na napięcie 400 kV, w linii Krajnik (PL) – Vierraden
(DE). Czeski OSP w planie rozwoju sieci również uwzględnił możliwość instalacji PF na
połączeniach z Niemcami [19]. Głównym celem tego artykuły jest przedstawienie wpływu
regulacji PF instalowanych na przekrojach Polska – Niemcy i Czechy – Niemcy na międzysystemowe przepływy mocy czynnej w rejonie CEE.
Artykuł jest zorganizowany w następujący sposób. Rozdział 2 opisuje metodę regulacji
przepływów mocy czynnej za pomocą PF. Rozdział 3 przedstawia informacje o rodzajach PF.
Rozdział 4 omawia kwestię przepływów nieplanowych w rejonie CEE. Rozdział 5 prezentuje
wyniki analiz rozpływowych. Rozdział 6 przedstawia podsumowanie i wnioski.
2. REGULACJA PRZEPŁYWÓW MOCY CZYNNEJ ZA POMOCĄ PF
W sieciach przesyłowych najwyższych i wysokich napięć regulacja przepływów mocy
czynnej przy wykorzystaniu PF polega na zmianie rozpływu mocy czynnej bez zmiany
sumarycznej mocy wytwarzanej. Wykorzystywana jest tutaj znana zależność, określająca
przepływ mocy czynnej przez pojedynczą gałąź o charakterze indukcyjnym. Ma ona
następującą postać [11]:
P=
UiU j
sin d
X
(1)
gdzie:
P
– moc czynna płynąca rozpatrywaną gałęzią sieci o reaktancji X,
Ui, Uj – moduły napięć na początku i końcu gałęzi,
d
– kąt obciążenia (różnica argumentów napięć węzłowych na początku i końcu gałęzi,
d = di - dj).
10
Z zależności (1) wynika, że moc czynną płynącą rozpatrywaną gałęzią sieci można
zmieniać dokonując zmiany poziomów napięć Ui i Uj, wartości reaktancji X oraz kąta
obciążenia δ. Możliwości sterowania przepływem mocy czynnej przy wykorzystaniu zmiany
wartości napięć Ui i Uj są stosunkowo niewielkie, ponieważ napięcia w sieci muszą być
bliskie znamionowym i nie mogą być zmieniane w szerokich granicach [10]. Większe
możliwości regulacji przepływu mocy czynnej daje zmiana reaktancji ciągu przesyłowego,
tzw. kompensacja szeregowa. Polega ona na sztucznym zmniejszeniu reaktancji wzdłużnej X
za pomocą włączonej szeregowo baterii kondensatorów o odpowiednio dobranej reaktancji.
Jednak w najszerszym zakresie przepływ mocy czynnej w gałęzi sieci można zmieniać
regulując kąt obciążenia δ (sterowanie wartością kąta d umożliwia nie tylko zmianę wartości
mocy czynnej płynącej gałęzią, ale również zmianę kierunku jej przepływu). Idea metody
pozwalającej na regulację kąta obciążenia, przy wykorzystaniu niesymetrycznego PF, została
przedstawiona na rys. 1.
a)
b)
c)
Rys. 1. Regulacja przepływu mocy czynnej przez zmianę kąta obciążenia: a) schemat układu
przesyłowego, b) wykres fazorowy dla gałęzi A, c) wykres fazorowy dla gałęzi B
(opracowanie własne na podstawie [11])
Fig. 1. Controlling the active power flow by changing the load angle: a) circuit diagram, b) phasor
diagram for line A, c) phasor diagram for line B (own elaboration based on [11])
Założono, że rozpatrywane gałęzie równoległe A i B (rys. 1a) mają jednakowe parametry,
a w wyniku rozpływu mocy, jaki ukształtował się w całej sieci, napięcia na początku i na
końcu omawianego ciągu przesyłowego przyjmują wartości Ui i Uj, przy czym różnica ich
argumentów (kąt obciążenia) wynosi δ. Wykres fazorowy dla gałęzi A pokazano na rys. 1b.
Przy przyjętych napięciach i kącie obciążenia przez gałąź płynie prąd IA, a moc czynną
określa wzór (1).
Wykres fazorowy dla gałęzi B przedstawiono na rys. 1c. W gałęzi tej jest zainstalowany
PF. W omawianym przypadku napięcia Ui i Uj są takie same jak dla gałęzi A, jednakże tutaj
do napięcia początkowego Ui dodawane jest prostopadłe do niego napięcie DUm. W rezultacie
na początku gałęzi B za PF występuje napięcie Um = Ui + DUm, a kąt obciążenia dla gałęzi B
jest równy (δ + a). Przez gałąź B płynie prąd IB, a moc czynna określona jest wzorem:
PB =
U mU j
X
sin (d + a )
(2)
11
Ponieważ (δ + a) > δ, moc PB jest większa od mocy PA. Sumarycznie do obu gałęzi wpływa
moc P = PA + PB.
Regulacja napięcia kwadraturowego DUm (przesuniętego o 90o względem napięcia Ui)
powoduje zmianę kąta a (kąta przesunięcia fazowego między napięciem wejściowym
i wyjściowym PF) i tym samym zmianę mocy PB. Napięcie kwadraturowe DUm można
regulować w zakresie od wartości ujemnych do wartości dodatnich. Zmieniając wartość
napięcia DUm, można wpływać na przepływy mocy przez gałęzie A i B, przy czym odbywa
się to bez zmiany sumarycznej mocy w układzie.
Opisana metoda regulacji przepływów mocy czynnej obowiązuje również dla bardziej
skomplikowanych konfiguracji sieci. W praktyce jest ona często wykorzystywana do
zarządzania transgranicznymi przepływani mocy [1, 3, 6, 15, 16, 18], umożliwiając zmianę
przepływów w liniach międzysystemowych z zachowaniem sumarycznego salda wymiany.
3. RODZAJE PF
Ze względu na budowę PF można podzielić według następujących cech
charakterystycznych [5, 17]:
· symetryczne PF – wytwarzają napięcie wyjściowe ze zmienioną fazą w porównaniu do
napięcia wejściowego, ale amplituda napięcia (PF bez obciążenia) pozostaje niezmieniona,
· niesymetryczne PF – wytwarzają napięcie wyjściowe ze zmienioną fazą i amplitudą
w porównaniu do napięcia wejściowego,
· jednordzeniowe – składają się z jednej jednostki, w której wszystkie uzwojenia nawinięte
są na jednym rdzeniu,
· dwurdzeniowe – bazują na konstrukcji z dwoma transformatorami; jeden nosi nazwę
transformatora regulacyjnego, do regulacji amplitudy napięcia kwadraturowego,
drugi nazywa się transformatorem szeregowym, do wprowadzenia napięcia
kwadraturowego do odpowiedniej fazy.
Połączenie tych cech charakterystycznych prowadzi do czterech kategorii PF,
przedstawionych na rys. 2 ÷ 5 (wykresy fazorowe dla dwurdzeniowych PF są takie same jak
na rys. 2 i 3). Z kolei modele matematyczne najczęściej stosowanych rozwiązań PF można
znaleźć w literaturze [23-26].
W liniach międzysystemowych często spotykanym rozwiązaniem są PF symetryczne,
dwurdzeniowe (rys. 4). Ten rodzaj PF składa się z dwóch transformatorów: szeregowego
(dodawczego) TD oraz regulacyjnego (wzbudzającego) TW [14]. W przypadku urządzeń
o dużej mocy przechodniej (maksymalna moc przepływająca przez uzwojenia pierwotne
transformatora TD) i odpowiednio dużym zakresie regulacji kąta przesunięcia fazowego
oba transformatory umieszone są w oddzielnych kadziach, natomiast przy mniejszej mocy
12
jednostek mogą być umieszczone we wspólnej kadzi. Uzwojenia pierwotne TD są włączone
w szereg z linią przesyłową, w której reguluje się przesunięcie fazowe napięcia. Uzwojenia te
są podzielone na dwie równe części, a do punktu środkowego przyłączone są uzwojenia
pierwotne TW. Uzwojenia wtórne TD są połączone w trójkąt (co zapewnia przesunięcie
napięć o kąt 90o) i przyłączone do uzwojeń wtórnych (regulacyjnych) TW. Transformator TW
ma oba uzwojenia połączone w gwiazdę [7, 8].
a)
b)
Rys. 2. Symetryczny, jednordzeniowy PF: a) schemat połączeń, b) wykres fazorowy (opracowanie
własne na podstawie [17])
Fig. 2. Symmetrical, single-core PST: a) connection diagram, b) phasor diagram (own elaboration
based on [17])
a)
b)
Rys. 3. Niesymetryczny, jednordzeniowy PF: a) schemat połączeń, b) wykres fazorowy (opracowanie
własne na podstawie [17])
Fig. 3. Asymmetrical, single-core PST: a) connection diagram, b) phasor diagram (own elaboration
based on [17])
13
Rys. 4. Symetryczny, dwurdzeniowy PF (opracowanie własne na podstawie [17])
Fig. 4. Symmetrical, two-core PST (own elaboration based on [17])
uzwojenie
pierwotne
S1
L1
uzwojenie
wtórne
S2
L2
S3
L3
transformator szeregowy
(dodawczy) TD
uzwojenie
pierwotne
uzwojenie wtórne
(regulacyjne)
transformator regulacyjny
(wzbudzający) TW
Rys. 5. Niesymetryczny, dwurdzeniowy PF (opracowanie własne na podstawie [17])
Fig. 5. Asymmetrical, two-core PST (own elaboration based on [17])
Należy również dodać, że PF są urządzeniami szeroko stosowanymi w europejskiej sieci
przesyłowej, a doświadczenia z ich użytkowania są pozytywne. Przykładem jest region
Beneluksu, którego sieć przesyłowa najwyższych napięć została wyposażona w kilka PF [2],
pozwalających na efektywne przeciwdziałanie, wywołanym przez generację wiatrową
w północnej części Niemiec, nieplanowym przepływom mocy w tym rejonie.
14
4. PRZEPŁYWY NIEPLANOWE W REJONIE CEE
Obecnie na wielu granicach w rejonie CEE nieplanowe przepływy mocy czynnej są
wielokrotnie wyższe niż przepływy handlowe, wynikające z planowanych transakcji
międzysystemowych, a niejednokrotnie występują sytuacje, kiedy przepływ rzeczywisty ma
kierunek przeciwny do handlowego [12, 21]. Analizy wykonane przez OSP z Czech, Węgier,
Polski i Słowacji wskazują na silny związek pomiędzy wymianą handlową na granicy
Niemcy – Austria a skalą przepływów nieplanowych w rejonie CEE [21]. Większość
niemieckich elektrowni wiatrowych zlokalizowanych jest na północy kraju, którą
charakteryzuje niewielkie zapotrzebowanie na energię elektryczną (mniejsza koncentracja
przemysłu, niższa gęstość zaludnienia) w porównaniu do południowej części Niemiec [9].
Jednak, w związku z niewystarczająco rozwiniętą siecią przesyłową łączącą północną
i południową część Niemiec, nadmiar mocy z elektrowni wiatrowych położonych na północy
Niemiec jest przesyłany na południe Niemiec oraz do Austrii za pośrednictwem sieci krajów
sąsiednich [12, 13]. W rezultacie systemy przesyłowe w rejonie CEE, szczególnie Polski
i Czech, są znacząco obciążone nieplanowymi przepływami mocy czynnej [21].
W rejonie CEE można zaobserwować dwie główne drogi przepływów nieplanowych
(rys. 6a) [21]. W pierwszym przypadku moc czynna z północy Niemiec przepływa przez
Polskę, Czechy i wpływa do Austrii oraz południowych Niemiec. Część tych przepływów
obejmuje również system przesyłowy Słowacji i Węgier. Druga droga przepływów
nieplanowych obejmuje czeski system elektroenergetyczny, tzn. moc czynna z systemu
niemieckiego wpływa do Czech przez połączenie Hradec (CZ) – Rohrsdorf (DE) i wypływa
przez połączenia transgraniczne Hradec (CZ) – Etzenricht (DE) i Prestice (CZ) – Etzenricht
(DE) (rys. 6b).
a)
b)
Rys. 6. a) Główne drogi przepływów nieplanowych w rejonie CEE, b) główne linie wymiany
transgranicznej w rejonie CEE – stan rzeczywisty
Fig. 6. a) Main routes of unscheduled power flows in the CEE region, b) main cross-border
transmission lines in the CEE region – current state
15
5. ANALIZA ROZPŁYWÓW MOCY NA OBSZARZE CEE
Odnosząc się do sytuacji w sieciach przesyłowych na obszarze CEE, wykonano badania
dotyczące wpływu PF instalowanych w liniach wymiany między systemami polskim
a niemieckim oraz systemami czeskim a niemieckim, na możliwości regulacji transgraniczych
przepływów mocy czynnej, w tym możliwości ograniczenia przepływów nieplanowych
w rejonie CEE.
W wykonanych analizach rozpływowych rozważono instalację PF we wszystkich torach
linii wymiany 400 kV na przekroju Czechy – Niemcy: Hradec – Rohrsdorf (HRD – ROE),
Hradec – Etzenricht (HRD – ETZ), Prestice – Etzenricht (PRE – ETZ) oraz na przekroju
Polska – Niemcy: Mikułowa – Hagenverder (MIK – HAG), Krajnik – Vierraden (KRA –
VIE). Obecnie linia Krajnik – Vierraden pracuje na napięciu 220 kV, jednak pod względem
parametrów technicznych jest przystosowana na napięcie 400 kV (w wykonanych analizach
linia pracuje na napięciu 400 kV). Regulacja PF była dokonywana w zakresie kąta
przesunięcia fazowego ±45°, z krokiem co 5°. Obliczenia rozpływów mocy zostały wykonane
przy wykorzystaniu modeli systemu połączonego CEE, opracowanych dla lat 2014 i 2020,
z odwzorowanymi sieciami 400/220/110 kV KSE oraz sieciami przesyłowymi systemów
sąsiadujących, dla dwóch charakterystycznych stanów obciążenia, obejmujących szczyt letni
(LS) i szczyt zimowy (ZS).
Badania zostały przeprowadzone za pomocą programu rozpływowego Plans, a za metodę
obliczeniową przyjęto metodę rozłączną Stotta. Na rys. 7 ÷ 11 przedstawiono wyniki analiz
dla modelu odwzorowującego LS 2014 (wartości dodatnie oznaczają moc wpływającą,
a ujemne moc wypływającą odpowiednio z systemu polskiego i z systemu czeskiego). Z kolei
w tabeli 1 przedstawiono zestawienie wyników analiz dla wszystkich rozpatrywanych modeli
oraz wariantów regulacji.
5.1. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska – Niemcy
Rysunek 7 przedstawia wpływ regulacji PF instalowanych na granicy Polska – Niemcy.
Rezultaty badań wskazują, że zmniejszenie mocy czynnej wpływającej z systemu
niemieckiego do systemu polskiego występuje przy ujemnych wartościach kąta przesunięcia
fazowego PF. Ponadto, przy takim zakresie regulacji kąta, kierunek przepływu mocy czynnej
może być odwrócony. Badania wskazują również, że regulacja PF instalowanych na przekroju
Polska – Niemcy wpływa na zmianę przepływów mocy w liniach wymiany systemów
sąsiednich, co ilustruje rys. 8.
Przepływ mocy czynnej, w MW
16
3500
3000
linia Mikułowa – Hagenverder
2500
linia Krajnik – Vierraden
2000
przekrój Polska – Niemcy
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
-45
-30
-15
0
15
30
45
Kąt przesunięcia fazowego, w deg
Rys. 7. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska – Niemcy na przepływy mocy
czynnej na przekroju Polska – Niemcy
Fig. 7. Influence of adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland – Germany on the active
power flows through the cross-border profile Poland – Germany
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400
PL – CZ
PL – SK
CZ – DE
-1600
-1800
-2000
-45
-30
CZ – AT
CZ – SK
-15
0
15
30
45
Rys. 8. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska – Niemcy na przepływy mocy
czynnej na poszczególnych przekrojach w rejonie CEE
Fig. 8. Influence of adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland – Germany on the active
power flows through the individual cross-border profiles in the CEE region
5.2. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Czechy – Niemcy
Uzyskane w ramach przeprowadzonych badań wyniki wskazują, że regulacja PF
instalowanych na przekroju Czechy – Niemcy (rys. 9) powoduje przeciwne efekty zmian
przepływów mocy czynnej w porównaniu do regulacji PF na przekroju Polska – Niemcy
(rys. 7 i 8). Wyniki badań pokazują, że regulacja kąta przesunięcia fazowego PF w zakresie
wartości ujemnych związana jest ze zwiększeniem przepływów mocy na obu przekrojach,
natomiast w zakresie wartości dodatnich z ich zmniejszeniem.
Przepływ mocy czynnej , w MW
17
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
przekrój Czechy – Niemcy
-2000
-2500
-3000
-45
-30
-15
0
15
30
45
Rys. 9. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Czechy – Niemcy na przepływy mocy
czynnej na przekrojach Czechy – Niemcy i Polska – Niemcy
Fig. 9. Influence of adjustment of PSTs installed in tie-lines between the Czech Republic – Germany
on the active power flows through the Czech Republic – Germany and Poland – Germany
cross-border profiles
5.3. Wpływ regulacji PF
i Czechy – Niemcy
instalowanych
w
liniach
wymiany
Polska – Niemcy
Analiza wpływu jednoczesnej regulacji PF instalowanych na przekrojach
Polska – Niemcy i Czechy – Niemcy wykazała, że osiągnięcie maksymalnego zakresu zmian
wartości przepływów mocy czynnej wymaga zastosowania odpowiedniego sposobu
(kierunku) regulacji nastaw wszystkich PF. Stwierdzono, że regulacja PF wykonywana
w jednakowy sposób na obu przekrojach prowadzi do zmniejszenia, a w przeciwsobny do
zwiększenia zakresu zmian przepływów mocy czynnej. Opisaną sytuację ilustrują rys. 10 i 11.
Należy też zauważyć, że uzyskiwane efekty dla jednakowej kierunkowo i przeciwsobnej
regulacji PF na obu przekrojach są w przybliżeniu odpowiednio różnicą lub sumą efektów
uzyskiwanych dla regulacji prowadzonej osobno na przekroju Polska – Niemcy (rys. 7 i 8)
i przekroju Czechy – Niemcy (rys. 9). Podobne efekty zaobserwowano dla pozostałych trzech
charakterystycznych stanów pracy systemu (ZS 2014, LS i ZS 2020).
a)
b)
2000
3000
2500
2000
1500
3500
1000
500
0
-500
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
linia Hradec – Etzenricht
-2000
linia Hradec – Rohrsdorf
-2500
linia Prestice – Etzenricht
-1000
-3000
-1500
-3500
-45
-30
-15
0
15
30
45
-45
-30
-15
0
15
30
45
Kąt przesunięcia fazowego, w d eg
Rys. 10. Wpływ jednakowej kierunkowo regulacji PF instalowanych w liniach wymiany
Polska – Niemcy i Czechy – Niemcy na przepływy mocy czynnej przez połączenia:
a) Polska – Niemcy, b) Czechy – Niemcy
Fig. 10. Influence of uniform adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland – Germany and
the Czech Republic – Germany on the active power flows through the interconnections:
a) Poland – Germany b) the Czech Republic – Germany
18
a)
b)
2500
2000
2000
3500
3000
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
αPL-DE ð -45
αCZ-DE ð 45
-30
30
-15
0
15
15
0
-15
30
-30
45
-45
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
-3500
αPL-DE ð -45
αCZ-DE ð 45
linia Hradec – Etzenricht
linia Hradec – Rohrsdorf
linia Prestice – Etzenricht
-30
30
-15
0
15
15
0
-15
30
-30
45
-45
Rys. 11. Wpływ przeciwsobnej regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska – Niemcy
i Czechy – Niemcy na przepływy mocy czynnej przez połączenia: a) Polska – Niemcy,
b) Czechy – Niemcy
Fig. 11. Influence of push-pull adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland – Germany
and the Czech Republic – Germany on the active power flows through the interconnections:
a) Poland – Germany b) the Czech Republic – Germany
5.4. Wpływ regulacji PF na straty mocy czynnej
Przeprowadzone analizy wskazują, że regulacja przepływów międzysystemowych
za pomocą PF wpływa również na straty mocy czynnej, które są wskaźnikiem
charakteryzującym stan pracy sieci. Dla przykładu, ten wpływ pokazano na rys. 12. Zależność
strat mocy czynnej od kąta przesunięcia fazowego PF ma kształt zbliżony do funkcji
kwadratowej. Ponadto, wyniki badań pokazują, że zmniejszenie mocy czynnej wpływającej
z systemu niemieckiego do systemu polskiego przyczynia się najpierw do obniżenia,
a następnie do wzrostu strat przesyłowych powstających w sieci zamkniętej polskiego
systemu elektroenergetycznego.
1.20
Straty mocy czynnej w KSE
1.15
Straty mocy czynnej w CEE
ΔP , w per unit
1.10
1.05
1.00
0.95
0.90
-45
-30
-15
0
15
30
45
Rys. 12. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska – Niemcy na straty mocy
czynnej (odniesione do wartości przy kącie przesunięcia fazowego równym 0°) w KSE
oraz w całym rejonie CEE w LS 2014
Fig. 12. Influence of adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland – Germany on active
power losses (normalised to a 0° phase–shift angle) in the Polish Power System and
throughout the entire CEE region
19
6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że regulacja przepływów mocy czynnej
na przekroju Polska – Niemcy, przy wykorzystaniu PF instalowanych w poszczególnych
torach linii Mikułowa – Hagenverder i Krajnik – Vierraden, umożliwia uzyskanie znaczącej
redukcji mocy czynnej wpływającej do Polski z systemu niemieckiego, a tym samym
prowadzi do istotnego ograniczenia przepływów nieplanowych w rejonie CEE. Jednak
uzyskanie takich efektów wymaga zastosowania PF o odpowiednio szerokim zakresie
regulacji kąta przesunięcia fazowego, rzędu ±40°.
Wyposażając systemy połączone w regionie CEE w PF, operatorzy uzyskają bardzo
efektywne narzędzie, umożliwiające ograniczanie niepożądanych przepływów nieplanowych,
które zagrażają bezpieczeństwu pracy systemów, oraz pozwalające na obniżenie marginesów
bezpieczeństwa, stosowanych przy wyznaczaniu zdolności przesyłowych połączeń
transgranicznych. Działanie takie należy uznać za niezbędne, ponieważ nieplanowe
przepływy mocy czynnej, występujące w systemach połączonych CEE, są powodowane
głównie przez generację wiatrową w północnej części Niemiec, a uwzględniając politykę
energetyczną Unii Europejskiej, w szczególności politykę energetyczną Niemiec, w której
bardzo duży nacisk kładzie się na rozwój źródeł odnawialnych, należy przypuszczać, że
w kolejnych latach przepływy nieplanowe będą zjawiskiem narastającym. Jednakże przy
instalacji PF w różnych punktach systemu połączonego (a zgodnie z planami inwestycyjnymi
operatorów taka sytuacja będzie miała miejsce w systemach CEE), efekty wynikające
z prowadzonej regulacji mogą się wzmacniać bądź znosić. W związku z tym, w przypadku
instalacji w danym regionie większej liczby tego typu urządzeń, kontrolowanych dodatkowo
przez różnych operatorów, konieczne jest dogłębne rozpoznanie ich możliwości
regulacyjnych oraz poznanie interakcji tych urządzeń w różnych, możliwych do zaistnienia
w przyszłości, sytuacjach ruchowych.
Badania wykonane dla PF instalowanych na przekrojach Polska – Niemcy i Czechy –
Niemcy wykazały, że przy regulacji PF na połączeniach Czechy – Niemcy możliwa jest
znacząca neutralizacja efektów uzyskiwanych w wyniku regulacji prowadzonej
na połączeniach Polska – Niemcy. Natomiast odpowiednio skoordynowana regulacja będzie
prowadzić do wzmocnienia uzyskiwanych efektów. Oznacza to, że konieczne jest także
opracowanie metody skoordynowanego sterowania PF w rejonie CEE, prowadzącej do
zwiększenia bezpieczeństwa pracy systemu połączonego, poprawy ekonomiki jego
funkcjonowania oraz wzrostu możliwości wymiany handlowej energii między
poszczególnymi obszarami. W efekcie możliwe będzie wypracowanie odpowiednich
uzgodnień międzyoperatorskich z tego zakresu. Należy przy tym podkreślić, że przy braku
porozumienia międzynarodowego odnośnie do skoordynowanej regulacji PF, instalowanie
ich w Polsce nie będzie przynosić oczekiwanego efektu, ponieważ każde działanie w Polsce
20
może być w dużej części zneutralizowane przeciwstawnym działaniem w Niemczech
i/lub Czechach.
Tabela 1
Zestawienie wyników średniej wartości zmian przepływu mocy czynnej w zależności od
zastosowanego wariantu regulacji PF dla modeli odwzorowujących LS i ZS dla lat 2014
i 2020
Model
LS
2014
ZS
2014
LS
2020
ZS
2020
Przekrój, linia
PL - DE
MIK - HAG
KRA - VIE
CZ - DE
HRD - ROE
HRD - ETZ
PRE - ETZ
PL - DE
MIK - HAG
KRA - VIE
CZ - DE
HRD - ROE
HRD - ETZ
PRE - ETZ
PL - DE
CZ - DE
PL - DE
CZ - DE
Wartość średnia zmian mocy czynnej, MW/1°
Jednakowa
Przeciwsobna
kierunkowo
Regulacja PF Regulacja PF
regulacja PF
na przekroju na przekroju
regulacja PF
na przekrojach
PL – DE
CZ – DE
na przekrojach
PL – DE i CZ – DE
PL – DE i CZ – DE
27,5
18,9
8,4
45,4
15,7
11,1
4,6
26,1
11,7
7,8
3,9
19,3
19,1
37,7
18,4
55,8
12,0
18,8
6,7
30,2
5,5
11,2
6,2
17,0
1,6
7,1
5,5
8,6
29,3
20,5
8,2
48,7
17,1
12,2
4,5
28,4
12,3
8,3
3,7
20,3
20,2
38,9
18,5
58,1
14,0
20,7
6,5
34,0
5,2
12,0
6,8
16,9
1,0
6,2
5,2
7,2
31,0
21,4
9,5
51,6
21,4
39,2
17,7
59,7
31,8
21,9
9,8
52,9
21,5
39,1
17,4
59,7
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
Carlini E. M., Manduzio G., Bonmann D.: Power Flow Control on the Italian Network by
Means of Phase-shifting Transformers. CIGRE Session 2006. August 2006, Paris,
France, p. A2-206.
Häger U., Schwippe J., Görner K.: Improving network controllability by coordinated
control of HVDC and FACTS devices. Dostępny w WWW: <http://realisegrid.rseweb.it/content/files/File/Publications%20and%20results/Deliverable_REALISEGRID_1.
2.2.pdf>. [27 April 2010].
Hluben D., Kolcun M.: Use of PST in transmission system of the Slovak Republic.
„Przegląd Elektrotechniczny” 2011, nr 2, s. 79-82.
International Standard, IEC 62032; IEEE C57.135. Guide for the application,
specification and testing of phase – shifting transformers. First edition, March 2005.
Klimpel A., Lubicki W.: Wybrane zagadnienia doboru przesuwników fazowych.
Konferencja NOT pt. „Aktualne problemy budowy, rozwoju i eksploatacji sieci
elektroenergetycznych w Polsce”. Warszawa, 9 grudnia 2010, s. 35-51.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21
Kling W.L., Klaar D., Schuld J., Kanters A., Koreman C., Reijnders H., Spoorenberg C.:
Phase shifting transformers installed in the Netherlands in order to increase available
international transmission capacity. CIGRE Session 2004. August 2004, C2-207.
Kocot H., Korab R., Przygrodzki M., Żmuda K.: Dobór głównych parametrów
przesuwników fazowych dla zachodnich połączeń transgranicznych KSE. „Przegląd
Elektrotechniczny” 2014, nr 4, s. 124-127.
Kocot H., Korab R., Przygrodzki M., Żmuda K.: Zastosowanie przesuwników fazowych
do sterowania przepływami mocy na połączeniach transgranicznych KSE. „Przegląd
Elektrotechniczny” 2013, nr 9, s. 282-285.
Kranhold M., Bäck C., Norlund F., Eriksen P.B., Müller-Mienack M., Ziemann O.,
Paprocki R., Styczyński Z.: Rozwój współpracy międzyoperatorskiej w obliczu nowych
wymagań w zakresie zarządzania systemem elektroenergetycznym. „Elektroenergetyka –
Współczesność i Rozwój” 2011, nr 2, s. 62-71. Dostępny w WWW:
<http://www.elektroenergetyka.org/8/62.pdf>.
Machowski J.: Elastyczne systemy przesyłowe FACTS. „Przegląd Elektrotechniczny”
2002, nr 7, s. 189-196.
Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.
Majchrzak H., Purchała K.: Przepływy nieplanowe i ich wpływ na bezpieczeństwo pracy
systemu elektroenergetycznego. „Elektroenergetyka – Współczesność i Rozwój” 2012,
nr 3-4, s. 8-15.
Majchrzak H., Tomasik G., Owczarek D., Purchała K.: Cross-border unplanned flows in
European power system as obstacle towards Integrated Electricity Market. CIGRE 7 th
Southern Africa Regional Conference. 7-11 October 2013, Somerset West, South Africa,
p. CL305.
Nowak J.: Zabezpieczenia wielkich przesuwników fazowych na liniach
transgranicznych. „Wiadomości Elektrotechniczne” 2014, nr 2, s. 29-36.
Ptacek J., Modlitba P., Vnoucek S., Cermak J.: Possibilities of applying phase shifting
transformers in the electric power system of the Czech Republic. CIGRE Session 2006.
August 2006, Paris, France, p. C2-203.
Rimez J., Van Der Planken R., Wiot D., Claessens G., Jottrand E., Declercq J.: Grid
implementation of a 400 MVA 220/150 kV –15°/+3° phase shifting transformer for
power flow control in the Belgian network: specification and operational considerations.
CIGRE Session 2006. August 2006, Paris, France, p. A2-202.
Verboomen J., Van Hertem D., Schavemaker P.H., Kling W.L., Belmans R.: Phase
shifting transformers: principles and applications. International Conference on Future
Power Systems. 16-18 November 2005, Amsterdam, Netherlands.
Warichet J., Leonard J.L., Rimez J., Bronckart O., Van Hecke J.: Grid implementation
and operational use of large phase shifting transformers in the Belgian HV grid to cope
with international network challenges. CIGRE Session 2010. August 2010, Paris, France,
p. C2-207.
www.entsoe.eu – European Network of Transmission System Operators for Electricity
(ENTSO-E). Regional Investment Plan Continental Central East. Dostępny w WWW:
<https://www.entsoe.eu/fileadmin/user_upload/_library/SDC/TYNDP/2012/120705_CC
E-RegIP_2012_report_FINAL.pdf>. [5 July 2012].
www.nik.gov.pl (NIK).
Wystąpienie pokontrolne. Dostępny w
WWW:
<http://www.nik.gov.pl/kontrole/wyniki-kontroli-nik/pobierz,kgp~p_13_055_
201306271454471372337687~id2~01,typ,kj.pdf>. [11.06.2014].
22
21. www.pse.pl (PSE S.A.). Joint study by ČEPS, MAVIR, PSE Operator and SEPS,
Unplanned flows in the CEE region in relation to the common market area GermanyAustria. Dostępny w WWW:
<http://www.pse.pl/uploads/pliki/Unplanned_flows_in_the_CEE_region.pdf>. [January
2013].
22. www.pse.pl (PSE S.A.). Position of ČEPS, MAVIR, PSE Operator and SEPS regarding
the issue of Bidding Zones Definition. Dostępny w WWW: <
http://www.pse.pl/uploads/pliki/Position_of_CEPS_MAVIR_PSEO_SEPSBidding_Zones_Definition.pdf>. [March 2012].
23. Ziemianek S.: Model matematyczny – do analiz zakłóceniowych stanów pracy –
uninapięciowego przesuwnika fazowego (z symetrycznym, zgodnym napięciem
dodawczym). „Przegląd Elektrotechniczny” 2013, nr 9, s. 196-199.
24. Ziemianek S.: Model matematyczny uninapięciowego przesuwnika fazowego (z symetrycznym napięciem dodawczym) do analiz ustalonych i quasi-ustalonych stanów
pracy symetrycznych fazowo. „Przegląd Elektrotechniczny” 2013, nr 8, s. 16-22.
25. Ziemianek S.: Model matematyczny – do analiz zakłóceniowych stanów pracy – zespołu
transformatorowego z trapezoidalnym zakresem regulacji przekładni zespolonej.
„Przegląd Elektrotechniczny” 2013, nr 7, s. 105-110.
26. Ziemianek S.: Model matematyczny zespołu transformatorowego z trapezoidalnym
zakresem regulacji przekładni zespolonej do analiz ustalonych i quasi-ustalonych stanów
pracy symetrycznych fazowo. „Przegląd Elektrotechniczny” 2013, nr 6, s. 143-151.
Mgr inż. Sławomir BIEROŃSKI
Dr hab. inż. Roman KORAB
Mgr inż. Robert OWCZAREK
Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny
Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów
ul. Bolesława Krzywoustego 2
44-100 Gliwice
tel. (32) 237 12 52; e-mail: [email protected]
tel. (32) 237 14 82; e-mail: [email protected]

Zeszyty Naukowe Elektryka - Sparse Matrices

Transkrypt

Podobne dokumenty

MicroDriver - Mikroenergetyka

H.0103.C tłumaczenie

Mindy A500 - Art-Met

Biebrzański Park Narodowy

Minimalne wymagania dla układu pomiarowego służącego

PILLAR WE