Zeszyty Naukowe Elektryka - Sparse Matrices
Transkrypt
Zeszyty Naukowe Elektryka - Sparse Matrices
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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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) Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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]) Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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 Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 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. S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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 Przepływ mocy czynnej, w MW 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 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 17 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 przekrój Czechy – Niemcy -2000 -2500 przekrój Polska – Niemcy -3000 -45 -30 -15 0 15 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 linia Mikułowa – Hagenverder 2000 1500 przekrój Polska – Niemcy Przepływ mocy czynnej, w MW Przepływ mocy czynnej, w MW 3500 linia Krajnik – Vierraden 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 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 30 45 przekrój Czechy – Niemcy -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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek a) b) 2500 2000 Przepływ mocy czynnej, w MW Przepływ mocy czynnej, w MW 2000 3500 3000 linia Mikułowa – Hagenverder linia Krajnik – Vierraden przekrój Polska – Niemcy 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 αPL-DE ð -45 αCZ-DE ð 45 -30 30 -15 0 15 15 0 -15 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 przekrój Czechy – Niemcy -30 30 -15 0 15 15 0 -15 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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. Wpływ regulacji przesuwników fazowych… 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 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek 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]