Řízení toků výkonů v ES 230 MVar SVC (Static Var Compensator ) systém v ES (řízení napětí a činných výkonů)

Hlavní důvody potřeby řízení toků výkonů Výskyt nových úzkých míst v sítích v souvislosti s rostoucími výměnami el. energie a to hlavně mezistátními. Přetěžování vedení v údržbových a neúplných stavech sítě. Omezení rizika přetěžování vedení vnitřní sítě vlivem nevhodného provozu zdrojů (například velkých větrných parků – Německo). Rizika výpadků a přerušení zásobování v jednotlivých oblastech. Omezení nevyžádaných obchodních případů (tranzitů). Optimalizace provozu přenosových sítí (např. ztráty činného výkonu). Nedostatečná účinnost klasických řešení rozvoje sítí. Zamezení možnosti šíření velkých systémových poruch.

Rozložení toků v soustavě – based flow Tok elektřiny směřuje vždy od zdroje ke spotřebě. V synchronně propojené soustavě je tedy tok ovlivněn všemi zdroji, veškerou spotřebou a topologií sítě v daném okamžiku. Celou propojenou soustavu si tedy můžeme představit jako model tvořený z uzlů (kontrolní oblast, TSO, stát), které jsou definovány bilancí spotřeby a výroby, a větví (souhrn všech propojení mezi dvěma uzly tvoří jednu větev). Větve jsou popsány limitní hodnotou přenosu.

Vymezení problematiky

Plánované = obchodní výměna Vznik sald mezi ES Plánované = obchodní výměna nový nulový bod pro chod propojených soustav je nutné spočítat rozložení = paralelní toky Neplánované = vliv vyrovnání bilanční rovnice v jednotlivých ES změnou skladby bilanční rovnice = kruhové toky Lokalizace větrných elektráren na severu Německa v regulačních zónách E.ON a 50HzT , dochází k transportu vyrobené větrné energie do zbývajících dvou zón RWE a EnBW na základě určených kvót podílu na spotřebě větrné energie. Tato výměna způsobuje vysoké tranzitní toky napříč německou soustavou včetně paralelních kruhových toků přes okolní soustavy. Vlivem těchto silných tranzitních toků dochází k nárůstu: zatížení přenosových prvků nedodržení kritéria N -1 přetížení přenosových prvků a nárůstu ztrát.

Změna based load vlivem změny toků v propojených ES Při based load jsou toky mezi propojenými soustavami = salda = 0 ΔPg ΔPg ES 1 ES 2 ΔPg2 Δ Pg2 = ΔP = 100

Reálná situace v UCTE - Union for the Coordination of the Transmission of Electricity

Kritérium N-1

Kritérium N-1 – výpadek V 430

Udržení systémové funkce ES Zvyšovaní přenosové kapacity existujících, resp. výstavba nových vedení Změna výkonových toků v ES Kompetence provozovatele soustavy k řízení toků výkonů vyplývá z § 24 Energetického zákona Standardní prostředky rekonfigurace - změna impedanční matice soustavy zapojením ES redispečing, protiobchod - změna injektovaných výkonů do ES Aktivní prostředky změna impedanční matice – bez změny topologie sítě = TPR a PST (transformátory s příčnou regulací a s regulací fáze) FACTS - Flexible Alternating Current Transmission System - pružný střídavý přenosový systém (moderní prostředky založené na výkonové elektronice) Stejnosměrné propojky

Použití redispečinku a rekonfigurace 19.11.2008 - ČEPS

Vysokonapěťový jednosměrný přenos (HVDC) Pomocí straníc HVDC je možné rychle a plynule řídit tok činného výkonu jak co do hodnoty, tak i směru (s příslušnými účinky na připojenou AC ES). Vzhledem na vysokou cenu měničových straníc není použití tohoto prostředku na regulaci toku činného výkonu v nejbližší době v ES vhodné. Provozované JS stanice v Evropě •Velká Británie – Francie 270 kV (pod. kabel) •Norsko – Dánsko 2x250, 350 kV (kabel) •Švédsko – Dánsko 250, 285 kV (kabel) •Švédsko – Německo 450 kV (kabel) •Švédsko – Polsko 450 kV (kabel) •Řecko – Itálie 550 kV (kabel) •Itálie – Korsika 200 kV (kabel) •Korsika – Sardinie 200 kV (kabel) •Rusko – Finsko (vložená JS spojka)

Teorie řízení střídavých výkonových toků v ES Výkonové toky na linkách ES mohou být ovlivněny změnou základních elektrických parametrů, zejména impedancí vedení a uzlových napětí.

ò 1 U u(t)2dt = T 2 p(t ) = u(t) . i(t) u(t) = Umax cos(wt + φu), Okamžitý výkon střídavého (sinusového) proudu, který je zpožděn za napětím o úhel φ p(t ) = u(t) . i(t) u(t) = Umax cos(wt + φu), i(t) = Imax cos(wt + φi). T 1 U ò u(t)2dt = max T 2 Euler: ejφ= cos(φ +jsin φ) u(t) = (2)/U/ cos(wt + φu), i(t) = 2)/U/ Re[ej(wt + φu)]. hodnoty fázorů:

Stanovení výkonu ( S je komplexní číslo ale ne fázor)

Zákon zachování energie V každém uzlu (node, přípojnice = bus) ES: Suma činných výkonů přitékajících do uzlu = 0, Suma jalových výkonů přitékajících do uzlu = 0. Toto je důsledkem Kirchhoffova zákona - součet proudů přetékající do uzlu = 0. Součet činných a jalových výkonů a je tedy: S = UI*

Výkonové toky na vedení

Fázorový diagram

Možnosti řízení výkonů

Princip přenosu činného výkonu P vedením Řízení toků výkonů Podélná kompenzace Příčná kompenzace UPFC

Změna úhlu natočení

Transformátory bez úhlové regulace Pro stav naprázdno a to jak pro střední odbočku, tak i pro všechny odbočky jsou vstupní a výstupní napětí na odpovídajících svorkách ve fázi ( bez úhlového posunu) Transformátory s úhlovou regulací Již ve stavu naprázdno a to jak pro regulaci odbočkami, tak v některých případech i pro střední odbočku nejsou vstupní a výstupní napětí na odpovídajících svorkách ve fázi – jsou úhlově natočena Transformátory s úhlovou regulací jsou v podstatě všechny transformátory, které mají přídavné napětí (vlivem regulace odboček) fázově natočeno vůči napětí ke kterému je regulace přidávána Dělení transformátorů s příčnou regulací – různé, z praktických hledisek TPR – transformátory s příčnou regulací PST – transformátory pro regulaci fáze Zdroj: EGÚ Brno, Ing.J.Ptaček,Ph.D.

Transformátory s uhlovou regulaci PST (Phase Shifting Transformers) regulační (budící) transformátor zařízení s výrazným regulačním vlivem, ekonomicky přístupnější oproti FACTS

Závislost přenášeného výkonu na regulačním uhlu PST maximální regulační rozsah PST je cca 30° až 40° linearizace pracovní oblast

PST

PST na úzkych profilech v Europě

Využití transformátorů s příčnou regulací v Evropě Navýšení přenosové kapacity ve směru na Německo o cca 1100 MW Udržování konstantních toků výkonů po profilech Zdroj: EGÚ Brno, Ing.J.Ptaček,Ph.D.

Příklad modelového výpočtu využití transformátoru PST pro regulaci tranzitu přes ES

Negativní vlivy PST na poměry v sítích (PS, 110 kV): V některých ES (částech sítě) dochází vlivem užití PST ke zvýšení ztrát činného výkonu, v jiných ES (zahraničních) může docházet i ke snížení ztrát. Toto může být předmětem poměrně vážných diskusí výhodnosti instalace PST. V celém propojeném systému (soustavě) jsou však ztráty výkonu vlivem PST vždy větší (jak vlivem ztrát na vlastním PST, tak vlivem ztrát od přídavných toků vynucených PST). Vytlačení toků z některých částí sítě (vedení) může způsobit přetěžování v jiných částech sítě. To se může projevit i v jiných soustavách (sousedních, nebo i vzdálenějších) což může vést k problémům. Užití PST může vyvolávat také problémy související s provozem sítě s velkými rozdíly zátěžných úhlů (například provoz (spínání) souvisejících uzlových oblastí 110 kV). V případě spolupráce PS se 110 kV s umístěnými PST – riziko přetěžování 110 kV Chránění PST je na rozdíl od standardních transformátorů poměrně komplikované

Specializované prostředky na regulaci toků činného výkonu v ES Základní rozdělení FACTS: sériové paralelní kombinované (sério-paralelní) Rozdělení podle řízení příslušného parametru: 1. FACTS regulující podélnou impedanci (TCSC, TSSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) 2. FACTS injektující napětí v sérii s kompenzovaným vedením (SSSC) 3. FACTS regulující příčnou admitanci (SVC) 4. FACTS injektující proud paralelně s kompenzovaným napětím (STATCOM) 5. Kombinované (např. UPFC – kombinace SSSC a STATCOM)

TCSC – Tyristorově řízená sériová kompenzace Mění impedanci přenosové cesty a tím ovlivňuje toky výkonů v sítích Použití : Rz. Stoede (Švédsko), Rz. Kayenta (USA) Zvýšení přenosových schopností vedení, zabránění subsynchronním oscilacím Zdroj: EGÚ Brno, Ing.J.Ptaček,Ph.D.

SSSC - Static Synchronous Series Compensator princip regulace toku P spočívá v injektovaní řízeného střádavého napěli Uq do série s vedením, které je fázově posunuté oproti proudu tekoucím vedením o +,- 90° SSSC se chová jako regulovatelná L nebo C v sérii s vedením, které mění tok P změnou podélné impedance vedení (podobně jako TCSC), základem SSSC je VSC (Voltage Source Converter) – napěťový 3-fáz. měnič, který umožňuje regulovat velikost a fáze výstupního napětí UC.

UPFC – Univerzální regulátor výkonu Účinná kombinace sériové a paralelní kompenzace Nezávislé ovlivňování toků činného a jalového výkonu Aplikace : Rz. Inez (USA) – napětí 138 kV, zvýšení přenosové schopnosti dlouhých vedení napájející konzumní oblast, regulace napětí Zdroj: EGÚ Brno, Ing.J.Ptaček,Ph.D.

Srovnání základních vlastností a regulačních účinků specializovaných prostředků pro regulaci toků výkonů v sítích Zdroj: EGÚ Brno, Ing.J.Ptaček,Ph.D.

Vznik mezisystémových kyvů problém provozu propojených soustav FACTS jsou schopny tyto kyvy tlumit a zvyšují tím stabilitu soustavy Výpadek bloku 300 MW ve Španělsku

FACTS -Typické investiční náklady Operating range [MVAr] Náklady na výstavbu vedení Příjmy ze zvýšení přenosu

Lepší využití existujících vedení Výhody FACTS Lepší využití existujících vedení Zvýšení spolehlivosti a dostupnosti Zvýšení dynamické stability Zvýšení kvality dodávky elektřiny Ochrana životního prostředí (neznečišťují , není nutné stavět nová vedení)

Aktuální (plánované) rozvojové akce Posílení schématu PS Příčná spojka 400 kV Čechy Střed – Bezděčín Nové vedení 400 kV Krasíkov – H. Životice Zdvojení vedení 400 kV Nošovice – Prosenice Vyvedení výkonu nových VtE do PS Rozvodna 400kV Vernéřov připojená z R Hradec Vyvedení výkonu nového bloku ELE 660 MW R 400 kV Chotějovice Nové vedení 400 kV Chotějovice – Výškov Nové vedení 400 kV Chotějovice – Babylon Rozšíření transformačních vazeb 400/110 kV ve stanicích Čebín Týnec Neznášov Zvyšování přeshraniční přenosové kapacity Zdvojení vedení 400 kV Slavětice – Dürnrohr

Plánovaný rozvoj PS v letech 2005 - 2015 8 6 7 1 5 2 3 4

Závěr Prostředky pro řízení toku výkonu jsou v PS stále více používány. Instalací FACTS je ve světě málo, důvodem je jejich vysoká cena. Technické schopnosti řízení výkonu pomocí FACTS jsou vynikající. Nejrozšířenější v PS je použití PST. Nasazení prostředků pro řízení výkonu v propojených sítí (typů soustavy ČR) je omezeno. ČEPS se na základě studií a rozborů rozhodl řešit situaci vzniku congestions „klasickým způsobem“ – posilováním a stavbou nových vedení.