Regulace f v propojených soustavách MR pr. 5 Regulace f v propojených soustavách

Obsah přednášky: Výkonové zálohy požívané pro udržení kvalitativního parametru v propojených soustavách. Princip regulace kvalitativního parametru f v propojených soustavách Primární regulace princip solidarity. Sekundární regulace princip neintervence. Terciální regulace

Základní schéma řešení regulace f v ES na straně výroby Bilanční rovnováha ES je dorovnávána elektrárenskými zdroji. V rozsahu svých RR mají RP, které se využívají pro regulaci frekvence v síti. Tato regulace se provádí ve třech stupních: Primární automatické přizpůsobování výkonu zdrojů požadovanému zatížení Sekundární vyrovnání frekvence na jmenovitou hodnotu 50 Hz Terciární obnovení RP pro primární a sekundární regulaci

Kvalitativní parametr - kmitočet v ČR - ČEPS

Četnost odchylek kmitočtu - ČEPS

Systémové služby ES Prostředky na zajištění SyS: Zajištění PpS: Služby zajišťující kvalitu, bezpečnost a spolehlivost dodávky elektřiny z ES – definovány v Kodexu přenosové soustavy – zajišťuje PPS udržování kvality elektřiny udržování výkonové rovnováhy v reálném čase obnovení provozu dispečerské řízení Technicko-organizační prostředky pro zajištění SyS - ČR udržování primární regulační zálohy (PR) sekundární regulace frekvence a předávaných výkonů (SR) výkonová záloha pro obnovení PR, SR - terciární regulace výkonu (TR) zajištění dispečerské zálohy sekundární regulace napětí a jalových výkonů terciární regulace napětí a jalových výkonů zajištění stability přenosu obnovování provozu po úplném nebo částečném rozpadu soustavy (ztrátě napájení) zajištění kvality napěťové sinusovky Prostředky na zajištění SyS: vlastní prostředky PS prostředky uživatelů PS, kteří poskytují podpůrné služby PpS Zajištění PpS: nákupem od zdrojů těchto služeb v ES ČR i v okolních soustavách vlastními prostředky (regulace Q, obrana proti šíření poruch)

Podpůrné služby Služby nutné k zajištění systémové funkce soustavy pokrytí požadované spotřeby v požadovaném čase, kvalitě s požadovanou spolehlivostí Požadavky na PpS měřitelnost – se stanovenými kvantitativními parametry a způsobem měření garantovaná dostupnost služby během denního, týdenního a ročního cyklu s možností vyžádat si inspekci certifikovatelnost – stanovený způsob prokazování schopnosti poskytnout služby pomocí periodických testů možnost průběžné kontroly poskytování Každý nový zdroj nad 30 MW musí poskytovat PpS (dle EZ).

Dispečerská záloha – pokrytí dP podpůrné služby, které nakupuje od výrobců případně i odběratelů elektřiny: Sekundární a terciární regulace P bloku (SR a TR) Rychle startující 10-ti minutová (QS10) a dispečerská záloha (DZt) Změna zatížení (ZZ30) Snížení výkonu (SV30) Vltava (VSR). nákup regulační energie (především na základě smluv o dodávce regulační energie ze zahraničí), havarijní výpomoci ze sousedních soustav (na základě smluv se sousedními provozovateli PS), v případech stavů nouze i snížení spotřeby podle regulačního a vypínacích plánu.

Systémová služba udržování výkonové zálohy

Čerpání podpůrných služeb

PpS – Primární regulace frekvence (PR) rezervování části výkonového rozsahu bloku, zapojení primárního regulátoru na bloku primární regulátor v závislosti na změnách frekvence v síti automaticky upravuje okamžitý výkon bloku v zadaném rozsahu – statika primárního regulátoru nastavená tak, aby celý rozsah primární regulace (jedna polarita) stroje odpovídal odchylce frekvence: 200 mHz pro bloky do 300 MW 100 mHz pro bloky nad 300 MW zdroj musí dodat požadované množství regulační zálohy (RZPR) do 30 s od okamžiku vzniku odchylky frekvence max. velikost vykupované RZPR (regulační záloha PR) je 10 MW, min. 3 MW maximum z důvodu omezení vlivu výpadků bloků poskytujících tuto PpS na souhrnnou zálohu

Obnovení frekvence v ES –sekundární regulace f •Sekundární regulátor zpracovává regulační odchylku G (obyčejně má PI charakter) a rozděluje ji mezi jednotlivé regulační bloky (poskytující podpůrnou službu sekundární regulace) podle participačních koeficientů. • Pokud nastavená konstanta odpovídá přesně výkonovému číslu regulované soustavy, nereaguje regulátor při vzniku výkonové nerovnováhy mimo regulovanou soustavu, a tím je zajištěn princip neintervence. • Proces sekundární regulace f a P je realizován vysíláním žádané hodnoty výkonu ze sekundárního regulátoru na regulační bloky. • Činnost sekundární regulace f a P by měla obnovit zadané hodnoty frekvence a předávaných výkonů (ACE=0) do 15 min. od vzniku nerovnováhy. Pd = - k  G -

Působení primární a sekundární regulace

PpS – Sekundární regulace výkonu bloku (SR) schopnost změnit výkon bloku na základě signálu automatického regulátoru ústředního dispečinku PPS výkonové pásmo pro SR musí být dosažitelné do 10 min od signálu regulátoru určenou rychlostí min. velikost RZSR (+, -) na 1 bloku je 10 MW a max. velikost RZSR (+, -) na 1 bloku je 70 MW min. rychlost změny je 2 MW/min SR na 1 bloku je poskytována symetricky základní nasazený výkon bloku je uprostřed pásma rezervovaného pro SR RZSR = ½ * RRSR jeden poskytovatel s více bloky na nich může mít SR rozloženou nesymetricky, avšak v součtu musí být poskytovaná SR vždy symetrická využití pro regulování fluktuace zatížení při poruchových výpadcích výrobních zařízení s cílem udržet saldo předávaných výkonů se sousedními propojenými soustavami velikost změny výkonu závisí na regulační odchylce a podílu SR zdroje na celkové SR záloze ES ČR

Schéma přerozdělení výkonu v SR f

Sekundární regulace f a salda předávaných výkonů centrálně koordinovaná SyS na úrovni ES ČR, zajišťovaná PPS cílem je udržovat saldo předávaných výkonů s propojenými soustavami na sjednané hodnotě (ACE = 0) a frekvenci na jmenovité hodnotě výše odvozena od max. denní brutto spotřeby a velikosti instalovaného výkonu největšího bloku v soustavě zajišťuje automatický sekundární regulátor frekvence a předávaných výkonů na dispečinku PS prostřednictvím terminálů elektráren regulační odchylka je rozdělena na všechny zdroje poskytující SR v poměru šířek pásem pro SR odchylka musí být vyregulována do 15 min od svého vzniku do SR se počítá jakýkoliv výkon dostupný do 15 min - točivá záloha, rychle startující studená záloha (VE, PVE, PSE), havarijní výpomoc ze zahraniční soustavy v rámci UCTE je založena na principu neintervence vzniklou odchylku dorovná pouze soustava (reg. oblast), v níž odchylka vznikla vyregulováním odchylky dojde k obnově PR zálohy tj. návrat primárních regulátorů turbín na střed regulačního pásma a frekvence na 50 Hz ACE = DP + K*Df (MW)

Propojené soustavy v Evropě - ENTSO-E European Network of Transmission System Operators for Electricity NORDEL BALTSO UKTSOA ATSOI UCTE

Výhody synchronně propojených elektrizačních soustav možnost použít v ES menší hodnotu regulačního výkonu, zvláště pro primární regulaci jednodušší a méně provozně náročné řešení provozních stavů bezprostředně po výpadcích elektrárenských bloků vyšší kvalita dodávané elektrické energie v důsledku menších odchylek frekvence od jmenovité hodnoty možnost havarijní výpomoci mezi soustavami zvýšení spolehlivosti, jednodušší řešení poruchových stavů a menší náchylnost k jejich výskytu optimalizace využití instalovaných kapacit, účast na mezinárodním obchodě s elektrickou energií Pro naplnění výhodné spolupráce je nutné splnit v jednotlivých soustavách zajistit: odpovídající systém primární a sekundární regulace spolehlivost chodu každé soustavy - kritérium „N-1“ minimalizaci přetoků jalových výkonů mezi soustavami metodika řešení návratu provozu soustavy z výstražného a krizového stavu do normálních podmínek: frekvenčního odlehčování plán obrany proti šíření poruch plán obnovy po rozpadu propojených soustav - black-out dostatečná přenosová kapacita mezi propojenými soustavam - minimálně 2 přenosová vedení

Synchronní spolupráce ENTSO-E 41 PPS z 34 evropských zemí • roční výměna mezi členskými PPS 400 TWh • počet spotřebitelů 532 milionů instalovaný výkon 880 GW • roční spotřeba 3 200 TWh • 305 000 km přenosových linek UCTE =Union for the Coordination of the Transmission of Electricity NORDEL BALTSO = Baltic Transmission System Operators ATSOI = Association of the Transmission System Operators of Ireland UKTSOA =UK Transmission System Operators Association ETSO ENTSO-E CE: výkonové číslo cca 16000 ÷ 20000 MW/Hz

SyS v propojených soustavách V UCTE jsou PR a SR základní systémové služby: požadavek na PR vychází z návrhové výpadku zdroje 3000 MW, který nesmí způsobit pokles frekvence o více než 200 mHz (cílem je zastavení růstu odchylky frekvence) statika primárních regulátorů turbín 8% předepsaná hodnota PR v ES odpovídá podílu vyrobené energie dané ES (regulační oblasti) k součtu vyrobené energie všech propojených soustav UCTE ES ČR připadá podle pravidel UCTE hodnota 84 MW dostupných v každém okamžiku tj. i v okamžiku výpadku zdroje zapojeného v PR → hodnota se zvyšuje o největší jednotkový rozsah zapojené PR (10 MW) - splnění spolehlivostního kritéria n-1 PR musí vyregulovat odchylku do 30 s po výpadku PR funguje autonomně v regulačních oblastech (daná sumární záloha a statika) generátory zapojené do PR reagují pouze na změnu f nezávisle na dalších vlivech automatická SyS na úrovni UCTE založená na principu solidarity při narušení rovnováhy mezi výrobou a spotřebou se na vyrovnání odchylky podílejí všechny zdroje propojených soustav, které jsou do systému PR frekvence zapojeny (ostatní regulují na původní výkon) do doby, kdy soustava, v níž regulační odchylka (ACE) vznikla, tuto odchylku zreguluje

Primární a sekundární regulace f v propojených soustavách ΔPg ΔPg Pg2PS2 = ΔP ES 1 ES 2 ΔPg1 ΔPg2 Δ Pg2+ Δ Pg1 = ΔP primární regulační rezerva jednotlivých regulačních oblastí (ACG) se určuje na základě bilance výroby a spotřeby v RO podle vztahu výkonu jednotlivých oblastí.

Primární a sekundární regulace v propojených soustavách

Rychlost aktivování primární regulační rezervy

Příspěvek regulačních oblastí do PR Pi – primární regulační reserva i-té regulační oblasti ci – koeficient účasti i-té regulační oblasti Pc – celková primární regulační reserva v UCTE (3000 MW) Ei – roční výroba (včetně exportů) v i-té regulační oblasti E – roční výroba v propojené soustavě UCTE každý rok se vypočítá výkon, který musí být pokryt v PR příslušnou RO se zadaného ci

Přibližné rozdělení celkové primární regulační rezervy v propojení UCTE

Poddíl jednotlivých ES v primární regulaci

Vyhodnocení ACE mezi soustavami ACE =DP + KDf Df – odchylka od jmenovité frekvence K – konstanta regulátoru [MW/Hz] - nastavena na hodnotu výkonového čísla soustavy = součet výkonových čísel generátorů zařazených v jednotlivých ES do regulace Prostřednictvím komunikačních kanálů jsou posílány impulzy na elektrárny které jsou zařazeny do sekundární regulace f, aby dorovnaly výkon v příslušné soustavě, tak aby byla dodržena referenční hodnota výkonu (dohodnutá) mezi soustavami.

Regulační odchylka regulátoru turbíny [MW;MW, min] GG = PG + PžG - PG = - DPd = - k × G -

Působení sekundárního regulátoru Aby působil sekundární regulátor jen té regulační oblasti v které nastala porucha, musí být všechny Kri (konstanta sekundárního regulátoru i-té soustavy) nastavené na hodnotu výkonového čísla i-té soustavy) Aby sa zabezpečilo dostatečné zesílení sekundární regulace určí se součet všech zesílení jednotlivých soustav: Kru = Kr1 + Kr2 +..... + Krn = 1,1  uo uo=18000 MW/Hz Přizpůsobení hodnot Kri se uskutečňuje jednou za rok spolu s koeficienty účasti ci

Určení výkonového čísla soustavy Výkonové číslo regulační oblasti můžeme zjistit při poruše jako poměr změny salda naměřeného na hranicích regulační oblasti a kvazi=statické odchylky frekvence f, která vznikla poruchou saldo [MW] frekvence [Hz] čas [s] P= 31MW , f = -48mHz ---- K= 645MW/Hz

Působení sekundárního regulátoru Parametry regulace ki a Tri musí být nastavené tak aby, obnoveni frekvence a salda na požadovanou hodnotu sekundárním regulátorem začalo prakticky několik vteřin po vzniku odchylky frekvence, nejpozději do 30 vteřin, kdy je dodaná největší hodnota výkonu z primární regulace. Sekundární regulace musí, svojí činnost ukončil cca za 15 minut. Regulační parametry ki a Tri jsou mezi sebou úzko propojené. V současností proporcionální konstanta ki regulátora soustavy se nastavuje na hodnotu mezi 0 až 0,5 (doporučené nastaveni). Časová konstanta Tri určuje rychlost práce sekundárního regulátoru s kterou regulátor reguluje výkon zúčastněných generátorů. V současností pro časovou konstantu Tri je doporučené nastaveni na hodnotu 50 až 200 sec. Doporučená rezerva pro sekundární regulaci je: R = - 150 [ MW ] kde L - očakávané zatížení v regulační oblasti

Vyregulovaní poruchy dvou propojených soustavách A a B

Předpoklady výpočtu Výpočet je proveden na principu solidarity, tj. při výpadku v soustavě B zdroje o velkosti Pa je sníženi frekvence úměrné součtu výkonových čísel jednotlivých soustav. Pokles zjistíme ze vztahu: Kde: Je součet výkonových čísel regulačních oblastí A a B.

Výkon aktivovaný jednotlivými regulačními oblastmi Součet výkonu, který byl aktivován regulátory primární frekvence v jednotlivých oblastech: Pomocí vztahu jímž je definováno výkonové číslo jde vztah přepsat: Příspěvek primární regulace v propojených soustavách (výkon o který se zvýší výroba v elektrárnách zapojených do primární regulace): DPv se rovná výkonu, který ze soustavy A vypadnul a má výkonovou hodnotu Pa

Regulační proces sekundární regulace frekvence v propojených soustavách při výpadku výkonu Pa v soustavě B Výpočet by měl prokázat princip sekundární regulace v propojených soustavách, tj. princip neintervence. v ES ČR se používá následující značení: výkon tekoucí ze soustavy se značí (-) výkon tekoucí do soustavy se značí (+) Regulátor regulační oblasti pro regulaci činného výkonu/frekvence musí byť proporcionálně – integračního charakteru podle následující rovnice: DPd = - k × G - [MW;MW, min] Regulační odchylky sekundárních regulátorů: GA = - (-PVA) f [MW]

Regulační odchylka sekundárního regulátoru v oblasti A DPVA- výkon, který aktivovala primární regulace v soustavě Při rovnovážném stavu v soustavě A teče výkon aktivovaný primární regulací do místa nedostatku (do soustavy B). Na regulátoru můžeme nastavit konstantu regulátoru rovnou výkonovému číslu soustavy KrA= KA, potom platí: Dosazením za Df dostáváme: Dosazením za DPVA, pak můžeme psát: Sekundární regulace v soustavě A nereaguje na výpadek v B (regulační odchylka GA=0).

Regulační odchylka v soustavě B Na regulátoru můžeme nastavit KrB= KB, potom platí: Dosazením za Df dostáváme: Druhý člen rovnice je výkon aktivovaný v soustavě B: Regulační odchylku GB dosadíme do rovnice sekundárního regulátoru:

Regulační odchylka v soustavě B Regulační odchylka sekundárního regulátoru soustavy B: Po úpravě této rovnice dostáváme: Z rovnice je patrné, že za určitý čas dojde ke zvýšení výkonu v soustavě B o hodnotu Pa podle nastavených konstant b a T

Frekvence ENTSO-E CE 19.2.2011

PpS – Terciární regulace výkonu bloku využívá se k obnovení vyčerpané sekundární regulace výkonový rozsah dosažitelný do 30 min od vyslání signálu aktivace automaticky po signálu nebo ručně obsluhou po požadavku dispečera aktivace výkonu vždy v plné výši (technologické důvody kvůli pásmu SR), regulační rozsah je vždy v jedné polaritě RZTR- = RRTR-; RZTR+ = RRTR+ min. 10 MW/blok, max. 100 MW/blok minimální rychlost změny výkonu je 2 MW/min jako SyS není v UCTE definována, jen požadavek, aby každá soustava měla vždy schopnost obnovy SR v co nejkratší době

Klasifikace regulačních reserv (UCTE)