Analiza asymetrii napięć i prądów w układzie sieci elektroenergetycznego połączenia Polska Litwa

Transkrypt

1 Sylwester Robak, Jacek Wasilewski Politechnika Warszawska Analiza asymetrii napięć i prądów w układzie sieci elektroenergetycznego połączenia Polska Litwa Jednym ze strategicznych projektów Unii Europejskiej jest realizacja połączenia transgranicznego miedzy Polską i Litwą. Celem tej inwestycji jest stworzenie Elektroenergetycznego Pierścienia Bałtyckiego, zapewniającego wzmocnienie bezpieczeństwa energetycznego Polski i państw sąsiednich [1]. Planuje się połączyć polski i litewski system elektroenergetyczny za pomocą dwutorowej linii elektroenergetycznej 400 kv, prowadzonej między stacjami: Ełk Bis, w kierunku granicy RP, do stacji Alytus. Systemy elektroenergetyczne ENTSO-E (w tym Krajowy System Elektroenergetyczny) i litewski IPS/UPS mają docelowo pracować asynchronicznie. W związku z tym potencjalna wymiana mocy z Litwą będzie mogła być realizowana z wykorzystaniem stacji przekształtnikowych z wstawką prądu stałego typu Back-to-Back (BtB). Szczegóły realizacji planowanego połączenia Polska Litwa można znaleźć w publikacjach [1, 2]. Stworzenie połączenia międzysystemowego i uzyskanie określonej zdolności przesyłowej dla wybudowanej, umożliwiającej realizację wymiany międzysystemowej, wiąże się z rozbudową infrastruktury sieciowej północno-wschodniej Polski, obejmującą budowę nowych stacji elektroenergetycznych oraz setek kilometrów nowych linii przesyłowych. Planowana rozbudowa Krajowej Sieci Przesyłowej powinna być tak przeprowadzona, aby zagwarantowała poprawną pracę wstawki prądu stałego (BtB) łączącą systemy elektroenergetyczne Polski i Litwy. Ten referat prezentuje wybrane wyniki analiz w zakresie asymetrii napięć i prądów dotyczące projektowanego układu sieci elektroenergetycznej połączenia Polska Litwa. Wykonywane analizy asymetrii mają duże znaczenie teoretyczne i praktyczne, a ich wyniki będą miały odzwierciedlenie w procesie projektowania i budowy nowych linii napowietrznych. bowiem efektem asymetrii napięcia sieci jest ograniczenie obszaru bezpiecznej pracy przekształtnika. Stąd zwartość składowej kolejności przeciwnej napięcia ma istotne znaczenie dla poprawnej pracy stacji przekształtnikowych, instalowanych w systemie elektroenergetycznym, w tym stacji BtB w Alytusie na Litwie. Ponadto asymetria napięcia zasilającego wstawkę BtB przyczynia się do [4]: pojawienia się dodatkowej składowej pulsującej w napięciu (prądzie) po stronie DC, obniżenia dopuszczalnej mocy obwodu stałoprądowego, powstania dodatkowych harmonicznych w prądzie przemiennym (wzrost odkształcenia tego prądu), generowania harmonicznych niecharakterystycznych dla danej topologii przekształtnika oraz interharmonicznych. Do oceny asymetrii napięć i prądu stosuje się następujące współczynniki: a) współczynnik asymetrii napięcia: gdzie: U 1 U 2 wartość składowej symetrycznej kolejności zgodnej napięcia wartość składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia; b) współczynniki asymetrii prądu: (1) (2) Asymetria napięć i prądów Zjawisko asymetrii jest związane ze stanem, w którym wartość napięć fazowych lub/i kąty między kolejnymi fazami nie są sobie równe. Zjawisko asymetrii przejawia się przez asymetrię napięć zasilających oraz asymetrię prądów obciążenia. Jedną z przyczyn powstawania zjawiska asymetrii jest niesymetria parametrów fazowych linii napowietrznych na skutek niesymetrycznego ułożenia przewodów fazowych względem siebie oraz ziemi. Z punktu widzenia zapewnienia ciągłości pracy wstawki BtB, łączącej systemy Polski i Litwy, asymetria napięć sieci elektroenergetycznej wpływa na warunki komutacji, jak i warunki wysterowania tyrystorów przekształtników [3]. Powyższe oddziaływania są szczególnie istotne w pracy falownikowej przekształtnika, gdzie: I 2 I 0 I dd wartość składowej symetrycznej kolejności przeciwnej prądu, wartość składowej symetrycznej kolejności zerowej prądu, obciążalność długotrwała linii. Zawartość składowej kolejności przeciwnej w napięciu fazowym w sieci 400, 220 i 110 kv nie powinna przekraczać 1% składowej kolejności zgodnej (dopuszcza się wystąpienia (3) strona 61

2 BLACKOUT A KRAJOWY SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY '12 maksymalnej wartości 2%) oraz maksymalna wartość składowej kolejności przeciwnej i zerowej prądu w linii nie może przekraczać 10% obciążalności długotrwałej linii [5]. Cel i założenia do obliczeń Celem zadania badawczego było wyznaczenie, dla pełnego układu sieci (stan pracy N-0 ) rekomendowanego optymalnego układu faz dla nowoprojektowanych linii NN, na podstawie kryterium minimalizacji wybranego współczynnika asymetrii napięciowej lub prądowej [6]. W przypadku stwierdzenia braku możliwości dotrzymania dopuszczalnej niesymetrii napięciowej w węźle Alytus (2%) lub prądowej poprzez odpowiedni układ faz rozpatrywanych linii (także w stanach N-1 oraz przy dopuszczalnej 2% różnicy w indukcyjności dławików), należało przeanalizować zastosowanie przeplotu przewodów w poszczególnych liniach. Dla potrzeb analizy asymetrii wyodrębniono trzy etapy inwestycji polegającej na budowie połączenia elektroenergetycznego Polska Litwa: etap 2015, etap 2017 oraz etap Analizę należało przeprowadzić dla uprzednio wyodrębnionych trzech etapów, które dla celów realizacji analizy asymetrii zostały scharakteryzowane w następujący sposób: a) etap 2015 obejmujący budowę: stacji przekształtnikowej Back-to-Back 400 kv AC/DC/330 kv AC w Alytusie (ALY) na Litwie dla realizacji importu do 500 MW, stacji elektroenergetycznej 400/110 kv Ełk (ELK ), stacji elektroenergetycznej 400 kv Łomża Systemowa (LMS), rozdzielni 400 kv w SE Ostrołęka (OST), autotransformatora 400/220 kv, 500 MVA w SE Ostrołęka, 2-torowej linii 400 kv Ełk Alytus, 2-torowej linii 400 kv Łomża Systemowa Ełk, 2-torowej linii 400 kv Ostrołęka Łomża, 1-torowej linii Narew Łomża Systemowa; b) etap 2017 obejmujący budowę: budowę bloku 1000 MW przyłączonego do rozdzielni 400 kv w SE Ostrołęka, co jednocześnie umożliwi także eksport mocy na Litwę do 500 MW, budowę 2-torowej linii 400 kv Ostrołęka Olsztyn Mątki po trasie istniejących linii 220 kv Ostrołęka Olsztyn oraz Olsztyn Olsztyn Mątki, z jednym torem pracującym na napięciu 220 kv (w relacji Ostrołęka Olsztyn Olsztyn Mątki); c) etap 2020 obejmujący budowę: drugiego, równoległego modułu przekształtnika BtB w stacji Alytus dla umożliwienia realizacji wymiany mocy z Litwą do 1000 MW w obydwu kierunkach, stacji elektroenergetycznej 400 kv Stanisławów (STN) i wprowadzenie do niej linii 400 kv Miłosna Narew, 2-torowej linii 400 kv Stanisławów Ostrołęka po trasie istniejącej linii 220 kv Miłosna Ostrołęka. Docelowy układ KSE w obrębie połączenia Polska Litwa pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Mapa układu analizowanej sieci przesyłowej dla docelowego etapu rok 2020 (analizowany obszar zaznaczono kolorem błękitnym) W modelu obliczeniowym uwzględnia się sieć 400 i 220 kv na obszarze KSE ograniczonym stacjami Miłosna (MIL) (w etapie 2020 Stanisławów (STN)), Olsztyn (OLS) i Olsztyn Mątki (OLM) reprezentującymi sieć sztywną, w których przyjmuje się symetryczne wymuszenie napięciowe. Podobnie, źródła wytwórcze elektrowni Ostrołęka stanowią symetryczne wymuszenie napięciowe. Zgodnie z wymaganiami technicznymi dla planowanych dławików w wykonaniu trójfazowym przyłączonych do linii Ełk Alytus (w SE Ełk i Alytus) reaktancje fazowe poszczególnych jednostek fazowych mogą różnić się od siebie maksymalnie o 2%. W obliczeniach przyjęto, że stacja przekształtnikowa będzie symetrycznym źródłem/odbiorem prądowym. Dla wszystkich nowo budowanych linii 400 kv przewody fazowe będą wykonane w postaci wiązki 3xAFL Wyjątkiem jest jeden z odcinków linii Narew Łomża Systemowa, który będzie poprowadzony po istniejącej linii 400 kv Miłosna Narew z przewodem fazowym w postaci wiązki 2xAFL Punktem wyjścia dla badań dotyczących poszczególnych etapów inwestycji w ramach połączenia elektroenergetycznego Polska Litwa były analizy rozpływowe, oparte na dostępnych modelach rozpływowych. Dla każdego etapu rozwoju sieci przesyłowej, tj. roku 2015, 2017 oraz 2020, wybrano modele dla szczytu zimowego z minimalną produkcją energii z farm wiatrowych. W modelach tych występują największe przepływy w projektowanych liniach przesyłowych, co determinuje najbardziej niekorzystne warunki asymetrii napięciowej i prądowej. Analizy rozpływowe pozwoliły wyznaczyć moduły i argumenty napięć i prądów, których wartości zostały wprowadzone do źródeł napięciowych i prądowych we właściwych modelach PSCAD. W ten sposób uzyskano dla modeli PSCAD przepływy mocy czynnej i biernej zbliżone do modeli rozpływowych. strona 62

3 W celu przeprowadzenia optymalizacji układu faz linii, wykorzystano metodę przeszukiwania lokalnego. Metoda ta sprowadza się do przeglądu wybranych układów faz w projektowanej linii wraz z obliczaniem wskaźników asymetrii napięciowej i prądowej, następnie wybrania optymalnego układu faz tej linii i przeglądu układu faz kolejnej linii, wykluczając ten układ faz, który został przyjęty dla linii poprzedniej. Jako kryterium optymalizacji przyjęto stosunek składowej kolejności przeciwnej do składowej kolejności zgodnej napięcia w węźle Alytus przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń stosunku składowej kolejności przeciwnej prądu do obciążalności długotrwałej linii oraz stosunku składowej kolejności zerowej prądu do obciążalności długotrwałej linii. W drugim i trzecim etapie rozwoju sieci przesyłowej, (rok 2017 i 2020) kryterium wyboru układu faz jest minimalizacja wskaźników asymetrii prądowej w projektowanych liniach oddalonych od węzła Alytus. W obliczeniach uwzględnia się skrajne wartości wymiany mocy z systemem litewskim poprzez stację przekształtnikową (maksymalny import i eksport w zależności od zakładanych możliwości w danym etapie rozwoju sieci). Model do obliczeń asymetrii układu sieci w programie PSCAD W programie symulacyjnym PSCAD zamodelowano linie 220 kv oraz 400 kv w układzie fazowym określając kolejność faz oraz geometrię słupa, na którym jest prowadzona rozpatrywana linia przesyłowa. W programie PSCAD dostępne są różne sposoby modelowania wybranych słupów. Rozpatrywano m. in. serie słupów E33, Y52, H52 oraz Z52 (opis sylwetek słupów można znaleźć w publikacji [7]). Geometria linii jest określana poprzez zadawanie współrzędnych X i Y dla przekroju słupa lub charakterystycznych wymiarów słupa (rys. 2). Dodatkowo, w modelu podaje się średnicę i rezystywność zarówno linii fazowych jak i odgromowych. Elementami składowymi modelu rozpatrywanego fragmentu KSE są także trójfazowe źródła napięciowe zlokalizowane w węzłach reprezentujących sieć sztywną i generację, a także źródło prądowe reprezentujące stację przekształtnikową w węźle Alytus. Rys. 2. Sposób modelowania geometrii słupa typu Y52 [6] dla jednotorowej linii 400 kv Rys. 3. Sposób otrzymywania składowych symetrycznych prądu strona 63

4 BLACKOUT A KRAJOWY SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY '12 W modelu symulacyjnym poszczególne węzły wyposażono w modele modułów pomiarowych, za pomocą których rejestrowane były przebiegi napięć fazowych oraz wartości węzłowych mocy czynnych i biernych (źródła napięciowe i źródło prądowe). Z kolei, na każdym końcu linii przesyłowej, rejestrowane były przebiegi prądów fazowych oraz wartości gałęziowych mocy czynnych i biernych. Na podstawie przebiegów napięcia w węźle Alytus oraz prądów w projektowanych liniach przesyłowych wyodrębniono składowe kolejności zgodnej i przeciwnej napięcia oraz składowe kolejności zgodnej, przeciwnej i zerowej prądu (rys. 3). Wyniki obliczeń i spostrzeżenia W wyniku przyjętych założeń dokonano obliczeń optymalizacyjnych układu faz projektowanych linii NN. Zbiorczy opis otrzymanych wyników przedstawiono w tabeli 1. Na rysunku 4 przedstawiono ilustrację otrzymanego optymalnego układu faz dla jednej z rozpatrywanych linii, tj. relacji Ełk Łomża Systemowa. Rys. 4. Układ faz linii ELK-LMS (patrząc w kierunku stacji LMS) Na podstawie otrzymanych wyników obliczeń dla trzech rozpatrywanych etapów rozwoju można zauważyć, że dla wyznaczonego optymalnego układu faz w nowoprojektowanych liniach, wartość współczynnika asymetrii napięciowej w węźle Alytus, w stanach pracy normalnej nie przekracza wartości granicznej 1%. Sytuacja ta dotyczy zarówno importu, jak i eksportu mocy na Litwę. Należy zwrócić uwagę, że w etapie 2020, przy stanie awaryjnym N-1 (wyłączenie jednego z torów linii ALY-ELK), wartość współczynnika asymetrii napięciowej w węźle Alytus przekracza 2%, co mogłoby się wiązać z nieprawidłową pracą stacji przekształtnikowej. Wyniki dotyczące współczynników asymetrii prądu wskazują, że współczynniki te zarówno w stanach normalnych N-0 jak i awaryjnych N-1, w przypadku nowoprojektowanych linii nie przekraczają wartości dopuszczalnych, tj. 10%. W celu zmniejszenia asymetrii napięcia w praktyce stosuje się specjalne środki jak np. przeplecenia przewodów linii, które skutecznie zmniejszają jej asymetrię. Stąd w celu zmniejszenia wartości składowej kolejności przeciwnej napięcia, jaka mogłaby się pojawić w stacji przekształtnikowej w Alytusie, rozważono możliwość stosowania przeplotów przewodów projektowanych linii. W pierwszej kolejności, przeanalizowano zastosowanie przeplotu przewodów na linii ALY-ELK. Zaproponowano wykonanie przeplotów w dwóch miejscach linii, a mianowicie co 1/3 jej długości [8]. Otrzymano w ten sposób trzy odcinki linii ALY-ELK długości 1/3 długości całkowitej linii, każdy z innym układem faz. Na rysunku 5 przedstawiono schemat proponowanych przeplotów przewodów na linii Ełk-Alytus. W tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń wskaźnika asymetrii napięcia w węźle Alytus, wykonanych w programie PSCAD. Na podstawie otrzymanych wyników obliczeń dla trzech rozpatrywanych etapów rozwoju sieci przesyłowej (2015, 2017, 2020) można zauważyć, że dla przyjętego przeplotu tylko na linii Ełk Alytus, w stanach pracy normalnej N-0 oraz w typowych stanach awaryjnych N-1, wartość współczynnika asymetrii napięciowej w węźle Alytus nie przekracza wartości 1% (wartość dopuszczalna 2%). Jednocześnie, wartość współczynnika asymetrii prądowej w projektowanych liniach nie przekracza wartości 2% (wartość dopuszczalna 10%). Największą wartość współczynnika asymetrii napięciowej w węźle Alytus równą 0,773 uzyskano dla stanu pracy awaryjnej N-1 oraz układu sieci z roku W przypadku układu sieci przesyłowej docelowej (rok 2020), zarówno dla importu jak i eksportu otrzymano współczynniki asymetrii napięciowej o mniejszej wartości. Otrzymane wartości współczynników asymetrii napięcia i prądu dla poszczególnych linii Tabela 1 Relacja linii ALY-ELK ELK-LMS LMS-OST LMS-NAR OLM-OST STN-OST Stan N-0 KU2 Maksymalny KI2 Maksymalny KI0 Maksymalny KU2 [%] [%] Linia [%] Linia [%] Etap 2015 Wyłączona linia (tor linii) 0,502 1,381 LMS-NAR 0,424 ELK-LMS 0,796 ALY-ELK (tor 2) Etap ,140 6,613 OLM-OST 0,986 OLM-OST 1,088 ELK-LMS (tor 2) Eksport mocy 0,081 2,707 OLM-OST 0,933 OLS-OST 1,309 ALY-ELK (tor 2) Etap ,253 3,005 OLM-OST 0,737 STN-OST 2,131 ALY-ELK (tor 2) Eksport mocy 0,225 1,470 OLM-OLS 0,773 STN-OST 2,730 ALY-ELK (tor 2) strona 64

5 Wartości współczynnika asymetrii napięcia dla rozpatrywanych etapów rozwoju oraz stanów pracy sieci Tabela 2 bez przeplotu Stan N-0 z przeplotem idealnym K U2,% Etap 2015 import mocy (wyłączony tor 1 linii ALY-ELK) (wyłączony tor 2 linii ALY-ELK) 0,502 0,430 0,450 0,582 0,637 Etap 2017 import mocy 0,140 0,327 0,372 0,556 0,472 Etap 2017 eksport mocy 0,081 0,162 0,148 0,324 0,373 Etap 2020 import mocy 0,253 0,152 0,176 0,319 0,105 0,225 0,295 0,280 Etap 2020 eksport mocy Zakładana różnica reaktancji fazowych dławików przyłączonych do linii Ełk Alytus (w SE Ełk i Alytus) wynosząca 2% jest odpowiednia i nie powoduje przekroczenia dopuszczalnych wartości wskaźników jakości energii w zakresie współczynnika asymetrii napięcia w węźle Alytus oraz asymetrii prądowej w projektowanych liniach. Dobrany w zadaniu optymalizacyjnym układ faz linii w obrębie rozpatrywanego fragmentu KSE ma wpływ na parametry jakości energii w poszczególnych elementach analizowanego układu sieci przesyłowej, co potwierdza zasadność wykonania takiej analizy dla układu przesyłowego Polska Litwa. Zaproponowany układ przeplotów linii Ełk Alytus będzie realizowany w praktyce w ramach prowadzonych przez PSE-Operator inwestycji. LITERATURA Rys.5. Układ faz linii ALY-ELK z proponowanym przeplotem (patrząc w kierunku stacji Ełk) Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań, w odniesieniu do rozpatrywanego fragmentu układu sieci przesyłowej KSE, sformułować można następujące generalne wnioski. Dobrany wstępnie układ faz projektowanych linii oraz zastosowanie przeplotu tylko na linii Alytus Ełk gwarantuje dotrzymanie wymaganych wartości asymetrii napięcia w węźle Alytus ze względu na poprawną pracę wstawki BtB. Dotrzymane są także wskaźniki niesymetrii prądowej w projektowanych liniach. Powyższe wymagania są spełnione zarówno w stanach pracy normalnej jak i awaryjnej N-1, w przypadku zakładanych wariantów przepływu mocy (import/eksport) poprzez połączenie Polska Litwa. [1] Program rozbudowy KSP w zakresie połaczenia Polska-Litwa, Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A., marzec 2010, dokument dostępny na stronie [2] Kurpiewski A.: Elektroenergetyczne połączenie Litwy z Polską LitPol Link, Energetyka, Zeszyt tematyczny nr XX, czerwiec 2010, s [3] Frąckowiak L., Plenzler G: Wpływ zakłóceń w sieci elektroenergetycznej na pracę przekształtników tyrystorowych. Jakość i użytkowanie Energii Elektrycznej, Tom 1, Zeszyt 1, 1995, s [4] Wasiak I.: Asymetria napięć i prądów. Seminarium Zaburzenia w napięciu zasilającym, Łódź, 9 czerwca 2003, Wydawnictwo Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej, 2003, s [5] Krajowy System Elektroenergetyczny. Standardowe Specyfikacje funkcjonalne. Numer Kodowy PSE-SF.KSE1/2005v1, PSE- Operator S.A., Warszawa, październik 2005 [6] Robak S.,Wasilewski J., Wójtowicz T.: Wykonanie obliczeń asymetrii układu sieci dla projektu Polska Litwa. Praca na zlecenie LITPOL LINK Sp. z o.o., Politechnika Warszawska, 2011 [7] Linie i stacje elektroenergetyczne w środowisku człowieka. Informator, Wydanie 4, Warszawa 2008, dokument dostępny na [8] Wiśniewski Z.: Sieci elektroenergetyczne I, Wydanie II, Państwowe Wydawnictwa Naukowe, Warszawa strona 65