WPŁYW REGULACJI PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH INSTALOWANYCH W REJONIE EUROPY ŚRODKOWO- WSCHODNIEJ NA TRANSGRANICZNE PRZEPŁYWY MOCY

ELEKTRYKA 215 Zeszyt 2 (234) 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 ŚRODKOWO- WSCHODNIEJ NA TRANSGRANICZNE PRZEPŁYWY MOCY Streszczenie. W ostatnich latach systemy przesyłowe w rejonie Europy Środkowo- Wschodniej (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 [2]. 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 4 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]: UiU j P = sind (1) X gdzie: P moc czynna płynąca rozpatrywaną gałęzią sieci o reaktancji X, U i, U j moduły napięć na początku i końcu gałęzi, d kąt obciążenia (różnica argumentów napięć węzłowych na początku i końcu gałęzi, d = d i - d j ).

1 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek Z zależności (1) wynika, że moc czynną płynącą rozpatrywaną gałęzią sieci można zmieniać dokonując zmiany poziomów napięć U i i U j, wartości reaktancji X oraz kąta obciążenia δ. Możliwości sterowania przepływem mocy czynnej przy wykorzystaniu zmiany wartości napięć U i i U j są stosunkowo niewielkie, ponieważ napięcia w sieci muszą być bliskie znamionowym i nie mogą być zmieniane w szerokich granicach [1]. 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 U i i U j, 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 I A, 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 U i i U j są takie same jak dla gałęzi A, jednakże tutaj do napięcia początkowego U i dodawane jest prostopadłe do niego napięcie DU m. W rezultacie na początku gałęzi B za PF występuje napięcie U m = U i + DU m, a kąt obciążenia dla gałęzi B jest równy (δ + a). Przez gałąź B płynie prąd I B, a moc czynna określona jest wzorem: U mu j PB = sin( d + a ) (2) X

Wpływ regulacji przesuwników fazowych 11 Ponieważ (δ + a) > δ, moc P B jest większa od mocy P A. Sumarycznie do obu gałęzi wpływa moc P = P A + P B. Regulacja napięcia kwadraturowego DU m (przesuniętego o 9 o względem napięcia U i ) powoduje zmianę kąta a (kąta przesunięcia fazowego między napięciem wejściowym i wyjściowym PF) i tym samym zmianę mocy P B. Napięcie kwadraturowe DU m można regulować w zakresie od wartości ujemnych do wartości dodatnich. Zmieniając wartość napięcia DU m, 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 9 o ) 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 S2 uzwojenie wtórne L1 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 4 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 22 kv, jednak pod względem parametrów technicznych jest przystosowana na napięcie 4 kv (w wykonanych analizach linia pracuje na napięciu 4 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 214 i 22, z odwzorowanymi sieciami 4/22/11 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 214 (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.

16 S. Bieroński, R. Korab, R. Owczarek Przepływ mocy czynnej, w MW 35 3 linia Mikułowa Hagenverder 25 linia Krajnik Vierraden 2 przekrój Polska Niemcy 15 1 5-5 -1-15 -45-3 -15 15 3 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 Przepływmocy czynnej, w MW 2-2 -4-6 -8-1 -12-14 -16 PL CZ CZ AT -18 PL SK CZ SK CZ DE -2-45 -3-15 15 3 45 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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.

Wpływ regulacji przesuwników fazowych 17 Przepływ mocy czynnej, w MW 25 2 15 1 5-5 -1-15 -2 przekrój Czechy Niemcy -25 przekrój Polska Niemcy -3-45 -3-15 15 3 45 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 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 instalowanych w liniach wymiany Polska Niemcy i Czechy 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. 1 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 214, LS i ZS 22). a) b) Przepływ mocy czynnej, w MW 35 3 25 2 15 1 5-5 -1 linia Mikułowa Hagenverder linia Krajnik Vierraden przekrój Polska Niemcy -15-45 -3-15 15 3 45 Kąt przesunięcia fazowego, w deg Przepływ mocy czynnej, w MW 2 15 1 5-5 -1-15 linia Hradec Etzenricht -2 linia Hradec Rohrsdorf -25 linia Prestice Etzenricht -3 przekrój Czechy Niemcy -35-45 -3-15 15 3 45 Kąt przesunięcia fazowego, w deg Rys. 1. 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. 1. 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) Przepływ mocy czynnej, w MW 35 3 25 2 15 1 5-5 -1-15 α PL-DE ð -45 α CZ-DE ð 45 linia Mikułowa Hagenverder linia Krajnik Vierraden przekrój Polska Niemcy -3 3-15 15 15-15 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 3-3 45-45 2 15 1 5-5 -1-15 -2-25 -3-35 α PL-DE ð -45 α CZ-DE ð 45 Przepływ mocy czynnej, w MW linia Hradec Etzenricht linia Hradec Rohrsdorf linia Prestice Etzenricht przekrój Czechy Niemcy -3 3-15 15 15-15 Kąt przesunięcia fazowego, w deg 3-3 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. 1.2 1.15 Straty mocy czynnej w KSE Straty mocy czynnej w CEE 1.1 ΔP, w per unit 1.5 1..95.9-45 -3-15 15 3 45 Kąt przesunięcia fazowego, w deg Rys. 12. Wpływ regulacji PF instalowanych w liniach wymiany Polska Niemcy na straty mocy czynnej (odniesione do wartości przy kącie przesunięcia fazowego równym ) w KSE oraz w całym rejonie CEE w LS 214 Fig. 12. Influence of adjustment of PSTs installed in tie-lines between Poland Germany on active power losses (normalised to a 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 ±4. 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

2 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 214 i 22 Model LS 214 ZS 214 Przekrój, linia Regulacja PF na przekroju PL DE Wartość średnia zmian mocy czynnej, MW/1 Jednakowa Regulacja PF kierunkowo na przekroju regulacja PF CZ DE na przekrojach PL DE i CZ DE Przeciwsobna regulacja PF na przekrojach PL DE i CZ DE PL - DE 27,5 18,9 8,4 45,4 MIK - HAG 15,7 11,1 4,6 26,1 KRA - VIE 11,7 7,8 3,9 19,3 CZ - DE 19,1 37,7 18,4 55,8 HRD - ROE 12, 18,8 6,7 3,2 HRD - ETZ 5,5 11,2 6,2 17, PRE - ETZ 1,6 7,1 5,5 8,6 PL - DE 29,3 2,5 8,2 48,7 MIK - HAG 17,1 12,2 4,5 28,4 KRA - VIE 12,3 8,3 3,7 2,3 CZ - DE 2,2 38,9 18,5 58,1 HRD - ROE 14, 2,7 6,5 34, HRD - ETZ 5,2 12, 6,8 16,9 PRE - ETZ 1, 6,2 5,2 7,2 LS PL - DE 31, 21,4 9,5 51,6 22 CZ - DE 21,4 39,2 17,7 59,7 ZS PL - DE 31,8 21,9 9,8 52,9 22 CZ - DE 21,5 39,1 17,4 59,7 BIBLIOGRAFIA 1. Carlini E. M., Manduzio G., Bonmann D.: Power Flow Control on the Italian Network by Means of Phase-shifting Transformers. CIGRE Session 26. August 26, Paris, France, p. A2-26. 2. 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%2and%2results/deliverable_realisegrid_1. 2.2.pdf>. [27 April 21]. 3. Hluben D., Kolcun M.: Use of PST in transmission system of the Slovak Republic. Przegląd Elektrotechniczny 211, nr 2, s. 79-82. 4. International Standard, IEC 6232; IEEE C57.135. Guide for the application, specification and testing of phase shifting transformers. First edition, March 25. 5. 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 21, s. 35-51.

Wpływ regulacji przesuwników fazowych 21 6. 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 24. August 24, C2-27. 7. Kocot H., Korab R., Przygrodzki M., Żmuda K.: Dobór głównych parametrów przesuwników fazowych dla zachodnich połączeń transgranicznych KSE. Przegląd Elektrotechniczny 214, nr 4, s. 124-127. 8. Kocot H., Korab R., Przygrodzki M., Żmuda K.: Zastosowanie przesuwników fazowych do sterowania przepływami mocy na połączeniach transgranicznych KSE. Przegląd Elektrotechniczny 213, nr 9, s. 282-285. 9. 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 211, nr 2, s. 62-71. Dostępny w WWW: <http://www.elektroenergetyka.org/8/62.pdf>. 1. Machowski J.: Elastyczne systemy przesyłowe FACTS. Przegląd Elektrotechniczny 22, nr 7, s. 189-196. 11. Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 27. 12. Majchrzak H., Purchała K.: Przepływy nieplanowe i ich wpływ na bezpieczeństwo pracy systemu elektroenergetycznego. Elektroenergetyka Współczesność i Rozwój 212, nr 3-4, s. 8-15. 13. 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 213, Somerset West, South Africa, p. CL35. 14. Nowak J.: Zabezpieczenia wielkich przesuwników fazowych na liniach transgranicznych. Wiadomości Elektrotechniczne 214, nr 2, s. 29-36. 15. 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 26. August 26, Paris, France, p. C2-23. 16. Rimez J., Van Der Planken R., Wiot D., Claessens G., Jottrand E., Declercq J.: Grid implementation of a 4 MVA 22/15 kv 15 /+3 phase shifting transformer for power flow control in the Belgian network: specification and operational considerations. CIGRE Session 26. August 26, Paris, France, p. A2-22. 17. 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 25, Amsterdam, Netherlands. 18. 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 21. August 21, Paris, France, p. C2-27. 19. 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/212/1275_cc E-RegIP_212_report_FINAL.pdf>. [5 July 212]. 2. www.nik.gov.pl (NIK). Wystąpienie pokontrolne. Dostępny w WWW: <http://www.nik.gov.pl/kontrole/wyniki-kontroli-nik/pobierz,kgp~p_13_55_ 2136271454471372337687~id2~1,typ,kj.pdf>. [11.6.214].

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 Germany- Austria. Dostępny w WWW: <http://www.pse.pl/uploads/pliki/unplanned_flows_in_the_cee_region.pdf>. [January 213]. 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_seps- Bidding_Zones_Definition.pdf>. [March 212]. 23. Ziemianek S.: Model matematyczny do analiz zakłóceniowych stanów pracy uninapięciowego przesuwnika fazowego (z symetrycznym, zgodnym napięciem dodawczym). Przegląd Elektrotechniczny 213, 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 213, 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 213, nr 7, s. 15-11. 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 213, 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 44-1 Gliwice tel. (32) 237 12 52; e-mail: roman.korab@polsl.pl tel. (32) 237 14 82; e-mail: robert.owczarek@polsl.pl