KSZTŁTOWNIE TRNSGRNICZNYCH PRZEPŁYWÓW MOCY Z WYKORZYSTNIEM PRZESUWNIKÓW FZOWYCH utorzy: Roman Korab, Robert Owczarek ( Rynek Energii nr X / 2012) Słowa kluczowe: wymiana międzysystemowa, połączenia transgraniczne, regulacja przepływów mocy, przesuwniki fazowe Streszczenie. Występujące w połączonym systemie elektroenergetycznym przepływy karuzelowe (nieplanowane przepływy wyrównawcze między poszczególnymi obszarami systemu) można ograniczyć lub nawet wyeliminować za pomocą przesuwników fazowych. rtykuł omawia wybrane wyniki badań, których głównym celem było określenie możliwości regulacji przepływów mocy przez transgraniczne połączenia synchroniczne krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE) za pomocą przesuwników fazowych instalowanych w liniach wymiany KSE. 1. WSTĘP Regulacja przepływów mocy czynnej polega na zmianie rozpływu bez zmiany sumarycznej mocy wytwarzanej. Wykorzystywana jest tutaj znana zależność określająca przepływ mocy czynnej przez pojedynczą gałąź o charakterze indukcyjnym. Ma ona następującą postać: UiU j P = sinδ, (1) X gdzie: P moc czynna wypływająca z rozpatrywanej gałęzi sieci, U i, U j moduły napięć na początku i końcu gałęzi, δ kąt obciążenia (różnica argumentów napięć węzłowych na początku i końcu gałęzi, δ = δ i - δ j ). Z zależności (1) wynika, że moc czynną wypływającą z rozpatrywanej gałęzi 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, głównie ze względu na ograniczenia w regulacji tych napięć w odpowiednio szerokich granicach (konieczność utrzymania poziomów napięć węzłowych w pobliżu wartości znamionowej). Większe możliwości regulacji przepływu daje zmiana reaktancji ciągu przesyłowego, tzw. kompensacja szeregowa. Polega ona na sztucznym zmniejszeniu reaktancji indukcyjnej gałęzi 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 δ umożliwia nie tylko zmianę wartości mocy płynącej gałęzią, ale również zmianę kierunku jej przepływu). Wybrane przykłady zastosowania tego sposobu sterowania przepływami mocy przedstawiono w opracowaniach [7, 8]. W praktyce regulacja przepływów przez zmianę kąta δ jest często wykorzystywana do zarządzania transgranicznymi przepływani mocy [1, 11, 12, 14, 17, 19], umożliwiając zmianę przepływów w liniach międzysystemowych przy zachowaniu sumarycznego salda wymiany. W tym celu stosowane są urządzenia nazywane przesuwnikami fazowymi, będące specjalnym rodzajem transformatora.
2. RODZJE PRZESUWNIKÓW FZOWYCH I PRZYKŁDOWE ICH ZSTOSOWNIE W EUROPIE Przesuwniki fazowe (PF) występują w wielu rozwiązaniach [3, 4, 13, 16]. Ze względu na budowę można podzielić je według następujących cech charakterystycznych: Bezpośrednie PF (jednordzeniowe), bazujące na jednym transformatorze trójfazowym. Przesunięcie fazowe uzyskuje się przez połączenie uzwojeń w odpowiedni sposób. Uzwojenie z przełącznikiem zaczepów, które podłączone jest do zacisku wejściowego, jest sprzężone magnetycznie z uzwojeniem podłączonym między dwoma pozostałymi zaciskami. Pośrednie PF (dwurdzeniowe), bazujące na konstrukcji z dwoma oddzielnymi transformatorami. Jeden transformator nosi nazwę transformatora regulacyjnego o zmiennych zaczepach, do regulacji amplitudy napięcia kwadraturowego, drugi nazywa się transformatorem szeregowym, do wprowadzenia napięcia kwadraturowego (przesuniętego o 90 ) do odpowiedniej fazy. symetryczne PF, wytwarzające napięcie wyjściowe ze zmienną (regulowaną) wartością fazy i amplitudy, w porównaniu do napięcia wejściowego. Symetryczne PF, wytwarzające napięcie wyjściowe ze zmienną wartością fazy, w porównaniu do napięcia wejściowego, ale amplituda napięcia pozostaje niezmieniona. W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie operatorów sieci przesyłowych zastosowaniem przesuwników fazowych do kształtowania wymiany międzysystemowej oraz zapewnienia maksymalnej przepustowości istniejących linii transgranicznych, jak również uniknięcia niebezpieczeństwa ich przeciążenia. Przesuwniki fazowe są urządzeniami szeroko stosowanymi w systemie synchronicznym Europy Kontynentalnej. Są one zainstalowane i pracują efektywnie na wielu granicach. Przykładem jest region Beneluksu, którego sieć przesyłowa najwyższych napięć, wraz z lokalizacjami przesuwników fazowych, przedstawiona została na rys. 1 [4]. Rys. 1. Rozmieszczenie przesuwników fazowych w systemie przesyłowym Beneluksu [4]
Pod koniec 2008 r. belgijski operator zainstalował trzy PF na połączeniu z systemem holenderskim [19]. Jeden przesuwnik fazowy znajduje się w stacji Zandvliet (B) i dwa w Kinrooi (B) w nowej stacji elektroenergetycznej o nazwie Van Eyck. Dwa PF w stacji Van Eyck umieszczone są w liniach Meerhout (B) Maasbracht (NL) i Gramme (B) Maasbracht (NL). Wszystkie zainstalowane w wymienionych lokalizacjach PF mają identyczne parametry elektryczne. Ponadto kolejny przesuwnik fazowy jest zainstalowany na granicy belgijsko-francuskiej w stacji Monceanu (B). Z kolei na połączeniu holenderskoniemieckim dwa symetryczne, pośrednie PF zostały zainstalowane w stacji Meeden (NL). Inny przesuwnik fazowy, istotny dla przepływów mocy w regionie Beneluksu, jest zainstalowany w stacji Gronau (D), na połączeniu Hengelo (NL) z Gronau (D). Ponadto PF są zainstalowane również w pobliżu granicy z Holandią, w stacji Diele (D). Najważniejsze dane dotyczące przesuwników fazowych zainstalowanych w sieci Beneluksu przedstawione są w tabeli 1. Tabela 1 Najważniejsze parametry przesuwników fazowych zainstalowanych w sieci przesyłowej państw Beneluksu [4] Stacja Napięcie znamionowe kv Zakres regulacji deg Moc znamionowa MV Monceanu 220/165 ±12 400 Zandvliet 400 ±25 1400 Van Eyck 1 400 ±25 1400 Van Eyck 2 400 ±25 1400 Meeden 400 ±30 1000 (2 ) Gronau 400 ±12 1250 Diele 400 ±24 1450 (2 ) W dalszej części artykułu, po omówieniu rozpływu mocy w regionie Europy Środkowo-Wschodniej, przedstawione zostały wybrane wyniki analiz rozpływowych, których celem było określenie możliwości regulacji przepływów mocy przez transgraniczne połączenia synchroniczne KSE za pomocą przesuwników fazowych instalowanych w liniach wymiany między systemem polskim a systemami Czech, Niemiec i Słowacji. 3. POŁĄCZENI TRNSGRNICZNE KSE ORZ ROZPŁYW MOCY W REGIONIE EUROPY ŚRODKOWO-WSCHODNIEJ ktualnie, na napięciu powyżej 110 kv, polski system elektroenergetyczny posiada jedenaście połączeń transgranicznych z systemami ościennymi [5, 7]. Są to zarówno połączenia synchroniczne z pozostałą częścią UCTE 1 (do Czech, Niemiec i Słowacji), jak i połączenia niesynchroniczne z systemem szwedzkim, ukraińskim i białoruskim. Sumaryczne termiczne zdolności przesyłowe synchronicznych połączeń transgranicznych KSE wynoszą około 8600 MW, co stanowi ponad 30% krajowego zapotrzebowania szczytowego. Jednak obecnie do realizacji handlowej wymiany międzysystemowej może zostać wykorzystana jedynie część (niekiedy niewielka) termicznych zdolności przesyłowych linii wymiany. Powodem tego jest sposób kształtowania się rozpływu mocy w połączonym systemie oraz ograniczenia sieciowe występujące w sieci wewnętrznej KSE [5, 6]. Struktura systemu połączonego w regionie Europy Środkowo-Wschodniej powoduje, że w tej części systemu UCTE zwykle występuje przepływ mocy od systemu niemieckiego, przez system polski, głównie do Czech i w niewielkim stopniu do Słowacji. Stan taki tłumaczy przede wszystkim rozmieszczenie elektrowni w tym obszarze. Na północnym i południowym zachodzie Polska posiada jedynie dwie elek- 1 Od lipca 2009 roku zadania realizowane przez UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) oraz pięć pozostałych stowarzyszeń europejskich operatorów systemów przesyłowych przejęła organizacja ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity).
trownie systemowe Dolną Odrę i Turów, których wytwarzana moc jest praktycznie konsumowana przez odbiorców lokalnie. Z kolei w Niemczech kilka dużych elektrowni skupionych jest w niewielkiej odległości od polskiej granicy, co w połączeniu ze znaczącą mocą farm wiatrowych zlokalizowanych w północnej części Niemiec sprawia, że wytwarzana przez te źródła moc jest wypychana do Polski przez oba połączenia transgraniczne. Odwrotna sytuacja ma miejsce na przekroju polsko-czeskim i polsko-słowackim, gdzie elektrownie Rybnik i Opole, ale także Bełchatów, Łagisza i Połaniec, znacznie silniej oddziałują na południowe linie transgraniczne KSE niż elektrownie czeskie i słowackie (w Czechach i Słowacji elektrownie systemowe są skupione w południowej i zachodniej części obu krajów). Opisaną sytuację na granicach KSE ilustruje rys. 2. Rys. 2. Przepływy mocy w liniach transgranicznych KSE w bazowym stanie pracy systemu połączonego Przedstawiony na rys. 2 stan pracy systemu w regionie Europy Środkowo-Wschodniej otrzymano dla modelu odwzorowującego zimowy szczyt wieczorny. Zapotrzebowanie KSE było równe 25120 MW, natomiast zdolności wytwórcze pracujących jednostek 30200 MW. Szczegółowo odwzorowano sieci 400, 220 i 110 kv KSE. Zagraniczna część systemu połączonego obejmowała systemy czeski, słowacki oraz wschodnią część systemu niemieckiego. Opisany model systemu jest bazowym stanem pracy systemu połączonego, wykorzystanym w dalszych analizach, wykonanych przy zastosowaniu metody optymalizacji rozpływu mocy (Optimal Power Flow OPF) [18, 20]. nalizy te miały na celu zobrazowanie wpływu regulacji kąta przesunięcia fazowego przesuwników fazowych, instalowanych w liniach wymiany KSE, na transgraniczne przepływy mocy. Obliczenia rozpływowe wykonano z wykorzystaniem, pracującego w środowisku Matlab, programu MTPOWER [21]. 4. REGULCJ PRZEPŁYWÓW MOCY Z WYKORZYSTNIEM PRZESUWNIKÓW FZOWYCH INSTLOWNYCH W LINICH WYMINY KSE SYNTEZ WYNIKÓW W ramach przeprowadzonych analiz, jako miejsce lokalizacji przesuwników fazowych, rozpatrzono wszystkie linie wymiany 400 kv KSE oraz dodatkowo linię 220 kv relacji Krajnik Vierraden (linia ta posiada parametry linii 400 kv, jednak czasowo pracuje na napięciu 220 kv). Badania wykonano dla układów z przesuwnikami fazowymi w pojedynczych liniach wymiany oraz dla układu z przesuwnikami fazowymi instalowanymi w dwóch liniach transgranicznych KSE (na przekroju Polska Niemcy). W wykonanych analizach rozpływowych w przypadku linii dwutorowych założono instalację przesuwników w obu torach linii, a regulacja kąta przesunięcia fazowego była skoordynowana. Regulacja była dokonywana do momentu, w którym nie było możliwe spełnienie wszystkich ograniczeń w sieci wewnętrznej 400/220/110 kv KSE. W związku z tym, oprócz pokazania możliwości kształtowania przepływów transgranicznych, przeprowadzone symulacje pozwoliły również na określenie maksymalnych
zakresów regulacji kąta przesunięcia fazowego, które należy brać pod uwagę w przypadku instalowania przesuwników w liniach wymiany. Jak wykazały przeprowadzone analizy regulacja kąta przesunięcia fazowego przesuwników fazowych instalowanych w pojedynczych liniach wymiany KSE wpływa na zmiany przepływów mocy we wszystkich synchronicznych połączeniach międzysystemowych systemu polskiego, przy czym największe zmiany przepływów mocy zaobserwowano w liniach transgranicznych, w których zainstalowano przesuwnik fazowy. Szczegółowe dane przedstawia tabela 2 (znak dodatni przy mocy oznacza przepływ z zagranicy do systemu polskiego). Tabela 2 Przepływy mocy czynnej w liniach transgranicznych, w których instalowano przesuwniki fazowe dla skrajnych nastaw kąta przesunięcia fazowego Regulacja kąta w przesuwniku fazowym zainstalowanym w linii: Mikułowa - Hagenwerder Krajnik Vierraden Wielopole Nosovice Dobrzeń lbrechtice Krosno - Lemesany Możliwy zakres regulacji Przepływ mocy, w MW, w linii transgranicznej -40 50-1153 1680-60 40-593 904-45 10 1160-1175 -35 20 631-1091 -50 60-1489 1262 Zmniejszenie przesyłu mocy daną linią transgraniczną, uzyskane za pomocą regulacji kąta przesunięcia fazowego PF zainstalowanego w tej linii, prowadzi do wzrostu przesyłu mocy w pozostałych połączeniach międzysystemowych danego przekroju. W związku z tym, aby uzyskać pożądany efekt regulacyjny, polegający na zmianie przepływu mocy czynnej na danym przekroju KSE, konieczne jest zainstalowanie PF we wszystkich liniach wymiany tego przekroju. Stąd w dalszych analizach, w przypadku przekroju polsko-niemieckiego, rozważono lokalizację PF o zakresie kąta regulacji wynoszącym ±30 w obu liniach wymiany z systemem niemieckim, tj. w liniach relacji Krajnik Vierraden i Mikułowa Hagenverder. Przeprowadzone badania pokazują, że jeśli przykładowo w linii Mikułowa Hagenverder wystąpi niepożądany przesył mocy w kierunku Polski, to przez odpowiednią regulację kąta PF zainstalowanego w tej linii, istnieje możliwość zmniejszenia przesyłu mocy na tym połączeniu do akceptowalnej wartości. Skutkiem zmniejszenia przepływu mocy na połączeniu Mikułowa Hagenverder jest jednak zmiana przesyłu mocy na pozostałych połączeniach międzysystemowych, w tym przede wszystkim wzrost przesyłu na równoległym połączeniu Krajnik Vierraden. W celu zmniejszenia przepływu na całym przekroju Polska Niemcy należy dokonać regulacji PF również w tej lokalizacji. Możliwości oddziaływania na przepływy mocy za pomocą skoordynowanej regulacji kąta przesuwników fazowych zainstalowanych we wszystkich torach linii Krajnik Vierraden i Mikułowa Hagenverder pokazano na rys. 3.
Rys. 3. Przepływy mocy czynnej, w MW, na przekroju polsko-niemieckim przy różnych nastaw kąta, w deg, przesuwników fazowych zainstalowanych w liniach Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden Przedstawione na rys. 3 wyniki obliczeń rozpływowych wskazują, że w analizowanym stanie pracy systemu połączonego zmiana kąta przesunięcia PF zainstalowanych na przekroju polsko-niemieckim, prowadzona w sposób skoordynowany (zmiana zaczepów we wszystkich PF w tym samym kierunku), w całym przyjętym zakresie regulacji wynoszącym ±30, pozwala na zmianę przepływu mocy czynnej na przekroju Polska Niemcy z poziomu ponad 1300 MW (przepływ z Niemiec do Polski) do około 350 MW (przepływ z Polski do Niemiec), przy czym jest to zależność praktycznie liniowa. Dodatkowo na podkreślenie zasługuje fakt, że odpowiednia koordynacja działań regulacyjnych realizowanych za pomocą przesuwników fazowych pozwala na znaczącą redukcję przepływu karuzelowego. Uzyskane wyniki wskazują, że zmniejszenie mocy wpływającej z systemu niemieckiego do polskiego uzyskuje się dla ujemnych nastaw kąta przesunięcia fazowego PF. Sytuację tę ilustruje rys. 4, na którym przedstawiono przepływy transgraniczne przy kącie przesunięcia fazowego przesuwników instalowanych w liniach Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden równym -30, przy czym w celu oceny wpływu regulacji kąta przesunięcia fazowego uzyskane wyniki należy porównywać ze stanem bazowym (rys. 1). Saldo wymiany: 1313 MW Krajnik - Vierraden 234 MW Wpłynęło do KSE: Wypłynęło z KSE: Suma przepływów: 254 MW 1634 MW 1888 MW Kąt PF = -30 o Niemcy 583 MW Polska Wielopole - Nosovice Mikułowa - Hagenverder Kąt PF = -30 o Dobrzeń - lbrechtice Czechy Bujaków - Liskovec 196 MW 485 MW 136 MW 233 MW Kopanina - Liskovec 20 MW Słowacja Krosno - Lemesany Rys. 4. Przepływy mocy czynnej, w MW, przez połączenia transgraniczne KSE na przekroju synchronicznym przy skoordynowanej regulacji kąta przesunięcia PF (kąt -30 ) zainstalowanych w liniach wymiany relacji Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden Wniosek mówiący o redukcji przepływu karuzelowego za pomocą PF potwierdzają także obliczenia wykonane dla różnych wartości sumarycznego salda wymiany między KSE a systemami sąsiednimi. Na rys. 5 przykładowo pokazano przepływy mocy w liniach transgranicznych KSE przy saldzie wymiany systemu polskiego równym 603 MW. Przedstawione wyżej spostrzeżenia znajdują również potwierdze-
nie w niezależnych analizach zaprezentowanych w opracowaniach [9, 10]. Zmiana kąta przesunięcia fazowego przesuwników, wpływając na zmianę przesyłanej mocy przez połączenia transgraniczne, wpływa również na poziom strat mocy czynnej w sieci 400/220/110 kv KSE, co ilustruje rys. 6. a) b) Rys. 5. Przepływy mocy czynnej, w MW, przez połączenia transgraniczne KSE na przekroju synchronicznym dla salda wymiany równego 603 MW a) stan bazowy, b) stan z PF w liniach relacji Mikułowa Hagenverder (kąt -30 ) i Krajnik Vierraden (kąt -30 ) nalizując wyniki przedstawione na rys. 6 można stwierdzić, że zmniejszenie mocy czynnej wpływającej z systemu niemieckiego do systemu polskiego, a tym samym zmniejszenie przepływu karuzelowego w rozpatrywanym stanie pracy systemu połączonego, przyczyniło się do zwiększenia strat przesyłowych powstających w sieci zamkniętej KSE. Wniosek ten znajduje również potwierdzenie w literaturze [8]. Rys. 6. Straty mocy czynnej, w MW, w sieci 400, 220 i 110 kv KSE w zależności od kąta przesunięcia, w deg, przesuwników fazowych zainstalowanych w liniach Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden
Przesuwniki fazowe pozwalają również na kształtowanie poziomu zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych. Zagadnienie to stanowi przedmiot dalszej części artykułu. 5. OGÓLNE ZSDY WYZNCZNI ZDOLNOŚCI PRZESYŁOWYCH LINII TRNSGRNICZNYCH METOD ETSO Przedstawiona w opracowaniach [2], metodyka wyznaczania zdolności przesyłowych linii transgranicznych opiera się na obliczeniach rozpływów mocy w połączonym systemie elektroenergetycznym. Obliczenia rozpoczyna się od zdefiniowania w rozpatrywanym systemie połączonym obszarów eksportującego i importującego. W celu określenia całkowitych zdolności przesyłowych (Total Transfer Capacity TTC) linii wymiany łączących wyróżnione części systemu, w obszarze eksportującym stopniowo zwiększa się sumaryczną moc generowaną, jednocześnie zmniejszając sumaryczną moc generowaną w obszarze importującym (zapotrzebowanie w całym systemie pozostaje na stałym poziomie). Dla stanów ze zmienioną generacją wyznacza się kolejne rozpływy mocy. Obliczenia prowadzi się do momentu, w którym nie będzie możliwe spełnienie wszystkich ograniczeń technicznych w systemie połączonym. Do wyznaczenia zdolności przesyłowych linii wymiany wykorzystuje się metodę zmiennoprądową obliczania rozpływu mocy. Opisaną metodę ilustruje rys 7. 1 2 Import energii z obszaru B do obszaru P Gi Pw B i B B 1 B 2 3 4 Obszar Obszar B B 3 B 4 P Gi i P B w P B Gi Eksport energii z obszaru do obszaru B B P Gi Rys. 7. Ilustracja metody ETSO wyznaczania zdolności przesyłowych linii wymiany [6] W przedstawionej metodzie dopuszcza się trzy sposoby rozdziału przyrostu/zmniejszenia generacji między pracujące w poszczególnych obszarach jednostki wytwórcze: 1. proporcjonalne zwiększenie/zmniejszenie mocy generowanej przez wszystkie jednostki, 2. zwiększenie/zmniejszenie mocy wytwarzanej na podstawie rzeczywistej generacji jednostek w okresach przeszłych, 3. zwiększenie/zmniejszenie mocy wytwarzanej zgodnie z przyjętym kryterium ekonomicznym. W analizach, których wyniki przedstawiono w dalszej części artykułu wykorzystano trzeci sposób rozdziału przyrostu/zmniejszenia sumarycznej generacji w zdefiniowanych obszarach, tzn. pracujące w danej części systemu jednostki wytwórcze były dociążane lub odciążane w kolejności określonej przez cenę energii oferowanej przez poszczególne jednostki (w pierwszej kolejności dociążane były jednostki najtańsze, a odciążane jednostki najdroższe), przy czym w procesie tym uwzględniano ograniczenia techniczne leżące zarówno po stronie jednostek wytwórczych, jak i sieci elektroenergetycznej. Do wyznaczenia rozpływu mocy zastosowano metodę optymalizacji rozpływu mocy OPF. W przeprowadzonych analizach rozpatrywany system został podzielony na dwa obszary: obszar pierwszy obejmował wszystkie węzły sieci 400/220/110 kv leżące na terenie Polski, natomiast obszar drugi
obejmował pozostałą część systemu (systemy Czech, Niemiec i Słowacji). W obliczeniach stopniowo z krokiem co 100 MW, zwiększano lub zmniejszano sumaryczną moc generowaną przez krajowe jednostki wytwórcze. W ten sposób wymuszano przepływ (eksport lub import) mocy przez linie wymiany między KSE a systemami Czech, Niemiec i Słowacji. Zmiany sumarycznej mocy generowanej przez jednostki krajowe dokonywano do momentu, aż nie było możliwe spełnienie wszystkich ograniczeń technicznych w połączonym systemie elektroenergetycznym. W celu określenia wpływu PF na wartość TTC obliczenia wykonywano dla zmiennych nastaw kąta przesunięcia fazowego. 6. WPŁYW PRZESUWNIKÓW FZOWYCH N CŁKOWITE ZDOLNOŚCI PRZESYŁOWE POŁĄCZEŃ TRNSGRNICZNYCH KSE Na rys. 8 i 9 przedstawiono całkowite zdolności przesyłowe TTC systemu polskiego w kierunku importu i eksportu oraz przepływy mocy czynnej na granicach KSE dla stanu bazowego (rys. 2) i ukształtowane w wyniku odpowiedniego oddziaływania za pomocą PF zainstalowanych na przekroju Polska Niemcy. Otrzymane wyniki wskazują, że instalacja przesuwników fazowych ma wpływ na wzrost poziomu zdolności przesyłowych TTC połączeń transgranicznych KSE, zwiększając tym samym możliwości handlu transgranicznego. Maksymalne wartości zdolności TTC w kierunku importu do KSE uzyskuje się dla dodatnich, natomiast w kierunku eksportu z KSE dla ujemnych, często skrajnych, wartości kąta przesunięcia fazowego przesuwników zainstalowanych w liniach wymiany między systemami polskim i niemieckim, co jest zgodne z wynikami przedstawionymi we wcześniejszej części artykułu (rys. 3). Słuszność tych wniosków potwierdzają również wyniki analiz przedstawione w opracowaniach [9, 10]. a) b) Rys. 8. Całkowite zdolności przesyłowe TTC, w MW, w kierunku importu do KSE oraz przepływy mocy na granicach KSE: a) bez PF, b) z PF w liniach relacji Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden
a) b) Rys. 9. Całkowite zdolności przesyłowe TTC, w MW, w kierunku eksportu z KSE oraz przepływy mocy na granicach KSE: a) bez PF, b) z PF w liniach relacji Mikułowa Hagenverder i Krajnik Vierraden 7. PODSUMOWNIE I NJWŻNIEJSZE WNIOSKI Obecna struktura połączonego systemu elektroenergetycznego oraz rozkład generacji pomiędzy, jak i wewnątrz poszczególnych jego części sprawiają, że w regionie Europy Środkowo-Wschodniej systematycznie obserwuje się występowanie tzw. przepływów karuzelowych (nieplanowanych przepływów wyrównawczych między poszczególnymi obszarami systemu). Przepływy te mogą wykorzystywać znaczącą część termicznych zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych KSE, ograniczając tym samym ilości mocy przesyłowych udostępnianych uczestnikom rynku zainteresowanym międzysystemowym handlem energią. Dodatkowo, ze względu na swój charakter, mogą one prowadzić do pogorszenia się poziomu bezpieczeństwa pracy systemu polskiego. Jednym z możliwych sposobów pozwalających na ograniczenie a niekiedy nawet na eliminację przepływów karuzelowych jest stosowanie przesuwników fazowych. Urządzenia te powinny znacząco poszerzyć możliwości bieżącego sterowania międzysystemowymi przepływami mocy, a w związku z tym ich instalacja na przekroju synchronicznym systemu polskiego jest z pewnością pożądana. Ważnym jest również, że wdrożenie przesuwników fazowych do praktyki operatorskiej jest realne w stosunkowo krótkim czasie. W artykule przedstawiono najważniejsze wyniki analiz rozpływowych, których celem było określenie możliwości regulacji przepływów mocy przez transgraniczne połączenia synchroniczne KSE za pomocą przesuwników fazowych. Obliczenia wykonano przy wykorzystaniu zmiennoprądowej metody optymalizacji rozpływu mocy OPF dla modelu systemu połączonego w regionie Europy Środkowo-Wschodniej odwzorowującego zimowy szczyt wieczorny. Uzyskane wyniki pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków:
1. Wyniki przeprowadzonych analiz rozpływowych wskazują, że jednoczesna i odpowiednio skoordynowana regulacja przepływów mocy za pomocą przesuwników fazowych zainstalowanych w obu połączeniach na przekroju zachodnim powinna pozwolić na istotne ograniczenie a w niektórych sytuacjach ruchowych nawet na eliminację przepływu karuzelowego występującego między systemami elektroenergetycznymi Niemiec, Polski, Czech i Słowacji, przyczyniając się tym samym do zmniejszenia stopnia wykorzystania połączeń transgranicznych KSE w wyniku nieplanowanych przepływów wyrównawczych. Jednak zwykle odbywa się to kosztem zwiększenia strat przesyłowych w krajowej sieci zamkniętej 400/220/110 kv. 2. Instalacja przesuwników fazowych na przekroju synchronicznym pozwalając na regulację przepływów transgranicznych w szerokim zakresie powinna prowadzić do zwiększenia, mierzonej wartością wskaźnika TTC, zdolności handlowej wymiany międzysystemowej między KSE a pozostałą częścią systemu UCTE. W efekcie możliwa będzie intensyfikacja wykorzystania istniejących mocy przesyłowych synchronicznych linii wymiany KSE do celów handlowych. 3. Regulacja przepływów mocy za pomocą przesuwników fazowych instalowanych w liniach wymiany wpływa na pracę sąsiednich systemów elektroenergetycznych. W związku z tym instalacja tych urządzeń powinna zostać poprzedzona odpowiednimi uzgodnieniami międzyoperatorskimi, ponieważ działania nieuzgodnione mogą wywołać u operatorów sąsiednich reakcję prowadzącą do zniwelowania efektów uzyskiwanych w wyniku wykorzystania przesuwników. LITERTUR [1] Carlini E.M., Manduzio G., Bonmann D.: Power Flow Control on the Italian Network by Means of Phase-shifting Transformers. Paper no 2-206, Proceedings of the 2006 CIGRE Session, Paris, France, ugust 2006. [2] European Transmission System Operators: Procedures for Cross-border Transmission Capacity ssessments. October 2001, www.etso-net.org. [3] Harlow H.J.: Electric Power Transformer Engineering. CRC Press, New York 2007. [4] Hertem Van D.: The Use of Power Flow Controlling Devices in the Liberalized Market. Ph.D. Dissertation, K.U. Leuven, Belgium, 2009. [5] Korab R.: Możliwości zwiększenia zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych KSE. Przegląd Elektrotechniczny, nr 2/2011. [6] Korab R.: Zdolności przesyłowe połączeń transgranicznych KSE. Rynek Energii, Zeszyt tematyczny nr II, marzec 2009. [7] Korab R., Owczarek R.: Kształtowanie transgranicznych przepływów mocy z wykorzystaniem transformatorów z regulacją poprzeczną. Energetyka, nr 5/2011. [8] Machowski J.: Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007. [9] Praca zbiorowa. naliza techniczna możliwości wymiany mocy na przekroju synchronicznym. Departament Planowania Rozwoju PSE-Operator S.., kwiecień 2010.
[10] Praca zbiorowa: Technical effects on the Polish German interface. Report of the WG Coordination of Network Investment Planning, July 2009. [11] Ptacek J., Motlidba P., Vnoucek S., Cermak J.: Possibilities of pplying Phase-shifting Transformers in the Electric Power System of the Czech Republic. Paper no C2-203, Proceedings of the 2006 CIGRE Session, Paris, France, ugust 2006. [12] Rimez J., Van Der Planken R., Wiot D., Claessens G., Jottrand E., Declercq J.: Grid Implementation of a 400 MV 220/150 kv 15 /+3 Phase-shifting Transformer for Power Flow Control in the Belgian Network: Specification and Operational Considerations. Paper no 2-202, Proceedings of the 2006 CIGRE Session, Paris, France, ugust 2006. [13] Seitlinger W.: Phase Shifting Transformers Discussions of Specific Characteristics. Paper no 12-306, Proceedings of the 1998 CIGRE Session, Paris, France, ugust 1998. [14] Sweeney B.: pplication of Phase-shifting Transformers for the Enhanced Interconnection Between Northern Ireland and the Republic of Ireland. Power Engineering Journal, June 2002. [15] Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity: UCTE Operation Handbook. Załącznik 4. Planowanie skoordynowane. www.pse-operator.pl. [16] Verboomen J., Hertem Van D.; Schavemaker P.H., Kling W.L.; Belmans R.: Phase Shifting Transformers: Principles and pplications. Proceedings of the International Conference on Future Power System, msterdam, Netherlands, November 2005. [17] Verboomen J., Spaan F.J., Schavemaker P.H., Kling W.L.: Method for Calculating Total Transfer Capacity by Optimising Phase-shifting Transformer Settings. Paper no C1-111, Proceedings of the 2008 CIGRE Session, Paris, France, ugust 2008. [18] Wang X.F., Song Y., Irving M.: Modern Power Systems nalysis. Springer, New York 2008. [19] Warichet J., Leonard J.L., Rimez J.: Grid Implementation and Operational Use of Large Phaseshifting Transformers in the Belgian HV Grid to Cope with International Network Challenges. Paper no C2-207, Proceedings of the 2010 CIGRE Session, Paris, France, ugust 2010. [20] Wood.J., Wollenberg B.F.: Power Generation, Operation and Control. John Wiley and Sons INC, New York 1996. [21] Zimmerman R. D., Murillo-Sánchez C. E., Thomas R. J.: MTPOWER Steady-State Operations, Planning and nalysis Tools for Power Systems Research and Education, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 26, no. 1, February 2011.
CROSS-BORDER POWER FLOW CONTROL BY USING PHSE SHIFTING TRNSFORMERS Keywords: cross-border electricity exchange, cross-border transmission lines, power flow control, phase shifting transformers Summary. The loop flows (i.e. unscheduled compensatory power flows) that often occur in the interconnected power system can be reduced or even eliminated by using phase shifting transformers. The paper discusses selected results of research whose main objective was to determine the effect of phase angle control of phase shifting transformers installed in crossborder lines. Roman Korab, Od 1998 roku pracuje na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach, w Instytucie Elektroenergetyki i Sterowania Układów. Jego zainteresowania naukowe koncentrują się głównie wokół problemów związanych z operatorskim planowaniem pracy i sterowaniem pracą systemu elektroenergetycznego działającego w warunkach rozwiniętego rynku energii elektrycznej. roman.korab@polsl.pl Robert Owczarek, bsolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach o specjalności Elektroenergetyka. Jego zainteresowania naukowe dotyczą głównie zagadnień związanych z pracą przesuwników fazowych w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. robert-owczarek@o2.pl