Michał Guzek Zastosowanie przesuwników fazowych dla poprawy bezpieczeństwa systemów elektroenergetycznych Koło Naukowe Energetyków Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska Konferencja: Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015 Opiekun naukowy: dr inż. Sławomir Bielecki Abstrakt Połączone systemy elektroenergetyczne mimo wielu zalet posiadają pewne wady. Szczególnie wobec rosnącej, nieprzewidywalnej generacji wiatrowej wymagają uwagi nieplanowane przepływy transgraniczne będące potencjalnym zagrożeniem dla systemu elektroenergetycznego. Artykuł przedstawia budowę przesuwników fazowych i pewne aspekty techniczne związane z ich funkcjonowaniem, a także możliwości ich zastosowania do regulacji przepływów transgranicnzych. Podaje przykłady funkcjonowania takich urządzeń za granicą, a także przyczyny i oczekiwane efekty ich zastosowania na połączeniach pomiędzy Polską i Niemcami.
1. WSTĘP Sieć elektroenergetyczna to połączone setki urządzeń, których opanowanie jest krytyczne dla zapewnienia stałego dostępu do energii elektrycznej i w konsekwencji sprawnego funkcjonowania światowej gospodarki. Odkąd w 1906 roku stało się możliwe przesyłanie mocy z Francji przez Szwajcarię do Włoch [11] (ok. 700-kilometrową linią przesyłową) buduje się coraz to nowe połączenia transgraniczne. Obszary pracujące synchronicznie rozrosły się i obecnie największy z nich sieć synchroniczna europy kontynentalnej (ENTSO-E, dawniej znana jako UCTE) zaopatruje niemal pół miliarda ludzi w ok. 2500 TWh energii elektrycznej rocznie [12]. Na systemy te oddziałuje szereg czynników. Z jednej strony zmiany struktury mocy zainstalowanej znaczące zwiększenie udziału energetyki odnawialnej. Z drugiej zaś liberalizacja rynku energii. Połączenia transgraniczne, budowane kiedyś dla ułatwienia stabilizacji systemu i zasilania w sytuacjach awaryjnych stały się obiektami wykorzystywanymi w regularnym handlu energią elektryczną. Brak jest dostatecznego powiązania sfery finansowej i operacji handlowych z infrastrukturą, za pomocą której realizuje się dostawy. Rozpływy mocy w SEE są dużo bardziej złożone i mają się nijak do dwustronnych kontraktów pomiędzy podmiotami. Każda transakcja oddziałuje w jakimś stopniu na cały SEE. Problemem jest gdy to oddziaływanie sięga w znacznym stopniu poza sieć danego operatora i ingeruje w plany operatorów sąsiednich systemów przesyłowych. Generuje to nie tylko zwiększenie prawdopodobieństwa rozległych awarii, ale i znaczące koszty związane z pokryciem strat przesyłowych. 2. ZASADA DZIAŁANIA PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH Moc czynna i bierna przesyłana przez gałąź sieci może być w przybliżeniu wyrażona: P = U S U L X L sin δ Q = U S U L X L (cos δ U L U S ) Gdzie U S i U L to moduły napięć na początku i na końcu gałęzi, δ - kąt obciążenia (różnica argumentów napięć węzłowych na początku i końcu gałęzi). Moc czynna jest proporcjonalna do iloczynu napięć na węzłach do których dana gałąź jest włączona, sinusa 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 P, Q [jedn.] δ [ ] 0 45 90 135 180 P Q 2 Wykres 1. Zmienność mocy czynnej i biernej w funkcji kąta obciążenia.
kąta przesunięcia fazowego między nimi i odwrotnie proporcjonalna do reaktancji linii. Przyglądając się tym wzorom widać trzy opcje zmiany przepływającej mocy czynnej: 1) Zmianę napięć w węzłach. Niewątpliwie powoduje to zmianę przepływającej mocy czynnej, ale ma większy wpływ na moc bierną. Rozpływ mocy biernej ma kluczowe znaczenie dla stabilności SEE ponieważ to prąd bierny generuje spadek napięcia równoległy do wskazu napięcia (straty związane przepływem prądu czynnego objawiają się spadkiem napięcia prostopadłym do wskazu napięcia, zatem oddziaływają bardziej na kąt fazowy niż moduł napięcia). 2) Zmianę reaktancji linii. Uzyskuje się to przez zastosowanie szeregowo włączonych kondensatorów, ewentualnie sterowanych tyrystorowo (co pozwala zmieniać reaktancję linii w trakcie eksploatacji). Poza zwiększeniem przepływu mocy, przy zastosowaniu odpowiedniego sterowania, urządzenia te mogą być użyte do tłumienia kołysań mocy. Natomiast są nieprzydatne do ograniczenia przepływu mocy. 3) Zmianę kąta fazowego używając przesuwników fazowych (phase shifting transformer), Wykres 1. Przesuwnik fazowy modeluje się w uproszczeniu jako reaktancję z przesunięciem fazowym. a) Źródło b) X PST ±α X L X L Obciążenie Zatem moc czynna przesyłana linią z zainstalowanym przesuwnikiem wyraża się: Rysunek 1. Gałąź sieci z przesuwnikiem fazowym i bez niego. P = U x U y X L + X PST sin (δ + α) Można ją więc zmieniać zmieniając dodawane przez przesuwnik przesunięcie fazowe α. Jednak maksymalna możliwa do przesłania moc (kiedy wartość sinusa wynosi 1) maleje z powodu zwiększenia się mianownika wyrażenia (dodatkowa reaktancja przesuwnika) zobrazowano na Wykresie 3. Problem ten można wyeliminować stosując by-pass omijający przesuwnik, kiedy dana gałąź ma być maksymalnie obciążona. 1 0,8 P [jedn.] 0,6 0,4 0,2 0 Bez przesuwnika α = 0 α = -15 α = 30 0 ɑ 20 40 60 80 100 120 Kąt obciążenia * ] Wykres 2. Mocy czynna gałęzi sieci z i bez przesuwnika, zmiany punktu pracy gałęzi. 3
Przykład: Weźmy następujący fragment sieci (Rys. 2), gdzie moc przesyłana jest od strony źródła (S) do obciążenia (L) dwoma równoległymi liniami przesyłowymi, przy czym całkowita impedancja gałęzi 2 (pomijamy rezystancje) jest większa od impedancji gałęzi 1. Oczywistym jest, że wobec tego prąd gałęzi 2 będzie mniejszy, tak aby spadek napięcia na obu liniach był taki sam. Gdybyśmy chcieli wyrównać obciążenie tych linii, można zastosować przesuwnik fazowy. Instalując go w gałęzi 1, musiałby on wprowadzić dodatkowe napięcie zwiększające spadek napięcia w tej gałęzi (opóźniający kąt fazowy regulacji). Instalując go w gałęzi 2 oczekiwalibyśmy dodatkowego napięcia niwelującego spadek napięcia na tej gałęzi (wyprzedzający kąt fazowy regulacji). To dodatkowe napięcie powinno być przesunięte w fazie o 90 stopni względem napięcia na obciążeniu, ponieważ uwzględniamy jedynie indukcyjny charakter gałęzi. 3. KONSTRUKCJA PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH Najprostszym przykładem przesuwnika fazowego może być silnik pierścieniowy z zatrzymanym wirnikiem. Obracając wirnikiem można regulować kąt przesunięcia fazowego pomiędzy wskazami napięcia strony pierwotnej i wtórnej takiego transformatora. W warunkach laboratoryjnych takie urządzenia się sprawdzają. Adoptując silnik na przesuwnik fazowy należy pamiętać o ograniczeniu mocy lub zapewnieniu dodatkowego chłodzenia, gdyż wentylator na wale silnika również jest unieruchomiony [13]. Przesuwniki fazowe mogą być sklasyfikowane w następujący sposób [2]: 4
Bezpośrednie z wykorzystaniem jednego trzyfazowego rdzenia. Dla uzyskania różnych przesunięć fazowych łączy się uzwojenia w różnych konfiguracjach. Pośrednie składające się z dwóch oddzielnych transformatorów wzbudzającego (exciter transformer), który ma za zadanie wytworzyć napięcie kwadraturowe i dodawczego (series transformer), który sumuje to napięcie z napięciem sieciowym. Asymetryczne mogące zmieniać kąt fazowy wraz ze zmianą modułu napięcia. Symetryczne mogące zmieniać kąt fazowy, bez wpływu na amplitudę napięcia. Wybór typu budowy przeswnika fazowego zależy od wielu czynników, między innymi mocy przejściowej, pożądanego przesunięcia fazowego, napięcia, zdolności zwarciowej osprzętu i możliwości transportowych. Przesuwniki bezpośrednie Najprostszym sposobem na uzyskanie możliwości wprowadzenia dodatkowego napięcia przesuniętego w fazie o 90 stopni jest zastosowanie transformatora o uzwojeniach połączonych w trójkąt (Rys. 3). Rysunek 3. Przesuwnik bezpośredni symetryczny, opracowano na podst. [2]. Uzwojenia pierwotne są zasilane napięciami międzyfazowymi, zaś uzwojenia wtórne podzielone są na pół i włączone w szereg trzeciej z faz (np. uzwojenie pierwotne L2-L3 -> uzwojenie w wtórne w szereg z L1). Uzwojenia szeregowe wprowadzają dodatkowe napięcie przesunięte w fazie. Jego wartość może być regulowana, dzięki zastosowaniu podobciążeniowych przełączników zaczepów. Korzystając z wykresu wskazowego takiego idealnego transformatora (z dodatkowym założeniem, że prądy są w fazie z napięciami po obu stronach przesuwnika fazowego), można wyprowadzić następujące równania: 5
Zakładając U S1 = U L1 = U U S1 = U A + U ab 2 U L1 = U A U ab 2 U ab = U S1 U L1 U A = U cos ( α 2 ) U bc = 2 U sina α 2 U BC = U cos α 2 3 Jeśli w idealnym przypadku I S1 = I L1 = I, to prąd w uzwojeniu pierwotnym I wynosi: I Δ = U bc U BC I cos α 2 = I 2 3 sin (α 2 ) Moc przejściowa przesuwnika (moc przesyłana gałęzią na której został zamontowany): P = 3 U I Moc własna (determinująca rozmiar urządzenia): P T = 3 U ab I = 2 P sin ( α 2 ) Moc przenoszona do uzwojenia wtórnego, różna od poprzedniej (część prądu od uzwojeń wtórnych znosi się), determinuje prądy przełączane przez zaczepy: P = U BC I Δ = 1 P sin α 3 Uzwojenia opisane powyżej jako pierwotne nazywamy wzbudzającymi (exctiting widing), a wtórne uzwojeniem dodawczym (series widing). Na postawie wzoru na moc własną P T sporządzono Wykres 4. Na przykład dla kąta przesunięcia fazowego wynoszącego 20 przesuwnik musi przenieść około 35% mocy przejściowej. 6
Zmiana przesunięcia fazowego [ ] Moc własna *MW+ Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015 Wykres 4. Moc własna przesuwnika o mocy przejeściowej 1000MW w zależności od oczekiwanego przesunięcia fazowego wg [1]. 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Wprowadzone przesunięcie fazowe (stopni) Wykres 3. Przykładowe dodatkowe przesunięcie wprowadzone przez indukcyjność przesuwnika fazowego, dla różnych wsp. mocy obciążenia wg [2]. 10 8 6 4 2 0 0 cos ϕ=1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 cos ϕ=0,8 Obciążenie przesuwnika *jedn.+ W rzeczywistości znaczący wpływ ma impedancja samego przesuwnika i na przykład dla współczynnika mocy ok. 1 i jednostkowej impedancji przesuwnika = 0,15 (0,15 U znam I znam 3 ) spowoduje ona spadek rzeczywistego przesunięcia fazowego o około 8,5 [2] Wykres 5. Powyżej opisany przypadek dotyczy przesuwnika symetrycznego bezpośredniego. Do jego zalet należą prosta budowa i małe oddziaływanie na wartość napięcia. Główną wadą jest bezpośrednie przyłączenie przełącznika zaczepów do sieci oddziałują na nie bezpośrednio wszelkie przepięcia. Płyną przez nie również prądy znamionowe i działają pod napięciem znamionowym. Buduje się przesuwniki niesymetryczne (Rys. 4). Zredukowano o połowę liczbę przełączników zaczepów pod obciążeniem, ale przy przełączaniu zmienia się stosunek napięć wejściowego i wyjściowego co dodatkowo oddziałuje na regulowaną moc. Należy zwrócić uwagę, że rysowane wcześniej 7
schematycznie przełączniki zaczepów muszą umożliwiać zmianę kierunku przesunięcia fazowego, czyli są wyposażone w dodatkowy przełącznik (Rys. 6). Rysunek 4. Przełącznik zaczepów, zaczerpnięto z [1]. Często stosowane jest poniższe rozwiązanie. Część uzwojeń jednej ze stron transformatora jest przyłączona do sąsiedniej fazy co wprowadza przesunięcie fazowe. Dzięki odpowiednio skonstruowanym zaczepom można odłączyć te części i wtedy urządzenie staje się zwykłym transformatorem (Rys. 5). Innym popularnym rozwiązaniem jest sześciokątne połączenie uzwojeń (Rys. 7). 8
Rysunek 5. Przesuwnik bezpośredni, symetryczny, z sześciokątnym połączeniem uzwojeń, zaczerpnięto z [9]. Przesuwniki pośrednie Rysunek 6. Przesuwniki pośrednie: niesymetryczny (u góry) i symetryczny (na dole), zaczerpnięto z [9] Rozwiązaniem o lepszych właściwościach są przesuwniki fazowe, pośrednie o dwurdzeniowej budowie z osobnym transformatorem wzbudzającym i osobnym transformatorem dodawczym (w przypadku małych jednostek, oba rdzenie mogą być umieszczone w tym samym zbiorniku). Jeżeli uzwojenie pierwotne transformatora wzbudzającego zostanie włączone w połowie uzwojenia szeregowego, to taki przesuwnik może być symetryczny (Rys. 8). Rozdzielenie uzwojeń ma następujące skutki. Po pierwsze impedancja uzwojenia szeregowego (dodawczego) jest stała i nie zależy od zadanego przesunięcia fazowego dzięki temu jest bardziej odporny na zwarcia (w przesuwnikach bezpośrednich ta impedancja może być niemal zerowa przy braku przesunięcia fazowego). Po drugie istnieje pewna swoboda w dobrze prądów pod jakimi będą działały przełączniki zaczepów, dzięki czemu można dobrać te wrażliwe elementy bardziej optymalnie. 9
Inne aspekty W przypadku budowy nowych przesuwników fazowych konieczne jest przewidywanie ich wpływu na sieć. Ze względu na to, że zwykle instaluje się ja na granicach pomiędzy operatorami systemów przesyłowych, rozważanym parametrem jest maksymalna zdolność przesyłowa (Total transfer capa city) pomiędzy operatorami. Zawsze istnieje pewien margines bezpieczeństwa i rzeczywiste zdolności przesyłowe (moc przesyłowa netto) są niższe od teoretycznie możliwych o pewną wartość, ale ponieważ ten margines jest ustalany różnie przez różnych operatorów, rozpatruje się maksymalne zdolności przesyłowe. Wyznaczanie rozpływów mocy z jednym zainstalowanym przesuwnikiem jest proste. Problem pojawia się, kiedy trzeba dopasować nastawy kilku przesuwników, tak żeby zdolności przesyłowe były jak największe, ale zarazem ograniczyć wzrost strat sieciowych. Do obliczeń służą algorytmy oparte na metodzie Monte Carlo 1 wymagające znacznej mocy obliczeniowej. Dla uproszczenia próbuje się stosować metody metaheurystyczne 2. Poznanie optymalnych ustawień to nie koniec. Trzeba do nich jakoś dojść. Okazuje się, że prosta zmiana nastaw, krokowo od stanu neutralnego do optymalnego, nie prowadzi do sukcesywnego polepszania zdolności przesyłowych (występują pewne punkty zwrotne, tzn. zdolności przesyłowe rosną, maleją, rosną itd.). Trzeba więc znaleźć taką ścieżkę przejścia, która będzie bezpieczna dla systemu okazuje się że jest ich wiele. Z pośród nich trzeba wybrać optymalną, co znów pochłania moc obliczeniową. Jak widać, konstrukcja i instalacja urządzeń nie jest jedynym problem równie skomplikowane okazuje się być ich efektywne wykorzystanie. Szczegółowo pochylono się nad tym problemem w [2]. Przesuwniki fazowe są urządzeniami skomplikowanymi do zabezpieczenia. Typowym zabezpieczeniem transformatorów jest zabezpieczenie różnicowe. Porównuje ono prądy 1 Metoda Monte Carlo polega na modelowaniu procesów poprzez losowanie wartości wejściowych zgodnie z danym rozkładem. Np. aby obliczyd pole nieznanej figury można otoczyd ją prostokątem o danym polu i losowad punkty w obszarze prostokąta. Stosunek pola figury do pola prostokąta będzie odpowiadał stosunkowi liczby wylosowanych punktów które znalazły się w obszarze tej figury do całkowitej liczby punktów. 2 Heurystyka metoda przewidywania rozwiązao bez znajomości rzeczywistego mechanizmu działania danego procesu. Zwykle pozwala znajdowad dośd dobre, ale niekoniecznie najlepsze rozwiązania. Nie ma żadnej gwarancji uzyskania poprawnego rozwiązania. 10
wejściowe i wyjściowe urządzenia. Stanem normalnym jest gdy iloczyn prądu i liczby uzwojeń jednej strony jest równy iloczynowi prądu i liczby uzwojeń drugiej strony (N 1 I 1 = N 2 I 2 ). Zmiany odczepów transformatora powodują zmianę liczby uzwojeń widzianych przez urządzenie, ale nastawy są tak dobrane by je ignorować. Ponieważ w przypadku zmian nastaw przesuwnika fazowego, przesunięcie fazowe zmienia się w szerokich zakresach, nie można zastosować tego zabezpieczenie w ten sposób. Wprowadza się układ chroniący osobno uzwojenia pierwotne i wtórne (Rys 9). Prądy są mierzone w punktach 1,2 i 3 dla ochrony uzwojeń pierwotnych obu transformatorów. Zaś w punktach 1,2 i 4 dla ochrony uzwojeń wtórnych (chodź zabezpieczenie obejmuje też uzwojenia pierwotne transformatora dodawczego. Powyższe zabezpieczenie nie sygnalizuje zwarć zwojowych, dla których wykrycia stosuje się zabezpieczenia zerowoprądowe, nadprądowe w uziemieniach uzwojeń transformatora wzbudzającego. (W przypadku zwarcia zwojowego szybko wzrośnie prąd w uziemieniach). Jest to najprostsza realizacja zabezpieczenia różnicowego. Poszukuje się i stosuje wiele udoskonalonych rozwiązań. W przypadku, gdy oba transformatory znajdują się w jednej kadzi wymusza to stosowanie przekładników prądowych zamontowanych wewnątrz kadzi, co komplikuje budowę przesuwnika. Oczywiście instaluje się też inne zabezpieczenia typowe dla transformatorów. Więcej na ten temat m.in. w [14]. 4. 4. PRZESUWNIKI W HOLANDII I BELGII Rejon Beneluksu jest tym miejscem w Europie, gdzie wpływ przesuwników fazowych na międzynarodową wymianę energii i bezpieczeństwo systemu energetycznego jest największy. Na połączeniach transgranicznych pomiędzy Belgią i Holandią oraz innymi krajami zainstalowanych jest w tym rejonie 9 przesuwników fazowych o łącznej mocy 10 750 MVA [8]. Geneza ich budowy jest następująca. Holandia importuje kilkanaście procent energii. Jej południowa część leży bliżej centralnej Europy pokrytej gęstą siecią elektroenergetyczną, toteż import energii znacząco obciążał południowe interkonektory (do granic bezpieczeństwa n-1) 3, co wymusiło wprowadzenie ograniczeń mocy dostępnej dla użytkowników sieci. Natomiast północne Tabela 1. Przesuwniki fazowe w rejonie Beneluxu, zaczerpnięto z [8]. zaczerpnięto z [9]. 3 Poziom bezpieczeostwa n-1 to taki, kiedy wyłączenie jakiegokolwiek elementu sieci nie spowoduje przeciążenia kolejnego. W przeciwnym wypadku wyłącznie jednej z linii przesyłowych mogłoby spowodowad kaskadowe przeciążanie kolejnych linii i w konsekwencji rozległą awarię systemową. 11 Rysunek 7. Połączenia transgraniczne Holandii,
połączenia transgraniczne pozostawały niedociążone. W 1999 roku rozpoczęto prace nad rozwiązaniem problemu. Rozbudowa sieci przesyłowych nie wchodziła w grę z powodu konieczności przeprowadzenie długotrwałych ustaleń z operatorami sąsiednich systemów przesyłowych i później długotrwałej budowy. Zdecydowano się na zastosowanie przesuwników fazowych. Przeprowadzone obliczenia wskazały jako najlepszą lokalizacją dwutorową linię Meeden-Diele o napięciu 380 kv (północne połączenie z Niemcami). W 2002 roku przybyła jedna jednostka, a w 2003 kolejna. Zastosowano rozwiązanie z pośrednimi, symetrycznymi przesuwnikami w trzech osobnych kadziach (po jednej na fazę, w każdej kadzi transformator wzbudzający i dodawczy). Dzięki temu obniżono napięcie połączeń między kadziami, ale zwiększono ich liczbę (w odniesieniu do konstrukcji z dwoma kadziami z dwoma trzyfazowymi transformatorami) (Rys. 10). Każdy z nich składa się z transformatora dodawczego o mocy 213 MVA z rdzeniem z dwoma słupami. Uzwojenia każdego ze słupów o napięciu 70kV każde są połączone szeregowo. Uzwojenia wtórne (wzbudzania) o napięciu 133kV są połączone równolegle. Na transformator regulacyjny mocy 202 MVA, także z rdzeniem z dwoma słupami składa się uzwojenie pierwotne o napięciu 208kV (na obu słupach równolegle) i wtórne o napięciu 38,4 kv (uzwojenia z obu słupów połączone szeregowo. Z powodów ograniczeń przełączników zaczepów, przypadają dwa na każdą fazę. Dlatego znajduje się tutaj dodatkowe transformatory wyrównujące prądy na stykach odczepów. W tym wypadku aby uzyskać wymagany kąt regulacyjny 30 pod obciążeniem, ze względu na indukcyjność urządzenia w stanie jałowym wynosi on 37,2. Po zainstalowaniu tego przesuwnika przeprowadzono wiele testów na działającej sieci, które obrazują jak szeroki wpływ na działanie całej sieci może mieć pojedyncze urządzenie. Zmiana mocy na tym połączeniu o około 1100 MW skutkowała zmianą mocy przesyłanej między Holandią a Belgią i między Belgią a Francją o około 15%. Również straty w Holenderskiej sieci o napięciu 380kV wzrosły o około 20% [3]. 5. PRZYKŁAD POLSKI Rysunek 8. Jedna z faz przesuwnika zainstalowanego w Meeden, zaczerpnięto z [9]. Polska jest połączona z Niemcami 2 interkonektorami: Krajnik Vierraden w północnej części kraju, 2 tory po 457 MW, przygotowana na napięcie 400kV, przejściowo pracująca pod napięciem 220kV i Mikułowa Hagenwerder w południowej części Polski, 2 tory po 1386 MW. 12
(istnieje trzecie, małoznaczące połączenie Turoszów Hirchsfelde nie pozostające w gestii OSP, planowane jest kolejne: Plewiska Eisenhüttenstadt). Powyższe połączenia są zarządzane przez Operatorów Sieci Przesyłowych - Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. (strona Polska) i 50Hertz Transmission GmbH (strona Niemiecka). Ze względu na ograniczenia wewnątrz KSE, linie te nie mogą być obciążone mocą znamionową. Z powodu kształtowania się rozpływu mocy w tej części UCTE linie te zwykle są obciążone nawet wtedy kiedy sumaryczny Polski eksport/import energii jest zerowy. W wschodnich Niemczech znajduje się wiele źródeł wytwarzania (elektrowni konwencjonalnych), ostatnio wspartych znacznymi inwestycjami w energetykę wiatrową i fotowoltaiczną. W zachodniej Polsce jedynymi znaczącymi źródłami są elektrownie Dolna Odra i Turów, których produkcja jest głównie spożytkowana na potrzeby lokalnych odbiorców. W południowej Polsce (Śląsk, Opole) znajduje się duże skupisko elektrowni, zaś Czechy i Słowacja swoje źródła mają głównie w południowych i zachodnich częściach krajów. Implikuje to przepływ prądu z Niemiec do Polski i z Polski do Czech. Od 2007 roku zaczęły pojawiać się sytuacje przekroczenia limitów bezpieczeństwa związanych z nieplanowanym przepływem mocy przez połączenia z Niemcami. Od 2008 roku PSE i 50Hertz podejmowały wiele działań mających temu zapobiegać. M.in. ustalono, że koszty wynikające z działań odciążających połączenia transgraniczne będą dzielone pół na pół pomiędzy dwóch operatorów w przypadkach osiągnięcia wsp. bezpieczeństwa N-1 (tzn. takiej sytuacji, że wyłączenie jednej linii implikowałoby natychmiastowe przeciążenie kolejnej). Kiedy działania te nie przynosiły oczekiwanego efektu projekt rozszerzono na 12 OSP z regionu. Rozpoczęto regularne wykorzystanie połączeń HVDC pod Bałtykiem w razie zagrożenia w miarę możliwości technicznych przesyłano nimi moc z Niemiec do Szwecji i ze Szwecji do Polski w celu odciążenia granicy. Wykres 5. Generacja słoneczna i wiatrowa w Niemczech (zielony), a wymiana 50 Hertz <-> PSE (niebieski). Rok 2013. Zaczerpnięto z [7]. 13
Kolejnym krokiem było porozumienie zawarte 18 grudnia 2012 r. pomiędzy PSE i 50Hetrz o przeprowadzeniu pilotażowego projektu wirtualnego przesuwnika fazowego (ang. vpst virtual Phase Shifting Transformer). Projekt prowadzono w okresie 8 stycznia 30 kwietnia 2013 r. W przypadku spełnienia trzech warunków przekroczenia ustalonej mocy na połączeniach z Niemcami (próg na poziomie 1500 1600 MW), planowanego importu netto z UCTE do Polski poniżej ustalonego progu (zmiennie 200, Rysunek 9. Części przesuwników dostarczone do Polski, zaczerpnięto z [6]. 350, 500MW), zadeklarowania przez PSE zagrożenia dla bezpieczeństwa systemu uruchamiano procedury przekierowywania mocy w celu odciążenia granicy których koszty ponosiło 50Hertz. Raport końcowy wykazał, że jest to mechanizm niewystarczający. W ciągu 4 miesięcy mechanizm był aktywny w sumie przez 132 godziny czternastu dni, przekierowano około 60 GWh energii. Zdarzyła się sytuacja, że mimo wyczerpania możliwości regulacyjnych Polski, Niemiec, Austrii i Czech nie udało się ograniczyć mocy do zakładanych wartości. Maksymalny nieplanowany przepływ wynosił 3286 MW (planowany eksport z Polski wynosił około 1300MW, w rzeczywistości moc płynęła w kierunku importowym). Koszty związane z vpst wyniosły 3 miliony Euro. Czas uruchomienia procedury wynosił 30-45 minut (przepływ informacji, dokumentów). Wykazano powiązanie pomiędzy nieplanowanymi przepływami, a generacją wiatrową i solarną w Niemczech. Ustalono, że konieczna jest budowa przesuwników fazowych na połączeniach Polski z Niemcami, a do czasu jej ukończenia należy udoskonalić i kontynuować procedurę wirtualnych przesuwników fazowych [7]. Rysunek 10. Części przesuwników dostarczone do Polski, zaczerpnięto z [6]. 14
Finanse W styczniu 2013 roku PSE ogłosiło przetarg na dostawę i montaż czterech przesuwników fazowych o mocy 1200 MVA korzystając z procedury negocjacyjnej. Kryterium wyboru była najniższa cena. Wykonawca zobowiązany był do udzielenia 36 miesięcznej gwarancji. Planowany termin prac to 16 września 2013-31 grudnia 2015 roku. Główne wymagania stawiane wykonawcom to dostarczenie i uruchomienie w ciągu ostatnich 10 lat co najmniej dwóch przesuwników, o mocy co najmniej 1000MVA, regulacji kąta co najmniej ±10, na napięcie co najmniej 220kV, oraz posiadanie środków lub zdolności kredytowej w wysokości 100 mln PLN. Na warunek dotyczący doświadczenia wykonawców zażalenie złożyło Przedsiębiorstwo Badawczo Wdrożeniowe Olmex S.A. argumentując to utrudnianiem konkurencji i nieuzasadnionym ograniczaniem liczby potencjalnych wykonawców. Zażądała zmiany wartości 1000MVA na 450 MVA. 8 lutego wpłynęło odwołanie, natomiast 15 lutego 2013 Olmex wycofał odwołanie z KIO wobec czego postępowanie odwoławcze umorzono. Wpłynęły dwie oferty spełniające warunki zmawiającego: Siemens sp. z o.o. 429 317 232 zł brutto (349 038 400 zł netto), oraz ABB sp. z o.o. 656 451 000 zł brutto (533 700 000 zł netto). 23 stycznia 2014 roku zgodnie z kryterium najniższej ceny wybrano ofertę Siemens sp. z o.o.. 10 lutego 2014 r. podpisano umowę pomiędzy Siemens a PSE. 12 marca 2014 roku podpisano umowę pomiędzy PSE i 50Hertz zgodnie z którą PSE ma zainstalować przesuwniki fazowe w stacji Mikułowa do grudnia 2015 roku, zaś 50 Hetrz zainstaluje przesuwniki w stacji Vierraden (linia do Krajnika) do października 2017 r. Technologia Przedmiotem zamówienia była dostawa wraz z transportem, rozładunkiem i montażem czterech kompletów przesuwników fazowych symetrycznych, dwurdzeniowych 400/400 kv o mocy przechodniej minimum 1200 MVA z możliwością pracy z przeciążeniem awaryjnym + 20%, wraz z wymaganym wyposażeniem. Kąt przesunięcia fazowego zamawianych kompletów przesuwników w stanie jałowym miał wynosić minimum ± 40. Ze względu na to, że jest duża wartość, będą zainstalowane 4 przesuwniki po 2 szeregowo na każdy z torów linii przesyłowej. Ponadto w zakres prac wchodziło zaprojektowanie i budowa stanowisk dla PF wraz z budową mis olejowych, oraz dostawa zabezpieczeń. Szczegółowe wymagania techniczne znajdują się w Standardowej Specyfikacji Technicznej wydanej przez Departament Eksploatacji PSE. Zawierają one typowe polskie warunki klimatyczne, oraz inne dane techniczne [5]: napięcie znamionowe 410kV, najwyższe napięcie robocze: 420kV, moc przejściowa > 1200 MVA, prąd uzwojenia szeregowego >1692A, przeciążalność 110% długotrwale i 120% przez 2 godziny; połączenie miedzy kadziami olejowe, szczelne, umożliwiające rozłączenie bez ewakuacji oleju z kadzi; wyprowadzenie wszelkich zacisków poprzez izolatory przepustowe; 15
skuteczne uziemienie zacisków zerowych; chłodzenie w systemie ONAN (konwekcja naturalna powietrza i oleju) wspomagane systemem ODAF (konwekcja wymuszona powietrza i oleju) przy wyższym obciążeniu; dopuszczalna temp. oleju 60 C ponad temp. otoczenia, temp. uzwojeń 65 C (ONAN) i 70 C (ODAF) ponad temp. otoczenia; dopuszczalny poziom mocy akustycznej 89dB(A); odporność zwarciowa od strony linii 20GVA, od strony szyn zbiorczych 40GVA; czas trwania symetrycznego pradu zwarciowego: 1s; maksymalnie 32 stopnie regulacji podobciążeniowego przełącznika zaczepów; izolacyjność: znamionowe napięcie piorunowe 1300kV/1430kV (udar pełny/udar ucięty), napięcia łączeniowe zacisków liniowych: 1050kV (doziemne) 1575kV (międzyfazowe); Ponadto wykonawca miał dostarczyć zabezpieczenia zerowo prądowe, różnicowe i przekładniki prądowe do ich sterowania, oraz określić parametry ograniczników przepięć, które zamontuje zamawiający. W specyfikacji nie określono wielu istotnych parametrów technicznych, ponieważ przesuwniki fazowe projektuje i wykonuje się każdorazowo na zamówienie. Budowa Przesuwniki zostały wyprodukowane w fabrykach Siemensa w Austrii i dostarczone w elementach (waga całego przesuwnika to ok. 800 ton, jednego przewożonego elementu 300 ton). Pierwszy został dostarczony 4 maja 2015 r., ostatni 7 lipca 2015 r. W obecnej chwili (sierpień 2015 r.) trwa jeszcze przebudowa stacji Mikułowa, która w zakresie umożliwiającym uruchomienie przesuwników ma się zakończyć do grudnia 2015 roku [6]. 6. PRZESUWNIKI FAZOWE W SIECIACH DYSTRYBUCYJNYCH. Dotychczas przesuwniki fazowe produkowane w ilości kilku sztuk rocznie w skali świata znalazły zastosowanie w liniach przesyłowych najwyższych napięć. Tymczasem podobne problemy z niedociążaniem jednych, a przeciążaniem innych linii występują w sieci dystrybucyjnej. Ich rozwiązaniem mogłaby być instalacja przesuwników fazowych. Należy przy tym zaznaczyć inną specyfikę sieci dystrybucyjnych, gdzie często R>X. Zależności z Rozdziału 2. nie muszą więc być w tym przypadku prawdziwe. Ścieżkę w tej dziedzinie przetarto w Wielkiej Rysunek 11. Przesuwnik fazowy 33kV po zakończonym montażu, zaczerpnięto z [10]. 16
Brytani. W ramach programu Flexible Plug and Play prowadzonego przez Low Carbon Network Fund na rzecz przyłączania rozproszonej generacji bez konieczności gruntownej przebudowy sieci stosuje się innowacyjne rozwiązania. Przykładem może być cukrownia w Wissington. Zakład posiada jednostki kogeneracyjne o mocy 70MVA, które latem musiały ograniczać moc do około 54MVA (a czasem nawet do 46 MVA). Zakład jest przyłączony do rozdzielni 33kV z której wyprowadzone są 3 linie. Jedna z nich obciążała się nieproporcjonalnie wobec pozostałych. Na przykład przy modelowych warunkach (najbardziej niekorzystnych) minimalnego poboru mocy przez odbiorców i dużej generacji wiatrowej w tym rejonie jedna z linii była obciążona w 100%, druga 50% i kolejna 30%. Postanowiono zastosować pierwszy na świecie przesuwnik fazowy na napięcie 33kV, o mocy 30MVA i kącie regulacji ±12. Wyprodukowany przez Australijską Wilson Transformer Company dwurdzeniowy przesuwnik, włączony do linii przesyłowej stwarzającej problemy rozwiązał je. Jego sterowanie odbywa się automatycznie na podstawie obciążenia trzech rozpatrywanych gałęzi sieci. Koszt projektu miał wynieść około 1,6 mln funtów [10]. 7. PODSUMOWANIE Przesuwniki fazowe eksploatowane w sieciach wysokich napięć od lat 70. dwudziestego wieku stają się jeszcze bardziej potrzebne. Zmiany w strukturze generacji energii elektrycznej w kierunku rosnącego udziału energetyki odnawialnej, a także liberalizacja rynku energii wymuszają popyt na rozwiązania o krótkim czasie instalacji. I przesuwniki fazowe na te potrzeby odpowiadają. Być może lada moment otworzy się dla nich nowa gałąź rynku sieci dystrybucyjne. 17
LITERATURA [1] Electric power transformer engineering, pod redakcją: James H. Harlow, LCC Press 2004. [2] Jody Verboomen, Optimisation of Transmission Systems by use of Phase Shifting Transformers, Rozprawa doktorska, 2008 [3] W.L. Kling *, D.A.M. Klaar, J.H. Schuld, A.J.L.M. Kanters, C.G.A. Koreman, H.F. Reijnders, C.J.G. Spoorenberg, Phase shifting transformers installed in the Netherlands in order to increase available international transmission capacity, Konferencja CIGRE 2004 [4] Dokumentacja przetargu na przesuwniki fazowe dla stacji Mikułowa, www.pse.pl, 2013 [5] Specyfikacja techniczna PSE-ST.PF.400.1200.PWT_2014v1, Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A., www.pse.pl [6] Informacja Prasowa z dnia 24 lipca 2015 r. Polskie Sieci Elektorenergetyczne S.A., www.pse.pl [7] Report on vpst pilot phase experience, www.50hertz.com, 2014 [8] Roman Korab, Robert Owczarek, Kształtowanie transgranicznych przepływów mocy z wykorzystaniem przesuwników fazowych, Rynek Energii nr X / 2012 [9] Jody VerboomenDirk Van Hertem, Pieter H. Schavemaker, Wil L. Kling, Ronnie Belmans, Phase Shifting Transformers: Principles and Applications, Konferencja Future Power System, 2005 [10] Flexible Plug and Play Quadrature-booster Report, UK Power Networks Holdings Limited, 2013 [11] Multi Dimensional Issues in International Electric Power Grid Interconnections, Publikacja ONZ, 2006 [12] The 50 Year Success Story Evolution of a European Interconnected Grid, Publikacja UCTE, 2009 [13] A. M. Plamitzer, Maszyny Elektryczne, Warszawa 1986 [14] J. Nowak, Zabezpieczenia wielkich przesuwników fazowych na liniach transgranicznych, Wiadomości Elektrotechniczne 2014/2 18
dr inż. Sławomir Bielecki Zakład Racjonalnego Użytkowania Energii Instytut Techniki Cieplnej im. B.Stefanowskiego Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechnika Warszawska RECENZJA ARTYKUŁU Warszawa, dn. 5.10.2015 r. pt. Zastosowanie przesuwników fazowych dla poprawy bezpieczeństwa systemów elektroenergetycznych zgłoszonego na Konferencję Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015 organizowaną przez Koło Naukowe Energetyków Politechniki Warszawskiej Artykuł został podzielony na siedem merytorycznie spójnych rozdziałów o logicznym następstwie, zawiera streszczenie oraz spis bibliograficzny. Praca dotyczy bardzo istotnego zagadnienia z punktu widzenia aktualnej problematyki zarządzania systemem elektroenergetycznym, mianowicie wykorzystania rozwiązań opartych na przesuwnikach fazowych do kształtowania rozpływów mocy w sieci elektroenergetycznej. Autor w pełni wyjaśnił zasadę działania przesuwników fazowych w liniach przesyłowych, poruszył bogatą problematykę ich eksploatacji w systemie i przedstawił stosowane konstrukcje tych urządzeń. Szczególnie cennym fragmentem pracy jest część opisująca wybrane przypadki zastosowań przesuwników fazowych w Europie, w tym obecnie realizowaną budową w Polsce. Autor opisał powody konieczności instalacji takich urządzeń w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym wraz z historią przygotowania inwestycji. W pracy wspomniano również o możliwości zastosowań układów z przesuwnikami fazowymi w sieciach dystrybucyjnych. Artykuł jest wzbogacony, zarówno zapożyczonymi, jak i autorsko wykonanymi ilustracjami w postaci wykresów z przebiegami opisywanych zależności, rysunków technicznych oraz zdjęć istniejących konstrukcji. Tematyka artykułu i jej ujęcie odzwierciedla w pełni obecny stan wiedzy zarówno w kraju jak i na świecie. Użyta terminologia i oznaczenia są poprawne oraz stosowane właściwie. Dobór literatury, obejmujący pozycje zarówno krajowe, jak i zagraniczne jest wystarczający, adekwatny do sposobu ujęcia tematu. Praca kończy się lapidarnym, aczkolwiek bardzo celnym podsumowaniem. Artykuł oceniam zdecydowanie pozytywnie, może z powodzeniem zostać zaprezentowany na rzeczonej konferencji. 19