Smart Grids – vplyv na existujúcu elektrizačnú sústavu (1)

S rozvojom obnoviteľných zdrojov energie, ktoré sa pripájajú najmä do sietí nižších napäťových úrovní, sa v súčasnosti ako ďalší trend rozvoja elektrizačnej sústavy uvažuje so vznikom sebestačných regiónov. Sebestačný región môžeme chápať ako Smart Grids, v ktorých bude dodávka energie zabezpečená z malých zdrojov v distribučných sústavách. Napriek rozvoju zdrojov na úrovni distribučných sústav však možno predpokladať, že existujúca prenosová sústava a aj časť veľkých zdrojov zostane v prevádzke. V príspevku sa zaoberáme možnými vplyvmi takejto významnej zmeny v štruktúre a hierarchii riadenia elektrizačnej sústavy na reguláciu napätia a napäťovú stabilitu existujúcej prenosovej sústavy, ako aj na prevádzku veľkých synchrónnych generátorov.

Štruktúra elektrizačnej sústavy (ES) v spojení s riadením a reguláciou elektrizačnej sústavy je v súčasnosti navrhnutá tak, že vyššia napäťová hladina je vždy nadradená a mala by byť zdrojom výkonu pre nižšiu napäťovú hladinu. Prenosová sústava (PS) ako nadradená sústava by mala byť dostatočne tvrdá, aby bola zabezpečená prevádzková bezpečnosť a spoľahlivosť sietí na nižšej napäťovej hladine a tiež spoľahlivá dodávka elektriny zákazníkom pripojených do týchto sietí. Tvrdosť sústavy určuje veľkosť skratového výkonu, ktorý zabezpečujú najmä zdroje vyvedené do prenosovej sústavy.

Od sietí Smart Grids sa v budúcnosti očakáva zabezpečenie riadenia výroby (a spotreby) na úrovni distribučnej siete (DS), zabezpečenie bilancie výroby a spotreby, prípadne zabezpečenie autonómnej ostrovnej prevádzky častí distribučnej siete. Možno preto predpokladať, že s rozvojom Smart Grids sa presunie podstatná časť inštalovaného výkonu do zdrojov na nižšie napäťové úrovne. V tejto súvislosti možno očakávať zmenšenie počtu zdrojov a ich výkonu v prenosovej sústave, čo si pravdepodobne vynúti zmenu v prevádzke a riadení celej ES. Zdroje v prenosovej sústave zabezpečujú okrem iného aj reguláciu napätia a sú podstatným prvkom na zabezpečenie napäťovej stability. V neposlednom rade dôsledkom takejto zmeny bude zníženie skratového výkonu v prenosovej sústave, t. j. zmenšenie tvrdosti siete.

Skratový výkon je dôležitým faktorom, ktorý priamo súvisí s vlastnosťami sústavy, jej odolnosťou proti prechodným a poruchovým stavom. Veľkosť skratového výkonu má vplyv aj na prevádzku synchrónnych generátorov, na ich statickú a dynamickú stabilitu. Veľkosť skratového výkonu závisí od počtu zdrojov v sústave, zapojenia sústavy a príspevkov zo susedných sústav. Ak by bol scenár rozvoja Smart Grids v celej prepojenej európskej sieti rovnaký, možno predpokladať pokles skratového výkonu a tým zníženie odolnosti prepojenej sústavy ako celku.

Analýza vplyvu Smart Grids na reguláciu napätia a napäťovú stabilitu

Analýza vplyvu rozvoja Smart Grids realizovaná v prenosovej sústave je predstavená na obr. 1. V základnom stave pracujú v prenosovej sústave tieto zdroje:

  • jadrové elektrárne (JE): rozvodňa A (2 x 240 MW), B (2 x 240 MW), C (2 x 230 MW, 2 x 216 MW),
  • vodné elektrárne (VE): rozvodňa D (4 x 68 MW), E (1 x 110 MW),
  • tepelná elektráreň (TE): rozvodňa F (1 x 45 MW).

Z pohľadu regulácie napätia a napäťovej stability je dôležitý regulačný rozsah reaktančného výkonu generátorov v daných uzloch sústavy:

  • rozvodňa A: <-84; +160> MVAr,
  • rozvodňa B: <-84; +160> MVAr,
  • rozvodňa C: <-160; +320> MVAr,
  • rozvodňa D: <-80; +160> MVAr,
  • rozvodňa E: <-20; +55> MVAr,
  • rozvodňa F: <-10; +40> MVAr.

Veľkosť zaťaženia v sústave bola v základnom stave 2 814,4 MW, celková výroba bola 2 842,6 MW, z toho v distribuovanej výrobe v distribučnej sústave 115,6 MW.

Analyzované scenáre boli založené na presune výroby (zdrojov) z prenosovej sústavy do rozptýlenej výroby v distribučnej sústave:

  • 10 % výroby: odstavenie JE – 240 MW – rozvodňa B,
  • 20 % výroby: odstavenie JE – 480 MW – rozvodňa B,
  • 40 % výroby: odstavenie JE – 480 MW – rozvodňa B a JE – 480 MW – rozvodňa A,
  • 50 % výroby: odstavenie JE – 480 MW – rozvodňa B a JE – 480 MW – rozvodňa A, JE – 432MW – rozvodňa C.

Presunom výroby do DS dochádza aj k strate regulačného reaktančného výkonu generátorov v PS:

  • scenár 10 %: <-42; +80> MVAr,
  • scenár 20 %: <-84; +160> MVAr,
  • scenár 40 %: <-168; +320> MVAr,
  • scenár 50 %: <-248; +640> MVAr.

Vplyv odstavenia zdrojov v prenosovej sústave na reguláciu napätia

V základnom stave regulovali generátory v prenosovej sústave napätie v uzloch A, B, C, E a F. Vplyvom odstavenia zdrojov prišlo k strate, resp. obmedzeniu možnosti regulovania napätia v uzloch A, B a C, čo je zrejmé aj z tvaru kriviek PU. Krivky PU pre tieto uzly a jednotlivé scenáre sú uvedené na obr. 2 – 4.

Najvýraznejšia zmena nastala v uzle B (obr. 2), kde už pre scenár 20 % presunu výroby do distribučnej sústavy nastala strata schopnosti regulovať napätie v tomto uzle a tým aj ovplyvňovať napätie v blízkom elektrickom okolí. V uzle C (obr. 3) je zachovaná možnosť regulácie napätia aj pri scenári presunu 50 % výroby do DS. Avšak schopnosť udržať požadované napätie je len do 1,6-násobku zaťaženia. Na porovnanie v základnom stave to bolo až do 1,8-násobku zaťaženia. V uzle A (obr. 4) bolo v scenároch presunu 40 % a 50 % výroby do DS z dôvodu dosiahnutia rovnakého začiatočného napätia ako v základnom stave potrebné zapnúť tlmivky 4 x 45 MVAr.

Vplyv sebestačných regiónov na napäťovú stabilitu PS

V tejto časti bude analyzovaný vplyv zníženia skratového výkonu v PS na napäťovú stabilitu, konkrétne na tvar krivky PU. Skratový výkon ovplyvňuje tvar kriviek PU, ale najmä kritický bod. Skratový výkon v uzloch PS je závislý od nasledujúcich faktorov:

  • nasadenie zdrojov,
  • zapojenie sústavy,
  • príspevky skratových prúdov z okolitých PS.

Presun výroby z PS do rozptýlenej výroby do DS, a teda odstavenie generátorov v PS, spôsobí zníženie skratového výkonu v uzloch PS. Ak by bol rozvoj Smart Grids rovnaký aj v ostatných PS, skratové príspevky zo susedných PS sa znížia tiež.

V rámci analýzy v uvažovanej sústave predstavuje vypnutie jedného bloku JE zníženie skratového prúdu v uzle, kde je elektráreň pripojená, o cca 2,5 kA. Vplyv zmeny skratového výkonu na krivku PU je analyzovaný pre 400 kV vedenia V47 a V48 (obr. 1). Vedenie V47 je v základnom stave zaťažené na 60 % a V48 na 50 %, tok výkonu je na oboch vedeniach smerom do zahraničia (do susednej PS).

Reaktancia vedenia V47 je 13,5 ?, skratový výkon v uzle D v základnom stave je 13,3 GVA. Prenášaný výkon v základnom stave je 870 MW. Na obr. 5 sú krivky PU pre nižšie hodnoty skratového výkonu (znižovanie o 10 %, 20 %, 30 % a až 50 % pôvodného skratového výkonu).

Veľmi dôležitým kritériom hodnotenia napäťovej stability je aj jej rezerva, t. j. stanovenie vzdialenosti aktuálneho pracovného bodu na krivke PU (začiatočný stav) od kritického bodu. Rezerva napäťovej stability bola určená zo začiatočného výkonu a kritického výkonu takto:

         (1)

Grafické vyjadrenie zníženia rezervy napäťovej stability so znižovaním skratového výkonu v PS je uvedené na obr. 6. Pri uvažovaní poklesu skratového výkonu v uzle D o 20 % klesne rezerva napäťovej stability o cca 15 %, pri uvažovaní výrazného poklesu skratového výkonu je zníženie rezervy výraznejšie.

Reaktancia vedenia V48 je 28 ?, skratový výkon na rozvodni je 15,7 GVA (základný stav). Prenášaný výkon v základnom stave je 725 MW.

Pri uvažovaní poklesu skratového výkonu o 20 % klesne rezerva napäťovej stability o necelých 10 %. Vplyv zmeny skratového výkonu je menej výrazný (oproti vedeniu V47), dôvodom je väčšia reaktancia vedenia V48, ktorá je dominantnejšia v celkovej reaktancii vstupujúcej do výpočtu krivky PU.

Dôležité sú však aj absolútne hodnoty maximálnych prenášaných výkonov v kritickom bode krivky PU. Štandardné vedenia 400 kV majú prenosovú schopnosť z hľadiska dovoleného prúdového zaťaženia v intervale 1 200 – 2 000 MW. Pre vedenie V47 je kritické zaťaženie v základnom stave cca 3 600 MW a pri uvažovanom znížení skratového výkonu o 50 % (najhorší uvažovaný stav) cca 2 500 MW. Kritické zaťaženie vedenia V48 v základnom stave je 2 400 MW, pri najhoršom variante menej ako 1 900 MW.

Zhrnutie

V tejto časti príspevku je analyzovaný vplyv rozvoja Smart Grids na napätie, reguláciu napätia a napäťovú stabilitu existujúcej PS. Boli analyzované scenáre s rôznym objemom výroby v DS, čomu zodpovedalo vypnutie daného počtu synchrónnych generátorov v PS.

Z hľadiska regulácie napätia je možné konštatovať, že vypnutie generátorov v PS, ktoré sú hlavným prostriedkom regulácie napätia v PS, bude mať zásadný vplyv, a to:

  • z pohľadu udržiavania napätia v uzloch PS v stanovených intervaloch,
  • zníženie počtu pilotných uzlov,
  • nutnosť inštalovania kompenzačných prostriedkov.

Úbytok zdrojov v PS v dôsledku rozvoja Smart Grids, zapríčiní pokles skratového výkonu v PS, teda zníženie tvrdosti sústavy. Tento aspekt bol analyzovaný z pohľadu PU kriviek a prenosovej schopnosti vedení PS danej napäťovou stabilitou. Na základe výsledkov, je možné konštatovať, že výraznejší pokles skratového výkonu v sústave bude mať negatívny vplyv na rezervu napäťovej stability.

Poďakovanie

Túto prácu podporila Vedecká grantová agentúra MŠVVaŠ SR prostredníctvom projektu č. VEGA 1/0640/17.

Literatúra

[1] Vournas, C. – Van Cutsem, T.: Voltage Stability of Electric Power Systems. New York: Springer 1998.

[2] Kundur, P.: Power System Stability and Control. New York: McGraw-Hill 1994. 1176 s. ISBN 007035958.

[3] Reváková, D. – Eleschová, Ž. – Beláň, A.: Prechodné javy v elektrizačnej sústave. Bratislava: STU 2008.

[4] Eleschová, Ž. – Beláň, A. – Smitková, M.: What influences length of CCT? In: Proceeding of the 10th WSEAS/IASME International Conference on Electric Power System, High Voltage, Electric Machine POWER ´10. Iwate Prefectural University, Japan, October 4-6, 2010. ISSN 1792-5088. ISBN 978-960-474-233-2.

[5] Eleschová, Ž. – Beláň, A. – Kováč, M. – Liška, M. – Kósa, K.: Analysis of the Voltage Stability of Slovak Transmission System, Impact of the Equipment Maintenance. In: Elektroenergetika 2013: 7th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering. Stará Lesná, Slovakia, September 18-20, 2013. Košice: Technical University of Košice, 2013, s. 52 – 55. ISBN 978-80-553-1441-9.

[6] Cintula, B. – Eleschová, Ž. – Beláň, A. – Liška, M.: Hodnotenie prevádzkového stavu elektrizačnej sústavy. Bratislava: Vydavateľstvo Spektrum STU 2017. 157 s. ISBN 978-80-227-4618-2.

[7] Eleschová, Ž. – Beláň, A. – Cintula, B. – Bendík, J. – Cenký, M.: Smart Grids – Impact on Existing Power Systems. In: Proceeding of the 13th International scienti?c conference Control of Power System 2018. Tatranské Matliare, Slovakia. June 5-7, 2018. ISBN 978-80-89983-01-8.

Žanete Eleschová
zaneta.eleschova@stuba.sk

Anton Beláň
anton.belan@stuba.sk

Boris Cintula
boris.cintula@stuba.sk

Jozef Bendík
jozef.bendik@stuba.sk

Matej Cenký
matej.cenky@stuba.sk

Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky FEI STU v Bratislave
http://www.ueae.fei.stuba.sk/