Smart Grids – vplyv na existujúcu elektrizačnú sústavu (2)

V prvej časti seriálu sme sa venovali analýze vplyvu inteligentných sietí ako sebestačných regiónov na reguláciu napätia a napäťovú stabilitu, pričom sme uviedli rôzne scenáre vývoja a tiež vplyvu odstavenia zdrojov v prenosovej sústave na reguláciu napätia. Okrem toho sme opísali aj vplyv sebestačných regiónov na napäťovú stabilitu prenosovej sústavy.

Analýza vplyvu Smart Grids na stabilitu veľkých generátorov

Statická stabilita synchrónneho generátora

Prevádzka synchrónneho generátora je daná PQ diagramom. Hranice PQ diagramu sú dané nasledujúcimi limitmi:

  • statorový prúd,
  • rotorový prúd,
  • výkon turbíny,
  • statická stabilita generátora (v oblasti podbudenia generátora),
  • maximálne a minimálne napätie na svorkách.

Analýza vplyvu veľkosti skratového výkonu v PS (ktorého zníženie predpokladáme pri rozvoji Smart Grids) na statickú stabilitu bola realizovaná pre synchrónne generátory: 250 MVA a 1 600 MVA. Analýza je zameraná na hľadanie medze možného podbudenia generátora z pohľadu zachovania jeho statickej stability.

Oblasť podbudenia generátorov v prenosovej sústave je veľmi dôležitá práve v súvislosti s rozvojom Smart Grids v DS. Dôvodom je, že PS po presune výroby do DS bude zrejme menej zaťažená, a preto bude v sústave prebytok kapacitného nabíjacieho výkonu odľahčených prenosových vedení. Preto na udržanie napätia v uzloch PS v dovolených hraniciach bude potrebné:

  • prevádzkovať generátory v podbudení, ktorého hranice budú však vplyvom menej tvrdej sústavy limitované,
  • dodatočne investovať do kompenzačných zariadení (tlmiviek).

Generátor 250 MVA

Parametre generátora: 250 MVA, xd = 180 %, blokový transformátor: 260 MVA, ek = 11 %, blokové vedenie x = 5 ?.

Maximálne podbudenie stanovené na základe hranice statickej stability generátora pre rôzne hodnoty skratového výkonu v mieste pripojenia sú v tab. 1. Pri výpočte bola uvažovaná rezerva statickej stability 5 % a činný výkon generátora 230 MW. Z výsledkov je zrejmé, že so znižovaním skratového výkonu je viac obmedzená prevádzka generátora v podbudení, vo veľmi mäkkej sústave by prevádzka generátora v podbudení nebola možná.

Sk [GVA]  1 2 5 10 20
Qmin [MVAr] 8,7 -25,4 -47,1 -54,8 -58,6
SG[MVA] 230,2 231,4 234,8 236,4 237,4

Tab. 1 Podbudenie generátora 250 MVA pri rôznych skratových výkonoch

Generátor 1 600 MVA

Parametre generátora: 1 600 MVA, xd = 180 %, blokový transformátor: 1 600 MVA, ek = 11 %, blokové vedenie x = 5 ?. Maximálne podbudenie stanovené na základe hranice statickej stability generátora pre rôzne hodnoty skratového výkonu v mieste pripojenia sú v tab. 2. Pri výpočte bola uvažovaná rezerva statickej stability 5 % a činný výkon generátora 1 200 MW. Aj pre generátor s väčším jednotkovým výkonom je skratový výkon rozhodujúci vzhľadom na možnosť podbudenia. Z výsledkov vidieť značné obmedzenie prevádzky generátora v podbudení v skratovo mäkkej sústave.

Treba ešte uviesť, že pri stanovení Qmin bola zohľadnená len statická stabilita stroja a neboli uvažované ďalšie možné obmedzenia ako statorový a rotorový prúd a svorkové napätie. Nominálny výkon generátorov (MVA) však nebol prekročený.

Sk [GVA]  1 2 5 10 20
Qmin [MVAr] -38,5 -193,8 -292,5 -326,3 -345,5
SG[MVA] 1200,6 1215,6 1235,1 1243,6 1248,8

 Tab. 2 Podbudenie generátora 1 600 MVA pri rôznych skratových výkonoch

Dynamická stabilita synchrónneho generátora

Analýza vplyvu zníženia skratového výkonu v sústave (z dôvodu presunu zdrojov z PS do DS) na dynamickú stabilitu generátora bola realizovaná:

  • analyticky – riešenie pohybovej rovnice rotora generátora a určenie kritického času trvania skratu (v angl. CCT – Critical Clearing Time),
  • simulačne – dynamické simulácie vzniku skratu v tvrdej a skratovo mäkšej sústave.

Kritický čas trvania skratu je dôležitý ukazovateľ dynamickej stability synchrónneho generátora. CCT stanovuje maximálny čas trvania poruchy (trojfázového skratu) v blízkosti generátora, kedy ešte nie je ohrozená dynamická stabilita stroja. Ak je CCT kratší ako čas vypnutia poruchy (čas ochrany + čas vypínača), synchrónna prevádzka generátora môže byť pri vzniku poruchy ohrozená. Stabilita generátorov je dôležitá pre stabilitu celej ES. Hodnoty CCT jednotlivých generátorov sú tak dôležité pre celú ES [4].

CCT určené pre generátor 250 MVA v JE pre rôzne hodnoty skratového výkonu sú v tab. 3. Základné parametre generátora podstatné z hľadiska dynamickej stability: x´d = 27 %, H = 4,945 s. CCT bolo stanovené pre prevádzku generátora v podbudení (–40 MVAr) a generátora v prebudení (+80 MVAr). Ako vidieť, hodnota CCT so znižovaním skratového výkonu klesá. Z uvedených hodnôt vyplýva ďalší dôležitý fakt, že hodnoty CCT sú nižšie pre prevádzku generátora v podbudení, t. j. pre prevádzku generátora, ktorá bude pravdepodobnejšia pri uvažovaní rozvoja Smart Grids.

Ik [kA] 2 8 25 40 100
Sk [GVA] 1,4 5,5 17,3 27,7 69,3

CCT [s]

podbudenie
0,145 0,230 0,240 0,240 0,240

CCT [s]

prebudenie
0,240 0,290 0,300 0,305 0,305

Tab. 3 CCT pre rôzne hodnoty skratového výkonu na mieste pripojenia generátorov

Na základe toho môžeme konštatovať, že dynamická stabilita generátorov a tým aj celej ES bude zrejme negatívne ovplyvnená s uvažovaním rozvojov Smart Grids.

Dynamická stabilita generátorov pracujúcich do PS (schéma na obr. 9) bola analyzovaná aj na základe simulácií pre tri varianty:

  • generátor pracujúci v sústave s veľkým skratovým výkonom (základné zapojenie),
  • generátor pracujúci v sústave s nižším skratovým výkonom [vypnutie niekoľkých zdrojov v sledovanej PS (dva generátory v JE v uzle A) a ďalších zdrojov v okolitých PS],
  • generátor pracujúci v sústave s malým skratovým výkonom [vypnutie ďalších zdrojov v sledovanej PS (štyri generátory v JE v uzle C)].

Generátor [s parametrami generátora 250 MVA (vyššie uvedené)], ktorého dynamická stabilita bola vyhodnocovaná, pracuje do rozvodne B, na ktorej sa aj uvažuje vznik trojfázového prípojnicového skratu. Generátor sa vo všetkých troch modelovaných stavoch (kvôli adekvátnosti porovnania výsledkov) nachádzal v stave podbudenia (–13 MVAr). Výsledky simulácií sú na obr. 10 – 12. V sústave s veľkým skratovým výkonom je kritický čas trvania skratu v uzle B z pohľadu zachovania dynamickej stability generátora 250 ms (obr. 10).

V sústave s nižším skratovým výkonom je CCT daného generátora kratší – 180 ms (obr. 11). V sústave s malým skratovým výkonom je CCT len 140 ms (obr. 12).

CCT nie je len ukazovateľ, ktorým vieme kvantitatívne vyhodnotiť dynamickú stabilitu generátora, ale je to dôležitý údaj z hľadiska reálnych časov vypínania skratov v PS a nastavenia ochrán a automatík. Vypnutie skratov v PS v rýchlom čase je cca 80 ms, avšak v prípade zlyhania ochrany alebo vypínača je čas trvania skratu podstatne vyšší (300 – 600 ms). Pri generátoroch pracujúcich v oslabenej PS (s nízkym skratovým výkonom) by teda dlhšie trvajúci skrat mohol spôsobiť problém zachovania dynamickej stability a synchrónnej prevádzky ES.

Záver

Rozvoj Smart Grids ako sebestačných regiónov je aktuálnou témou rozvoja ES. Ak neuvažujeme výrazný nárast spotreby v ES, uvažovanie takéhoto budúceho konceptu ES by znamenal presun výroby do zdrojov v DS a tým odstavenie niekoľkých zdrojov v nadradenej PS. V prípade, že by bol takýto rozvoj v sústave výrazný, je zrejmé, že to zásadne ovplyvní prevádzku celej ES, najmä hierarchiu riadenia a regulácie. Ak by rozvoj Smart Grids nastal v celej európskej sústave, čo by znamenalo vypínanie veľkých zdrojov v prenosových sústavách, výrazne by sa zmenili skratové výkony a tým aj odolnosť sústavy na prechodné a poruchové stavy.

V druhej časti príspevku sme sa zaoberali vplyvom zníženia skratového výkonu na prevádzku veľkých zdrojov, ktoré by aj pri rozvoji Smart Grids zostali v prevádzke v PS. Z analýzy statickej a dynamickej stability generátorov vyplýva, že zníženie skratového výkonu v sústave má nepriaznivý vplyv aj na statickú, aj na dynamickú stabilitu:

  • Zmenší sa oblasť podbudenia generátorov. Aby sa dodržali dovolené hodnoty napätia v uzloch odľahčenej PS, bude práve oblasť podbudenia generátorov potrebná. Obmedzenie regulačných možností generátorov v podbudení môže byť technicky vyriešené (nahradené) dodatočným inštalovaním kompenzačných zariadení, čo však vyžaduje investičné náklady.
  • Hodnota CCT generátorov sa zmenší z pohľadu skratového výkonu, ako aj z pohľadu predpokladanej prevádzky generátora v podbudení. Zvýšenie CCT generátorov možno zabezpečiť znížením vyrábaného činného výkonu, čo však zrejme zapríčiní menej ekonomickú prevádzku zdrojov.

Z vykonaných analýz vyplýva, že výrazné oslabenie zdrojovej základne v PS bude mať z pohľadu regulácie napätia v PS, napäťovej stability, ako aj stability veľkých generátorov nepriaznivý vplyv. Miera vplyvu Smart Grids na existujúcu nadradenú prenosovú sústavu bude, samozrejme, závisieť od mohutnosti presunu výroby z PS na nižšie napäťové úrovne DS. S rozvíjaním koncepcie Smart Grids ako budúcnosti ES treba však myslieť aj na existujúcu infraštruktúru a pripraviť prevádzku prenosových sústav a veľkých zdrojov na možné negatívne vplyvy.

Poďakovanie

Táto práca bola podporená Agentúrou VEGA 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, Tatranske Matliare, Slovakia. June 5-7, 2018. ISBN 978-80-89983-01-8.

Záver seriálu.

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/