Způsoby řízení výkonových toků v přenosových soustavách

Zajištění spolehlivé dodávky elektrické energie, za předpokladu dodržení kvalitativních parametrů jakými jsou napětí a frekvence, je jednou z klíčových úloh provozovatelů přenosových soustav po celém světě.

Bezpečnost provozu sítí však bývá ohrožována neplánovanými přetoky elektrické energie, které jsou často způsobovány náhlými změnami ve výrobě či méně častěji spotřebě energie.

Optimalizace toků výkonu je také důležitá z hlediska efektivního provozu elektrizačních soustav a maximálního využití přenosových schopností všech propojených vedení.

Jelikož si toky elektrického proudu vybírají cestu nejmenšího odporu, není vždy možné nebo alespoň snadné jejich velikost a rozložení na jednotlivá vedení ovlivnit či zcela řídit. Pro tyto účely existuje řada speciálních zařízení, která v této úloze hrají klíčovou roli.

Elektrický výkon

Na všech úrovních střídavých elektrizačních soustav jsou přenášeny dva základní typy elektrického výkonu – činný a jalový.

Činný výkon představuje v sítích přenos té části elektrické energie, která je později přeměněna v jiný druh – například mechanickou v elektrických motorech nebo tepelnou v tepelných spotřebičích. Část činného výkonu je také spotřebována na pokrytí ztrát, které jsou vyvolány průchodem elektrického proudu vodiči.

Jalový výkon popisuje výměnu energie mezi prvky elektrického obvodu či sítě. Kondenzátory využívají tuto energii k vytváření elektrických polí, cívky potom k polím magnetickým. Vlivem působení střídavého napětí, respektive proudu dochází ke změně těchto polí a přelévání energie v nich uložené charakterizuje právě výkon jalový. Udržování vhodných toků jalového výkonu je také kritické z důvodu regulace napětí v jednotlivých uzlech sítě.

Ačkoliv se tedy v případě jalového výkonu nejedná o přímou spotřebu elektrické energie, stejně jako u výkonu činného vyvolává jalový proud ve vodičích ztráty. Tyto ztráty se již ve spotřebě elektrické energie projeví a proto je nutné toky jalového výkonu v sítích optimalizovat. Mimo to jalový výkon zaujímá část přenosové kapacity vedení a omezuje tím velikost možného přenášeného činného výkonu.

FACTS

Běžně využívaná zařízení pro řízení toku výkonu činného či jalového se souhrnně nazývají FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). Tato zařízení zvyšují spolehlivost a schopnost řízení přenosových sítí, přenosové schopnosti vedení a také snižují cenu přenosu elektrické energie v důsledku omezení ztrát.

Do této skupiny elektrických zařízení spadá řada systémů skládajících se především z pasivních prvků jako kondenzátory nebo tlumivky, které bývají řízeny výkonovou elektronikou. Některé z nich umožňují řízení pouze výkonu jalového, jiné pak i činného.

SVC – Statický kompenzátor (Static Var Compensator)

Statické kompenzátory jsou hojně využívány pro řízení jalového toku v přenosových sítích, především za účelem regulace napětí. Jejich velkou výhodou oproti dříve běžně používaným synchronním rotačním kompenzátorům (synchronní stroj pracující na prázdno používaný ke kompenzaci jalového výkonu) je absence pohyblivých částí, tím pádem jsou méně náchylné k výskytu poruch, vyžadují nižší míru údržby a vyznačují se rychlou odezvou.

Podle užitých prvků mohou být instalovány v sítích s napětím od desítek až po stovky kV, přičemž jejich výkon se pohybuje v desítkách až stovkách MVAr.

Typický systém statické kompenzace se skládá z kombinace několika různých prvků:

• TCR – tyristorově řízená tlumivka (Thyristor controlled reactor)
• TSC – Tyristorově spínaný kondenzátor (Thyristor switched capacitor)
• MSC/MSR – Mechanicky spínaný kondenzátor/reaktor (Mechanically switched capacitor or reactor)
• Harmonický filtr

Hlavní význam využívání statického kompenzátoru spočívá mimo zmíněné regulace napětí také v jeho flexibilní regulaci díky tyristorovému řízení, eliminaci vyšších harmonických pomocí filtrů, zvýšení přenosové schopnosti vedení a omezení ztrát.

STATCOM – Statický synchronní kompenzátor (Static Synchronous Compensator)

Dalším ze zařízení pro optimalizaci toků výkonu v síti je statický kompenzátor. Základním prvkem tohoto kompenzátoru jsou trojfázové VSC (voltage source converter) měniče. Díky své konfiguraci dokáže být jak zdrojem, tak i spotřebičem jalového výkonu a nabízí vhodné možnosti regulace.

Je-li ke statickému kompenzátoru připojen zdroj činného výkonu (například baterie), může v menším měřítku sloužit i k jeho regulaci (především v případě menších kompenzátorů instalovaných v místě spotřeby).

Hlavními důvody užívání statických synchronních kompenzátorů je dynamické řízení napětí a jeho stabilizace v přenosových a distribučních sítích, zlepšení kvalitativních parametrů elektrické energie v těchto sítích a možnost řízení jak činného, tak jalového výkonu.

SSSC – Statický synchronní sériový kompenzátor (Static Synchronous Series Compensator)

Jedná se o moderní zařízení, které k řízení výkonu protékajícího vedením využívá sériově zapojený VSC měnič, připojený k vedení pomocí přídavného transformátoru. Podobně jako STATCOM dokáže, při předpokladu připojeného zdroje, řídit činný i jalový výkon.

Svým chováním působí SSSC jako sériově zapojený kondenzátor či cívka, v závislosti na regulačním napětí, kterým vedení ovlivňuje. Výslednou změnou reaktance vedení může tedy snižovat nebo zvyšovat přenosovou schopnost vedení.

Typickou funkcí synchronních sériových kompenzátorů je regulace a stabilizace napětí v síti, dále pak řízení toků činného výkonu a omezení vlivů vyšších harmonických pomocí filtrace.

TCSC – Tyristorově řízený sériový kompenzátor (Thyristor Controlled Series Compensator)

Tento druh kompenzačního zařízení je složen z kondenzátoru, jenž je sériově zapojen do regulovaného vedení, a k němu paralelně připojené tlumivky řízené tyristorem. Svou funkcí umožňuje rychlé změny reaktance vedení a tím ovlivňuje přenášený výkon.

V konfiguraci tohoto systému se často vyskytuje i paralelně připojený regulovatelný odpor, který chrání kondenzátor před poškozením v případě přepětí.

Kromě regulace přenášeného výkonu změnou reaktance vedení působí regulátor také pozitivně v případě omezování poruchových proudů.

UPFC – Univerzální regulátor výkonu (Unified Power Flow Controller)

UPFC regulátor je kombinací již dříve popsaných zařízení – kombinuje funkce příčně zapojeného STATCOM se sériově zapojeným SSSC. Zařízení se skládá ze dvou trojfázových VSC měničů, jež jsou vzájemně propojeny stejnosměrným obvodem. K vedení jsou poté připojeny pomocí přídavných transformátorů.

Univerzální regulátor tedy umožňuje regulaci všech základních systémových parametrů – uzlového napětí, impedance vedení, fázového posunu. Stejně jako většina dříve zmíněných regulátorů je schopen dodávat i spotřebovávat jalový výkon. Regulace činného výkonu je dosahováno pomocí sériově připojeného VSC měniče, který skrz transformátor ovlivňuje napětí na přenosovém vedení.

PST – Transformátor s řízeným posuvem fáze (Phase-shifting Transformer)

Je speciálním druhem výkonového transformátoru, který na rozdíl od běžných typů umožňuje řídit velikost i směr toku činného výkonu. Této schopnosti dosahuje obdobně jako UPFC pomocí řídícího napětí, kterým ovlivňuje napětí v uzlu, do nějž je zapojen.

PST transformátory se používají v přenosových sítích především k přerozdělení toků výkonu z přetěžovaných linek na vedení paralelní.