KSZTAŁTOWANIE

TRANSGRANICZNYCH

PRZEPŁYWÓW

MOCY

Z

WYKORZYSTANIEM PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH

Autorzy: 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 przesuw-
ników fazowych. Artykuł omawia wybrane wyniki badań, których głównym celem było określenie możliwości regulacji
przepływów mocy przez transgraniczne połączenia synchroniczne krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE) za po-
mocą przesuwników fazowych instalowanych w liniach wymiany KSE.

1. WSTĘP

Regulacja przepływów mocy czynnej polega na zmianie rozpływu bez zmiany sumarycznej mocy wy-
twarzanej. Wykorzystywana jest tutaj znana zależność określająca przepływ mocy czynnej przez poje-
dynczą gałąź o charakterze indukcyjnym. Ma ona następującą postać:

,

sin

δ

X

U

U

P

j

i

=

(1)

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 do-
konując zmiany poziomów napięć U

i

i U

j

, wartości reaktancji X oraz kąta obciążenia δ. Możliwości ste-

rowania 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 gra-
nicach (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 przedsta-
wiono w opracowaniach [7, 8]. W praktyce regulacja przepływów przez zmianę kąta δ jest często wyko-
rzystywana 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. RODZAJE PRZESUWNIKÓW FAZOWYCH I PRZYKŁADOWE ICH ZASTOSOWANIE W
EUROPIE

Przesuwniki fazowe (PF) występują w wielu rozwiązaniach [3, 4, 13, 16]. Ze względu na budowę moż-
na 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. Je-
den transformator nosi nazwę transformatora regulacyjnego o zmiennych zaczepach, do regulacji
amplitudy napięcia kwadraturowego, drugi nazywa się transformatorem szeregowym, do wprowa-
dzenia napięcia kwadraturowego (przesuniętego o 90

°

) do odpowiedniej fazy.

•

Asymetryczne 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 przesuwni-
ków fazowych do kształtowania wymiany międzysystemowej oraz zapewnienia maksymalnej przepu-
stowości istniejących linii transgranicznych, jak również uniknięcia niebezpieczeństwa ich przeciążenia.
Przesuwniki fazowe są urządzeniami szeroko stosowanymi w systemie synchronicznym Europy Konty-
nentalnej. Są one zainstalowane i pracują efektywnie na wielu granicach. Przykładem jest region Bene-
luksu, 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 elek-
troenergetycznej 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 zain-
stalowany na granicy belgijsko-francuskiej w stacji Monceanu (B). Z kolei na połączeniu holendersko-
niemieckim dwa symetryczne, pośrednie PF zostały zainstalowane w stacji Meeden (NL). Inny prze-
suwnik 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 grani-
cy z Holandią, w stacji Diele (D). Najważniejsze dane dotyczące przesuwników fazowych zainstalowa-
nych 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
MVA

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 przesuwni-
ków fazowych instalowanych w liniach wymiany między systemem polskim a systemami Czech, Nie-
miec i Słowacji.

3. POŁĄCZENIA TRANSGRANICZNE KSE ORAZ ROZPŁYW MOCY W REGIONIE
EUROPY ŚRODKOWO-WSCHODNIEJ

Aktualnie, 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 szwedz-

kim, 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 wyko-
rzystana jedynie część (niekiedy niewielka) termicznych zdolności przesyłowych linii wymiany. Powo-
dem tego jest sposób kształtowania się rozpływu mocy w połączonym systemie oraz ograniczenia sie-
ciowe 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, głów-
nie 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 pol-
sko-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 Cze-
chach 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 sys-
temu połączonego, wykorzystanym w dalszych analizach, wykonanych przy zastosowaniu metody
optymalizacji rozpływu mocy (Optimal Power Flow – OPF) [18, 20]. Analizy te miały na celu zobra-
zowanie wpływu regulacji kąta przesunięcia fazowego przesuwników fazowych, instalowanych w li-
niach wymiany KSE, na transgraniczne przepływy mocy. Obliczenia rozpływowe wykonano z wykorzy-
staniem, pracującego w środowisku Matlab, programu MATPOWER [21].

4. REGULACJA PRZEPŁYWÓW MOCY Z WYKORZYSTANIEM PRZESUWNIKÓW
FAZOWYCH

INSTALOWANYCH

W

LINIACH

WYMIANY

KSE

–

SYNTEZA 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 przesuw-
ników 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 we-
wnętrznej 400/220/110 kV KSE. W związku z tym, oprócz pokazania możliwości kształtowania prze-
pływów 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 wszyst-
kich synchronicznych połączeniach międzysystemowych systemu polskiego, przy czym największe
zmiany przepływów mocy zaobserwowano w liniach transgranicznych, w których zainstalowano prze-
suwnik 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:

Możliwy zakres
regulacji

Przepływ mocy,
w MW, w linii
transgranicznej

Mikułowa

-

Hagenwerder

-40

°

÷ 50

°

-1153 ÷ 1680

Krajnik

–

Vierraden

-60

°

÷ 40

°

-593 ÷ 904

Wielopole

–

Nosovice

-45

°

÷ 10

°

1160 ÷ -1175

Dobrzeń

–

Albrechtice

-35

°

÷ 20

°

631 ÷ -1091

Krosno

-

Lemesany

-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 połącze-
niach 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 niemiec-

kim, tj. w liniach relacji Krajnik – Vierraden i Mikułowa – Hagenverder.

Przeprowadzone badania pokazują, że jeśli przykładowo w linii Mikułowa – Hagenverder wystąpi nie-
pożądany 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 prze-
syłu na równoległym połączeniu Krajnik – Vierraden. W celu zmniejszenia przepływu na całym prze-
kroju Polska – Niemcy należy dokonać regulacji PF również w tej lokalizacji. Możliwości oddziaływa-
nia na przepływy mocy za pomocą skoordynowanej regulacji kąta przesuwników fazowych zainstalo-
wanych 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 sys-
temu połączonego zmiana kąta przesunięcia PF zainstalowanych na przekroju polsko-niemieckim, pro-
wadzona 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 realizo-
wanych 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 instalowa-
nych 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).

Niemcy

Krajnik - Vierraden

Polska

Czechy

Słowacja

Mikułowa - Hagenverder

Wielopole - Nosovice

Kopanina - Liskovec

Krosno - Lemesany

Dobrzeń - Albrechtice

Bujaków - Liskovec

583 MW

20

M

W

2

3

3

M

W

1

3

6

M

W

4

8

5

M

W

19

6

M

W

Saldo wymiany:

Wpłynęło do KSE:
Wypłynęło z KSE:
Suma przepływów:

1313 MW

254 MW

1634 MW
1888 MW

234 MW

Kąt PF = -30

o

Kąt PF = -30

o

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 połą-
czenia 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

°

)

Analizując wyniki przedstawione na rys. 6 można stwierdzić, że zmniejszenie mocy czynnej wpływają-
cej 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

ZASADY

WYZNACZANIA

ZDOLNOŚCI

PRZESYŁOWYCH

LINII

TRANSGRANICZNYCH – METODA ETSO

Przedstawiona w opracowaniach [2], metodyka wyznaczania zdolności przesyłowych linii transgranicz-
nych opiera się na obliczeniach rozpływów mocy w połączonym systemie elektroenergetycznym. Obli-
czenia rozpoczyna się od zdefiniowania w rozpatrywanym systemie połączonym obszarów eksportują-
cego 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 oblicza-
nia rozpływu mocy. Opisaną metodę ilustruje rys 7.

Obszar

A

Import energii z obszaru B do obszaru A

A

G

P

1

A

G

P

2

A

G

P

3

A

G

P

4

↓

∑

A

Gi

P

B

G

P

1

B

G

P

2

B

G

P

3

B

G

P

4

B

Gi

P

↑

∑

B

Gi

P

∑

→

A

B

w

P

Eksport energii z obszaru A do obszaru B

↑

∑

A

Gi

P

↓

∑

B

Gi

P

∑

→

B

A

w

P

Obszar

B

A

Gi

P

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 okre-
sach przeszłych,

3.

zwiększenie/zmniejszenie mocy wytwarzanej zgodnie z przyjętym kryterium ekonomicznym.

W analizach, których wyniki przedstawiono w dalszej części artykułu wykorzystano trzeci sposób roz-
działu 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 wy-
znaczenia rozpływu mocy zastosowano metodę optymalizacji rozpływu mocy OPF.

W przeprowadzonych analizach rozpatrywany system został podzielony na dwa obszary: obszar pierw-
szy 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 jed-
nostki 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

FAZOWYCH

NA

CAŁKOWITE

ZDOLNOŚCI

PRZESYŁOWE POŁĄCZEŃ TRANSGRANICZNYCH 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 zdol-
ności 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 przesu-
nięcia fazowego przesuwników zainstalowanych w liniach wymiany między systemami polskim i nie-
mieckim, co jest zgodne z wynikami przedstawionymi we wcześniejszej części artykułu (rys. 3). Słusz-
ność 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. PODSUMOWANIE I NAJWAŻNIEJSZE WNIOSKI

Obecna struktura połączonego systemu elektroenergetycznego oraz rozkład generacji pomiędzy, jak i
wewnątrz poszczególnych jego części sprawiają, że w regionie Europy Środkowo-Wschodniej systema-
tycznie obserwuje się występowanie tzw. przepływów karuzelowych (nieplanowanych przepływów wy-
równawczych między poszczególnymi obszarami systemu). Przepływy te mogą wykorzystywać znaczą-
cą 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 przesuwni-
ków fazowych. Urządzenia te powinny znacząco poszerzyć możliwości bieżącego sterowania między-
systemowymi przepływami mocy, a w związku z tym ich instalacja na przekroju synchronicznym sys-
temu polskiego jest z pewnością pożądana. Ważnym jest również, że wdrożenie przesuwników fazo-
wych 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 optyma-
lizacji rozpływu mocy OPF dla modelu systemu połączonego w regionie Europy Środkowo-Wschodniej
odwzorowującego zimowy szczyt wieczorny. Uzyskane wyniki pozwoliły na sformułowanie następują-
cych wniosków:

1.

Wyniki przeprowadzonych analiz rozpływowych wskazują, że jednoczesna i odpowiednio skoordy-
nowana regulacja przepływów mocy za pomocą przesuwników fazowych zainstalowanych w obu po-
łączeniach na przekroju zachodnim powinna pozwolić na istotne ograniczenie – a w niektórych sytu-
acjach ruchowych nawet na eliminację – przepływu karuzelowego występującego między systemami
elektroenergetycznymi Niemiec, Polski, Czech i Słowacji, przyczyniając się tym samym do zmniej-
szenia stopnia wykorzystania połączeń transgranicznych KSE w wyniku nieplanowanych przepły-
wów wyrównawczych. Jednak zwykle odbywa się to kosztem zwiększenia strat przesyłowych w kra-
jowej sieci zamkniętej 400/220/110 kV.

2.

Instalacja przesuwników fazowych na przekroju synchronicznym – pozwalając na regulację prze-
pływów transgranicznych w szerokim zakresie – powinna prowadzić do zwiększenia, mierzonej war-
tością 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 urzą-
dzeń powinna zostać poprzedzona odpowiednimi uzgodnieniami międzyoperatorskimi, ponieważ
działania nieuzgodnione mogą wywołać u operatorów sąsiednich reakcję prowadzącą do zniwelowa-
nia efektów uzyskiwanych w wyniku wykorzystania przesuwników.

LITERATURA

[1]

Carlini E.M., Manduzio G., Bonmann D.: Power Flow Control on the Italian Network by Means
of Phase-shifting Transformers. Paper no A2-206, Proceedings of the 2006 CIGRE Session, Paris,
France, August 2006.

[2]

European Transmission System Operators: Procedures for Cross-border Transmission Capacity
Assessments. 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. Analiza techniczna możliwości wymiany mocy na przekroju synchronicznym.
Departament Planowania Rozwoju PSE-Operator S.A., kwiecień 2010.

[10]

Praca zbiorowa: Technical effects on the Polish – German interface. Report of the WG ”Co-
ordination of Network Investment Planning”, July 2009.

[11]

Ptacek J., Motlidba P., Vnoucek S., Cermak J.: Possibilities of Applying Phase-shifting
Transformers in the Electric Power System of the Czech Republic. Paper no C2-203, Proceedings
of the 2006 CIGRE Session, Paris, France, August 2006.

[12]

Rimez J., Van Der Planken R., Wiot D., Claessens G., Jottrand E., Declercq J.: Grid
Implementation of a 400 MVA 220/150 kV –15°/+3° Phase-shifting Transformer for Power Flow
Control in the Belgian Network: Specification and Operational Considerations. Paper no A2-202,
Proceedings of the 2006 CIGRE Session, Paris, France, August 2006.

[13]

Seitlinger W.: Phase Shifting Transformers Discussions of Specific Characteristics. Paper no 12-
306, Proceedings of the 1998 CIGRE Session, Paris, France, August 1998.

[14]

Sweeney B.: Application 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 Applications. Proceedings of the International Conference on Future
Power System, Amsterdam, 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, August 2008.

[18]

Wang X.F., Song Y., Irving M.: Modern Power Systems Analysis. Springer, New York 2008.

[19]

Warichet J., Leonard J.L., Rimez J.: Grid Implementation and Operational Use of Large Phase-
shifting Transformers in the Belgian HV Grid to Cope with International Network Challenges.
Paper no C2-207, Proceedings of the 2010 CIGRE Session, Paris, France, August 2010.

[20]

Wood A.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.: MATPOWER Steady-State Operations,
Planning and Analysis 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

PHASE

SHIFTING

TRANSFORMERS

Keywords: cross-border electricity exchange, cross-border transmission lines, power flow control, phase shifting transform-
ers

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 cross-
border 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. ro-
[e-mail]

Robert Owczarek, Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach o specjalno-
ści Elektroenergetyka. Jego zainteresowania naukowe dotyczą głównie zagadnień związanych z pracą
przesuwników fazowych w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym.

[e-mail]