KVES Elektrotechnická fakulta ŽU STABILITA ELEKTRIZAČNEJ SÚSTAVY Definícia stability elektrizačnej sústavy Stabilita elektrizačnej sústavy je schopnosť sústavy obnoviť pôvodný rovnovážny stav alebo nadobudnúť nový rovnovážny stav po vzniku zmeny prevádzkových veličín v sústave alebo po vzniku poruchy. Definícia stability podľa Operation Handbook UCTE Stabilita elektrizačnej sústavy predstavuje schopnosť sústavy odolať zmenám v sieti (napr. zmeny napätia, záťaže, frekvencie) a vydržať prechod do normálnych alebo aspoň prijateľných prevádzkových podmienok. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Klasifikácia stability elektrizačnej sústavy Klasifikáciu stability elektrizačnej sústavy je možné urobiť na základe: 􀂃 fyzikálnej podstaty výsledného nestabilného stavu – nestabilitou, ktorej hlavnou premennou systému je nestabilita identifikovaná (uhol rotora generátora, napätie,frekvencia), 􀂃 príčiny vzniku nestability (typ a veľkosť poruchy alebo inej udalosti) – ovplyvňuje metódu výpočtu a predikciu stability, 􀂃 činnosti zariadení, procesov v ES a časovom rozsahu, ktorý je potrebný pri vyhodnotení stability uvažovať. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Stabilita uhla rotora Stabilita uhla rotora je schopnosť synchrónnych strojov udržať sa v synchronizme po pôsobení poruchy. Závisí od schopnosti udržať, resp. obnoviť rovnováhu medzi elektromagnetickým momentom a mechanickým momentom každého synchrónneho stroja v sústave. Nestabilita sa prejavuje vo forme narastajúceho kývania uhlov niektorých generátorov, ktoré vedie k strate ich synchronizmu s ostatnými generátormi. Napäťová stabilita Prenosovú sústavu z pohľadu napäťovej stability hodnotíme najmä na základe vzťahov medzi prenášaným výkonom, napätiami v uzloch a dodávaným reaktančným výkonom do sústavy. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Napäťová stabilita je chápaná ako schopnosť udržať napätia v jednotlivých uzloch elektrizačnej sústavy na požadovaných hodnotách počas normálnej prevádzky sústavy, ale aj po odznení poruchy. Príčinou napäťovej nestability v sústave môže byť porucha, zvýšenie zaťaženia alebo taká zmena v systéme, kedy dochádza k ekontrolovateľnému poklesu napätia. Napäťovú stabilitu v elektrizačnej sústave ovplyvňujú aj tieto faktory: 􀂃 konfigurácia prenosovej sústavy (množstvo prepojení a dĺžky vedení), 􀂃 zaťaženie v sústave, prenosy výkonu cez sústavu, 􀂃 koncepcia regulácie napätia, resp. reaktančného výkonu v sústave, 􀂃 rýchlosť regulátorov napätia v sústave, 􀂃 charakteristiky záťaží, 􀂃 zapojenie a charakteristiky kompenzačných zariadení v elektrizačnej sústave, 􀂃 inštalované transformátory s prepínaním odbočiek pod zaťažením v sústave. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Prenášaný výkon v sústave je daný vzťahom: KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Pri zanedbaní rezistancie prenosových zariadení Pri zmene napätia v uzle záťaže Kde ΔUz je zmena veľkosti napätia v uzle záťaže . KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Vzťah ukazuje od čoho je závislé napätie na záťaži KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Riešením tejto kvadratickej rovnice je KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Existuje teda maximálny činný výkon, ktorý je možné preniesť vedením zo zdroja s konštantným napätím, resp. pre daný prenášaný výkon existuje maximálna reaktancia prenosových zariadení (teda aj dĺžka vedenia), cez ktorú je daný výkon možné preniesť. Kritický prevádzkový stav je daný maximom činného výkonu a predstavuje hranicu bezpečnej prevádzky v sústave z hľadiska veľkosti napätia. Aký trend bude mať napätie s rastúcim zaťažením a či sa sústava stane napäťovo nestabilnou závisí od charakteristík záťaže. Pre analýzu napäťovej stability je dôležitý vzťah medzi činným výkonom odoberaným záťažou a napätím v danom uzle záťaže. Účinník záťaže má značný vplyv na P-U charakteristiku, čo sa dá očakávať, pretože úbytok napätia na prenosovom vedení je závislý tak na veľkosti prenášaného činného výkonu, ako aj reaktančného. Napäťová stabilita skutočne závisí na vzťahu činného a reaktančného výkonu a napätia. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Bezpečný stav KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Stabilná prevádzka KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

Regulátory budenia generátorov Vlastnosti niektorých zariadení prenosovej sústavy z pohľadu napäťovej stability Regulátory budenia generátorov Regulátory budenia generátorov sú z hľadiska regulácie napätia v ES veľmi dôležité. Záťaž Kľúčovými prvkami pre vyšetrovanie napäťovej stability sú charakteristiky záťaží a charakteristiky zariadení pre reguláciu napätia v distribučnej sieti. Kompenzačné zariadenia Paralelné kondenzátory Regulovateľná paralelná kompenzácia SVC Sériový kondenzátor KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Vyšetrovanie a hodnotenie napäťovej stability Napäťovú stabilitu môžeme hodnotiť na základe vzájomného vzťahu napätia a reaktančného výkonu. Ak v danom prevádzkovom stave pre každý uzol sústavy platí, že napätie v uzle rastie so vzrastajúcim dodávaným reaktančným výkonom, potom je sústava napäťovo stabilná. Napäťovú stabilitu môžeme vyšetrovať z dvoch pohľadov: 1. Ako ďaleko (blízko) sme od napäťovej nestability? 2. Ako a prečo napäťová nestabilita nastala? Napäťový kolaps Napäťový kolaps je sled niekoľkých udalostí spojených s napäťovou nestabilitou, ktoré vedú k neakceptovateľným hodnotám napätí v značnej časti elektrizačnej sústavy. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Typický scenár napäťového kolapsu môže byť nasledovný: 1. Elektrizačná sústava je v abnormálnom prevádzkovom stave: veľké výrobné bloky v blízkosti rozvodní s veľkou záťažou sú mimo prevádzky. Výsledkom takéhoto stavu je, že prenosové vedenia sú preťažené a rezervy reaktančného výkonu sú minimálne. 2. Nastane vypnutie preťaženého prenosového vedenia, čo spôsobí vyššie zaťaženie ostatných vedení. To môže spôsobiť zvýšenie strát reaktančného výkonu na vedeniach tým sa zvýši požiadavka na dodávku reaktančného výkonu do sústavy. 3. V dôsledku vypnutia prenosového vedenia môže nastať okamžité zníženie napätia v príslušnom uzle sústavy so záťažou. Ak by nastalo zníženie zaťaženia a tým aj zníženie prenášaného výkonu cez prenosové vedenia, mohlo by to mať stabilizačný priaznivý efekt pre sústavu. Ak však regulátory budenia zareagujú na zníženie napätia zvýšením budenia a tým aj zvýšením dodávky reaktančného výkonu do sústavy, môže nastať ešte nepriaznivejšia situácia z hľadiska vývoja napätia. Zvýšený prenos KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU 4. Zníženie napätia v uzloch prenosovej sústave (na strane 400 kV a 220 kV) môže ovplyvniť aj napätie v distribučnej sústave (na strane 110 kV). Transformátory s prepínačom odbočiek pod zaťažením v týchto elektrických staniciach môžu v priebehu niekoľkých minút obnoviť napätia na strane 110 kV na pôvodné hodnoty. 5. Každé prepnutie odbočky na transformátoroch (400 kV/110 kV, resp. 220 kV/110 kV) spôsobí zvýšenie dodávky reaktančného výkonu z generátorov, ktoré môžu postupne všetky pracovať na hranici maximálneho budiaceho prúdu. Keď prvý generátor dosiahne túto hranicu, jeho svorkové napätie klesne. Pri zníženom svorkovom napätí a konštantnom vyrábanom činnom výkone sa zvýši statorový prúd generátora. Pre dodržanie hranice veľkosti statorového prúdu môže byť regulátorom znížená dodávka reaktančného výkonu z daného stroja, čo môže viesť k zvýšeniu dodávky reaktančného výkonu z ostatných generátorov a ich obdobnej reakcii na tento stav. Tým môže byť celá sústav bližšie k napäťovej nestabilite. V tomto stave sú už pravdepodobne všetky kompenzačné tlmivky mimo prevádzky alebo majú znížený výkon, čo by mohlo sústavu ochrániť pred napäťovým kolapsom. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

Napäťový kolaps môžeme charakterizovať týmito znakmi: 1. Začiatok napäťového kolapsu môže byť z rôznych dôvodov: malé postupné zmeny v sústave – napr. zvyšovanie zaťaženia, alebo veľké náhle poruchy – napr. výpadok veľkého výrobného bloku alebo preťaženie prenosového vedenia. Niekedy na prvý pohľad bezvýznamná (alebo bežná) udalosť v sústave môže viesť až k jej kolapsu. 2. Ťažisko problému napäťovej nestability je vo zvyšovaní požiadaviek na dodávku reaktančného výkonu do sústavy. Väčšinou, ale nie vždy, napäťový kolaps je spojený s veľmi preťaženými vedeniami. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU 3. Napäťový kolaps sa obvykle začne prejavovať pomalým postupným znižovaním napätia v jednotlivých uzloch sústavy. Čo môže byť dôsledkom činností a vzájomného sa ovplyvňovania zariadení elektrizačnej sústavy, regulačných prvkov a elektrických ochrán. 4. Priebeh napäťového kolapsu, resp. jeho samotný vznik je silne ovplyvnený aktuálnym prevádzkovým stavom elektrizačnej sústavy a charakteristikami jednotlivých zariadení. Najdôležitejšie faktory, ktoré majú vplyv na napäťovú stabilitu sú: − veľké vzdialenosti medzi výrobou a spotrebou, − činnosť prepínačov odbočiek na prenosových transformátoroch, − nepriaznivé charakteristiky záťaží, − slabá koordinácia regulačných prvkov a elektrických ochrán. 5. Typ a charakteristiky kompenzačných zariadení môžu značne ovplyvniť napäťovú stabilitu. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Predchádzať kolapsom v sústave, či napäťovým alebo iného charakteru, resp. nevystavovať sústavu veľkému riziku, je možné dodržiavaním určitých pravidiel v prevádzke, ako aj v plánovaní, ako napr.: prevádzkovať sústavu tak, aby spoľahlivo vydržala udalosti (napr. stratu jedného prvku v sústave) bez nápravných opatrení, vyrovnať sa s viacerými vážnymi poruchami (napr. n-2 alebo väčšími) pomocou riadiacich a ochranných systémov pôsobiacich v havarijných stavoch: − zapnutie/vypnutie kompenzačných zariadení, − koordinované zvyšovanie napätí generátora, − blokovanie prepínača odbočiek transformátora, − prerozdelenie výroby, KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Frekvenčná stabilita Frekvenčná stabilita sa vzťahuje ku schopnosti elektrizačnej sústavy udržať ustálenú frekvenciu po veľkej poruche, ktorá spôsobí výraznú nerovnováhu medzi výrobou a spotrebou. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Rozpad elektrizačnej sústavy – blackout Blackout je definovaný ako rozpad elektrizačnej sústavy (ES). Je to stav, pri ktorom dochádza v celej elektrizačnej sústave alebo v jej časti k strate paralelnej spolupráce,prerušeniu napájania užívateľov elektrickou energiou a beznapäťovému stavu. Blackout môže spôsobiť: 􀂃 možné poškodenie zariadení elektrizačnej sústavy, 􀂃 veľké ekonomické škody, 􀂃 ohrozenie fungovania hospodárstva, 􀂃 ochromenie života v postihnutých častiach krajiny. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU 9. november 1965 – severovýchod USA a Kanady (Ontario, Connecticut, Massachusetts, New Hampshire, Rhode Island, Vermont, New York, New Jersey) – 12 hodín 25 miliónov ľudí bez elektrickej energie, po tejto udalosti vznikla organizácia NERC North American Electric Reliability Council. 􀂃 13. – 14. júl 1977 – New York – 1616 zničených obchodov, 1037 požiarov, najmasovejšie zatknutie (3776 ľudí) , škody 300 miliónov $. 􀂃 19. december 1978 – Francúzsko – 75% odberateľov bolo odpojených. 􀂃 16. október 1987 – Veľká Británia – v dôsledku silnej búrky boli zničené vedenia na juhu a vznikol rozsiahly blackout v tejto časti sústavy. 􀂃 13. marec 1989 – Kanada - 6 miliónov ľudí bez elektrickej energie na viac ako 9hodín. 􀂃 január 1998 – USA a Kanada – zničené stožiare vonkajších vedení pri silnej snehovej búrke – 290 000 odberateľov bez elektrickej energie. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU 􀂃 január – marec 1998 – Nový Zéland – energetická kríza v Aucklande – problémy v zásobovaní elektrickou energiou biznis-centra. 􀂃 29. júl 1999 – Taiwan – 326 stožiarov zničených pri zosuve pôdy – viac ako 8 miliónov odberateľov bolo odpojených. 􀂃 9. máj 2000 - blackout na juhu Portugalska. 􀂃 2000 – 2001 – energetická kríza v Kalifornii – niekoľko blackoutov, niekoľko sto tisíc odberateľov postihnutých. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU V roku 2003 v priebehu šiestich týždňov bolo zaznamenaných niekoľko blackoutov v severnej Amerike a Európe, ktoré sa dotkli 112 miliónov obyvateľov 5 krajín: 􀂃 14. augusta 2003, USA/Kanada: − strata 62 GW výkonu, 50 miliónov ľudí bez dodávky elektrickej energie, − obnova dodávky trvala niekoľko dní. 􀂃 28. augusta 2003, južný Londýn: − strata 724 MW výkonu, 410 tisíc ľudí, metro a vlaky v čase špičky bez dodávky elektrickej energie, − obnova dodávky trvala 40 minút. 􀂃 5. september 2003, východný Birmingham: − strata 250 MW výkonu, 220 tisíc ľudí bez dodávky elektrickej energie, − obnova dodávky trvala 11 minút. 􀂃 23. september 2003, Švédsko a Dánsko: − 5 miliónov ľudí bez dodávky el. energie, − obnova dodávky trvala 4 hodiny. 􀂃 28. september 2003, celé Taliansko okrem Sardínie: − 57 miliónov ľudí bez dodávky elektrickej energie, KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Blackout v Taliansku - 28. september 2003 Situácia V Taliansku pred blackoutom Situácia v talianskej elektrizačnej sústave pred vznikom blackoutu – o tretej hodine ráno – nebola ničím výnimočná alebo mimoriadna: 􀂃 zaťaženie v sústave 27 444 MW, 􀂃 3 487 MW – čerpadlová prevádzka prečerpávacích elektrární (PVE), 􀂃 6 951 MW – import do Talianska, 􀂃 v elektrizačných sústavách susedných krajín boli niektoré vedenia mimo prevádzky - plánované opravy alebo preventívne práce, 􀂃 Taliansko bolo so susednými sústavami prepojené 15 hraničnými vedeniami. Sled KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Sled udalostí Inicializačnou udalosťou blackoutu v Taliansku bolo vypnutie 380 kV vedenia vo Švajčiarsku. Za necelých 25 minút od tejto udalosti talianska elektrizačná sústava prestala synchrónne pracovať so sústavou UCTE. 􀂃 03:01:42 - vypnutie 380 kV vedenia v Švajčiarsku (Lavorno – Metlen) – zaťažená na 86%. − dôvod vypnutia – dotyk vedenia so stromami, − nasledovalo neúspešné OZ (opätovné zapnutie) ako aj neúspešný pokus dispečera o opätovné zapojenie vedenia do prevádzky z dôvodu veľkého prenosového uhla (42°), − v dôsledku definitívneho vypnutia tohto vedenia došlo k preťaženiu ďalšieho vedenia v Švajčiarsku 380 kV Sils – Soaza. 􀂃 03:11 - telefonický rozhovor dispečera švajčiarskeho koordinačného centra ETRANS a talianskeho dispečingu GRTN v Ríme – žiadosť o zníženie importu na plánovanú hranicu (o 300 MW). KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU 03:21 zredukovaný import Švajčiarsko – Taliansko o 300 MW – čo bolo však nedostatočné. 􀂃 03:25:21 - vypnutie preťaženého vedenia Slis – Soaza (110% zaťaženia) – veľký priehyb vodičov – kontakt so stromami. 􀂃 03:25:25 - vypnutie tretieho preťaženého vedenia vo Švajčiarsku. 􀂃 03:25:26 - vypnutie cezhraničného vedenia Rakúsko – Taliansko (Linz – Soverenze). 􀂃 03:25:33 - talianska sústava sa začala odopínať od UCTE, prenosový uhol na vedení Francúzsko – Taliansko dosiahol maximálnu hodnotu 90° – Taliansko prestalo byť synchrónne s UCTE. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU Po odpojení Talianska od UCTE – nastal v talianskej ES výrazný pokles frekvencie ako výsledok deficitu výkonu v sústave. Prechod do ostrovnej prevádzky bol neúspešný a po necelých 3 minútach nastal v takmer celej ES Talianska blackout. 􀂃 pri poklese frekvencie medzi 49,72 a 48,985 Hz – automatické vypnutie čerpadlovej prevádzky PVE. 􀂃 pri poklese frekvencie na 49,7 Hz – frekvenčné odľahčovanie záťaže. 􀂃 veľký pokles frekvencie nastal po odpojení veľkých elektrární, strata 7 532 MW. 􀂃 31 blokov tepelných elektrární – zregulovanie na vlastnú spotrebu, len 8 blokom sa to podarilo – tieto bloky pomohli pri obnove synchrónnej prevádzky ES Talianska. 􀂃 pri poklese frekvencie pod 47,5 Hz sa vypli elektrárne, ktoré boli stále v prevádzke. 􀂃 03:28:03 - nastal blackout v sústave, v ostrovnej prevádzke sa udržali len malé oblasti a Sardínia. KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU

KVES Elektrotechnická fakulta ŽU