A villamosenergia-rendszeregyesülés wattos teljesítményének és frekvenciájának szabályozása

Mint a bevezető fejezetben láttuk, a valamennyi erőművet magába foglaló energiarendszerben az összes termelt teljesítmény tart egyensúlyt az összes fogyasztott teljesítménnyel, valamint az energiaszállítás hálózati veszteségeivel. A rendszer üzemi és szabályozási vizsgálatainál a veszteségeket is fogyasztásnak tekinthetjük első közelítésben. Így végeredményben, gondolatban a rendszer összes üzemben lévő gépegységét egyetlen géppé egyesíthetjük, amely a fogyasztások összegét látja el. Természetesen minden energiarendszerben nem pontosan annyi gépegység van az erőművekben, amennyi az összes terhelés előre becsülhető legnagyobb összegét éppen fedezi, hanem annál biztonsággal több, hiszen számítani kell egyes gépegységek meghibásodás vagy tervszerű karbantartás miatti hiányzására is. A csúcsidőn kívüli időszakokban pedig lényegesen több az erőművi kapacitás, mint az igény, így a rendszeren, mint közös háztartáson belül, sokféle lehetőségünk van annak megválasztására, hogy az összesen szükséges teljesítményt mely erőművek mely gépeinek milyen mértékű terhelésével szolgáltatjuk. A sokféle lehetőség közül nyilván azt kell választani, amely ugyanazt az eredményt a leggazdaságosabban valósítja meg. Az a tevékenység, ami az összes teljesítményt az erőművek és azok gépei között szétosztja, a teherelosztás, az a központi szervezet pedig, amely ezt (sok más tevékenység mellett) végzi, a teherelosztó. A wattos teherelosztást, tehát az összes teljesítménynek a termelőegységek közötti optimális felosztását tercier szabályozásnak is nevezik.

A soron következő alpontokban az üzemvitel, és a szabályozás egyes kérdéseit egyelőre önálló, országos energiarendszerre vonatkoztatjuk. Az eredményeket nemzetközi rendszeregyesülésekre később általánosítjuk.

4.1. Energiarendszerek magasabb rendű együttműködése

Azok az előnyök, amelyek az erőműveknek egy rendszer keretében szinkron együtt járásából fakadnak, (források kölcsönös helyettesíthetősége, frekvencia ingadozás csökkenése, gazdaságosabb teherelosztás stb.) még tovább fokozhatók, ha az így kialakult, földrajzilag szomszédos energiarendszereket egymással összekapcsoljuk. Európában a fejlődés során először az egyes országok egységes nemzeti energiarendszerre alakult ki, majd ezek összekapcsolásából keletkeztek a nagy nemzetközi energiarendszerek. (pl. az észak európai NORDEL és ma már szinte az egész Európára kiterjedő UCTE rendszer.) Az ilyen rendszeregyesítéseket nevezzük magasabb rendű együttműködésnek.

Több energiarendszer egyetlen, azonos frekvenciájú szinkronrendszerré történő egyesítése egyrészt mennyiségi változást jelent. E tekintetben az energiarendszerek viselkedésére és szabályozására vonatkozó törvényszerűségek és módszerek az új, nagy rendszerre változatlanul érvényesek. Ezen túlmenően azonban az egyesített nemzetközi energiarendszernek egy sor olyan jellemzője is van, ami egy országon belüli rendszernél nem fordul elő. A fontosabb megkülönböztető sajátosságok a következők:

a. Az országok nemzeti rendszereit nagyon erős, sokszorosan hurkolt alaphálózat fogja össze, amely a gyakorlati igények határai között nem korlátozza az összes termelés gazdaságos és célszerű felosztását az ország területén különböző helyeken lévő erőművek között, továbbá egyes távvezetékek vagy gépek kiesésekor a megmaradó hálózati elemeken az együttműködés fennmarad anélkül, hogy valamely átviteli elem jelentősen túlterhelődne.

A nemzeti rendszerek tehát szoros belső csatolásúak. Az országok közötti magasabb rendű együttműködés viszont aránylag kevés, kifejezetten e célra létesített nagyfeszültségű (750, 400 és 220 kV-os) távvezetékkel valósul meg, amelyek átviteli képessége korlátozza az átvihető, ún. csereteljesítményt. A magasabb rendű együttműködés – legalábbis a résztvevő országok gazdasági integrációjának mai fokán – szoros belső csatolási rendszerek egymás közt lazán csatolt rendszere.

b. Egy nemzeti rendszer területén a fogyasztás változásából, a teherelosztás menetrendjéből rendszeresen változó belső energiaszállítások egy gazdasági szervezeten belül történnek. Az országhatárokon át történő energiaszállításban az energia, mint áru szerepel, a szállítás tehát egyúttal külkereskedelmi ügylet is. A tervszerű szállításokat szerződések szabályozzák, a csereteljesítmény mindenkori nagyságát egyeztetett menetrendek írják elő, amelyeket szabályozással kell a tűrési határon belül tartani.

c. A nemzeti rendszeren belül az üzemvitelben, a teherelosztásban központi akarat érvényesül, amelynek végrehajtását szervezett fegyelem biztosítja. A magasabb rendű együttműködésben a központi akaratot a szerződések, megállapodások rendszere helyettesíti, míg a lebonyolításban a kooperációs etika jut döntő szerephez. Ennek megfelelően például az üzemzavaroknál az egész rendszer primer karakterisztikája szerint létrejövő spontán kisegítést a többi partnereknek el kell tűrni, majd szekunder szabályozással elő is kell segíteni mindaddig, amíg az az egyes rendszerek alapvető üzembiztonságát nem veszélyezteti.

4.2. A nagy nemzetközi rendszeregyesülések teljesítményszabályozása normál üzemben

A magasabb rendű együttműködő rendszerben is minden időpontban biztosítani kell a termelt és a fogyasztott teljesítmény egyensúlyát. Ezen belül itt is a fogyasztás a meghatározó, szabályozni a termelést kell szekunder szabályozással. Amíg azonban egy autonóm nemzeti rendszerben a szekunder szabályozás egyetlen paramétere a frekvencia előírt határok között tartása, addig a magasabb rendű együttműködésben ezen túlmenően a rendszerek közötti csereteljesítmény menetrendjének betartása is szükséges.

Az előírt csereteljesítményre egy importáló ország úgy szabályoz, hogy saját erőműveiben a pillanatnyi fogyasztói igénynél annyival kevesebb teljesítményt fejleszt, mint amennyi az import menetrendben megszabott értéke. Saját fogyasztása változásait saját termelésének szabályozásával kell követnie. Exportáló ország saját fogyasztói teljesítményének és menetrendben előírt export kötelezettségének összegét fejleszti.

A magasabb rendű együttműködés keretében a csereteljesítmény szabályozására és a rendszerek közötti teljesítményáramlásokra példaképpen vizsgáljuk meg a 2.4.2.1. ábrán látható esetet.

2.4.2.1. ábra

Az A, B, C országok rendszerei hurkolt kapcsolatban vannak, D és E rendszer egyetlen úton kapcsolódik a többihez. Tételezzük fel, hogy B ország A-ból ΔPAB, D-ből pedigΔPDB teljesítményt importál, míg E a D-bőlΔPDA

értékűt, C rendszer se nem vesz, se nem ad, de rajta keresztül áthalad más rendszerek teljesítményforgalma. Ezt a szerepet tranzitálásnak nevezzük.

Az egyes országok Pt termelt teljesítményét saját Pf fogyasztás esetén a következő értékekre kell az adott ország teherelosztójának a saját erőművek szekunder szabályozásával beállítani:

I.

II.

III.

IV.

V.

Az öt egyenlet összeadásából:

adódik, ami az egész egyesített energiarendszer egyensúlyát fejezi ki.

Az aránylag lazán kapcsolt rendszerek között a csereteljesítmény pillanatnyi értéke elkerülhetetlen ingadozást mutat. Ez az ún. kiszabályozhatatlan teljesítménylengés gyakorlati pontossággal a

összefüggésből számítható, ahol Pk a kisebbik rendszer teljesítménye. A frekvencia szintjét érthetően és döntően az UCTE szabja meg. Ennek és sok más üzem előkészítő és lebonyolító feladatnak a koordinálását a nemzetközi központi teherelosztó végzi.

4.3. A primer szabályozás szerepe és hatása az egyesített energiarendszerekben

A magasabb rendű együttműködés egyesített rendszerének eredő primer szabályozási jelleggörbéje pontosan úgy alakul ki, mint azt az önálló rendszereknél láttuk.

Amíg azonban a teljesítményegyensúly jelentős változásainál létrejövő primer szabályozás hatását az önálló rendszereknél a szorosan csatolt belső hálózaton külön nem vizsgáltuk, a nemzetközi rendszerben – éppen a rendszer összeköttetések korlátozott áteresztő képessége miatt – a primer szabályozásnak a csereteljesítményre gyakorolt hatása nagyon fontos kérdés.

Mivel az egyesülésben résztvevő rendszerek egyenként is elég nagyok, technikai színvonaluk, fogyasztóik természete, összetétele és az egyes gépegységek primer szabályozási karakterisztikáinak statizmusa is általában hasonló, abból az egyszerűsítő, de jogos feltételezésből indulhatunk ki, hogy az egyes rendszerek viszonylagos primer szabályozási jelleggörbéje azonos. Ez azt jelenti, hogy egy bizonyos Δf frekvencia eltérésére az egyes rendszerek százalékosan egyformán reagálnak.

Tételezzük fel, hogy az egyik ország rendszerében egy erőmű kiesése miatt Phteljesítményhiány keletkezik. Így az üzemzavar előtt az egyesített rendszer f’ frekvencián üzemelt. A feltételezett kiesés miatt az egész rendszer frekvenciája f-re csökken. Ennek beláthatóan két hatása lesz. Az egyik az, hogy a csökkent frekvencián az összes rendszer (az üzemzavar helyét képező is) valamivel kevesebb fogyasztói teljesítményt igényel, és ez a különbség átfolyik a hiányt szenvedett rendszerbe. A másik hatás abból adódik, hogy a frekvencia csökkenése miatt minden ország minden gépegysége, amelyik még nem volt teljesen terhelve, saját primer szabályozójának működése révén fokozza teljesítménykibocsátását, tehát aktivizálja a forgó tartalék egy részét vagy egészét (a hiány nagyságától függően). Ez a többletteljesítmény is a hiányt szenvedett országba áramlik át. A viszonyok kissé idealizált azonossága mellett az első hatásból (a fogyasztás csökkenéséből) minden ország olyan arányban veszi ki részét, mint ahogyan saját fogyasztása viszonyul az egyesített rendszer összes fogyasztásához. A második hatás, a forgó tartalék felhasználása pedig országonként a saját termelésnek a rendszer összes termeléséhez viszonyított aránya szerint oszlik meg.

Mivel rendszerenként a Pt termelt és Pf fogyasztott teljesítmény egymáshoz közel áll, s a kisegítő teljesítmény mindkettőhöz képest aránylag kicsiny, továbbá az arányosnak tekintett megoszlás sem pontos, a gyakorlatban megengedett egyszerűsítés, hogy az egyik rendszerben létrejövő Ph teljesítményhiány megoszlásának számítását a rendszernek Pt termelése arányában osztjuk fel. Ha például a 2.4.2.1. ábrán vázolt egyesített rendszerben a C országban feltételezünk Ph üzemzavari forráskiesését, úgy az egyes országokból ennek fedezésére közelítően:

kisegítő teljesítmény folyik. Ugyanakkor magán a C országon belül is létrejön többi forrásából, ill. saját fogyasztásának csökkenéséből a

belső kisegítés. A 2.4.3.1. ábrán ezeket a kisegítő teljesítményeket az eredeti csereteljesítmények mellé, irányra helyesen szaggatott nyíllal bejelöltük. A szuperpozíció az adott esetben az AB, AC és DC vezetékek terhelését növeli, a BC és DE vezetékét csökkenti.

2.4.3.1. ábra

Ha megnövekedett terhelésű vezetékek erősen túlterhelődnek, vagy esetleg a statikus stabilitási határt túllépik és a megfelelő védelmek, a magasabb rendű együttműködés felbomlik, ún. rendszerüzemzavar keletezik. Ekkor a

rendszer levált ép részéről már kisegítés nem folyik. A deficites rendszerrész viszonylagos hiánya ugrásszerűen megnő és a frekvencia erősen csökken.

Említést érdemel, hogy Magyarország saját termelése az egyesített UCTE rendszerben kb. 2 %-os részarányt képvisel. Így pl. egy teljes terheléssel járó 200 MW-os gépegységünk kiesésekor e hiány kb. 98 %-át a többi kooperáló ország fedezi. Ez az átterhelődés azonnal, emberi beavatkozás nélkül létrejön, akkor is, ha a magyar rendszerben még van fel nem használt forgó tartalék. Ha utóbbit szekunder szabályozással bevonják a termelésbe, a kívülről jövő kisegítő teljesítmény ennek megfelelően csökkenthető.

Az egyesített rendszer tárgyait fizikai viselkedéséből az is következik, hogy a rendszerek közötti távvezetékek számát és áviteli képességét úgy kell kialakítani, hogy azok a tervszerű szállításokon kívül az erre szuperponálódó, reálisan valószínűsíthető üzemzavari kisegítő teljesítmények üzembiztos átvitelére is alkalmasak legyenek. Ha ez a követelmény nem valósítható meg, célszerűbb lehet a földrajzilag szomszédos energiarendszerrel a rendszerek szinkron összekötése nélkül megoldani a szükséges energiaszállításokat.