Stabilita elektrizační soustavy

Termín stabilita se používá v mnoha oblastech, a to jak technických, tak společenských. Zatímco v technických oborech se stabilita systému kontroluje již při návrhu systému (ex ante), ve společenské, a zvláště politické praxi se zpravidla stabilita hledá, až když nastane nestabilita. Důležitým momentem je správné a reálné stanovení kritérií stability systému, tzn. při jakých odchylkách od rovnovážného stavu se musí systém do rovnovážného stavu vrátit. Působí zde jak samoregulace systému, tak záměrně navržené (v technických oborech vesměs automatické) zásahy. Pro jejich návrh je nezbytné systém správně modelovat, testovat a výsledky testů správně interpretovat.

Protože je celá problematika dost složitá, omezíme se na jeden typ stability.

Co je to elektrizační soustava

Tato soustava se skládá ze zdrojů, sítě a spotřebičů (viz obrázek 1).

Základ elektrizační soustavy ¹⁾ – jakousi páteř – tvoří přenosová soustava, která je charakterizována:

• sítí o napětí 400 a 220 kV,
• vyvedením výkonu velkých, tzv. systémových elektráren,
• transformační vazbou na napětí 110 kV,
• propojením do soustav sousedních států pomocí hraničních vedení.

Na přenosovou soustavu navazuje distribuční soustava, kterou charakterizuje:

• několik napěťových úrovní od 110 kV až po sítě nízkého napětí (nn),
• sítě radiální nebo okružní,
• zásobováni jsou z ní buď velkoodběratelé (z vyšších napěťových hladin), nebo maloodběratelé (ze sítě nízkého napětí 380/220 V),
• vyvedeny jsou do ní zdroje nižšího výkonu (nazývané také distribuovaná nebo vnořená výroba).

Co je to stabilita

Zatímco je poměrně snadné zjistit, jak byla elektrizační soustava spolehlivá v minulosti, jen obtížně lze předvídat, jak bude náchylná k výpadkům v budoucnosti. V souvislosti se stabilitou elektrizační sítě budeme používat také netechnické termíny přiměřenost a bezpečnost. V laické řeči přiměřeností rozumíme skutečnost, že soustava má dostatečné rezervy jak ve zdrojích, tak v přenosových linkách, aby se vyrovnala s projektovanými potřebami odběratelů a také s nepředvídatelnými událostmi.

Nepředvídatelné (nadprojektové) události jsou rozsáhlé výpadky zdrojů a vedení způsobené vesměs ataky počasí a teroristickými útoky. Předvídatelné (projektové) události jsou ty, které jsou v průběhu rozvoje, přípravy provozu a reálném čase kontrolovány (výpadek jednoho libovolného vedení, výpadek největšího bloku…).

V kodexu přenosové soustavy je definována stabilita provozu jako schopnost soustavy udržet rovnovážný stav během normálního provozu i po přechodných dějích způsobených vnějšími vlivy, dispečerským řízením i poruchovými výpadky zařízení a jinými rozruchy. ²⁾

Pod pojmem rozruch si můžeme představit:

• změny provozního charakteru, např. v odebíraném nebo dodávaném výkonu, plánované změny topologie sítě (např. vypínáním nebo zapínáním vedení kvůli nutné údržbě),
• poruchy zařízení působené skrytými vadami nebo zrychleným stárnutím,
• poruchy způsobené klimatickými vlivy, jako jsou údery blesku, silný vítr, vysoká teplota ad.
• poruchy způsobené lidským faktorem.

Rozdělení stability

Jelikož elektrizační soustava představuje složitý systém, který je vystaven neustálým změnám zvenčí i zevnitř, je při zkoumání odolnosti soustavy proti rozruchům užitečné rozdělit stabilitu na několik dílčích problémů (obrázek 2). To při analýze umožňuje přijmout určité zjednodušující předpoklady pro reprezentaci soustavy a pro využití odpovídajících analytických metod.

Úhlová stabilita souvisí s pohybem rotorů synchronních strojů, které se nejvíce používají jako zdroje pro výrobu elektřiny. Vztahuje se tedy na schopnost synchronních strojů zůstávat po nějakém rozruchu v synchronním provozu se zbytkem propojené soustavy. Tato schopnost souvisí se schopností udržet rovnováhu mezi elektrickým momentem generátoru a mechanickým momentem poháněcího stroje, kterým bývá nejčastěji turbína. Úhlová stabilita se tedy týká elektromechanických přechodných dějů.

Úhlovou stabilitu můžeme dále rozdělit na stabilitu malých kyvů a přechodnou stabilitu. ³⁾

Pro rozlišení obou typů úhlové stability je rozhodující, jaké prostředky se mohou použít pro její analýzu. Velmi zjednodušeně řečeno, zda děje můžeme považovat ještě za lineární (a použít matematický aparát řešení soustav lineárních diferenciálních rovnic), anebo zda již jde o děje nelineární. ⁴⁾

V obou případech úhlové stability jde o krátkodobé děje, které za normálních podmínek stačí vyšetřovat do 10 sekund od rozruchu. Pro úplnost dodejme, že napěťová a frekvenční stabilita souvisí se schopností soustavy udržet stabilní napětí a frekvenci po rozruchu z daného výchozího stavu.

Koncept přechodné stability

Z hlediska stability si představme nejjednodušší situaci: síť tvořenou jedním zdrojem a jedním spotřebičem spojenými dvěma vedeními. Za běžné situace zdroj udržuje stálé napětí a stálou frekvenci. V ustáleném stavu je výkon turbíny roven odebíranému elektrickému výkonu (pro jednoduchost zanedbáváme jak mechanické, tak elektrické ztráty). Z hlediska stability nás zajímá, co se děje, jestliže spotřebič odebírá ze sítě větší výkon, než je zdroj schopen poskytnout. Extrémním případem pak je, jestliže dojde ke zkratu na vedení (a tedy odebíraný proud roste skokem nad přípustnou mez).

Ztráta stability znamená, že stroj přejde do asynchronního chodu, což se projeví rázy činného výkonu, které namáhají hřídel a přes stator vázaný s rotorem elektromagnetickým polem se přenášejí na základy soustrojí a mohou je poškodit. Proto musí být takový stav včas vyhodnocen a generátor ochranami vypnut.

Podmínky pro udržení stabilního chodu synchronního generátoru se zhorší, jestliže dojde na jednom vedení ke zkratu a následném jeho odpojení ochranami. Skokově se tedy změní parametry přenosu a zkoumá se, zda soustrojí turbína – generátor neztratí stabilitu.

Pro zachování stability je podstatné, aby doba trvání zkratu byla co nejkratší, tj. aby byl zkrat včas rozpoznán elektrickými ochranami a vypínači co nejrychleji vypnut. Moderní digitální ochrany a výkonné vypínače instalované v přenosové soustavě dokážou tento čas zkrátit pod 100 ms.

Jedno z opatření, jímž lze udržet stabilitu, je dostatečně rychlé snížení výkonu turbíny, a tím se přizpůsobí hnací výkon turbíny sníženému elektrickému zátěžnému výkonu generátoru. U parních turbín se to technicky provede elektrickým urychlovačem nebo rychlým řízením ventilů. V obojím případě se mžikem na krátkou dobu zavřou regulační ventily přívodu páry do turbíny. Popud k tomu dává čidlo akcelerace změny otáček.

Pro přechod do asynchronního chodu je typický pilovitý průběh výkonu generátoru. Projevuje se mechanickými rázy na hřídel soustrojí, jež se přenášejí do jeho základů a ohrožují stroj. Počítačový program, který se dnes používá pro modelování složitých elektrizačních soustav, se nazývá síťový simulátor. Slouží nejen k modelování přetížení sítě, ale i k analýzám zkratu na vedení.

Zdravá elektrizační soustava

Uvádí se, že elektrizační soustava je druhým nejsložitějším systémem po živém organizmu. Působí v něm různé autoregulace, a to na straně zdrojů i na straně spotřeby. Tak jako živý organizmus musí být správně vyživován, trénován a chráněn proti vnějším vlivům, je třeba, aby elektrizační soustava byla racionálně rozvíjena, udržována a obnovována. Musí být velmi podrobně modelována, což umožňuje nejen řádně připravovat její provoz, ale také zpětně vyšetřovat poruchy a přijímat nápravná opatření. Pro vytvoření modelu elektrizační soustavy je kromě teoretické výbavy modelérů nezbytné i množství velmi speciálních technických údajů od elektráren, sítí a spotřebičů. Velmi důležitá je správná interpretace výsledků výpočtů na modelech, z níž vycházejí návrhy opatření. V dnešní době pracuje elektrizační soustava ČR v synchronním provozu se soustavami kontinentální Evropy a tato skutečnost vyžaduje modelovat celý tento rozsáhlý fyzikální celek. Toho lze docílit díky spolupráci provozovatelů přenosových soustav sdružených v organizaci UCTE (www.ucte.org).