Techno-economic analysis of reactive power compensation devices implementation in power transmission system

Brojni su izazovi s kojima se suočava hrvatski elektroenergetski sustav (EES). Dobra povezanost sustava sa susjednim zemljama omogućuje prijenos velikih količina električne energije putem hrvatske prijenosne mreže. Razvoj tržišta električne energije, integriranje velikih količina obnovljivih izvora s promjenjivom i teže predvidivom proizvodnjom, kao i sve veći nedostatak konvencionalnih regulacijskih proizvodnih jedinica uz slabi porast opterećenja i potrošnje električne energije dovodi do pojave previsokih napona u prijenosnoj mreži. Kada se analiziraju iznosi napona, vidljivo je kako u većini čvorišta hrvatskog prijenosnog sustava, posebice na 220 i 400 kV naponskim razinama, dolazi do pojave previsokih iznosa napona tijekom cijele godine. Duljina trajanja takvih nepovoljnih naponskih prilika u hrvatskom prijenosnom sustavu je značajna, stoga dolazi do naprezanja izolacije i postupnog smanjenja životnog vijeka elektroenergetske opreme, što u konačnici predstavlja značajne troškove održavanja i nabave nove, zamjenske opreme. Dodatno, specifičnosti naponskih prilika hrvatskog EES-a moguće je promatrati kroz sjeverni i južni krak sustava, odnosno nepovoljnu longitudinalnu strukturu mreže koja prati oblik države. U južnom kraku mreže za regulaciju napona i jalove snage moguće je angažirati raspoložive hidroelektrane, posebice reverzibilnu hidroelektranu RHE Velebit. S druge strane u sjevernom kraku mreže ne postoje elektrane koje bi pružile takvu uslugu. Velike promjene iznosa napona tijekom dana, koje ponajviše ovise o promjenama dnevnog i noćnog opterećenja sustava predstavljaju dodatne izazove prilikom određivanja optimalnog rješenja smanjenja previsokih iznosa napona. Kako u hrvatskom prijenosnom sustavu postoji svega nekoliko fiksnih kompenzacijskih uređaja relativno male instalirane snage, pojavila se potreba za pronalaskom dugoročnog rješenja. Provedbom brojnih analiza utvrđeno je da je najpovoljnije rješenje implementacija tri kompenzacijska uređaja ukupne snage 550 MVAr. Kao optimalno rješenje odabrana je ugradnja jednog SVC uređaja snage -250/+70 MVAr u TS Konjsko, te dvije regulacijske prigušnice snage -100 MVAr u TS Mraclin i -200 MVAr u TS Melinu na 220 kV naponsku razinu. Donošenje ove investicijske odluke primarno je uvjetovano zakonskom obvezom operatora prijenosnog sustava da osigura da sve pogonske veličine budu unutar propisanih granica. Obzirom da je riječ o jednom od najvećih zahvata i investicija u elektroenergetskom sustavu Hrvatske, u ovom radu će se provesti detaljna analiza troškova i koristi (engl. cost- benefit analysis - CBA analiza) cijelog projekta, te će se procijeniti i kvantificirati doprinosi investicijskog ulaganja. Jedna od ključnih faza prilikom provedbe ekonomskih analiza velikih investicijskih projekata, odnosno određivanja isplativosti ulaganja je i analiza osjetljivosti. Nakon definiranja referentnog scenarija, analizom osjetljivosti odredit će se utjecaj promjene pojedinih ulaznih varijabli na ekonomsku opravdanost projekta.There are many challenges that the Croatian electricity system is facing. The good connection of the system with the neighboring countries enables the transmission of large amount of electricity through the Croatian transmission system. The development of the electricity market, penetration of the new intermittent renewable energy sources and the lack of conventional generating units lead to overvoltage phenomenon. According to already conducted analyses in the majority of the Croatian transmission system substations (especially at 220 kV and 400 kV voltage levels) voltages exceed the limits during significant part of the year. Hours with undesirable voltage conditions cause insulation stress and life span of electrical equipment reduction. Therefore, the system operators are faced with significant maintenance cost enhancement, as well as new investment needs. Additionally, the specificity of the Croatian power system is that voltage profiles can be considered through northern and southern part of the system following unfavorable network structure as well as unusual shape of Croatia as a country. In the southern part of the system, it is possible to engage available hydro power plants, especially the pump storage hydro power plant Velebit for the reactive power compensation purpose. On the other hand, there are no power plants in the northern part of the network that could provide mentioned service. Volatility of voltages during the day, which mainly depend on load changes, represent additional challenge in determination of the optimal voltages reduction solution. Since there are only a few fixed compensation devices in the Croatian transmission system, it was necessary to find a long-term solution. According to the numerous analyses, the implementation of three compensation devices with a total power of 550 MVAr represents the most favorable solution. The solution is the installation of one SVC device -250 / + 70 MVAr in the substation Konjsko and two variable shunt reactors -100 MVAr in the substation Mraclin and -200 MVAr in the substation Melina at a voltage level of 220 kV. The final decision regarding the investment is primarily conditioned by TSOs obligation to ensure operational allowed limits. Considering that this is one of the largest investments in the Croatian power system in this thesis a detailed cost-benefit analysis (CBA) of the project will be carried out as well as evaluation and quantification of the benefits. One of the key parts while making economic analyzes of large investment projects or the profitability of an investment calculation is sensitivity analysis. Once a reference scenario has been defined, a sensitivity analysis will determine how the economic viability of the project is affected due to individual input variable change