Ladingfrequentiebeheer (LFC) & Turbinebestuurderbeheer (TGC) in kragstelsel
Kort Inleiding tot Thermiese Kragopwekkingseenhede
Kragopwekking is afhanklik van beide hernubare en nie-hernubare energiebronne. Thermiese kragopwekkingseenhede verteenwoordig 'n konvensionele benadering tot kragproduksie. In hierdie eenhede word brandstowwe soos steenkool, kernenergie, aardgas, bio-brandstof en bio-gas in 'n ketel verbrand.
Die ketel van 'n opwekkingseenheid is 'n baie komplekse stelsel. In sy eenvoudigste konsep kan dit voorgestel word as 'n kom waarvan die wand met leiers bekleed is, deur wie water kontinu sirkuleer. Die termiese energie wat deur die verbranding van brandstowwe binne die ketel vrygestel word, word aan hierdie water oorgedra. Tydens hierdie proses word die water omgeskakel na droë verseeëerde damp gekenmerk deur hoë druk (varieer tussen 150 ksc en 380 ksc, afhangende van die ontwerp) en hoë temperatuur (tussen 530°C en 732°C, onderhewig aan ontwerpspesifikasies).
Hierdie verseeëerde damp word dan in 'n turbines gevoer, waar dit uitbrei en sy temperatuur daal. Tydens hierdie uitbreiingsproses oordra die damp sy termiese energie na die rotasionele energie van die turbinespaal. Die stroom van damp in die turbine word gereguleer deur 'n beheerventing, wat geregeer word deur die turbines se bestuurstelsel. Gevolglik word die aktiewe kraguitset van die turbine deur die regelaar beheer. Die turbine is gekoppel met 'n sinchroniseerder-generator.
Die sinchroniseerder-generator skakel die meganiese energie van die turbine om na elektriese energie. Sinchroniseerder-generators produseer elektrisiteit by relatief lae spanning, tipies in die bereik van 11 kV tot 26 kV, by die nominale frekwensie. Hierdie spanning word dan opgestap tot 220 kV/400 kV/765 kV deur 'n opwekkingstransformer vir oordrag na die kragnet. In kragstelsel studies word hierdie hele geïntegreerde stelsel verwys as 'n opwekkingseenheid.
Turbine Regelaar Beheer (TGC)
Soos reeds genoem, reguleer die regelaar die aktiewe kragstroom in die turbine deur die posisie van die beheerventing te beheer. 'n Hidrawuliese regelaar kan gemodelleer word as 'n integrale beheerder wat terugvoer neem van die turbines se werklike roteringskoers. Figuur 1 illustreer die regelaar se operasie in spoed-beheermodus.
Die turbines se werklike spoed word vergelyk met die verwysingsspoed (ooreenkomstig met die nominale netfrekwensie). Die resulterende spoedfoutsignaal (∆ωᵣ) word dan aan die regelaar gegee. Op grond van hierdie foutsignaal pas die regelaar die beheerventingposisie aan: as 'n positiewe foutsignaal gedetekteer word (wat dui dat die werklike frekwensie die nominale frekwensie oorskry), sluit die regelaar die venting liggies toe; andersins, maak hy die venting oop wanneer 'n negatiewe foutsignaal ontvang word.
“R” verteenwoordig die regelaar se droopinstelling, wat tipies varieer tussen 3% en 8%. Wiskundig word dit gedefinieer as:
R = (verandering in frekwensie per eenheid) / (verandering in krag per eenheid)
Droop-instellings is krities vir die stabiele parallelle operasie van meerdere opwekkingseenhede, aangesien hulle bepaal hoe belasting gedeel word binne 'n beheerarea. Eenhede met 'n kleiner droopwaarde sal outomaties 'n groter aandeel van die belasting oorneem.
Beheerarea
In 'n kragstelsel is opwekkingseenhede en belastings versprei oor groot geografiese areas. Om stabiliteit te handhaaf, word die hele net verdeel in kleiner beheerareas (primêr gebaseer op geografie). Hierdie indeling stel in staat:
Binne 'n beheerarea bestaan meerdere opwekkingseenhede en belastings. Die onderskeiding van die kragstelsel in beheerareas dien verskeie sleuteldoelwitte:
1. Belastingsfrekwensiebeheer
Hierdie raamwerk stel die toepassing van belastingsfrekwensiebeheermetodes in om die netfrekwensie te handhaaf—'n konsep wat later in meer detail bespreek sal word.
2. Bepaling van Geskeduleerde Onderlinge Uitruilings
As 'n beheerarea se opwekking kortkom ten opsigte van sy belastingsvraag, vloei krag in die area van aangrensende beheerareas via bindinglyne (en omgekeerd).
3. Effektiewe Belastingsdeling
Belastingsvraag varieer deur die dag (bv. laer by nag, piek in die oggend en aand). Beheerareas vereenvoudig die proses van:
Kragbalans
Elektriese energie word in real-time verbruik (dit kan nie op groot skaal gestoor word nie). Dus is kragbalans 'n fundamentele vereiste:
Opgewekte Krag (P₉) = Belastingsvraag (Pd) + Oordragverlies (Pₗ)
Oordragverlies tref tipies ~2% van opgewekte krag en word dikwels genege wanneer fokus geplaas word op frekwensiebeheer. Vir eenvoudigheid, stel ons voor:
Opgewekte Krag (P₉) ≈ Belastingsvraag (Pd)
Frekwensieverandering
Gridfrekwensie fluktureer as gevolg van mispas tussen belastingsvraag en opwekking. Terwyl klein afwykings deur stelselinertia gestabiliseer word, kan beduidende gapinge (bv. eenheiduitval, groot belastingsveranderinge) frekwensie laat varieer met ±5%. Sleutelsituasies sluit in:
In die meeste gevalle (bv. eenheid/lyn uitval, groot belastingverbinding) oorskry belastingsvraag opwekking, wat frekwensie laat daal. Omgekeerd, as 'n oordraglyn wat 'n groot belasting bedien uitval, mag opwekking belastingsvraag oorskry, wat frekwensie laat styg. Alhoewel die stelsel teenoorstaande reageer op hierdie situasies, is die begrip van frekwensiedaals voldoende om beide gedragings te verstaan.
Waarom Frekwensiedaals Voorkom
Twee inherente stelselgedragings veroorsaak frekwensiedaals:
1. Belastingsdemping
Induksiemotors (bv. huishoudelike venkilateurs, industriële dryfverske) domineer netbelastings. Hul kragverbruik is frekwensie-afhanklik: 'n 1% frekwensievermindering vermindert aktiewe kragverbruik tipies met ~2% in groot stelsels. Wanneer nuwe belastings verbind, daal frekwensie, en bestaande induksielaste verbruik outomaties minder krag—deelgaande die belastings-opwekking gaping.
2. Kinetiese Energie Vrylating van Turbine-Generator (TG) Stelle
Konvensionele TG-stelle het massiewe rotors (vaak >25 ton) wat by 3000 RPM (vir 50Hz-nette) draai. Wanneer belastingsvraag opwekking oorskry, verskaf hierdie rotors tydelik gestoorde kinetiese energie (vir 3–5 sekondes, afhangende van inertie). As rotors vertraag, daal netfrekwensie.
Frekwensiebeheer
Belastingsfrekwensiebeheer (LFC) herstel netfrekwensie na sy nominale waarde na belastings-opwekking mispas. Twee vlakke van beheer bestaan:
1. Primêre Frekwensiebeheer
Op eenheidvlak pas die turbines se bestuurstelsel spoed (en dus frekwensie) aan. Soos vroeër getoon, modifiseer elke eenheid damptoevloed op grond van frekwensieafwykings. Die volledige primêre beheerlus vir 'n opwekkingstasie word in die figuur hieronder gewys.
2. Sekondêre Frekwensiebeheer
Hierdie behels gekoördineerde beheer oor meerdere eenhede in verskillende beheerareas, wat langtermyn frekwensiestabiliteit en optimale belastingsdeling verseker.
Beperkings van Primêre Frekwensiebeheer
Primêre frekwensiebeheer alleen lei tot 'n toestandstoestand frekwensieafwyking, beïnvloed deur die regelaar se droopkenmerk en belastingsfrekwensiegevoeligheid. Dit gebeur omdat individuele eenhede spoed aanpas sonder om te oorweeg waar nuwe belastings verbind of hoeveel belasting bygevoeg word. Sonder sodanige kontekstuele assessering kan kragbalans nie volledig herstel word nie, en frekwensieafwyking bly voortbestaan. Na primêre beheeraaksies kan die toestandstoestand frekwensiefout positief of negatief wees.
Sekondêre Frekwensiebeheer
Om stelselfrekvensie na sy nominale waarde te herstel, is sekondêre beheer nodig, wat rekening hou met nuwe belastingsplekke en verwysingsinstellings vir geselekteerde eenhede aanpas. Wanneer belasting in 'n beheerarea vermeerder, moet opwekking binne daardie area styg om:
Om dit te bereik:
Eens herziene belastingsinstellings uitgereik word, begin eenhede opwekking aanpas. As gevolg van die meganiese aard van kragproduksie, neem dit 25–30 minute vir eenhede om hul geskeduleerde uitsette te bereik. Wanneer alle opwekkingstasies doelwitopwekking bereik, word kragbalans herstel, en frekwensie keer terug na nominale.
Die algehele reaksie van die stelsel met primêre en sekondêre frekwensiebeheer kan deur die grafiek hieronder verstaan word.
Stelselreaksie op Belastingsvermeerdering (A-B-C-D)
A-B: Transiente Kinetiese Energie Vrylating
Vóór punt A, werk die stelsel in kragbalans. By punt A, vermeerder belasting plotseling van P₀ na P₀ + ∆P. 'n 3–5 sekondes vertragting kom voor voordat die regelaar reageer. Tydens hierdie interval, verskaf die rotor se gestoorde kinetiese energie die oormaatlike belasting, wat die rotorspoed laat daal en frekwensie laat daal tot 'n minimumwaarde f₁.
B-C: Primêre Frekwensiebeheeraksie
By ~5 sekondes, begin die regelaar spoedbeheer, wat damptoevloed verhoog om rotorspoed te herstel. Hierdie fase duur 20–25 sekondes (afhangende van die frekwensiedaalmagnitude). Soos bespreek, laat primêre beheer alleen 'n toestandstoestand frekwensiefout ∆f as gevolg van die regelaar se droop kenmerk.
C-D: Sekondêre Frekwensiebeheer (AGC Aktivering)
Eens frekwensie gestabiliseer is, pas sekondêre beheer (via AGC) opwekking aan vir geselekteerde eenhede in elke beheerarea. Hierdie proses hou rekening met:
Opwekkingsaanpassings word beperk deur die eenhede se ontwerp ramprates, wat veral minute neem om te voltooi. Eenmaal voltooi, keer geskeduleerde uitruilings terug na voorberekende waardes, en die stelsel bereik 'n nuwe kragbalans met nominale frekwensie.
