التحكم في تردد الحمل (LFC) وتحكم المحرك البخاري (TGC) في نظام الطاقة
مقدمة مختصرة عن وحدات التوليد الحرارية
يعتمد توليد الكهرباء على مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة. تمثل وحدات التوليد الحراري نهجًا تقليديًا لإنتاج الطاقة. في هذه الوحدات، يتم حرق الوقود مثل الفحم والطاقة النووية والغاز الطبيعي والوقود الحيوي والغاز الحيوي داخل المرجل.
مرجل وحدة التوليد هو نظام معقد للغاية. في أبسط تصور له، يمكن تخيله كغرفة جدرانها مبطنة بأنبوب، يتدفق خلاله الماء بشكل مستمر. يتم نقل الطاقة الحرارية المنبعثة من الاحتراق داخل المرجل إلى هذا الماء. أثناء هذا العملية، يتم تحويل الماء إلى بخار مشبع جاف يتميز بضغط عالٍ (من 150 كيلو باسكال إلى 380 كيلو باسكال، اعتمادًا على التصميم) ودرجة حرارة عالية (بين 530 درجة مئوية و732 درجة مئوية، وفقًا لمواصفات التصميم).
يتم بعد ذلك تغذية هذا البخار المشبع إلى التوربين، حيث يتوسع ويقل درجة حرارته. في عملية الانتشار هذه، يقوم البخار بنقل طاقته الحرارية إلى الطاقة الدورانية لمhaft التوربين. يتم تنظيم تدفق البخار إلى التوربين بواسطة صمام تحكم، والذي يتحكم به نظام التحكم في التوربين. وبالتالي، يتم التحكم في قوة الإخراج النشطة للتوربين بواسطة المحافظ. يتم ربط التوربين بمولد متزامن.
يقوم المولد المتزامن بتحويل الطاقة الميكانيكية للتوربين إلى طاقة كهربائية. ينتج المولدات المتزامنة الكهرباء بجهد منخفض نسبيًا، عادةً ما يكون في نطاق 11 كيلوفولت إلى 26 كيلوفولت، عند التردد الاساسي. يتم بعد ذلك زيادة هذا الجهد إلى 220 كيلوفولت/400 كيلوفولت/765 كيلوفولت بواسطة محول التوليد لنقله إلى شبكة الكهرباء. في دراسات أنظمة الطاقة، يُشار إلى هذا النظام المتكامل كوحدة توليد.
تحكم المحافظ في التوربين (TGC)
كما ذُكر سابقًا، يقوم المحافظ بتنظيم تدفق القوة النشطة إلى التوربين عبر التحكم في موقع صمام التحكم. يمكن نمذجة المحافظ الهيدروليكي كمحسن متكامل يستخدم رد فعل من السرعة الحقيقية للتوربين. توضح الشكل 1 عمل المحافظ في وضع التحكم بالسرعة.
تتم مقارنة سرعة التوربين الفعلية مع السرعة المرجعية (المقابلة للتردد الأساسي للشبكة). يتم بعد ذلك إرسال إشارة الخطأ الناتجة (∆ωᵣ) إلى المحافظ. بناءً على هذه الإشارة، يقوم المحافظ بتعديل موقع صمام التحكم: إذا تم اكتشاف إشارة خطأ موجبة (تشير إلى أن التردد الفعلي يتجاوز التردد الأساسي)، يقوم المحافظ بإغلاق الصمام قليلاً؛ وبالعكس، يفتح الصمام عندما يتلقى إشارة خطأ سالبة.
"R" يمثل إعداد انخفاض المحافظ، والذي يتراوح عادة بين 3٪ و8٪. رياضيًا، يتم تعريفه كالتالي:
R = (التغير في التردد لكل وحدة) / (التغير في القوة لكل وحدة)
إعدادات الانخفاض ضرورية لتشغيل متوازي مستقر لعدة وحدات توليد، حيث تحدد كيفية توزيع الحمل داخل منطقة التحكم. الوحدات ذات قيمة انخفاض صغيرة ستتحمل تلقائيًا حصة أكبر من الحمل.
منطقة التحكم
في نظام الطاقة، يتم توزيع وحدات التوليد والأحمال على مساحات جغرافية واسعة. للحفاظ على الاستقرار، يتم تقسيم الشبكة بأكملها إلى مناطق تحكم أصغر (بشكل أساسي بناءً على الجغرافيا). يتيح هذا التقسيم:
داخل منطقة التحكم، تتعايش عدة وحدات توليد وأحمال. يوفر تقسيم نظام الطاقة إلى مناطق تحكم عدة أهداف رئيسية:
1. التحكم في التردد والأحمال
يتيح هذا الإطار تطبيق طرق التحكم في التردد والأحمال للحفاظ على تردد الشبكة وهو مفهوم سيتم استكشافه بمزيد من التفصيل لاحقًا.
2. تحديد التبادلات المجدولة
إذا كان إنتاج منطقة التحكم أقل من الطلب عليها، تتدفق الطاقة إلى المنطقة من المناطق المجاورة عبر خطوط الربط (وبالعكس).
3. توزيع الأحمال بشكل فعال
يتغير الطلب على الأحمال خلال اليوم (على سبيل المثال، أقل في الليل، يبلغ ذروته في الصباح والمساء). تبسط مناطق التحكم عملية:
توازن القوة
يتم استهلاك الطاقة الكهربائية في الوقت الحقيقي (لا يمكن تخزينها على نطاق واسع). لذلك، يعتبر توازن القوة متطلبًا أساسيًا:
القوة المولدة (P₉) = الطلب على الأحمال (Pd) + خسائر النقل (Pₗ)
تبلغ خسائر النقل حوالي 2٪ من القوة المولدة وغالبًا ما يتم تجاهلها عند التركيز على التحكم في التردد. لتبسيط الأمور، نفترض تقريبًا:
القوة المولدة (P₉) ≈ الطلب على الأحمال (Pd)
تغير التردد
Gيتأرجح تردد الشبكة بسبب عدم التطابق بين الطلب على الأحمال والإنتاج. بينما يتم استقرار الانحرافات الصغيرة بواسطة القصور الذاتي للنظام، يمكن أن تسبب الثغرات الكبيرة (مثل توقف الوحدات أو تغييرات الأحمال الكبيرة) تغير التردد بمقدار ±5٪. تتضمن السيناريوهات الرئيسية:
في معظم الحالات (مثل توقف الوحدات/الخطوط، اتصال أحمال كبيرة)، يتجاوز الطلب الإنتاج، مما يؤدي إلى انخفاض التردد. وعلى العكس، إذا توقف خط نقل خدمة حمل كبير، قد يتجاوز الإنتاج الطلب، مما يؤدي إلى ارتفاع التردد. رغم أن النظام يستجيب بشكل معاكس لهذه السيناريوهات، فإن فهم الانخفاضات في التردد يكفي لفهم كلتا السلوكين.
لماذا يحدث انخفاض التردد
يؤدي سلوكان داخليان للنظام إلى حدوث انخفاضات في التردد:
1. تخفيف الأحمال
تحتل المحركات المؤدية (مثل مراوح المنازل والمحركات الصناعية) الغالبية العظمى من أحمال الشبكة. تعتمد استهلاكها للطاقة على التردد: يمكن أن يؤدي انخفاض التردد بنسبة 1٪ إلى تقليل استهلاك الطاقة النشطة بنسبة حوالي 2٪ في الأنظمة الكبيرة. عند اتصال أحمال جديدة، ينخفض التردد، وتستهلك الأحمال المؤدية الموجودة تلقائيًا طاقة أقل - مما يساعد جزئيًا على تخفيف الفجوة بين الطلب والإنتاج.
2. إطلاق الطاقة الحركية من مجموعات التوربين-المولد (TG)
تتميز مجموعات TG التقليدية بدوارات ضخمة (غالبًا ما تكون >25 طن) تدور بسرعة 3000 دورة في الدقيقة (للشبكات 50 هرتز). عندما يتجاوز الطلب الإنتاج، تقوم هذه الدوارات بتزويد الطاقة الحركية المخزنة مؤقتًا (لمدة 3-5 ثوانٍ، اعتمادًا على القصور الذاتي). مع تباطؤ الدوارات، ينخفض تردد الشبكة.
التحكم في التردد
يعيد التحكم في التردد والأحمال (LFC) تردد الشبكة إلى قيمته الاسمية بعد حدوث اختلافات بين الطلب والإنتاج. يوجد نوعان من التحكم:
1. التحكم الأولي في التردد
على مستوى الوحدة، يقوم نظام التحكم في التوربين بضبط السرعة (وبالتالي التردد). كما هو موضح سابقًا، تقوم كل وحدة بتعديل تدفق البخار بناءً على انحرافات التردد. يتم رسم الحلقة الكاملة للتحكم الأولي في محطة التوليد في الشكل أدناه.
2. التحكم الثانوي في التردد
يشمل هذا التنسيق التحكم عبر عدة وحدات في مناطق التحكم المختلفة، لضمان الاستقرار طويل الأمد للتردد وتوزيع الأحمال بشكل مثالي.
قيود التحكم الأولي في التردد
يؤدي التحكم الأولي في التردد بمفرده إلى انحراف ثابت في التردد، يتأثر بخصائص انخفاض المحافظ وحساسية التردد للأحمال. يحدث هذا لأن الوحدات الفردية تقوم بضبط السرعة دون النظر إلى مكان اتصال الأحمال الجديدة أو كمية الأحمال المضافة. بدون هذا التقييم السياقي، لا يمكن استعادة التوازن تمامًا، ويستمر الانحراف في التردد. بعد أفعال التحكم الأولي، قد يكون الخطأ الثابت في التردد إيجابيًا أو سالبًا.
التحكم الثانوي في التردد
يتطلب استعادة تردد النظام إلى قيمته الاسمية التحكم الثانوي، الذي يأخذ في الاعتبار مواقع الأحمال الجديدة ويعدل نقاط المرجع للمولدات المختارة. عندما يزداد الحمل في منطقة التحكم، يجب أن يرتفع الإنتاج في تلك المنطقة ل:
لتحقيق هذا:
بعد إصدار نقاط المرجع المعدلة للأحمال، تبدأ الوحدات في تعديل الإنتاج. نظرًا لطبيعة الإنتاج الميكانيكية، يستغرق الأمر 25-30 دقيقة للوحدات للوصول إلى إنتاجها المجدول. عندما تصل جميع محطات التوليد إلى إنتاجها المستهدف، يتم استعادة التوازن الكهربائي، ويعود التردد إلى قيمته الاسمية.
يمكن فهم الاستجابة العامة للنظام مع التحكم الأولي والثانوي في التردد من خلال الرسم البياني أدناه.
استجابة النظام لزيادة الحمل (A-B-C-D)
A-B: إطلاق الطاقة الحركية العابرة
قبل النقطة A، يعمل النظام في حالة توازن قوة. في النقطة A، يزداد الحمل فجأة من P₀ إلى P₀ + ∆P. يحدث تأخير لمدة 3-5 ثوانٍ قبل استجابة المحافظ. خلال هذا الفترة، يقوم الطاقة الحركية المخزنة في الدوار بتزويد الحمل الزائد، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة الدوار وانخفاض التردد إلى قيمة أدنى f₁.
B-C: أفعال التحكم الأولي في التردد
بعد حوالي 5 ثوانٍ، يبدأ المحافظ في التحكم بالسرعة، مما يزيد تدفق البخار لاستعادة سرعة الدوار. تستغرق هذه المرحلة 20-25 ثانية (تعتمد على حجم انخفاض التردد). كما تم التوضيح، يترك التحكم الأولي بمفرده خطأ ثابت في التردد ∆f بسبب انخفاض المحافظ.
C-D: التحكم الثانوي في التردد (تنشيط AGC)
بعد استقرار التردد، يقوم التحكم الثانوي (عبر AGC) بتعديل الإنتاج لوحدات مختارة في كل منطقة تحكم. يتضمن هذا العملية:
يتم تحديد تعديلات الإنتاج بواسطة معدلات التدرج المصممة للوحدات، والتي تستغرق عدة دقائق لإكمالها. عند الانتهاء، تعود التبادلات المجدولة إلى قيمها المحسوبة مسبقًا، ويحقق النظام توازن قوة جديد مع تردد اسمي.
