Контрол на натоварването и честотата (LFC) и контрол на турбинния регулатор (TGC) в електроенергийната система
Кратък преглед на термичните генериращи агрегати
Производството на електроенергия се основава както на възобновяеми, така и на невъзобновяеми източници на енергия. Термичните генериращи агрегати представляват традиционен подход към производството на енергия. В тези агрегати горивата като каменно масло, ядрена енергия, природен газ, биогориво и биогаз се изгарят в котел.
Котелът на генериращия агрегат е изключително сложна система. В най-простия си вид той може да се представи като камера, чиито стени са облицовани с тръби, през които непрекъснато циркулира вода. Термалната енергия, освободена от изгарянето на гориво в котела, се прехвърля към тази вода. По време на този процес водата се трансформира в сух насытен пар, характеризиран с високо налягане (между 150 кск и 380 кск, в зависимост от проекта) и висока температура (между 530°C и 732°C, в зависимост от проектните спецификации).
Този насытен пар след това се подава в турбина, където се разширява и температурата му намалява. В този процес на разширяване парът прехвърля своята термална енергия в ротационна енергия на вала на турбината. Потокът на пар в турбината се регулира от управляващ клапан, който е управляем от системата за управление на турбината. Следователно активната мощност на турбината се контролира от регулатора. Турбината е свързана с синхронен генератор.
Синхронният генератор преобразува механичната енергия на турбината в електрическа енергия. Синхронните генератори произвеждат електроенергия при относително ниски напрежения, обикновено в диапазона от 11 кВ до 26 кВ, при номиналната честота. Това напрежение след това се увеличава до 220 кВ/400 кВ/765 кВ от генериращ трансформатор за предаване в електрическата мрежа. В изследванията на електрическата система цялата интегрирана система се нарича генериращ агрегат.
Управление на регулатора на турбината (TGC)
Както беше споменато по-рано, регулаторът регулира потока на активната мощност в турбината, като контролира положението на управляващия клапан. Хидравлическият регулатор може да бъде моделиран като интегрален контролер, който приема обратна връзка от фактическата скорост на въртене на турбината. Фигура 1 илюстрира работата на регулатора в режим на управление на скоростта.
Фактическата скорост на турбината се сравнява с референтната скорост (соответстваща на номиналната честота на мрежата). Резултатът от сравнението на скоростта (∆ωᵣ) се подава към регулатора. На базата на този сигнал за грешка, регулаторът коригира положението на управляващия клапан: ако се засече положителен сигнал за грешка (което означава, че фактическата честота надвишава номиналната честота), регулаторът леко затваря клапана; обратно, той отваря клапана, когато приеме отрицателен сигнал за грешка.
„R“ представлява настройката за провисване на регулатора, обикновено в диапазон от 3% до 8%. Математически тя е дефинирана като:
R = (промяна на честотата в пер. ед.) / (промяна на мощността в пер. ед.)
Настройките за провисване са важни за стабилната паралелна работа на множество генериращи агрегати, тъй като определят как се споделят нагрузките в контролирана зона. Агрегатите с по-малка стойност на провисване автоматично ще поемат по-голяма дял от нагрузката.
Контролирана зона
В електрическата система генериращите агрегати и нагрузките са разпределени на огромни географски области. За поддържане на стабилността цялата мрежа е разделена на по-малки контролирани зони (предимно на база географска). Това разделяне позволява:
В рамките на контролирана зона съществуват множество генериращи агрегати и нагрузки. Разделението на електрическата система в контролирани зони служи на няколко ключови цели:
1. Контрол на честотата и мощността на нагрузката
Този фреймворк позволява прилагането на методи за контрол на честотата и мощността на нагрузката, за да се поддържа честотата на мрежата – концепция, която ще бъде разгледана по-подробно по-късно.
2. Определяне на планираните интервенции
Ако генерираната мощност в контролирана зона е по-малка от потребността на нагрузката, мощността влиза в зоната от съседни контролирани зони чрез връзочни линии (и обратно).
3. Ефективно споделяне на нагрузката
Потребността на нагрузката варира през деня (например, по-ниска през нощта, достигащ максимум през утрото и вечерта). Контролираните зони опростяват процеса на:
Баланс на мощността
Електрическата енергия се консумира в реално време (не може да се съхранява на масштаб). Следователно, балансът на мощността е фундаментално изискване:
Генерирана мощност (P₉) = Потребност на нагрузката (Pd) + Потери при предаване (Pₗ)
Потери при предаване обикновено са около 2% от генерираната мощност и често се игнорират, когато се фокусираме върху контрола на честотата. За простота приближаваме:
Генерирана мощност (P₉) ≈ Потребност на нагрузката (Pd)
Промяна на честотата
Честотата на мрежата варира поради несъответствия между потребността на нагрузката и генерираната мощност. Макар малките отклонения да се стабилизират от инерцията на системата, значителни разлики (например, прекъсвания на агрегати, големи промени в нагрузката) могат да причинят честотата да варира с ±5%. Ключови сценарии включват:
В повечето случаи (например, прекъсвания на агрегати/линии, свързване на големи нагрузки), потребността надвишава генерираната мощност, което причинява честотата да падне. Обратно, ако линията за предаване, обслужваща големи нагрузки, прекъсне, генерираната мощност може да надвиши потребността, което причинява честотата да се увеличи. Въпреки че системата реагира противоположно в тези сценарии, разбирането на падането на честотата е достатъчно, за да се разберат и двете поведения.
Защо се случват падания на честотата
Две вградени поведения на системата довеждат до падания на честотата:
1. Демпфирование на нагрузката
Индуктивните мотори (например, домашни вентилатори, индустриални приводи) доминират в нагрузките на мрежата. Ихната мощност е зависеща от честотата: 1% намаляване на честотата обикновено намалява активната мощност с около 2% в големи системи. Когато нови нагрузки се свързват, честотата пада, и съществуващите индуктивни нагрузки автоматично консумират по-малко мощност – частично компенсирайки разликата между потребността и генерираната мощност.
2. Отпускане на кинетична енергия от турбино-генераторни (TG) комплекти
Традиционните TG комплекти имат масивни ротори (често >25 тона), въртящи се на 3000 об./мин (за мрежи с 50Hz). Когато потребността надвишава генерираната мощност, тези ротори временна предоставят съхранената кинетична енергия (за 3–5 секунди, в зависимост от инерцията). Като роторите забавят, честотата на мрежата пада.
Контрол на честотата
Контролът на честотата и мощността на нагрузката (LFC) възстановява честотата на мрежата до нейната номинална стойност след несъответствия между потребността и генерираната мощност. Съществуват две нива на контрол:
1. Първичен контрол на честотата
На ниво на агрегата, системата за управление на турбината коригира скоростта (и следователно честотата). Както беше показано по-рано, всеки агрегат модулира входящия пар в зависимост от отклоненията на честотата. Пълният първичен контролен контур за генерираща станция е показан на фигурата по-долу.
2. Вторичен контрол на честотата
Това включва координиран контрол на множество агрегати в различни контролирани зони, гарантиращащ дългосрочна стабилност на честотата и оптимално споделяне на нагрузката.
Ограничения на първичния контрол на честотата
Първичният контрол на честотата сам по себе си води до стационарно отклонение на честотата, влияещо от характеристики на регулатора и чувствителността на честотата на нагрузката. Това се случва, защото отделните агрегати коригират скоростта без да вземат предвид къде се свързват новите нагрузки или колко е добавената мощност. Без такова контекстуално оценяване, балансът на мощността не може да бъде напълно възстановен, и отклонението на честотата продължава. След действията на първичния контрол, стационарната грешка на честотата може да бъде или положителна, или отрицателна.
Вторичен контрол на честотата
Възстановяването на системната честота до нейната номинална стойност изисква вторичен контрол, който взима предвид новите местоположения на нагрузката и коригира референтните точки за избрани агрегати. Когато нагрузката се увеличава в контролирана зона, генерираната мощност в тази зона трябва да се увеличи, за да:
За да се постигне това:
След издаването на ревизирани точки за нагласяване на мощността, агрегатите започват да коригират генерираната мощност. Учитывайки механичната природа на производството на мощност, отнема 25–30 минути на агрегатите да достигнат планираните изходи. Когато всички генериращи станции постигнат целевата генерирана мощност, балансът на мощността е възстановен, и честотата се връща до номиналната.
Общият отговор на системата с първичен и вторичен контрол на честотата може да бъде разбран от графиката по-долу.
Отговор на системата при увеличение на нагрузката (A-B-C-D)
A-B: Превременно отпускане на кинетична енергия
До точка A, системата работи в баланс на мощността. В точка A, нагрузката внезапно се увеличава от P₀ до P₀ + ∆P. Има 3–5 секунди закъснение, преди регулаторът да отреагира. През този интервал, съхранената кинетична енергия на ротора снабдява излишъчната мощност, причинявайки скоростта на ротора да падне и честотата да достигне минимална стойност f₁.
B-C: Действие на първичния контрол на честотата
На около 5 секунди, регулаторът започва контрол на скоростта, увеличавайки входящия пар, за да възстанови скоростта на ротора. Тази фаза продължава 20–25 секунди (в зависимост от степента на падането на честотата). Както беше споменато, първичният контрол сам по себе си оставя стационарна грешка на честотата ∆f поради провисването на регулатора.
C-D: Вторичен контрол на честотата (активация на AGC)
Когато честотата се стабилизира, вторичният контрол (чрез AGC) коригира генерираната мощност за избрани агрегати във всяка контролирана зона. Този процес взима предвид:
Корекциите на мощността са ограничени от проектирани скорости на нагласяване, взимайки няколко минути за завършване. След завършването, планираните интервенции се връщат към предварително изчислените стойности, и системата постига нов баланс на мощността с номинална честота.
