Control de Freqüència de Càrrega (LFC) i Control del Regulador de Turbina (TGC) en el Sistema Elèctric
Breu Introducció a les Unitats de Generació Tèrmica
La generació d'electricitat depèn tant d'energies renovables com no renovables. Les unitats de generació tèrmica representen un enfocament convencional en la producció d'energia. En aquestes unitats, combustibles com el carbó, l'energia nuclear, el gas natural, el biocombustible i el biogàs són incinerats dins d'una caldera.
La caldera d'una unitat de generació és un sistema extremadament complex. En la seva concepció més simple, es pot visualitzar com una cambra els seus parets estan revestides de tubs, a través dels quals circula aigua de manera contínua. L'energia tèrmica alliberada per la combustió del combustible dins de la caldera es transmet a aquesta aigua. Durant aquest procés, l'aigua es transforma en vapor saturat sec caracteritzat per una pressió alta (que va des de 150 ksc fins a 380 ksc, depenent del disseny) i una temperatura alta (entre 530°C i 732°C, subjecte a les especificacions de disseny).
Aquest vapor saturat es fa arribar a una turbina, on es dilata i la seva temperatura baixa. En aquest procés de dilatació, el vapor transmet la seva energia tèrmica a l'energia rotacional de l'eix de la turbina. El flux de vapor cap a la turbina es regula mitjançant una válvula de control, que està governada pel sistema de reglamentació de la turbina. Conseqüentment, la potència activa de sortida de la turbina es controla pel regidor. La turbina està acoblada amb un generador síncron.
El generador síncron converteix l'energia mecànica de la turbina en energia elèctrica. Els generadors síncrons produeixen electricitat a tensions relativament baixes, típicament en el rang de 11 kV a 26 kV, a la freqüència nominal. Aquesta tensió es potencia llavors a 220 kV/400 kV/765 kV per un transformador de generació per a la seva transmissió a la xarxa elèctrica. En estudis de sistemes elèctrics, aquest sistema integrat complet es coneix com a unitat de generació.
Control del Regidor de la Turbina (TGC)
Com s'ha mencionat anteriorment, el regidor regula el flux de potència activa cap a la turbina controlant la posició de la válvula de control. Un regidor hidràulic es pot modelar com un controlador integral que pren retroalimentació de la velocitat rotacional real de la turbina. La figura 1 il·lustra l'operació del regidor en mode de control de velocitat.
La velocitat real de la turbina es compara amb la velocitat de referència (corresponent a la freqüència nominal de la xarxa). La senyal d'error de velocitat resultant (∆ωᵣ) es fa arribar al regidor. Basant-se en aquesta senyal d'error, el regidor ajusta la posició de la válvula de control: si es detecta una senyal d'error positiva (indicant que la freqüència real supera la freqüència nominal), el regidor tanca lleugerament la válvula; al contrari, obre la válvula quan rep una senyal d'error negativa.
"R" representa la configuració de caiguda del regidor, típicament en el rang del 3% al 8%. Matemàticament, es defineix com:
R = (canvi en freqüència en unitats per unitat) / (canvi en potència en unitats per unitat)
Les configuracions de caiguda són crítiques per a l'operació paral·lela estable de múltiples unitats de generació, ja que determinen com es comparteix la càrrega dins d'una àrea de control. Les unitats amb un valor de caiguda més petit assumiran automàticament una part més gran de la càrrega.
Àrea de Control
En un sistema elèctric, les unitats de generació i les càrregues estan distribuïdes a regions geogràfiques vastes. Per mantenir l'estabilitat, tota la xarxa es divideix en àrees de control més petites (principalment basades en geografia). Aquesta divisió permet:
Dins d'una àrea de control, coexisteixen múltiples unitats de generació i càrregues. Subdividir el sistema elèctric en àrees de control serveix diversos objectius clau:
1. Control de Càrrega i Freqüència
Aquest marc permet l'aplicació de mètodes de control de càrrega-freqüència per mantenir la freqüència de la xarxa, un concepte explorat amb més detall més endavant.
2. Determinació de les Interconnexions Programades
Si la generació d'una àrea de control no arriba a la demanda de càrrega, la potència flueix a l'àrea des d'àrees de control veïnes a través de línies d'enllaç (i viceversa).
3. Compartició Eficient de la Càrrega
La demanda de càrrega varia a lo llarg del dia (per exemple, més baixa a la nit, picant al matí i a la tarda). Les àrees de control simplifiquen el procés de:
Balanç de Potència
L'energia elèctrica es consumeix en temps real (no es pot emmagatzemar a gran escala). Així, el balanç de potència és un requisit fonamental:
Potència Generada (P₉) = Demanda de Càrrega (Pd) + Pèrdues de Transmissió (Pₗ)
Les pèrdues de transmissió solen representar ~2% de la potència generada i sovint es negligiren quan es centra en el control de la freqüència. Per simplificar, aproximem:
Potència Generada (P₉) ≈ Demanda de Càrrega (Pd)
Variació de la Freqüència
GLa freqüència de la xarxa fluctua degut a desajustos entre la demanda de càrrega i la generació. Mentre que les desviacions menors són estabilitzades per la inèrcia del sistema, les diferències significatives (per exemple, parades d'unitats, canvis grans de càrrega) poden fer variar la freqüència en ±5%. Escenaris clau inclouen:
En la majoria dels casos (per exemple, parades d'unitats/línies, connexió de càrregues grans), la demanda supera la generació, fent que la freqüència baixi. Al contrari, si una línia de transmissió que serveix una càrrega gran falla, la generació pot superar la demanda, fent que la freqüència augmenti. Tot i que el sistema respon de manera oposada a aquests escenaris, entendre els dips de freqüència n'hi ha prou per comprendre ambdós comportaments.
Per Què Ocorren els Dips de Freqüència
Dos comportaments inherent al sistema fan que ocorrin els dips de freqüència:
1. Amortització de la Càrrega
Els motors d'inducció (per exemple, ventiladors domèstics, propulsors industrials) dominen les càrregues de la xarxa. El seu consum d'energia és dependent de la freqüència: una reducció del 1% de la freqüència sol reduir el consum d'energia activa en ~2% en sistemes grans. Quan noves càrregues es connecten, la freqüència baixa, i les càrregues d'inducció existents consumeixen automàticament menys energia, mitjantcant parcialment la brecha entre la demanda i la generació.
2. Lliberament d'Energia Cinètica dels Conjunts Turbina-Generador (TG)
Els conjunts TG convencionals tenen rotores massius (sovint >25 tones) que giren a 3000 RPM (per a xarxes de 50Hz). Quan la demanda supera la generació, aquests rotores suministren temporalment l'energia cinètica emmagatzemada (durant 3–5 segons, depenent de la inèrcia). Com els rotores ralenticen, la freqüència de la xarxa baixa.
Control de la Freqüència
El control de càrrega-freqüència (LFC) restaure la freqüència de la xarxa al seu valor nominal després de desajustos entre la demanda i la generació. Existeixen dos nivells de control:
1. Control de Freqüència Primària
A nivell d'unitat, el sistema de reglamentació de la turbina ajusta la velocitat (i, per tant, la freqüència). Com s'ha mostrat anteriorment, cada unitat modula la entrada de vapor basant-se en les desviacions de freqüència. El bucle de control primari complet per a una estació de generació es mostra a la figura següent.
2. Control de Freqüència Secundària
Això implica un control coordinat a través de múltiples unitats en diferents àrees de control, assegurant l'estabilitat de la freqüència a llarg termini i una compartició òptima de la càrrega.
Limitacions del Control de Freqüència Primària
El control de freqüència primària sol resultar en una desviació de freqüència en estat estacionari, influenciada per la característica de caiguda del regidor i la sensibilitat de la freqüència a la càrrega. Això ocorre perquè les unitats individuals ajusten la velocitat sense considerar on es connecten les noves càrregues o quant de càrrega s'afegeix. Sense aquesta avaluació contextual, no es pot restaurar completament el balanç de potència, i la desviació de freqüència persisteix. Després de les accions de control primari, l'error de freqüència en estat estacionari pot ser positiu o negatiu.
Control de Freqüència Secundària
Restaurar la freqüència del sistema al seu valor nominal requereix el control secundari, que té en compte les noves ubicacions de càrrega i ajusta els punts de referència per a les unitats seleccionades. Quan la càrrega augmenta en una àrea de control, la generació dins d'aquesta àrea ha de pujar per:
Per aconseguir-ho:
Un cop s'han emès els punts de referència de càrrega revisats, les unitats comencen a ajustar la generació. Degut a la naturalesa mecànica de la producció d'energia, triga 25–30 minuts per a les unitats assolir les seves sortides programades. Quan totes les estacions de generació assolen la generació objectiu, es restableix el balanç de potència, i la freqüència torna a ser nominal.
La resposta total del sistema amb el control de freqüència primària i secundari es pot entendre a partir del gràfic següent.
Resposta del Sistema a l'Augment de Càrrega (A-B-C-D)
A-B: Lliberament Cinètic Transitori
Abans del punt A, el sistema opera en balanç de potència. Al punt A, la càrrega augmenta de manera súbita de P₀ a P₀ + ∆P. Es produeix un retard de 3–5 segons abans que el regidor reaccione. Durant aquest interval, l'energia cinètica emmagatzemada en el rotor suministra la càrrega excèssiva, fent que la velocitat del rotor baixi i la freqüència arribi a un valor mínim f₁.
B-C: Acció del Control de Freqüència Primària
Al voltant de 5 segons, el regidor inicia el control de velocitat, incrementant l'entrada de vapor per restaurar la velocitat del rotor. Aquesta fase dura 20–25 segons (dependeix de la magnitud del dip de freqüència). Com s'ha discutit, el control primari sol deixar un error de freqüència en estat estacionari ∆f degut a la caiguda del regidor.
C-D: Control de Freqüència Secundària (Activació de l'AGC)
Un cop la freqüència s'estabilitza, el control secundari (mitjançant l'AGC) ajusta la generació per a les unitats seleccionades en cada àrea de control. Aquest procés considera:
Els ajustos de generació estan limitats pels taxes de rampa de disseny de les unitats, triguin diversos minuts a completar-se. Un cop finalitzats, les interconnexions programades tornen als valors precalculats, i el sistema assol un nou balanç de potència amb freqüència nominal.
