Řízení frekvence zatížení (LFC) a řízení turbínového regulátoru (TGC) v elektrickém systému

Stručný přehled tepelných výrobních jednotek

Výroba elektrické energie závisí na obnovitelných i neobnovitelných zdrojích energie. Tepelné výrobní jednotky představují tradiční přístup k produkci energie. V těchto jednotkách se paliva jako uhlí, jaderná energie, zemní plyn, biopalivo a bioplyn spalují v kotli.

Kotel výrobní jednotky je extrémně komplexní systém. V jeho nejjednodušší konceptualizaci lze představit jako komoru, jejíž stěny jsou vyloženy potrubími, skrz které nepřetržitě cirkuluje voda. Tepelná energie uvolněná spalováním paliva v kotli se přenáší této vodě. Během tohoto procesu se voda mění na suchý nasycený páru charakterizovaný vysokým tlakem (rozmezí od 150 ksc do 380 ksc, podle návrhu) a vysokou teplotou (mezi 530°C a 732°C, podle specifikací návrhu).

Tento nasycený pára je pak vedl do turbíny, kde se rozšiřuje a snižuje svou teplotu. Během tohoto procesu rozšiřování pára přenáší svou tepelnou energii na otáčivou energii hřídele turbíny. Přítok páry do turbíny je regulován řídícím ventilem, který je řízen systémem řízení turbíny. Následně aktivní výkon turbíny ovládá regulátor. Turbína je spojena s synchronním generátorem.

Synchronní generátor převádí mechanickou energii turbíny na elektrickou energii. Synchronní generátory produkuji elektrickou energii v relativně nízkých napětích, typicky v rozmezí 11 kV až 26 kV, v nominální frekvenci. Tohle napětí je pak zvýšeno na 220 kV/400 kV/765 kV pomocí transformátoru pro přenos do elektrické sítě. V studiích elektrických systémů se celý tento integrovaný systém nazývá výrobní jednotka.

Řízení turbínového regulátoru (TGC)

Jak bylo již zmíněno, regulátor ovládá tok aktivního výkonu do turbíny řízením polohy řídícího ventila. Hydraulický regulátor lze modelovat jako integrový regulátor, který bere zpětnou vazbu z skutečné otáčkové rychlosti turbíny. Obrázek 1 znázorňuje operaci regulátoru v režimu řízení rychlosti.

Skutečná rychlost turbíny se porovnává s referenční rychlostí (odpovídající nominální síťové frekvenci). Výsledný signál chyby rychlosti (∆ωᵣ) je pak zaveden do regulátoru. Na základě tohoto signálu chyby regulátor upravuje polohu řídícího ventila: pokud je detekován pozitivní signál chyby (což znamená, že skutečná frekvence přesahuje nominální frekvenci), regulátor mírně zavře ventil; naopak, otevře ventil, když je přijat negativní signál chyby.

“R” reprezentuje nastavení propadu regulátoru, typicky v rozmezí 3% až 8%. Matematicky je definováno jako:
R = (změna frekvence na jednotku) / (změna výkonu na jednotku)

Nastavení propadu je klíčové pro stabilní paralelní provoz více výrobních jednotek, protože určují, jak je zatížení sdíleno v kontrolním oblasti. Jednotky s menší hodnotou propadu automaticky přebírají větší podíl zatížení.

Kontrolní oblast

V elektrickém systému jsou výrobní jednotky a spotřebiče distribuovány po rozsáhlých geografických oblastech. Pro udržení stability je celá síť rozdělena na menší kontrolní oblasti (primárně na základě geografie). Toto rozdělení umožňuje:

• Efektivní výpočty toku zatížení

• Přesné řízení frekvence a rovnováhy výkonu

V rámci kontrolní oblasti koexistují více výrobních jednotek a zatížení. Subdividace elektrického systému do kontrolních oblastí slouží několika klíčovým cílům:

1. Řízení frekvence zatížení

Tento rámec umožňuje použití metod řízení frekvence zatížení pro udržení frekvence sítě – koncept, který bude detailněji popsán později.

2. Určení plánovaných interchangů

Pokud je výroba v kontrolní oblasti nižší než zatížení, energie proudí do oblasti ze sousedních kontrolních oblastí přes propojovací linky (a naopak).

3. Efektivní sdílení zatížení

Zatížení se mění v průběhu dne (např. nižší v noci, vrcholící ráno a večer). Kontrolní oblasti zjednodušují proces:

• Alokace zatížení mezi jednotkami na základě predikovaného zatížení a kapacity jednotek

• Výpočet plánovaných interchangů s ostatními kontrolními oblastmi

Rovnováha výkonu

Elektrická energie je spotřebována v reálném čase (nelze ji skladovat na velké měřítko). Proto je rovnováha výkonu základní požadavek:
Generovaný výkon (P₉) = Požadavek na zatížení (Pd) + Ztráty při přenosu (Pₗ)

Ztráty při přenosu obvykle představují ~2% vygenerované energie a jsou často zanedbány při soustředění na řízení frekvence. Pro jednoduchost aproximujeme:
Generovaný výkon (P₉) ≈ Požadavek na zatížení (Pd)

Variace frekvence

Frekvence sítě se mění kvůli nesouladu mezi požadavkem na zatížení a výrobou. Malé odchylky jsou stabilizovány inerci systému, ale významné mezery (např. vypnutí jednotek, velké změny zatížení) mohou způsobit variaci frekvence o ±5%. Klíčové scénáře zahrnují:

• Neočekávané výpadky výrobních jednotek nebo přenosových linek

• Náhlé připojení/odpojení velkých zatížení

Ve většině případů (např. výpadky jednotek/link, velké zatížení) převyšuje požadavek výrobu, což způsobuje klesání frekvence. Naopak, pokud vypadne přenosová linka, která slouží velkému zatížení, může výroba převyšovat požadavek, což způsobí vzestup frekvence. Ačkoli systém reaguje opačně na tyto scénáře, pochopení klesání frekvence stačí k pochopení obou chování.

Proč dochází k klesání frekvence

Dvě vnitřní vlastnosti systému vedou ke klesání frekvence:

1. Dlouhá závislost na zatížení

Indukční motory (např. domácí větráky, průmyslové pohon) dominují v zatížení sítě. Jejich spotřeba energie je závislá na frekvenci: 1% snížení frekvence obvykle snižuje spotřebu aktivního výkonu o ~2% v velkých systémech. Když se nové zatížení připojí, klesne frekvence, a existující indukční zatížení automaticky spotřebuje méně energie – částečně kompenzuje mezeru mezi požadavkem a výrobou.

2. Uvolnění kinetické energie z turbín - generátorů (TG)

Tradiční TG sady mají masivní rotor (často >25 tun) otáčející se rychlostí 3000 ot/min (pro sítě 50 Hz). Pokud požadavek převyšuje výrobu, tyto rotory dočasně dodávají uloženou kinetickou energii (na 3–5 sekund, podle inercie). Jak se rotory zpomalí, klesne frekvence sítě.

Řízení frekvence

Řízení frekvence zatížení (LFC) obnovuje frekvenci sítě na její nominální hodnotu po nesouladu mezi požadavkem a výrobou. Existují dvě úrovně řízení:

1. Primární řízení frekvence

Na úrovni jednotky systém řízení turbíny upravuje rychlost (a tedy frekvenci). Jak bylo ukázáno dříve, každá jednotka moduluje přívod páry na základě odchylek frekvence. Úplný primární kontrolní okruh pro výrobní stanici je znázorněn na obrázku níže.

2. Sekundární řízení frekvence

To zahrnuje koordinované řízení mezi více jednotkami v různých kontrolních oblastech, zajistí dlouhodobou stabilitu frekvence a optimální sdílení zatížení.

Omezení primárního řízení frekvence

Primární řízení frekvence samo o sobě vede k stacionární odchylce frekvence, která je ovlivněna charakteristikou propadu regulátoru a citlivostí frekvence na zatížení. To se děje, protože jednotlivé jednotky upravují rychlost bez ohledu na to, kde jsou připojena nová zatížení nebo kolik zatížení bylo přidáno. Bez takové kontextové posouzení nelze úplně obnovit rovnováhu výkonu a odchylka frekvence trvá. Po akcích primárního řízení může být stacionární odchylka frekvence buď pozitivní, nebo negativní.

Sekundární řízení frekvence

Obnovení frekvence systému na její nominální hodnotu vyžaduje sekundární řízení, které zohledňuje nové umístění zatížení a upravuje referenční setpointy pro vybrané jednotky. Když se zatížení zvýší v kontrolní oblasti, výroba v této oblasti musí vzrůst, aby:

• Udržovala rovnováhu mezi požadavkem a výrobou na úrovni kontrolní oblasti

• Udržovala plánované interchangy s sousedními oblastmi v předdefinovaných limitech

K dosažení tohoto:

• Automatické řízení výroby (AGC) přiřazuje specifické jednotky v každé kontrolní oblasti pro sekundární řízení.

• Je přidán frekvenční biasový okruh do jejich řídicích systémů, poskytující korekční signály v reálném čase na základě výpočtů toku zatížení.

Po vydání revidovaných setpointů zatížení začínají jednotky upravovat výrobu. Kvůli mechanické povaze výroby trvá 25–30 minut, než jednotky dosáhnou plánovaných výkonů. Jakmile všechny výrobní stanice dosáhnou cílové výroby, je obnovena rovnováha výkonu a frekvence se vrátí na nominální hodnotu.

Celková odezva systému s primárním a sekundárním řízením frekvence lze pochopit z následujícího grafu.

Odezva systému na zvýšení zatížení (A-B-C-D)
A-B: Dočasné uvolnění kinetické energie

Před bodem A systém funguje v rovnováze výkonu. V bodě A se zatížení náhle zvýší z P₀ na P₀ + ∆P. Dojde k 3–5 sekundové prodlevě, než odpoví regulátor. Během tohoto intervalu uložená kinetická energie rotoru dodává přebytečné zatížení, což způsobí klesání rychlosti rotoru a klesání frekvence na minimální hodnotu f₁.

B-C: Akce primárního řízení frekvence

Po ~5 sekundách iniciuje regulátor řízení rychlosti, zvyšuje přívod páry, aby obnovil rychlost rotoru. Tato fáze trvá 20–25 sekund (závisí na magnituze klesání frekvence). Jak bylo diskutováno, primární řízení samo o sobě zanechává stacionární odchylku frekvence ∆f kvůli propadu regulátoru.

C-D: Sekundární řízení frekvence (aktivace AGC)

Jakmile se frekvence stabilizuje, sekundární řízení (pomocí AGC) upravuje výrobu pro vybrané jednotky v každé kontrolní oblasti. Tento proces zohledňuje:

• Nové referenční setpointy zatížení

• Frekvenční biasové signály z výpočtů toku zatížení v reálném čase

Úpravy výroby jsou omezeny rampovými rychlostmi návrhu jednotek, což trvá několik minut. Po dokončení se plánované interchangy vrátí na předpočítané hodnoty a systém dosáhne nové rovnováhy výkonu s nominální frekvencí.