Έλεγχος Φορτίου και Συχνότητας (LFC) & Έλεγχος Γκοβερνέρα Τουρμπίνας (TGC) στο Σύστημα Ρεύματος

Σύντομη Εισαγωγή στα Θερμοποιητικά Μονάδες Παραγωγής

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται και από ανανεώσιμες και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι θερμοποιητικές μονάδες παραγωγής αντιπροσωπεύουν μια συνηθισμένη προσέγγιση της παραγωγής ενέργειας. Σε αυτές τις μονάδες, καύσιμα όπως ο άνθρακας, η πυρηνική ενέργεια, το φυσικό αέριο, βιοκαύσιμα και βιοαέριο καίγονται μέσα σε έναν καυστήρα.

Ο καυστήρας μιας μονάδας παραγωγής είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο σύστημα. Στην απλούστερη του αντιπρόσωπη, μπορεί να φανταστεί ως ένας χώρος, τους τοίχους του οποίου καταλαμβάνουν αγωγοί, μέσα στους οποίους κυκλοφορεί συνεχώς νερό. Η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση του καυσίμου μέσα στον καυστήρα μεταφέρεται σε αυτό το νερό. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το νερό μετατρέπεται σε ξηρό εξατμισμένο ατμό, χαρακτηριστικό για υψηλή πίεση (που κυμαίνεται από 150 ksc έως 380 ksc, ανάλογα με την σχεδίαση) και υψηλή θερμοκρασία (μεταξύ 530°C και 732°C, ανάλογα με τις προδιαγραφές σχεδίασης).

Αυτός ο εξατμισμένος ατμός προσφέρεται στη στροφή, όπου επεκτείνεται και η θερμοκρασία του μειώνεται. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας επέκτασης, ο ατμός μεταφέρει τη θερμική του ενέργεια στην περιστροφική ενέργεια του πίνακα της στροφής. Η ροή ατμού στη στροφή ρυθμίζεται από έναν ελεγκτικό καταστηματικό, ο οποίος ελέγχεται από το σύστημα ελέγχου της στροφής. Ως αποτέλεσμα, η ενεργή ισχύς που παράγεται από τη στροφή ελέγχεται από τον κυβερνήτη. Η στροφή είναι συνδεδεμένη με ένα συνδυαστικό γεννήτρια.

Η συνδυαστική γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια της στροφής σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι συνδυαστικές γεννήτριες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε σχετικά χαμηλές τάσεις, συνήθως στο εύρος 11 kV έως 26 kV, στην νομιμότητα της συχνότητας. Αυτή η τάση επανεγείρεται σε 220 kV/400 kV/765 kV από έναν γεννήτρια μετατροπής για τη μεταφορά στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στα μελετητικά συστήματα ενέργειας, αυτό το ολοκληρωμένο σύστημα αναφέρεται ως μονάδα παραγωγής.

Ελεγχος Τουρμπίνας (TGC)

Όπως αναφέρθηκε, ο κυβερνήτης ρυθμίζει την ροή ενεργής ισχύος στη στροφή μέσω της ελέγχου της θέσης του ελεγκτικού καταστηματικού. Ένας υδραυλικός κυβερνήτης μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένας ολοκληρωτικός ελεγκτής που λαμβάνει ανάδραση από την πραγματική περιστροφική ταχύτητα της στροφής. Το Σχήμα 1 εξηγεί τη λειτουργία του κυβερνήτη σε λειτουργία ελέγχου ταχύτητας.

Η πραγματική ταχύτητα της στροφής συγκρίνεται με την αναφερόμενη ταχύτητα (που αντιστοιχεί στην νομιμότητα της συχνότητας του δικτύου). Το αποτέλεσμα του σήματος λάθους ταχύτητας (∆ωᵣ) είναι στη συνέχεια προσφέρεται στον κυβερνήτη. Με βάση αυτό το σήμα λάθους, ο κυβερνήτης προσαρμόζει τη θέση του ελεγκτικού καταστηματικού: αν ανιχνευθεί ένα θετικό σήμα λάθους (που δείχνει ότι η πραγματική συχνότητα υπερβαίνει την νομιμότητα), ο κυβερνήτης ελαφρώς κλείνει το καταστηματικό· αντίθετα, το ανοίγει όταν λαμβάνει ένα αρνητικό σήμα λάθους.

"R" αντιπροσωπεύει την ρύθμιση κατάκλισης του κυβερνήτη, συνήθως στο εύρος 3% έως 8%. Μαθηματικά, ορίζεται ως:
R = (μεταβολή της συχνότητας ανά μονάδα) / (μεταβολή της ισχύος ανά μονάδα)

Οι ρυθμίσεις κατάκλισης είναι κρίσιμες για τη σταθερή παράλληλη λειτουργία πολλών μονάδων παραγωγής, καθώς καθορίζουν πώς διανέμεται το φορτίο μέσα σε μια περιοχή ελέγχου. Οι μονάδες με μικρότερη τιμή κατάκλισης θα αναλάβουν αυτόματα μεγαλύτερο μερίδιο του φορτίου.

Περιοχή Ελέγχου

Σε ένα σύστημα ενέργειας, οι μονάδες παραγωγής και τα φορτία είναι διανεμημένα σε ευρείες γεωγραφικές περιοχές. Για τη διατήρηση της σταθερότητας, ολόκληρο το δίκτυο χωρίζεται σε μικρότερες περιοχές ελέγχου (κυρίως με βάση τη γεωγραφία). Αυτή η διαίρεση επιτρέπει:

• Επιτυχής υπολογισμός ροής φορτίου

• Ακριβής έλεγχος της συχνότητας και της ισορροπίας της ισχύος

Μέσα σε μια περιοχή ελέγχου, συνυπάρχουν πολλές μονάδες παραγωγής και φορτία. Η υποδιαίρεση του συστήματος ενέργειας σε περιοχές ελέγχου εξυπηρετεί πολλούς βασικούς στόχους:

1. Έλεγχος Φορτίου - Συχνότητας

Αυτό το πλαίσιο επιτρέπει την εφαρμογή μεθόδων ελέγχου φορτίου - συχνότητας για τη διατήρηση της συχνότητας του δικτύου, έναν τομέα που εξετάζεται πιο λεπτομερώς αργότερα.

2. Καθορισμός Προγραμματισμένων Διακρίσεων

Αν η παραγωγή σε μια περιοχή ελέγχου είναι μικρότερη από τη ζήτηση φορτίου, η ισχύς ρέει στην περιοχή από γειτονικές περιοχές ελέγχου μέσω γραμμών σύνδεσης (και αντίστροφα).

3. Αποτελεσματική Διανομή Φορτίου

Η ζήτηση φορτίου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας (π.χ., μικρότερη τη νύχτα, κορυφαία το πρωί και το βράδυ). Οι περιοχές ελέγχου απλοποιούν τη διαδικασία:

• Κατανομής φορτίου σε μονάδες βάσει της προβλεπόμενης ζήτησης και της ικανότητας των μονάδων

• Υπολογισμού προγραμματισμένων διακρίσεων ισχύος με άλλες περιοχές ελέγχου

Ισορροπία Ισχύος

Η ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνεται σε πραγματικό χρόνο (δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλη κλίμακα). Επομένως, η ισορροπία της ισχύος είναι ένα βασικό απαιτούμενο:
Παραγωγή Ισχύος (P₉) = Ζήτηση Φορτίου (Pd) + Απώλειες Μεταφοράς (Pₗ)

Οι απώλειες μεταφοράς συνήθως αντιπροσωπεύουν ~2% της παραγωγής ισχύος και συχνά παραβλέπονται όταν εστιάζουμε στον έλεγχο της συχνότητας. Για απλότητα, προσεγγίζουμε:
Παραγωγή Ισχύος (P₉) ≈ Ζήτηση Φορτίου (Pd)

Μεταβολή Συχνότητας

Η συχνότητα του δικτύου μεταβάλλεται λόγω αναλογικών μεταξύ της ζήτησης φορτίου και της παραγωγής. Ενώ μικρές αποκλίσεις σταθεροποιούνται από την αδράνεια του συστήματος, σημαντικές διαφορές (π.χ., τρίπτυχα μονάδων, μεγάλες αλλαγές φορτίου) μπορούν να προκαλέσουν μεταβολή της συχνότητας κατά ±5%. Βασικά σενάρια περιλαμβάνουν:

• Απρογραμματιστείς αποκλείσεις μονάδων παραγωγής ή γραμμών μεταφοράς

• Απότομη σύνδεση/αποσύνδεση μεγάλων φορτίων

Σε περισσότερες περιπτώσεις (π.χ., τρίπτυχα μονάδων/γραμμών, μεγάλη σύνδεση φορτίου), η ζήτηση υπερβαίνει την παραγωγή, προκαλώντας μείωση της συχνότητας. Αντίθετα, αν μια γραμμή μεταφοράς που εξυπηρετεί ένα μεγάλο φορτίο τρίπτυχει, η παραγωγή μπορεί να υπερβεί τη ζήτηση, προκαλώντας αύξηση της συχνότητας. Αν και το σύστημα ανταποκρίνεται αντίθετα σε αυτά τα σενάρια, η κατανόηση των πτώσεων συχνότητας αρκεί για να κατανοήσει και τις δύο συμπεριφορές.

Γιατί Προκαλούνται Πτώσεις Συχνότητας

Δύο ουσιαστικές συμπεριφορές του συστήματος προκαλούν πτώσεις συχνότητας:

1. Εξασθένηση Φορτίου

Οι ενδυνάμωσης κινητήρες (π.χ., οιμοικοί ανεμιστήρες, βιομηχανικά κινητήρια) κυριαρχούν στα φορτία του δικτύου. Η κατανάλωση ισχύου τους είναι εξαρτώμενη από τη συχνότητα: μια μείωση 1% της συχνότητας συνήθως μειώνει την κατανάλωση ενεργής ισχύος κατά ~2% σε μεγάλα συστήματα. Όταν συνδέονται νέα φορτία, η συχνότητα μειώνεται, και τα υπάρχοντα φορτία ενδυνάμωσης αυτόματα καταναλώνουν λιγότερη ισχύ, μερικώς αντισταθμίζοντας τη διαφορά μεταξύ ζήτησης και παραγωγής.

2. Αποδόση Κινητικής Ενέργειας από Τουρμπίνα - Γεννήτρια (TG) Sets

Οι συνήθεις σειρές TG έχουν μαζικά ρότορες (συχνά >25 τόνοι) που περιστρέφονται σε 3000 RPM (για δίκτυα 50Hz). Όταν η ζήτηση υπερβαίνει την παραγωγή, αυτοί οι ρότορες παρέχουν προσωρινά αποθηκευμένη κινητική ενέργεια (για 3–5 δευτερόλεπτα, ανάλογα με την αδράνεια). Καθώς οι ρότορες επιβραδύνονται, η συχνότητα του δικτύου μειώνεται.

Έλεγχος Συχνότητας

Ο έλεγχος φορτίου - συχνότητας (LFC) επαναφέρει τη συχνότητα του δικτύου στην νομιμότητα μετά από αναλογικές μεταξύ ζήτησης και παραγωγής. Υπάρχουν δύο επίπεδα ελέγχου:

1. Πρωτογενής Έλεγχος Συχνότητας

Σε επίπεδο μονάδα, το σύστημα ελέγχου της στροφής προσαρμόζει την ταχύτητα (και έτσι τη συχνότητα). Όπως έχει απεικονιστεί παραπάνω, κάθε μονάδα ρυθμίζει την εισόδου ατμού με βάση τις αποκλίσεις συχνότητας. Το πλήρες κύκλωμα πρωτογενούς ελέγχου για μια σταθμό παραγωγής είναι απεικονισμένο στο παρακάτω σχήμα.