Laadimõõdiku reguleerimine (LFC) ja turbiiniregulaatori juhtimine (TGC) elektrivõrgus

Küttev toiteüksuste lühike ülevaade

Toiteüksuse kattel on äärmiselt keeruline süsteem. Lihtsamas kujunduses võib seda kujutleda ruumina, mille seinadest läbib vedeliku jooksvate tubade võrk. Katteli sees põletatava kütuse soojusenergia edastatakse sellele veedele. See protsess teisendab veesi hõbedasse niiskesee, mis on iseloomustatud kõrge rõhuga (tavaliselt 150 ksc kuni 380 ksc, olenevalt disainist) ja kõrge temperatuuriga (umbes 530°C kuni 732°C, disainispetsifikatsioonide järgi).

See niiskeed saadetakse siis turbiini, kus see laieneb ja selle temperatuur langed. Laienemise protsessis edastab niiskeed oma soojuseenergia turbiinilõigu pöördliikumiseks. Niiskeevoolu turbiini juurde reguleeritakse juhtklappiga, mida kontrollib turbiini juhtimissüsteem. Seega kontrollib juhtturbiini aktiivsete võimsuse väljundit. Turbiin on ühendatud sinkroonse generaatoriga.

Sinkrooniline generaator teisendab turbiini mehaanilise energiakütuse elektrikütuseks. Sinkroongeneraatorid toodavad elektri suhteliselt madalates voltagutes, tavaliselt 11 kV kuni 26 kV, niminaalsel sagedusel. Selle voltagi tõstetakse siis 220 kV/400 kV/765 kV genereeriva transfooriga, et saada energia elektrivõrgu. Energiasüsteemide uuringutes viidatakse sellele kogu integreeritud süsteemile kui toiteüksusele.

Turbiini juhtimissüsteemi kontroll (TGC)

Nagu eelnevalt mainitud, reguleerib juhtturbiini aktiivsete võimsusevoolu juhtklappi asendit kontrollides. Hübriidjuht võib modelleerida integraalregulaatorina, mis saab tagasiside turbiini tegelikust pöörlemiskiirusest. Joonis 1 näitab juhi tööd kiiruse kontrollirežiimis.

Turbiini tegelik kiirus võrreldakse viitetegeliku kiirusega (mis vastab nimekirja sagedusele). Saadud kiirusvea signaal (∆ωᵣ) edastatakse siis juhile. Selle vea signaali põhjal juht muudab juhtklappi asendit: kui tuvastatakse positiivne vea signaal (mis näitab, et tegelik sagedus ületab nimekirja sageduse), sulgeb juht klappi vähe; vastupidi, avab ta klappi, kui saab negatiivse vea signaali.

"R" tähistab juhi lülituspäringut, mis tavaliselt ulatub 3% kuni 8%. Matemaatiliselt defineeritakse see kui:
R = (per unit change in frequency) / (per unit change in power)

Lülituspäringud on olulised mitme toiteüksuse stabiilse paralleelse töö jaoks, kuna need määravad, kuidas laadi jagatakse kontrollipiirkonnas. Ühikud, millel on väiksem lülituspäring, võtavad automaatselt suurema osa laadist.

Kontrollipiirkond

Energiasüsteemides on toiteüksused ja laadid levitatud laia geograafilise ala kohal. Stabiilsuse säilitamiseks on kogu võrk jagatud väiksemateks kontrollipiirkondadeks (peamiselt geograafiliste alade järgi). See jagamine võimaldab:

• Efektiivsete laadvoolu arvutusi

• Sageduse ja võimsuse tasakaalu täpset kontrolli

Kontrollipiirkonnas kooskõlastuvad mitmed toiteüksused ja laadid. Energiasüsteemi jagamine kontrollipiirkondadesse teenib mitmeid peamisi eesmärke:

1. Laadi sageduse kontroll

See raamistik võimaldab laadi-sageduse kontrollmeetodite rakendamist, et säilitada võrgu sagedus - see konseptsioon uuritakse hiljem üksikasjalikumalt.

2. Planeeritud vahetuste määramine

Kui kontrollipiirkonna tootmine on alla selle laadiningimuse, siis energia voolab sisse kontrollipiirkonda naaberkontrollipiirkondadest sidemejoontel (ja vastupidi).

3. Efektiivne laadi jagamine

Laadinõudlus muutub päeval (nt öösel väiksem, hommikul ja õhtul kõrgeim). Kontrollipiirkonnad lihtsustavad:

• Laadi jagamist ühikute vahel, arvestades prognoositavat nõudlust ja ühiku kapasitati

• Planeeritud võimsuse vahetuste arvutamist teiste kontrollipiirkondadega

Võimsuse tasakaal

Elekterienergia tarbitakse reaalajas (see ei saa suuremahulises koguses hoolduda). Seega on võimsuse tasakaal fundamentaalne nõue:
Toodetud Võimsus (P₉) = Laadinõudlus (Pd) + Edastamise Kaotused (Pₗ)

Edastamise kaotused moodustavad tavaliselt umbes 2% toodetud võimusest ja neid tihti ignoreeritakse, kui keskendutakse sageduse kontrollile. Lihtsuse huvides lähendame:
Toodetud Võimsus (P₉) ≈ Laadinõudlus (Pd)

Sageduse muutus

Võrgu sagedus muutub laadinõudluse ja tootmise ebakõlapihul. Vaiksed erinevused stabiliseeritakse süsteemi inertsiaga, kuid olulisemad lüngad (nt ühiku väljapõletused, suured laadimuutused) võivad põhjustada sageduse muutust ±5%. Olulised stsenaariumid hõlmavad:

• Eelpool planeeritud toiteüksuste või edastamisjoonte väljapõletused

• Otseline suure laadiga seoste ühendamine või lahutamine

Suuremas osas juhtudest (nt ühiku/jooni väljapõletused, suure laadiga seoste otseline ühendamine) ületab nõudlus tootmise, mis põhjustab sageduse laskuda. Vastupidi, kui suure laadiga seost vahendav edastamisjoon väljapõletub, võib tootmine ületada nõudlust, mis põhjustab sageduse tõusta. Kuigi süsteem vastab vastupidiselt nendele stsenaariumidele, piisab sageduse languse mõistmiseks, et hõlmata mõlemad käitumisviisid.

Miks sageduse langused toimuvad

Kaks süsteemi endisi käitumisviisi põhjustavad sageduse languseid:

1. Laadi dämpimine

Induktsioonimootorid (nt kodumaistes ventilatoorites, tööstuslikud tahvelajad) domineerivad võrgulaadis. Nende võimsuse tarbimine sõltub sagedusest: 1% sageduse langus tavaliselt vähendab aktiivse võimsuse tarbimist umbes 2% suures süsteemis. Kui uued laadid ühendatakse, laskub sagedus, ja olemasolevad induktsioonimootorid automaatselt tarbivad vähem võimsust - osaliselt vähendades nõudluse-tootmise lünka.

2. Kiiteenergia vabastamine turbiin-generaatoritest (TG)

Traditsioonilised TG-d sisaldavad massiivseid rotoreid (tavaliselt >25 tonni), mis pöörlevad 3000 RPM (50Hz võrgu jaoks). Kui nõudlus ületab tootmise, need rotorid pakkuvad ajutiselt varustatud kiiteenergiat (umbes 3-5 sekundit, sõltuvalt inertsiast). Kui rotored aeglustuvad, laskub võrgu sagedus.

Sageduse kontroll

Laadi-sageduse kontroll (LFC) taastab võrgu sageduse tema nimekirja väärtusele pärast nõudluse-tootmise ebakõla. On olemas kaks kontrollitasandit:

1. Esmane sageduse kontroll

Ühiku tasandil, turbiini juhtimissüsteem kontrollib kiirust (ja seega sagedust). Eelnevalt näidatud, iga ühik modulatsioneerib auriku sisendi sageduse deviatsioonide põhjal. Täielik esmane kontrolltsükkel toitejaama jaoks on näidatud allolevas joonisel.

2. Teine sageduse kontroll

See hõlmab koordineeritud kontrolli mitmesuguste ühikute vahel erinevates kontrollipiirkondades, tagades pikemas perspektiivis sageduse stabiilsuse ja optimaalse laadi jagamise.

Esimese sageduse kontrolli piirangud

Ainult esmane sageduse kontroll viib staatilise sageduse deviatsioonini, mille mõjutab juhi lülituspäring ja laadi sageduse tundlikkus. See juhtub, kuna igaüks ühikud kontrollivad kiirust ilma, et arvestaksid, kuhu uued laadid on ühendatud või kui palju laadi on lisatud. Sellise konteksti puudumisel ei saa võimsuse tasakaalu täielikult taastada, ja sageduse deviatsioon jätkub. Pärast esmast kontrollitoimingut võib staatiline sageduse viga olla kas positiivne või negatiivne.

Teine sageduse kontroll

Süsteemi sageduse taastamine selle nimekirja väärtusele nõuab teist kontrolli, mis arvestab uute laadide asukohta ja korrigeerib valitud ühikute viitereferenseid. Kui laad suureneb kontrollipiirkonnas, peab selles piirkonnas tootmine tõusma, et:

• Säilitada nõudluse-tootmise tasakaal kontrollipiirkonna tasandil

• Hoida planeeritud vahetusi naaberpiirkondadega eelmääratletud piirides

Selle saavutamiseks:

• Automaatne tootmise kontroll (AGC) määrab kindlaks konkreetseid ühikuid igas kontrollipiirkonnas teise kontrolli jaoks.

• Nende juhtimissüsteemidele lisatakse sageduse bias tsükkel, mis pakkuvad reaalajas korrigeerivaid signaale, põhinedes laadivoolu arvutustel.

Kui uued laadireferensid on välja antud, alustavad ühikud tootmise korrigeerimist. Kuna tootmise mehaaniline loomus, võtab see 25-30 minutit, enne kui ühikud jõuavad oma planeeritud väljunditele. Kui kõik toitejaamad saavutavad sihttootmise, taastatakse võimsuse tasakaal, ja sagedus tagastub nimekirja väärtusele.

Süsteemi üldine reageering esimese ja teise sageduse kontrolliga saab mõista allpool näidatud graafikutest.

Süsteemi reageering laadi suurenemisel (A-B-C-D)
A-B: Ajutine kiiteenergia vabastamine

Punkt A ees, süsteem töötab võimsuse tasakaalus. Punktis A, laad ootamatult suureneb P₀ kuni P₀ + ∆P. Enne kui juht reageerib, on 3-5 sekundi viivitus. Selle perioodi jooksul rotor varustab ülejäänud laadi oma varustatud kiiteenergiaga, mis põhjustab rotorikiiruse laskuda ja sageduse langeda minimaalse väärtuseni f₁.

B-C: Esmane sageduse kontrolli toiming

Umbes 5 sekundi pärast algatab juht kiiruse kontrolli, suurendades auriku sisendit, et taastada rotorikiirus. See faas kestab 20-25 sekundit (sõltuvalt sageduse lasku suurusest). Nii nagu eelnevalt arutatud, jätab ainult esmane kontroll staatilise sageduse vea ∆f juhi lülituspäringu tõttu.

C-D: Teine sageduse kontroll (AGC aktivatsioon)

Kui sagedus stabiliseerub, teine kontroll (AGC kaudu) korrigeerib valitud ühikute tootmist igas kontrollipiirkonnas. See protsess arvestab:

• Uusi laadireferenseid

• Sageduse bias signaale, mis põhinevad reaalajas laadivoolu arvutustel

Tootmise korrigeerimine on piiratud ühikute disaini ramp rates, mis võtavad mitu minutit, et lõpetada. Kui kõik toitejaamad saavutavad sihttootmise, tagastatakse planeeritud vahetused eelmääratletud väärtustele, ja süsteem saavutab uue võimsuse tasakaalu nimekirja sagedusega.