کنترل فرکانس بار (LFC) و کنترل گاورنر توربین (TGC) در سیستم برق

گرمایی واحد تولید برق مختصر مقدمه

تولید برق به منابع انرژی قابل تجدید و غیرقابل تجدید متکی است. واحدهای تولید گرمایی نمایانگر یک رویکرد سنتی در تولید برق هستند. در این واحدها، سوخت‌هایی مانند زغال سنگ، انرژی هسته‌ای، گاز طبیعی، سوخت زیستی و گاز بیوگاز در یک کتری خورد می‌شوند.

کتری یک واحد تولید برق یک سیستم بسیار پیچیده است. در ساده‌ترین تصور، آن را می‌توان به عنوان یک حفره‌ای تصور کرد که دیواره‌های آن با لوله‌ها پوشیده شده و آب به صورت مداوم در آن جریان دارد. انرژی گرمایی آزاد شده از خورد سوخت در کتری به این آب منتقل می‌شود. در طی این فرآیند، آب به بخار اشباع خشک تبدیل می‌شود که مشخصه فشار بالا (از ۱۵۰ ksc تا ۳۸۰ ksc، بسته به طراحی) و دما بالا (بین ۵۳۰°سیلسیوس تا ۷۳۲°سیلسیوس، بسته به مشخصات طراحی) است.

این بخار اشباع سپس به یک توربین فرستاده می‌شود، جایی که گسترش می‌یابد و دمای آن کاهش می‌یابد. در این فرآیند گسترش، بخار انرژی گرمایی خود را به انرژی چرخشی محور توربین منتقل می‌کند. جریان بخار به توربین توسط یک دریچه کنترلی تنظیم می‌شود که توسط سیستم کنترل توربین اداره می‌شود. بنابراین، خروجی قدرت فعال توربین توسط کنترل‌گر کنترل می‌شود. توربین با یک ژنراتور همزمانی جفت شده است.

ژنراتور همزمانی انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ژنراتورهای همزمانی برق را در ولتاژهای نسبتاً پایین، معمولاً در محدوده ۱۱ کیلوولت تا ۲۶ کیلوولت، در فرکانس اسمی تولید می‌کنند. این ولتاژ سپس توسط یک ترانسفورماتور تولیدی به ۲۲۰ کیلوولت/۴۰۰ کیلوولت/۷۶۵ کیلوولت افزایش یافته و برای انتقال به شبکه برق ارسال می‌شود. در مطالعات سیستم برق، این سیستم یکپارچه کامل به عنوان یک واحد تولید شناخته می‌شود.

کنترل گاورنر توربین (TGC)

همانطور که قبلاً ذکر شد، گاورنر جریان قدرت فعال وارد شده به توربین را با کنترل موقعیت دریچه کنترلی تنظیم می‌کند. یک گاورنر هیدرولیک می‌تواند به عنوان یک کنترل‌گر انتگرالی مدل‌سازی شود که بازخورد از سرعت چرخش فعلی توربین دریافت می‌کند. شکل ۱ عملکرد گاورنر در حالت کنترل سرعت را نشان می‌دهد.

سرعت فعلی توربین با سرعت مرجع (معادل فرکانس اسمی شبکه) مقایسه می‌شود. سیگنال خطای سرعت (∆ωᵣ) سپس به گاورنر فرستاده می‌شود. بر اساس این سیگنال خطا، گاورنر موقعیت دریچه کنترلی را تنظیم می‌کند: اگر سیگنال خطا مثبت (نشان‌دهنده اینکه فرکانس فعلی بیش از فرکانس اسمی است) شناسایی شود، گاورنر دریچه را کمی می‌بندد؛ بلکه در صورت دریافت سیگنال خطا منفی، دریچه را باز می‌کند.

"R" نشان‌دهنده تنظیمات گاورنر است که معمولاً بین ۳٪ تا ۸٪ متغیر است. ریاضیاً، به صورت زیر تعریف می‌شود:
R = (تغییر واحد فرکانس) / (تغییر واحد قدرت)

تنظیمات گاورنر برای عملکرد پایدار موازی چند واحد تولید برق ضروری است، زیرا تعیین می‌کند چگونه بار در یک منطقه کنترل تقسیم می‌شود. واحدهایی با مقدار R کوچک‌تر به طور خودکار سهم بزرگ‌تری از بار را بر عهده می‌گیرند.

منطقه کنترل

در یک سیستم برق، واحدهای تولید برق و بارها در مناطق جغرافیایی وسیع توزیع شده‌اند. برای حفظ پایداری، کل شبکه به مناطق کنترل کوچک‌تر (عمدتاً بر اساس جغرافیا) تقسیم می‌شود. این تقسیم‌بندی امکان موارد زیر را فراهم می‌کند:

• محاسبات جریان بار مؤثر

• کنترل دقیق فرکانس و تعادل قدرت

در یک منطقه کنترل، چندین واحد تولید برق و بارها وجود دارند. تقسیم‌بندی سیستم برق به مناطق کنترل چندین هدف کلیدی را دنبال می‌کند:

۱. کنترل بار-فرکانس

این چارچوب امکان استفاده از روش‌های کنترل بار-فرکانس برای حفظ فرکانس شبکه را فراهم می‌کند - یک مفهوم که در جزئیات بیشتری در ادامه بررسی خواهد شد.

۲. تعیین تعاملات برنامه‌ریزی شده

اگر تولید یک منطقه کنترل کمتر از تقاضای بار آن باشد، برق از مناطق کنترل مجاور از طریق خطوط اتصال (و برعکس) وارد منطقه می‌شود.

۳. به اشتراک‌گذاری مؤثر بار

تقاضای بار طی روز تغییر می‌کند (به عنوان مثال، در شب کمتر است و در صبح و شب اوج می‌گیرد). مناطق کنترل فرآیند زیر را ساده می‌کنند:

• تخصیص بار بر اساس تقاضای پیش‌بینی شده و ظرفیت واحد

• محاسبه تعاملات برنامه‌ریزی شده با مناطق کنترل دیگر

تعادل قدرت

انرژی الکتریکی در زمان واقعی مصرف می‌شود (نمی‌توان آن را در مقیاس بزرگ ذخیره کرد). بنابراین، تعادل قدرت یک نیاز اساسی است:
قدرت تولید شده (P₉) = تقاضای بار (Pd) + زیان‌های انتقال (Pₗ)

زیان‌های انتقال معمولاً حدود ۲٪ از قدرت تولید را تشکیل می‌دهند و معمولاً وقتی روی کنترل فرکانس تمرکز می‌شود نادیده گرفته می‌شوند. برای سادگی، ما تقریب می‌زنیم:
قدرت تولید شده (P₉) ≈ تقاضای بار (Pd)

تغییرات فرکانس

Gفرکانس شبکه به دلیل عدم همخوانی بین تقاضای بار و تولید نوسان می‌کند. در حالی که انحرافات کوچک توسط quán tính hệ thống được ổn định, các khoảng cách lớn (ví dụ: sự cố của đơn vị, thay đổi tải lớn) có thể khiến tần số biến động ±5%. Các kịch bản chính bao gồm:

• Ngắt kết nối không dự kiến của các đơn vị phát điện hoặc đường dây truyền tải

• Kết nối/giải phóng đột ngột của các tải lớn

Trong hầu hết các trường hợp (ví dụ: sự cố đơn vị/đường dây, kết nối tải lớn), nhu cầu vượt quá sản lượng, làm giảm tần số. Ngược lại, nếu một đường dây truyền tải phục vụ cho một tải lớn bị ngắt, sản lượng có thể vượt quá nhu cầu, làm tăng tần số. Mặc dù hệ thống phản ứng ngược lại trong các kịch bản này, việc hiểu rõ về sự sụt giảm tần số đủ để nắm bắt cả hai hành vi.

Tại sao Tần số Giảm

Hai hành vi hệ thống nội tại gây ra sự sụt giảm tần số:

1. Làm Mềm Tải

Máy điện cảm (ví dụ: quạt gia đình, bộ điều khiển công nghiệp) chiếm ưu thế trong tải lưới. Tiêu thụ điện năng của chúng phụ thuộc vào tần số: giảm 1% tần số thường làm giảm tiêu thụ công suất hoạt động khoảng 2% trong các hệ thống lớn. Khi các tải mới kết nối, tần số giảm và các tải cảm hiện tại tự động tiêu thụ ít điện năng hơn - phần nào giảm thiểu khoảng cách giữa nhu cầu và sản lượng.

2. Giải Phóng Năng Lượng Động từ Bộ Turbine - Máy Phát (TG)

Các bộ TG truyền thống có các rotor lớn (thường >25 tấn) quay ở 3000 vòng/phút (cho lưới 50Hz). Khi nhu cầu vượt quá sản lượng, các rotor này tạm thời cung cấp năng lượng động học đã lưu trữ (trong 3-5 giây, tùy thuộc vào quán tính). Khi rotor chậm lại, tần số lưới giảm.

Kiểm soát Tần số

Kiểm soát tải-tần số (LFC) khôi phục tần số lưới về giá trị định mức sau khi có sự không khớp giữa nhu cầu và sản lượng. Có hai cấp độ kiểm soát:

1. Kiểm soát Tần số Cấp 1

Ở cấp độ đơn vị, hệ thống điều khiển turbine điều chỉnh tốc độ (và do đó tần số). Như đã nêu trước đó, mỗi đơn vị điều chỉnh dòng hơi dựa trên sai số tần số. Vòng lặp kiểm soát hoàn chỉnh cho một trạm phát điện được mô tả trong hình dưới đây.

2. Kiểm soát Tần số Cấp 2

Điều này liên quan đến kiểm soát phối hợp trên nhiều đơn vị trong các khu vực kiểm soát khác nhau, đảm bảo ổn định tần số lâu dài và chia sẻ tải tối ưu.

Hạn chế của Kiểm soát Tần số Cấp 1

Chỉ sử dụng kiểm soát tần số cấp 1 dẫn đến sai số tần số trạng thái ổn định, chịu ảnh hưởng bởi đặc tính droop của governor và độ nhạy tần số của tải. Điều này xảy ra vì các đơn vị riêng lẻ điều chỉnh tốc độ mà không xem xét nơi tải mới được kết nối hoặc lượng tải được thêm vào. Không có đánh giá bối cảnh như vậy, cân bằng công suất không thể được khôi phục hoàn toàn, và sai số tần số vẫn tồn tại. Sau các hành động kiểm soát cấp 1, sai số tần số trạng thái ổn định có thể là dương hoặc âm.

Kiểm soát Tần số Cấp 2

Khôi phục tần số hệ thống về giá trị định mức yêu cầu kiểm soát cấp 2, điều này xem xét vị trí tải mới và điều chỉnh điểm tham chiếu cho các đơn vị được chọn. Khi tải tăng trong một khu vực kiểm soát, sản lượng trong khu vực đó phải tăng để:

• Duy trì cân bằng giữa nhu cầu và sản lượng ở cấp độ khu vực kiểm soát

• Giữ cho các giao dịch theo lịch trình với các khu vực lân cận trong giới hạn đã xác định

Để đạt được điều này:

• Automatic Generation Control (AGC) chỉ định các đơn vị cụ thể trong mỗi khu vực kiểm soát cho kiểm soát cấp 2.

• Một vòng lặp bias tần số được thêm vào hệ thống kiểm soát của họ, cung cấp các tín hiệu điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên các phép tính lưu lượng tải.

Sau khi các điểm tham chiếu tải được cập nhật, các đơn vị bắt đầu điều chỉnh sản lượng. Do tính chất cơ khí của quá trình sản xuất điện, mất khoảng 25-30 phút để các đơn vị đạt đến sản lượng theo lịch trình. Khi tất cả các trạm phát điện đạt được sản lượng mục tiêu, cân bằng công suất được tái lập và tần số trở lại giá trị định mức.

Phản ứng tổng thể của hệ thống với kiểm soát tần số cấp 1 và cấp 2 có thể được hiểu thông qua biểu đồ dưới đây.

Phản ứng Hệ thống đối với Tăng Tải (A-B-C-D)
A-B: Giải phóng Năng lượng Động tạm thời

Trước điểm A, hệ thống hoạt động trong trạng thái cân bằng công suất. Tại điểm A, tải đột ngột tăng từ P₀ đến P₀ + ∆P. Có một độ trễ 3-5 giây trước khi governor phản hồi. Trong khoảng thời gian này, năng lượng động được lưu trữ trong rotor cung cấp cho tải thừa, làm giảm tốc độ rotor và tần số giảm xuống giá trị tối thiểu f₁.

B-C: Hành động Kiểm soát Tần số Cấp 1

Khoảng 5 giây, governor bắt đầu kiểm soát tốc độ, tăng dòng hơi để khôi phục tốc độ rotor. Giai đoạn này kéo dài 20-25 giây (phụ thuộc vào mức độ giảm tần số). Như đã thảo luận, kiểm soát cấp 1 chỉ để lại sai số tần số trạng thái ổn định ∆f do đặc tính droop của governor.

C-D: Kiểm soát Tần số Cấp 2 (Kích hoạt AGC)

Khi tần số ổn định, kiểm soát cấp 2 (qua AGC) điều chỉnh sản lượng cho các đơn vị được chọn trong mỗi khu vực kiểm soát. Quá trình này xem xét:

• Điểm tham chiếu tải mới

• Tín hiệu bias tần số từ các phép tính lưu lượng tải theo thời gian thực

Các điều chỉnh sản lượng bị hạn chế bởi tỷ lệ tăng giảm thiết kế của các đơn vị, mất vài phút để hoàn thành. Sau khi hoàn thành, các giao dịch theo lịch trình trở lại các giá trị đã tính toán trước, và hệ thống đạt được trạng thái cân bằng công suất mới với tần số định mức.