Sähköverkon taajuusregulaatio (LFC) & turbiiniregulaattorin hallinta (TGC)
Lämpövoimalayksiköiden lyhyt johdanto
Sähköntuotanto perustuu sekä uusiutuviin että ei-uusiutuviin energialähteisiin. Lämpövoimalayksiköt edustavat perinteistä sähköntuotantomuotoa. Nämä yksiköt polttavat kattilassa sellaisia polttoaineita kuin hiili, ydinenergia, maakaasu, biopolttoaine ja biokaasu.
Voimalayksikön kattila on erittäin monimutkainen järjestelmä. Yksinkertaisimmassa muodossaan se voidaan kuvitella huoneeksi, jonka seinät ovat rajoitetut putkilla, joissa vesi kulkee jatkuvasti. Kattilan sisällä poltettavan polttoaineen vapauttama lämpöenergia siirtyy tähän veteen. Tässä prosessissa vesi muuntuu kuivaksi kyllästyneeksi höyryksi, jolla on korkea paine (150 ksc:sta 380 ksc:een riippuen suunnittelusta) ja korkea lämpötila (530°C:sta 732°C:een riippuen suunnittelusäännöistä).
Tämä kyllästyneet höyry siirretään sitten turbineihin, missä se laajenee ja sen lämpötila laskee. Laajentumisprosessissa höyry siirtää lämpöenergiansa turbiinin akseelin pyörimisen mekaaniseksi energiaksi. Höyryn virtaus turbineihin ohjataan säädönpainevalvonnalla, jota hallitsee turbiinin ohjaussistema. Näin ollen turbiinin aktiivinen teho on ohjaussysteman hallinnassa. Turbini on kytketty synkroniseen generaattoriin.
Synkroninen generaattori muuttaa turbinin mekaanista energiaa sähköenergiaksi. Synkroniset generaattorit tuottavat sähköä suhteellisen alhaisessa jännitteessä, tyypillisesti 11 kV:sta 26 kV:een nominaalitasossa. Tämä jännite nostetaan sitten 220 kV/400 kV/765 kV:een tuotannon muuntimella verkon välittämiseen. Sähköjärjestelmissä tämä koko integroitu järjestelmä kutsutaan voimalayksiköksi.
Turbiinin ohjaussysteemi (TGC)
Kuten aiemmin mainittiin, ohjaussysteema säätelee aktiivisen tehon virtausta turbineihin ohjaamalla säädönpainevalvonnan asemaa. Hydraulinen ohjaussysteemi voidaan mallintaa integraaliregulaattorina, joka ottaa palautetta turbiinin todellisesta pyörimisnopeudesta. Kuva 1 havainnollistaa ohjaussysteman toimintaa nopeuden ohjaustilassa.
Turbiinin todellinen nopeus verrataan viite Nopeuteen (vastaava verkon nominaalifrekvenssille). Syntyvä nopeuserrosignaali (∆ωᵣ) syötetään ohjaussystemaan. Tämän virhe-signaalin perusteella ohjaussysteema säätää säädönpainevalvonnan asemaa: jos havaitaan positiivinen virhe-signaali (osoittaen, että todellinen frekvenssi ylittää nominaalifrekvenssin), ohjaussysteema sulkee valvonta hieman; vastaavasti se avaa valvontaa, kun negatiivinen virhe-signaali havaitaan.
"R" edustaa ohjaussysteman drooppiasetuksen, joka on tyypillisesti 3%:sta 8%:aan. Matemaattisesti se määritellään:
R = (yksikkömuutos frekvenssissä) / (yksikkömuutos tehosta)
Drooppiasetukset ovat olennaisia useiden tuotantoyksiköiden vakaudelle, sillä ne määrittelevät kuinka lasti jaetaan hallintalueessa. Yksiköt, joilla on pienempi drooppiarvo, ottavat automaattisesti suuremman osan laskusta.
Hallintalue
Sähköjärjestelmässä tuotantoyksiköt ja lataukset jakautuvat laajalle geografiselle alueelle. Vakauden ylläpitämiseksi koko verkko jaetaan pienempiin hallintalueisiin (pääasiassa maantieteellisesti). Tämä jako mahdollistaa:
Hallintalueessa on useita tuotantoyksiköitä ja latauksia. Sähköjärjestelmän jako hallintalueisiin palvelee useita keskeisiä tavoitteita:
1. Latausfrekvenssin hallinta
Tämä kehys mahdollistaa lataus-frekvenssin hallintamenetelmien soveltamisen verkoston frekvenssin ylläpitämiseksi – asiaa käsitellään yksityiskohtaisemmin myöhemmin.
2. Suunniteltujen vaihdosten määrittäminen
Jos hallintalueen tuotanto ei riitä lataustarpeeseen, sähkö virtaa alueelle naapurihallintalueista siteerivien yhteyksien kautta (ja päinvastoin).
3. Tehokas latausjakaminen
Lataustarve vaihtelee päivän aikana (esimerkiksi vähemmän yöllä, huipputaso aamulla ja illalla). Hallintalueet yksinkertaistavat prosessia:
Tehopainotus
Sähköä käytetään reaaliajassa (sitä ei voida varastoittaa suurten mittakaavojen kannalta). Siksi tehopainotus on perustavanlaatuinen vaatimus:
Luotu teho (P₉) = Lataustarve (Pd) + Siirtolaitteistohävikit (Pₗ)
Siirtolaitteistohävikit kattavat yleensä noin 2% luodusta tehosta ja niitä usein jätetään huomiotta frekvenssin hallinnassa. Yksinkertaisuuden vuoksi approksimoimme:
Luotu teho (P₉) ≈ Lataustarve (Pd)
Frekvenssin vaihtelu
Verkon frekvenssi vaihtelee lataustarpeen ja tuotannon epäyhtäläisyydestä. Vaikka pienet poikkeamat tasaantuivat systeemin inertiasta, merkittävät erot (esimerkiksi yksikön pysäytys, suuret latausmuutokset) voivat aiheuttaa frekvenssin vaihtelua ±5%. Avainasetelmat ovat:
Useimmissa tapauksissa (esimerkiksi yksikön/linjan häiriöt, suuri latauskytkentä) tarve ylittää tuotannon, mikä aiheuttaa frekvenssin laskun. Toisaalta, jos suuren latauksen palveluun suunnattu siirtolaitteisto linja häiriöön, tuotanto voi ylittää tarpeen, mikä aiheuttaa frekvenssin nousun. Vaikka järjestelmä reagoi näihin skenaarioihin päinvastoisesti, frekvenssilaskun ymmärtäminen riittää kummankin käyttäytymisen käsittelyyn.
Miksi frekvenssilaskut ilmenevät
Kaksi luonteva järjestelmän käyttäytymismuotoa aiheuttavat frekvenssilaskuja:
1. Latausvaimennus
Induktio-moottorit (esimerkiksi kotitaloustuuletin, teollisuuden ajurit) hallitsevat verkon latauksia. Heidän tehonkulutuksensa on frekvenssi-riippuva: 1% frekvenssin väheneminen tyypillisesti vähentää aktiivisen tehon kulutusta noin 2% suurissa järjestelmissä. Kun uudet lataukset kytketään, frekvenssi laskee, ja olemassa olevat induktiolataukset vähentävät automaattisesti tehonkulutustaan – osittain kompensoimalla lataus-tuotantoeroa.
2. Turbini-generaattorijoukon (TG) kinettisen energian vapautuminen
Perinteiset TG-joukot ovat massiivisia rotoreita (usein >25 tonnia), jotka pyörivät 3000 kierrosta minuutissa (50 Hz-verkostoissa). Kun tarve ylittää tuotannon, nämä rotorit toimittavat väliaikaisesti tallennettua kinettistä energiaa (3–5 sekuntia riippuen inertian mukaan). Kun rotorit hidastuvat, verkoston frekvenssi laskee.
Frekvenssin hallinta
Lataus-frekvenssin hallinta (LFC) palauttaa verkoston frekvenssin nominaaliseen arvoonsa lataus-tuotanton epäyhtäläisyyden jälkeen. On olemassa kaksi hallintatasoa:
1. Ensimmäinen frekvenssin hallinta
Yksikkotasolla turbin ohjaussysteema säätää nopeutta (ja siten frekvenssiä). Kuten aiemmin nähtiin, jokainen yksikkö moduloi höyryn syöttöä frekvenssidevioiden perusteella. Kokonaisen ensimmäisen hallintasilmukan hahmotelmaksi on alla oleva kuva.
2. Toinen frekvenssin hallinta
Tämä sisältää koordinoidun hallinnan useiden yksiköiden välillä eri hallintalueissa, varmistamalla pitkäaikaisen frekvenssin vakauden ja optimaalisen latausjakon.
Ensimmäisen frekvenssin hallinnan rajoitukset
Vain ensimmäisen frekvenssin hallinnan avulla syntyy vakiofrekvenssi-poikkeama, joka johtuu ohjaussysteman drooppiomerkityksestä ja latausfrekvenssin herkyydestä. Tämä johtuu siitä, että yksittäiset yksiköt säätävät nopeutta ilman, että ne ottaisivat huomioon, missä uudet lataukset on kytketty tai kuinka paljon latausta on lisätty. Ilman tällaista kontekstuaalista arviointia, tehopainotusta ei voida täysin palauttaa, ja frekvenssipoikkeama jatkuu. Ensimmäisten hallintatoimien jälkeen vakiofrekvenssi-virhe voi olla joko positiivinen tai negatiivinen.
Toinen frekvenssin hallinta
Järjestelmän frekvenssin palauttaminen nominaaliseen arvoonsa vaatii toista hallintatasoa, joka huomioi uudet latauskohdat ja säätää valittujen yksiköiden viitearvoja. Kun lataus kasvaa hallintalueessa, tuotannon täytyy nousta:
Tämän saavuttamiseksi:
Kun uudet latausviitearvot on annettu, yksiköt alkavat säätää tuotantoaan. Mekaanisen tuotannon ominaisuuden vuoksi yksiköiden saavuttamiseen suunniteltuihin tuloksiin menee 25–30 minuuttia. Kun kaikki tuotantoyksiköt saavuttavat tavoitteen, tehopainotus palautuu, ja frekvenssi palaa nominaaliseksi.
Järjestelmän kokonaishallinta ensimmäisen ja toisen frekvenssin hallinnan avulla voidaan ymmärtää alla olevasta kuvasta.
Järjestelmän reaktio latauksen kasvuun (A-B-C-D)
A-B: Aikuisen kinettisen energian vapautuminen
Pisteestä A ennen järjestelmä toimii tehopainotuksen tasapainossa. Pisteessä A lataus kasvaa yhtäkkiä P₀:sta P₀ + ∆P:ään. Ohjaussysteeman reagointiin menee 3–5 sekuntia. Tässä välissä rotorin tallennettu kinettinen energia toimittaa ylijäämälatauksen, mikä aiheuttaa rotorin nopeuden laskun ja frekvenssin laskun minimiarvoon f₁.
B-C: Ensimmäisen frekvenssin hallinnan toiminta
Noin 5 sekunnin kuluttua ohjaussysteema aloittaa nopeuden hallinnan, lisäämällä höyryn syöttöä rotorin nopeuden palauttamiseksi. Tämä vaihe kestää 20–25 sekuntia (riippuen frekvenssilaskun suuruudesta). Kuten aiemmin mainittiin, vain ensimmäinen hallinta jättää vakiofrekvenssi-virheen ∆f ohjaussysteman drooppiomerkityksen vuoksi.
C-D: Toisen frekvenssin hallinta (AGC:n aktivointi)
Kun frekvenssi stabilisoituu, toinen hallinta (AGC:n kautta) säätää valittujen yksiköiden tuotantoa jokaisessa hallintalueessa. Tämä prosessi huomioi:
Tuotannon säädökset rajoittuvat yksiköiden suunnitelluihin ramp-rateihin, ja niiden toteuttamiseen menee useita minuutteja. Kun ne on suoritettu, suunnitellut vaihdot palautuvat etukäteen laskettuihin arvoihin, ja järjestelmä saavuttaa uuden tehopainotuksen nominaalisen frekvenssin kanssa.
