בקרה של תדר הטעינה (LFC) ותאוצת הטורבינה (TGC) במערכת החשמל

הצגת מבוא קצרה ליחידות ייצור תרמי

ייצור חשמל מתבסס הן על מקורות אנרגיה מתחדשים והן על מקורות לא מתחדשים. יחידות ייצור תרמי מייצגות גישה קונבנציונלית לייצור חשמל. ביחידה אלו, דלקים כגון פחם, אנרגיה גרעינית, גז טבעי, ביודיזל וביוגז נשרפים בתוך קotle.

קוטל היחידה לייצור הוא מערכת מורכבת מאוד. בהפשטה פשוטה, ניתן לדמיין אותו כחדר שגבייו מכוסים צינורות, בהם מתקיים מעבר מים מתמיד. האנרגיה התרמית המשוחררת מהשריפה של הדלק בתוך הקוטל מועברת למים אלה. במהלך תהליך זה, המים מתמנים לחם רווי בעל לחץ גבוה (בין 150 ksc ל-380 ksc, בהתאם לעיצוב) וטמפרטורה גבוהה (בין 530°C ל-732°C, בהתאם למפרטים העיצוביים).

החם הרווי מוזרק לתורבינה, שם הוא מתפשט וטמפרטורתו יורדת. בתהליך ההתפיחה, החם מעביר את האנרגיה התרמית שלו לאנרגיה סיבובית של ציר התורבינה. זרימת החם לתורבינה מופקדת על ידי筏手，继续翻译为希伯来语： วาล์วควบคุมที่ถูกควบคุมโดยระบบควบคุมของกังหัน ดังนั้น การผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานจริงของกังหันจึงถูกควบคุมโดย governor กังหันเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแปลงพลังงานกลจากกังหันเป็นพลังงานไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสผลิตไฟฟ้าในระดับแรงดันต่ำค่อนข้างมาก โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 11 kV ถึง 26 kV ที่ความถี่กำหนด แรงดันนี้จะถูกเพิ่มขึ้นเป็น 220 kV/400 kV/765 kV โดยหม้อแปลงกำเนิดไฟฟ้าเพื่อส่งผ่านเข้าสู่ระบบสายส่ง ในการศึกษาระบบไฟฟ้า ระบบทั้งหมดที่รวมกันนี้เรียกว่า "หน่วยกำเนิดไฟฟ้า"

בקרה של תורבינה (TGC)

כפי שהוזכר קודם לכן, הגובר מפקח על זרם האנרגיה הפעילה לתורבינה על ידי בקרת מיקום ואל הבקרה. גובר הידראולי יכול להיחשב כבקר אינטגרלי שמקבל משוב מהמהירות הסיבובית האמיתית של התורבינה. דיאגרמה 1 מדגימה את פעולת הגובר במצב בקרה של מהירות.

המהירות האמיתית של התורבינה מושווה למהירות הפניה (שאינה מתאימה לתדירות הרשת הנומינלית). אות השגיאה המתקבל מהשוואה זו (∆ωᵣ) מועבר לגובר. בהתבסס על אות השגיאה הזה, הגובר משנה את מיקום ואל הבקרה: אם אות השגיאה חיובי (מה שאומר שהתדירות האמיתית עולה על התדירות הנומינלית), הגובר סוגר מעט את הוואל; באופן הפוך, הוא פותח את הוואל כאשר אות השגיאה שלילי.

"R" מייצגת את הגדרת הדרופ של הגובר, בדרך כלל בין 3% ל-8%. מבחינה מתמטית, היא מוגדרת כך:
R = (שינוי במונחי יחידה בתדירות) / (שינוי במונחי יחידה בעוצמה)

הגדרות הדרופ הן קריטיות עבור הפעולה המקבילה יציבה של מספר יחידות ייצור, שכן הן קובעות איך העומס חולק באזור הבקרה. יחידות עם ערך דרופ קטן יותר יקבלו חלק גדול יותר מהעומס באופן אוטומטי.

אזור בקרה

במערכת חשמל, יחידות ייצור ומטענים מפוזרים על פני אזורים גאוגרפיים עצומים. כדי לשמור על יציבות, כל הרשת מחולקת לאזורים קטנים של בקרה (בעיקר על בסיס גאוגרפי). החלוקה מאפשרת:

• חישוב זרמי עומס יעילים

• בקרה מדויקת של תדירות ומאזן כוח

באזור בקרה, קיימות יחידות ייצור רבות ומטענים. חלוקת מערכת החשמל לאזורים של בקרה משרתת כמה מטרות מפתח:

1. בקרה של עומס תדר

מסגרת זו מאפשרת את היישום של שיטות בקרה של עומס-תדר שמטרתן לשמור על תדירות הרשת - מושג שנחקר בהרחבה מאוחר יותר.

2. קביעת חילופי תכנונים

אם ייצור באזור בקרה אינו מספיק למלא את דרישות המטען, אנרגיה זורמת אל האזור מאזורים אחרים דרך קווי קשר (וההפך).

3. חלוקת עומס יעילה

דרישות המטען משתנות לאורך היום (לדוגמה, נמוכות בלילה, מגיעה לשיא בבוקר ובערב). אזורי הבקרה מקלים על התהליך של:

• הקצאת עומס בין היחידות על בסיס הדרישה המתוכנת והקיבולת של היחידות

• חישוב חילופי כוח מתוכנים עם אזורי בקרה אחרים

מאזן כוח

אנרגיה חשמלית נצרכת בזמן אמת (לא ניתן לאחסן אותה בקנה מידה גדול). לכן, מאזן כוח הוא דרישה בסיסית:
כוח שנוצר (P₉) = דרישת מטען (Pd) + אבדות העברה (Pₗ)

אבדות העברה בדרך כלל מהוות כ-2% מהכוח שנוצר ונעלמות לעיתים קרובות כאשר מתמקדים בבקרה של תדר. לשם פשטות, אנו משערים:
כוח שנוצר (P₉) ≈ דרישת מטען (Pd)

שינוי תדר

תדר הרשת מתנדנד עקב אי-התאמה בין דרישת המטען לייצור. בעוד שחריגים קלים מתייצבים באמצעות האינרציה של המערכת, הפערים הגדולים (לדוגמה, נפילות יחידות, שינויים גדולים במטען) יכולים לגרום לתדר להשתנות בכ-±5%. סצנאריוות מפתח כוללים:

• הפסקות בלתי מתוכננות של יחידות ייצור או קווי העברה

• חיבור/ניתוק פתאומי של מטענים גדולים

במרבית המקרים (לדוגמה, נפילות של יחידות/קווים, חיבור מטען גדול), דרישת המטען עולה על הייצור, מה שגורם לתדר לרדת. לעומת זאת, אם קו העברה שמשרת מטען גדול נופל, הייצור עשוי לעלות על דרישת המטען, מה שגורם לתדר לעלות. למרות שהמערכת מגיבה בצורה הפוכה בסצנאריוות אלו, הבנה של נפילות תדר מספיקה כדי להבין את שני התנהגויות.

מדוע מתרחשות נפילות תדר

שני התנהגויות מערכת פנימיות מובילות לנפילות תדר:

1. דämpף מטען

מנועים אינדוקטיביים (לדוגמה, מנועי מערבל ביתיים, מנועי תעשייה) שולטים ברוב המטענים ברשת. צריכת האנרגיה שלהם תלויה בתדר: ירידה של 1% בתדר תוריד בדרך כלל את צריכת האנרגיה הפעילה ב-2% בערכות גדולות. כאשר מטענים חדשים מתחברים, תדר יורד, והמטענים האינדוקטיביים הקיימים אוטומטית צורכים פחות אנרגיה - מה שמפחית חלקית את הפער בין דרישת המטען לייצור.

2. שחרור אנרגיה קינטית מתורבינות-מפעלי (TG) סט

סט TG קונבנציונליים יש להם גלגלים מסיביים (לעיתים קרובות >25 טון) שמסתובבים במהירות 3000 סיבוב לדקה (עבור רשתות 50Hz). כאשר דרישת המטען עולה על הייצור, הגלגלים הללו מספקים זמנית אנרגיה קינטית מאוחסנת (למשך 3-5 שניות, בהתאם לאינרציה). ככל שהגלגלים מתאטים, תדר הרשת יורד.

בקרה של תדר

בקרה של עומס-תדר (LFC) מחזירה את תדר הרשת לערך הנומינלי לאחר אי-התאמה בין דרישת המטען לייצור. קיימות שתי שכבות של בקרה:

1. בקרה ראשונית של תדר

בקנה מידה של יחידה, מערכת ההגה של התורבינה מעדכנת מהירות (ולכן גם תדר). כפי שהוצג קודם, כל יחידה מותחת את הזורם המבוקר על בסיס חריגים בתדר. המעגל השלם של הבקרה הראשונית עבור תחנת ייצור מוצגת בדיאגרמה שלהלן.

2. בקרה שניונית של תדר

זה כולל בקרה מתואמת בין יחידות רבות באזורים שונים של בקרה, שמבטיחה יציבות תדר ארוכת טווח והחלקת עומס אופטימלית.

מגבלות של הבקרה הראשונית של תדר

הבקרה הראשונית של תדר בלבד מובילה לחריגה קבועה בתדר, שמתבססת על תכונות הדרופ של הגובר והרגישות של המטען לתדר. זה קורה כי היחידות מתאדות מהירות ללא התייחסות לאן מתחברים מטענים חדשים או כמה מטען נוסף. ללא הערכה כזו, לא ניתן לשחזר את מאזן הכוח באופן מלא, והחריגה בתדר נמשכת. אחרי פעולות הבקרה הראשונית, השגיאה הקבועה בתדר יכולה להיות חיובית או שלילית.

בקרה שניונית של תדר

החזרת תדר המערכת לערך הנומינלי דורשת בקרה שניונית, שמתחשבת במיקום המטענים החדשים ומעדכנת נקודות התייחסות עבור יחידות נבחרות. כשהמטען עולה באזור בקרה, הייצור באזור זה חייב לעלות כדי:

• שמור על איזון בין דרישת המטען לייצור ברמה של אזור הבקרה

• שמור על חילופי כוח מתוכנים עם אזורים סמוכים תוך שמירה על גבולות מוגדרים מראש

כדי להשיג זאת:

• בקרה אוטומטית של ייצור (AGC) ממנה יחידות ספציפיות בכל אזור בקרה לבקרה שניונית.

• מחזור שגיאה בתדר מוסף למערכות הבקרה שלהם, שמספק אותות תיקון בזמן אמת על בסיס חישובי זרמי עומס.

כאשר נקודות התייחסות מעודכנות, היחידות מתחילות להתאים את הייצור. בשל הטבע המכני של ייצור הכוח, לוקח 25-30 דקות ליחידות להגיע לייצור המתוכנן. כשכל תחנות הייצור מגיעות לייצור המטרה, מאזן הכוח מוחזר, והתדר חוזר לנומינלי.

ה.getResponse הכולל של המערכת עם הבקרה הראשונית והשניונית של תדר ניתן להבנה מהגרף שלהלן.

תגובה של המערכת לעלייה במטען (A-B-C-D)
A-B: שחרור אנרגיה קינטית זמני

לפני נקודה A, המערכת פועלת באיזון כוח. בנקודה A, המטען עולה לפתע מ-P₀ ל-P₀ + ∆P. יש.Delay of 3-5 seconds occurs before the governor responds. During this interval, the rotor's stored kinetic energy supplies the excess load, causing the rotor speed to drop and the frequency to dip to a minimum value f₁.

B-C: Primary Frequency Control Action

At about 5 seconds, the governor initiates speed control, increasing steam input to restore rotor speed. This phase lasts 20-25 seconds (depending on the magnitude of the frequency dip). As discussed, primary control alone leaves a steady-state frequency error ∆f due to the governor droop.

C-D: Secondary Frequency Control (AGC Activation)

Once the frequency stabilizes, secondary control (via AGC) adjusts generation for selected units in each control area. This process considers:

• New load reference setpoints

• Frequency bias signals from real-time load flow calculations

Generation adjustments are limited by the units' design ramp rates, taking several minutes to complete. Upon completion, scheduled interchanges return to pre-calculated values, and the system achieves a new power balance with nominal frequency.