लोड फ्रीक्वेंसी कंट्रोल (LFC) और टरबाइन गवर्नर कंट्रोल (TGC) इलेक्ट्रिक पावर सिस्टम में

थर्मल जनरेटिंग यूनिट्स का संक्षिप्त परिचय

विद्युत उत्पादन अनवीकरणीय और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों पर निर्भर करता है। थर्मल जनरेटिंग यूनिट्स शक्ति उत्पादन के पारंपरिक दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करते हैं। इन यूनिटों में, कोयला, परमाणु ऊर्जा, प्राकृतिक गैस, बायोफ्यूल, और बायोगैस जैसे ईंधन बायलर के अंदर जलाए जाते हैं।

जनरेटिंग यूनिट का बायलर एक अत्यंत जटिल प्रणाली है। इसका सबसे सरल अवधारण में, इसे एक चैम्बर के रूप में देखा जा सकता है, जिसकी दीवारों में पाइप लगे होते हैं, जिनमें लगातार पानी प्रवाहित होता है। बायलर के अंदर ईंधन के जलाने से उत्पन्न थर्मल ऊर्जा इस पानी में स्थानांतरित होती है। इस प्रक्रिया के दौरान, पानी उच्च दाब (डिज़ाइन के आधार पर 150 ksc से 380 ksc के बीच) और उच्च तापमान (डिज़ाइन प्रकार के आधार पर 530°C से 732°C के बीच) वाले शुष्क संतृप्त भाप में परिवर्तित हो जाता है।

इस संतृप्त भाप को फिर टर्बाइन में डाला जाता है, जहाँ यह विस्तारित होता है और इसका तापमान घटता है। इस विस्तार प्रक्रिया में, भाप अपनी थर्मल ऊर्जा को टर्बाइन शाफ्ट की घूर्णन ऊर्जा में स्थानांतरित करता है। भाप का टर्बाइन में प्रवाह एक नियंत्रण वाल्व द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो टर्बाइन की नियंत्रण प्रणाली द्वारा नियंत्रित होता है। इस प्रकार, टर्बाइन का सक्रिय शक्ति उत्पादन गवर्नर द्वारा नियंत्रित होता है। टर्बाइन एक सिंक्रोनस जनरेटर से जुड़ा होता है।

सिंक्रोनस जनरेटर टर्बाइन की यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। सिंक्रोनस जनरेटर आमतौर पर नामित आवृत्ति पर 11 kV से 26 kV की तुलना में निम्न वोल्टेज पर विद्युत उत्पादित करते हैं। इस वोल्टेज को फिर 220 kV/400 kV/765 kV में बढ़ाया जाता है जिसके लिए एक जनरेटिंग ट्रांसफॉर्मर का उपयोग किया जाता है और इसे विद्युत ग्रिड में प्रसारित किया जाता है। विद्युत प्रणाली के अध्ययन में, इस पूरे एकीकृत प्रणाली को जनरेटिंग यूनिट के रूप में संदर्भित किया जाता है।

टर्बाइन गवर्नर नियंत्रण (TGC)

पूर्व में उल्लेख किए गए अनुसार, गवर्नर नियंत्रण वाल्व की स्थिति को नियंत्रित करके टर्बाइन में सक्रिय शक्ति प्रवाह को नियंत्रित करता है। एक हाइड्रोलिक गवर्नर को एक इंटीग्रल कंट्रोलर के रूप में मॉडल किया जा सकता है जो टर्बाइन की वास्तविक घूर्णन गति से प्रतिक्रिया लेता है। चित्र 1 गवर्नर के ऑपरेशन को गति-नियंत्रण मोड में दिखाता है।

टर्बाइन की वास्तविक गति को ग्रिड आवृत्ति के नामित मान (नामित ग्रिड आवृत्ति) के साथ तुलना की जाती है। इससे प्राप्त होने वाला गति त्रुटि सिग्नल (∆ωᵣ) फिर गवर्नर को दिया जाता है। इस त्रुटि सिग्नल के आधार पर, गवर्नर नियंत्रण वाल्व की स्थिति को समायोजित करता है: यदि धनात्मक त्रुटि सिग्नल देखा जाता है (जो वास्तविक आवृत्ति के नामित आवृत्ति से अधिक होने का संकेत देता है), तो गवर्नर वाल्व को थोड़ा बंद करता है; इसके विपरीत, ऋणात्मक त्रुटि सिग्नल देखने पर वाल्व को खोला जाता है।

"R" गवर्नर की ड्रूप सेटिंग को दर्शाता है, जो आमतौर पर 3% से 8% के बीच होता है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार परिभाषित किया जाता है:
R = (प्रति इकाई आवृत्ति में परिवर्तन) / (प्रति इकाई शक्ति में परिवर्तन)

ड्रूप सेटिंग एक नियंत्रण क्षेत्र के भीतर एक से अधिक जनरेटिंग यूनिटों के स्थिर समानांतर संचालन के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह निर्धारित करता है कि लोड कैसे शेयर किया जाएगा। छोटी ड्रूप मान वाले यूनिट लोड का बड़ा हिस्सा स्वयं से ले लेंगे।

नियंत्रण क्षेत्र

विद्युत प्रणाली में, जनरेटिंग यूनिट और लोड विस्तृत भौगोलिक क्षेत्रों पर वितरित होते हैं। स्थिरता बनाए रखने के लिए, पूरे ग्रिड को छोटे नियंत्रण क्षेत्रों (मुख्य रूप से भौगोलिक आधार पर) में विभाजित किया जाता है। यह विभाजन निम्नलिखित को संभव बनाता है:

• कुशल लोड प्रवाह गणना

• आवृत्ति और शक्ति संतुलन का सटीक नियंत्रण

एक नियंत्रण क्षेत्र के भीतर, एक से अधिक जनरेटिंग यूनिट और लोड एक साथ मौजूद होते हैं। विद्युत प्रणाली को नियंत्रण क्षेत्रों में विभाजित करने के कई महत्वपूर्ण उद्देश्य होते हैं:

1. लोड-आवृत्ति नियंत्रण

यह ढांचा ग्रिड आवृत्ति को बनाए रखने के लिए लोड-आवृत्ति नियंत्रण विधियों के अनुप्रयोग को संभव बनाता है - जो बाद में विस्तार से विवेचित किया जाएगा।

2. निर्धारित इंटरचेंज का निर्धारण

यदि एक नियंत्रण क्षेत्र का उत्पादन उसकी लोड मांग से कम हो, तो शक्ति निकटवर्ती नियंत्रण क्षेत्रों से टाइ लाइनों द्वारा उस क्षेत्र में प्रवाहित होती है (और इसके विपरीत)।

3. प्रभावी लोड शेयरिंग

लोड मांग दिन भर में बदलती रहती है (उदाहरण के लिए, रात को कम, सुबह और शाम को चरम)। नियंत्रण क्षेत्र निम्नलिखित प्रक्रियाओं को सरल बनाते हैं:

• अनुमानित मांग और यूनिट क्षमता के आधार पर यूनिटों के बीच लोड का वितरण

• अन्य नियंत्रण क्षेत्रों के साथ निर्धारित शक्ति इंटरचेंज की गणना

शक्ति संतुलन

विद्युत ऊर्जा वास्तविक समय में उपभोग की जाती है (यह बड़े पैमाने पर संचित नहीं की जा सकती)। इसलिए, शक्ति संतुलन एक मौलिक आवश्यकता है:
उत्पन्न शक्ति (P₉) = लोड मांग (Pd) + प्रसारण हानि (Pₗ)

प्रसारण हानि आमतौर पर उत्पन्न शक्ति का ~2% होती है और आवृत्ति नियंत्रण पर ध्यान केंद्रित करते समय इसे अक्सर नगण्य मान लिया जाता है। सरलता के लिए, हम अनुमान लगाते हैं:
उत्पन्न शक्ति (P₉) ≈ लोड मांग (Pd)

आवृत्ति विचरण

G्रिड आवृत्ति लोड मांग और उत्पादन के असंगतियों के कारण बदलती रहती है। यद्यपि लघु विचलन प्रणाली के जड़त्व द्वारा स्थिर किए जाते हैं, लेकिन महत्वपूर्ण अंतर (उदाहरण के लिए, यूनिट ट्रिप, बड़े लोड परिवर्तन) आवृत्ति को ±5% तक बदल सकते हैं। महत्वपूर्ण परिस्थितियाँ निम्नलिखित हैं:

• जनरेटिंग यूनिट या प्रसारण लाइनों का अप्रत्याशित अवसान

• बड़े लोड का अचानक जुड़ना/अलग होना

अधिकांश मामलों में (उदाहरण के लिए, यूनिट/लाइन ट्रिप, बड़े लोड का जुड़ना), मांग उत्पादन से अधिक होती है, जिससे आवृत्ति घटती है। इसके विपरीत, यदि बड़े लोड को सेवा देने वाली एक प्रसारण लाइन ट्रिप हो, तो उत्पादन मांग से अधिक हो सकता है, जिससे आवृत्ति बढ़ती है। हालांकि प्रणाली इन परिस्थितियों के विपरीत तरीके से प्रतिक्रिया करती है, आवृत्ति गिरावट को समझना दोनों व्यवहारों को समझने के लिए पर्याप्त है।

आवृत्ति गिरावट क्यों होती है

दो आंतरिक प्रणाली व्यवहार आवृत्ति गिरावट का कारण बनते हैं:

1. लोड डैम्पिंग

ग्रिड लोड पर इंडक्शन मोटर (उदाहरण के लिए, घरेलू पंख, औद्योगिक ड्राइव) आधिपत्य रखते हैं। उनका शक्ति उपभोग आवृत्ति-निर्भर होता है: 1% आवृत्ति की कमी आमतौर पर बड़ी प्रणालियों में लगभग 2% सक्रिय शक्ति उपभोग की कमी का कारण बनती है। जब नए लोड जुड़ते हैं, तो आवृत्ति घटती है, और मौजूदा इंडक्शन लोड ऑटोमैटिक रूप से कम शक्ति उपभोग करते हैं - जिससे लोड-उत्पादन अंतर आंशिक रूप से मिट्टी में मिल जाता है।

2. टर्बाइन-जनरेटर (TG) सेट से गतिज ऊर्जा का रिलीज

पारंपरिक TG सेट में विशाल रोटर (सामान्यतः >25 टन) 3000 RPM (50Hz ग्रिड के लिए) पर घूमते हैं। जब मांग उत्पादन से अधिक होती है, तो ये रोटर अस्थायी रूप से संचित गतिज ऊर्जा प्रदान करते हैं (3-5 सेकंड, जड़त्व पर निर्भर)। जैसे-जैसे रोटर धीमा होते हैं, ग्रिड आवृत्ति घटती है।

आवृत्ति नियंत्रण

लोड-आवृत्ति नियंत्रण (LFC) लोड-उत्पादन असंगतियों के बाद ग्रिड आवृत्ति को उसके नामित मान पर वापस लाता है। नियंत्रण के दो स्तर होते हैं:

1. प्राथमिक आवृत्ति नियंत्रण

यूनिट स्तर पर, टर्बाइन की नियंत्रण प्रणाली गति (और इसलिए आवृत्ति) को समायोजित करती है। पूर्व में दिखाया गया, प्रत्येक यूनिट आवृत्ति विचलनों के आधार पर भाप इनपुट को मोडुलेट करता है। एक जनरेटिंग स्टेशन के लिए पूरा प्राथमिक नियंत्रण लूप नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

2. द्वितीयक आवृत्ति नियंत्रण

यह विभिन्न नियंत्रण क्षेत्रों में एक से अधिक यूनिटों के बीच समन्वित नियंत्रण शामिल है, जो लंबे समय तक आवृत्ति स्थिरता और ऑप्टिमल लोड शेयरिंग को सुनिश्चित करता है।

प्राथमिक आवृत्ति नियंत्रण की सीमाएं

केवल प्राथमिक आवृत्ति नियंत्रण गवर्नर ड्रूप विशेषता और लोड-आवृत्ति संवेद