Upravljanje učestalom opterećenjem (LFC) i upravljanje guvernerom turbine (TGC) u energetskom sustavu

Kratki pregled toplinskih energetskih jedinica

Proizvodnja struje oslanja se na obnovljive i neobnovljive izvore energije. Toplinske energetske jedinice predstavljaju konvencionalni pristup proizvodnji energije. U ovim jedinicama, goriva poput ugljena, nuklearne energije, prirodnog plina, biogoriva i bioplina sagořevaju unutar kotla.

Kotao energetske jedinice je izuzmno složen sustav. U njegovoj najjednostavnijoj konceptualizaciji, može se vizualizirati kao komora čije zidove obilježavaju cijevi kroz koje neprekidno cirkulira voda. Toplinska energija oslobađena sagorevanjem goriva unutar kotača prenosi se ovoj vodi. Tijekom ovog procesa, voda se pretvara u suho nasiteno par visokog tlaka (u rasponu od 150 ksc do 380 ksc, ovisno o dizajnu) i visoke temperature (između 530°C i 732°C, ovisno o specifikacijama dizajna).

Ovaj nasiteno par zatim se ispušta u turbinu, gdje se širi i njegova temperatura pada. U tom procesu širenja, par prenosi svoju toplinsku energiju rotacijskoj energiji vrata turbine. Protok para u turbinu regulira kontrolni ventil, koji upravlja sustavom upravljanja turbine. Stoga se aktivni snaga izlaza turbine kontrolira putem regulatora. Turbina je spojena sa sinkronim generatorom.

Sinkroni generator pretvara mehaničku energiju turbine u električnu energiju. Sinkroni generatori proizvode struju relativno niskim naprezanjima, tipično u rasponu od 11 kV do 26 kV, na nominalnu frekvenciju. Ovo naprezanje zatim se povećava na 220 kV/400 kV/765 kV putem transformatora za generiranje za prijenos u mrežu. U studijama elektroenergetskih sustava, ceo ovaj integrirani sustav naziva se energetska jedinica.

Upravljanje regulatorom turbine (TGC)

Kao što je ranije spomenuto, regulator kontrolira protok aktivne snage u turbinu upravljanjem položajem kontrolnog ventila. Hidraulički regulator može se modelirati kao integralni kontroler koji uzima povratne informacije o stvarnoj rotacijskoj brzini turbine. Slika 1 ilustrira rad regulatora u modu kontrole brzine.

Stvarna brzina turbine uspoređuje se s referentnom brzinom (odgovarajuća nominalnoj frekvenciji mreže). Rezultirajući signal greške brzine (∆ωᵣ) zatim se prenosi regulatoru. Na temelju tog signala greške, regulator prilagođava položaj kontrolnog ventila: ako se detektira pozitivni signal greške (što ukazuje da stvarna frekvencija premašuje nominalnu frekvenciju), regulator malo zatvara ventil; obrnuto, otvara ventil kada primi negativni signal greške.

“R” predstavlja postavku padanja regulatora, obično u rasponu od 3% do 8%. Matematički se definira kao:
R = (promjena po jedinici frekvencije) / (promjena po jedinici snage)

Postavke padanja su ključne za stabilnu paralelnu operaciju više energetskih jedinica, jer određuju kako se opterećenje dijeli unutar područja upravljanja. Jednice s manjom vrijednosti padanja automatski preuzimaju veći udio opterećenja.

Područje upravljanja

U elektroenergetskom sustavu, energetske jedinice i opterećenja su raspoređeni na velikim geografskim područjima. Da bi se održala stabilnost, cijela mreža dijeli se na manja područja upravljanja (glavno prema geografiji). Ova podjela omogućuje:

• Efikasne izračune protoka opterećenja

• Preciznu kontrolu frekvencije i ravnoteže snage

Unutar područja upravljanja, postoji više energetskih jedinica i opterećenja. Podjela elektroenergetskog sustava na područja upravljanja služi nekoliko ključnih ciljeva:

1. Kontrola frekvencije opterećenja

Ovaj okvir omogućuje primjenu metoda kontrole frekvencije opterećenja za održavanje frekvencije mreže—koncept koji će biti detaljnije istražen kasnije.

2. Određivanje planiranih razmjena

Ako generacija u području upravljanja ne zadovoljava potrebu za opterećenjem, snaga teče u područje iz susjednih područja upravljanja putem veznih linija (i obrnuto).

3. Efikasno dijeljenje opterećenja

Potreba za opterećenjem varira tijekom dana (na primjer, niže noću, vrhašak ujutro i navečer). Područja upravljanja pojednostavljavaju proces:

• Dijeljenja opterećenja unutar jedinica na temelju prognozirane potrebe i kapaciteta jedinica

• Izračuna planiranih razmjena snage s drugim područjima upravljanja

Ravnoteža snage

Električna energija se troši u stvarnom vremenu (ne može se masovno čuvati). Stoga je ravnoteža snage fundamentalni zahtjev:
Generirana snaga (P₉) = Potreba za opterećenjem (Pd) + Gubitci prijenosa (Pₗ)

Gubitci prijenosa tipično čine ~2% generirane snage i često se zanemaruju kada se fokusira na kontrolu frekvencije. Za jednostavnost, aproksimiramo:
Generirana snaga (P₉) ≈ Potreba za opterećenjem (Pd)

Varijacija frekvencije

Frekvencija mreže fluktuirá zbog neskladica između potrebe za opterećenjem i generacije. Dok se manje odstupanja stabiliziraju inercijom sustava, značajne razlike (na primjer, ispad jedinica, velike promjene opterećenja) mogu uzrokovati varijacije frekvencije ±5%. Ključne situacije uključuju:

• Nepredviđene ispadove energetskih jedinica ili prijenosnih linija

• Naglo povezivanje/odspajanje velikih opterećenja

U većini slučajeva (na primjer, ispad jedinica/linija, veliki prijelaz opterećenja), potreba premašuje generaciju, uzrokujući pad frekvencije. Obrnuto, ako ispadne prijenosna linija koja služi velikom opterećenju, generacija može premašiti potrebu, uzrokujući porast frekvencije. Iako se sustav suprotno reagira na ove situacije, razumijevanje padova frekvencije dovoljno je za shvaćanje oba ponašanja.

Zašto se događaju padovi frekvencije

Dva intrinsična ponašanja sustava pokreću padove frekvencije:

1. Prigušenje opterećenja

Indukcijski motori (na primjer, kućanski ventilatori, industrijski pogoni) dominiraju opterećenjima mreže. Njihov potrošnja energije ovisi o frekvenciji: redukcija frekvencije za 1% tipično smanjuje potrošnju aktivne snage za ~2% u velikim sustavima. Kada se novi opterećenja povezuju, frekvencija pada, a postojeći indukcijski opterećenja automatski potroši manju snagu—djelomično umanjujući razliku između potrebe i generacije.

2. Oslobađanje kinetičke energije iz sklopova turbine-generatora (TG)

Konvencionalni TG sklopi imaju masivne rotor (često >25 tona) koji vrte se na 3000 OKM (za 50Hz mreže). Kada potreba premašuje generaciju, ovi rotorovi privremeno dostavljaju pohranjenu kinetičku energiju (za 3–5 sekundi, ovisno o inerciji). Kako se rotor spori, frekvencija mreže pada.

Kontrola frekvencije

Kontrola frekvencije opterećenja (LFC) vraća frekvenciju mreže na njenu nominalnu vrijednost nakon neskladica između potrebe i generacije. Postoje dvije razine kontrole:

1. Primarna kontrola frekvencije

Na razini jedinice, upravljački sustav turbine prilagođava brzinu (i time frekvenciju). Kao što je ranije pokazano, svaka jedinica modulira unos para na temelju odstupanja frekvencije. Cijeli primarni kontrolni krug za energetsku postaju prikazan je na slici ispod.

2. Sekundarna kontrola frekvencije

To uključuje koordiniranu kontrolu unutar više jedinica u različitim područjima upravljanja, osiguravajući dugoročnu stabilnost frekvencije i optimalno dijeljenje opterećenja.

Ograničenja primarne kontrole frekvencije

Primarna kontrola frekvencije sama rezultira stalnim odstupanjem frekvencije, utjecajem karakteristike padanja regulatora i osjetljivosti frekvencije opterećenja. To se dešava jer pojedine jedinice prilagođavaju brzinu bez obzira na to gdje su nova opterećenja povezana ili koliko je opterećenja dodato. Bez takvog kontekstualnog procjena, ravnoteža snage ne može se u potpunosti vratiti, a odstupanje frekvencije ostaje. Nakon primarnih kontrolnih akcija, stalni greška frekvencije može biti pozitivna ili negativna.

Sekundarna kontrola frekvencije

Vraćanje frekvencije sustava na njenu nominalnu vrijednost zahtijeva sekundarnu kontrolu, koja uzima u obzir lokacije novih opterećenja i prilagođava referentne setpointe za odabrane jedinice. Kada se opterećenje poveća u području upravljanja, generacija unutar tog područja mora rasti kako bi:

• Održala ravnotežu između potrebe i generacije na razini područja upravljanja

• Držala planirane razmjene sa susjednim područjima unutar predefiniranih granica

Da bi se to postiglo:

• Automatska kontrola generacije (AGC) dodjeljuje određene jedinice u svakom području upravljanja za sekundarnu kontrolu.

• Dodaje se petlja pristranosti frekvencije njihovim upravljačkim sustavima, pružajući u stvarnom vremenu korektivne signale temeljene na izračunima protoka opterećenja.

Nakon što se izdati novi setpointi za opterećenje, jedinice počinju prilagođavati generaciju. Zbog mehaničke prirode proizvodnje, treba 25–30 minuta da jedinice dosegnu planirane izlaze. Kada sve energetske postaje dosegnu ciljnu generaciju, ravnoteža snage se vraća, a frekvencija se vraća na nominalnu.

Ukupna reakcija sustava s primarnom i sekundarnom kontrolom frekvencije može se razumjeti iz grafa ispod.

Reakcija sustava na povećanje opterećenja (A-B-C-D)
A-B: Privremeno oslobađanje kinetičke energije

Prije točke A, sustav radi u ravnoteži snage. U točki A, opterećenje naglo raste s P₀ na P₀ + ∆P. Do 3–5 sekundi produljava prije nego što regulator reagira. Tijekom tog intervala, pohranjena kinetička energija rotor pruža prekomjerni opterećenje, uzrokujući pad brzine rotor i pad frekvencije na minimalnu vrijednost f₁.

B-C: Akcija primarne kontrole frekvencije

Nakon oko 5 sekundi, regulator započinje kontrolu brzine, povećavajući unos para kako bi vratili brzinu rotor. Ova faza traje 20–25 sekundi (ovisno o magnitudi pada frekvencije). Kao što je već spomenuto, primarna kontrola sama ostavlja stalnu grešku frekvencije ∆f zbog padanja regulatora.

C-D: Sekundarna kontrola frekvencije (aktivacija AGC)

Nakon što se frekvencija stabilizira, sekundarna kontrola (putem AGC) prilagođava generaciju odabranih jedinica u svakom području upravljanja. Taj proces uzima u obzir:

• Novi referentni setpointi za opterećenje

• Signali pristranosti frekvencije iz izračuna protoka opterećenja u stvarnom vremenu

Prilagođavanja generacije ograničena su projektnim stopama rampiranja, tražeći nekoliko minuta da se dovrše. Nakon završetka, planirane razmjene se vraćaju na preizračunate vrijednosti, a sustav postiže novu ravnotežu snage s nominalnom frekvencijom.