電力システムにおける負荷周波数制御（LFC）とタービンガバナ制御（TGC）
熱発電装置の簡単な紹介
電力生成は再生可能エネルギーと非再生可能エネルギーの両方を依存しています。熱発電装置は、従来的な発電方法を代表します。これらの装置では、石炭、原子力、天然ガス、バイオ燃料、バイオガスなどの燃料がボイラー内で燃焼されます。
発電装置のボイラーは非常に複雑なシステムです。最も単純に考えると、壁にパイプが並んだチャンバーで、水が継続的に循環するイメージで視覚化できます。ボイラー内で燃料が燃焼して解放される熱エネルギーはこの水に移されます。この過程で、水は高圧（設計により150 kscから380 ksc）と高温（設計仕様により530°Cから732°C）のドライ飽和蒸気に変換されます。
この飽和蒸気はタービンに送られ、そこで膨張し温度が下がります。この膨張過程で、蒸気はその熱エネルギーをタービン軸の回転エネルギーに移します。蒸気のタービンへの流入は制御弁によって調整され、これはタービンの制御システムによって管理されます。したがって、タービンの有効出力は制御装置によって制御されます。タービンは同期発電機と結合されています。
同期発電機はタービンの機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。同期発電機は通常、名目周波数での比較的低電圧（一般的には11 kVから26 kVの範囲）で電力を生成します。この電圧はその後、発電トランスフォーマーによって220 kV/400 kV/765 kVに昇圧されて送電網に送られます。電力システム研究において、この統合された全システムは発電ユニットと呼ばれます。
タービン制御装置 (TGC)
前述のように、制御装置は制御弁の位置を制御することでタービンへの有効電力の流れを制御します。油圧式制御装置は、タービンの実際の回転速度からのフィードバックを取る積分制御器としてモデル化できます。図1は、制御装置の速度制御モードでの動作を示しています。
タービンの実際の速度は、基準速度（名目グリッド周波数に対応）と比較されます。結果得られる速度誤差信号 (∆ωᵣ) は制御装置に送られます。この誤差信号に基づいて、制御装置は制御弁の位置を調整します：正の誤差信号（つまり実際の周波数が名目周波数を超える場合）が検出された場合は、制御装置は弁を少し閉じます。逆に負の誤差信号が受信された場合は弁を開きます。
「R」は制御装置のドロップ設定を表し、通常3%から8%の範囲です。数学的には以下のように定義されます：
R = (周波数の単位当たりの変化) / (電力の単位当たりの変化)
ドロップ設定は、複数の発電ユニットの安定した並列運転に不可欠であり、制御エリア内の負荷分配を決定します。小さなドロップ値を持つユニットは自動的により大きな負荷シェアを引き受けます。
制御エリア
電力システムでは、発電ユニットと負荷は広大な地理的地域に分散しています。安定性を維持するために、全体のグリッドは小さな制御エリア（主に地理に基づく）に分割されます。この分割により以下のことが可能になります：
制御エリア内には複数の発電ユニットと負荷が共存します。電力システムを制御エリアに分割することは、いくつかの重要な目的を達成します：
1. 負荷周波数制御
このフレームワークにより、グリッド周波数を維持するための負荷周波数制御方法を適用することが可能になります。これは後で詳しく説明されます。
2. スケジュールされた相互接続の決定
制御エリアの発電量が負荷需要を満たしていない場合、隣接する制御エリアからの電力がタイラインを通じてそのエリアに流入します（逆も同様です）。
3. 効果的な負荷共有
負荷需要は1日の間に変動します（例えば夜間は低い、朝と夕方はピーク）。制御エリアは以下のプロセスを簡素化します：
電力バランス
電気エネルギーはリアルタイムで消費されます（大規模な蓄電は不可能です）。そのため、電力バランスは基本的な要件です：
生成された電力 (P₉) = 負荷需要 (Pd) + 送電損失 (Pₗ)
送電損失は通常、生成された電力の約2%を占め、周波数制御に焦点を当てる際にはしばしば無視されます。簡略化すると：
生成された電力 (P₉) ≈ 負荷需要 (Pd)
周波数の変動
Gリッド周波数は、負荷需要と発電量の不一致により変動します。わずかな偏差はシステムの慣性によって安定化されますが、大きなギャップ（例えばユニットのトリップ、大規模な負荷変動）は周波数を±5%程度変動させます。主要なシナリオには以下があります：
多くの場合（例えばユニット/線路のトリップ、大規模な負荷接続）、需要が発電量を超えると周波数が低下します。逆に、大規模な負荷を供給する送電線がトリップすると、発電量が需要を上回り周波数が上昇します。システムはこれらのシナリオに対して反対の反応を示しますが、周波数低下の理解だけで両方の行動を把握することができます。
なぜ周波数低下が起こるのか
周波数低下を駆動する2つの固有のシステム挙動があります：
1. 負荷減衰
インダクションモーター（例えば家庭用ファン、産業用ドライブ）がグリッド負荷を支配しています。それらの電力消費は周波数に依存しており、1%の周波数低下は通常、大型システムで約2%の有効電力消費の減少をもたらします。新しい負荷が接続すると、周波数が下がり、既存のインダクション負荷は自動的に電力消費を減らすことで一部の需要・発電ギャップを緩和します。
2. タービン・ジェネレータセット (TGセット) からの運動エネルギー放出
従来のTGセットは、しばしば25トン以上の巨大なローターを持ち、50Hzグリッドでは3000 RPMで回転しています。需要が発電量を超えると、これらのローターは一時的に保存された運動エネルギー（慣性により3〜5秒）を供給します。ローターが遅くなるにつれて、グリッド周波数が下がります。
周波数制御
負荷周波数制御 (LFC) は、需要と発電量の不一致後にグリッド周波数を名目値に戻すために使用されます。2つの制御レベルがあります：
1. 一次周波数制御
ユニットレベルでは、タービンの制御システムが速度（および周波数）を調整します。前述のように、各ユニットは周波数偏差に基づいて蒸気入力を調整します。発電所の完全な一次制御ループは以下の図に示されています。
2. 二次周波数制御
これは異なる制御エリア内の複数のユニット間での協調制御を含み、長期的な周波数の安定性と最適な負荷共有を確保します。
一次周波数制御の制限
一次周波数制御だけでは、ステディステート周波数偏差が生じます。これは制御装置のドロップ特性と負荷周波数感度に影響されます。これは個々のユニットが新しい負荷がどこに接続されたか、またはどの程度の負荷が追加されたかを考慮せずに速度を調整するためです。このような文脈評価がないと、電力バランスは完全に復元されず、周波数偏差が持続します。一次制御アクションの後、ステディステート周波数誤差は正または負のいずれかになります。
二次周波数制御
システム周波数を名目値に戻すには、二次制御が必要です。これは新しい負荷の位置を考慮し、選択されたユニットの基準設定点を調整します。制御エリア内の負荷が増加した場合、そのエリア内の発電量を増やす必要があります：
これを達成するために：
修正された負荷設定値が発行されると、ユニットは発電量の調整を開始します。発電の機械的な性質により、ユニットがスケジュールされた出力に到達するまでには25〜30分かかります。すべての発電所が目標発電量に達すると、電力バランスが再び確立され、周波数は名目値に戻ります。
一次および二次周波数制御を含むシステム全体の応答は以下のグラフで理解できます。
負荷増加に対するシステム応答 (A-B-C-D)
A-B: 一時的な運動エネルギー放出
ポイントA以前、システムは電力バランスで動作しています。ポイントAで、負荷が突然P₀からP₀ + ∆Pに増加します。制御装置が反応するまでの3〜5秒の遅延があります。この間隔中、ローターの蓄えられた運動エネルギーが過剰な負荷を供給し、ローターの速度が下がり周波数が最小値f₁に低下します。
B-C: 一次周波数制御アクション
約5秒後、制御装置が速度制御を開始し、蒸気入力を増やしてローターの速度を回復します。このフェーズは20〜25秒続きます（周波数低下の大きさに依存）。前述のように、一次制御だけでは制御装置のドロップによりステディステート周波数誤差∆fが残ります。
C-D: 二次周波数制御 (AGCの起動)
周波数が安定すると、二次制御（AGC経由）が各制御エリアの選択されたユニットの発電量を調整します。このプロセスでは以下を考慮します：
発電量の調整はユニットの設計ランプレートによって制限され、完了するまでに数分かかります。完了すると、スケジュールされた相互接続が事前計算された値に戻り、システムは新たな電力バランスと名目周波数を達成します。
