ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಆವರ್ತನ ನಿಯಂತ್ರಣ (LFC) ಮತ್ತು ಟರ್ಬೈನ್ ಗವರ್ನರ್ ನಿಯಂತ್ರಣ (TGC) ಪ್ರದೋಶದಲ್ಲಿ
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資源と非再生可能エネルギー資源の両方に依存しています。熱発電装置は、従来の発電方法を代表しています。これらの装置では、石炭、核エネルギー、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。最も単純な概念では、壁にパイプが敷き詰められ、水が連続的に循環するチャンバーとして視覚化できます。ボイラー内の燃料の燃焼によって放出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の範囲）と高温（設計仕様により530°Cから732°Cの間）を特徴とする乾燥飽和蒸気に変換されます。
この飽和蒸気はその後、タービンに供給され、そこで膨張し、温度が低下します。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転送します。蒸気のタービンへの流れは、タービンの制御システムによって制御される制御弁によって調整されます。したがって、タービンの有効出力は調速器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11 kVから26 kVの範囲で比較的低電圧で電力を生成します。この電圧はその後、220 kV/400 kV/765 kVに昇圧されて電力網に送電されます。電力システム研究では、この統合されたシステム全体を発電装置と呼びます。
タービン調速器制御 (TGC)
前述のように、調速器は制御弁の位置を制御することによりタービンへの有効電力フローを制御します。油圧式調速器は、タービンの実際の回転速度からのフィードバックを受け取る積分制御器としてモデル化することができます。図1は、調速器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（名目上の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) は調速器に供給されます。この誤差信号に基づいて、調速器は制御弁の位置を調整します：正の誤差信号（実際の周波数が名目上の周波数を超えることを示す）が検出された場合、調速器は弁をわずかに閉じます；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、通常3％から8％の範囲にある調速器のドロップ設定を表します。数学的には次のように定義されます：
R = (周波数のパーセント変化) / (出力のパーセント変化)
ドロップ設定は、複数の発電装置の安定した並列運転に重要であり、制御区域内での負荷の分配を決定します。ドロップ値が小さい装置は自動的に負荷の大きな割合を引き受けます。
制御エリア
電力システムでは、発電装置と負荷は広大な地理的な地域に分布しています。安定性を維持するために、全体のグリッドは主に地理に基づいて小さな制御エリアに分割されます。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、複数の発電装置と負荷が共存します。電力システムを制御エリアに細分化することで、いくつかの重要な目的が達成されます：
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-周波数制御手法が適用されます—これは後で詳しく説明します。
2. スケジュールされた相互交換の決定
制御エリアの発電量が負荷需要に満たない場合、タイラインを通じて隣接する制御エリアから電力が流入します（逆も同様です）。
3. 効果的な負荷分配
負荷需要は1日を通して変動します（例えば、夜間は低い、朝や夕方はピーク）。制御エリアは以下のようなプロセスを簡素化します：
出力バランス
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）。したがって、出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。簡単のために、以下のように近似します：
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。微小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、装置のトリップ、大規模な負荷変化）は周波数を±5%程度変動させる可能性があります。主要なシナリオには以下があります：
多くの場合（例えば、装置/線路のトリップ、大規模負荷の接続）、需要が発電量を上回り、周波数が低下します。一方、大規模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、周波数低下の理解が両方の行動を把握するのに十分です。
周波数低下が起こる理由
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. 負荷ダンピング
インダクションモータ（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ます：1%の周波数減少は、大規模システムでは通常約2%の有効電力消費の減少をもたらします。新しい負荷が接続されると、周波数が低下し、既存のインダクション負荷は自動的により少ない電力を消費します—これにより需要-発電ギャップが部分的に緩和されます。
2. タービン-発電機セットからの運動エネルギーの解放
従来のタービン-発電機セットは、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。需要が発電量を上回ると、これらのローターは一時的に蓄えられた運動エネルギーを供給します（慣性により3〜5秒間）。ローターが減速すると、グリッド周波数が低下します。
周波数制御
負荷-周波数制御 (LFC) は、需要-発電ギャップ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つのレベルの制御があります：
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。発電所全体の一次制御ループは下記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調整制御を含み、長期的な周波数の安定性と最適な負荷分配を確保します。
一次周波数制御の制限
一次周波数制御だけでは、調速器のドロップ特性と負荷周波数感度の影響により、定常状態の周波数偏差が生じます。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、どの程度の負荷が追加されたかを考え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、出力バランスは完全には回復せず、周波数偏差は持続します。一次制御アクションの後、定常状態の周波数エラーは正または負のいずれかとなる可能性があります。
二次周波数制御
システム周波数を名目値に戻すには、新たな負荷の位置を考慮し、選択されたユニットの基準設定値を調整する二次制御が必要です。制御エリア内の負荷が増加すると、そのエリア内の発電量も増加しなければなりません：
これを達成するためには：
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、ユニットが予定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、出力バランスが再確立され、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の解放
ポイントA以前、システムは出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。調速器が反応するまでの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、ローターの速度が低下し、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、調速器が速度制御を開始し、蒸気入力を増加させてローターの速度を回復させます。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、調速器のドロップ特性により定常状態の周波数誤差∆fが残ります。
C-D: 二次周波数制御 (AGC の活性化)
周波数が安定したら、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、完了するまでには数分かかります。完了すると、予定された相互交換が事前計算された値に戻り、システムは名目周波数での新しい出力バランスを達成します。
