Baroņu frekvenšu regulēšana (LFC) un turbinas režģa kontrole (TGC) enerģētikas sistēmā
Īss ievads termiskajos ģeneratoros
Elektrības ražošana balstās gan uz atjaunojamiem, gan neatjaunojamiem enerģijas avotiem. Termiskie ģeneratori pārstāv tradicionālu pieeju enerģijas ražošanai. Šajās vienībās degvielas, piemēram, ogles, kodolenerģija, dabasgāze, biodegviela un biogāze, tiek sudegtas katlā.
Ģeneratora katls ir ļoti sarežģīts sistēmas elements. Sava visvienkāršākā izpratnē to var attēlot kā kameru, kuras sienas ir apvietotas caurulēm, caur kurām nepārtraukti cirkulē ūdens. Degvielas sudegšanas laikā katlā radītā termiskā enerģija tiek pārnesta šim ūdenim. Ūdens tiek pārvērtīts par sausu satura garu ar augstu spiedienu (no 150 ksc līdz 380 ksc, atkarībā no dizaina) un augstu temperatūru (starp 530°C un 732°C, atkarībā no dizaina specifikācijām).
Šis satura gars tika padevēts turbinā, kur tas izplešas un tā temperatūra samazinās. Izplešanās procesā gars pārneša savu termisko enerģiju turbinas vāka rotācijas enerģijā. Gara plūsmu turbinā regulē kontroles ventilis, kas pārvaldīts ar turbinas pārvaldības sistēmu. Tādējādi turbinas aktīvo jaudas iznākumu kontrolē pārvalde. Turbina ir savienota ar sinhrono ģeneratoru.
Sinhronais ģeneratoris pārveido turbinas mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā. Sinhronie ģeneratori ražo elektroenerģiju salīdzinoši zemās sprieguma vērtībās, parasti no 11 kV līdz 26 kV, nominālajā frekvencē. Šis spriegums tika paaugstināts līdz 220 kV/400 kV/765 kV, izmantojot ģenerējošo transformatoru, lai to pārsūtītu tīklā. Elektrotīkla studijās šo veselo integrēto sistēmu sauc par ģenerējošo vienību.
Turbinas pārvaldes kontrole (TGC)
Kā jau tika minēts, pārvalde regulē aktīvo jaudas plūsmu turbinā, kontrolējot kontroles ventila pozīciju. Hidrāulisku pārvaldi var modelēt kā integrālo kontrolleri, kas saņem atgriezenisko saiti no turbinas faktiskajā rotācijas ātrumā. 1. attēlā ir parādīta pārvaldes darbība ātruma kontrolēšanas režīmā.
Turbinas faktiskais ātrums tiek salīdzināts ar referenciālo ātrumu (kas atbilst nominālajai tīkla frekvencei). Iegūtā ātruma kļūdas signāls (∆ωᵣ) tiek padevēts pārvaldei. Pārvalde, pamatojoties uz šo kļūdas signālu, pielāgo kontroles ventila pozīciju: ja tiek uztverts pozitīvs kļūdas signāls (kas norāda, ka faktiskā frekvence pārsniedz nominālo frekvenci), pārvalde nedaudz aizver ventilu; pretēji, ja tiek uztverts negatīvs kļūdas signāls, pārvalde atver ventilu.
"R" pārstāv pārvaldes droop iestatījumu, kas parasti atrodas robežās no 3% līdz 8%. Matemātiski to definē šādi:
R = (spēka vienības maiņa) / (frekvenču maiņa)
Droop iestatījumi ir būtiski stabiliem daudzu ģenerējošo vienību paralēlam darbam, jo tie nosaka, kā ielāde tiek sadalīta kontrolējamā teritorijā. Viensības ar mazāku droop vērtību automātiski pieņems lielāko ielādes daļu.
Kontrolējamā teritorija
Elektrotīklā ģenerējošās vienības un ielādes ir izplatītas plašā geogrāfiskā apgabalā. Lai nodrošinātu stabilitāti, visu tīklu ir sadalīts mazākās kontrolējamās teritorijās (galvenokārt balstoties uz ģeogrāfiju). Šis sadalījums ļauj:
Katrā kontrolējamajā teritorijā eksistē vairākas ģenerējošās vienības un ielādes. Enerģijas sistēmas sadalīšana kontrolējamās teritorijās veicina vairākus galvenos mērķus:
1. Ielādes frekvenču kontrole
Šis rāmis ļauj izmantot ielādes frekvenču kontroles metodes, lai uzturētu tīkla frekvenci - konceptu, kas tiks pārskatīts vēl detalizētākākākā.
2. Planētas starpniecības noteikšana
Ja kontrolējamās teritorijas ģenerācija nepietiek ar tās ielādes prasībām, jauda nonāk šajā teritorijā no blakus esošām kontrolējamajām teritorijām caur saites līnijām (un otrādi).
3. Efektīva ielādes sadalīšana
Ielādes prasības mainās gada laikā (piemēram, naktīs zemākas, rītā un vakarā augstākas). Kontrolējamās teritorijas vienkāršo procesu:
Jaudas līdzsvars
Elektroenerģija tiek patērēta reāllaikā (to nevar glabāt lielos apjomos). Tādējādi jaudas līdzsvars ir fundamentāls priekšnoteikums:
Izgenerētā jauda (P₉) = Ielādes prasība (Pd) + Transmīsijas zaudējumi (Pₗ)
Transmīsijas zaudējumi parasti veido aptuveni 2% no ģenerētās jaudas un tiek bieži ignorēti, kad fokusējas uz frekvenču kontrolēšanu. Vienkāršības dēļ mēs aproksimējam:
Izgenerētā jauda (P₉) ≈ Ielādes prasība (Pd)
Frekvenču variācijas
Tīkla frekvence mainās, jo notiek neatbilstība starp ielādes prasību un ģenerāciju. Nelielu noviržu stabilizē sistēmas inercija, bet nozīmīgi atšķirības (piemēram, vienības trīki, lielas ielādes maiņas) var izraisīt frekvenču mainību par ±5%. Galvenie scenāriji ietver:
Lielākā daļa gadījumu (piemēram, vienības/linijas trīki, lielas ielādes savienojumi) prasība pārsniedz ģenerāciju, izraisot frekvenču pazemināšanos. Savukārt, ja transmīsijas līnija, kas sniedz lielu ielādi, trīkst, ģenerācija var pārsniedzēt prasību, izraisot frekvenču palielināšanos. Lai arī sistēma reaģē pretēji šiem scenārijiem, izpratne par frekvenču pazemināšanos ir pietiekama, lai saprastu abas uzvedības formas.
Kāpēc notiek frekvenču pazemināšanos
Divi sistēmas raksturīgie elementi izraisa frekvenču pazemināšanos:
1. Ielādes dambēšana
Induktīvie dzinēji (piemēram, mājsaimniecības ventilatori, rūpnieciskie pogostāji) dominē tīkla ielādē. To enerģijas patēriņš ir atkarīgs no frekvences: 1% frekvenču samazināšanās parasti samazina aktīvo jaudas patēriņu aptuveni 2% lielās sistēmās. Kad jaunas ielādes savienojas, frekvence pazeminās, un esošie induktīvie dzinēji automātiski patērē mazāk enerģijas - daļēji kompensējot prasības un ģenerācijas atšķirību.
2. Kinetiskās enerģijas izplūde no turbinas-ģeneratora (TG) kompleksiem
Parastie TG kompleksiem ir masīvas rotori (parasti >25 tonnas), kas griežas ar 3000 RPM (50 Hz tīklam). Kad prasība pārsniedz ģenerāciju, šie rotori laikā pa laikam nodrošina saglabāto kinetisko enerģiju (par 3-5 sekundēm, atkarībā no inercijas). Kad rotori palēninās, tīkla frekvence pazeminās.
Frekvenču kontrole
Ielādes-frekvenču kontrole (LFC) atjauno tīkla frekvenci līdz tās nominālajai vērtībai pēc prasības un ģenerācijas neatbilstības. Pastāv divas kontrolēšanas pakāpes:
1. Primārā frekvenču kontrole
Vienības līmenī turbinas pārvaldes sistēma pielāgo ātrumu (un tādējādi frekvenci). Kā jau tika parādīts iepriekš, katra vienība modulē gara ieplūsmu, pamatojoties uz frekvenču novirzēm. Vesela primārās kontrolēšanas lūka ģenerējošajā stacijā ir attēlota zemāk redzamajā attēlā.
2. Sekundārā frekvenču kontrole
Tā ietver koordinētu kontrolēšanu daudzās vienībās dažādās kontrolējamās teritorijās, nodrošinot ilgtermiņa frekvenču stabilitāti un optimālu ielādes sadalīšanu.
Primārās frekvenču kontrolēšanas ierobežojumi
tikai primārā frekvenču kontrolēšana rezultē pastāvīgā frekvenču novirzē, kas ietekmēta pārvaldes droop raksturojumu un ielādes frekvenču jutību. Tas notiek, jo atsevišķas vienības pielāgo ātrumu, neraugoties uz to, kur tiek savienotas jaunas ielādes vai cik liela ielāde tiek pievienota. Bez šāda konteksta novērtējuma, jaudas līdzsvars nevar pilnībā atjaunoties, un frekvenču novirze turpinās. Pēc primārās kontrolēšanas darbībām pastāvīgās frekvenču kļūdas var būt pozitīvas vai negatīvas.
Sekundārā frekvenču kontrole
Lai atjaunotu sistēmas frekvenci līdz tās nominālajai vērtībai, nepieciešama sekundārā kontrole, kas ņem vērā jaunu ielāžu atrašanās vietu un pielāgo referenčskaitļus izvēlētām vienībām. Ja ielāde palielinās kontrolējamajā teritorijā, šajā teritorijā ģenerācija jāpalielina, lai:
Lai to sasniegtu:
Pēc tam, kad tiek izsniegts jauns ielādes skaitlis, vienības sāk pielāgot ģenerāciju. Tā kā enerģijas ražošana ir mehāniska, tai ir nepieciešams 25-30 minūtes, lai vienības sasniedzētu savus plānotos iznākumus. Kad visas ģenerējošās stacijas sasniedz mērķa ģenerāciju, jaudas līdzsvars tiek atjaunots, un frekvence atgriežas līdz nominālajai vērtībai.
Visas sistēmas reakciju ar primāro un sekundāro frekvenču kontrolēšanu var saprast, aplūkojot zemāk redzamo grafiku.
Sistēmas reakcija uz ielādes palielināšanos (A-B-C-D)
A-B: Pagaidu kinetiskās enerģijas izplūde
Līdz punktam A, sistēma darbojas jaudas līdzsvarā. Punkta A, ielāde nesaista no P₀ līdz P₀ + ∆P. Pirms pārvaldes reakcijas notiek 3-5 sekundes vilcinājums. Šajā intervālā rotora saglabātā kinetiskā enerģija nodrošina pārējo ielādi, izraisot rotora ātruma samazināšanos un frekvenču pazemināšanos līdz minimālajai vērtībai f₁.
B-C: Primārās frekvenču kontrolēšanas darbība
Aptuveni pēc 5 sekundēm pārvalde sāk ātruma kontrolēšanu, palielinot gara ieplūsmu, lai atjaunotu rotora ātrumu. Šis posms ilgst 20-25 sekundes (atkarībā no frekvenču pazemināšanās lieluma). Kā jau tika minēts, tikai primārā kontrole atstāj pastāvīgu frekvenču kļūdu ∆f pārvaldes droop raksturojuma dēļ.
C-D: Sekundārā frekvenču kontrolēšana (AGC aktivizācija)
Pēc tam, kad frekvence stabilizējas, sekundārā kontrole (caur AGC) pielāgo ģenerāciju izvēlētām vienībām katrai kontrolējamajai teritorijai. Šis process ņem vērā:
Ģenerācijas pielāgojumi ir ierobežoti ar vienību dizaina ramp rate, un tām ir nepieciešamas vairākas minūtes, lai tos pabeigtu. Pēc tam, kad visi ģenerējošie centri sasniedz mērķa ģenerāciju, plānotās starpniecības atgriežas pie iepriekš aprēķinātajām vērtībām, un sistēma sasniedz jaunu jaudas līdzsvaru ar nominālo frekvenci.
