Контрола на фреквенцијата на напонот (LFC) и контрола на турбински регулатор (TGC) во електроприводни системи
Краток преглед на термичките генерирачки единици
Производството на електрична енергија се заснова на возобновливи и невозобновливи извори на енергија. Термичките генерирачки единици претставуваат традиционален пристап до производството на енергија. Во овие единици, горива како што се јагло, нуклеарна енергија, природен гас, биогориво и биогас се сгорнуваат во котел.
Котелот на генерирачката единица е изврло комплексен систем. Во својата наједноставна концепција, може да се визуелизира како камера чии стени се исполнети со цеви, преку кои непрекинато циркулира вода. Термалната енергија ослободена од сгорнувањето на горивото во котелот се пренесува на оваа вода. Токму во овој процес, водата се трансформира во сух, настанион пар карактеризиран со висок притисок (во опсег од 150 ksc до 380 ksc, зависно од дизајнот) и висока температура (меѓу 530°C и 732°C, зависно од спецификациите на дизајнот).
Овој настанион пар потоа се поднесува во турбина, каде што се расширува и неговата температура пада. Во овој процес на расширение, парот пренесува својата термална енергија на ротационата енергија на вала на турбината. Протокот на парот во турбината се регулира со контролна вредница, која е управувана од системот за управување на турбината. Како последица, активната моќ на излезот на турбината се контролира со регулаторот. Турбината е поврзана со синхронски генератор.
Синхронскиот генератор преобразува механичната енергија на турбината во електрична енергија. Синхронските генератори произведуваат електричество на релативно ниски напони, типично во опсег од 11 kV до 26 kV, на номиналната фреквенција. Овој напон потоа се зголемува до 220 kV/400 kV/765 kV со помош на трансформатор за генерирање за пренос во електроен мрежа. Во студиите на електроен систем, целата интегрирана система се нарекува генерирачка единица.
Управување со губернаторот на турбината (TGC)
Како што веќе беше спомнето, регулаторот регулира протокот на активната моќ во турбината со контрола на положбата на контролната вредница. Хидравличкиот регулатор може да се моделира како интегрален контролер кој примира обратна врска од фактичката ротационата брзина на турбината. Сликата 1 илустрира работата на регулаторот во режим на контрола на брзината.
Фактичката брзина на турбината се споредува со референтната брзина (соодветна на номиналната фреквенција на мрежата). Резултантниот сигнал на грешката на брзината (∆ωᵣ) потоа се поднесува на регулаторот. На база на овој сигнал на грешката, регулаторот ја прилагодува положбата на контролната вредница: ако се детектира позитивен сигнал на грешката (што значи дека фактичката фреквенција надминува номиналната фреквенција), регулаторот лесно затвара вредницата; обрнуто, ја отвара вредницата кога прими негативен сигнал на грешката.
„R“ претставува подесување на парапетот на регулаторот, типично во опсег од 3% до 8%. Математички, тоа е дефинирано како:
R = (промена на фреквенцијата по единица) / (промена на моќта по единица)
Подесувањата на парапетот се критични за стабилната паралелна работа на повеќе генерирачки единици, бидејќи определуваат како се дели натоварувањето во контролна област. Единиците со помал вредност на парапетот автоматски ќе превземат поголем дел од натоварувањето.
Контролна област
Во електроен систем, генерирачките единици и натоварувањата се распределени над огромни географски области. За да се одржи стабилноста, целата мрежа е поделена на помали контролни области (примарно базирано на географијата). Оваа подела овозможува:
Во рамките на контролна област, се сосреќаваат повеќе генерирачки единици и натоварувања. Поделбата на електроен системот во контролни области служи на неколку клучни цели:
1. Контрола на фреквенцијата и натоварувањето
Овој фреймворк овозможува примената на методи за контрола на фреквенцијата и натоварувањето за одржување на фреквенцијата на мрежата - концепт кој ќе биде истражен подетално подоцна.
2. Одредување на планираните меѓусебни разменливи
Ако производството во контролна област недостигнува натоварувањето, моќта потече во областа од соседни контролни области преку врски линии (и обратно).
3. Ефективно делилење на натоварувањето
Натоварувањето варира низ денот (на пример, помало през ноќ, достигнува врв во утро и вечер). Контролните области ја поедноставуваат процедурата за:
Баланс на моќта
Електричната енергија се користи во реално време (не може да се складира на голем мащаб). Затоа, балансот на моќта е основна потреба:
Произведена моќ (P₉) = Натоварување (Pd) + Губитоци од пренос (Pₗ)
Губитоците од пренос обично се состојат од ~2% од произведена моќ и често се игнорираат кога се фокусира на контролата на фреквенцијата. Заедно, ја правиме апроксимацијата:
Произведена моќ (P₉) ≈ Натоварување (Pd)
Варијации на фреквенцијата
Gретката фреквенција варира поради несовпаствување помеѓу натоварувањето и производството. Додека минорните девијации се стабилизираат со инерцијата на системот, значајните разлики (на пример, излегување на единици, големи промени на натоварувањето) можат да предизвикаат фреквенцијата да варира со ±5%. Клучни сценарија вклучуваат:
Во повеќето случаи (на пример, излегување на единици/линија, големо врзување на натоварување), натоварувањето надминува производството, што предизвика пад на фреквенцијата. Обрнуто, ако преносната линија која служи на големо натоварување излегне, производството може да надмине натоварувањето, што предизвика да се подигне фреквенцијата. Иако системот реагира противоположно на овие сценарија, разбирањето на падовите на фреквенцијата е доволно за да се овладее и двете однесувања.
Зошто се случуваат падови на фреквенцијата
Две внатрешни однесувања на системот го дразат падот на фреквенцијата:
1. Демпинг на натоварувањето
Индуктивните мотори (на пример, домашни вентилатори, индустријски приводи) доминираат во натоварувањата на мрежата. Нивното потрошувачко поведение е зависно од фреквенцијата: редукција на фреквенцијата од 1% типично ја намалува потрошувачката моќ за ~2% во големите системи. Кога се врзеат нови натоварувања, фреквенцијата пада, и постојаните индуктивни натоварувања автоматски потрошуваат помалку моќ - делично компенсирајќи го разликата помеѓу натоварувањето и производството.
2. Либерација на кинетичка енергија од турбина-генератор (TG) сетови
Стандардните TG сетови имаат масивни ротори (често >25 тони) кои се вртеат со 3000 RPM (за 50Hz мрежи). Кога натоварувањето надминува производството, овие ротори временно доставуваат складирана кинетичка енергија (за 3-5 секунди, зависно од инерцијата). Како што роторите забавуваат, фреквенцијата на мрежата пада.
Контрола на фреквенцијата
Контролата на фреквенцијата и натоварувањето (LFC) враќа фреквенцијата на мрежата на номиналната вредност после несовпаствување помеѓу натоварувањето и производството. Постојат две нивоа на контрола:
1. Првична контрола на фреквенцијата
На ниво на единица, системот за управување на турбината ја прилагодува брзината (и така фреквенцијата). Како што беше покажано претходно, секоја единица модулира входот на пар според девијациите на фреквенцијата. Целата првична контролна петља за генерирачка станција е прикажана на следната слика.
2. Секундарна контрола на фреквенцијата
Ова вклучува координирана контрола на повеќе единици во различни контролни области, за да се осигура долготрајна стабилност на фреквенцијата и оптимално делилење на натоварувањето.
Ограничувања на првичната контрола на фреквенцијата
Само првичната контрола на фреквенцијата резултира со стабилна девијација на фреквенцијата, влијајќи на карактеристиката на парапетот на регулаторот и чувствителноста на натоварувањето на фреквенцијата. Ова се случува бидејќи индивидуалните единици ја прилагодуваат брзината без да го разгледуваат каде се врзеат новите натоварувања или колку натоварување се додава. Без такова контекстуално пресудување, балансот на моќта не може да биде целосно восстановен, и девијацијата на фреквенцијата продолжува. Последно првичните контролни акции, стабилната грешка на фреквенцијата може да биде или позитивна или негативна.
Секундарна контрола на фреквенцијата
За да се враќа системот на номиналната фреквенција, потребна е секундарна контрола, која ги зема во предвид новите локации на натоварувањето и прилагодува референтни точки на избрани единици. Кога натоварувањето се зголемува во контролна област, производството во таа област мора да се зголеми за:
За да се постигне ова:
Кога се издадени ревизирани точки на натоварувањето, единиците започнуваат да прилагодуваат производството. Бидејќи производството е механичко, потребни се 25-30 минути за единиците да достигнат до планираните излезни вредности. Кога сите генерирачки станции достигнат целното производство, балансот на моќта е восстановен, и фреквенцијата се враќа на номиналната вредност.
Целосниот одговор на системот со првична и секундарна контрола на фреквенцијата може да се разбере од графиконот подолу.
Одговор на системот на зголемување на натоварувањето (A-B-C-D)
A-B: Транзиторна либерација на кинетичка енергија
Пред точката A, системот функционира во баланс на моќта. Во точката A, натоварувањето изненадливо се зголемува од P₀ до P₀ + ∆P. Настанува 3-5 секунди задоцнување пред да реагира регулаторот. Токму во овој интервал, складираната кинетичка енергија на роторот доставува извршеното натоварување, што предизвика роторот да забави и фреквенцијата да падне до минимална вредност f₁.
B-C: Акција на првичната контрола на фреквенцијата
Околу 5 секунди, регулаторот започнува контрола на брзината, зголемувајќи входот на пар за да се восстанови брзината на роторот. Оваа фаза трае 20-25 секунди (засновано на величината на падот на фреквенцијата). Како што беше објаснето, самата првична контрола остава стабилна грешка на фреквенцијата ∆f поради парапетот на регулаторот.
C-D: Секундарна контрола на фреквенцијата (активација на AGC)
Кога фреквенцијата се стабилизира, секундарната контрола ( преку AGC) ја прилагодува производството на избрани единици во секоја контролна област. Овој процес го зема во предвид:
Прилагодувањата на производството се ограничени со дизајнските брзини на нагласување на единиците, што бара несколько минути за да се заврши. Кога се завршува, планираните разменливи се враќаат на претходно пресметани вредности, и системот постигнува нов баланс на моќта со номинална фреквенција.
