Kawalan Frekuensi Beban (LFC) & Kawalan Pengatur Tergas (TGC) dalam Sistem Kuasa
Pengenalan Ringkas Unit Penjanaan Tenaga Panas
Pembangkitan tenaga bergantung pada sumber tenaga boleh diperbaharui dan tidak boleh diperbaharui. Unit penjanaan tenaga panas mewakili pendekatan konvensional untuk pengeluaran tenaga. Dalam unit-unit ini, bahan api seperti arang batu, tenaga nuklear, gas asli, biofuel, dan biogas dibakar di dalam ketel.
Ketel unit penjanaan adalah sistem yang sangat kompleks. Dalam konsep paling mudahnya, ia dapat divisualisasikan sebagai ruang yang dindingnya dilapisi dengan paip, melalui mana air terus-menerus beredar. Tenaga termal yang dibebaskan oleh pembakaran bahan api di dalam ketel ditransfer ke air ini. Semasa proses ini, air tersebut diubah menjadi wap jenuh kering yang ditandai dengan tekanan tinggi (berkisar dari 150 ksc hingga 380 ksc, bergantung pada reka bentuk) dan suhu tinggi (antara 530°C dan 732°C, tergantung pada spesifikasi reka bentuk).
Wap jenuh ini kemudian disalurkan ke turbin, di mana ia berkembang dan suhunya menurun. Dalam proses pembesaran ini, wap mentransfer tenaga termalnya kepada tenaga putaran poros turbin. Aliran wap ke dalam turbin dikawal oleh klep kawalan, yang dikendalikan oleh sistem pengaturan turbin. Akibatnya, output kuasa aktif turbin dikawal oleh pengatur. Turbin dikopel dengan generator sinkron.
Generator sinkron mengubah tenaga mekanik turbin menjadi tenaga elektrik. Generator sinkron menghasilkan tenaga elektrik pada voltan yang relatif rendah, biasanya dalam lingkungan 11 kV hingga 26 kV, pada frekuensi nominal. Voltan ini kemudian dinaikkan ke 220 kV/400 kV/765 kV oleh transformator penjanaan untuk transmisi ke dalam grid tenaga. Dalam kajian sistem tenaga, seluruh sistem terpadu ini dirujuk sebagai unit penjanaan.
Kawalan Pengatur Turbin (TGC)
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, pengatur mengawal aliran kuasa aktif ke dalam turbin dengan mengawal kedudukan klep kawalan. Pengatur hidraulik dapat dimodelkan sebagai pengawal integral yang mengambil maklum balas dari kelajuan putaran sebenar turbin. Gambaraj 1 menggambarkan operasi pengatur dalam mod kawalan kelajuan.
Kelajuan sebenar turbin dibandingkan dengan kelajuan rujukan (yang sesuai dengan frekuensi grid nominal). Sinyal ralat kelajuan (∆ωᵣ) yang dihasilkan kemudian disalurkan ke pengatur. Berdasarkan sinyal ralat ini, pengatur menyesuaikan kedudukan klep kawalan: jika sinyal ralat positif dikesan (menunjukkan frekuensi sebenar melebihi frekuensi nominal), pengatur sedikit menutup klep; sebaliknya, ia membuka klep apabila sinyal ralat negatif diterima.
“R” mewakili seting droop pengatur, biasanya berkisar dari 3% hingga 8%. Secara matematik, ia didefinisikan sebagai:
R = (perubahan per unit frekuensi) / (perubahan per unit kuasa)
Seting droop penting untuk operasi paralel stabil beberapa unit penjanaan, kerana mereka menentukan bagaimana beban dibagi dalam kawasan kawalan. Unit dengan nilai droop yang lebih kecil akan secara automatik mengambil bahagian beban yang lebih besar.
Kawasan Kawalan
Dalam sistem tenaga, unit penjanaan dan beban tersebar di seluruh wilayah geografi yang luas. Untuk memelihara kestabilan, seluruh grid dibahagikan menjadi kawasan kawalan yang lebih kecil (terutamanya berdasarkan geografi). Pembahagian ini membolehkan:
Dalam kawasan kawalan, beberapa unit penjanaan dan beban coeksisten. Pembahagian sistem tenaga menjadi kawasan kawalan bertujuan beberapa objektif utama:
1. Kawalan Frekuensi Beban
Kerangka kerja ini membolehkan penggunaan kaedah kawalan frekuensi-beban untuk memelihara frekuensi grid—konsep yang akan diperinci lebih lanjut nanti.
2. Penentuan Pertukaran Terjadual
Jika penjanaan kawasan kawalan kurang daripada permintaan beban, tenaga mengalir ke kawasan tersebut dari kawasan kawalan bersebelahan melalui garis penghubung (dan sebaliknya).
3. Perkongsian Beban yang Efektif
Permintaan beban berubah sepanjang hari (misalnya, lebih rendah pada malam, mencapai puncak pada pagi dan petang). Kawasan kawalan memudahkan proses:
Keseimbangan Kuasa
Tenaga elektrik dikonsumsi secara real-time (tidak dapat disimpan dalam skala besar). Oleh itu, keseimbangan kuasa adalah keperluan fundamental:
Kuasa yang Dihasilkan (P₉) = Permintaan Beban (Pd) + Kerugian Transmisi (Pₗ)
Kerugian transmisi biasanya mengakuntansi sekitar ~2% dari kuasa yang dihasilkan dan sering diabaikan ketika fokus pada kawalan frekuensi. Untuk kesederhanaan, kita menghampiri:
Kuasa yang Dihasilkan (P₉) ≈ Permintaan Beban (Pd)
Variasi Frekuensi
Frekuensi grid berfluktuasi akibat ketidaksesuaian antara permintaan beban dan penjanaan. Sementara penyimpangan minor distabilkan oleh inersia sistem, jurang signifikan (misalnya, perjalanan unit, perubahan beban besar) dapat menyebabkan frekuensi bervariasi ±5%. Skenario kunci termasuk:
Dalam kebanyakan kasus (misalnya, perjalanan unit/garis, hubungan beban besar), permintaan melebihi penjanaan, menyebabkan frekuensi turun. Sebaliknya, jika garis transmisi yang melayani beban besar pergi, penjanaan mungkin melebihi permintaan, menyebabkan frekuensi naik. Walaupun sistem merespons berlawanan terhadap skenario ini, pemahaman tentang penurunan frekuensi cukup untuk memahami kedua perilaku.
Mengapa Penurunan Frekuensi Terjadi
Dua perilaku sistem intrinsik mendorong penurunan frekuensi:
1. Redaman Beban
Motor induksi (misalnya, kipas rumah, drive industri) mendominasi beban grid. Konsumsi daya aktif mereka bergantung pada frekuensi: penurunan frekuensi 1% biasanya mengurangi konsumsi daya aktif sekitar ~2% dalam sistem besar. Ketika beban baru terhubung, frekuensi turun, dan beban induksi yang ada secara otomatis mengonsumsi daya yang lebih sedikit—secara sebahagian mengurangi jurang permintaan-penjanaan.
2. Pelepasan Energi Kinetik dari Set Turbin-Generator (TG)
Set TG konvensional memiliki rotor yang besar (sering >25 ton) berputar pada 3000 RPM (untuk grid 50Hz). Ketika permintaan melebihi penjanaan, rotor ini secara sementara menyediakan energi kinetik yang tersimpan (selama 3–5 detik, tergantung pada inersia). Seiring rotor melambat, frekuensi grid turun.
Kawalan Frekuensi
Kawalan frekuensi-beban (LFC) memulihkan frekuensi grid ke nilai nominal setelah ketidaksesuaian permintaan-penjanaan. Ada dua tingkat kawalan:
1. Kawalan Frekuensi Primer
Di tingkat unit, sistem pengaturan turbin menyesuaikan kelajuan (dan dengan demikian frekuensi). Seperti yang ditunjukkan sebelumnya, setiap unit memodulasi input wap berdasarkan penyimpangan frekuensi. Lengkap loop kawalan primer untuk stesen penjanaan digambarkan dalam gambar di bawah ini.
2. Kawalan Frekuensi Sekunder
Ini melibatkan kawalan koordinasi di antara beberapa unit di kawasan kawalan yang berbeda, memastikan kestabilan frekuensi jangka panjang dan perkongsian beban yang optimal.
Keterbatasan Kawalan Frekuensi Primer
Kawalan frekuensi primer sendiri menghasilkan penyimpangan frekuensi steady-state, dipengaruhi oleh karakteristik droop pengatur dan sensitivitas frekuensi beban. Ini terjadi karena unit-unit individual menyesuaikan kelajuan tanpa mempertimbangkan di mana beban baru terhubung atau berapa banyak beban yang ditambah. Tanpa penilaian kontekstual, keseimbangan kuasa tidak dapat sepenuhnya dipulihkan, dan penyimpangan frekuensi tetap ada. Setelah tindakan kawalan primer, penyimpangan frekuensi steady-state mungkin positif atau negatif.
Kawalan Frekuensi Sekunder
Memulihkan frekuensi sistem ke nilai nominal memerlukan kawalan sekunder, yang mempertimbangkan lokasi beban baru dan menyesuaikan setpoint rujukan untuk unit tertentu. Ketika beban meningkat di kawasan kawalan, penjanaan di dalam kawasan tersebut harus naik untuk:
Untuk mencapai ini:
Setelah setpoint beban yang direvisi dikeluarkan, unit mulai menyesuaikan penjanaan. Karena sifat mekanikal produksi tenaga, membutuhkan 25–30 menit bagi unit untuk mencapai output yang dijadwalkan. Ketika semua stesen penjanaan mencapai target penjanaan, keseimbangan kuasa dipulihkan, dan frekuensi kembali ke nominal.
Respon keseluruhan sistem dengan kawalan frekuensi primer dan sekunder dapat dipahami melalui grafik di bawah ini.
Respon Sistem terhadap Peningkatan Beban (A-B-C-D)
A-B: Pelepasan Energi Kinetik Sementara
Sebelum titik A, sistem beroperasi dalam keseimbangan kuasa. Di titik A, beban tiba-tiba meningkat dari P₀ ke P₀ + ∆P. Ada penundaan 3–5 detik sebelum pengatur merespons. Selama interval ini, energi kinetik yang tersimpan pada rotor menyediakan beban tambahan, menyebabkan kelajuan rotor turun dan frekuensi turun ke nilai minimum f₁.
B-C: Tindakan Kawalan Frekuensi Primer
Pada sekitar 5 detik, pengatur memulai kawalan kelajuan, meningkatkan input wap untuk memulihkan kelajuan rotor. Fase ini berlangsung 20–25 detik (bergantung pada magnitud penurunan frekuensi). Seperti yang dibahas, kawalan primer sendiri meninggalkan ralat frekuensi steady-state ∆f karena karakteristik droop pengatur.
C-D: Kawalan Frekuensi Sekunder (Aktivasi AGC)
Setelah frekuensi stabil, kawalan sekunder (melalui AGC) menyesuaikan penjanaan untuk unit tertentu di setiap kawasan kawalan. Proses ini mempertimbangkan:
Penyesuaian penjanaan dibatasi oleh laju ramp desain unit, membutuhkan beberapa menit untuk diselesaikan. Setelah selesai, pertukaran terjadual kembali ke nilai yang dihitung, dan sistem mencapai keseimbangan kuasa baru dengan frekuensi nominal.
