Frequentiebeheersing (LFC) & Turbine Regelgeving (TGC) in Elektriciteitsnetwerk
Korte Inleiding tot Thermische Generatie-eenheden
Elektriciteitsproductie is afhankelijk van zowel hernieuwbare als niet-hernieuwbare energiebronnen. Thermische generatie-eenheden vertegenwoordigen een traditionele benadering van elektriciteitsproductie. In deze eenheden worden brandstoffen zoals kolen, nucleaire energie, aardgas, biobrandstoffen en biogas verbrand in een ketel.
De ketel van een generatie-eenheid is een uiterst complex systeem. In zijn eenvoudigste vorm kan het worden gevisualiseerd als een ruimte waarvan de wanden bekleed zijn met buizen, door welke water continu circuleert. De thermische energie die vrijkomt bij de verbranding van brandstof in de ketel wordt overgedragen aan dit water. Tijdens dit proces wordt het water omgezet in droge verzadigde stoom, gekenmerkt door hoge druk (variërend van 150 ksc tot 380 ksc, afhankelijk van het ontwerp) en hoge temperatuur (tussen 530°C en 732°C, afhankelijk van specificaties).
Deze verzadigde stoom wordt vervolgens ingevoerd in een turbine, waar het uitdijt en de temperatuur daalt. Tijdens dit expansieproces overdraagt de stoom zijn thermische energie aan de rotatie-energie van de turbine-as. De toevloed van stoom naar de turbine wordt geregeld door een regelklep, die wordt bestuurd door het regelsysteem van de turbine. Daarom wordt de actieve vermogensuitvoer van de turbine geregeld door de regelaar. De turbine is gekoppeld aan een synchrone generator.
De synchrone generator zet de mechanische energie van de turbine om in elektrische energie. Synchrone generatoren produceren elektriciteit op relatief lage spanning, meestal in het bereik van 11 kV tot 26 kV, bij de nominale frequentie. Deze spanning wordt vervolgens verhoogd naar 220 kV/400 kV/765 kV door een transformator voor transport naar het elektriciteitsnet. In studies van elektriciteitsnetwerken wordt dit geïntegreerde systeem als geheel aangeduid als een generatie-eenheid.
Turbine Regelaar Controle (TGC)
Zoals eerder genoemd, regelt de regelaar de actieve vermogensstroom naar de turbine door de positie van de regelklep te controleren. Een hydraulische regelaar kan worden gemodelleerd als een integratiecontroller die feedback krijgt van de werkelijke rotatiesnelheid van de turbine. Figuur 1 illustreert de werking van de regelaar in snelheidsregelmodus.
De werkelijke snelheid van de turbine wordt vergeleken met de referentiesnelheid (overeenkomend met de nominale netfrequentie). Het resulterende snelheidsfoutsignaal (∆ωᵣ) wordt vervolgens aan de regelaar gevoed. Op basis van dit foutsignaal past de regelaar de positie van de regelklep aan: als een positief foutsignaal wordt gedetecteerd (wat aangeeft dat de werkelijke frequentie de nominale frequentie overschrijdt), sluit de regelaar de klep lichtjes; anderszins opent hij de klep wanneer een negatief foutsignaal wordt ontvangen.
"R" staat voor de droop-instelling van de regelaar, meestal variërend van 3% tot 8%. Wiskundig is het gedefinieerd als:
R = (verandering in frequentie per eenheid) / (verandering in vermogen per eenheid)
Droop-instellingen zijn cruciaal voor de stabiele parallelle werking van meerdere generatie-eenheden, omdat ze bepalen hoe de belasting binnen een controlegebied wordt verdeeld. Eenheid met een kleinere droop-waarde neemt automatisch een groter deel van de belasting over.
Controlegebied
In een elektriciteitsnetwerk zijn generatie-eenheden en belastingen verspreid over grote geografische gebieden. Om stabiliteit te handhaven, wordt het hele netwerk verdeeld in kleinere controlegebieden (voornamelijk gebaseerd op geografie). Deze indeling maakt mogelijk:
Binnen een controlegebied coëxisteren meerdere generatie-eenheden en belastingen. Het opsplitsen van het elektriciteitsnetwerk in controlegebieden dient verschillende belangrijke doelen:
1. Belastingsfrequentiecontrole
Dit kader maakt de toepassing van belastingsfrequentiecontrolemethoden mogelijk om de netfrequentie te handhaven, een concept dat later in meer detail wordt verkend.
2. Bepaling van Geplande Uitwisselingen
Als de generatie in een controlegebied tekortschiet ten opzichte van de belastingsvraag, stroomt er kracht van naburige controlegebieden via verbindingsspanningen (en vice versa).
3. Effectieve Belastingsverdeling
De belastingsvraag varieert gedurende de dag (bijvoorbeeld lager 's nachts, piekend in de ochtend en avond). Controlegebieden vereenvoudigen het proces van:
Vermogensbalans
Elektrische energie wordt in real-time verbruikt (het kan niet op grote schaal worden opgeslagen). Dus is vermogensbalans een fundamentele vereiste:
Opgewekt Vermogen (P₉) = Belastingsvraag (Pd) + Transmissieverliezen (Pₗ)
Transmissieverliezen bedragen meestal ongeveer 2% van het opgewekte vermogen en worden vaak genegeerd bij de focus op frequentiecontrole. Voor eenvoud nemen we aan:
Opgewekt Vermogen (P₉) ≈ Belastingsvraag (Pd)
Frequentievariatie
Gridfrequentie fluctueert door onevenwicht tussen belastingsvraag en generatie. Terwijl kleine afwijkingen worden gestabiliseerd door systeeminertia, kunnen significante lacunes (bijvoorbeeld unit trips, grote belastingsveranderingen) leiden tot een frequentievariatie van ±5%. Belangrijke scenario's omvatten:
In de meeste gevallen (bijvoorbeeld unit/lijn trips, grote belastingaansluiting) overschrijdt de vraag de generatie, waardoor de frequentie daalt. Omgekeerd, als een transmissielijn die een grote belasting bedient trips, kan de generatie de vraag overschrijden, waardoor de frequentie stijgt. Hoewel het systeem tegenovergesteld reageert op deze scenario's, volstaat het begrip van frequentiedips om beide gedragingen te begrijpen.
Waarom Frequentiedips Optreden
Twee inherente systeemgedragingen veroorzaken frequentiedips:
1. Belastingsdemping
Inductiemotoren (bijvoorbeeld huishoudelijke ventilatoren, industriële drives) domineren de netbelasting. Hun energieverbruik is frequentieafhankelijk: een 1% frequentedaling reduceert het actieve vermogen meestal met ongeveer 2% in grote systemen. Wanneer nieuwe belastingen aansluiten, daalt de frequentie, en verbruiken bestaande inductiebelastingen automatisch minder energie, wat de vraag-generatiekloof gedeeltelijk compenseert.
2. Kinetische Energie Afname van Turbine-Generator (TG) Sets
Conventionele TG sets hebben enorme rotoren (vaak >25 ton) die draaien op 3000 toeren per minuut (voor 50Hz-netwerken). Wanneer de vraag de generatie overschrijdt, leveren deze rotoren tijdelijk opgeslagen kinetische energie (voor 3-5 seconden, afhankelijk van inertia). Als de rotoren afremmen, daalt de netfrequentie.
Frequentiecontrole
Belastingsfrequentiecontrole (LFC) herstelt de netfrequentie naar haar nominale waarde na onevenwicht tussen vraag en generatie. Er bestaan twee niveaus van controle:
1. Primaire Frequentiecontrole
Op eenheidniveau past het regelsysteem van de turbine de snelheid (en dus de frequentie) aan. Zoals eerder getoond, moduleren elke eenheid de stoomtoevoer op basis van frequentieafwijkingen. De volledige primaire regellus voor een generatiestation is weergegeven in de onderstaande figuur.
2. Secundaire Frequentiecontrole
Dit omvat gecoördineerde controle over meerdere eenheden in verschillende controlegebieden, waardoor lange-termijnfrequentiestabiliteit en optimale belastingsverdeling worden gewaarborgd.
Beperkingen van Primaire Frequentiecontrole
Primaire frequentiecontrole alleen leidt tot een stationair frequentieverschil, beïnvloed door de regelaar droopkenmerk en belastingsfrequentiegevoeligheid. Dit komt doordat individuele eenheden de snelheid aanpassen zonder rekening te houden met waar nieuwe belastingen zijn aangesloten of hoeveel belasting is toegevoegd. Zonder dergelijke contextuele beoordeling kan de vermogensbalans niet volledig worden hersteld, en blijft het frequentieverschil bestaan. Na primaire controleacties kan het stationaire frequentiefout positief of negatief zijn.
Secundaire Frequentiecontrole
Het herstellen van het systeemfrequentie naar de nominale waarde vereist secundaire controle, die rekening houdt met nieuwe belastingslocaties en de referentiepunten voor geselecteerde eenheden aanpast. Wanneer de belasting in een controlegebied toeneemt, moet de generatie in dat gebied toenemen om:
Om dit te bereiken:
Zodra de herziene belastingssetpoints zijn uitgevaardigd, beginnen de eenheden met het aanpassen van de generatie. Vanwege de mechanische aard van de energieproductie, duurt het 25-30 minuten voor de eenheden om hun geplande uitvoer te bereiken. Wanneer alle generatiestations hun doelgeneratie hebben bereikt, wordt de vermogensbalans hersteld en keert de frequentie terug naar de nominale waarde.
Het algemene respons van het systeem met primaire en secundaire frequentiecontrole kan worden begrepen aan de hand van de onderstaande grafiek.
Systeemrespons op Toename van Belasting (A-B-C-D)
A-B: Transiente Kinetische Energie Levering
Vóór punt A, functioneert het systeem in vermogensbalans. Bij punt A neemt de belasting plotseling toe van P₀ naar P₀ + ∆P. Er treedt een 3-5 seconden vertraging op voordat de regelaar reageert. Tijdens dit interval levert de opgeslagen kinetische energie van de rotor de extra belasting, waardoor de rotersnelheid daalt en de frequentie naar een minimumwaarde f₁ daalt.
B-C: Actie van Primaire Frequentiecontrole
Na ongeveer 5 seconden initieert de regelaar de snelheidscontrole, waardoor de stoomtoevoer wordt verhoogd om de rotersnelheid te herstellen. Deze fase duurt 20-25 seconden (afhankelijk van de grootte van de frequentiedip). Zoals besproken, laat primaire controle alleen een stationair frequentiefout ∆f bestaan door de regelaar droop.
C-D: Secundaire Frequentiecontrole (AGC Activatie)
Zodra de frequentie is gestabiliseerd, past de secundaire controle (via AGC) de generatie aan voor geselecteerde eenheden in elk controlegebied. Dit proces houdt rekening met:
Generatie-aanpassingen zijn beperkt door de ontwerp-ramp rates van de eenheden, en duren enkele minuten om te voltooien. Na voltooiing keren de geplande uitwisselingen terug naar de vooraf berekende waarden, en het systeem bereikt een nieuwe vermogensbalans met nominale frequentie.
