Kontrola frekvence bremena (LFC) in kontrola guvernerja turbine (TGC) v sistemih za proizvodnjo energije

Kratka predstavitev toplinskih generirnih enot

Proizvodnja električne energije temelji na obnovljivih in neobnovljivih virih energije. Toplinske generirne enote predstavljajo tradicionalen pristop k proizvodnji energije. V teh enotah se v kotlu sestopijo goriva, kot so premog, jedrska energija, zemeljski plin, biogorivo in biopljin.

Kotel generirne enote je izredno kompleksen sistem. V najpreprostejši predstavi ga lahko vizualiziramo kot komoro, katere stene so obložene cevi, skozi katere neprestano cirkulira voda. Toplinska energija, ki jo osvobodi sestopanje goriva znotraj kotla, se prenaša na to vodo. Tako se voda pretvori v suho nasičeno par, ki se loči z visokim tlakom (od 150 ksc do 380 ksc, odvisno od dizajna) in visoko temperaturo (med 530°C in 732°C, glede na specifikacije dizajna).

Ta nasičeni par je nato napravljen v turbine, kjer se širi in njegova temperatura pada. V procesu širjenja par prenaša svojo toplinsko energijo v vrtilni gibanje vratnice turbine. Pretok para v turbine je reguliran z upravljalskim ventilom, ki ga nadzira upravljalski sistem turbine. Slednjega uporabljamo za nadzor aktivne moči turbine. Turbina je povezana z sinhronnim generatorjem.

Sinhronni generator pretvarja mehansko energijo turbine v električno energijo. Sinhronni generatorji proizvajajo električno energijo na relativno nizkem napetosti, tipično v obsegu 11 kV do 26 kV, pri nominalni frekvenci. Ta napetost je nato podignjena na 220 kV/400 kV/765 kV z generatorjem transformatorjem za prenos v električni omrežje. V študijah električnih sistemov se ta celoten integrirani sistem imenuje generirna enota.

Upravljanje guvernerja turbine (TGC)

Kot smo omenili prej, upravlja guverner pretok aktivne moči v turbine z nadzorom položaja upravljalskega ventila. Hidravlični guverner se lahko modelira kot integralni regulator, ki sprejme povratne informacije o dejanskem vrtilnem hitrosti turbine. Slika 1 prikazuje delovanje guvernerja v načinu nadzora hitrosti.

Dejanska hitrost turbine se primerja z referenčno hitrostjo (ki ustreza nominalni frekvenci omrežja). Nato se nastali signal napake hitrosti (∆ωᵣ) posreduje guvernerju. Na podlagi tega signala napake guverner prilagodi položaj upravljalskega ventila: če zazna pozitiven signal napake (kar pomeni, da je dejanska frekvenc večja od nominalne frekvence), guverner malo zapre ventil; obratno, če zazna negativen signal napake, guverner ventil odpre.

“R” predstavlja nastavitev padca guvernerja, tipično v obsegu 3% do 8%. Matematično je definirana kot:
R = (per unit sprememba frekvence) / (per unit sprememba moči)

Nastavitve padca so ključne za stabilno vzporedno delovanje več generirnih enot, saj določajo, kako se breme razdeli znotraj kontrolne območja. Enote z manjšo vrednostjo padca samodejno prevzamejo večjo delež bremena.

Kontrolno območje

V električnem sistemu so generirne enote in bremena razporejene po velikih geografskih območjih. Za vzdrževanje stabilnosti je celotno omrežje razdeljeno na manjša kontrolna območja (glavno glede na geografijo). To delitev omogoča:

• Učinkovite izračune pretoka bremena

• Natančen nadzor frekvence in ravnotežja moči

Znotraj kontrolnega območja sozdajajo več generirnih enot in bremen. Podrejanje električnega sistema v kontrolna območja služi več ključnim ciljem:

1. Nadzor frekvence in bremena

Ta okvir omogoča uporabo metod nadzora frekvence in bremena za vzdrževanje frekvence omrežja - koncept, ki bo kasneje podrobneje obravnavan.

2. Določitev zakonskih menjavev

Če generacija v kontrolnem območju ni zadostna za zahtevano breme, se moč pretoka v območje iz sosednjih kontrolnih območij preko veznih linij (in obratno).

3. Učinkovito delitev bremena

Zahteva za breme se spreminja skozi dan (npr. nižja nočem, vrhunec jutrom in večer). Kontrolna območja poenostavijo postopek:

• Dodeljevanje bremena enotam glede na predvideno zahtevo in kapaciteto enot

• Izračun zakonskih menjavev moči z drugimi kontrolnimi območji

Ravnotežje moči

Električna energija se porablja v realnem času (ne more biti shranjena na veliko merilo). Zato je ravnotežje moči temeljno zahteva:
Generirana moč (P₉) = Zahteva za bremenom (Pd) + Izgube pri prenosu (Pₗ)

Izgube pri prenosu tipično znašajo ~2% generirane moči in so pogosto zanemarjene pri fokusiranju na nadzor frekvence. Za enostavnost aproksimiramo:
Generirana moč (P₉) ≈ Zahteva za bremenom (Pd)

Variacija frekvence

Frekvenca omrežja se spreminja zaradi neujemanja med zahtevami za bremenom in generacijo. Manjše odstopanja so stabilizirana z inercijo sistema, vendar veliki presledki (npr. odpad enot, velike spremembe bremena) lahko povzročijo variacijo frekvence za ±5%. Ključni scenariji vključujejo:

• Neplanirane odpade generirnih enot ali prenosnih linij

• Nenadna povezava/odpovezava velikih bremen

V večini primerov (npr. odpad enot/linij, velika povezava bremena) zahteva presega generacijo, kar povzroči padec frekvence. Obratno, če odpade prenosna linija, ki služi velikemu bremenu, generacija lahko preseže zahtevano breme, kar povzroči rast frekvence. Čeprav sistem reagira nasprotne strani na te scenarije, razumevanje padca frekvence zadostuje za razumevanje obeh obnašanj.

Zakaj se frekvenca spusti

Dva notranja obnašanja sistema povzročata padec frekvence:

1. Utiha bremena

Indukcijski motorji (npr. domače ventilatorje, industrijski pogoni) dominirajo v bremenu omrežja. Njihovo porabljanje energije je odvisno od frekvence: 1% zmanjšanje frekvence tipično zmanjša porabo aktivne moči za ~2% v velikih sistemih. Ko se novi bremeni povežejo, frekvenca pada, in obstoječi indukcijski bremeni avtomatsko porabijo manj moči - delno popravljajo presledek med zahtevano bremeno in generacijo.

2. Sprostitev kinetične energije iz turbin-generatorskih (TG) setov

Konvencionalni TG seti imajo masivne rotorje (često >25 ton) vrteči se na 3000 RPM (za 50Hz omrežja). Ko preseže zahtevano breme, ti rotorji začasno zagotavljajo shranjeno kinetično energijo (za 3-5 sekund, odvisno od inercije). Ko se rotorji ustavi, frekvenca omrežja pada.

Nadzor frekvence

Nadzor frekvence in bremena (LFC) obnovi frekvenco omrežja na njeno nominalno vrednost po neujemanju med zahtevanim bremenom in generacijo. Obstajata dva nivoja nadzora:

1. Primarni nadzor frekvence

Na ravni enote, upravljalski sistem turbine prilagaja hitrost (in tako frekvenco). Kot smo pokazali prej, vsaka enota modulira vhod para glede na odstopanje frekvence. Poln primarni kontrolni zank za generirno postajo je prikazan na spodnji sliki.

2. Sekundarni nadzor frekvence

To vključuje koordinirani nadzor na več enot v različnih kontrolnih območjih, ki zagotavlja dolgoročno stabilnost frekvence in optimalno delitev bremena.

Omejitve primarnega nadzora frekvence

Primarni nadzor frekvence samo povzroči stalno stanje odstopanja frekvence, ki je vplivana z karakteristiko padca guvernerja in občutljivostjo frekvence na breme. To se zgodi, ker enote prilagajajo hitrost brez upoštevanja, kje so povezana nova bremena ali koliko bremena je dodano. Brez takšne kontekstualne ocene ravnotežje moči ne more biti popolnoma obnovljeno, in odstopanje frekvence ostane. Po dejanjih primarnega nadzora, stalno stanje napaka frekvence lahko bodisi pozitivna ali negativna.

Sekundarni nadzor frekvence

Obnova frekvence sistema na njeno nominalno vrednost zahteva sekundarni nadzor, ki upošteva lokacije novih bremen in prilagaja referenčne setpointe za izbrane enote. Ko se zahteva za bremenom poveča v kontrolnem območju, mora generacija znotraj tega območja naraščati, da:

• Ohranja ravnotežje med zahtevanim bremenom in generacijo na ravni kontrolnega območja

• Ohranja zakonske menjave moči z sosednjimi območji znotraj preddefiniranih mej

Da bi to dosegli:

• Avtomatski nadzor generacije (AGC) dodeli specifične enote v vsakem kontrolnem območju za sekundarni nadzor.

• Dodaten je frekvenčni bias zank v njihove sisteme nadzora, ki priskrbi popravkovne signale v realnem času na podlagi izračunov pretoka bremena.

Ko so izdani novi setpointi za bremena, enote začnejo prilagajati generacijo. Zaradi mehanske narave proizvodnje energije, traja 25-30 minut, da enote dosežejo svoje planirane izlaze. Ko vse generirne postaje dosežejo ciljno generacijo, je ravnotežje moči ponovno vzpostavljeno, in frekvenca se vrne na nominalno vrednost.

Celoten odziv sistema z primarnim in sekundarnim nadzorom frekvence se lahko razume iz spodnjega grafa.

Odziv sistema na povečanje bremena (A-B-C-D)
A-B: Prehodno sprostitev kinetične energije

Do točke A, sistem deluje v ravnotežju moči. V točki A, se zahteva za bremenom nenadno poveča od P₀ na P₀ + ∆P. 3-5 sekundni zamik se pojavi, preden se guverner odzove. V tem intervalu, shranjena kinetična energija rotorja zagotavlja presežno bremeno, kar povzroči, da hitrost rotorja pada in frekvenca pada na minimalno vrednost f₁.

B-C: Dejanje primarnega nadzora frekvence

Po približno 5 sekund, guverner začne nadzirati hitrost, povečuje vhod para, da obnovi hitrost rotorja. Ta faza traja 20-25 sekund (odvisno od magnitude padca frekvence). Kako smo omenili, primarni nadzor samodejno pusti stalno stanje napake frekvence ∆f zaradi padca guvernerja.

C-D: Sekundarni nadzor frekvence (aktivacija AGC)

Ko se frekvenca stabilizira, sekundarni nadzor (skozi AGC) prilagaja generacijo za izbrane enote v vsakem kontrolnem območju. Ta postopek upošteva:

• Nove referenčne setpointe za bremena

• Frekvenčne bias signale iz izračunov pretoka bremena v realnem času

Prilagoditve generacije so omejene z projektiranimi stopnjami ramp enot, kar traja nekaj minut, da se dokonča. Ko so vse generirne postaje dosegle ciljno generacijo, zakonske menjave se vrnejo na predizračunane vrednosti, in sistem doseže novo ravnotežje moči z nominalno frekvenco.