Kontrola učestanosti opterećenja (LFC) i kontrola guvernera turbine (TGC) u energetskom sistemu
Kratki pregled toplinskih proizvodnih jedinica
Proizvodnja električne energije zavisi od obnovljivih i neobnovljivih izvora energije. Toplinske proizvodne jedinice predstavljaju konvencionalan pristup proizvodnji struje. U ovim jedinicama, goriva poput ugljena, nuklearne energije, prirodnog plina, biogoriva i bioplina sagorevaju unutar kotla.
Kotao proizvodne jedinice je izuzetno složen sistem. U njegovoj najjednostavnijoj konceptualizaciji, može se vizualizirati kao komora čije su zidove pokriveni cevićima kroz koje se neprekidno cirkulira voda. Toplotna energija oslobađena sagorevanjem goriva unutar kotaola prenosi se na tu vodu. Tijekom ovog procesa, voda se pretvara u suho zasićeno par visokog tlaka (od 150 ksc do 380 ksc, ovisno o projektu) i visoke temperature (između 530°C i 732°C, ovisno o specifikacijama dizajna).
Ovo zasićeno par zatim se dovodi u turbinu, gdje se širi i njegova temperatura pada. U ovom procesu širenja, par prenosi svoju toplotnu energiju na rotacijsku energiju vrtače turbine. Protok para u turbinu reguliše kontrolni ventil, koji upravlja sistem za upravljanje turbine. Stoga se aktivna snaga izlaza turbine kontrolira pomoću regulatora. Turbina je spojena sa sinkronim generatorom.
Sinkroni generator pretvara mehaničku energiju turbine u električnu energiju. Sinkroni generatori proizvode elektricitet na relativno niskim naponima, tipično u opsegu od 11 kV do 26 kV, na nominalnoj frekvenciji. Ovaj napon zatim se podiže na 220 kV/400 kV/765 kV putem transformatora za generiranje za prijenos u mrežu. U studijama elektroenergetske mreže, ovaj cijeli integrirani sustav naziva se proizvodna jedinica.
Upravljanje regulatorom turbine (TGC)
Kao što je prethodno spomenuto, regulator upravlja protokom aktivne snage u turbinu kontrolirajući položaj kontrolnog ventila. Hidraulički regulator može se modelirati kao integralni kontroler koji prima povratne informacije o stvarnoj brzini rotacije turbine. Slika 1 ilustruje rad regulatora u modu kontrole brzine.
Stvarna brzina turbine uspoređuje se s referentnom brzinom (koja odgovara nominalnoj frekvenciji mreže). Rezultirajući signal greške brzine (∆ωᵣ) zatim se prenosi na regulator. Na temelju ovog signala greške, regulator prilagođava položaj kontrolnog ventila: ako se detektira pozitivan signal greške (što ukazuje da je stvarna frekvencija veća od nominalne frekvencije), regulator malo zatvara ventil; obrnuto, otvara ventil kada se primi negativan signal greške.
“R” predstavlja postavku padanja regulatora, obično u rasponu od 3% do 8%. Matematički se definira kao:
R = (promjena frekvencije po jedinici) / (promjena snage po jedinici)
Postavke padanja su ključne za stabilno paralelno rukovanje više proizvodnih jedinica, jer određuju kako se opterećenje dijeli unutar kontrolne zone. Jednice s manjom vrijednosti padanja automatski preuzimaju veći udio opterećenja.
Kontrolna zona
U elektroenergetskom sistemu, proizvodne jedinice i opterećenja raspoređeni su na velike geografske regije. Za održavanje stabilnosti, cijela mreža je podijeljena na manje kontrolne zone (pretežno na temelju geografije). Ova podjela omogućuje:
Unutar kontrolne zone, postoje mnoge proizvodne jedinice i opterećenja. Podjela elektroenergetske mreže na kontrolne zone služi nekoliko ključnih ciljeva:
1. Kontrola frekvencije i opterećenja
Ovaj okvir omogućuje primjenu metoda kontrole frekvencije i opterećenja za održavanje frekvencije mreže - koncept koji će biti detaljnije istražen kasnije.
2. Određivanje planiranih razmjena
Ako proizvodnja u kontrolnoj zoni bude manja od potražnje za opterećenjem, struja teče u zonu iz susjednih kontrolnih zona putem veznih linija (i obrnuto).
3. Efektivno dijeljenje opterećenja
Potražnja za opterećenjem varira tokom dana (na primjer, niža noću, vrhunac ujutro i navečer). Kontrolne zone pojednostavljaju proces:
Ravnoteža snage
Električna energija potrošena je u stvarnom vremenu (ne može se masovno skladištiti). Stoga je ravnoteža snage fundamentalni zahtjev:
Generirana snaga (P₉) = Potražnja za opterećenjem (Pd) + Gubitci prijenosa (Pₗ)
Gubitci prijenosa obično čine ~2% generirane snage i često se zanemaruju kada se fokusira na kontrolu frekvencije. Za jednostavnost, aproksimiramo:
Generirana snaga (P₉) ≈ Potražnja za opterećenjem (Pd)
Varijacija frekvencije
Frekvencija mreže fluktuirala zbog neslaganja između potražnje za opterećenjem i proizvodnje. Dok se manje odstupanja stabiliziraju inercijom sistema, značajne razlike (na primjer, ispadanje jedinica, velike promjene opterećenja) mogu uzrokovati varijaciju frekvencije od ±5%. Ključne situacije uključuju:
U većini slučajeva (na primjer, ispadanje jedinice/linije, povezivanje velikog opterećenja), potražnja prevazilazi proizvodnju, što uzrokuje pad frekvencije. Obrnuto, ako ispadne prijenosna linija koja služi velikom opterećenju, proizvodnja može prevazilaziti potražnju, uzrokujući porast frekvencije. Iako sistem reagira suprotno u tim situacijama, razumijevanje padova frekvencije dovoljno je da se shvati oba ponašanja.
Zašto se dešavaju padovi frekvencije
Dva intrinsična ponašanja sistema uzrokuju padove frekvencije:
1. Prigušenje opterećenja
Indukcijski motori (na primjer, kućanski ventilatori, industrijski pogoni) dominiraju opterećenjima mreže. Njihovo potrošnja snage ovisi o frekvenciji: smanjenje frekvencije za 1% obično smanjuje potrošnju aktivne snage za ~2% u velikim sistemima. Kada se nova opterećenja povezuju, frekvencija pada, a postojeći indukcijski opterećenja automatski troše manje snage - djelomično umanjujući razliku između potražnje i proizvodnje.
2. Oslobađanje kinetičke energije iz sklopova turbine-generator (TG)
Konvencionalni TG sklopi imaju ogromne rotor (često >25 tona) koji rotiraju na 3000 RPM (za mreže od 50 Hz). Kada potražnja prevazilazi proizvodnju, ovi rotorovi privremeno dostavljaju pohranjenu kinetičku energiju (za 3-5 sekundi, ovisno o inerciji). Kako se rotorovi usporavaju, frekvencija mreže pada.
Kontrola frekvencije
Kontrola frekvencije i opterećenja (LFC) vraća frekvenciju mreže na njenu nominalnu vrijednost nakon neslaganja između potražnje i proizvodnje. Postoje dvije razine kontrole:
1. Primarna kontrola frekvencije
Na razini jedinice, sistem upravljanja turbine prilagođava brzinu (i time frekvenciju). Kao što je prikazano ranije, svaka jedinica modulira unos para na temelju odstupanja frekvencije. Cijeli primarni kontrolni krug za proizvodnu stanicu prikazan je na slici ispod.
2. Sekundarna kontrola frekvencije
To uključuje koordiniranu kontrolu na više jedinica u različitim kontrolnim zonama, osiguravajući dugoročnu stabilnost frekvencije i optimalno dijeljenje opterećenja.
Ograničenja primarne kontrole frekvencije
Primarna kontrola frekvencije sama po sebi rezultira u stalnom odstupanju frekvencije, utjecanom karakteristikom padanja regulatora i osjetljivošću frekvencije na opterećenje. To se događa jer pojedine jedinice prilagođavaju brzinu bez obzira gdje su povezana nova opterećenja ili koliko je dodato opterećenja. Bez takve kontekstualne procjene, ravnoteža snage ne može biti u potpunosti obnovljena, a odstupanje frekvencije ostaje. Nakon akcija primarne kontrole, stalni greška frekvencije može biti pozitivna ili negativna.
Sekundarna kontrola frekvencije
Vraćanje frekvencije sistema na njenu nominalnu vrijednost zahtijeva sekundarnu kontrolu, koja uzima u obzir lokacije novih opterećenja i prilagođava referentne setpointe za odabrane jedinice. Kada se opterećenje poveća u kontrolnoj zoni, proizvodnja unutar te zone mora se povećati kako bi:
Da bi se to postiglo:
Nakon izdavanja novih setpointa za opterećenje, jedinice počinju prilagođavati proizvodnju. Zbog mehaničke prirode proizvodnje, treba 25-30 minuta da jedinice dosegnu svoje planirane izlaze. Kada sve proizvodne stanice dostignu ciljnu proizvodnju, ravnoteža snage je obnovljena, a frekvencija se vraća na nominalnu.
Ukupna reakcija sistema s primarnom i sekundarnom kontrolom frekvencije može se razumjeti iz grafa ispod.
Reakcija sistema na povećanje opterećenja (A-B-C-D)
A-B: Privremeno oslobađanje kinetičke energije
Prije tačke A, sistem radi u ravnoteži snage. Na tački A, opterećenje se naglo povećava sa P₀ na P₀ + ∆P. Postoji 3-5 sekundi kašnjenja prije nego što reagira regulator. Tijekom ovog intervala, pohranjena kinetička energija rotora dostavlja prekomjerni dio opterećenja, što uzrokuje pad brzine rotora i pad frekvencije na minimalnu vrijednost f₁.
B-C: Akcija primarne kontrole frekvencije
Na oko 5 sekundi, regulator započinje kontrolu brzine, povećavajući unos para kako bi se vratila brzina rotora. Ovaj faza traje 20-25 sekundi (ovisno o magnitudi pada frekvencije). Kao što je ranije spomenuto, samo primarna kontrola ostavlja stalnu grešku frekvencije ∆f zahvaljujući karakteristici padanja regulatora.
C-D: Sekundarna kontrola frekvencije (aktivacija AGC)
Nakon što se frekvencija stabilizira, sekundarna kontrola (putem AGC) prilagođava proizvodnju odabranih jedinica u svakoj kontrolnoj zoni. Ovaj proces uzima u obzir:
Prilagođavanja proizvodnje ograničena su ramp rate dizajna jedinica, što traje nekoliko minuta da se završi. Kada se završi, planirane razmjene se vraćaju na preizračunate vrijednosti, a sistem postiže novu ravnotežu snage s nominalnom frekvencijom.
