การควบคุมความถี่โหลด (LFC) และการควบคุมกังหันกำเนิดไฟฟ้า (TGC) ในระบบพลังงาน
บทนำสั้นๆ เกี่ยวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความร้อน
การผลิตไฟฟ้าขึ้นอยู่กับทั้งพลังงานทดแทนและพลังงานไม่ทดแทน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความร้อนเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ในเครื่องเหล่านี้เชื้อเพลิงเช่นถ่านหิน พลังงานนิวเคลียร์ ก๊าซธรรมชาติ ไบโอดีเซล และไบโอแก๊สจะถูกเผาในหม้อไอน้ำ
หม้อไอน้ำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นระบบที่ซับซ้อนมาก ในการเข้าใจอย่างง่าย เราสามารถมองเห็นได้ว่าเป็นห้องที่ผนังเรียงรายไปด้วยท่อ น้ำไหลเวียนผ่านท่อเหล่านี้อย่างต่อเนื่อง ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในหม้อไอน้ำถูกถ่ายเทให้น้ำ ในระหว่างกระบวนการนี้ น้ำจะเปลี่ยนเป็นไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่มีแรงดันสูง (ตั้งแต่ 150 ksc ถึง 380 ksc ขึ้นอยู่กับการออกแบบ) และอุณหภูมิสูง (ระหว่าง 530°C ถึง 732°C ตามข้อกำหนดการออกแบบ)
ไอน้ำอิ่มตัวนี้จะถูกป้อนเข้าไปในกังหัน ซึ่งจะขยายตัวและอุณหภูมิลดลง ในกระบวนการขยายตัวนี้ ไอน้ำจะถ่ายเทความร้อนเป็นพลังงานหมุนของแกนกังหัน การไหลของไอน้ำเข้ากังหันถูกควบคุมโดยวาล์วควบคุม ซึ่งควบคุมโดยระบบควบคุมของกังหัน ดังนั้น กำลังออกของกังหันจึงถูกควบคุมโดย governor กังหันถูกเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแปลงพลังงานกลของกังหันเป็นพลังงานไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสสร้างไฟฟ้าที่แรงดันต่ำ ประมาณ 11 kV ถึง 26 kV ที่ความถี่มาตรฐาน แรงดันนี้จะถูกเพิ่มขึ้นเป็น 220 kV/400 kV/765 kV โดยทรานสฟอร์เมอร์สำหรับการส่งผ่านเข้าสู่ระบบไฟฟ้า ในการศึกษาระบบไฟฟ้า ระบบรวมทั้งหมดนี้ถูกเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
การควบคุมกังหัน (Turbine Governor Control - TGC)
อย่างที่ได้กล่าวไว้ governor ควบคุมการไหลของกำลังเข้ากังหันโดยการควบคุมตำแหน่งของวาล์วควบคุม governor ไฮดรอลิกสามารถจำลองเป็นตัวควบคุมอินทิกรัลที่รับข้อมูลป้อนกลับจากความเร็วจริงของกังหัน รูปที่ 1 แสดงการทำงานของ governor ในโหมดควบคุมความเร็ว
ความเร็วจริงของกังหันจะถูกเปรียบเทียบกับความเร็วอ้างอิง (ที่สอดคล้องกับความถี่มาตรฐานของระบบไฟฟ้า) สัญญาณความผิดพลาดของความเร็ว (∆ωᵣ) จะถูกป้อนเข้า governor ตามสัญญาณความผิดพลาดนี้ governor จะปรับตำแหน่งวาล์วควบคุม: หากตรวจพบสัญญาณความผิดพลาดบวก (หมายความว่าความถี่จริงเกินความถี่มาตรฐาน) governor จะปิดวาล์วเล็กน้อย ตรงกันข้าม จะเปิดวาล์วเมื่อรับสัญญาณความผิดพลาดลบ
"R" แทนการตั้งค่า droop ของ governor ซึ่งมักอยู่ระหว่าง 3% ถึง 8% ทางคณิตศาสตร์ ได้กำหนดไว้ว่า:
R = (การเปลี่ยนแปลงของความถี่ต่อหน่วย) / (การเปลี่ยนแปลงของกำลังต่อหน่วย)
การตั้งค่า droop เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการดำเนินงานขนานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเครื่อง เนื่องจากกำหนดว่าโหลดจะแบ่งปันอย่างไรภายในพื้นที่ควบคุม เครื่องที่มีค่า droop น้อยจะรับภาระมากขึ้นโดยอัตโนมัติ
พื้นที่ควบคุม
ในระบบไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหลดกระจายอยู่ทั่วภูมิภาคที่กว้างขวาง เพื่อรักษาเสถียรภาพ ระบบไฟฟ้าทั้งหมดถูกแบ่งออกเป็นพื้นที่ควบคุมขนาดเล็ก (ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับภูมิศาสตร์) การแบ่งนี้ช่วยให้:
ภายในพื้นที่ควบคุม มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหลดหลายเครื่องร่วมกัน การแบ่งระบบไฟฟ้าออกเป็นพื้นที่ควบคุมมีวัตถุประสงค์หลักดังนี้:
1. การควบคุมความถี่โหลด
กรอบนี้ช่วยให้ใช้วิธีการควบคุมความถี่โหลดเพื่อรักษาความถี่ของระบบไฟฟ้า แนวคิดนี้จะถูกสำรวจอย่างละเอียดในภายหลัง
2. การกำหนดการแลกเปลี่ยนตามกำหนด
หากการผลิตไฟฟ้าในพื้นที่ควบคุมไม่เพียงพอต่อความต้องการโหลด ไฟฟ้าจะไหลเข้ามาในพื้นที่ควบคุมจากพื้นที่ควบคุมใกล้เคียงผ่านสายส่ง (และในทางกลับกัน)
3. การแบ่งปันโหลดอย่างมีประสิทธิภาพ
ความต้องการโหลดเปลี่ยนแปลงตลอดทั้งวัน (เช่น น้อยในเวลากลางคืน มากในตอนเช้าและเย็น) พื้นที่ควบคุมทำให้กระบวนการต่อไปนี้ง่ายขึ้น:
ความสมดุลของกำลัง
พลังงานไฟฟ้าถูกบริโภคในเวลาจริง (ไม่สามารถเก็บไว้ในปริมาณมาก) ดังนั้น ความสมดุลของกำลังเป็นสิ่งจำเป็น:
กำลังที่ผลิต (P₉) = ความต้องการโหลด (Pd) + การสูญเสียในการส่ง (Pₗ)
การสูญเสียในการส่งมักจะประมาณ 2% ของกำลังที่ผลิตและมักถูกละเว้นเมื่อสนใจการควบคุมความถี่ สำหรับความสะดวก เราประมาณว่า:
กำลังที่ผลิต (P₉) ≈ ความต้องการโหลด (Pd)
การแปรผันของความถี่
ความถี่ของระบบไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความไม่สอดคล้องระหว่างความต้องการโหลดและการผลิต ขณะที่ความผิดปกติเล็กน้อยถูกปรับโดย quán tínhของระบบ ความแตกต่างที่สำคัญ (เช่น การหยุดทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงโหลดที่ใหญ่) อาจทำให้ความถี่เปลี่ยนแปลง ±5% สถานการณ์สำคัญรวมถึง:
ในกรณีส่วนใหญ่ (เช่น การหยุดทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือสายส่ง การเชื่อมต่อโหลดขนาดใหญ่) ความต้องการโหลดจะเกินกำลังการผลิต ทำให้ความถี่ลดลง ตรงกันข้าม หากสายส่งที่ให้โหลดขนาดใหญ่หยุดทำงาน กำลังการผลิตอาจเกินความต้องการโหลด ทำให้ความถี่เพิ่มขึ้น แม้ว่าระบบจะตอบสนองตรงข้ามกับสถานการณ์เหล่านี้ การเข้าใจการลดลงของความถี่เพียงพอที่จะเข้าใจพฤติกรรมทั้งสอง
ทำไมความถี่จึงลดลง
พฤติกรรมสองประการที่ทำให้ความถี่ลดลง:
1. การลดความต้องการโหลด
มอเตอร์เหนี่ยวนำ (เช่น พัดลมในบ้าน ระบบขับเคลื่อนอุตสาหกรรม) เป็นโหลดหลักในระบบไฟฟ้า การบริโภคพลังงานของพวกมันขึ้นอยู่กับความถี่: การลดความถี่ลง 1% ทำให้การบริโภคพลังงานลดลงประมาณ 2% ในระบบขนาดใหญ่ เมื่อมีโหลดใหม่เชื่อมต่อ ความถี่ลดลง และโหลดเหนี่ยวนำที่มีอยู่จะบริโภคพลังงานน้อยลงโดยอัตโนมัติ ช่วยลดช่องว่างระหว่างความต้องการโหลดและกำลังการผลิต
2. การปล่อยพลังงานจลน์จากชุดกังหัน-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (TG)
ชุด TG แบบดั้งเดิมมีโรเตอร์ขนาดใหญ่ (มักมากกว่า 25 ตัน) หมุนที่ 3000 RPM (สำหรับระบบ 50Hz) เมื่อความต้องการโหลดเกินกำลังการผลิต โรเตอร์เหล่านี้จะส่งพลังงานจลน์ที่เก็บไว้ชั่วคราว (3-5 วินาที ขึ้นอยู่กับ quán tính) ขณะที่โรเตอร์ชะลอตัว ความถี่ของระบบจะลดลง
การควบคุมความถี่
การควบคุมความถี่โหลด (LFC) ทำให้ความถี่ของระบบกลับคืนสู่ค่ามาตรฐานหลังจากความไม่สอดคล้องระหว่างความต้องการโหลดและกำลังการผลิต มีการควบคุมสองระดับ:
1. การควบคุมความถี่ระดับแรก (Primary Frequency Control)
ที่ระดับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระบบควบคุมของกังหันจะปรับความเร็ว (และดังนั้นความถี่) เช่นเดียวกับที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้ แต่ละเครื่องจะปรับปริมาณไอน้ำตามความผิดพลาดของความถี่ วงจรควบคุมเต็มรูปแบบสำหรับสถานีกำเนิดไฟฟ้าแสดงในรูปด้านล่าง
2. การควบคุมความถี่ระดับที่สอง (Secondary Frequency Control)
การควบคุมนี้ประกอบด้วยการควบคุมอย่างประสานกันระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเครื่องในพื้นที่ควบคุมต่าง ๆ ทำให้ความถี่มีเสถียรภาพในระยะยาวและการแบ่งปันโหลดอย่างเหมาะสม
ข้อจำกัดของการควบคุมความถี่ระดับแรก
การควบคุมความถี่ระดับแรกเพียงอย่างเดียวทำให้เกิดความผิดพลาดของความถี่ในภาวะคงที่ ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติ droop ของ governor และความไวต่อความถี่ของโหลด นี่เกิดขึ้นเพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องปรับความเร็วโดยไม่คำนึงถึงว่าโหลดใหม่เชื่อมต่อที่ไหนหรือมีโหลดเพิ่มขึ้นเท่าใด ไม่มีการประเมินบริบทเช่นนี้ ความสมดุลของกำลังไม่สามารถถูกฟื้นฟูอย่างสมบูรณ์ และความผิดพลาดของความถี่ยังคงอยู่ หลังจากการควบคุมระดับแรก ความผิดพลาดของความถี่ในภาวะคงที่อาจเป็นบวกหรือลบ
การควบคุมความถี่ระดับที่สอง
การฟื้นฟูความถี่ของระบบกลับสู่ค่ามาตรฐานต้องใช้การควบคุมระดับที่สอง ซึ่งพิจารณาถึงตำแหน่งโหลดใหม่และปรับค่าอ้างอิงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เลือก เมื่อมีโหลดเพิ่มขึ้นในพื้นที่ควบคุม การผลิตไฟฟ้าภายในพื้นที่นั้นต้องเพิ่มขึ้นเพื่อ:
เพื่อทำให้บรรลุเป้าหมายนี้:
เมื่อค่าอ้างอิงโหลดใหม่ถูกกำหนด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเริ่มปรับการผลิต ด้วยลักษณะเชิงกลของการผลิตไฟฟ้า ใช้เวลา 25-30 นาที สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่จะถึงกำลังการผลิตที่กำหนด เมื่อสถานีกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดถึงกำลังการผลิตเป้าหมาย ความสมดุลของกำลังจะถูกฟื้นฟู และความถี่จะกลับสู่ค่ามาตรฐาน
การตอบสนองของระบบโดยรวมด้วยการควบคุมความถี่ระดับแรกและระดับที่สองสามารถเข้าใจได้จากแผนภาพด้านล่าง
การตอบสนองของระบบต่อการเพิ่มโหลด (A-B-C-D)
A-B: การปล่อยพลังงานจลน์ชั่วคราว
ก่อนจุด A ระบบปฏิบัติงานอยู่ในภาวะสมดุลของกำลัง ที่จุด A โหลดเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันจาก P₀ ไปเป็น P₀ + ∆P มีความล่าช้า 3-5 วินาที ก่อนที่ governor จะตอบสนอง ในช่วงเวลานี้ พลังงานจลน์ที่เก็บไว้ในโรเตอร์จะส่งพลังงานให้กับโหลดที่เพิ่มขึ้น ทำให้ความเร็วของโรเตอร์ลดลงและความถี่ลดลงสู่ค่าต่ำสุด f₁
B-C: การควบคุมความถี่ระดับแรก
ที่ประมาณ 5 วินาที governor เริ่มการควบคุมความเร็ว ปรับปริมาณไอน้ำเพื่อฟื้นฟูความเร็วของโรเตอร์ ระยะเวลานี้นาน 20-25 วินาที (ขึ้นอยู่กับขนาดของความผิดพลาดของความถี่) เช่นที่ได้กล่าวไว้ การควบคุมระดับแรกเพียงอย่างเดียวจะทำให้เกิดความผิดพลาดของความถี่ ∆f เนื่องจากคุณสมบัติ droop ของ governor
C-D: การควบคุมความถี่ระดับที่สอง (การเปิดใช้งาน AGC)
เมื่อความถี่คงที่ การควบคุมระดับที่สอง (ผ่าน AGC) ปรับการผลิตสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เลือกในแต่ละพื้นที่ควบคุม กระบวนการนี้พิจารณา:
การปรับการผลิตจำกัดโดยอัตราการปรับกำลังที่ออกแบบไว้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ใช้เวลาหลายนาทีเพื่อเสร็จสิ้น หลังจากเสร็จสิ้น การแลกเปลี่ยนตามกำหนดจะกลับสู่ค่าที่คำนวณไว้ และระบบจะบรรลุความสมดุลของกำลังใหม่ด้วยความถี่มาตรฐาน
