Kontrola częstotliwości sieci inteligentnych: Równanie ruchu i znikajca inercja

Częstotliwość jest proxy dla energii kinetycznej

Każdy duży generator synchroniczny na sieci AC — węglowy, gazowy, jądrowy, wodny — to ogromna rotora obrotowego związanego z częstotliwością elektryczną sieci, 50 Hz w większości świata, 60 Hz w Ameryce Północnej. Wszystkie one obracają się dokładnie w rytmie, ponieważ są elektromagnetycznie połączone przez wspólną sieć: podnoszenie prędkości jednego z reszty spowoduje jego wydzielanie większej mocy, co powoduje zrównywanie go z innymi. To oznacza, że częstotliwość sieci nie jest tylko liczbą na wskazówce — to bezpośrednia metoda pomiaru sumarycznej energii kinetycznej przechowywanej we wszystkich rotorach obrotowych połączonego systemu jednocześnie.

Równanie drgań

Załóżmy, że cała sieć złączona jest jako jedno ogromne równoważne ciało rotacyjne, a jej odchylenie częstotliwości od nominalnej podlega równaniu drgań — w gruncie rzeczy drugiemu prawu Newtona dla ruchu obręczowego, napisanemu w terminach mocy zamiast siły:

M * d(delta_f)/dt = P_mech - P_elec - D * delta_f M = stała ciepłościnności systemu (proporcjonalna do całkowitego energii kinetycznej obrotowej) P_mech = moc mechaniczna wprowadzona przez turbiny/generatory P_elec = moc elektryczna zdejmowana przez obciążenie D = współczynnik tłumienia (obciążenia zależne od częstotliwości, np. silniki zbyt wolno przyspieszają) delta_f = odchylenie częstotliwości od nominalnej (50 lub 60 Hz) Nagle połączymy dużą ilość obciążenia — uruchomienie fabryki, przemysłowy piec — i P_elec wzrosnie przedtem, niż P_mech może odpowiedzieć, więc prawostronne strony ujdzie na ujemne i częstotliwość zaczyna spada natychmiast, wyczerpując jednocześnie kinetyczną energię każdego generatora obrotowego na sieci. Im większa M jest, tym wolniejsze i łagodniejsze to początkowe opadanie; im mniejsza M jest, tym szybsze i głębsze to opadanie przedtem, niż coś może odpowiedzieć.

M * d(delta_f)/dt = P_mech - P_elec - D * delta_f

M       = system inertia constant (proportional to total spinning kinetic energy)
P_mech  = mechanical power fed in by turbines/generators
P_elec  = electrical power drawn out by the load
D       = damping coefficient (frequency-sensitive loads, e.g. motors slow down too)
delta_f = frequency deviation from nominal (50 or 60 Hz)

Podstawowe sterowanie: opadanie, szybkie i lokalne

W ciągu sekund governor każdego generatora reaguje automatycznie poprzez sterowanie opadaniem: proste zasady proporcjonalne, które otwierają dyfuzyjnik (więcej paru, więcej wody, więcej gazu) wprost proporcjonalnie do tego, o ile częstotliwość spadła poniżej nominalnej, bez potrzeby komunikacji z centralnym sterownikiem. Jest szybkie i naturalnie stabilne, ponieważ każdy generator reaguje tak samo jednocześnie, ale pozostawia mały stały błąd częstotliwości, ponieważ sterownik proporcjonalny może tylko zmniejszyć błąd, a nie całkowicie go usunąć — klasyczna krzywa opadania zrównoważa dokładne regulowanie na korzyść gwarancji stabilności i prędkości.

Kontrola sekundarna: AGC prowadzi błąd do zera

Automatyczne zarządzanie generowaniem (AGC) to wolniejsza warstwa koordynująca się centralnie, która ukończa zadanie rozpoczęte przez kontrolę droop: kontener sterowania centrale ciągle pomiar błędu częstotliwości systemu (oraz odchyleń przepływu mocy między obszarami w sieci wielozakątkowej) i wysyła dostosowane punkty ustawienia do wybranych generatorów co kilka sekund, używając sterowania całkowego, aby zmusić błąd do exactnego zera podczas kolejnych kilku minut. Gdzie droop jest intuicyjne i lokalne, AGC jest celne i centralne — dwie warstwy pracują razem: sterowanie primary uchwytuje niespodziewany spadek, a kontrola sekundarna czyszczy to co zostało.

Problem momentu bezwładności, jaki powstaje z odnawialnymi źródłami

Panely słoneczne nie mają żadnej masy obrotowej, a większość nowoczesnych turbin wiatrowych jest połączona z siecią za pomocą elektroniki mocy, która oddziela prędkość mechaniczną klap do częstotliwości sieci — więc gdy te źródła zastępują konwencjonalne generatory obrotowe, stała momentu bezwładności M w równaniu ruchu spadku się redukuje. Mniejszy M oznacza, że ta sama krotność obciążenia teraz przemawia do szybszej i głębszej zatychocenności częstotliwości w kluczowym oknie przed tym, jak regulatory i AGC mogą nawet reagować. To dokładnie dlaczego „formujące sieć” odwrotników i sztuka/mieszanina momentu bezwładności — elektronika mocy zainicjalizowana świadomie do podobieństwa natychmiastowej odpowiedzi momentu bezwładności generatora obrotowego — stały się aktywnym obszarem inżynierii sieci, gdy wpancza odnawialnych źródeł rośnie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Simulated Smart Grid Frequency Dynamics i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.