Regulació de freqüència en el sistema elèctric

En els sistemes d'energia elèctrica, en un moment donat, s'ha de generar la quantitat d'electricitat necessària per al consum en un moment donat, ja que és impossible crear reserves d'energia elèctrica.

La freqüència juntament amb la tensió és una de les principals indicadors de qualitat d'energia... La desviació de la freqüència de la normal condueix a la interrupció del funcionament de les centrals elèctriques, que, per regla general, condueixen a la crema de combustible. Una disminució de la freqüència del sistema comporta una disminució de la productivitat dels mecanismes a les empreses industrials i una disminució de l'eficiència de les unitats principals de les centrals elèctriques. Un augment de la freqüència també comporta una disminució de l'eficiència de les centrals elèctriques i un augment de les pèrdues de xarxa.

Actualment, el problema de la regulació automàtica de la freqüència cobreix un ampli ventall de qüestions de caràcter econòmic i tècnic. Actualment, el sistema elèctric està realitzant una regulació automàtica de freqüència.

Efecte de la freqüència en el funcionament dels equips de les centrals elèctriques

Totes les unitats que realitzen moviment rotatiu es calculen de manera que la seva màxima eficiència es realitza tres vegades a partir d'una velocitat de gir molt específica, és a dir, a la nominal. Actualment, les unitats que realitzen el moviment rotatiu estan connectades en la seva majoria a màquines elèctriques.

La producció i el consum d'energia elèctrica es realitza principalment amb corrent altern; per tant, la majoria de blocs que realitzen moviment rotatori estan associats amb la freqüència del corrent altern. De fet, de la mateixa manera que la freqüència de l'alternador generat per l'alternador depèn de la velocitat de la turbina, també la velocitat del mecanisme accionat pel motor de CA depèn de la freqüència.

Les desviacions de la freqüència de corrent altern respecte del valor nominal tenen un efecte diferent en diferents tipus d'unitats, així com en diferents dispositius i aparells dels quals depèn l'eficiència del sistema elèctric.

La turbina de vapor i les seves pales estan dissenyades de manera que es proporcioni la màxima potència possible a l'eix a la velocitat nominal (freqüència) i l'entrada de vapor perfecta. En aquest cas, una disminució de la velocitat de rotació condueix a l'aparició de pèrdues per l'impacte del vapor a la fulla amb un augment simultani del parell, i un augment de la velocitat de rotació condueix a una disminució del parell i un augment del parell. impacte a la part posterior de la fulla. La turbina més econòmica funciona a freqüència nominal.

A més, el funcionament a una freqüència reduïda provoca un desgast accelerat de les pales del rotor de la turbina i altres peces.El canvi de freqüència afecta el funcionament dels mecanismes d'autoconsum de la central elèctrica.

Efecte de la freqüència en el rendiment dels consumidors d'electricitat

Els mecanismes i unitats dels consumidors d'electricitat es poden dividir en cinc grups segons el grau de dependència de la freqüència.

Primer grup. Usuaris el canvi de freqüència dels quals no té cap efecte directe sobre la potència desenvolupada. Aquests inclouen: il·luminació, forns d'arc elèctric, fuites de resistència, rectificadors i càrregues alimentades per aquests.

Segon grup. Mecanismes la potència dels quals varia en proporció a la primera potència de la freqüència. Aquests mecanismes inclouen: màquines de tall de metalls, molins de boles, compressors.

Tercer grup. Mecanismes la potència dels quals és proporcional al quadrat de la freqüència. Són mecanismes el moment de resistència dels quals és proporcional a la freqüència en primer grau. No hi ha mecanismes amb aquest moment exacte de resistència, però una sèrie de mecanismes especials tenen un moment aproximat a aquest.

Quart grup. Mecanismes de parell del ventilador la potència dels quals és proporcional al cub de la freqüència. Aquests mecanismes inclouen ventiladors i bombes amb cap resistència estàtica nula o insignificant.

Cinquè grup. Mecanismes la potència dels quals depèn de la freqüència en un grau superior. Aquests mecanismes inclouen bombes amb un gran capçal de resistència estàtica (per exemple, bombes d'alimentació de centrals elèctriques).

El rendiment dels últims quatre grups d'usuaris disminueix amb la freqüència decreixent i augmenta amb l'augment de la freqüència. A primera vista, sembla que és beneficiós per als usuaris treballar amb una freqüència més gran, però això està lluny de ser així.

A més, a mesura que augmenta la freqüència, el parell del motor d'inducció disminueix, cosa que pot provocar que el dispositiu s'atura i s'aturi si el motor no té reserves d'energia.

Control automàtic de freqüència en el sistema elèctric

L'objectiu del control automàtic de freqüència en sistemes elèctrics és principalment garantir el funcionament econòmic de les estacions i els sistemes d'alimentació. L'eficiència del funcionament del sistema elèctric no es pot aconseguir sense mantenir el valor de freqüència normal i sense la distribució més favorable de la càrrega entre les unitats de treball en paral·lel i les centrals elèctriques del sistema elèctric.

Per regular la freqüència, la càrrega es distribueix entre diverses unitats de treball (estacions) paral·leles. Al mateix temps, la càrrega es distribueix entre les unitats de manera que amb canvis menors en la càrrega del sistema (fins al 5-10%), el mode de funcionament de la gran quantitat d'unitats i estacions no canvia.

Amb una naturalesa variable de la càrrega, el millor mode serà aquell en què la part principal dels blocs (estacions) porti la càrrega corresponent a la condició d'igualtat dels passos relatius, i les fluctuacions petites i curtes de la càrrega es cobreixen canviant. la càrrega d'una petita part de les unitats.

Quan distribueixen la càrrega entre les unitats que treballen en paral·lel, s'intenten que totes funcionin a la zona de més eficiència, en aquest cas s'assegura un consum mínim de combustible.

Les unitats encarregades de cobrir tots els canvis de càrrega no planificats, és a dir. La regulació de freqüència del sistema ha de complir els requisits següents:

• tenen una alta eficiència;

• tenen una corba d'eficiència de càrrega plana, és a dir. mantenir una alta eficiència en una àmplia gamma de variacions de càrrega.

En el cas d'un canvi significatiu en la càrrega del sistema (per exemple, el seu augment), quan tot el sistema canvia a un mode de funcionament amb un valor més gran del guany relatiu, el control de freqüència es transfereix a aquesta estació en que la magnitud del guany relatiu és propera a la del sistema.

L'estació de freqüència té el rang de control més gran dins de la seva potència instal·lada. Les condicions de control són fàcils d'implementar si el control de freqüència es pot assignar a una única estació. S'aconsegueix una solució encara més senzilla en els casos en què la regulació es pot assignar a una sola unitat.

La velocitat de les turbines determina la freqüència en el sistema de potència, de manera que la freqüència es controla actuant sobre els reguladors de velocitat de la turbina. Les turbines solen estar equipades amb reguladors de velocitat centrífugs.

Les més adequades per al control de freqüència són les turbines de condensació amb paràmetres de vapor normals.Les turbines de contrapressió són tipus de turbines completament inadequades per al control de freqüència, ja que la seva càrrega elèctrica la determina totalment l'usuari del vapor i és gairebé completament independent de la freqüència del sistema.

No és pràctic confiar la tasca de regulació de la freqüència a turbines amb grans aspiracions de vapor, ja que, en primer lloc, tenen un (rang de control molt reduït i, en segon lloc, són antieconòmiques per al funcionament de càrrega variable.

Per mantenir el rang de control requerit, la potència de l'estació de control de freqüència ha de ser com a mínim del 8 al 10% de la càrrega del sistema perquè hi hagi un rang de control suficient. El rang de regulació de la central tèrmica no pot ser igual a la potència instal·lada. Per tant, la potència de la cogeneració, que ajusta la freqüència, segons els tipus de calderes i turbines, hauria de ser de dues a tres vegades superior al rang d'ajust requerit.

La potència instal·lada més petita de la central hidroelèctrica per crear el rang de control necessari pot ser significativament menor que la tèrmica. Per a les centrals hidroelèctriques, el rang de regulació sol ser igual a la potència instal·lada. Quan la freqüència és controlada per una central hidroelèctrica, no hi ha límit a la velocitat d'augment de la càrrega a partir del moment en què s'engega la turbina. No obstant això, la regulació de freqüència de les centrals hidroelèctriques està associada a la coneguda complicació dels equips de control.

A més del tipus d'estació i les característiques de l'equip, la selecció de l'estació de control està influenciada per la seva ubicació al sistema elèctric, és a dir, la distància elèctrica des del centre de càrrega. Si l'estació es troba al centre de la càrrega elèctrica i està connectada a subestacions i altres estacions del sistema mitjançant línies elèctriques potents, llavors, per regla general, un augment de la càrrega de l'estació reguladora no comporta una violació de estabilitat estàtica.

Per contra, quan l'estació de control es troba lluny del centre del sistema, pot haver-hi risc d'inestabilitat.En aquest cas, la regulació de la freqüència ha d'anar acompanyada del control de l'angle de divergència dels vectors e. etc. c) Sistema i estació de gestió o control de la potència transmesa.

Els principals requisits dels sistemes de control de freqüència regulen:

• paràmetres i límits d'ajust,

• error estàtic i dinàmic,

• la taxa de canvi en la càrrega del bloc,

• garantir l'estabilitat del procés regulador,

• la capacitat de regular mitjançant un mètode determinat.

Els reguladors han de ser senzills en disseny, fiables en funcionament i econòmics.

Mètodes de control de freqüència en el sistema elèctric

El creixement dels sistemes elèctrics va comportar la necessitat de regular la freqüència de diversos blocs d'una estació, i després de diverses estacions. Amb aquesta finalitat, s'utilitzen diversos mètodes per garantir un funcionament estable del sistema d'alimentació i una qualitat d'alta freqüència.

El mètode de control aplicat no ha de permetre un augment dels límits de desviació de freqüència per errors produïts en dispositius auxiliars (dispositius de distribució de càrrega activa, canals de telemetria, etc.).

El mètode de regulació de freqüència és necessari per garantir que la freqüència es mantingui a un nivell determinat, independentment de la càrrega de les unitats de control de freqüència (tret que, per descomptat, s'utilitzi tot el seu rang de control), el nombre d'unitats i les estacions de control de freqüència. , i la magnitud i la durada de la desviació de freqüència.… El mètode de control també ha de garantir el manteniment d'una relació de càrrega determinada de les unitats de control i l'entrada simultània en el procés de regulació de totes les unitats que controlen la freqüència.

Mètode de característiques estàtiques

El mètode més senzill s'obté ajustant la freqüència de totes les unitats del sistema, quan aquestes últimes estan equipades amb reguladors de velocitat amb característiques estàtiques. En el funcionament paral·lel de blocs que funcionen sense canviar les característiques de control, la distribució de les càrregues entre els blocs es pot trobar a partir de les equacions de característiques estàtiques i les equacions de potència.

Durant el funcionament, els canvis de càrrega superen significativament els valors especificats, per tant, la freqüència no es pot mantenir dins dels límits especificats. Amb aquest mètode de regulació, és necessari disposar d'una gran reserva rotativa repartida per totes les unitats del sistema.

Aquest mètode no pot garantir el funcionament econòmic de les centrals elèctriques, ja que, d'una banda, no pot utilitzar tota la capacitat de les unitats econòmiques i, d'altra banda, la càrrega de totes les unitats canvia constantment.

Mètode amb una característica astàtica

Si totes o part de les unitats del sistema estan equipades amb reguladors de freqüència amb característiques astàtiques, teòricament la freqüència del sistema es mantindrà sense canvis per a qualsevol canvi en la càrrega. Tanmateix, aquest mètode de control no dóna lloc a una relació de càrrega fixa entre les unitats controlades per freqüència.

Aquest mètode es pot aplicar amb èxit quan el control de freqüència s'assigna a una sola unitat.En aquest cas, la potència del dispositiu hauria de ser com a mínim entre el 8 i el 10% de la potència del sistema. No importa si el controlador de velocitat té una característica astàtica o si el dispositiu està equipat amb un regulador de freqüència amb una característica astàtica.

Tots els canvis de càrrega no planificats són percebuts per una unitat amb una característica astàtica. Com que la freqüència del sistema no canvia, les càrregues de les altres unitats del sistema romanen sense canvis. El control de freqüència d'una sola unitat en aquest mètode és perfecte, però resulta inacceptable quan el control de freqüència s'assigna a diverses unitats. Aquest mètode s'utilitza per a la regulació en sistemes de baixa potència.

Mètode generador

El mètode del generador mestre es pot utilitzar en els casos en què, segons les condicions del sistema, sigui necessari ajustar la freqüència de diverses unitats a la mateixa estació.

En un dels blocs, anomenat principal, s'instal·la un regulador de freqüència amb una característica astàtica. Els reguladors de càrrega (equalitzadors) s'instal·len als blocs restants, que també s'encarreguen de la tasca de regulació de la freqüència. Tenen l'encàrrec de mantenir una relació determinada entre la càrrega de la unitat mestra i les altres unitats que ajuden a regular la freqüència. Totes les turbines del sistema tenen reguladors de velocitat estàtics.

El mètode de l'estatisme imaginari

El mètode estàtic imaginari és aplicable tant a la regulació d'una sola estació com a la de múltiples estacions.En el segon cas, hi ha d'haver canals de telemetria bidireccional entre les estacions que ajusten la freqüència i la sala de control (transmissió de la indicació de càrrega de l'estació a la sala de control i transmissió de l'ordre automàtic de la sala de control a l'estació). ).

S'instal·la un regulador de freqüència a cada dispositiu implicat en la regulació. Aquesta regulació és estàtica pel que fa al manteniment de la freqüència en el sistema i estàtica pel que fa a la distribució de càrregues entre els generadors. Assegura una distribució estable de les càrregues entre els generadors modulants.

El repartiment de càrrega entre els dispositius controlats per freqüència s'aconsegueix mitjançant un dispositiu de repartiment de càrrega actiu. Aquest últim, que resumeix tota la càrrega de les unitats de control, la divideix entre elles en una determinada proporció predeterminada.

El mètode de l'estatisme imaginari també permet regular la freqüència en un sistema de diverses estacions, i al mateix temps es respectarà la relació de càrrega donada tant entre estacions com entre unitats individuals.

Mètode de temps sincrònic

Aquest mètode utilitza la desviació del temps sincrònic del temps astronòmic com a criteri per a la regulació de la freqüència en sistemes d'alimentació multiestació sense l'ús de telemecànica. Aquest mètode es basa en la dependència estàtica de la desviació del temps sincrònic respecte al temps astronòmic, a partir d'un moment determinat.

A la velocitat síncrona normal dels rotors dels generadors de turbina del sistema i la igualtat dels moments de gir i moments de resistència, el rotor del motor síncron girarà a la mateixa velocitat. Si es col·loca una fletxa a l'eix del rotor d'un motor síncron, mostrarà el temps a una escala determinada. Col·locant un engranatge adequat entre l'eix del motor síncron i l'eix de la mà, és possible fer girar la mà a la velocitat de la mà de les hores, minuts o segons del rellotge.

El temps que mostra aquesta fletxa s'anomena temps sincrònic. El temps astronòmic es deriva de fonts de temps precises o d'estàndards de freqüència de corrent elèctric.

Un mètode per al control simultani de característiques estàtiques i estàtiques

L'essència d'aquest mètode és la següent. En el sistema elèctric hi ha dues estacions de control, una d'elles funciona segons la característica estàtica, i la segona segons l'estàtica amb un petit coeficient estàtic. Per a petites desviacions del programa de càrrega real de la sala de control, qualsevol fluctuació de càrrega serà percebuda per una estació amb una característica astàtica.

En aquest cas, una estació de control amb una característica estàtica participarà en la regulació només en mode transitori, evitant grans desviacions de freqüència. Quan s'esgota el rang d'ajust de la primera estació, la segona estació entra en l'ajust. En aquest cas, el nou valor de freqüència estacionària serà diferent del nominal.

Mentre que la primera estació controla la freqüència, la càrrega de les estacions base es mantindrà sense canvis. Quan s'ajusta per la segona estació, la càrrega de les estacions base es desviarà de la econòmica.Els avantatges i desavantatges d'aquest mètode són evidents.

Mètode de gestió de bloqueig d'energia

Aquest mètode consisteix en el fet que cadascun dels sistemes d'alimentació inclosos en la interconnexió participa en la regulació de freqüència només si la desviació de freqüència és causada per un canvi en la càrrega en ella. El mètode es basa en la següent propietat dels sistemes energètics interconnectats.

Si la càrrega en qualsevol sistema d'alimentació ha augmentat, una disminució de la freqüència en ell s'acompanya d'una disminució de la potència d'intercanvi determinada, mentre que en altres sistemes d'alimentació, una disminució de la freqüència s'acompanya d'un augment de la potència d'intercanvi donada.

Això es deu al fet que tots els dispositius que tenen característiques de control estàtic, intentant mantenir la freqüència, augmenten la potència de sortida. Així, per a un sistema de potència on s'ha produït un canvi de càrrega, el signe de la desviació de freqüència i el signe de la desviació de la potència d'intercanvi coincideixen, però en altres sistemes de potència aquests signes no són els mateixos.

Cada sistema elèctric té una estació de control on s'instal·len reguladors de freqüència i un relé de bloqueig de potència d'intercanvi.

També és possible instal·lar en un dels sistemes un regulador de freqüència bloquejat per un relé d'intercanvi d'energia i, en un sistema d'alimentació adjacent, un regulador de potència d'intercanvi bloquejat per un relé de freqüència.

El segon mètode té un avantatge respecte al primer si el regulador de potència de CA pot funcionar a la freqüència nominal.

Quan la càrrega en un sistema d'alimentació canvia, els signes de desviacions de freqüència i la potència d'intercanvi coincideixen, el circuit de control no es bloqueja i, sota l'acció del regulador de freqüència, la càrrega dels blocs d'aquest sistema augmenta o disminueix. En altres sistemes d'alimentació, els signes de la desviació de freqüència i la potència d'intercanvi són diferents i, per tant, els circuits de control estan bloquejats.

La regulació per aquest mètode requereix la presència de canals de televisió entre la subestació de la qual surt la línia de connexió a un altre sistema elèctric i l'estació que regula la freqüència o el flux d'intercanvi. El mètode de control de bloqueig es pot aplicar amb èxit en els casos en què els sistemes d'alimentació estan connectats només per una connexió entre si.

Mètode del sistema de freqüència

En un sistema interconnectat que inclou diversos sistemes d'alimentació, de vegades s'assigna el control de freqüència a un sistema mentre que els altres controlen la potència transmesa.

Mètode d'estatisme intern

Aquest mètode és un desenvolupament posterior del mètode de bloqueig de control. El bloqueig o l'enfortiment de l'acció del regulador de freqüència no es realitza mitjançant relés de potència especials, sinó creant estatisme en la potència transmesa (intercanvi) entre els sistemes.

En cadascun dels sistemes energètics de funcionament paral·lel s'assigna una estació reguladora, sobre la qual s'instal·len reguladors, que tenen estatisme pel que fa a la potència d'intercanvi. Els reguladors responen tant al valor absolut de la freqüència com a la potència d'intercanvi, mentre que aquesta es manté constant, i la freqüència és igual a la nominal.

A la pràctica, al sistema elèctric durant el dia la càrrega no es manté inalterada, però els canvis segons el programa de càrrega, el nombre i la potència dels generadors del sistema i la potència d'intercanvi especificada tampoc no es mantenen. Per tant, el coeficient estàtic del sistema no es manté constant.

Amb una major capacitat de generació en el sistema, és més petit i amb una potència menor, al contrari, el coeficient estàtic del sistema és més elevat. Per tant, no sempre es complirà la condició requerida d'igualtat dels coeficients d'estatisme. Això donarà lloc al fet que quan la càrrega canviï en un sistema d'alimentació, els convertidors de freqüència en ambdós sistemes d'alimentació entraran en acció.

En un sistema elèctric on s'ha produït una desviació de càrrega, el convertidor de freqüència actuarà tot el temps en una direcció durant tot el procés de regulació, intentant compensar el desequilibri resultant. En el segon sistema d'alimentació, el funcionament del regulador de freqüència serà bidireccional.

Si el coeficient d'estat del regulador en relació amb la potència d'intercanvi és més gran que el coeficient d'estat del sistema, a l'inici del procés de regulació, l'estació de control d'aquest sistema d'energia reduirà la càrrega, augmentant així la potència d'intercanvi, i després d'això augmenta la càrrega per restaurar el valor establert de la potència d'intercanvi a la freqüència nominal.

Quan el coeficient d'estat del regulador pel que fa a la potència d'intercanvi és inferior al coeficient d'estat del sistema, la seqüència de control del segon sistema de potència s'invertirà (primer, augmentarà l'acceptació del factor de conducció i després s'invertirà). disminuir).