Odpowiedź bezwładnościowa

Reakcja bezwładnościowa jest właściwością dużych generatorów synchronicznych , które zawierają duże synchroniczne masy wirujące i która działa w celu przezwyciężenia wszelkiej natychmiastowej nierównowagi między podażą a zapotrzebowaniem na moc w systemach elektroenergetycznych, zwykle w sieci elektrycznej . Ze względu na stale występującą nierównowagę mocy pomiędzy zasilaniem mechanicznym a zapotrzebowaniem na moc elektryczną, częstotliwość wirowania mas wirujących we wszystkich generatorach synchronicznych w sieci albo przyspiesza (nadmiar mocy), albo zwalnia (nadmierny popyt na moc). Umożliwia to operator sieci do ponownego zrównoważenia systemu w celu zatrzymania zmiany prędkości, co skutkuje stosunkowo niewielką zmianą częstotliwości prądu przemiennego , idealnie mieszczącą się w dopuszczalnym zakresie częstotliwości tego systemu. tj. system 50 Hz może dopuszczać odchylenie częstotliwości napięcia przemiennego o ±0,5 Hz. Częstotliwość sieci jest łącznym wynikiem szczegółowych ruchów wszystkich poszczególnych wirników synchronicznych w sieci, które są modelowane za pomocą ogólnego równania ruchu zwanego równanie wahadłowe .

W amerykańskich systemach elektroenergetycznych operator sieci jest zobowiązany do utrzymywania częstotliwości w wąskim zakresie i może ponosić odpowiedzialność finansową, jeśli monitorowanie przeprowadzone przez North American Electric Reliability Corporation wykryje niezgodność. Ponadto, aby chronić sprzęt, część obciążenia zostanie odłączona („zrzucanie obciążenia podczęstotliwościowego”, UFLS), jeśli częstotliwość spadnie poniżej limitu (59,5 Hz w większości Stanów Zjednoczonych, 59,3 Hz w Teksasie). Gdy wystąpi nieoczekiwane zakłócenie zasilania (na przykład awaria generatora), pierwotna odpowiedź częstotliwościowa włącza się automatycznie - czujnik wykrywa niższą częstotliwość i odpowiednio dostosowuje moc głównego napędu . W przypadku typowego generatora synchronicznego regulacja ta wymaga manipulacji urządzeniami mechanicznymi (zaworami itp.), a zatem wymaga czasu. W tym czasie sieć energetyczna musi polegać na skumulowanej bezwładności, aby spowolnić spadek częstotliwości.

Generatory synchroniczne

Bezwładność można mierzyć w iloczynach mocy i czasu (powiedzmy gigawatosekundy ), ale często jest ona normalizowana do „rozmiaru” (nominalnej mocy elektrycznej) generatora, a zatem może być opisana w jednostkach czasu (tzw. bezwładność generatora stała ). Szybciej wirujące generatory mogą magazynować więcej energii kinetycznej (proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości obrotowej), ale są zazwyczaj lżejsze, a zatem zwalniają szybciej, powodując wtrysk większej mocy na wczesnym etapie odpowiedzi („ładowanie od przodu”) w porównaniu z wolniejszymi i cięższe maszyny; niekoniecznie jest to lepsze ze względu na interakcje między częściami siatki, które mogą powodować „odbijanie się” i niestabilność. Typowe elektrownie mają stałe bezwładności od 2 sekund ( energia wodna ) do 7 sekund (turbiny gazowe). Ponieważ prędkość obrotowa, a tym samym energia kinetyczna generatora synchronicznego nie zależy od jego aktualnego poziomu mocy, bezwładność całej sieci jest związana ze stałymi bezwładności pracujących generatorów; w czasie mniejszego zapotrzebowania na moc (powiedzmy w nocy) może pracować mniej generatorów, a zatem podobna sytuacja może być trudniejsza do rozwiązania.

Obciążenie

Obciążenie elektryczne może mieć jakość podobną do bezwładności. Na przykład typowe przemysłowe silniki elektryczne zużywają mniej energii przy niższych częstotliwościach, dodając niewielką, ale zauważalną ilość bezwładności do systemu. Efekt ten zmniejsza się dzięki przejściu na nowoczesne i wydajne regulatory o zmiennej prędkości, które mają znacznie mniejszą reakcję podobną do bezwładności .

Odłączenie obciążenia ULFS zmniejsza zapotrzebowanie na moc, spowalniając w ten sposób spadek częstotliwości, co odpowiada zwiększeniu bezwładności.

Generacja zmienna

Do XXI wieku konwencjonalna bezwładność w połączeniu z pierwotną charakterystyką częstotliwościową była uważana za wystarczającą do osiągnięcia docelowej niezawodności amerykańskiej sieci elektrycznej. Wysoka penetracja zmiennej energii odnawialnej (VRE) stworzyła nowe wyzwania:

  • wiatr jest zwykle silniejszy w nocy, więc skutki niskiego zapotrzebowania - a tym samym mniejszej liczby generatorów synchronicznych w trybie online - pogłębiają się;
  • generator VRE zwykle albo nie ma masy wirującej (słonecznej), albo jego konstrukcja nie łączy go elektromechanicznie z resztą sieci. Typowy generator VRE jest podłączony do sieci za pośrednictwem falownika (generatory te są zatem powszechnie nazywane zasobami opartymi na falownikach ) i dlatego nie jest w stanie zapewnić bezwładności systemu w taki sam sposób, jak robi to generator synchroniczny.

W związku z tym stosowane są alternatywy dla tradycyjnej inercji, a do lat 2020-tych Texas ( ERCOT ) objął prowadzenie w Stanach Zjednoczonych ze względu na większą penetrację energii wiatrowej (prawie dwukrotnie większą niż w Western Interconnection , WI) i stosunkowo niewielkie rozmiary, które sprawiły, że nieprzewidziane wypadki są tam większe w ujęciu procentowym (pojedyncza awaria może odebrać moc odpowiadającą 6,4% średniego obciążenia w porównaniu do 2,6% dla WI i 1,3% dla Połączenia Wschodniego ).

Rozwiązanie problemu spadku bezwładności

Następujące środki brutalnej siły służą do utrzymania niezawodności chciwości w środowisku o zmniejszonej bezwładności:

  • utrzymywanie inercji powyżej wartości progowych poprzez zmuszanie właścicieli generatorów synchronicznych do pracy ich jednostek lub ograniczanie wykorzystania zasobów inwerterowych. Z czysto ekonomicznego punktu widzenia może to być jedynie środek tymczasowy;
  • wykorzystanie mniej konwencjonalnych generatorów odnawialnych, które mają bezwładność ( koncentracja energii słonecznej , energia z biomasy );
  • wykorzystanie masy obrotowej kondensatorów synchronicznych (ta opcja, choć omawiana, nie była wypróbowywana w skali sieci od 2020 r.);
  • pozwalając na większe odchylenie częstotliwości niż typowe 59,5 Hz (Teksas pozwala na spadek częstotliwości do 59,3 Hz, jeszcze mniejsze połączenie międzysieciowe Quebec - do 58,5 Hz);
  • dopasowywanie obciążeń niekrytycznych, które mogą tolerować krótkie rozłączenie (np. przemysłowe instalacje chłodnicze) za pomocą automatycznych przekaźników, które zrzucają obciążenie przy ustawionej wartości progowej częstotliwości. W Teksasie była to jedna z głównych tras wybranych w celu zwiększenia penetracji wiatru;
  • zmuszanie klientów do płacenia za pasmo przenoszenia, podobnie jak inne usługi dodatkowe , poprzez mechanizm rynkowy (podejście stosowane również przez ERCOT ).

Szybka odpowiedź częstotliwościowa

Odłączenie obciążenia może nastąpić bardzo szybko (pół sekundy, wliczając pomiar częstotliwości). Zasoby oparte na falownikach (IBR), jeśli nie działają z pełną dostępną mocą, można również bardzo szybko zwiększyć (25% na sekundę w przypadku wiatru, 100% na sekundę w przypadku fotowoltaiki), z turbiny wiatrowej można uzyskać ograniczoną ilość energii kinetycznej , zapewniając dodatkowe 10% swojej pojemności przez około pół sekundy (po półsekundowym opóźnieniu). Co więcej, czasy, w których dostępnych jest wiele wolnych mocy IBR, zbiegają się z czasami, kiedy konwencjonalna bezwładność jest najniższa z powodu wyłączenia wielu generatorów synchronicznych. Te zalety nowej technologii pozwalają na wdrożenie tzw szybka odpowiedź częstotliwościowa (FFR) - regulacja częstotliwości za pomocą wysyłania IBR i odłączania obciążenia w celu uzyskania czasów reakcji zbliżonych do bezwładności, stąd alternatywna nazwa FFR, syntetyczna bezwładność (Eriksson i in. proponują użycie terminu „syntetyczna bezwładność” dla jednostki reagujące proporcjonalnie do szybkości zmian częstotliwości i rezerwują FFR dla jednostek reagujących na skutki niedostatecznej bezwładności, np. odchylenie częstotliwości). Baterie sieciowe mogą również uczestniczyć w FFR z szybkością narastania 100% na sekundę.

Symulacja bilansowania mocy z energią wiatrową

Gdy częstotliwość sieci jest zbyt wysoka lub zbyt niska, przepływ mocy czynnej przez wysokonapięciowe łącze prądu stałego będzie zmniejszany lub zwiększany. Z kolei generowanie wiatru zwiększy lub zmniejszy kąty łopat , aby zmniejszyć lub zwiększyć przechwyconą moc wiatru poprzez kontrolę nachylenia.

Źródła

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inertial_response&oldid=1140028430 ”