Инерционный ответ

Инерционная реакция — это свойство больших синхронных генераторов , которые содержат большие синхронно вращающиеся массы и которые позволяют преодолеть любой непосредственный дисбаланс между подачей электроэнергии и спросом в электроэнергетических системах, обычно в электрической сети . Из-за постоянно существующего дисбаланса мощности между механической подачей энергии и потребностью в электроэнергии частота вращения вращающихся масс во всех синхронных генераторах в сети либо ускоряется и, таким образом, поглощает дополнительную мощность в случае избыточной подачи мощности, либо замедляется и обеспечить дополнительную мощность в случае избыточного спроса на мощность. Этот ответ в случае синхронного генератора встроен в конструкцию и происходит без какого-либо внешнего вмешательства или координации, предоставляя автоматическому управлению генерацией и оператору сети ценное время (несколько секунд) для перебалансировки системы. Частота сети представляет собой совокупный результат детальных движений всех отдельных синхронных роторов в сети, которые моделируются общим уравнением движения, называемым уравнением качания .

В энергосистемах США оператор сети обязан поддерживать частоту в узком диапазоне и может нести финансовую ответственность, если мониторинг, проводимый Североамериканской корпорацией по надежности электроснабжения, обнаружит несоблюдение требований. Кроме того, в целях защиты оборудования часть нагрузки будет отключена (« отключение нагрузки при пониженной частоте », UFLS), если частота упадет ниже предельного значения (59,5 Гц в большей части США, 59,3 Гц в Техасе). Когда происходит неожиданное нарушение электропитания (например, выход из строя генератора), первичная частотная характеристика включается автоматически — датчик обнаруживает более низкую частоту и соответствующим образом регулирует мощность первичного двигателя . Для типичного синхронного генератора эта регулировка включает манипуляции с механическими устройствами (клапанами и т. д.) и, следовательно, требует времени. В течение этого времени электросети приходится полагаться на накопленную инерцию, чтобы замедлить снижение частоты.

Синхронные генераторы

Инерцию можно измерить в единицах произведения мощности на время (скажем, в гигаватт -секундах), но часто нормируется на «размер» (номинальную электрическую мощность) генератора и, таким образом, может быть описан в единицах времени (так называемых постоянная инерции генератора ). Генераторы с более быстрым вращением могут хранить больше кинетической энергии (пропорционально квадрату частоты вращения), но обычно они легче и, следовательно, замедляются быстрее, что приводит к подаче большей мощности на ранних этапах реакции («фронтальная загрузка») по сравнению с более медленными генераторами. и более тяжелые машины; это не обязательно лучше из-за взаимодействия между частями сети, которое может вызвать «подпрыгивание» и нестабильность. Типичные электростанции имеют значения постоянной инерции от 2 секунд ( гидроэнергетика ) до 7 секунд (газовые турбины). Поскольку скорость вращения и, следовательно, кинетическая энергия синхронного генератора не зависят от его текущего уровня мощности, инерция всей сети связана с константами инерции работающих генераторов; во время более низкого спроса на электроэнергию (скажем, ночью) может работать меньше генераторов, и, следовательно, с подобной непредвиденной ситуацией может быть труднее справиться.

Нагрузка

Электрическая нагрузка может иметь инерционный характер. Например, типичные промышленные электродвигатели потребляют меньше энергии на более низких частотах, добавляя системе небольшую, но заметную инерцию. этот эффект уменьшается из-за перехода на современные и эффективные органы управления с регулируемой скоростью, которые имеют гораздо меньшую инерционную реакцию.

Отключение нагрузки ULFS снижает потребляемую мощность, тем самым замедляя снижение частоты, что эквивалентно увеличению величины инерции.

Генерация переменных

До 21 века традиционная инерция в сочетании с первичной частотной характеристикой считалась достаточной для достижения целевой надежности электросети США. Высокое проникновение переменных возобновляемых источников энергии (ПВИЭ) создало новые проблемы:

• ветер, как правило, сильнее ночью, поэтому последствия низкого спроса - и, следовательно, меньшего количества синхронных генераторов, работающих в сети - усугубляются;
• Генератор VRE обычно либо не имеет вращающейся массы (солнечной), либо его конструкция не связывает его электромеханически с остальной частью сети. Типичный генератор VRE подключен к сети через инвертор (такие генераторы обычно называют инверторными ресурсами ) и поэтому не может вносить инерцию в систему так же, как это делает синхронный генератор.

Поэтому применяются альтернативы традиционной инерции, и к 2020-м годам Техас ( ERCOT ) стал лидером в Соединенных Штатах благодаря более высокому проникновению ветровой энергии (почти вдвое больше, чем у Western Interconnection , WI) и относительно небольшому размеру, что сделало там непредвиденные расходы больше в процентном отношении (одиночный отказ может потребовать мощности, эквивалентной 6,4% средней нагрузки по сравнению с 2,6% для WI и 1,3% для Eastern Interconnection ).

Решение проблемы снижения инерции

Для поддержания надежности сети в условиях пониженной инерции используются следующие грубые средства:

• поддержание инерции выше пороговых значений за счет принуждения владельцев синхронных генераторов к эксплуатации своих агрегатов или сокращения использования ресурсов на базе инверторов. С чисто экономической точки зрения это может быть лишь временной мерой;
• использование менее традиционных возобновляемых генераторов, обладающих инерцией ( концентрация солнечной энергии , энергия биомассы );
• использование вращающейся массы синхронных конденсаторов ;
• допускающее большее отклонение частоты, чем типовые 59,5 Гц (Техас допускает понижение частоты до 59,3 Гц, еще меньший Quebec Interconnection - до 58,5 Гц);
• оснащение некритических нагрузок, которые могут выдерживать кратковременное отключение (например, промышленные холодильные установки), автоматическими реле, которые сбрасывают нагрузку при заданном пороге частоты. В Техасе это был один из основных маршрутов, выбранных для увеличения проникновения ветра;
• заставить клиентов платить за частотную характеристику, как и за другие вспомогательные услуги , через рыночный механизм (подход, также используемый ERCOT ).

Быстрая частотная характеристика

Отключение нагрузки можно произвести очень быстро (полсекунды, включая измерение частоты). Инверторные ресурсы (IBR), если они не работают на полной доступной мощности, также могут увеличиваться очень быстро (25% в секунду для ветровой энергии, 100% в секунду для фотоэлектрической энергии). ограниченное количество кинетической энергии можно извлечь из ветряной турбины, обеспечивая дополнительные 10% ее мощности примерно на полсекунды (после полусекундной задержки). Более того, времена, когда доступно много резервной мощности IBR, совпадают с моментами, когда традиционная инерция минимальна из-за того, что многие синхронные генераторы отключены. Эти преимущества новой технологии позволяют реализовать быструю частотную характеристику (FFR) — управление частотой с использованием диспетчеризации IBR и отключения нагрузки для достижения инерционного времени реакции, отсюда и альтернативное название FFR — синтетическая инерция. (Эрикссон и др. предлагают использовать термин «синтетическая инерция» для устройств, которые реагируют пропорционально скорости изменения частоты , и резервируют FFR для устройств, которые реагируют на эффекты недостаточной инерции, например, отклонение частоты. ). Сетчатые батареи также могут участвовать в FFR со скоростью изменения 100% в секунду.

Моделирование баланса мощности с использованием энергии ветра

Когда частота сети слишком высока или слишком низка, поток активной мощности через высоковольтную линию постоянного тока будет постепенно уменьшаться или увеличиваться. В свою очередь, генерация ветра будет увеличивать или уменьшать углы наклона лопастей , чтобы уменьшить или увеличить улавливаемую энергию ветра за счет управления углом наклона.

Источники

• НКРЭ (11 мая 2021 г.). Балансировка и регулирование частоты (PDF) . Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения .
• Денхольм, Пол; Май, Трие; Кеньон, Рик Уоллес; Кропоски, Бен; О'Мэлли, Марк (2020). Инерция и энергосистема: Путеводитель без вращений (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии .
• Эрикссон, Роберт; Модиг, Никлас; Элкингтон, Кэтрин (14 ноября 2017 г.). «Синтетическая инерция против быстрой частотной характеристики: определение» . IET Возобновляемая энергетика . 12 (5): 507–514. дои : 10.1049/iet-rpg.2017.0370 . eISSN   1752-1424 . ISSN   1752-1416 . S2CID   117501676 .