Kwantyfikacja bezwładności w sieci elektrycznej

Wiele dyskusji na temat modernizacji systemów elektroenergetycznych dotyczy „bezwładności”. Jest to zazwyczaj jakościowa dyskusja na temat tego, w jaki sposób turbiny (w elektrowniach wodnych, węglowych i gazowych) z dużą ilością energii kinetycznej w postaci momentu pędu i szybkiego reagowania zapewniają stabilizację napięcia i częstotliwości w skali ćwierć cyklu (5 ms w sieciach 50 Hz) do małej liczby sekund.

Dyskusje często jednak utknęły w martwym punkcie, ponieważ dość rzadko można określić ilościowo „odpowiedź bezwładności” i zidentyfikować jej źródło. Jak rozumiem, sam system ma bardzo niską pojemność elektryczną, więc myślę, że większość odpowiedzi bezwładnościowej pochodzi z rotacji turbin.

W jaki sposób kwantyfikowana jest reakcja bezwładności dla krajowych systemów elektroenergetycznych i jakie są typowe wartości bezwładności systemu?

Ten post na blogu ¹ wskazuje dwa główne źródła bezwładności w sieci energetycznej:

• Generacja „klasyczna”, zwykle turbiny parowe
• Duże silniki przemysłowe

Rozumiesz, że ogólna pojemność systemu jest porównywalnie niska i zapewnia znikomy wpływ na bezwładność systemu.

Z punktu widzenia niezawodności bezwładność systemu jest dobra. Duża masa obrotowa zapewniająca bezwładność układu spowalnia spadek częstotliwości w przypadku nagłej zmiany generacji lub obciążenia układu. Bezwładność systemu pomaga zapobiegać uruchomieniu mechanizmów ochronnych zrzucających obciążenie, zapewniając czas na kompensację systemów sterowania w celu dostosowania generacji do zmieniającego się środowiska.

Bezwładność stała się przedmiotem większego zainteresowania, ponieważ nowsze technologie wytwarzania energii odnawialnej zwiększyły swój wpływ na sieci elektryczne. Nowsze technologie odnawialne łączą swoje źródło wytwarzania z siecią elektryczną za pośrednictwem falowników, które nie zapewniają żadnej bezwładności reszcie systemu. Podobnie technologie odnawialne umożliwiają wycofanie technologii starszej generacji, co skutkuje mniejszą bezwładnością systemu. Ten spadek bezwładności potęguje spadek dużych silników przemysłowych.

¹ _{Uwaga: to źródło jest nieco stronnicze, ponieważ sprzedaje produkt związany z bezwładnością sieci}

Niniejsza prezentacja przedstawia niektóre szczegóły dotyczące obliczania bezwładności systemu.

Dynamikę mechaniczną modeluje się za pomocą równania różniczkowego drugiego rzędu:

$J\frac{d^2\theta}{dt^2}=T_m - T_e$

$\theta$ : kąt (rad) wirnika w stosunku do odniesienia stacjonarnego. : moment bezwładności. : moment mechaniczny z turbiny. : moment elektryczny na wirniku.
$J$
$T_m$
$T_e$

Stamtąd musiałbyś zsumować bezwładność zapewnianą przez wszystkie główne źródła. Jest to oczywiście nietrywialne zadanie, ponieważ harmonogramy wytwarzania różnią się, podobnie jak harmonogramy produkcji dla dużych gałęzi przemysłu. Musisz także wziąć pod uwagę preferowaną prędkość narastania generatorów, która będzie się różnić w zależności od źródła paliwa.

Aby udzielić negatywnej odpowiedzi na twoje pytanie - myślę, że właśnie te aspekty sprawiają, że tak trudno jest omówić bezwładność systemu w sposób ilościowy. Istnieje zbyt wiele zmiennych, a środowisko jest dynamiczne. Być może można by określić bezwładność dla małego regionu, ale z pewnością nie dla regionu typowego organu równoważącego lub w skali krajowej.

Kilka wniosków końcowych:

Pesymista może argumentować, że niezawodność systemu jest skazana z powodu spadku całkowitej bezwładności systemu i że zobaczymy więcej braków i awarii w ramach modernizacji ogólnej sieci energetycznej.

Ta perspektywa jest jednak nieco ponura. Władze bilansujące mogą wymagać udostępnienia większej liczby rezerw wirujących , co może zapewnić szybkie (er) generowanie odpowiedzi na zlokalizowane zakłócenia równowagi w sieci. Podobnie krajowe komitety ds. Energii mogą zapewnić rekompensatę na rynku arbitrażowym dostawcom szybkich napięć i częstotliwości, takim jak masowe systemy magazynowania energii elektrycznej w skali sieci (BES).

Oczywiście te zmiany nie przyjdą za darmo - potrzeba zapasów paliwa, aby zapewnić rezerwy na spinning, a BES w skali siatki nie są tanie. Wyzwania są jednak do pokonania, nawet jeśli decyzje muszą być podejmowane na podstawie dowodów empirycznych.

Reakcja bezwładnościowa generatora charakteryzuje się stałą bezwładności H, z jednostkami sekund, zdefiniowanymi jako ( Samarakoon , p40):

stosunek energii kinetycznej zawartej w prędkością synchroniczną do generatora kVA lub MVA znamionowej, .$\omega$$S$

Równoważną stałą bezwładności dla całego układu można oszacować: ( Ekanayake, Jenkins, Strbac )

Wartość dla systemu GB (w 2008 r.) Została oszacowana na 9 s (według Samarakoon ), a przewiduje się, że spadnie do 3 s w 2020 r. Przy wysokiej penetracji wiatru.

Podczas modelowania odpowiedzi bezwładnościowej (częściej określanej jako odpowiedź częstotliwościowa) system mocy można uprościć do funkcji przenoszenia ( Ekanayake, Jenkins, Strbac ):

$D$ jest znany jako współczynnik tłumienia - termin ten obejmuje odpowiedź od zapotrzebowania zależnego od częstotliwości ( Mu, Wu, Ekanayake, Jenkins, Jia ).

Dostępne proxy dla stałej bezwładności to podstawowa charakterystyka kontroli częstotliwości ¹ wymagana przez każdego operatora systemu (MW / Hz). Są one porównywane dla 8 różnych systemów przez Rebours i in . ; od 20570 MW / Hz dla UCTE (Unii ds. Koordynacji Przesyłu Energii Elektrycznej - europejski system synchroniczny) do około 600 MW / Hz dla Belgii.

Ponieważ generatory o mniejszej bezwładności (np. Wiatr) wypierają generatory o wyższej intertii (tj. Para wodna), stała bezwładności ma tendencję do opadania. Oznacza to, że w celu utrzymania ogólnej stabilności generatory muszą szybciej reagować na generowanie nagłych zmian lub zmiany popytu. Jest to często cytowane jako czynnik ograniczający w połączeniu wiatru, zwłaszcza z mniejszymi sieciami „wyspowymi” (np. Lalor, Mullane, O'Malley ).

^{1 - Uwaga: odpowiedź pierwotna / wtórna / trzeciorzędna / rezerwa są definiowane na różne sposoby w różnych systemach energetycznych, jak zauważył Rebours .}