Frequenzregelung im Stromnetz

In elektrischen Energiesystemen muss zu jedem Zeitpunkt so viel Strom erzeugt werden, wie für den Verbrauch zu einem bestimmten Zeitpunkt erforderlich ist, da es unmöglich ist, elektrische Energiereserven zu schaffen.

Die Frequenz ist neben der Spannung einer der Hauptfaktoren Indikatoren für die Stromqualität... Abweichungen der Frequenz vom Normalzustand führen zu Betriebsstörungen von Kraftwerken, die in der Regel zur Verbrennung von Brennstoffen führen. Eine Verringerung der Frequenz im System führt zu einer Verringerung der Produktivität von Mechanismen in Industrieunternehmen und zu einer Verringerung der Effizienz der Haupteinheiten von Kraftwerken. Eine Erhöhung der Frequenz führt auch zu einer Verringerung des Wirkungsgrades von Kraftwerksblöcken und zu einer Erhöhung der Netzverluste.

Das Problem der automatischen Frequenzregulierung umfasst derzeit ein breites Spektrum wirtschaftlicher und technischer Fragen. Das Stromnetz führt derzeit eine automatische Frequenzregelung durch.

Einfluss der Frequenz auf den Betrieb von Kraftwerksanlagen

Alle Einheiten, die eine Drehbewegung ausführen, sind so berechnet, dass ihr höchster Wirkungsgrad dreimal ab einer ganz bestimmten Drehzahl erreicht wird, und zwar bei der Nenndrehzahl. Heutzutage sind die Drehbewegungen überwiegend mit elektrischen Maschinen verbunden.

Die Erzeugung und der Verbrauch elektrischer Energie erfolgt überwiegend mit Wechselstrom; Daher sind die meisten Blöcke, die eine Drehbewegung ausführen, mit der Frequenz des Wechselstroms verbunden. So wie die vom Generator erzeugte Frequenz der Lichtmaschine von der Drehzahl der Turbine abhängt, hängt auch die Drehzahl des vom Wechselstrommotor angetriebenen Mechanismus von der Frequenz ab.

Abweichungen der Wechselstromfrequenz vom Nennwert wirken sich unterschiedlich auf verschiedene Gerätetypen sowie auf verschiedene Geräte und Apparate aus, von denen die Effizienz des Energiesystems abhängt.

Die Dampfturbine und ihre Schaufeln sind so ausgelegt, dass bei Nenndrehzahl (Frequenz) und lückenlosem Dampfeintrag die maximal mögliche Wellenleistung bereitgestellt wird. Dabei führt eine Verringerung der Drehzahl zum Auftreten von Verlusten für die Dampfbeaufschlagung der Schaufel bei gleichzeitiger Erhöhung des Drehmoments, eine Erhöhung der Drehzahl zu einer Verringerung des Drehmoments und einer Erhöhung des Drehmoments Aufprall auf die Rückseite der Klinge. Die wirtschaftlichste Turbine arbeitet bei Nennfrequenz.

Darüber hinaus führt der Betrieb mit reduzierter Frequenz zu einem beschleunigten Verschleiß der Turbinenrotorschaufeln und anderer Teile.Die Frequenzänderung beeinflusst den Betrieb der Eigenverbrauchsmechanismen des Kraftwerks.

Einfluss der Frequenz auf die Leistung von Stromverbrauchern

Mechanismen und Einheiten von Stromverbrauchern lassen sich nach dem Grad ihrer Frequenzabhängigkeit in fünf Gruppen einteilen.

Erste Gruppe. Benutzer, deren Frequenzänderung keinen direkten Einfluss auf die entwickelte Leistung hat. Dazu gehören: Beleuchtung, Lichtbogenöfen, Leckwiderstände, Gleichrichter und von ihnen gespeiste Lasten.

Zweite Gruppe. Mechanismen, deren Leistung proportional zur ersten Potenz der Frequenz variiert. Zu diesen Mechanismen gehören: Metallschneidemaschinen, Kugelmühlen, Kompressoren.

Dritte Gruppe. Mechanismen, deren Leistung proportional zum Quadrat der Frequenz ist. Dabei handelt es sich um Mechanismen, deren Widerstandsmoment im ersten Grad proportional zur Frequenz ist. Es gibt keine Mechanismen mit genau diesem Widerstandsmoment, aber eine Reihe spezieller Mechanismen haben ein Moment, das diesem nahekommt.

Vierte Gruppe. Lüfterdrehmomentmechanismen, deren Leistung proportional zur dritten Potenz der Frequenz ist. Zu diesen Mechanismen gehören Ventilatoren und Pumpen ohne oder mit vernachlässigbarem statischem Druckwiderstand.

Fünfte Gruppe. Mechanismen, deren Leistung in höherem Maße von der Frequenz abhängt. Zu diesen Mechanismen gehören Pumpen mit einer großen statischen Widerstandshöhe (z. B. Speisepumpen von Kraftwerken).

Die Leistung der letzten vier Benutzergruppen nimmt mit abnehmender Häufigkeit ab und steigt mit zunehmender Häufigkeit. Auf den ersten Blick scheint es für die Nutzer von Vorteil zu sein, häufiger zu arbeiten, doch das ist bei weitem nicht der Fall.

Darüber hinaus nimmt mit zunehmender Frequenz das Drehmoment des Induktionsmotors ab, was dazu führen kann, dass das Gerät ins Stocken gerät und stoppt, wenn der Motor keine Leistungsreserven mehr hat.

Automatische Frequenzregelung im Stromnetz

Der Zweck der automatischen Frequenzregelung in Energiesystemen besteht in erster Linie darin, einen wirtschaftlichen Betrieb von Stationen und Energiesystemen sicherzustellen. Die Effizienz des Betriebs des Energiesystems kann nicht ohne Beibehaltung des normalen Frequenzwerts und ohne die günstigste Lastverteilung zwischen den parallel arbeitenden Einheiten und den Kraftwerken des Energiesystems erreicht werden.

Zur Frequenzregelung wird die Last auf mehrere parallele Arbeitseinheiten (Stationen) verteilt. Gleichzeitig wird die Last so auf die Einheiten verteilt, dass sich bei geringfügigen Änderungen der Systemlast (bis zu 5-10 %) die Betriebsart der großen Anzahl von Einheiten und Stationen nicht ändert.

Bei einem variablen Charakter der Last ist der beste Modus derjenige, bei dem der Hauptteil der Blöcke (Stationen) die Last entsprechend der Bedingung der Gleichheit der relativen Schritte trägt und kleine und kurze Lastschwankungen durch Änderungen abgedeckt werden die Belastung eines kleinen Teils aus den Einheiten.

Bei der Lastverteilung auf die parallel arbeitenden Einheiten versuchen sie sicherzustellen, dass alle im Bereich höchster Effizienz arbeiten. In diesem Fall ist ein minimaler Kraftstoffverbrauch gewährleistet.

Die Einheiten haben die Aufgabe, alle ungeplanten Laständerungen abzudecken, d. h. Die Frequenzregelung im System muss folgende Anforderungen erfüllen:

• eine hohe Effizienz haben;

• haben eine flache Lastwirkungsgradkurve, d.h. Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz über einen weiten Bereich von Lastschwankungen.

Im Falle einer erheblichen Änderung der Belastung des Systems (z. B. seiner Erhöhung), wenn das gesamte System in einen Betriebsmodus mit einem größeren Wert der relativen Verstärkung umschaltet, wird die Frequenzsteuerung auf eine solche Station übertragen wobei die Größe des relativen Gewinns nahe an der des Systems liegt.

Die Frequenzstation verfügt innerhalb ihrer installierten Leistung über den größten Regelbereich. Die Regelungsbedingungen sind einfach umzusetzen, wenn die Frequenzregelung einer einzelnen Station zugeordnet werden kann. Eine noch einfachere Lösung ergibt sich in den Fällen, in denen die Regelung einer einzelnen Einheit zugeordnet werden kann.

Die Drehzahl der Turbinen bestimmt die Frequenz im Stromnetz, daher wird die Frequenz durch Einwirkung auf die Drehzahlregler der Turbinen gesteuert. Turbinen sind üblicherweise mit Fliehkraftreglern ausgestattet.

Für die Frequenzregelung eignen sich am besten Kondensationsturbinen mit normalen Dampfparametern. Gegendruckturbinen sind für die Frequenzregelung völlig ungeeignete Turbinentypen, da ihre elektrische Belastung vollständig vom Dampfnutzer bestimmt wird und nahezu völlig unabhängig von der Frequenz im System ist.

Es ist unpraktisch, Turbinen mit großer Dampfsaugleistung die Aufgabe der Frequenzregelung zu übertragen, da sie erstens einen sehr kleinen Regelbereich haben und zweitens für den Betrieb mit variabler Last unwirtschaftlich sind.

Um den erforderlichen Regelbereich einzuhalten, sollte die Leistung der Frequenzregelstation mindestens 8 - 10 % der Last im System betragen, damit ein ausreichender Regelbereich vorhanden ist. Der Regelbereich des Wärmekraftwerks kann nicht der installierten Leistung entsprechen. Daher sollte die Leistung des BHKW, das die Frequenz je nach Kessel- und Turbinentyp anpasst, zwei- bis dreimal höher sein als der erforderliche Regelbereich.

Die kleinste installierte Leistung des Wasserkraftwerks zur Schaffung des notwendigen Regelbereichs kann deutlich geringer sein als die thermische. Bei Wasserkraftwerken entspricht der Regelbereich in der Regel der installierten Leistung. Wenn die Frequenz durch ein Wasserkraftwerk gesteuert wird, gibt es ab dem Start der Turbine keine Begrenzung für die Geschwindigkeit des Lastanstiegs. Allerdings ist die Frequenzregelung von Wasserkraftwerken mit der bekannten Komplikation der Steuerungsausrüstung verbunden.

Die Auswahl der Leitstelle wird neben Stationstyp und Ausstattungsmerkmalen auch durch deren Lage im elektrischen Netz beeinflusst, nämlich durch den elektrischen Abstand zum Lastschwerpunkt. Befindet sich die Station im Zentrum der elektrischen Last und ist über leistungsstarke Stromleitungen mit Umspannwerken und anderen Stationen des Systems verbunden, führt eine Erhöhung der Belastung der Regelstation in der Regel nicht zu einer Verletzung von statische Stabilität.

Umgekehrt besteht die Gefahr einer Instabilität, wenn die Kontrollstation weit vom Zentrum des Systems entfernt ist.In diesem Fall muss die Frequenzregelung mit einer Steuerung des Divergenzwinkels der e-Vektoren einhergehen. usw. c. System und Station zur Verwaltung oder Steuerung der übertragenen Leistung.

Die Hauptanforderungen an Frequenzregelsysteme regeln:

• Parameter und Einstellgrenzen,

• statischer und dynamischer Fehler,

• die Änderungsrate der Blocklast,

• Gewährleistung der Stabilität des Regulierungsprozesses,

• die Fähigkeit, durch eine bestimmte Methode zu regulieren.

Regler sollten einfach aufgebaut, zuverlässig im Betrieb und kostengünstig sein.

Frequenzregelungsmethoden im Energiesystem

Das Wachstum der Energiesysteme führte dazu, dass die Frequenz mehrerer Blöcke einer Station und dann mehrerer Stationen reguliert werden musste. Zu diesem Zweck werden verschiedene Methoden eingesetzt, um einen stabilen Betrieb des Stromnetzes und eine hohe Frequenzqualität sicherzustellen.

Das angewandte Steuerungsverfahren darf keine Erhöhung der Frequenzabweichungsgrenzen aufgrund von Fehlern in Hilfsgeräten (aktive Lastverteilungsgeräte, Telemetriekanäle usw.) zulassen.

Die Methode der Frequenzregelung ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Frequenz auf einem bestimmten Niveau gehalten wird, unabhängig von der Belastung der Frequenzregeleinheiten (es sei denn natürlich, ihr gesamter Regelbereich wird genutzt), der Anzahl der Einheiten und der Frequenzregelstationen und die Größe und Dauer der Frequenzabweichung.… Das Steuerungsverfahren muss außerdem die Einhaltung eines bestimmten Lastverhältnisses der Steuereinheiten und den gleichzeitigen Eintritt aller Einheiten, die die Frequenz steuern, in den Regelungsprozess gewährleisten.

Methode der statischen Eigenschaften

Die einfachste Methode ergibt sich durch die Anpassung der Frequenz aller Einheiten im System, wenn diese mit Geschwindigkeitsreglern mit statischer Charakteristik ausgestattet sind. Im Parallelbetrieb von Blöcken, die ohne Verschiebung der Regelcharakteristik arbeiten, kann die Lastverteilung zwischen den Blöcken aus den statischen Kennliniengleichungen und den Leistungsgleichungen ermittelt werden.

Während des Betriebs überschreiten die Lastwechsel die angegebenen Werte erheblich, sodass die Frequenz nicht innerhalb der angegebenen Grenzen gehalten werden kann. Bei dieser Regelungsmethode ist eine große rotierende Reserve erforderlich, die über alle Einheiten des Systems verteilt ist.

Diese Methode kann keinen wirtschaftlichen Betrieb von Kraftwerken gewährleisten, da einerseits die Kapazität wirtschaftlicher Blöcke nicht voll ausgenutzt werden kann und andererseits die Belastung aller Blöcke sich ständig ändert.

Methode mit astatischer Charakteristik

Wenn alle oder ein Teil der Systemeinheiten mit Frequenzreglern mit astatischer Charakteristik ausgestattet sind, bleibt die Frequenz im System theoretisch bei allen Laständerungen unverändert. Allerdings führt diese Regelungsmethode nicht zu einem festen Lastverhältnis zwischen den frequenzgesteuerten Einheiten.

Diese Methode kann erfolgreich angewendet werden, wenn die Frequenzsteuerung einem einzelnen Gerät zugewiesen wird.In diesem Fall sollte die Leistung des Geräts mindestens 8 – 10 % der Systemleistung betragen. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Drehzahlregler eine astatische Kennlinie hat oder das Gerät mit einem Frequenzregler mit astatischer Kennlinie ausgestattet ist.

Alle ungeplanten Lastwechsel werden von einer Einheit mit astatischer Charakteristik wahrgenommen. Da die Frequenz im System unverändert bleibt, bleiben auch die Belastungen der anderen Einheiten des Systems unverändert. Die Frequenzregelung einer einzelnen Einheit ist bei dieser Methode perfekt, erweist sich jedoch als inakzeptabel, wenn die Frequenzregelung mehreren Einheiten zugewiesen wird. Dieses Verfahren wird zur Regelung in Stromnetzen mit geringer Leistung eingesetzt.

Generatormethode

Die Master-Generator-Methode kann in Fällen eingesetzt werden, in denen es je nach Systembedingungen erforderlich ist, die Frequenz mehrerer Einheiten an derselben Station anzupassen.

Auf einem der Blöcke, dem sogenannten Hauptblock, ist ein Frequenzregler mit astatischer Charakteristik installiert. Auf den übrigen Blöcken sind Lastregler (Equalizer) installiert, die auch für die Frequenzregelung zuständig sind. Ihre Aufgabe ist es, ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Belastung der Master-Einheit und den anderen Einheiten aufrechtzuerhalten, die zur Regulierung der Frequenz beitragen. Alle Turbinen im System verfügen über statische Drehzahlregler.

Die Methode des imaginären Etatismus

Die imaginäre statische Methode ist sowohl auf die Einzelstations- als auch auf die Mehrstationsregelung anwendbar.Im zweiten Fall müssen bidirektionale Telemetriekanäle zwischen den Stationen, die die Frequenz anpassen, und der Leitwarte vorhanden sein (Übertragung der Lastanzeige von der Station zur Leitwarte und Übertragung des automatischen Befehls von der Leitwarte zur Station). ).

Auf jedem an der Regelung beteiligten Gerät ist ein Frequenzregler installiert. Diese Regelung ist astatisch hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Frequenz im System und statisch hinsichtlich der Lastverteilung auf die Generatoren. Es gewährleistet eine stabile Lastverteilung zwischen den modulierenden Generatoren.

Die Lastverteilung zwischen den frequenzgesteuerten Geräten wird durch ein aktives Lastverteilungsgerät erreicht. Letzterer fasst die gesamte Belastung der Steuergeräte zusammen und teilt sie in einem bestimmten vorgegebenen Verhältnis auf diese auf.

Die Methode des imaginären Statismus ermöglicht es auch, die Frequenz in einem System aus mehreren Stationen zu regulieren und gleichzeitig das vorgegebene Lastverhältnis sowohl zwischen Stationen als auch zwischen einzelnen Einheiten einzuhalten.

Synchrone Zeitmethode

Diese Methode nutzt die Abweichung der synchronen Zeit von der astronomischen Zeit als Kriterium für die Frequenzregelung in Mehrstationen-Stromversorgungssystemen ohne den Einsatz von Telemechanik. Diese Methode basiert auf der statischen Abhängigkeit der Abweichung der synchronen Zeit von der astronomischen Zeit ab einem bestimmten Zeitpunkt.

Bei normaler Synchrondrehzahl der Rotoren der Turbinengeneratoren des Systems und Gleichheit der Drehmomente und Widerstandsmomente dreht sich der Rotor des Synchronmotors mit der gleichen Drehzahl. Wird ein Pfeil auf die Rotorachse eines Synchronmotors gelegt, zeigt dieser die Zeit in einem bestimmten Maßstab an. Durch die Platzierung eines geeigneten Getriebes zwischen der Welle des Synchronmotors und der Zeigerachse ist es möglich, den Zeiger mit der Geschwindigkeit des Stunden-, Minuten- oder Sekundenzeigers der Uhr rotieren zu lassen.

Die durch diesen Pfeil angezeigte Zeit wird Synchronzeit genannt. Die astronomische Zeit wird aus genauen Zeitquellen oder aus Stromfrequenzstandards abgeleitet.

Eine Methode zur gleichzeitigen Steuerung astatischer und statischer Eigenschaften

Der Kern dieser Methode ist wie folgt. Im Stromnetz gibt es zwei Regelstationen, eine davon arbeitet nach der astatischen Kennlinie und die zweite nach der statischen mit einem kleinen statischen Koeffizienten. Bei geringen Abweichungen des tatsächlichen Lastplans von der Leitwarte werden eventuelle Lastschwankungen von einer Station mit astatischer Charakteristik wahrgenommen.

In diesem Fall beteiligt sich eine Regelstation mit statischer Kennlinie nur im Übergangsmodus an der Regelung, wodurch große Frequenzabweichungen vermieden werden. Wenn der Einstellbereich der ersten Station erschöpft ist, beginnt die zweite Station mit der Anpassung. In diesem Fall unterscheidet sich der neue stationäre Frequenzwert vom Nennwert.

Während die erste Station die Frequenz steuert, bleibt die Belastung der Basisstationen unverändert. Bei Anpassung durch die zweite Station weicht die Belastung der Basisstationen von der wirtschaftlichen ab.Die Vor- und Nachteile dieser Methode liegen auf der Hand.

Power Lock-Verwaltungsmethode

Diese Methode besteht darin, dass jedes der an der Verbindung beteiligten Stromnetze nur dann an der Frequenzregelung teilnimmt, wenn die Frequenzabweichung durch eine Laständerung darin verursacht wird. Die Methode basiert auf der folgenden Eigenschaft vernetzter Energiesysteme.

Wenn die Last in einem Energiesystem zugenommen hat, geht eine Verringerung der Frequenz in diesem mit einer Verringerung der gegebenen Austauschleistung einher, während in anderen Energiesystemen eine Verringerung der Frequenz mit einer Erhöhung der gegebenen Austauschleistung einhergeht.

Dies liegt daran, dass alle Geräte mit statischer Regelcharakteristik, die versuchen, die Frequenz aufrechtzuerhalten, die Ausgangsleistung erhöhen. So stimmen für ein Stromnetz, in dem ein Lastwechsel stattgefunden hat, das Vorzeichen der Frequenzabweichung und das Vorzeichen der Wechselleistungsabweichung überein, in anderen Stromnetzen sind diese Vorzeichen jedoch nicht gleich.

Jedes Stromnetz verfügt über eine Kontrollstation, in der Frequenzregler und ein Wechselstrom-Sperrrelais installiert sind.

Es ist auch möglich, in einem der Systeme einen durch ein Leistungsaustauschrelais blockierten Frequenzregler und in einem benachbarten Stromversorgungssystem einen durch ein Frequenzrelais blockierten Austauschleistungsregler zu installieren.

Die zweite Methode hat gegenüber der ersten einen Vorteil, wenn der Wechselstromregler mit der Nennfrequenz betrieben werden kann.

Wenn sich die Last in einem Stromnetz ändert, fallen die Vorzeichen von Frequenzabweichungen und Austauschleistung zusammen, der Steuerkreis wird nicht blockiert und unter der Wirkung des Frequenzreglers nimmt die Belastung der Blöcke dieses Systems zu oder ab. In anderen Stromversorgungssystemen sind die Vorzeichen der Frequenzabweichung und der Austauschleistung unterschiedlich und daher sind die Regelkreise blockiert.

Die Regelung nach dieser Methode erfordert das Vorhandensein von Fernsehkanälen zwischen der Umspannstation, von der die Verbindungsleitung zu einem anderen Stromnetz abgeht, und der Station, die die Frequenz oder den Austauschfluss regelt. Die Blockiersteuerungsmethode kann erfolgreich in Fällen angewendet werden, in denen die Stromnetze nur über eine Verbindung miteinander verbunden sind.

Frequenzsystemmethode

In einem Verbundsystem, das mehrere Energiesysteme umfasst, wird die Frequenzsteuerung manchmal einem System zugewiesen, während die anderen die übertragene Leistung steuern.

Interne Statismusmethode

Diese Methode ist eine Weiterentwicklung der Control-Blocking-Methode. Das Blockieren oder Verstärken der Wirkung des Frequenzreglers erfolgt nicht durch spezielle Leistungsrelais, sondern durch die Erzeugung von Statismus in der übertragenen (Austausch-)Leistung zwischen den Systemen.

In jedem der parallel betriebenen Energiesysteme ist eine Regelstation zugeordnet, auf der Regler installiert sind, die in Bezug auf die Wechselleistung einen Etatismus aufweisen. Regler reagieren sowohl auf den absoluten Wert der Frequenz als auch auf die Austauschleistung, wobei letztere konstant gehalten wird und die Frequenz gleich dem Nennwert ist.

In der Praxis bleibt im Stromnetz tagsüber die Last nicht unverändert, aber auch die Änderungen gemäß Lastplan, die Anzahl und Leistung der Generatoren im System und die vorgegebene Wechselleistung bleiben nicht unverändert. Daher bleibt der statische Koeffizient des Systems nicht konstant.

Bei einer höheren Erzeugungsleistung im System ist diese kleiner und bei geringerer Leistung ist im Gegenteil der statische Koeffizient des Systems höher. Daher wird die erforderliche Bedingung der Gleichheit der Statismuskoeffizienten nicht immer erfüllt sein. Dies führt dazu, dass bei Laständerungen in einem Netz die Frequenzumrichter beider Netze in Aktion treten.

In einem Stromnetz, in dem eine Lastabweichung aufgetreten ist, wirkt der Frequenzumrichter während des gesamten Regelungsprozesses ständig in eine Richtung und versucht, das resultierende Ungleichgewicht auszugleichen. Im zweiten Energiesystem wird der Betrieb des Frequenzreglers bidirektional sein.

Wenn der Stat-Koeffizient des Reglers im Verhältnis zur Austauschleistung größer ist als der Stat-Koeffizient des Systems, dann wird die Steuerstation dieses Stromsystems zu Beginn des Regulierungsprozesses die Last reduzieren und dadurch die Austauschleistung erhöhen. und danach die Last erhöhen, um den eingestellten Wert der Austauschleistung bei der Nennfrequenz wiederherzustellen.

Wenn der Stat-Koeffizient des Reglers in Bezug auf die Austauschleistung kleiner ist als der Stat-Koeffizient des Systems, wird die Steuerungssequenz im zweiten Stromsystem umgekehrt (zunächst erhöht sich die Akzeptanz des Antriebsfaktors und dann wird sie erhöht). verringern).