Regolazione della frequenza nel sistema di alimentazione

Negli impianti elettrici di potenza, in un dato momento, deve essere generata la quantità di elettricità necessaria per il consumo in un dato momento, poiché è impossibile creare riserve di energia elettrica.

La frequenza insieme alla tensione è una delle principali indicatori di qualità dell'energia... La deviazione della frequenza dal normale porta all'interruzione del funzionamento delle centrali elettriche, che, di norma, porta alla combustione del carburante. Una diminuzione della frequenza nel sistema porta ad una diminuzione della produttività dei meccanismi nelle imprese industriali e ad una diminuzione dell'efficienza delle unità principali delle centrali elettriche. Un aumento della frequenza comporta anche una diminuzione dell'efficienza delle unità di centrale e un aumento delle perdite di rete.

Attualmente, il problema della regolazione automatica delle frequenze copre un'ampia gamma di questioni di natura economica e tecnica. Il sistema di alimentazione sta attualmente eseguendo la regolazione automatica della frequenza.

Effetto della frequenza sul funzionamento delle apparecchiature delle centrali elettriche

Tutte le unità che eseguono il movimento rotatorio sono calcolate in modo tale che la loro massima efficienza sia realizzata tre volte da una velocità di rotazione molto specifica, vale a dire a quella nominale. Attualmente le unità che effettuano moto rotatorio sono per la maggior parte collegate a macchine elettriche.

La produzione ed il consumo di energia elettrica avviene prevalentemente in corrente alternata; pertanto, la maggior parte dei blocchi che eseguono il movimento rotatorio sono associati alla frequenza della corrente alternata. Infatti, così come la frequenza dell'alternatore generato dall'alternatore dipende dalla velocità della turbina, così la velocità del meccanismo azionato dal motore a corrente alternata dipende dalla frequenza.

Le deviazioni della frequenza della corrente alternata dal valore nominale hanno un effetto diverso su diversi tipi di unità, nonché su diversi dispositivi e apparecchi da cui dipende l'efficienza del sistema di alimentazione.

La turbina a vapore e le sue pale sono progettate in modo tale da fornire la massima potenza possibile all'albero alla velocità nominale (frequenza) e all'ingresso di vapore continuo. In questo caso, una diminuzione della velocità di rotazione porta al verificarsi di perdite per urto del vapore sulla lama con un contemporaneo aumento della coppia, e un aumento della velocità di rotazione porta ad una diminuzione della coppia e ad un aumento della urto sul lato posteriore della lama. La turbina più economica lavora a frequenza nominale.

Inoltre, il funzionamento a una frequenza ridotta comporta un'usura accelerata delle pale del rotore della turbina e di altre parti.La variazione di frequenza influisce sul funzionamento dei meccanismi di autoconsumo della centrale.

Effetto della frequenza sulle prestazioni dei consumatori di energia elettrica

I meccanismi e le unità dei consumatori di elettricità possono essere suddivisi in cinque gruppi in base al grado di dipendenza dalla frequenza.

Primo gruppo. Utenti il ​​cui cambio di frequenza non ha effetti diretti sulla potenza sviluppata. Questi includono: illuminazione, forni elettrici ad arco, perdite di resistenza, raddrizzatori e carichi da essi alimentati.

Secondo gruppo. Meccanismi la cui potenza varia in proporzione alla prima potenza della frequenza. Questi meccanismi includono: macchine per il taglio dei metalli, mulini a sfere, compressori.

Terzo gruppo. Meccanismi la cui potenza è proporzionale al quadrato della frequenza. Si tratta di meccanismi il cui momento di resistenza è proporzionale alla frequenza nel primo grado. Non ci sono meccanismi con questo esatto momento di resistenza, ma un certo numero di meccanismi speciali hanno un momento che si avvicina a questo.

Quarto gruppo. Meccanismi di coppia del ventilatore la cui potenza è proporzionale al cubo della frequenza. Tali meccanismi includono ventilatori e pompe con resistenza al carico statico nulla o trascurabile.

Quinto gruppo. Meccanismi la cui potenza dipende in misura maggiore dalla frequenza. Tali meccanismi includono pompe con una grande prevalenza statica (ad esempio pompe di alimentazione di centrali elettriche).

Le prestazioni degli ultimi quattro gruppi di utenti diminuiscono con la diminuzione della frequenza e aumentano con l'aumentare della frequenza. A prima vista, sembra che sia vantaggioso per gli utenti lavorare con una frequenza maggiore, ma questo è tutt'altro che vero.

Inoltre, all'aumentare della frequenza, la coppia del motore a induzione diminuisce, il che può causare lo stallo e l'arresto del dispositivo se il motore non ha riserve di potenza.

Controllo automatico della frequenza nel sistema di alimentazione

Lo scopo del controllo automatico della frequenza nei sistemi di alimentazione è principalmente quello di garantire un funzionamento economico delle stazioni e dei sistemi di alimentazione. L'efficienza del funzionamento del sistema di potenza non può essere raggiunta senza il mantenimento del normale valore di frequenza e senza la più favorevole distribuzione del carico tra le unità di lavoro in parallelo e le centrali del sistema di potenza.

Per regolare la frequenza, il carico viene distribuito tra più unità di lavoro parallele (stazioni). Allo stesso tempo, il carico è distribuito tra le unità in modo tale che con piccole modifiche al carico del sistema (fino al 5-10%), la modalità operativa dell'enorme numero di unità e stazioni non cambia.

Con una natura variabile del carico, la modalità migliore sarà quella in cui la parte principale dei blocchi (stazioni) porta il carico corrispondente alla condizione di uguaglianza dei passi relativi e le piccole e brevi fluttuazioni del carico sono coperte cambiando il carico di una piccola parte dalle unità.

Quando distribuiscono il carico tra le unità che lavorano in parallelo, cercano di garantire che funzionino tutte nell'area di massima efficienza, in questo caso è garantito il minimo consumo di carburante.

Le unità incaricate di coprire tutte le modifiche di carico non pianificate, ad es. la regolazione della frequenza nel sistema deve soddisfare i seguenti requisiti:

• avere alta efficienza;

• avere una curva di efficienza del carico piatta, ad es. mantenere un'elevata efficienza in un'ampia gamma di variazioni di carico.

In caso di variazione significativa del carico del sistema (ad esempio, il suo aumento), quando l'intero sistema passa a una modalità di funzionamento con un valore maggiore del guadagno relativo, il controllo della frequenza viene trasferito a tale stazione in dove l'entità del guadagno relativo è prossima a quella del sistema.

La stazione di frequenza ha la gamma di controllo più ampia all'interno della sua potenza installata. Le condizioni di controllo sono facili da implementare se il controllo della frequenza può essere assegnato a una singola stazione. Una soluzione ancora più semplice si ottiene nei casi in cui la regolazione può essere affidata ad una singola unità.

La velocità delle turbine determina la frequenza nel sistema di alimentazione, quindi la frequenza è controllata agendo sui regolatori di velocità della turbina. Le turbine sono generalmente dotate di regolatori di velocità centrifughi.

Le più adatte per il controllo della frequenza sono le turbine a condensazione con normali parametri del vapore Le turbine a contropressione sono tipi di turbine del tutto inadeguate per il controllo della frequenza, poiché il loro carico elettrico è determinato interamente dall'utente del vapore ed è quasi completamente indipendente dalla frequenza nel sistema .

Non è pratico affidare il compito di regolazione della frequenza a turbine con grandi aspirazioni di vapore, perché, in primo luogo, hanno un campo di regolazione molto piccolo e, in secondo luogo, sono antieconomiche per il funzionamento a carico variabile.

Per mantenere l'intervallo di controllo richiesto, la potenza della stazione di controllo della frequenza dovrebbe essere almeno l'8 - 10% del carico nel sistema in modo che vi sia un intervallo di controllo sufficiente. Il campo di regolazione della centrale termica non può essere pari alla potenza installata. Pertanto, la potenza del CHP, che regola la frequenza, a seconda dei tipi di caldaie e turbine, dovrebbe essere da due a tre volte superiore all'intervallo di regolazione richiesto.

La minima potenza installata dell'impianto idroelettrico per creare il campo di regolazione necessario può essere significativamente inferiore a quella termica. Per gli impianti idroelettrici il range di regolazione è solitamente pari alla potenza installata. Quando la frequenza è controllata da un impianto idroelettrico, non c'è limite alla velocità di incremento del carico a partire dal momento in cui la turbina viene avviata. Tuttavia, la regolazione della frequenza degli impianti idroelettrici è associata alla ben nota complicazione delle apparecchiature di controllo.

Oltre al tipo di stazione e alle caratteristiche dell'apparecchiatura, la selezione della stazione di controllo è influenzata dalla sua posizione nell'impianto elettrico, vale a dire la distanza elettrica dal centro di carico. Se la stazione si trova al centro del carico elettrico ed è collegata a sottostazioni e altre stazioni del sistema tramite potenti linee elettriche, quindi, di norma, un aumento del carico della stazione di regolazione non comporta una violazione di stabilità statica.

Viceversa, quando la postazione di comando si trova lontano dal centro del sistema, potrebbe esserci un rischio di instabilità.In questo caso, la regolazione della frequenza deve essere accompagnata dal controllo dell'angolo di divergenza dei vettori e. eccetera. c) sistema e stazione per la gestione o il controllo della potenza trasmessa.

I requisiti principali per i sistemi di controllo della frequenza regolano:

• parametri e limiti di regolazione,

• errore statico e dinamico,

• il tasso di variazione del carico del blocco,

• garantire la stabilità del processo normativo,

• la capacità di regolare con un dato metodo.

I regolatori dovrebbero essere semplici nel design, affidabili nel funzionamento e poco costosi.

Metodi di controllo della frequenza nel sistema di alimentazione

La crescita dei sistemi di alimentazione ha portato alla necessità di regolare la frequenza di più blocchi di una stazione, e quindi di più stazioni. A tale scopo, vengono utilizzati numerosi metodi per garantire un funzionamento stabile del sistema di alimentazione e la qualità dell'alta frequenza.

Il metodo di controllo applicato non deve consentire un aumento dei limiti di deviazione della frequenza a causa di errori che si verificano nei dispositivi ausiliari (dispositivi attivi di distribuzione del carico, canali di telemetria, ecc.).

Il metodo di regolazione della frequenza è necessario per garantire che la frequenza sia mantenuta a un determinato livello, indipendentemente dal carico sulle unità di controllo della frequenza (a meno che, ovviamente, non venga utilizzata l'intera gamma di controllo), dal numero di unità e dalle stazioni di controllo della frequenza , e l'entità e la durata della deviazione di frequenza.… Il metodo di controllo deve garantire anche il mantenimento di un dato rapporto di carico delle centraline e la contemporanea entrata nel processo di regolazione di tutte le centraline che controllano la frequenza.

Metodo delle caratteristiche statiche

Il metodo più semplice si ottiene regolando la frequenza di tutte le unità dell'impianto, quando queste ultime sono dotate di regolatori di velocità con caratteristiche statiche. Nel funzionamento in parallelo di blocchi funzionanti senza spostare le caratteristiche di controllo, la distribuzione dei carichi tra i blocchi può essere rilevata dalle equazioni delle caratteristiche statiche e dalle equazioni di potenza.

Durante il funzionamento, le variazioni di carico superano notevolmente i valori specificati, pertanto la frequenza non può essere mantenuta entro i limiti specificati. Con questo metodo di regolazione è necessario disporre di una grande riserva di rotazione distribuita su tutte le unità del sistema.

Questo metodo non può garantire un funzionamento economico delle centrali elettriche, poiché, da un lato, non può utilizzare l'intera capacità delle unità economiche e, dall'altro, il carico su tutte le unità cambia costantemente.

Metodo con caratteristica astatica

Se tutte o parte delle unità del sistema sono dotate di regolatori di frequenza con caratteristiche astatiche, teoricamente la frequenza nel sistema rimarrà invariata per eventuali variazioni del carico. Tuttavia, questo metodo di controllo non si traduce in un rapporto di carico fisso tra le unità controllate in frequenza.

Questo metodo può essere applicato con successo quando il controllo della frequenza è assegnato a una singola unità.In questo caso, la potenza del dispositivo dovrebbe essere almeno l'8-10% della potenza del sistema. Non importa se il regolatore di velocità ha una caratteristica astatica o il dispositivo è dotato di un regolatore di frequenza con una caratteristica astatica.

Tutte le variazioni di carico non pianificate sono percepite da un'unità con una caratteristica astatica. Poiché la frequenza nel sistema rimane invariata, i carichi sulle altre unità del sistema rimangono invariati. Il controllo della frequenza di una singola unità in questo metodo è perfetto, ma si rivela inaccettabile quando il controllo della frequenza è assegnato a più unità. Questo metodo viene utilizzato per la regolazione nei sistemi di alimentazione a bassa potenza.

Metodo del generatore

Il metodo del generatore master può essere utilizzato nei casi in cui, in base alle condizioni dell'impianto, è necessario regolare la frequenza di più unità nella stessa stazione.

Su uno dei blocchi, chiamato principale, è installato un regolatore di frequenza con caratteristica astatica. Sui restanti blocchi sono installati regolatori di carico (equalizzatori), che hanno anche il compito di regolare la frequenza. Hanno il compito di mantenere un determinato rapporto tra il carico sull'unità principale e le altre unità che aiutano a regolare la frequenza. Tutte le turbine del sistema sono dotate di regolatori di velocità statici.

Il metodo dello statalismo immaginario

Il metodo statico immaginario è applicabile sia alla regolazione a stazione singola che a quella multistazione.Nel secondo caso, devono essere presenti canali di telemetria bidirezionali tra le stazioni che regolano la frequenza e la sala controllo (trasmissione dell'indicazione del carico dalla stazione alla sala controllo e trasmissione dell'ordine automatico dalla sala controllo alla stazione ).

Su ogni dispositivo coinvolto nella regolazione è installato un regolatore di frequenza. Questa regolazione è astatica rispetto al mantenimento della frequenza nell'impianto e statica rispetto alla distribuzione dei carichi tra i generatori. Assicura una distribuzione stabile dei carichi tra i generatori modulanti.

La condivisione del carico tra i dispositivi controllati in frequenza si ottiene mediante un dispositivo di condivisione del carico attivo. Quest'ultimo, riassumendo l'intero carico delle centraline, lo ripartisce tra loro secondo un certo rapporto prestabilito.

Il metodo dello statalismo immaginario permette anche di regolare la frequenza in un sistema di più stazioni, e allo stesso tempo sarà rispettato il rapporto di carico dato sia tra le stazioni che tra le singole unità.

Metodo del tempo sincrono

Questo metodo utilizza la deviazione del tempo sincrono dal tempo astronomico come criterio per la regolazione della frequenza nei sistemi di alimentazione multistazione senza l'uso della telemeccanica. Questo metodo si basa sulla dipendenza statica della deviazione del tempo sincrono dal tempo astronomico, a partire da un certo momento nel tempo.

Alla normale velocità sincrona dei rotori dei generatori a turbina del sistema e all'uguaglianza dei momenti di rotazione e dei momenti di resistenza, il rotore del motore sincrono ruoterà alla stessa velocità. Se una freccia viene posizionata sull'asse del rotore di un motore sincrono, mostrerà l'ora su una certa scala. Interponendo un opportuno ingranaggio tra l'albero del motore sincrono e l'asse della lancetta, è possibile far ruotare la lancetta alla velocità della lancetta delle ore, dei minuti o dei secondi dell'orologio.

Il tempo mostrato da questa freccia è chiamato tempo sincrono. Il tempo astronomico è derivato da fonti temporali accurate o da standard di frequenza della corrente elettrica.

Un metodo per il controllo simultaneo di caratteristiche astatiche e statiche

L'essenza di questo metodo è la seguente. Ci sono due stazioni di controllo nel sistema di alimentazione, una delle quali funziona secondo la caratteristica astatica e la seconda secondo quella statica con un piccolo coefficiente statico. Per piccole deviazioni del programma di carico effettivo dalla sala di controllo, eventuali fluttuazioni di carico saranno percepite da una stazione con una caratteristica astatica.

In questo caso, una stazione di controllo con caratteristica statica parteciperà alla regolazione solo in modalità transitoria, evitando grandi deviazioni di frequenza. Quando il campo di regolazione della prima stazione è esaurito, la seconda stazione entra in regolazione. In questo caso il nuovo valore della frequenza stazionaria sarà diverso da quello nominale.

Mentre la prima stazione controlla la frequenza, il carico sulle stazioni base rimarrà invariato. Se regolato dalla seconda stazione, il carico sulle stazioni base si discosterà da quello economico.I vantaggi e gli svantaggi di questo metodo sono evidenti.

Metodo di gestione del blocco dell'alimentazione

Questo metodo consiste nel fatto che ciascuno dei sistemi di alimentazione inclusi nell'interconnessione partecipa alla regolazione della frequenza solo se la deviazione della frequenza è causata da una variazione del carico in esso. Il metodo si basa sulla seguente proprietà dei sistemi energetici interconnessi.

Se il carico in qualsiasi sistema di alimentazione è aumentato, una diminuzione della frequenza in esso è accompagnata da una diminuzione della data potenza di scambio, mentre in altri sistemi di alimentazione una diminuzione della frequenza è accompagnata da un aumento della data potenza di scambio.

Ciò è dovuto al fatto che tutti i dispositivi che hanno caratteristiche di controllo statico, cercando di mantenere la frequenza, aumentano la potenza di uscita. Pertanto, per un sistema di alimentazione in cui si è verificata una variazione di carico, il segno della deviazione della frequenza e il segno della deviazione della potenza di scambio coincidono, ma in altri sistemi di alimentazione questi segni non sono gli stessi.

Ogni sistema di alimentazione dispone di una stazione di controllo in cui sono installati i regolatori di frequenza e un relè di blocco della potenza di scambio.

È anche possibile installare in uno dei sistemi un regolatore di frequenza bloccato da un relè di scambio di potenza e in un sistema di alimentazione adiacente - un regolatore di potenza di scambio bloccato da un relè di frequenza.

Il secondo metodo presenta un vantaggio rispetto al primo se il regolatore di potenza CA può funzionare alla frequenza nominale.

Quando il carico in un sistema di alimentazione cambia, i segni delle deviazioni di frequenza e della potenza di scambio coincidono, il circuito di controllo non è bloccato e, sotto l'azione del regolatore di frequenza, il carico sui blocchi di questo sistema aumenta o diminuisce. In altri sistemi di alimentazione i segni della deviazione di frequenza e della potenza di scambio sono diversi e quindi i circuiti di controllo sono bloccati.

La regolazione con questo metodo richiede la presenza di canali televisivi tra la stazione da cui parte la linea di collegamento ad un altro sistema di alimentazione e la stazione che regola la frequenza o il flusso di scambio. Il metodo di controllo del blocco può essere applicato con successo nei casi in cui i sistemi di alimentazione sono collegati da una sola connessione tra loro.

Metodo del sistema di frequenza

In un sistema interconnesso che include diversi sistemi di alimentazione, il controllo della frequenza è talvolta assegnato a un sistema mentre gli altri controllano la potenza trasmessa.

Metodo dello statalismo interno

Questo metodo è un ulteriore sviluppo del metodo di blocco del controllo. Il blocco o il rafforzamento dell'azione del regolatore di frequenza non viene effettuato mediante speciali relè di potenza, ma creando statismo nella potenza trasmessa (scambio) tra i sistemi.

In ciascuno dei sistemi energetici funzionanti in parallelo, è assegnata una stazione di regolazione, sulla quale sono installati regolatori, che hanno statismo in termini di potenza di scambio. I regolatori rispondono sia al valore assoluto della frequenza che alla potenza di scambio, mentre quest'ultima viene mantenuta costante, e la frequenza è pari a quella nominale.

In pratica, nel sistema di alimentazione durante il giorno il carico non rimane invariato, ma non rimangono invariati anche i cambiamenti secondo il programma di carico, il numero e la potenza dei generatori nell'impianto e la potenza di scambio specificata. Pertanto, il coefficiente statico del sistema non rimane costante.

Con una maggiore capacità di generazione nell'impianto, è minore e con una potenza inferiore, al contrario, il coefficiente statico dell'impianto è maggiore. Pertanto, la condizione richiesta di uguaglianza dei coefficienti di statismo non sarà sempre soddisfatta. Ciò si tradurrà nel fatto che quando il carico cambia in un sistema di alimentazione, entreranno in azione i convertitori di frequenza in entrambi i sistemi di alimentazione.

In un sistema di alimentazione in cui si è verificata una deviazione del carico, il convertitore di frequenza agirà sempre in una direzione durante l'intero processo di regolazione, cercando di compensare lo squilibrio risultante. Nel secondo sistema di alimentazione, il funzionamento del regolatore di frequenza sarà bidirezionale.

Se il coefficiente statico del regolatore in relazione alla potenza di scambio è maggiore del coefficiente statico del sistema, allora all'inizio del processo di regolazione, la stazione di controllo di questo sistema di alimentazione ridurrà il carico, aumentando così la potenza di scambio, e successivamente aumentare il carico per ripristinare il valore impostato della potenza di scambio alla frequenza nominale.

Quando il coefficiente statico del regolatore rispetto alla potenza di scambio è inferiore al coefficiente statico del sistema, la sequenza di controllo nel secondo sistema di alimentazione sarà invertita (prima aumenterà l'accettazione del fattore pilota, quindi aumenterà diminuire).