Modalità di carico dei sistemi di alimentazione e distribuzione ottimale del carico tra le centrali elettriche
Il modo in cui l'energia viene consumata e quindi il carico sui sistemi non è uniforme: presenta fluttuazioni caratteristiche all'interno di un giorno, così come fluttuazioni stagionali entro un anno. Queste fluttuazioni sono principalmente determinate dal ritmo di lavoro delle imprese — i consumatori di elettricità, legati a questo ritmo di vita della popolazione, in misura minore — da fattori geografici.
In generale, il ciclo giornaliero è sempre caratterizzato da una maggiore o minore riduzione dei consumi nelle ore notturne, per il ciclo annuale — nei mesi estivi. La profondità di queste fluttuazioni di carico dipende dalla composizione degli utenti.
Le imprese che lavorano 24 ore su 24, soprattutto con una predominanza di processi tecnologici continui (metallurgia, chimica, industria mineraria del carbone), hanno quasi la stessa modalità di consumo.
Le imprese dell'industria metalmeccanica e meccanica, anche con lavoro su tre turni, hanno notevoli fluttuazioni nel consumo di energia associate alla consueta diminuzione dell'attività produttiva durante i turni notturni. Quando si lavora in uno o due turni notturni, si osserva una forte diminuzione del consumo di energia. Un notevole calo dei consumi si osserva anche nei mesi estivi.
Fluttuazioni ancora più marcate nel consumo di energia sono caratteristiche delle imprese alimentari e dell'industria leggera, mentre il consumo disomogeneo maggiore si osserva nel settore domestico.
La modalità di carico del sistema riflette tutte queste fluttuazioni nel consumo di energia in una forma sommata e, ovviamente, in qualche modo attenuata. Le condizioni di carico sono generalmente presentate sotto forma di programma di carico.
Nel grafico giornaliero sono riportate in ascissa le ore e in ordinata i carichi in MW o % del carico massimo. Il carico massimo cade più spesso nelle ore serali, quando l'illuminazione si sovrappone al consumo energetico di produzione. Questo è il motivo per cui il punto massimo si sposta leggermente durante l'anno.
C'è un picco di carico nelle ore mattutine, che riflette la massima attività produttiva. Nel pomeriggio il carico diminuisce, di notte diminuisce drasticamente.
I mesi sono tracciati sull'ascissa dei grafici annuali e gli importi mensili di chilowattora o i picchi di carico mensili sono tracciati sull'ordinata. Il carico massimo diminuisce alla fine dell'anno, a causa del suo aumento naturale durante l'anno.
La modalità di tariffazione irregolare, da un lato, la varietà degli apparati di produzione di energia e le sue caratteristiche operative e tecnico-economiche, dall'altro, pongono un compito complesso per il personale dell'impianto per una distribuzione ottimale del carico tra stazioni e gruppi di generazione.
La generazione di energia ha un prezzo. Per stazioni termali — si tratta dei costi del carburante, oltre alla manutenzione del personale di servizio, alle riparazioni delle attrezzature, alle detrazioni di ammortamento.
In diverse stazioni, a seconda del loro livello tecnico, potenza, condizione delle apparecchiature, il costo di produzione specifico di un Vt • h è diverso.
Il criterio generale per la distribuzione del carico tra le stazioni (e all'interno di una stazione tra i blocchi) è il minimo dei costi operativi totali per la produzione di una determinata quantità di energia elettrica.
Per ogni stazione (ogni unità), i costi possono essere presentati in relazione funzionale alla modalità di ricarica.
La condizione per il minimo dei costi totali e quindi la condizione per la distribuzione ottimale dei carichi nel sistema è formulata come segue: il carico deve essere distribuito in modo che sia sempre mantenuta l'uguaglianza dei gradini relativi delle stazioni (gruppi).
I passaggi quasi relativi di stazioni e unità a diversi valori dei loro carichi vengono calcolati in anticipo dai servizi di spedizione e vengono visualizzati come curve (vedi immagine).
Curve di crescita relativa
La linea orizzontale riflette la distribuzione di questo carico che corrisponde alla condizione ottimale.
La distribuzione ottimale del carico del sistema tra le stazioni ha anche un aspetto tecnico.Le unità che coprono la parte variabile della curva di carico, in particolare i picchi acuti superiori, sono azionate in condizioni di carico in rapida evoluzione, a volte con arresti-avvii giornalieri.
Moderno potente gruppi turbina a vapore non sono adatti a tale modalità di funzionamento: impiegano molte ore per avviarsi, il funzionamento in modalità di carico variabile, soprattutto con arresti frequenti, porta ad un aumento degli incidenti e all'usura accelerata, ed è anche associato a un consumo eccessivo aggiuntivo piuttosto sensibile di carburante.
Pertanto, per coprire i "picchi" di carico negli impianti, vengono utilizzate unità di altro tipo, che sono tecnicamente ed economicamente ben adatte a una modalità di funzionamento con un forte carico variabile.
Sono ideali per questo scopo centrali idroelettriche: l'avviamento dell'unità idraulica e il suo pieno carico richiedono da uno a due minuti, non sono associati a perdite aggiuntive e sono tecnicamente abbastanza affidabili.
Gli impianti idroelettrici progettati per coprire i picchi di carico sono realizzati con una capacità notevolmente aumentata: ciò riduce l'investimento di capitale di 1 kW, che lo rende paragonabile all'investimento specifico in potenti centrali termiche e garantisce un utilizzo più completo delle risorse idriche.
Poiché le possibilità di realizzazione di centrali idroelettriche in molte aree sono limitate, dove la topografia del territorio consente di ottenere salti sufficientemente elevati, vengono realizzate centrali idroelettriche ad accumulo di pompaggio (PSPP) per coprire i picchi di carico.
Le unità di tale stazione sono generalmente reversibili: durante le ore notturne di guasto del sistema, funzionano come unità di pompaggio, sollevando l'acqua in un serbatoio in posizione elevata. Durante le ore a pieno carico, funzionano in modalità di generazione di energia elettrica alimentando l'acqua immagazzinata nel serbatoio.
Sono ampiamente utilizzati per coprire i picchi di carico delle centrali elettriche a turbina a gas. L'avviamento richiede solo 20-30 minuti, la regolazione del carico è semplice ed economica. Anche i dati sui costi dei GTPP di punta sono favorevoli.
Gli indicatori della qualità dell'energia elettrica sono il grado di costanza della frequenza e della tensione. Mantenere una frequenza e una tensione costanti a un determinato livello è di grande importanza. Al diminuire della frequenza diminuisce proporzionalmente la velocità dei motori, quindi diminuisce il rendimento dei meccanismi da essi azionati.
Non si dovrebbe pensare che l'aumento della frequenza e della tensione abbia un effetto benefico. All'aumentare della frequenza e della tensione, le perdite nei circuiti magnetici e nelle bobine di tutte le macchine e dispositivi elettrici aumentano notevolmente, il loro riscaldamento aumenta e l'usura accelera. Inoltre, la variazione della frequenza e quindi del numero di giri dei motori rischia spesso di scartare il prodotto.
La costanza di frequenza è assicurata mantenendo l'uguaglianza tra la potenza effettiva dei motori primari del sistema e il momento meccanico opposto totale derivante nei generatori dall'interazione di flussi magnetici e correnti. Questa coppia è proporzionale al carico elettrico del sistema.
Il carico sul sistema cambia costantemente: se il carico aumenta, la coppia frenante nei generatori diventa maggiore della coppia effettiva dei motori principali, c'è il rischio di riduzione della velocità e della frequenza. Ridurre il carico ha l'effetto opposto.
Per mantenere la frequenza è necessario modificare di conseguenza la potenza effettiva totale dei motori principali: aumento nel primo caso, diminuzione nel secondo. Pertanto, per mantenere continuamente la frequenza a un determinato livello, il sistema deve disporre di una fornitura sufficiente di potenza di standby estremamente mobile.
Il compito di regolare la frequenza è affidato a stazioni designate che operano con una quantità sufficiente di potenza libera e rapidamente mobilitata. Le centrali idroelettriche sono in grado di gestire al meglio queste responsabilità.
Per ulteriori informazioni sulle funzioni e sui metodi di controllo della frequenza, vedere qui: Regolazione della frequenza nel sistema di alimentazione