電力システムの周波数調整

電力システムでは、電気エネルギーを蓄えることは不可能であるため、常に、その瞬間の消費に必要な量の電気を生成する必要があります。

周波数は電圧とともに重要なものの 1 つです 電力品質インジケーター... 通常の周波数からの逸脱は、発電所の運転の混乱につながり、通常、燃料の燃焼につながります。システムの周波数の低下は、産業企業のメカニズムの生産性の低下、および発電所の主要ユニットの効率の低下につながります。周波数の増加は、発電所ユニットの効率の低下や系統損失の増加にもつながります。

現在、自動周波数調整の問題は、経済的および技術的な性質の広範な問題をカバーしています。電力システムは現在、自動周波数調整を実行しています。

発電所設備の動作に対する周波数の影響

回転運動を実行するすべてのユニットは、ある非常に特定の回転速度、つまり公称回転速度で最高効率が 3 倍実現されるように計算されます。現時点では、回転運動を行うユニットの大部分は電気機械に接続されています。

電気エネルギーの生産と消費は主に交流で行われます。したがって、回転運動を行うブロックの大部分は交流の周波数に関連しています。実際、オルタネーターによって生成されるオルタネーターの周波数がタービンの速度に依存するのと同様に、AC モーターによって駆動される機構の速度も周波数に依存します。

公称値からの交流周波数の偏差は、電力システムの効率が依存するさまざまなデバイスや装置だけでなく、さまざまなタイプのユニットにもさまざまな影響を及ぼします。

蒸気タービンとそのブレードは、定格速度 (周波数) およびシームレスな蒸気入力で最大のシャフト出力が提供されるように設計されています。この場合、回転数を下げると翼に蒸気が衝突する損失が発生すると同時にトルクが増加し、回転数が上がるとトルクが低下して翼に衝突する損失が増加します。刃の裏側に衝突します。最も経済的なタービンは次の条件で動作します。 公称周波数.

さらに、周波数を下げて運転すると、タービン動翼やその他の部品の摩耗が促進されます。周波数の変化は、発電所の自家消費機構の動作に影響を与えます。

電力消費者のパフォーマンスに対する周波数の影響

電力需要家の仕組みと単位は、周波数への依存度に応じて 5 つのグループに分類できます。

最初のグループ。周波数の変更が発生するパワーに直接影響を与えないユーザー。これらには、照明、電気アーク炉、抵抗漏れ、整流器、およびそれらによって電力供給される負荷が含まれます。

2番目のグループ。周波数の 1 乗に比例してパワーが変化するメカニズム。これらの機構には、金属切断機、ボールミル、コンプレッサーが含まれます。

3番目のグループ。パワーが周波数の二乗に比例するメカニズム。これらは、抵抗モーメントが周波数に 1 次で比例するメカニズムです。これとまったく同じ抵抗モーメントを持つメカニズムはありませんが、多くの特別なメカニズムにはこれに近いモーメントがあります。

4番目のグループ。パワーが周波数の 3 乗に比例するファン トルク メカニズム。このような機構には、静水頭抵抗がまったくないか無視できるファンやポンプが含まれます。

5番目のグループ。パワーが周波数に大きく依存するメカニズム。このような機構には、大きな静抵抗水頭を持つポンプ (発電所の給水ポンプなど) が含まれます。

最後の 4 つのユーザー グループのパフォーマンスは、頻度が減少すると低下し、頻度が増加すると増加します。一見すると、作業頻度を増やすことはユーザーにとって有益であるように思えますが、実際はそうではありません。

さらに、周波数が増加すると、誘導モーターのトルクが減少するため、モーターに電力の余裕がない場合、デバイスが失速して停止する可能性があります。

電力システムの自動周波数制御

電力システムにおける自動周波数制御の主​​な目的は、発電所と電力システムの経済的な運用を確保することです。電力システムの運用効率は、通常の周波数値を維持し、並列稼働ユニットと電力システムの発電所の間で負荷を最も適切に分散することなしには達成できません。

周波数を調整するために、負荷は複数の並列作業ユニット (ステーション) に分散されます。同時に、システム負荷がわずかに変化しても（最大 5 ～ 10%）、膨大な数のユニットやステーションの動作モードが変わらないように、負荷がユニット間で分散されます。

負荷が変動する性質があるため、最良のモードは、ブロック (ステーション) の主要部分が相対ステップの等しい条件に対応する負荷を担持し、負荷の小さくて短い変動が変化することでカバーされるモードになります。ユニットからの小さな部品の負荷。

並行して動作するユニット間で負荷を分散する場合、すべてのユニットが最高効率の領域で動作するように努め、この場合、燃料消費量は最小限に抑えられます。

すべての計画外の負荷変化をカバーする任務を負ったユニット。システムの周波数調整は次の要件を満たす必要があります。

• 効率が高い。

• 平坦な負荷効率曲線を持っています。つまり、幅広い負荷変動にわたって高い効率を維持します。

システムの負荷が大幅に変化した場合（負荷の増加など）、システム全体が相対ゲインの値がより大きい動作モードに切り替わると、周波数制御はそのようなステーションに転送されます。これは、相対ゲインの大きさがシステムのゲインの大きさに近いことを意味します。

周波数局は、設置された電力内で最大の制御範囲を持ちます。周波数制御を単一局に割り当てることができれば、制御条件の実装が容易になります。規制を単一のユニットに割り当てることができる場合には、さらに単純な解決策が得られます。

タービンの速度は電力システムの周波数を決定するため、周波数はタービン調速機に作用することによって制御されます。タービンには通常、遠心調速機が装備されています。

周波数制御に最も適しているのは、通常の蒸気パラメータを備えた復水タービンですが、背圧タービンは電気負荷が完全に蒸気ユーザーによって決定され、システム内の周波数からほぼ完全に独立しているため、周波数制御にはまったく不適切なタイプのタービンです。

大きな蒸気吸引量を備えたタービンに周波数調整の仕事を委ねることは非現実的である。その理由は、第一に、タービンの制御範囲が非常に小さく、第二に、変動負荷運転には不経済だからである。

必要な制御範囲を維持するには、十分な制御範囲が確保されるように、周波数制御ステーションの電力をシステムの負荷の少なくとも 8 ～ 10% にする必要があります。火力発電所の規制範囲は設備容量と等しくあり得ない。したがって、周波数を調整するCHPの出力は、ボイラーやタービンの種類にもよりますが、必要な調整範囲の2～3倍必要となります。

必要な制御範囲を実現するために設置される水力発電所の最小電力は、火力発電所よりも大幅に小さくなる可能性があります。水力発電所の場合、規制範囲は通常、設置容量と同じです。水力発電所によって周波数が制御される場合、タービンが起動した瞬間から始まる負荷の増加速度に制限はありません。しかし、水力発電所の周波数調整には、よく知られている制御装置の複雑さが伴います。

制御ステーションの選択は、ステーションのタイプと機器の特性に加えて、電気システム内の位置、つまり負荷中心からの電気的距離にも影響されます。ステーションが電気負荷の中心に位置し、強力な電力線を通じてシステムの変電所や他のステーションに接続されている場合、原則として、調整ステーションの負荷の増加は規制違反にはつながりません。静的安定性。

逆に、制御局がシステムの中心から離れた位置にある場合は、不安定になる可能性があります。この場合、周波数調整には e ベクトルの発散角の制御を伴う必要があります。等c. 送信電力を管理または制御するシステムおよびステーション。

周波数制御システムの主な要件は以下を規制します。

• パラメータと調整限界、

• 静的エラーと動的エラー、

• ブロック負荷の変化率、

• 規制プロセスの安定性を確保し、

• 与えられた方法で調節する能力。

レギュレータは、設計がシンプルで、動作の信頼性が高く、安価である必要があります。

電力系統における周波数制御方法

電力システムの成長により、1 つのステーションの複数のブロックの周波数を調整する必要が生じ、さらに複数のステーションの周波数を調整する必要が出てきました。この目的のために、電力システムの安定した動作と高周波品質を確保するために多くの方法が使用されます。

適用される制御方法では、補助デバイス (アクティブ負荷分散デバイス、テレメトリ チャネルなど) で発生するエラーによる周波数偏移制限の増加を許容してはなりません。

周波数調整方法は、周波数制御ユニットの負荷 (もちろん、制御範囲全体が使用されている場合を除く)、ユニットの数、周波数制御局の数に関係なく、周波数を所定のレベルに維持するために必要です。 、周波数偏差の大きさと持続時間。… 制御方法では、制御ユニットの所定の負荷率の維持と、周波数を制御するすべてのユニットの調整プロセスへの同時開始も保証する必要があります。

静特性の求め方

最も簡単な方法は、システム内のすべてのユニットに静特性を持つ速度調整器が装備されている場合に、そのユニットの周波数を調整することによって得られます。制御特性をずらさずに動作するブロックを並列運転する場合、静特性方程式と電力方程式からブロック間の負荷分布を求めることができます。

動作中に負荷変化が規定値を大幅に超えるため、周波数を規定範囲内に維持できなくなります。この調整方法では、システムのすべてのユニットに大きな回転予備を分散させる必要があります。

この方法では、一方では経済的なユニットの全容量を使用することができず、他方ではすべてのユニットの負荷が常に変化するため、発電所の経済的な運転を保証することはできません。

静的な特性を持つメソッド

システムユニットのすべてまたは一部に非静的特性を持つ周波数レギュレータが装備されている場合、理論的にはシステム内の周波数は負荷が変化しても変化しません。ただし、この制御方法では、周波数制御されるユニット間の負荷比が固定されません。

この方法は、周波数制御が単一のユニットに割り当てられている場合にうまく適用できます。この場合、デバイスの電力はシステム電力の少なくとも 8 ～ 10% である必要があります。スピードコントローラが非静的特性を持つか、装置が非静的特性を持つ周波数調整器を備えているかは関係ありません。

計画外の負荷変化はすべて、非静的特性を持つユニットによって感知されます。システム内の周波数は変化しないため、システムの他のユニットの負荷も変化しません。この方法における単一ユニットの周波数制御は完璧ですが、周波数制御が複数のユニットに割り当てられている場合は許容できないことがわかります。この方法は、低電力電力システムの調整に使用されます。

ジェネレーターメソッド

マスタジェネレータ方式は、システムの状況に応じて、同一局内の複数のユニットの周波数を調整する必要がある場合に使用できます。

非静的特性を持つ周波数レギュレーターは、メインブロックと呼ばれるブロックの 1 つに取り付けられます。残りのブロックには負荷レギュレーター (イコライザー) が取り付けられており、周波数調整の役割も担っています。彼らは、マスターユニットの負荷と、周波数の調整を支援する他のユニットの負荷との間の所定の比率を維持する任務を負っています。システム内のすべてのタービンには静的調速機が付いています。

虚数統計の手法

仮想静的方法は、単一ステーションと複数ステーションの両方の規制に適用できます。2 番目のケースでは、周波数を調整するステーションと制御室の間に双方向テレメトリ チャネルが必要です (ステーションから制御室への負荷指示の送信と、制御室からステーションへの自動指令の送信)。 ）。

周波数調整器は、調整に関与する各デバイスに取り付けられます。この調整は、システム内の周波数の維持に関しては静的であり、発電機間の負荷の分散に関しては静的です。これにより、変調発電機間の負荷の安定した分散が保証されます。

周波数制御デバイス間の負荷分散は、アクティブ負荷分散デバイスによって実現されます。後者は、制御ユニットの負荷全体を要約し、それを特定の所定の比率で制御ユニット間で分割します。

仮想統計の方法により、複数のステーションからなるシステムの周波数を調整することも可能になり、同時にステーション間および個々のユニット間の両方で所定の負荷率が尊重されます。

同期時間方式

この方法は、テレメカニクスを使用せずに、複数ステーションの電力システムにおける周波数調整の基準として、天文時間からの同期時間の偏差を使用します。この方法は、特定の瞬間から始まる、天文時間からの同期時間の偏差の静的依存性に基づいています。

システムのタービン発電機のローターの通常の同期速度、および回転モーメントと抵抗モーメントが等しい場合、同期モーターのローターは同じ速度で回転します。同期モーターのローター軸に矢印を置くと、一定の目盛で時間を表示します。同期モーターのシャフトと針の軸の間に適切な歯車を配置することで、時計の時針、分針、秒針と同じ速度で針を回転させることができます。

この矢印で示される時刻を同期時刻といいます。天文時間は、正確な時間源または電流周波数標準から導出されます。

非静的特性と静的特性を同時に制御する方法

この方法の本質は次のとおりです。電力システムには 2 つの制御ステーションがあり、そのうちの 1 つは非静的特性に従って動作し、もう 1 つは静的係数が小さい静的特性に従って動作します。制御室からの実際の負荷スケジュールがわずかにずれている場合、負荷の変動はステーションによって非静的特性で感知されます。

この場合、静的特性を持つ制御局は過渡モードでのみ規制に参加し、大きな周波数偏差を回避します。第 1 ステーションの調整範囲がなくなると、第 2 ステーションが調整に入ります。この場合、新しい定常周波数値は公称値とは異なります。

最初の局が周波数を制御している間、基地局の負荷は変わりません。 2 番目のステーションによって調整されると、基地局の負荷は経済的な負荷から逸脱します。この方法の長所と短所は明らかです。

パワーロック管理方法

この方法は、相互接続に含まれる各電力システムが、周波数偏差が負荷の変化によって引き起こされる場合にのみ周波数調整に参加するという事実にあります。この方法は、相互接続されたエネルギー システムの次の特性に基づいています。

いずれかの電力システムの負荷が増加すると、その周波数の低下に伴い所定の交流電力が減少しますが、他の電力システムでは、周波数の低下に伴い所定の交流電力が増加します。

これは、静的制御特性を持つすべてのデバイスが周波数を維持しようとして出力電力を増加させるという事実によるものです。したがって、負荷変動が生じた電力系統では、周波数偏差の符号と交流電力偏差の符号は一致するが、他の電力系統ではこれらの符号は一致しない。

各電力システムには制御ステーションが 1 つあり、そこに周波数調整器と交換電力遮断リレーが設置されます。

電力交換リレーによってブロックされた周波数レギュレータをシステムの 1 つに設置し、隣接する電力システムに周波数リレーによってブロックされた交換電力レギュレータを設置することも可能です。

AC 電力調整器が定格周波数で動作できる場合、2 番目の方法は最初の方法よりも利点があります。

電力システムの負荷が変化すると、周波数偏差と交流電力の兆候が一致し、制御回路はブロックされず、周波数調整器の作用により、このシステムのブロックの負荷が増加または減少します。他の電力システムでは、周波数偏差と交流電力の符号が異なるため、制御回路がブロックされます。

この方法による調整には、別の電力システムへの接続線が出発する変電所と、周波数または交換流量を調整するステーションとの間にテレビ チャネルが存在することが必要です。ブロッキング制御方法は、電力システムが相互に 1 つの接続のみで接続されている場合に適切に適用できます。

周波数系方式

複数の電力システムを含む相互接続システムでは、周波数制御が 1 つのシステムに割り当てられ、他のシステムが送信電力を制御することがあります。

内部統計法

この方法は、コントロール ブロック方法をさらに発展させたものです。周波数レギュレータの動作の遮断または強化は、特別な電力リレーによって実行されるのではなく、システム間の伝送（交換）電力に静的状態を作り出すことによって実行されます。

並列運転するエネルギー システムのそれぞれに、1 つの調整ステーションが割り当てられ、そこに調整器が設置され、交流電力の点で統計が得られます。レギュレータは周波数の絶対値と交換電力の両方に応答しますが、後者は一定に保たれ、周波数は公称値と等しくなります。

実際には、日中の電力系統では負荷は変化しませんが、負荷スケジュールに応じた変化、系統内の発電機の数と電力、指定された交流電力も変化しません。したがって、システムの静的係数は一定のままではありません。

システムの発電能力が高くなると、システムは小さくなり、電力が低くなり、逆に、システムの静係数は高くなります。したがって、統計係数が等しいという要求条件が常に満たされるとは限りません。その結果、一方の電力システムで負荷が変化すると、両方の電力システムの周波数変換器が動作することになります。

負荷偏差が発生した電力システムでは、周波数変換器は調整プロセス全体で常に一方向に動作し、結果として生じる不均衡を補償しようとします。 2 番目の電力システムでは、周波数調整器の動作は双方向になります。

交流電力に対するレギュレータの統計係数がシステムの統計係数より大きい場合、調整プロセスの開始時に、この電力システムの制御ステーションは負荷を軽減し、それによって交流電力を増加させます。その後、負荷を増加して定格周波数での交流電力の設定値を復元します。

交流電力に対するレギュレータの統計係数がシステムの統計係数より小さい場合、第 2 電力システムの制御シーケンスは逆になります (最初に駆動係数の受け入れが増加し、次に駆動係数の受け入れが増加します)。下降）。