Regulación de frecuencia en el sistema de potencia.

En los sistemas eléctricos de potencia, en un momento dado, se debe generar la cantidad de electricidad necesaria para el consumo en un momento dado, ya que es imposible crear reservas de energía eléctrica.

La frecuencia junto con el voltaje es uno de los principales. indicadores de calidad de energía... La desviación de la frecuencia de lo normal conduce a la interrupción del funcionamiento de las centrales eléctricas, lo que, por regla general, conduce a la quema de combustible. Una disminución en la frecuencia en el sistema conduce a una disminución en la productividad de los mecanismos en las empresas industriales y a una disminución en la eficiencia de las unidades principales de las centrales eléctricas. Un aumento en la frecuencia también conduce a una disminución en la eficiencia de las unidades de la central eléctrica y a un aumento en las pérdidas de la red.

En la actualidad, el problema de la regulación automática de frecuencia abarca una amplia gama de cuestiones de carácter económico y técnico. El sistema de potencia actualmente está realizando una regulación automática de frecuencia.

Efecto de la frecuencia en la operación de los equipos de la central eléctrica

Todas las unidades que realizan un movimiento rotatorio se calculan de tal manera que su máxima eficiencia se realiza tres veces a partir de una velocidad de rotación muy específica, es decir, la nominal. Actualmente, las unidades que realizan el movimiento rotatorio están en su mayor parte conectadas a máquinas eléctricas.

La producción y consumo de energía eléctrica se realiza principalmente en corriente alterna; por lo tanto, la mayoría de los bloques que realizan un movimiento giratorio están asociados con la frecuencia de la corriente alterna. De hecho, así como la frecuencia del alternador generado por el alternador depende de la velocidad de la turbina, la velocidad del mecanismo accionado por el motor de CA depende de la frecuencia.

Las desviaciones de la frecuencia de corriente alterna del valor nominal tienen un efecto diferente en diferentes tipos de unidades, así como en diferentes dispositivos y aparatos de los que depende la eficiencia del sistema de potencia.

La turbina de vapor y sus álabes están diseñados de tal manera que se proporciona la máxima potencia posible en el eje a la velocidad nominal (frecuencia) y entrada de vapor continua. En este caso, una disminución de la velocidad de rotación conduce a que se produzcan pérdidas por el impacto del vapor sobre el álabe con un aumento simultáneo del par, y un aumento de la velocidad de rotación provoca una disminución del par y un aumento de la impacto en la parte posterior de la hoja. La turbina más económica trabaja a frecuencia nominal.

Además, la operación a una frecuencia reducida conduce a un desgaste acelerado de las palas del rotor de la turbina y otras partes.El cambio de frecuencia afecta el funcionamiento de los mecanismos de autoconsumo de la central.

Efecto de la frecuencia en el desempeño de los consumidores de electricidad

Los mecanismos y unidades de consumidores de electricidad se pueden dividir en cinco grupos según el grado de su dependencia de la frecuencia.

Primer grupo. Usuarios cuyo cambio de frecuencia no tiene efecto directo sobre la potencia desarrollada. Estos incluyen: iluminación, hornos de arco eléctrico, resistencias de fuga, rectificadores y cargas alimentadas por ellos.

Segundo grupo. Mecanismos cuya potencia varía en proporción a la primera potencia de la frecuencia. Estos mecanismos incluyen: máquinas cortadoras de metales, molinos de bolas, compresores.

Tercer grupo. Mecanismos cuya potencia es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Son mecanismos cuyo momento de resistencia es proporcional a la frecuencia en primer grado. No hay mecanismos con este momento exacto de resistencia, pero varios mecanismos especiales tienen un momento que se aproxima a este.

Cuarto grupo. Mecanismos de par de ventiladores cuya potencia es proporcional al cubo de la frecuencia. Dichos mecanismos incluyen ventiladores y bombas sin resistencia estática o insignificante.

Quinto grupo. Mecanismos cuya potencia depende en mayor medida de la frecuencia. Dichos mecanismos incluyen bombas con una gran carga de resistencia estática (por ejemplo, bombas de alimentación de centrales eléctricas).

El rendimiento de los últimos cuatro grupos de usuarios disminuye al disminuir la frecuencia y aumenta al aumentar la frecuencia. A primera vista, parece que es beneficioso para los usuarios trabajar con mayor frecuencia, pero esto está lejos de ser el caso.

Además, a medida que aumenta la frecuencia, disminuye el par del motor de inducción, lo que puede provocar que el dispositivo se bloquee y se detenga si el motor no tiene reservas de potencia.

Control automático de frecuencia en el sistema de potencia.

El objetivo del control automático de frecuencia en los sistemas de potencia es principalmente garantizar el funcionamiento económico de las estaciones y los sistemas de potencia. La eficiencia de la operación del sistema de potencia no puede lograrse sin mantener el valor de frecuencia normal y sin la distribución más favorable de la carga entre las unidades de trabajo en paralelo y las plantas de potencia del sistema de potencia.

Para regular la frecuencia, la carga se distribuye entre varias unidades de trabajo paralelas (estaciones). Al mismo tiempo, la carga se distribuye entre las unidades de tal manera que con cambios menores en la carga del sistema (hasta 5-10 %), el modo de funcionamiento de la gran cantidad de unidades y estaciones no cambia.

Con una naturaleza variable de la carga, el mejor modo será aquel en el que la parte principal de los bloques (estaciones) lleva la carga correspondiente a la condición de igualdad de pasos relativos, y las pequeñas y cortas fluctuaciones de la carga se cubren cambiando la carga de una pequeña parte de las unidades.

Cuando distribuyen la carga entre las unidades que trabajan en paralelo, intentan que todas trabajen en la zona de mayor eficiencia, en este caso se asegura el mínimo consumo de combustible.

Las unidades encargadas de cubrir todos los cambios de carga no planificados, es decir, La regulación de frecuencia en el sistema debe cumplir los siguientes requisitos:

• tener alta eficiencia;

• tener una curva de eficiencia de carga plana, es decir mantener una alta eficiencia en una amplia gama de variaciones de carga.

En el caso de un cambio significativo en la carga del sistema (por ejemplo, su aumento), cuando todo el sistema cambia a un modo de operación con un valor mayor de ganancia relativa, el control de frecuencia se transfiere a dicha estación en que la magnitud de la ganancia relativa es cercana a la del sistema.

La estación de frecuencia tiene el mayor rango de control dentro de su potencia instalada. Las condiciones de control son fáciles de implementar si el control de frecuencia se puede asignar a una sola estación. Una solución aún más sencilla se obtiene en los casos en que la regulación puede asignarse a una sola unidad.

La velocidad de las turbinas determina la frecuencia en el sistema de potencia, por lo que la frecuencia se controla actuando sobre los reguladores de velocidad de las turbinas. Las turbinas suelen estar equipadas con reguladores de velocidad centrífugos.

Las más adecuadas para el control de frecuencia son las turbinas de condensación con parámetros normales de vapor. Las turbinas de contrapresión son tipos de turbinas completamente inapropiadas para el control de frecuencia, ya que su carga eléctrica está determinada completamente por el usuario de vapor y es casi completamente independiente de la frecuencia en el sistema.

No es práctico confiar la tarea de regulación de frecuencia a turbinas con grandes aspiraciones de vapor, porque, en primer lugar, tienen un rango de control muy pequeño y, en segundo lugar, son antieconómicas para operar con carga variable.

Para mantener el rango de control requerido, la potencia de la estación de control de frecuencia debe ser al menos 8 - 10% de la carga en el sistema para que haya suficiente rango de control. El rango de regulación de la central térmica no puede ser igual a la capacidad instalada. Por lo tanto, la potencia del CHP, que ajusta la frecuencia, según los tipos de calderas y turbinas, debe ser de dos a tres veces mayor que el rango de ajuste requerido.

La potencia instalada más pequeña de la central hidroeléctrica para crear el rango de control necesario puede ser significativamente menor que la térmica. Para las centrales hidroeléctricas, el rango de regulación suele ser igual a la capacidad instalada. Cuando la frecuencia es controlada por una central hidroeléctrica, no hay límite a la tasa de aumento de la carga a partir del momento en que se arranca la turbina. Sin embargo, la regulación de frecuencia de las centrales hidroeléctricas está asociada a la conocida complicación de los equipos de control.

Además del tipo de estación y las características del equipo, la selección de la estación de control está influenciada por su ubicación en el sistema eléctrico, es decir, la distancia eléctrica desde el centro de carga. Si la estación está ubicada en el centro de la carga eléctrica y está conectada a subestaciones y otras estaciones del sistema a través de líneas eléctricas potentes, entonces, como regla general, un aumento en la carga de la estación reguladora no conduce a una violación de estabilidad estática.

Por el contrario, cuando la estación de control está ubicada lejos del centro del sistema, puede haber riesgo de inestabilidad.En este caso, la regulación de frecuencia debe ir acompañada del control del ángulo de divergencia de los vectores e. etc. c) Sistema y estación de gestión o control de la potencia transmitida.

Los principales requisitos para los sistemas de control de frecuencia regulan:

• parámetros y límites de ajuste,

• error estático y dinámico,

• la tasa de cambio en la carga del bloque,

• asegurar la estabilidad del proceso regulatorio,

• la capacidad de regular por un método dado.

Los reguladores deben ser de diseño simple, operación confiable y bajo costo.

Métodos de control de frecuencia en el sistema de potencia.

El crecimiento de los sistemas de energía llevó a la necesidad de regular la frecuencia de varios bloques de una estación y luego de varias estaciones. Para este propósito, se utilizan una serie de métodos para garantizar el funcionamiento estable del sistema de energía y la calidad de alta frecuencia.

El método de control aplicado no debe permitir un aumento de los límites de desviación de frecuencia debido a errores que se produzcan en los dispositivos auxiliares (dispositivos de distribución de carga activa, canales de telemetría, etc.).

El método de regulación de frecuencia es necesario para garantizar que la frecuencia se mantenga en un nivel dado, independientemente de la carga en las unidades de control de frecuencia (a menos, por supuesto, que se use todo su rango de control), el número de unidades y las estaciones de control de frecuencia. , y la magnitud y duración de la desviación de frecuencia.… El método de control también debe asegurar el mantenimiento de una determinada relación de carga de las unidades de control y la entrada simultánea en el proceso de regulación de todas las unidades que controlan la frecuencia.

Método de características estáticas

El método más simple se obtiene ajustando la frecuencia de todas las unidades del sistema, cuando estas últimas están equipadas con reguladores de velocidad con características estáticas. En la operación en paralelo de bloques que operan sin cambiar las características de control, la distribución de cargas entre los bloques se puede encontrar a partir de las ecuaciones características estáticas y las ecuaciones de potencia.

Durante el funcionamiento, los cambios de carga superan significativamente los valores especificados, por lo que la frecuencia no se puede mantener dentro de los límites especificados. Con este método de regulación, es necesario tener una gran reserva rotativa repartida entre todas las unidades del sistema.

Este método no puede garantizar el funcionamiento económico de las centrales eléctricas, ya que, por un lado, no puede utilizar la capacidad total de las unidades económicas y, por otro lado, la carga en todas las unidades cambia constantemente.

Método con una característica aestática

Si todas o parte de las unidades del sistema están equipadas con reguladores de frecuencia con características estáticas, entonces, en teoría, la frecuencia en el sistema permanecerá sin cambios ante cualquier cambio en la carga. Sin embargo, este método de control no da como resultado una relación de carga fija entre las unidades controladas por frecuencia.

Este método se puede aplicar con éxito cuando el control de frecuencia se asigna a una sola unidad.En este caso, la potencia del dispositivo debe ser al menos del 8 al 10% de la potencia del sistema. No importa si el controlador de velocidad tiene una característica estática o si el dispositivo está equipado con un regulador de frecuencia con una característica estática.

Todos los cambios de carga no planificados son percibidos por una unidad con una característica estática. Dado que la frecuencia en el sistema permanece sin cambios, las cargas en las otras unidades del sistema permanecen sin cambios. El control de frecuencia de una sola unidad en este método es perfecto, pero resulta inaceptable cuando el control de frecuencia se asigna a varias unidades. Este método se utiliza para la regulación en sistemas de potencia de baja potencia.

método generador

El método del generador maestro se puede utilizar en los casos en que, de acuerdo con las condiciones del sistema, es necesario ajustar la frecuencia de varias unidades en la misma estación.

Se instala un regulador de frecuencia con una característica estática en uno de los bloques, llamado el principal. Los reguladores de carga (ecualizadores) están instalados en los bloques restantes, que también se encargan de la tarea de regulación de frecuencia. Tienen la tarea de mantener una relación dada entre la carga en la unidad maestra y las otras unidades que ayudan a regular la frecuencia. Todas las turbinas del sistema tienen reguladores de velocidad estáticos.

El método del estatismo imaginario

El método estático imaginario es aplicable tanto a la regulación de una sola estación como a la de varias estaciones.En el segundo caso, debe haber canales de telemetría bidireccionales entre las estaciones que ajustan la frecuencia y la sala de control (transmisión de la indicación de carga de la estación a la sala de control y la transmisión de la orden automática de la sala de control a la estación). ).

Se instala un regulador de frecuencia en cada dispositivo involucrado en la regulación. Esta regulación es estática con respecto al mantenimiento de la frecuencia en el sistema y estática con respecto a la distribución de cargas entre los generadores. Asegura una distribución estable de cargas entre los generadores modulantes.

La carga compartida entre los dispositivos controlados por frecuencia se logra mediante un dispositivo activo de carga compartida. Este último, resumiendo la carga total de las unidades de control, la divide entre ellas en una cierta proporción predeterminada.

El método del estatismo imaginario también permite regular la frecuencia en un sistema de varias estaciones, y al mismo tiempo se respetará la relación de carga dada tanto entre estaciones como entre unidades individuales.

método de tiempo síncrono

Este método utiliza la desviación del tiempo sincrónico del tiempo astronómico como criterio para la regulación de frecuencia en sistemas de potencia de múltiples estaciones sin el uso de telemecánica. Este método se basa en la dependencia estática de la desviación del tiempo sincrónico del tiempo astronómico, a partir de un determinado momento en el tiempo.

A la velocidad síncrona normal de los rotores de los generadores de turbina del sistema y la igualdad de los momentos de giro y momentos de resistencia, el rotor del motor síncrono girará a la misma velocidad. Si se coloca una flecha en el eje del rotor de un motor síncrono, mostrará el tiempo en una escala determinada. Colocando un engranaje adecuado entre el eje del motor síncrono y el eje de la manecilla, es posible hacer que la manecilla gire a la velocidad de la manecilla de horas, minutos o segundos del reloj.

El tiempo que muestra esta flecha se llama tiempo sincrónico. El tiempo astronómico se deriva de fuentes de tiempo precisas o de estándares de frecuencia de corriente eléctrica.

Un método para el control simultáneo de características estáticas y estáticas.

La esencia de este método es la siguiente. Hay dos estaciones de control en el sistema de potencia, una de ellas funciona según la característica estática y la segunda según la estática con un pequeño coeficiente estático. Para pequeñas desviaciones del programa de carga real desde la sala de control, cualquier fluctuación de carga será percibida por una estación con una característica estática.

En este caso, una estación de control con característica estática participará en la regulación solo en modo transitorio, evitando grandes desviaciones de frecuencia. Cuando se agota el rango de ajuste de la primera estación, la segunda estación entra en ajuste. En este caso, el nuevo valor de la frecuencia estacionaria será diferente al nominal.

Mientras la primera estación controla la frecuencia, la carga en las estaciones base permanecerá sin cambios. Cuando la ajusta la segunda estación, la carga en las estaciones base se desviará de la económica.Las ventajas y desventajas de este método son obvias.

Método de gestión de bloqueo de energía

Este método consiste en que cada uno de los sistemas de potencia incluidos en la interconexión participa en la regulación de frecuencia sólo si la desviación de frecuencia es provocada por un cambio en la carga del mismo. El método se basa en la siguiente propiedad de los sistemas de energía interconectados.

Si la carga en cualquier sistema de potencia ha aumentado, entonces una disminución en la frecuencia se acompaña de una disminución en la potencia de intercambio dada, mientras que en otros sistemas de potencia, una disminución en la frecuencia se acompaña de un aumento en la potencia de intercambio dada.

Esto se debe al hecho de que todos los dispositivos que tienen características de control estático, tratando de mantener la frecuencia, aumentan la potencia de salida. Por lo tanto, para un sistema de potencia donde ha ocurrido un cambio de carga, el signo de la desviación de frecuencia y el signo de la desviación de potencia de intercambio coinciden, pero en otros sistemas de potencia estos signos no son los mismos.

Cada sistema de energía tiene una estación de control donde se instalan reguladores de frecuencia y un relé de bloqueo de energía de intercambio.

También es posible instalar en uno de los sistemas un regulador de frecuencia bloqueado por un relé de intercambio de energía, y en un sistema de energía adyacente, un regulador de energía de intercambio bloqueado por un relé de frecuencia.

El segundo método tiene una ventaja sobre el primero si el regulador de potencia de CA puede funcionar a la frecuencia nominal.

Cuando cambia la carga en un sistema de potencia, los signos de desviación de frecuencia y el intercambio de energía coinciden, el circuito de control no está bloqueado y, bajo la acción del regulador de frecuencia, la carga en los bloques de este sistema aumenta o disminuye. En otros sistemas de potencia, los signos de desviación de frecuencia y potencia de intercambio son diferentes y, por lo tanto, los circuitos de control están bloqueados.

La regulación por este método requiere la presencia de canales de televisión entre la subestación de donde parte la línea de conexión a otro sistema eléctrico y la estación que regula la frecuencia o flujo de intercambio. El método de control de bloqueo se puede aplicar con éxito en los casos en que los sistemas de energía están conectados por una sola conexión entre sí.

Método del sistema de frecuencia

En un sistema interconectado que incluye varios sistemas de potencia, el control de frecuencia a veces se asigna a un sistema mientras que los otros controlan la potencia transmitida.

Método de estatismo interno

Este método es un desarrollo posterior del método de bloqueo de control. El bloqueo o fortalecimiento de la acción del regulador de frecuencia no se lleva a cabo mediante relés de potencia especiales, sino creando estatismo en la potencia transmitida (intercambio) entre los sistemas.

En cada uno de los sistemas de energía que operan en paralelo, se asigna una estación reguladora, en la que se instalan reguladores, que tienen estatismo en términos de potencia de intercambio. Los reguladores responden tanto al valor absoluto de la frecuencia como a la potencia de intercambio, esta última se mantiene constante y la frecuencia es igual a la nominal.

En la práctica, en el sistema de energía durante el día, la carga no permanece sin cambios, pero los cambios según el programa de carga, el número y la potencia de los generadores en el sistema y la potencia de intercambio especificada tampoco permanecen sin cambios. Por tanto, el coeficiente estático del sistema no permanece constante.

A mayor capacidad de generación en el sistema, es menor y con menor potencia, por el contrario, el coeficiente estático del sistema es mayor. Por tanto, no siempre se cumplirá la condición exigida de igualdad de los coeficientes de estatismo. Esto resultará en el hecho de que cuando cambie la carga en un sistema de potencia, los convertidores de frecuencia en ambos sistemas de potencia entrarán en acción.

En un sistema de potencia donde se ha producido una desviación de carga, el convertidor de frecuencia actuará todo el tiempo en una dirección durante todo el proceso de regulación, intentando compensar el desequilibrio resultante. En el segundo sistema de potencia, la operación del regulador de frecuencia será bidireccional.

Si el coeficiente stat del regulador en relación con la potencia de intercambio es mayor que el coeficiente stat del sistema, entonces, al comienzo del proceso de regulación, la estación de control de este sistema de potencia reducirá la carga, aumentando así la potencia de intercambio, y después de esto aumentar la carga para restaurar el valor establecido de la potencia de intercambio a la frecuencia nominal.

Cuando el coeficiente stat del regulador con respecto a la potencia de intercambio es menor que el coeficiente stat del sistema, la secuencia de control en el segundo sistema de potencia se invertirá (primero, aumentará la aceptación del factor impulsor y luego disminuir).