8.1. Kiesett forrás termelésének pótlási folyamata
Elvi esettanulmányok segítségével tekintsük át egy termelő gépegység kiesése miatt bekövetkező hirtelen (mechanikai) teljesítményhiány pótlásának energetikai folyamatát és a frekvenciaváltozás menetét.
Elvi példaként tekintsük a 7-1a. ábra szerinti egyszerű esetet: az 1-es és 2-es generátor-turbina egységtől azonos X reaktanciával jellemzett villamos távolságban üzemelő forrás P ki teljesítménnyel kiesik a rendszerből. A rendszerre minden pillanatban teljesül a gépkapcson kiadott és – a veszteséget elhanyagolva - a fogyasztók által felvett teljesítmények azonossága, vagyis ∑Pg(t)=∑Pf(t), illetve a kiesés előtti pillanat egyensúlyi állapotához viszonyítva ∑ΔPg(t>0)=∑ΔPf(t>0).
A számítógépi szimuláció eredményét a 7-1b.-7-1e. ábrák időfüggvényei mutatják, a szimulációban a fogyasztói teljesítmény feszültség- és frekvenciafüggését nem vettük figyelembe.
A b ábrán a frekvenciaváltozás menete látható, szekunder szabályozás nélkül. A c ábra a két üzemelő gépegység együttes ∑ΔP g villamos és ∑ΔP m mechanikai teljesítményváltozásának időfüggvényeit adja meg. A
∑ΔP m teljesítményváltozás a primer szabályozások aktivizálódása szerint alakul és a frekvenciacsökkenés a
∑ΔP m=∑ΔP g pillanatában megáll.
A d, illetve az e ábra az 1-es, illetve a 2-es gépegység teljesítményváltozásait mutatja.
A hirtelen forráshiány pótlásának folyamatát az alábbiak szerint bonthatjuk fő fázisokra:
1) A forrásoldalon kiadott villamos teljesítmény ∑ΔP g eredő megváltozása az első pillanattól fogva azonos a kiesett forrásoldali villamos teljesítménnyel, mert a fogyasztói villamos teljesítmény nem változott meg. A kiesett villamos teljesítmény pótlása az első pillanatban ugrásszerűen megjelent az egyes gépegységek kapcsain, a kiesés helyétől vett villamos távolságok fordított aránya szerinti megoszlásban (esetünkben az X1=X2 okán fele-fele arányban).
7-1. ábra: Forráskiesés szimuláció egyszerű elvi esetre
2) Ezt követően az üzemelő gépegységek a kinetikus energia csökkenése révén, a forgó tömegük (illetve az M perdületük) arányában adnak többletteljesítményt. Esetünkben M 2=2M 1, amelyek hatása a d és e időfüggvényeken jól megfigyelhető: a lengő ΔP g(t) villamos teljesítmények középértéke a nagyobb tömegű 2-es gépegységnél a kezdeti ugrást követően növekszik, a kisebb tömegű 1-es gépnél csökken.
3) A primer szabályozók működésbe lépésekor a gépegységek a turbina P(f) karakterisztika K g MW/Hz meredekségek arányában adnak többletteljesítményt. Példánkban K g1=K g2, amelyek hatására a ΔP g(t) villamos teljesítmények középértéke az azonos K g értéknek megfelelően - követve a ΔP m(t) mechanikai teljesítmény változását - azonos értéken állandósul.
Ez az 1), 2) és 3) ”hiánypótlási” folyamat autonóm módon zajlik le és a valóságban bekövetkező esetekre általánosságban azt mondhatjuk, hogy a hirtelen hiányt az együttműködő rendszerek közelítőleg a forrásteljesítményük részarányában pótolják (ha az összperdület és a primer szabályozási képesség közelítőleg a
”rendszermérettel” arányos), a frekvencia csökkenését közösen minimalizálják. Ez az "önműködő" kisegítés a kooperáció egyik nagy előnye.
4) A frekvencia és a menetrend szerinti csereteljesítmény „helyreállítását” végül a hirtelen hiányt okozó rendszer-tag szekunder (csereteljesítmény-frekvencia) szabályozásának kell elvégeznie, ha van erre elegendő forrásteljesítménye. A szimulációs időfüggvények ezt a 4) fázist már nem mutatják.
Ha egy rendszer-tag egy adott időszakban nem rendelkezik a részéről szükséges szabályozás elvégzéséhez elegendő tartalékkal, akkor az igényelt villamos energiát a rendszeregyesülés valamely más tagjától kell megvásárolnia (a hiányt másutt kell pótolni), vagy végső esetben a saját fogyasztói igényét kell korlátoznia.
8.2. A rendszerfrekvencia-változás elemzése forráskiesés esetére
Az f R rendszerfrekvencia Δ f R változásának időfüggvényét a rendszer dinamikus energetikai egyensúlyát leíró (3-4) egyenlet alapján adhatjuk meg, amely szerint, ha a veszteséget a fogyasztás részének tekintjük:
(7-5a)
A forráskiesés előtti üzemállapotban P M(0)=P F(0), a kiesés pillanatában a rendszer P M mechanikai teljesítményea kiesett P mki teljesítménnyel lesz kisebb, mint a P F(0) összfogyasztás:
A rendszer M R összperdületénekcsökkenése gyakorlatilag elhanyagolható, mert M ki <<M R(o). Láthatjuk, hogy a frekvenciacsökkenés kezdeti meredekségét döntően a P mki/M R arány szabja meg.
A rendszer M R összperdülete arányos jó közelítéssel a P M(0)-al, végső soron tehát a dΔ f R/dt kezdőértékét a hirtelen hiány relatív értéket kifejező P mki/P M aránnyal adhatjuk meg:
(7-5b)
7-2. ábra: Forráskiesést követő ΔfR=fR-f0 rendszerfrekvencia-változás időfüggvények.
Ezt a kezdeti meredekséget a 7-2. ábrán az m egyenes mutatja.
A 7-2. ábra szerinti Δ f R időfüggvények a P M szabályozás elmaradásának (vagy elégtelenségének), a frekvenciafüggő fogyasztói terheléskorlátozás (FTK) működésének, a primer és szekunder frekvenciaszabályozás hatásának lényegét szemléltetik.
A 7-2. ábra 1a függvénye a P M szabályozása nélküli (elvi) esetre vonatkozik: a frekvenciacsökkenést csak a fogyasztói teljesítményigény frekvenciafüggése mérsékeli (kisebb frekvencián közel arányosan kisebb a fogyasztói igény), illetve végül csak ez állítja meg. A Δf R változása exponenciális jellegű, mert a folyamat - jelen esetben a frekvenciaváltozás- a saját kifejlődése során fokozatosan „felemészti” a folyamat elindulását kiváltó okot (jelen esetben a kezdeti teljesítményhiányt).
Az 1b és 1c függvényszakasz - ugyancsak szabályozás nélküli esetre - a frekvenciafüggő terheléskorlátozás (FTK) hatását szemlélteti. A frekvencia-lépcsőzésű FTK 1. fokozata az f1 frekvencia (50 Hz-es rendszerekben ez általában 49 Hz) elérésekor kis (kb 0,3 sec) késleltetés után lekapcsolja a hálózatról az ún. frekvenciaterv alapján az 1. fokozatba bevont fogyasztói leágazásokat. Ennek hatására az ábra szerinti 1b esetben a frekvencia csökkenése pillanatszerűen megáll és a frekvencia - ugyancsak exponenciális jelleggel - növekedésnek indul. Az 1c szerinti frekvenciafüggvény azt az esetet mutatja, amikor az 1. FTK fokozat működése nem tudta megállítani a frekvenciaesést (kevés a lekapcsolt teljesítmény) és az f2 érték (pl. 48,8 Hz) elérésekor a 2. FTK fokozat is működésbe lép, de az f3 értéken (pl. 48,6 Hz-en) induló 3. FTK fokozat beavatkozására már nincs szükség.
A 2 időfüggvény a primer és szekunder szabályozás hatását mutatja a frekvencia alakulására. A frekvencia csökkenése abban a pillanatban áll meg, amikor a tartalékokat gyorsan (csak kb. 2-3 sec késéssel) mobilizáló primer szabályozással a P M(t)=P F(t) állapotot elérjük. Ettől az időponttól a frekvencia növekedni fog, a kezdeti erőteljes frekvenciaváltozás miatt dinamikában némi túlszabályozás következik be. Az ábra szerint a kiesés pillanatától számítva kb. 20 sec a primer szabályozás (2a szakasz) befejeződése és további szekunder szabályozás nélkül a frekvencia már nem változna. A szekunder szabályozás lassúbb, lengések nélküli dinamikával (2b szakasz), esetünkben a kieséstől számított kb. 60 sec időpontra, a frekvenciát gyakorlatilag
„visszahozza” a kiesés előtti (kiinduló) névleges értékre.
1. A feszültség- és meddőteljesítmény szabályozás alapkérdései