Định lượng quán tính trên lưới điện

Rất nhiều cuộc thảo luận về việc hiện đại hóa hệ thống điện là về "quán tính". Đây thường là một cuộc thảo luận định tính về cách các tuabin (trong các nhà máy thủy điện, than và khí đốt) có nhiều động năng dưới dạng động lượng góc và đáp ứng nhanh cung cấp ổn định điện áp và tần số ở quy mô của chu kỳ (5ms trong lưới 50Hz) đến một số ít giây.

Tuy nhiên, các cuộc thảo luận thường bị đình trệ vì khá hiếm khi thấy "phản ứng quán tính" này được định lượng và nguồn được xác định. Theo tôi hiểu, bản thân hệ thống có điện dung rất thấp, vì vậy tôi đoán phần lớn phản ứng quán tính đến từ sự quay của tuabin.

Làm thế nào để đáp ứng quán tính được định lượng cho hệ thống điện quốc gia và một số giá trị tiêu biểu của quán tính hệ thống là gì?

Bài viết trên blog này ¹ xác định hai nguồn chính của quán tính trong mạng lưới điện:

• Thế hệ "cổ điển", điển hình là tua bin hơi nước
• Động cơ công nghiệp lớn

Sự hiểu biết của bạn là chính xác trong đó công suất hệ thống tổng thể tương đối thấp và cung cấp một hiệu ứng không đáng kể cho quán tính hệ thống.

Từ góc độ tin cậy, quán tính hệ thống là một điều tốt. Khối lượng lớn của hệ thống cung cấp khối lượng quay lớn làm chậm sự suy giảm tần số nên có sự thay đổi đột ngột trong việc tạo hoặc tải của hệ thống. Quán tính hệ thống giúp ngăn chặn các cơ chế giảm tải bảo vệ khởi động bằng cách cung cấp thời gian cho các hệ thống điều khiển bù để điều chỉnh việc tạo ra môi trường thay đổi.

Quán tính đã trở thành một chủ đề được quan tâm nhiều hơn khi các công nghệ thế hệ tái tạo mới hơn đã tăng dấu chân của họ trên lưới điện. Các công nghệ tái tạo mới hơn kết nối nguồn phát của chúng với lưới điện thông qua các bộ biến đổi điện không cung cấp bất kỳ quán tính nào cho phần còn lại của hệ thống. Tương tự như vậy, các công nghệ tái tạo đang cho phép nghỉ hưu các công nghệ thế hệ cũ dẫn đến quán tính hệ thống ít hơn. Sự suy giảm quán tính này được kết hợp bởi sự sụt giảm trong các động cơ công nghiệp lớn.

¹ _{Xin lưu ý, nguồn này hơi thiên vị khi họ bán một sản phẩm liên quan đến quán tính lưới}

Bài trình bày này đi vào một số chi tiết liên quan đến cách tính quán tính hệ thống.

Động lực học cơ học được mô hình hóa bằng phương trình vi phân bậc hai:

$J\frac{d^2\theta}{dt^2}=T_m - T_e$

$\theta$
$J$
$T_m$
$T_e$

Từ đó, bạn sẽ cần tính tổng quán tính được cung cấp bởi tất cả các nguồn đóng góp chính. Đây rõ ràng là một bài tập không tầm thường vì lịch trình thế hệ khác nhau như lịch trình sản xuất cho các ngành công nghiệp lớn. Bạn cũng phải tính đến tốc độ đường dốc ưa thích của các máy phát sẽ thay đổi tùy theo nguồn nhiên liệu.

Để cung cấp một câu trả lời tiêu cực cho câu hỏi của bạn - Tôi nghĩ rằng chính những khía cạnh này khiến cho việc thảo luận về quán tính hệ thống theo cách định lượng rất khó khăn. Có quá nhiều biến số và môi trường năng động. Bạn có thể có thể xác định quán tính cho một khu vực nhỏ, nhưng chắc chắn không phải là khu vực của một cơ quan cân bằng điển hình hoặc ở quy mô quốc gia.

Một số kết luận suy nghĩ:

Người bi quan có thể lập luận rằng độ tin cậy của hệ thống sẽ bị giảm do quán tính tổng thể của hệ thống giảm và chúng ta sẽ thấy nhiều sự mất điện và mất điện như là một phần của việc nâng cấp lưới điện tổng thể.

Triển vọng đó có vẻ hơi quá ảm đạm. Các cơ quan cân bằng có thể yêu cầu có sẵn nhiều dự trữ kéo sợi hơn , điều này có thể tạo ra phản ứng nhanh (er) cho sự mất cân bằng cục bộ trong lưới điện. Tương tự, các ủy ban năng lượng cấp quốc gia có thể cung cấp bồi thường trong thị trường chênh lệch giá cho các nhà cung cấp điện áp và tần số nhanh, chẳng hạn như hệ thống lưu trữ điện số lượng lớn quy mô lưới (BES).

Rõ ràng, những thay đổi đó sẽ không miễn phí - cần nhiên liệu để cung cấp dự trữ kéo sợi và quy mô lưới BES không hề rẻ. Nhưng những thách thức là có thể vượt qua ngay cả khi các quyết định phải được đưa ra dựa trên bằng chứng thực nghiệm.

Đáp ứng quán tính cho máy phát được đặc trưng bởi Hằng quán tính H, với đơn vị giây, được định nghĩa là ( Samarakoon , p40):

$\omega$$S$

Một quán tính tương đương Hằng số cho toàn bộ hệ thống có thể được ước tính: ( Ekanayake, Jenkins, Strbac )

Giá trị cho hệ thống GB (năm 2008) được ước tính là 9 giây (bởi Samarakoon ), dự kiến ​​sẽ giảm đến 3 giây vào năm 2020 với độ xuyên gió cao.

Khi mô hình hóa đáp ứng quán tính (thường được gọi là đáp ứng tần số), một hệ thống điện có thể được đơn giản hóa thành chức năng truyền ( Ekanayake, Jenkins, Strbac ):

$D$

Một proxy có sẵn cho Hằng số quán tính là đặc tính Điều khiển tần số ¹ chính được yêu cầu bởi mỗi nhà khai thác hệ thống (MW / Hz). Chúng được so sánh với 8 hệ thống khác nhau của Rebours et al ; dao động từ 20570MW / Hz đối với UCTE (Liên minh phối hợp truyền tải điện - hệ thống đồng bộ châu Âu) đến khoảng 600MW / Hz đối với Bỉ.

Khi các máy phát quán tính thấp hơn (ví dụ gió) thay thế các máy phát intertia cao hơn (tức là hơi nước), hằng số quán tính có xu hướng giảm. Điều này có nghĩa là, để duy trì sự ổn định tổng thể, các máy phát điện phải phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi đột ngột tạo ra hoặc thay đổi nhu cầu. Điều này thường được trích dẫn là một yếu tố hạn chế trong kết nối của gió, đặc biệt là các mạng "đảo" nhỏ hơn (ví dụ: Lalor, Mullane, O'Malley ).

^{1 - Lưu ý: phản hồi / dự trữ chính / phụ / cấp ba được xác định theo các cách khác nhau trên các hệ thống điện khác nhau, như được lưu ý bởi Rebours .}