Κατανόηση της Φυσικής της Απώλειας Γενεών

Όταν μια μεγάλη γεννήτρια ή μονάδα παραγωγής ενέργειας αποσυνδέεται απροσδόκητα ⁇ λόγω ενός ταξιδιού του στροβίλου, απώλειας της παροχής καυσίμου ή βλάβης μετάδοσης ⁇ η άμεση συνέπεια είναι ένα πραγματικό έλλειμμα ισχύος. Το δίκτυο πρέπει να εξάγει κινητική ενέργεια από όλες τις συγχρονισμένες μηχανές περιστροφής για να καλύψει το κενό, προκαλώντας τη συχνότητα του συστήματος σε παρακμή. Ο ρυθμός αλλαγής συχνότητας (ROCOF) εξαρτάται από τη συνολική αδράνεια του συστήματος, η οποία μειώνεται καθώς τα σύγχρονα εργοστάσια αποσύρονται. Οι τρέχουσες συνεισφορές ελαττώνονται επίσης όταν οι γεννήτριες ταξιδεύουν, προσκρούοντας στο συντονισμό του προστατευτικού ρελέ. Η σταθερότητα τάσης είναι σε κίνδυνο επειδή πολλές γεννήτριες παρέχουν αντιδραστική ισχύ.Η απώλεια τους μπορεί να λιμοκτονήσει τα κέντρα υποστήριξης τάσης, οδηγώντας σε κατάρρευση εάν δεν είναι διαθέσιμοι οι επιταχυνόμενοι αντισταθμιστές ή οι μεταβαλλόμενοι πυκνωτές. Η κατανόηση αυτών των θεμελιωδών στοιχείων είναι απαραίτητη πριν από την εξέταση των αντιμέτρων.

Βασικές στρατηγικές σταθεροποίησης

Αρχική απόκριση συχνότητας και υποστήριξη αδρανείας

Η πρώτη γραμμή άμυνας είναι η αδράνειας από όλες τις συγχρονισμένες μηχανές. Στα παραδοσιακά πλέγματα, οι περιστρεφόμενες στρόβιλοι απελευθερώνουν κινητική ενέργεια μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτή η αρχική ένεση επιβραδύνει τη μείωση της συχνότητας, αγοράζοντας χρόνο για δράση κυβερνήτη. Όπως οι πόροι με βάση τον αναστροφέα (IBRs) αντικαθιστούν τη σύγχρονη παραγωγή, η συνθετική αδράνεια από την αποθήκευση μπαταριών και τους αναστροφείς σχηματισμού καννάβου γίνεται κρίσιμη. Οι κώδικες πλέγματος απαιτούν τώρα IBRs να μιμούνται την αδράνεια απόκριση με την έγχυση πρόσθετης ενεργού ισχύος ανάλογης με την ROCOF. Για παράδειγμα, ο κώδικας δικτύου της ENTSO-E για τις απαιτήσεις για γεννήτριες δίνει εντολή για τη συνθετική ικανότητα αδράνειας για αιολικά και ηλιακά εργοστάσια μεγάλης κλίμακας. Αυτή η υβριδική προσέγγιση ⁇ φυσική αδράνεια από τις υπόλοιπες συγχρονισμένες μηχανές συν τη συνθετική αδράνεια από μετατροπείς ⁇ είναι τώρα ο ακρογωνιαίος λίθος της συγκράτησης συχνότητας.

Γρήγορη ενεργοποίηση εφεδρείας και AGC

Μέσα σε δευτερόλεπτα μετά από μια απώλεια γενεών, οι κυβερνήτες σε εφεδρείες περιστροφής αυξάνουν την παραγωγή μηχανικής ισχύος για να σταματήσει η διάσπαση συχνότητας. Αυτή η κύρια απόκριση συχνότητας χρησιμοποιεί συνήθως ένα χαρακτηριστικό των 5% drop. Σύγχρονες μονάδες συνδυασμένου κύκλου και υδροηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να δώσουν πλήρη απόκριση μέσα σε 10 δευτερόλεπτα, ενώ τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας της μπαταρίας μπορούν να εγκαταστήσουν πλήρη ισχύ σε κάτω από έναν κύκλο δικτύου. Μόλις συλληφθεί η συχνότητα, ο αυτόματος έλεγχος της παραγωγής (AGC) βήματα σε για την αποκατάσταση της ονομαστικής συχνότητας (50 ή 60 Hz) και να αντικαταστήσουν τα χρησιμοποιημένα αποθέματα. Η AGC ρυθμίζει τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας της γεννήτριας κάθε λίγα δευτερόλεπτα με βάση το σφάλμα ελέγχου περιοχής. Στη Βόρεια Αμερική, το πρότυπο NERC BAL-003-2 απαιτεί επαρκή απόκριση της κύριας συχνότητας για τον περιορισμό της απόκλισης συχνότητας μετά το μεγαλύτερο μεμονωμένο ενδεχόμενο. Οι φορείς χρησιμοποιούν τώρα τα προϊόντα ταχείας απόκρισης συχνότητας (FFR), τα προϊόντα που προέρχονται από μπαταρίες ⁇ για τη συμπλήρωση παραδοσιακών αποθεμάτων, όπως περιγράφεται στα πρότυπα αξιοπιστίας του NERC[FLT1].

Φόρτωση της Shedding ως Last Resort

Εάν τα αποθέματα είναι ανεπαρκή για τη μείωση της συχνότητας, η απόρριψη φορτίου υποσυχνότητας (UFLS) αποσυνδέει αυτόματα προκαθορισμένα μπλοκ φορτίου στα όρια συχνότητας (π.χ. 59,5 Hz, 59,3 Hz). Τα συστήματα UFLS λειτουργούν σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, καθιστώντας τα τα τα ταχύτερα διορθωτικά μέτρα. Τα σύγχρονα προσαρμοστικά συστήματα προσαρμόζουν τα ποσά εκροής με βάση τις συνθήκες του συστήματος σε πραγματικό χρόνο, όπως το μέγεθος της απώλειας και την αδράνεια στο διαδίκτυο. Η απόρριψη φορτίου υπό τάση (UVLS) αποσυνδέει ομοίως το φορτίο όταν η τάση παραμένει κάτω από 0,90 pu για μια καθορισμένη διάρκεια, εμποδίζοντας την κατάρρευση τάσης. Και τα δύο είναι εξουσιοδοτημένα από το πρότυπο NERC ΛΔΚ-006-4. Τα προγράμματα απόκρισης ζήτησης μπορούν επίσης να βοηθήσουν με τη μείωση του βιομηχανικού φορτίου μέσα σε δευτερόλεπτα μέσω σημάτων επιταχυντή, αλλά συνήθως εξυπηρετούν την αποκατάσταση μάλλον παρά την πρωτογενή άμυνα.

Σχέδια δράσης για την αναπροσαρμογή της τάσης

Οι σύγχρονοι αντιδραστήρες VAR (SVC) και οι στατικοί σύγχρονοι αντισταθμιστές (STATCOMs) εγχύουν αντιδρασματική ισχύ εντός ενός κύκλου, διατηρώντας τάσεις λεωφορείων και αποτρέποντας την κατάρρευση. Οι σύγχρονοι συμπυκνωτές παρέχουν τόσο αδρανειακή όσο και δυναμική αντιδραστική ισχύ, καθιστώντας τους ολοένα και πιο πολύτιμους σε αδύνατα δίκτυα. Οι μετασχηματιστές εν πλω ενεργοποιητών μπλοκάρονται σκόπιμα κατά τη διάρκεια οξειών γεγονότων για να αποφευχθεί η αύξηση του φορτίου που θα επιδεινωνόταν το έλλειμμα. Οι φορείς εκμετάλλευσης πλέγματος απαιτούν πλέον από νέους IBR να παρέχουν ικανότητα οδήγησης τάσης και δυναμικής αντίδρασης με καθορισμένες ρυθμίσεις ολίσθησης. Το έργο του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας για την ευελιξία του συστήματος ισχύος τονίζει ότι ο συντονισμένος έλεγχος τάσης πρέπει να ενσωματωθεί σε συστήματα διαχείρισης ενέργειας ευρείας περιοχής για να εξασφαλιστεί η ταχεία αντιδραστική ανάπτυξη.

Παρακολούθηση ευρείας περιοχής και έλεγχος AI

Οι μονάδες μέτρησης φασολιών (PMU) παρέχουν υποκυκλικές τάσεις και ρεύματος, που επιτρέπουν στους φορείς εκμετάλλευσης να παρατηρούν πολλαπλασιασμό συχνότητας και ηλεκτρομηχανικές ταλαντώσεις σε ολόκληρες διασυνδέσεις. Τα μοντέλα μάθησης μηχανών ταξινομούν τύπους συμβάντων από υπογραφές PMU σε κάτω των 100 ms, πυροδοτώντας προκαθορισμένες ενέργειες. Οι φορείς μάθησης ενίσχυσης μπορούν να βελτιστοποιήσουν την αποστολή εφεδρείας και την εκχέτευση φορτίου για σύνθετα σενάρια. Το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας έχει αποδείξει πώς οι ελεγκτές που καθοδηγούνται από AI υπερτερούν των συστημάτων κανόνων σε σενάρια σταθερότητας,[ όπως περιγράφεται στην έρευνά τους για το PMU.

Εκτελεστικά σχέδια και συντονισμός ανταπόκρισης

Το πρότυπο EOP-005 των επιχειρήσεων έκτακτης ανάγκης του NERC απαιτεί από τις αρχές εξισορρόπησης να διατηρούν τεκμηριωμένα σχέδια για γεγονότα απώλειας γενεών, συμπεριλαμβανομένων των εφεδρικών σεναρίων, της απόρριψης φορτίου και των βημάτων αποκατάστασης. Τα σχέδια αυτά καθορίζουν πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ κέντρων ελέγχου και πληρωμάτων πεδίου, συχνά χρησιμοποιώντας γραμμές hotlines και κοινόχρηστα ταμπλό. Τακτικές ασκήσεις και ασκήσεις πλήρους κλίμακας προσομοιώνουν σενάρια blackstart και απρόβλεπτες καταστάσεις, επικυρώνοντας τα σημεία ρύθμισης UFLS και ρυθμίσεις προστασίας. Μετά από αξιολογήσεις δράσης από γεγονότα όπως η διακοπή ρεύματος του Ηνωμένου Βασιλείου οδήγησε σε αναθεωρημένη προμήθεια απόκρισης συχνότητας και ενισχυμένα όρια αποσύνδεσης ζήτησης χαμηλής συχνότητας. Ο σχεδιασμός ενσωματώνει επίσης συμφωνίες ανταλλαγής εφεδρειών μεταξύ γειτονικών συστημάτων, όπως η Δυτική Διασύνδεση Ισορροπία Αποθεματικού Διαμοιρασμού Αγοράς ή η Διεθνής Συνεργασία Ελέγχου Πλέγματος του ΕΔΔΣΩ-Ε. Το U.S.D. Department of Energy's Gridization Initiative τονίζει ότι οι αλλαγές αυτές πρέπει να εξελίσσονται ως αλλαγές του συντονισμού.

Μαθήματα από τα σημαντικά γεγονότα

Στις 21 Ιανουαρίου 2021, μια απώλεια 1.200 MW στην Ανατολική Διασύνδεση προκάλεσε συχνότητα πτώσης σε 59.92 Hz. Πρωτογενής ανταπόκριση από εκατοντάδες γεννήτριες συνέλαβε τη μείωση σε 3 δευτερόλεπτα, και AGC αποκαθιστά 60 Hz μέσα σε 10 λεπτά χωρίς χύτευση φορτίου. Αυτό το γεγονός επικύρωσε επαρκή προμήθεια εφεδρείας και ταχύτητα κυβερνήτη. Αντίθετα, η διακοπή ρεύματος της Νότιας Αυστραλίας του 2016 έδειξε τους κινδύνους της ανεπαρκή αντοχής του συστήματος: μετά τη μετάδοση γραμμές σκόνταψε λόγω καταιγίδες, αιολικά πάρκα χωρίς βλάβη ικανότητα riding-μέσω αποσυνδέθηκε, οδηγώντας σε διακοπή ρεύματος cascading. Η επακόλουθη εγκατάσταση της μπαταρίας Hornsdale Power Reserve, η οποία παρέχει 7 MW ταχείας απόκρισης συχνότητας σε λιγότερο από 150 ms, έχει αποτρέψει πολλά μικρότερα περιστατικά. Η χειμερινή καταιγίδα του Τέξας 2021 επίσης έδειξε πώς μια απώλεια 50 GW οδήγησε μαζικής ροής φορτίου που τελικά εμπόδισε μια συνολική κατάρρευση του συστήματος. Μεταγενέστερες μεταρρυθμίσεις συμπεριελάμβαναν εποχιακές αξιολογήσεις επάρκειας και σταθερής παροχής καυσίμων.

Μελλοντικές οδηγίες

Οι αναστροφείς που σχηματίζουν πλέγμα (GFM) αντιπροσωπεύουν τα επόμενα σύνορα. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς αναστροφείς που ακολουθούν το πλέγμα, οι συσκευές GFM δημιουργούν τη δική τους αναφορά τάσης και μπορούν να μιμηθούν την σύγχρονη αδράνεια μηχανών, να αποσβεστούν οι ταλαντώσεις και να τροφοδοτήσουν ρεύμα. Σε συνδυασμό με την αποθήκευση μπαταρίας, μπορούν να παρέχουν αποπροσδιοριστέες σταθερές αδράνειας και να λειτουργούν σε κατάσταση νησί. Τα έργα στο Ηνωμένο Βασίλειο και την Αυστραλία έχουν δείξει ότι οι μπαταρίες GFM μπορούν να σταθεροποιήσουν τα αδύνατα δίκτυα με χαμηλές αναλογίες βραχυκύκλωσης. Η αποθήκευση μεγάλης διάρκειας όπως οι αντλούμενες μπαταρίες υδροδότησης και ροής θα συμπληρώσουν τις μπαταρίες ταχείας απόκρισης για την διαρκή εξισορρόπηση. Επιπλέον, οι κατανεμημένοι ενεργειακοί πόροι (DERs) όπως οι οικιακές μπαταρίες και οι έξυπνοι φορτιστές EV μπορούν ήδη να συγκεντρωθούν σε εικονικές μονάδες ισχύος (VPPs).

Συμπέρασμα

Η σταθεροποίηση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας μετά την ξαφνική απώλεια γενεών απαιτεί μια στρωμένη άμυνα της αδρανειακής υποστήριξης, απόκριση κυβερνήτη, AGC, και τελικά να φορτώσει χύτευση. Αυτοί οι τεχνικοί μηχανισμοί πρέπει να υποστηρίζονται από στιβαρό σχεδιασμό, σε πραγματικό χρόνο ευρείας περιοχής παρακολούθησης, και συντονισμένα σχέδια της αγοράς. Καθώς η σύγχρονη γενιά αποσύρεται, συνθετική αδράνεια και αντιστροφείς σχηματισμού δικτύου θα καταστεί απαραίτητη. Η εμπειρία του κλάδου με σημαντικά γεγονότα συνεχίζει να βελτιστοποιεί αυτές τις στρατηγικές, οδηγώντας επενδύσεις σε ταχύτερα αποθέματα, προσαρμοστικά συστήματα προστασίας, και AI-based έλεγχο. Διατηρώντας αυτή την ολοκληρωμένη προσέγγιση, οι διαχειριστές του δικτύου μπορούν να διατηρήσουν την αξιοπιστία ακόμη και καθώς το μίγμα πόρων εξελίσσεται προς inverter-based και κατανεμημένες τεχνολογίες.