Regulação de frequência no sistema de energia

Nos sistemas elétricos de potência, em determinado momento, deve ser gerada a quantidade de eletricidade necessária para o consumo em determinado momento, pois é impossível criar reservas de energia elétrica.

A frequência junto com a tensão é um dos principais indicadores de qualidade de energia... O desvio da frequência do normal leva à interrupção do funcionamento das usinas, o que, via de regra, leva à queima de combustível. Uma diminuição na frequência do sistema leva a uma diminuição na produtividade dos mecanismos em empresas industriais e a uma diminuição na eficiência das principais unidades das usinas. Um aumento na frequência também leva a uma diminuição na eficiência das unidades da usina e a um aumento nas perdas da rede.

Actualmente, o problema da regulação automática de frequências abrange um vasto leque de questões de natureza económica e técnica. O sistema de energia está atualmente executando a regulação automática de frequência.

Efeito da frequência na operação dos equipamentos da usina

Todas as unidades que executam movimento rotativo são calculadas de forma que sua maior eficiência seja obtida três vezes a partir de uma velocidade de rotação muito específica, ou seja, a nominal. No momento, as unidades que executam movimento rotativo são, em sua maioria, conectadas a máquinas elétricas.

A produção e o consumo de energia elétrica são realizados principalmente em corrente alternada; portanto, a maioria dos blocos que executam movimento rotativo está associada à frequência da corrente alternada. De fato, assim como a frequência do alternador gerado pelo alternador depende da velocidade da turbina, a velocidade do mecanismo acionado pelo motor CA depende da frequência.

Os desvios da frequência da corrente alternada do valor nominal têm um efeito diferente em diferentes tipos de unidades, bem como em diferentes dispositivos e aparelhos dos quais depende a eficiência do sistema de energia.

A turbina a vapor e suas pás são projetadas de forma que a potência máxima possível no eixo seja fornecida na velocidade nominal (frequência) e entrada de vapor contínua. Neste caso, uma diminuição da velocidade de rotação leva à ocorrência de perdas pelo impacto do vapor na pá com aumento simultâneo do torque, e um aumento da velocidade de rotação leva a uma diminuição do torque e aumento do torque. impacto na parte de trás da lâmina. A turbina mais econômica funciona em frequência nominal.

Além disso, a operação em uma frequência reduzida leva ao desgaste acelerado das pás do rotor da turbina e de outras peças.A mudança de frequência afeta o funcionamento dos mecanismos de autoconsumo da usina.

Efeito da frequência no desempenho dos consumidores de eletricidade

Mecanismos e unidades de consumidores de eletricidade podem ser divididos em cinco grupos de acordo com o grau de dependência da frequência.

Primeiro grupo. Usuários cuja mudança de frequência não tem efeito direto na potência desenvolvida. Estes incluem: iluminação, fornos de arco elétrico, fuga de resistência, retificadores e cargas alimentadas por eles.

Segundo grupo. Mecanismos cuja potência varia proporcionalmente à primeira potência da frequência. Esses mecanismos incluem: máquinas de corte de metal, moinhos de bolas, compressores.

Terceiro grupo. Mecanismos cuja potência é proporcional ao quadrado da frequência. São mecanismos cujo momento de resistência é proporcional à frequência no primeiro grau. Não há mecanismos com esse exato momento de resistência, mas vários mecanismos especiais têm um momento que se aproxima disso.

Quarto grupo. Mecanismos de torque do ventilador cuja potência é proporcional ao cubo da frequência. Tais mecanismos incluem ventiladores e bombas sem resistência estática ou desprezível.

Quinto grupo. Mecanismos cuja potência depende da frequência em maior grau. Tais mecanismos incluem bombas com uma grande cabeça de resistência estática (por exemplo, bombas de alimentação de usinas de energia).

O desempenho dos últimos quatro grupos de usuários diminui com a frequência decrescente e aumenta com o aumento da frequência. À primeira vista, parece que é benéfico para os usuários trabalharem com maior frequência, mas isso está longe de ser o caso.

Além disso, à medida que a frequência aumenta, o torque do motor de indução diminui, o que pode fazer com que o dispositivo pare e pare se o motor não tiver reservas de energia.

Controle automático de frequência no sistema de energia

O objetivo do controle automático de frequência em sistemas de energia é principalmente garantir a operação econômica de estações e sistemas de energia. A eficiência da operação do sistema de energia não pode ser alcançada sem manter o valor de frequência normal e sem a distribuição mais favorável da carga entre as unidades de trabalho paralelas e as usinas do sistema de energia.

Para regular a frequência, a carga é distribuída entre várias unidades de trabalho paralelas (estações). Ao mesmo tempo, a carga é distribuída entre as unidades de forma que, com pequenas alterações na carga do sistema (até 5-10%), o modo de operação de um grande número de unidades e estações não seja alterado.

Com uma natureza variável da carga, o melhor modo será aquele em que a parte principal dos blocos (estações) carrega a carga correspondente à condição de igualdade dos passos relativos, e pequenas e curtas flutuações da carga são cobertas por mudanças a carga de uma pequena peça das unidades.

Ao distribuir a carga entre as unidades que trabalham em paralelo, eles tentam garantir que todas trabalhem na área de maior eficiência. Nesse caso, o consumo mínimo de combustível é garantido.

As unidades encarregadas de cobrir todas as mudanças de carga não planejadas, ou seja, A regulação de frequência no sistema deve atender aos seguintes requisitos:

• ter alta eficiência;

• têm uma curva de eficiência de carga plana, ou seja, manter alta eficiência em uma ampla gama de variações de carga.

No caso de uma mudança significativa na carga do sistema (por exemplo, seu aumento), quando todo o sistema muda para um modo de operação com um valor maior do ganho relativo, o controle de frequência é transferido para tal estação em cuja magnitude do ganho relativo é próxima à do sistema.

A estação de frequência tem a maior faixa de controle dentro de sua potência instalada. As condições de controle são fáceis de implementar se o controle de frequência puder ser atribuído a uma única estação. Uma solução ainda mais simples é obtida nos casos em que a regulação pode ser atribuída a uma única unidade.

A velocidade das turbinas determina a frequência no sistema de potência, de modo que a frequência é controlada atuando nos reguladores de velocidade da turbina. As turbinas são geralmente equipadas com reguladores de velocidade centrífugos.

As mais adequadas para controle de frequência são as turbinas de condensação com parâmetros normais de vapor.As turbinas de contrapressão são tipos de turbinas completamente inapropriadas para controle de frequência, pois sua carga elétrica é determinada inteiramente pelo usuário do vapor e é quase totalmente independente da frequência do sistema.

É impraticável confiar a tarefa de regulação de frequência a turbinas com grandes sucções de vapor, porque, em primeiro lugar, elas têm uma faixa de controle muito pequena e, em segundo lugar, são antieconômicas para operação em carga variável.

Para manter a faixa de controle necessária, a potência da estação de controle de frequência deve ser de pelo menos 8 a 10% da carga no sistema para que haja faixa de controle suficiente. A faixa de regulação da usina termelétrica não pode ser igual à capacidade instalada. Portanto, a potência do CHP, que ajusta a frequência, dependendo dos tipos de caldeiras e turbinas, deve ser de duas a três vezes maior que a faixa de ajuste necessária.

A menor potência instalada da usina hidrelétrica para criar a faixa de controle necessária pode ser significativamente menor que a térmica. Para usinas hidrelétricas, a faixa de regulação costuma ser igual à capacidade instalada. Quando a frequência é controlada por uma usina hidrelétrica, não há limite para a taxa de aumento da carga a partir do momento em que a turbina é acionada. No entanto, a regulação de frequência de usinas hidrelétricas está associada à conhecida complicação dos equipamentos de controle.

Para além do tipo de posto e das características dos equipamentos, a escolha do posto de comando é influenciada pela sua localização no sistema elétrico, nomeadamente a distância elétrica ao centro de carga. Se a estação estiver localizada no centro da carga elétrica e estiver conectada a subestações e outras estações do sistema por meio de poderosas linhas de energia, então, via de regra, um aumento na carga da estação reguladora não leva à violação de estabilidade estática.

Por outro lado, quando a estação de controle estiver localizada longe do centro do sistema, pode haver risco de instabilidade.Neste caso, a regulação da frequência deve ser acompanhada pelo controle do ângulo de divergência dos vetores e. etc. c. sistema e estação para gerenciar ou controlar a potência transmitida.

Os principais requisitos para sistemas de controle de frequência regulam:

• parâmetros e limites de ajuste,

• erro estático e dinâmico,

• a taxa de mudança na carga do bloco,

• garantir a estabilidade do processo regulatório,

• a capacidade de regular por um determinado método.

Os reguladores devem ter um design simples, operação confiável e baixo custo.

Métodos de controle de frequência no sistema de energia

O crescimento dos sistemas de energia levou à necessidade de regular a frequência de vários blocos de uma estação e depois de várias estações. Para isso, vários métodos são usados ​​para garantir uma operação estável do sistema de energia e qualidade de alta frequência.

O método de controle aplicado não deve permitir aumento dos limites de desvio de frequência devido a erros ocorridos em dispositivos auxiliares (dispositivos ativos de distribuição de carga, canais de telemetria, etc.).

O método de regulação de frequência é necessário para garantir que a frequência seja mantida em um determinado nível, independentemente da carga nas unidades de controle de frequência (a menos, é claro, que toda a faixa de controle seja usada), o número de unidades e as estações de controle de frequência , e a magnitude e duração do desvio de frequência.… O método de controle também deve garantir a manutenção de uma determinada relação de carga das unidades de controle e a entrada simultânea no processo de regulação de todas as unidades que controlam a frequência.

Método de características estáticas

O método mais simples é obtido ajustando a frequência de todas as unidades do sistema, quando estas são equipadas com reguladores de velocidade com características estáticas. Na operação em paralelo de blocos operando sem deslocamento das características de controle, a distribuição de cargas entre os blocos pode ser encontrada a partir das equações de características estáticas e das equações de potência.

Durante a operação, as mudanças de carga excedem significativamente os valores especificados, portanto, a frequência não pode ser mantida dentro dos limites especificados. Com este método de regulação, é necessário ter uma grande reserva rotativa espalhada por todas as unidades do sistema.

Este método não pode garantir a operação econômica das usinas, pois, por um lado, não pode usar toda a capacidade das unidades econômicas e, por outro lado, a carga de todas as unidades muda constantemente.

Método com característica astática

Se todas ou parte das unidades do sistema estiverem equipadas com reguladores de frequência com características astáticas, teoricamente a frequência no sistema permanecerá inalterada para quaisquer alterações na carga. No entanto, este método de controle não resulta em uma taxa de carga fixa entre as unidades controladas por frequência.

Este método pode ser aplicado com sucesso quando o controle de frequência é atribuído a uma única unidade.Nesse caso, a potência do dispositivo deve ser de pelo menos 8 a 10% da potência do sistema. Não importa se o controlador de velocidade tem uma característica astática ou se o dispositivo está equipado com um regulador de frequência com uma característica astática.

Todas as mudanças de carga não planejadas são percebidas por uma unidade com característica astática. Como a frequência no sistema permanece inalterada, as cargas nas outras unidades do sistema permanecem inalteradas. O controle de frequência de unidade única neste método é perfeito, mas se mostra inaceitável quando o controle de frequência é atribuído a várias unidades. Este método é usado para regulação em sistemas de baixa potência.

método gerador

O método do gerador mestre pode ser usado nos casos em que, de acordo com as condições do sistema, seja necessário ajustar a frequência de várias unidades na mesma estação.

Um regulador de frequência com característica astática é instalado em um dos blocos, chamado de principal. Reguladores de carga (equalizadores) são instalados nos blocos restantes, que também são encarregados da tarefa de regulação de frequência. Eles são encarregados de manter uma determinada relação entre a carga da unidade mestre e as demais unidades que ajudam a regular a frequência. Todas as turbinas do sistema possuem reguladores de velocidade estáticos.

O método do estatismo imaginário

O método estático imaginário é aplicável tanto para regulagem de estação única quanto para regulagem de múltiplas estações.No segundo caso, deve haver canais de telemetria bidirecional entre as estações que ajustam a frequência e a sala de controle (transmissão da indicação de carga da estação para a sala de controle e transmissão de ordem automática da sala de controle para a estação ).

Um regulador de frequência é instalado em cada dispositivo envolvido na regulação. Esta regulação é estática no que diz respeito à manutenção da frequência no sistema e estática no que diz respeito à distribuição de cargas entre os geradores. Garante uma distribuição estável de cargas entre os geradores modulantes.

O compartilhamento de carga entre os dispositivos controlados por frequência é obtido por meio de um dispositivo de compartilhamento de carga ativo. Este último, resumindo toda a carga das unidades de controle, divide-a entre elas em uma determinada proporção predeterminada.

O método do estatismo imaginário também permite regular a frequência em um sistema de várias estações e, ao mesmo tempo, a relação de carga fornecida será respeitada entre as estações e entre as unidades individuais.

Método de tempo síncrono

Este método usa o desvio do tempo síncrono do tempo astronômico como critério para regulação de frequência em sistemas de energia multi-estações sem o uso de telemecânica. Este método é baseado na dependência estática do desvio do tempo síncrono do tempo astronômico, a partir de um determinado momento no tempo.

Na velocidade síncrona normal dos rotores dos geradores de turbina do sistema e na igualdade dos momentos de giro e momentos de resistência, o rotor do motor síncrono girará na mesma velocidade. Se uma seta for colocada no eixo do rotor de um motor síncrono, ela mostrará o tempo em uma determinada escala. Colocando uma engrenagem adequada entre o eixo do motor síncrono e o eixo do ponteiro, é possível fazer o ponteiro girar na velocidade do ponteiro das horas, minutos ou segundos do relógio.

O tempo mostrado por esta seta é chamado de tempo síncrono. O tempo astronômico é derivado de fontes de tempo precisas ou de padrões de frequência de corrente elétrica.

Um método para controle simultâneo de características astáticas e estáticas

A essência deste método é a seguinte. Existem duas estações de controle no sistema de energia, uma delas funciona de acordo com a característica astática e a segunda de acordo com a estática com um pequeno coeficiente estático. Para pequenos desvios da programação de carga real da sala de controle, qualquer flutuação de carga será percebida por uma estação com característica astática.

Neste caso, uma estação de controle com característica estática participará da regulação apenas no modo transitório, evitando grandes desvios de frequência. Quando a faixa de ajuste da primeira estação é esgotada, a segunda estação entra em ajuste. Neste caso, o novo valor de frequência estacionária será diferente do nominal.

Enquanto a primeira estação controla a frequência, a carga nas estações base permanecerá inalterada. Quando ajustado pela segunda estação, a carga nas estações base se desviará da econômica.As vantagens e desvantagens deste método são óbvias.

Método de gerenciamento de bloqueio de energia

Este método consiste no fato de que cada um dos sistemas de potência incluídos na interconexão participa da regulação de frequência apenas se o desvio de frequência for causado por uma mudança na carga nele. O método é baseado na seguinte propriedade de sistemas de energia interconectados.

Se a carga em qualquer sistema de energia aumentou, uma diminuição na frequência é acompanhada por uma diminuição na energia de troca fornecida, enquanto em outros sistemas de energia, uma diminuição na frequência é acompanhada por um aumento na energia de troca fornecida.

Isso se deve ao fato de que todos os dispositivos que possuem características de controle estático, tentando manter a frequência, aumentam a potência de saída. Assim, para um sistema de potência onde ocorreu uma mudança de carga, o sinal do desvio de frequência e o sinal do desvio de potência de troca coincidem, mas em outros sistemas de potência esses sinais não são os mesmos.

Cada sistema de energia possui uma estação de controle onde são instalados reguladores de frequência e um relé de bloqueio de energia de troca.

Também é possível instalar em um dos sistemas um regulador de frequência bloqueado por um relé de troca de energia e em um sistema de energia adjacente - um regulador de energia de troca bloqueado por um relé de frequência.

O segundo método tem uma vantagem sobre o primeiro se o regulador de potência CA puder operar na frequência nominal.

Quando a carga em um sistema de energia muda, os sinais de desvios de frequência e potência de troca coincidem, o circuito de controle não é bloqueado e, sob a ação do regulador de frequência, a carga nos blocos desse sistema aumenta ou diminui. Em outros sistemas de energia, os sinais do desvio de frequência e da potência de troca são diferentes e, portanto, os circuitos de controle são bloqueados.

A regulação por este método requer a presença de canais de televisão entre a subestação de onde parte a linha de conexão para outro sistema de energia e a estação que regula a frequência ou fluxo de troca. O método de controle de bloqueio pode ser aplicado com sucesso nos casos em que os sistemas de potência são conectados por apenas uma conexão entre si.

Método do sistema de frequência

Em um sistema interconectado que inclui vários sistemas de potência, o controle de frequência às vezes é atribuído a um sistema enquanto os outros controlam a potência transmitida.

Método de estatismo interno

Este método é um desenvolvimento adicional do método de bloqueio de controle. O bloqueio ou fortalecimento da ação do regulador de frequência não é realizado por meio de relés de potência especiais, mas criando estatismo na potência transmitida (troca) entre os sistemas.

Em cada um dos sistemas de energia em funcionamento paralelo é alocada uma estação reguladora, na qual estão instalados reguladores, que possuem estatismo em termos de potência de troca. Os reguladores respondem tanto ao valor absoluto da frequência quanto à potência de troca, enquanto esta última é mantida constante e a frequência é igual à nominal.

Na prática, no sistema de potência durante o dia, a carga não permanece inalterada, mas as mudanças de acordo com o cronograma de carga, o número e a potência dos geradores do sistema e a potência de troca especificada também não permanecem inalterados. Portanto, o coeficiente estático do sistema não permanece constante.

Com maior capacidade geradora no sistema, ela é menor e com menor potência, ao contrário, o coeficiente estático do sistema é maior. Portanto, a condição necessária de igualdade dos coeficientes de estatismo nem sempre será satisfeita. Isso resultará no fato de que, quando a carga mudar em um sistema de energia, os conversores de frequência em ambos os sistemas de energia entrarão em ação.

Em um sistema de potência onde ocorreu um desvio de carga, o conversor de frequência atuará o tempo todo em uma direção durante todo o processo de regulação, tentando compensar o desequilíbrio resultante. No segundo sistema de potência, a operação do regulador de frequência será bidirecional.

Se o coeficiente stat do regulador em relação à potência de troca for maior que o coeficiente stat do sistema, então no início do processo de regulação, a estação de controle desse sistema de energia reduzirá a carga, aumentando assim a potência de troca, e após isso aumentar a carga para restaurar o valor ajustado da potência de troca na frequência nominal.

Quando o coeficiente estatístico do regulador em relação à potência de troca for menor que o coeficiente estatístico do sistema, a sequência de controle no segundo sistema de potência será invertida (primeiro, a aceitação do fator de acionamento aumentará e, em seguida, diminuir).