ΗΜΥ 445 Έλεγχος παραγωγής ΙΙ

Transcript

1 ΗΜΥ 445 Έλεγχος παραγωγής ΙΙ Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 007 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Έλεγχος παραγωγής Μοντέλο ρυθμιστή στροφών Πλήρες μοντέλο γεννήτριας Μοντέλο γραμμής διασύνδεσης Αυτόματος έλεγχος παραγωγής (AGC)

3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO MODEL Ο ρυθμιστής στροφών μετρά τη συχνότητα περιστροφής της γεννήτριας και ρυθμίζει τη θέση της βαλβίδας εισαγωγής ατμού ούτωςώστεησυχνότηταναδιατηρείταικοντάστηνονομαστική της τιμή. Οι ρυθμιστές στροφών που χρησιμοποιούνται στις καινούριες μηχανές αποτελούνται από ηλεκτρονικά αισθητήρια μεταβολής της ταχύτητας και ηλεκτρονικά, μηχανικά και υδραυλικά εξαρτήματα για τον έλεγχο της βαλβίδας εισόδου του ατμού. Το πιο απλό μοντέλο ρυθμιστή στροφών είναι ο ισόχρονος ρυθμιστής (isochronous governor). Ρυθμίζει τη βαλβίδα εισόδου του ατμού έτσι ώστε να διατηρείται η συχνότητα πάντα στην ονομαστική της τιμή (Δf 0).

4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO MODEL ΙΣΟΧΡΟΝΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ISOCHONOUS GOVENO ατμός Βαλβίδα ατμού Κινητήρια μηχανή (prime mover) Περιστρεφόμενος άξονας (rotating shaft) Ταχόμετρο άνοιγμα βαλβίδας κλείσιμο βαλβίδας ΔP valve K G Δω ω ω ref Ο ισόχρονος ρυθμιστής στροφών δεν χρησιμοποιείται σε συστήματα με δυο ή περισσότερες γεννήτριες διότι αν οι γεννήτριες δεν λειτουργούσαν στην ίδια ακριβώς ταχύτητα, τότε κάθε γεννήτρια θα προσπαθούσε να αναγκάσει την άλλη να ακολουθήσει τη δική της ρύθμιση.

5 ΜΟΝΤΕΛΟ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO MODEL ΙΣΟΧΡΟΝΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ISOCHONOUS GOVENO Για να λυθεί το πρόβλημα, χρησιμοποιείται ακόμη ένας βρόγχος ανάδρασης με είσοδο το φορτίο αναφοράς. Αυτή η είσοδος ορίζει το συγκεκριμένο φορτίο της γεννήτριας για το οποίο η συχνότητα πρέπει να ισούται με την ονομαστική τιμή της συχνότητας. Για όλες τις υπόλοιπες τιμές του φορτίου της μονάδας θα υπάρχει ένα σφάλμα συχνότητας. ατμός Βαλβίδα ατμού Κινητήρια μηχανή (prime mover) Περιστρεφόμενος άξονας (rotating shaft) Ταχόμετρο άνοιγμα βαλβίδας κλείσιμο βαλβίδας ΔP valve K G Δω ω ω ref P ref

6 ΜΟΝΤΕΛΟ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO MODEL ΙΣΟΧΡΟΝΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ISOCHONOUS GOVENO Το ορίζεται ως η ανά μονάδα μεταβολή στην συχνότητα δια την ανά μονάδα μεταβολή στην ισχύ εξόδου. Δω/ΔP pu : σταθερά ρύθμισης, regulation constant (droop) Άρα το block diagram του ρυθμιστή στροφών μπορεί να κατασκευαστεί ως ακολούθως: ω ref Δω K G s ΔP valve ω P ref

7 ΜΟΝΤΕΛΟ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO MODEL ΙΣΟΧΡΟΝΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ISOCHONOUS GOVENO Περαιτέρω απλοποίηση κυκλώματος: ω ref Δω s( ) K G ΔP valve ω P ref Έστωότιορίζεταιησταθεράχρόνου (time constant) του ρυθμιστή στροφών ως T G K G ω ref Δω st G ΔP valve ω P ref

8 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΣΤΡΟΦΩΝ GOVENO CHAACTEISTIC Η κλίση της χαρακτηριστικής ισούται με. Άρα το είναι η μεταβολήτηςισχύοςεξόδουγιαμιαμεταβολήτηςσυχνότητας. Συνήθως, το ρυθμίζεται ούτως ώστε μια μεταβολή της εξόδου από 0 μέχρι 00% να έχει ως αποτέλεσμα την ίδια μεταβολή της συχνότητας σε κάθε γεννήτρια του συστήματος. Συχνότητα (Hz) Ισχύς εξόδου (p.u.)

9 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΜΕ ΔΥΟ ΜΟΝΑΔΕΣ Αρχική συχνότητα λειτουργίας: f 0 Αν αυξηθεί το φορτίο σε P P, τότε η ταχύτητα των μονάδων θα μειωθεί. Οι ρυθμιστές στροφών θα αυξήσουν την ισχύ εξόδου μέχρις ότου οι μονάδες κατασταλάξουν σε μια νέα κοινή συχνότητα λειτουργίας f. Κάθε μονάδα θα αναλάβει φορτίο ανάλογα με την κλίση της χαρακτηριστικής της. Συχνότητα (Hz) Ισχύς εξόδου μονάδας Ισχύς εξόδου μονάδας

10 ΡΥΘΜΙΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Στο προηγούμενο παράδειγμα, μετά την μεταβολή του φορτίου υπήρξε μεταβολή της συχνότητας. Αν μεταβάλουμε το φορτίο αναφοράς (load reference set point), τότε μπορούμε να έχουμε μια συχνότητα αναφοράς για οποιαδήποτε φόρτωση. Άραησυχνότηταμπορείναμένεικοντάστηνονομαστικήτηςτιμή. Αυτή είναι η σημαντικότερη είσοδος ελέγχου στον έλεγχο παραγωγής. Συχνότητα (Hz) f 0 Φορτίο αναφοράς για ονομαστική ταχύτητα σε πλήρες φορτίο Φορτίο αναφοράς για ονομαστική ταχύτητα χωρίς φορτίο Φορτίο αναφοράς για ονομαστική ταχύτητα σε φορτίο 0.5 p.u Ισχύς εξόδου (p.u.)

11 ΠΛΗΡΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Μοντέλο που περιλαμβάνει το ρυθμιστή στροφών, την κινητήρια μηχανή και το φορτίο. P ref Load reference set point st G Ρυθμιστής στροφών (Governor) ΔP valve st CH Κινητήρια μηχανή (Prime mover) ΔP mech ΔP L Ms D Δω Περιστρεφόμενη μάζα και φορτίο (otating mass and load) Δω( s) ΔP L ( s) st G Ms D st CH Ms D

12 ΠΛΗΡΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Τελική τιμή συχνότητας: Αν σε ένα σύστημα υπάρχουν n γεννήτριες, τότε η μεταβολή της συχνότητας σε σταθερή κατάσταση είναι: D P D D P s s L L s Δ Δ Δ Δ )] ( lim[ 0 ω ω D P n L Δ Δ L ω

13 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ TIELINE MODEL Ροή ισχύος σε γραμμή μεταφοράς (DC flow): Μεταβολή στη ροή ισχύος: ΔPtie flow ( Δδ Δδ ) Xtie (οι γωνίες σε ακτίνια και οι υπόλοιπες ποσότητες σε ανά μονάδα) Αφού Δω ΔP d dt tie P tie flow X tie ( Δδ ) Δω( s) sδδ ( s) flow sx tie Δω σε rad/s και ΔP σε MW ( Δω Δ ω ( δ ) δ )

14 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Παράδειγμα με δυο διασυνδεδεμένες περιοχές P ref ΔP mech st G st CH M s D Δω ΔP L T s ΔP tie P ref ΔP mech st G st CH M s D Δω ΔP L

15 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Έστω ότι έχουμε δυο διασυνδεδεμένες περιοχές μέσω μιας γραμμής μεταφοράς και ότι κάθε περιοχή έχει μια γεννήτρια. Η ροή ισχύος μέσω της γραμμής διασύνδεσης θα φαίνεται ως θετικό φορτίο στη μια περιοχή και ως αρνητικό φορτίο στην άλλη περιοχή ανάλογα με την φορά της ροής. Έστω ότι υπάρχει μεταβολή φορτίου ΔP L στην περιοχή.

16 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Όταν το σύστημα επιστρέψει σε σταθερή κατάσταση (αφού τελειώσουν όλες οι ταλαντώσεις), η συχνότητα θα είναι σταθερή και ίση στις δυο περιοχές. Επομένως, d d Δω Δω Δω και ( Δω ) ( Δω) 0 dt dt Επίσης, ΔP ΔP ΔP ΔP mech mech mech mech ΔP ΔP tie tie Δω Δω ΔP L ΔωD ΔωD

17 ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΡΑΜΜΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Χρησιμοποιώντας τις προηγούμενες εξισώσεις, D D P L Δ Δω ) ( D D D P P L tie Δ Δ

18 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Δυο περιοχές είναι διασυνδεδεμένες με μια γραμμή μεταφοράς. Οι δυο περιοχές λειτουργούν σε συχνότητα 50 Hz και έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Περιοχή : 0.0 pu, D 0.9 pu, S base 500 MVA Περιοχή : 0.0 pu, D. pu, S base 500 MVA Ξαφνικάτοφορτίοαυξάνεταικατά50 MW (0.3 pu) στην περιοχή. Ποια είναι η νέα συχνότητα λειτουργίας σε σταθερή κατάσταση, και ποια είναι η μεταβολή στη ροή ισχύος μέσω της γραμμής διασύνδεσης;

19 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Δω Δω P L Δ D D 3 p.u f new 50 (.97368x0 3 )* Hz Δ P tie Δω ( D ) p.u MW

20 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ AUTOMATIC GENEATION CONTOL (AGC) Είναι ένα σύστημα ελέγχου που έχει 3 κύριους στόχους:. Να διατηρεί τη συχνότητα του συστήματος κοντά στην προκαθορισμένη τιμή της.. Να διατηρεί τη ροή ισχύος μεταξύ περιοχών στην προγραμματισμένη τιμή της. 3. Να διατηρεί το λειτουργικό σημείο κάθε γεννήτριας στην πιο οικονομική τιμή.

21 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Δευτερογενής έλεγχος (supplementary control action) Η μεταβολή στο φορτίο θα προκαλέσει μεταβολή στη συχνότητα. Επομένως, για να επανέλθει η συχνότητα στην προκαθορισμένη της τιμή, πρέπει να υπάρχει ένα άλλο σήμα ελέγχου το οποίο θα ρυθμίσει την ταχύτητα αναφοράς σε μια νέα τιμή για να ανοίξει περαιτέρω η βαλβίδα ατμού μέσω του ρυθμιστή στροφών. K s ΔP mech P ref st G st CH Ms D Δω Δευτερογενής έλεγχος (supplementary control) ΔP L

22 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Έλεγχος γραμμών διασύνδεσης Η διασύνδεση δυο περιοχών είναι πολύ σημαντική: (α) αγοραπωλησίες ενέργειας σε συμφέρουσες τιμές (β) βελτίωση της αξιοπιστίας και των δυο συστημάτων αφού μπορεί να αντιμετωπιστούν απώλειες μονάδων σε μια περιοχή με τη βοήθεια της άλλης περιοχής. Η ροή ισχύος μεταξύ περιοχών είναι προσυμφωνημένη με υπογεγραμμένα συμβόλαια. Σε περίπτωση που η ροή αλλάξει, τότε η περιοχή που παρέχει περισσότερη ενέργεια μπορεί να αναγκαστεί να παράγει σε περισσότερο κόστος. Άρα πρέπει να υπάρχει κάποιος μηχανισμός ελέγχου που να επιστρέψει την ροή μέσω της γραμμής στην αρχική της τιμή. Αυτός ο μηχανισμός πρέπει να χρησιμοποιήσει ως δεδομένα την τιμή της συχνότητας και την ροή ισχύος μεταξύ των δυο περιοχών.

23 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Παράδειγμα Αν το φορτίο στην περιοχή μεταβληθεί, τότε σε σταθερή κατάσταση θέλουμε, ΔP gen ΔP L ΔP gen 0

24 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Η μεταβολή στην παραγωγή ονομάζεται Σφάλμα Ελέγχου Περιοχής (Area Control Error, ACE). Υποδεικνύει την μεταβολή που απαιτείται στην παραγωγή μιας περιοχής για να επαναφέρει την συχνότητα και την ροή μέσω των γραμμών διασύνδεσης στις αρχικές τους τιμές. Το ACE κάθε περιοχής είναι: ACE i ΔP B tie i i Δω ΔP tie : μεταβολή της ροής φορτίου μέσω των συνδετικών γραμμών actual sched από την προκαθορισμένη ροή ( ΔPtie Ptie Ptie ) B i : frequency bias constant (συντελεστής πόλωσης σε MW/Hz) Δω: μεταβολή συχνότητας περιοχής B i i D i

25 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ B ACE K s P ref ΔP mech st G st CH M s D Δω ΔP tie T s ACE K s P ref ΔP mech st G st CH M s D Δω B

26 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Κατανομή παραγωγής (generation allocation) Στην πραγματικότητα, σε κάθε περιοχή υπάρχουν περισσότερες από μια γεννήτρια. Επομένως, η παραγωγή κάθε γεννήτριας πρέπει να ρυθμιστεί σύμφωνα με την οικονομική κατανομή. Αυτό γίνεται συνεχώς αφού το φορτίο αλλάζει συνεχώς. Επομένως, δεν μπορεί να γίνεται οικονομική κατανομή σε κάθε στιγμή. Η οικονομική κατανομή γίνεται σε περιόδους των 5 λεπτών όταν το σύστημα ελέγχου είναι ψηφιακό. Η κατανομή του φορτίου πρέπει να γίνεται άμεσα.

27 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Η κατανομή του επιπλέον (ή του ελλείμματος) φορτίου γίνεται χρησιμοποιώντας το βασικό σημείο (base point) και τους συντελεστές συμμετοχής (participation factors).. Γίνεται η οικονομική κατανομή με το παρόν φορτίο. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύνολο «βασικών σημείων» παραγωγής P ibase.. Υπολογίζονται οι συντελεστές συμμετοχής κάθε μονάδας (ρυθμός μεταβολής της ισχύος εξόδου μιας μονάδας συναρτήσει της μεταβολής της ισχύος του συστήματος) (κεφ. 3.8): pf i ΔPi ΔP D Fi F n n Συνάρτηση κόστους df i F i ( /MWh) dp i Δλ ΔP P i (MW)

28 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 3. Επομένως, μπορεί να υπολογιστεί η νέα παραγωγή κάθε μονάδας: P new i P base i pf i ΔP system Σημείωση: pf i i

29 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Παράδειγμα Ένα σύστημα έχει τρεις μονάδες παραγωγής με τις ακόλουθες συναρτήσεις κόστους: F F F 3 ( P ( P ( P 3 ) ) ) P 7.97P P P P P 3 Η οικονομική κατανομή για φορτίο 850 MW έχει υπολογίσει την ακόλουθη φόρτωση των μονάδων: P 393. MW P MW P 3. MW Βρείτε τους συντελεστές συμμετοχής για αυτή την κατανομή και υπολογίστε την κατανομή για ένα φορτίο 900 MW.

30 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Συντελεστές συμμετοχής: pf ΔP F F n ΔPD n ΔP ΔP pf 0.38 pf Δ Δ P D Νέα κατανομή: ΔP D new P P P new new base P. pf 50 MW ΔP system MW MW P D Έλεγχος: pf pf pf MW

31 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Τασήματαγιααύξησηήμείωσητηςπαραγωγήςστέλλονταικάθε δευτερόλεπτα. Οι υδροηλεκτρικές μονάδες είναι σε χειρωνακτικό έλεγχο, όχι σε AGC. Οι μονάδες βάσης (base loaded units) δεν είναι σε AGC. Πώς ξέρουμε αν ένα AGC σύστημα είναι καλό; Υπάρχουν κανονισμοί. Για παράδειγμα, το ολοκλήρωμα του σφάλματος συχνότητας πρέπει να περνά από το μηδέν κάθε 0 λεπτά (ή κάποιο άλλο χρονικό διάστημα ανάλογα με την περιοχή). Επίσης υπάρχουν όρια στο ACE και στο ρυθμό μεταβολής του ACE.

32 Εφαρμογή ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ raise/lower request raise/lower request P scheduled Control logic Telemetry master station Telemetry remote station Control logic Governor and prime mover ΔP mech στο κέντρο ελέγχου στον σταθμό παραγωγής

33 ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ AGC features Assist action: Αν μια μονάδα έχει μεγάλο συντελεστή συμμετοχής, τότε θα αναλάβει το περισσότερο μερίδιο της μεταβολής του φορτίου. Αν η μεταβολή είναι μεγάλη, τότε δεν θα μπορεί να αντεπεξέλθει σε σύντομο χρονικό διάστημα. Έτσι, δίνεται ένα επιπλέον σήμα και σε άλλες μονάδες για να βοηθήσουν στην ανάληψη του επιπλέον φορτίου. Filtering of ACE and deadband: Αποφυγή απότομων μεταβολών στην παραγωγή και αποφυγή συνεχών εναλλασσόμενων σημάτων αύξησης και μείωσης λόγω της εναλλαγής του φορτίου. Bad data detection: απώλεια μετρήσεων, απώλεια σημάτων. Λύση: χρήση υπολογιζόμενων τιμών ή προηγούμενων τιμών. amp control: Εσκεμμένη μεταβολή της παραγωγής μιας μονάδας. ate limiter: Περιορισμός του ρυθμού μεταβολής της παραγωγής σε ορισμένες μονάδες.