Izgara Ataletine ve Frekans Düzenlemesine Giriş — Dönen Kütle Ortadan Kaybolduğunda Frekansı Kim Korur?

Bir alternatif akım şebekesinin frekansı, ancak üretim ve tüketim tam olarak dengelendiğinde sabit kalır. Üretim talebin altında kalırsa frekans düşer; talebi aşarsa frekans yükselir. Şebekenin bu dengesizliğe ne kadar tepki verebileceğini belirleyen şey atalettir. Hidroelektrik, termik ve nükleer santrallerde, senkron jeneratörün devasa dönen gövdesi, arz ve talebin dengesiz hale gelmesinden sonraki ilk birkaç saniye boyunca frekanstaki ani düşüşü veya yükselişi doğal olarak yumuşatan bir kinetik enerji deposu görevi görür. Ancak güneş, rüzgar ve bataryalar, güç elektroniği (invertörler) aracılığıyla şebekeye bağlanır, bu nedenle bu doğal tamponlama etkisine sahip değillerdir. Senkron jeneratör ataletinin ve salınım denkleminin temelleri Güç Sistemleri Temel Bilgileri'de tanıtılmıştır. Bu makale, bu denklemin pratikte ne anlama geldiğini ve inverter bağlantılı kaynakların başrol oynadığı bir şebekede frekansın nasıl korunabileceğini inceliyor.

30 Saniyede Özet

• Atalet, senkron jeneratörün dönen gövdesinde (türbin artı rotor) tutulan kinetik enerjinin, ani bir arz-talep dalgalanması sırasında doğal olarak enerjiyi emme ve salma özelliğidir ve bu da ortaya çıkan frekans değişimini yumuşatır. Atalet ne kadar büyükse, belirli bir arz-talep açığı için frekans değişim hızı (RoCoF: Frekans Değişim Hızı) o kadar küçük olur.

• İnvertörler aracılığıyla bağlanan güneş, rüzgar ve bataryaların mekanik dönen bir gövdesi yoktur, bu nedenle doğal olarak atalet sağlamazlar. Karışımdaki payları arttıkça ve senkron jeneratörler göreceli olarak küçüldükçe, şebekenin genel ataleti düşer ve aynı büyüklükteki üretim kaybı için RoCoF daha hızlı hale gelir.

• Frekansı korumak, farklı zaman ölçeklerinde üç aşamaya ayrılır. Japonya'nın dengeleme pazarında, düzenleyici güç şu ürün kategorileri aracılığıyla temin edilmektedir: birincil düzenleyici güç (10 saniye içinde yanıt), ikincil düzenleyici güç ①② (5 dakika içinde yanıt), üçüncül düzenleyici güç ① (15 dakika içinde yanıt) ve üçüncül düzenleyici güç ② (60 dakika içinde yanıt).

• Sentetik atalet (sanal atalet), bir invertörün frekans değişim hızı df/dt'yi algıladığı ve senkron jeneratörün tepkisini taklit etmek için bir bataryadan veya benzer bir kaynaktan anında güç şarj edip deşarj ettiği, yapay olarak atalete benzer bir etki yarattığı bir teknolojidir. Bu fikrin daha da geliştirilmesi olarak şebeke oluşturma kontrolü araştırılmaktadır.

• 2016 Güney Avustralya elektrik kesintisi ve 2019 Büyük Britanya elektrik kesintisi, düşük şebeke ataleti ve yüksek oranda inverter bağlantılı kaynakların hasarın genişlemesine neden olduğu belirtilen, gerçek ve kapsamlı bir şekilde araştırılmış olaylardır.

• Japonya'da da, yenilenebilir enerji kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte, sistem genelinde ataleti güvence altına almak, Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı'nın istişare konseylerinde bir çalışma konusu olarak ele alınmıştır.

1. Atalet Nedir — Dönen Bir Kütlede Enerji Kumbarası

Senkron jeneratör, türbin ve jeneratör rotorunun aynı şaft üzerinde döndüğü büyük bir dönen gövdedir. Dönen bir kütle, şu kinetik enerjiyi depolar:

burada J rotorun atalet momenti ve \omega açısal hızdır. Talep aniden üretimi aştığında, bu dönen cisimde depolanan kinetik enerjinin bir kısmı önce elektrik enerjisi olarak şebekeye verilir ve rotorun dönüş hızı -yani frekans- buna karşılık gelen bir miktarda yavaşça düşer. Tersine, üretim talebi aşarsa, fazla gücün bir kısmı rotoru hızlandırmak için kullanılır ve frekans yavaşça yükselir.

Bu "dönen cismin fiziksel tamponu" sayesinde, arz-talep dengesizliği meydana geldiğinde bile frekans anında sıfıra düşmez; birkaç saniyelik bir toleransla değişir. Bu esneklik, koruma röleleri ve düzenleyici güç devreye girene kadar zaman kazandıran şeydir.

Şekil 1 — Senkron bir jeneratörün dönen gövdesi kinetik enerji depolar ve ani arz-talep dalgalanmalarını yumuşatan doğal bir tampon görevi görür. Güneş, rüzgar ve batarya invertör bağlantılı kaynakların mekanik dönen bir gövdesi yoktur, bu nedenle aynı rolü oynamak, kontrol yoluyla kasıtlı olarak simüle edilmesini gerektirir.

2. Salınım Denklemi ve RoCoF — Bir Sistemde Atalet Görmek Denklem

Güç Sistemleri Temel Bilgileri'de tanıtılan salınım denklemi, atalet sabiti H ile frekans sapması \Delta f arasındaki ilişkiyi şu şekilde ifade eder:

Δf=f−f₀ Hz cinsindendir ve x=Δf/f₀ birim başına sapmadır. Pm/Pe ortak bir güç tabanı kullanır, H bu tabanda saniye cinsindendir ve D birim frekans başına birim güçtür. Bu nedenle 2H dx/dt=Pm−Pe−Dx, frekans laboratuvarıyla eşleşir.

burada P_m mekanik giriş, P_e elektriksel çıkış ve D yükün frekans karakteristiklerinden gelen bir sönümleme terimidir. Atalet sabiti H kaç tane olduğunu temsil eder. Dönen gövdede depolanan kinetik enerji, jeneratörün nominal çıkışının saniyelik değerine karşılık gelir (birimi saniyedir); büyük termik ve hidrosenkron makineler için bu süre tipik olarak yaklaşık 2-8 saniyedir.

D\Delta f/f_0 terimini göz ardı ederek basitleştirirsek, arz-talep açığı \Delta P=P_m-P_e meydana geldikten hemen sonraki frekans değişim hızı - yani RoCoF - kabaca atalet sabiti H ile ters orantılı olarak yaklaşık olarak hesaplanabilir:

(burada f_0 nominal frekanstır). Bir şebekenin ataleti ne kadar büyükse, belirli bir jeneratör kaybı boyutu için RoCoF o kadar yumuşak olur. Tersine, senkron jeneratörlerin payı azaldıkça ve şebekenin etkin ataleti düştükçe, aynı \Delta P için RoCoF hızlanır ve koruma cihazlarından önce frekansın tehlikeli bir seviyeye düşme riskini artırır. veya güç düzenleyici tepki verebilir.

3. İnverter Bağlantılı Kaynakların "İstatistikleri" Olmamasının Nedenleri

Güneş panelleri DC üretir ve rüzgar türbinleri değişken hızda döner, bu nedenle her iki durumda da çıkış frekansı doğal olarak şebekenin frekansıyla eşleşmez. Her ikisi de bir güç düzenleyici (inverter) aracılığıyla güç dönüşümü yoluyla şebeke frekansına uygun AC üretir. Bu inverter, yarı iletken anahtarlama yoluyla voltaj ve akım dalga biçimlerini şekillendiren bir cihazdır ve senkron jeneratörün aksine, fiziksel olarak dönen bir gövdesi yoktur. Şebekenin frekansı değişse bile, inverterin DC tarafındaki güneş paneli veya pil hücreleri doğal olarak kinetik enerjiyi şarj etmez veya boşaltmaz.

Birçok inverter, şebekenin voltajını ve frekansını harici olarak verilen bir referans olarak izleyen, ancak kendisi frekans üretmeyen veya desteklemeyen "şebeke takibi" adı verilen bir kontrol şeması kullanır. Bu nedenle, inverter bağlantılı kaynakların payı arttıkça ve senkron jeneratörler göreceli olarak azaldıkça, şebekeye doğal olarak mevcut olan toplam atalet miktarı azalır ve üretim kaybına veya ani talep değişimine karşı direnci düşer. Bu, "Azalan atalet problemi" olarak bilinen ve Japonya'da da yenilenebilir enerji kullanımının genişlemesiyle birlikte ortaya çıkan bir zorluk olarak Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı'nın istişare konseylerinde ele alınan konu.

4. Frekans Bakımının Üç Aşaması — Birincil, İkincil ve Üçüncül Düzenleyici Güç

Güç Sistemleri Temel Bilgileri'de gösterilen üç zaman ölçeği — "anlık ila birkaç saniye", "saniyeler ila dakikalar" ve "onlarca dakika ila bir gün" — Japonya'nın dengeleme pazarında somut ürün kategorileri olarak kurumsallaştırılmıştır.

Birincil düzenleyici güç, senkron jeneratörlerin regülatörlerinin çıkışı otonom olarak yükseltip alçaltması yoluyla, ataletin tamponlama etkisinin hala devam ettiği birkaç ila on saniyelik pencere boyunca frekansı destekleme rolünü oynar. Atalet "bir tepki gerçekleşene kadar zaman kazandıran tampon" ise, birincil düzenleyici güç "bu süre içinde yapılan ilk gerçek harekettir". İkincil ve üçüncül düzenleyici güç, daha uzun bir zaman ölçeğinde arz-talep dengesini sağlar. Pilleri ve elektrikli araçları bir araya getiren bir VPP'nin hangi ürün kategorisine katılabileceği, onun Kaynakların tepki hızı (bkz. VPP (Sanal Güç Santrali) Temel Bilgileri).

5. Sentetik Atalet ve Sanal Atalet — İnvertörlere Sahte Atalet Kazandırmak

İnvertör bağlantılı kaynaklar arttıkça şebekenin kararlı kalmasını sağlamanın bir çözümü, sentetik atalet (veya sanal atalet) adı verilen bir kontrol şemasıdır. Bu, bir invertörün şebeke frekansının değişim hızını (df/dt) gerçek zamanlı olarak ölçtüğü ve buna yanıt olarak bir bataryanın veya güneş enerjisi tesisinin çıkışını anında yükseltip alçalttığı, sanki senkron bir jeneratörün rotoru kinetik enerjiyi şarj edip boşaltıyormuş gibi yapay olarak bir güç tepkisi yarattığı bir teknolojidir.

Bu kontrolün iki genel amacı vardır. Birincisi, bir üretim kaybından hemen sonraki ilk RoCoF'u, şebekenin koruma cihazlarının ve diğer jeneratörlerin güvenli bir şekilde izleyebileceği bir aralıkta tutmaktır. İkincisi, yük azaltmayı veya jeneratör arızasını tetikleyen eşiğe ulaşmadan önce frekansın dibe vurduğu noktayı (frekans nadiri) durdurmaktır. Bağlantı kesilmesi.

Kontrol algoritmaları, frekans değişikliklerine yanıt olarak çıkışı ayarlayan "şebekeyi takip eden" kontrolün basit bir uzantısı olan yöntemlerden, invertörün kendisinin bir voltaj kaynağı gibi davrandığı ve senkron jeneratörün dinamiklerini yönetim denklemleri düzeyinde taklit ettiği "şebeke oluşturan" yöntemlere kadar uzanır; özellikle VSG (Sanal Senkron Jeneratör) kontrolü, senkron makinenin hareket denklemini açıkça simüle eder. Şebeke oluşturan kontrol, zayıf ataletli şebekelerde veya senkron jeneratör bulunmayan uzak adalarda ve açık deniz platformlarında bile kararlı voltaj ve frekansı koruma potansiyeli nedeniyle araştırılmakta ve geliştirilmektedir.

6. Gerçek Frekans Olaylarından Alınan Dersler

Azalan şebeke ataletinin getirdiği risk tamamen teorik değildir - gerçek, kapsamlı bir şekilde araştırılmış büyük ölçekli elektrik kesintileri vardır.

28 Eylül 2016, Güney Avustralya elektrik kesintisi: Şiddetli bir fırtınanın tetiklediği bir dizi iletim hattı arızası, çok sayıda rüzgar kesintisine neden oldu. Gerilim bozulmalarına tepki veren koruyucu ayarlar (belirli bir zaman dilimi içinde birden fazla arıza durumundan sonra yeniden başlatmayı kısıtlayan ayarlar) nedeniyle, çiftlikler birbiri ardına üretimlerini azaltmak zorunda kaldı. Bu durum, ara bağlantı hattındaki (eyaletler arası iletim hattı) akışı aşırı yükledi ve bağlantı koparak neredeyse tüm eyaleti -yaklaşık 850.000 müşteriyi- elektriksiz bıraktı. Avustralya'nın şebeke operatörü AEMO'nun nihai raporu, o sırada az sayıda senkron jeneratörün çalıştığı ve şebeke ataletinin düşük olduğu Güney Avustralya'da, üretim kaybından kaynaklanan frekans düşüş oranının, düşük frekanslı yük azaltma (UFLS) ayarlarının 47 Hz'nin üzerindeki frekans düşüşünü durdurma hızını aştığı sonucuna vardı. Buna karşılık, AEMO, asenkron kaynakların (rüzgar ve güneş) payının arttığı şebekelerin, atalet ve frekans düzenleme gücü için yalnızca senkron jeneratörlere dayanmayan tasarımlara ihtiyaç duyduğunu tavsiye etti.

9 Ağustos 2019, Büyük Britanya elektrik kesintisi: Yıldırım çarpmasıyla tetiklenen Hornsea açık deniz rüzgar çiftliği (yaklaşık 737 (MW) ve Little Barford gaz yakıtlı enerji santrali (yaklaşık 244 MW) neredeyse aynı anda şebekeden ayrıldı. Bu birincil kayba ek olarak, frekans değişim hızını algılayan (RoCoF) ve koruyucu bir eylem olarak devreyi kesen dağıtılmış gömülü üretim, yaklaşık 350 MW daha kaybetti ve sistem genelindeki toplam üretim kaybını 1.878 MW'a çıkardı. Şebeke frekansı 48,8 Hz'ye düştü ve düşük frekanslı talep kesintisinin (LFDD) ilk aşamasını tetikleyerek yaklaşık 973 MW'lık kapasiteyi ve bir milyondan fazla müşteriyi otomatik olarak devre dışı bıraktı. Şebeke frekansı, yıldırım çarpmasından 4 dakika 42 saniye sonra normal aralığa geri döndü ve bağlantısı kesilen müşterilerin neredeyse tamamı 45 dakika içinde tekrar bağlandı, ancak nispeten yaygın bir olay olan tek bir yıldırım çarpmasının, birden fazla üretim tesisinin ve koruyucu eylemlerin eş zamanlı kaybına ve yaygın bir elektrik kesintisine yol açması olayı, İngiltere düzenleyicileri ve National Grid ESO tarafından ayrıntılı olarak incelendi.

Her iki olayın da ortak noktası, tek bir tetikleyicinin (bir Güney Avustralya'daki rüzgar santrali koruma ayarı, Büyük Britanya'daki yıldırım çarpması gibi olaylar, şebekenin zincirleme reaksiyonu durdurmak için yeterli atalet ve düzenleyici güç kapasitesine sahip olmamasından veya koruyucu cihaz eylemlerinin bir zincirinin hasarı genişletmesinden daha az önemliydi. Her iki rapor da aynı anlayışa varıyor: Atalet, bir olayın meydana gelmesini önleyen bir mekanizma değil; bir olay meydana geldikten sonra felaket boyutuna ulaşmasını önlemek için gereken zaman marjını yaratan bir mekanizmadır.

7. Mevcut Teknoloji ve Araştırma Odak Noktaları

• Ataletin Ölçülmesi ve Görselleştirilmesi: Bir şebekenin etkili, sistem genelindeki ataletini gerçek zamanlı olarak tahmin etmek için araştırmalar devam etmektedir. Atalet, jeneratörlerin çalıştığı an ile an be an değiştiği için sabit bir değer olarak ele alınamaz.

• Şebeke Oluşturan İnvertörlerin Standardizasyonu: Çeşitli ülkeler, bataryaların, açık deniz rüzgar ve güneş enerjisi invertörlerinin voltaj kaynağı gibi davranan bir kontrol kullanmasını gerektirecek şebeke kodlarını inceliyor.

• Senkron kondansatörlerin yeniden değerlendirilmesi: Emekli termik santrallerin yerlerine, güç üretmeden atalet ve kısa devre kapasitesi sağlayan senkron kondansatörlerin kurulmasına yönelik bir hareket var.

• Dengeleme piyasası ürün tasarımının yeniden incelenmesi: Japonya da dahil olmak üzere çeşitli ülkelerde, atalet ve frekans destek kapasitesini bağımsız bir piyasa ürünü olarak tedarik etmeye yönelik kurumsal tasarımlar tartışılıyor.

• Koruma koordinasyonunun yeniden tasarlanması: 2019 Büyük Britanya olayı, RoCoF'u tespit ettiğinde devreye giren dağıtılmış üretimdeki koruyucu ayarların kendilerinin de zincirleme kesintilere neden olabileceğini ortaya koydu ve çeşitli ülkeler şu anda koruma ayarlarını yeniden inceliyor.

Özet: Atalet "Görünmez Bir Rezerv"dir

Şebeke ataleti görünür bir üretim ekipmanı değildir; senkron jeneratörlerin dönen gövdelerinde tutulan kinetik enerjinin "görünmez bir rezervidir". Bu rezerv küçüldükçe frekansın nasıl korunacağı, hem birincil-üçüncül düzenleyici güç yoluyla zaman ölçeğine bağlı kurumsal tasarıma hem de teknik konulara bağlıdır. Sentetik atalet ve şebeke oluşturma kontrolü gibi alternatifler.

Bir şebeke veya olayla ilgili haberleri okurken, şunları kontrol etmekte fayda var:

1. O anda senkron jeneratör çalışmasının (≈ şebeke ataleti) durumu neydi?

2. Üretim kaybına göre RoCoF ve frekans düşüşü ne kadar oldu?

3. Birincil-üçüncül düzenleyici güçten hangisi veya sentetik atalet/şebeke oluşturma gerçekten tepki verdi?

4. Koruyucu cihaz eylemlerinin bir zinciri, hasarı genişleten bir faktör haline geldi mi?

Bu dört noktayı aklınızda tutmak, "daha fazla yenilenebilir enerji şebekeyi istikrarsız hale getirir" şeklindeki belirsiz iddiayı somut unsurlara ayırmanıza olanak tanır: atalet, düzenleyici güç ve koruma koordinasyonu.

Referanslar

• AEMO — Güney Avustralya'da 28 Eylül 2016 Kara Sistem (nihai rapor)
• 2016 Güney Avustralya elektrik kesintisi — Vikipedi
• National Grid ESO — 9 Ağustos 2019 olaylarına ilişkin Teknik Rapor
• 9 Ağustos 2019'da GB güç sistemi kesintisi: Nihai rapor (E3C)
• Elektrik Enerjisi Rezerv Borsası (EPRX) — Dengeleme Piyasası Nedir?
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Güç Sisteminin Mevcut Durumu
• NREL — Şebeke Oluşturan İnvertörler Üzerine Araştırma Yol Haritası
• IEEE Güç ve Enerji Topluluğu