Инерционная реакция — это свойство больших синхронных генераторов , которые содержат большие синхронно вращающиеся массы и которые позволяют преодолеть любой непосредственный дисбаланс между подачей электроэнергии и спросом в электроэнергетических системах, обычно в электрической сети . Из-за постоянно существующего дисбаланса мощности между механической подачей энергии и потребностью в электроэнергии частота вращения вращающихся масс во всех синхронных генераторах в сети либо ускоряется и, таким образом, поглощает дополнительную мощность в случае избыточной подачи мощности, либо замедляется и обеспечить дополнительную мощность в случае избыточного спроса на мощность. Эта реакция в случае синхронного генератора встроена в конструкцию и происходит без какого-либо внешнего вмешательства или координации, предоставляя автоматическому управлению генерацией и оператору сети драгоценное время (несколько секунд) для повторной балансировки системы [1] Частота сети представляет собой совокупный результат детальных движений всех отдельных синхронных роторов в сети, которые моделируются общим уравнением движения, называемым уравнением качания .
В энергосистемах США оператор сети обязан поддерживать частоту в узком диапазоне и может нести финансовую ответственность, если мониторинг, проводимый Североамериканской корпорацией по надежности электроснабжения, обнаружит несоблюдение требований. Кроме того, в целях защиты оборудования часть нагрузки будет отключена («отключение нагрузки при пониженной частоте», UFLS), если частота упадет ниже предельного значения (59,5 Гц в большей части США, 59,3 Гц в Техасе). [2] При возникновении неожиданного перебоя в электроснабжении (например, отказа генератора) автоматически включается первичная частотная характеристика — датчик обнаруживает более низкую частоту и соответствующим образом регулирует мощность первичного двигателя . Для типичного синхронного генератора эта регулировка включает манипуляции с механическими устройствами (клапанами и т. д.) и, следовательно, требует времени. В это время электросети приходится полагаться на накопленную инерцию, чтобы замедлить снижение частоты. [3]
Инерцию можно измерить в единицах произведения мощности на время (скажем, в гигаватт -секундах) [4] , но ее часто нормализуют на «размер» (номинальную электрическую мощность) генератора и, таким образом, можно описать в единицах времени (так называетсяпостоянная инерции генератора [5]). Генераторы с более быстрым вращением могут хранить большекинетической энергии(пропорционально квадрату частоты вращения), но обычно они легче и, следовательно, замедляются быстрее, что приводит к подаче большей мощности на ранних этапах реакции («фронтальная загрузка») по сравнению с более медленными генераторами. и более тяжелые машины; это не обязательно лучше из-за взаимодействия между частями сети, которое может вызвать «подпрыгивание» и нестабильность.[6]Типичные электростанции имеют значения постоянной инерции от 2 секунд (гидроэнергетика) до 7 секунд (газовые турбины).[5]Поскольку скорость вращения и, следовательно,кинетическая энергиясинхронного генератора не зависят от его текущего уровня мощности, инерция всей сети связана с константами инерции работающих генераторов;[7]во время более низкого спроса на электроэнергию (скажем, ночью) может быть меньше работающих генераторов, и, следовательно, с подобнойнепредвиденной ситуациейможет быть труднее справиться.[8]
Электрическая нагрузка может иметь инерционный характер. Например, типичные промышленные электродвигатели потребляют меньше энергии на более низких частотах, добавляя системе небольшую, но заметную инерцию; [9] этот эффект уменьшается за счет перехода на современные и эффективные регуляторы скорости, которые имеют гораздо меньшую инерцию. -подобный ответ.
Отключение нагрузки ULFS снижает потребляемую мощность, тем самым замедляя снижение частоты, что эквивалентно увеличению величины инерции. [10]
До 21 века традиционная инерция в сочетании с первичной частотной характеристикой считалась достаточной для достижения целевой надежности электросети США. [11] Широкое распространение возобновляемых источников энергии (ПВИЭ) создало новые проблемы: [12]
Поэтому применяются альтернативы традиционной инерции, и к 2020-м годам Техас ( ERCOT ) стал лидером в Соединенных Штатах благодаря более высокому проникновению ветровой энергии (почти вдвое больше, чем у Western Interconnection , WI) и относительно небольшому размеру, что сделало там непредвиденные расходы больше в процентном отношении (одиночный отказ может привести к потере мощности, эквивалентной 6,4% средней нагрузки по сравнению с 2,6% для WI и 1,3% для Eastern Interconnection ). [13]
Для поддержания надежности сети в условиях пониженной инерции используются следующие грубые средства:
Отключение нагрузки можно произвести очень быстро (полсекунды, включая измерение частоты). [17] Ресурсы на основе инвертора (IBR), если они не работают на полную доступную мощность, также могут быть увеличены очень быстро (25% в секунду для ветра, 100% в секунду для фотоэлектрических систем), [19] ограниченное количество кинетической энергии может быть извлечен из ветряной турбины, обеспечивая дополнительные 10% ее мощности примерно на полсекунды (после полусекундной задержки). [20] Кроме того, времена, когда доступно много резервной мощности IBR, совпадают со временем, когда традиционная инерция минимальна из-за того, что многие синхронные генераторы отключены. Эти преимущества новой технологии позволяют реализовать быструю частотную характеристику (FFR) — управление частотой с использованием диспетчеризации IBR и отключения нагрузки для достижения инерционного времени реакции, отсюда и альтернативное название FFR — синтетическая инерция [19] (Эрикссон ). и др. предлагают использовать термин «синтетическая инерция» для устройств, которые реагируют пропорционально скорости изменения частоты, и резервируют FFR для устройств, которые реагируют на эффекты недостаточной инерции, например, на отклонение частоты [21] ). Сетчатые батареи также могут участвовать в FFR со скоростью изменения 100% в секунду. [22]
Когда частота сети слишком высока или слишком низка, поток активной мощности через высоковольтную линию постоянного тока будет постепенно уменьшаться или увеличиваться. В свою очередь, генерация ветра будет увеличивать или уменьшать углы наклона лопастей , чтобы уменьшить или увеличить улавливаемую энергию ветра за счет управления углом наклона. [23]