Частота сети , частота сети ( американский английский ) или частота сети ( британский английский ) — это номинальная частота колебаний переменного тока (AC) в глобальной синхронной сети , передаваемой от электростанции к конечному пользователю . В большинстве стран мира эта частота составляет 50 Гц , хотя в Америке и некоторых частях Азии она обычно составляет 60 Гц. Текущее потребление по стране или региону указано в списке электроэнергии по странам .
Во время развития коммерческих электроэнергетических систем в конце 19 - начале 20 веков использовалось множество различных частот (и напряжений). Большие инвестиции в оборудование на одной частоте сделали стандартизацию медленным процессом. Однако на рубеже 21-го века в местах, где сейчас используется частота 50 Гц, обычно используется напряжение 220–240 В , а в тех, где сейчас используется частота 60 Гц, обычно используется 100–127 В. Сегодня обе частоты сосуществуют (Япония использует обе частоты). ) без особых технических причин отдавать предпочтение одному другому [1] и без явного стремления к полной всемирной стандартизации.
На практике точная частота сети варьируется вокруг номинальной частоты, уменьшаясь при большой нагрузке сети и увеличиваясь при небольшой нагрузке. Однако большинство коммунальных предприятий корректируют выработку электроэнергии в сети в течение дня, чтобы обеспечить постоянное количество циклов. [2] Это используется некоторыми часами для точного измерения времени.
На выбор частоты в системе переменного тока влияют несколько факторов. [3] Освещение, двигатели, трансформаторы, генераторы и линии электропередачи имеют характеристики, которые зависят от частоты сети. Все эти факторы взаимодействуют и делают выбор частоты сети вопросом значительной важности. Лучшая частота — это компромисс между конкурирующими требованиями.
В конце 19 века проектировщики выбирали относительно высокую частоту для систем с трансформаторами и дуговыми лампами , чтобы сэкономить на материалах трансформаторов и уменьшить видимое мерцание ламп, но выбирали более низкую частоту для систем с длинными линиями передачи или питают преимущественно двигательную нагрузку или вращающиеся преобразователи для производства постоянного тока . Когда стали практичными крупные центральные электростанции, выбор частоты был сделан в зависимости от характера предполагаемой нагрузки. Со временем улучшения в конструкции машины позволили использовать одну частоту как для освещения, так и для нагрузки двигателя. Единая система улучшила экономику производства электроэнергии, поскольку нагрузка на систему была более равномерной в течение суток.
Первыми применениями коммерческой электроэнергии были лампы накаливания и электродвигатели коллекторного типа . Оба устройства хорошо работают от постоянного тока, но постоянное напряжение нелегко изменить, и обычно оно вырабатывается только при необходимом рабочем напряжении.
Если лампа накаливания работает от тока низкой частоты, нить накала охлаждается на каждом полупериоде переменного тока, что приводит к заметному изменению яркости и мерцанию ламп; эффект более выражен при использовании дуговых ламп , а также более поздних ртутных ламп и люминесцентных ламп . Лампы с открытой дугой издавали слышимое жужжание переменного тока, что привело к экспериментам с высокочастотными генераторами переменного тока, чтобы поднять звук выше диапазона человеческого слуха. [ нужна цитата ]
Двигатели коллекторного типа плохо работают при высокочастотном переменном токе, поскольку быстрым изменениям тока противодействует индуктивность поля двигателя. Хотя универсальные двигатели коллекторного типа широко распространены в бытовой технике переменного тока и электроинструментах, это небольшие двигатели мощностью менее 1 кВт. Было обнаружено, что асинхронный двигатель хорошо работает на частотах от 50 до 60 Гц, но материалы, доступные в 1890-х годах, не работали хорошо на частоте, скажем, 133 Гц. Существует фиксированная зависимость между количеством магнитных полюсов в поле асинхронного двигателя, частотой переменного тока и скоростью вращения; Итак, данная стандартная скорость ограничивает выбор частоты (и наоборот). Когда электродвигатели переменного тока стали обычным явлением, стало важно стандартизировать частоту для совместимости с оборудованием заказчика.
Генераторы, управляемые тихоходными поршневыми двигателями, будут производить более низкие частоты для заданного числа полюсов, чем генераторы, работающие, например, от высокоскоростной паровой турбины . Для очень низких скоростей первичного двигателя было бы дорого построить генератор с достаточным количеством полюсов, чтобы обеспечить высокую частоту переменного тока. Кроме того, было обнаружено, что синхронизировать два генератора на одну и ту же скорость легче на более низких скоростях. Хотя ременные передачи были обычным способом увеличения скорости медленных двигателей, при очень большой мощности (тысячи киловатт) они были дорогими, неэффективными и ненадежными. Примерно после 1906 года генераторы с прямым приводом от паровых турбин стали использовать более высокие частоты. Более устойчивая скорость вращения быстроходных машин позволила обеспечить удовлетворительную работу коммутаторов ротационных преобразователей. [3] Синхронная скорость N в об/мин рассчитывается по формуле:
где f — частота в герцах , а P — количество полюсов.
Мощность постоянного тока не была полностью вытеснена переменным током и была полезна в железнодорожных и электрохимических процессах. До разработки ртутных дуговых вентильных выпрямителей для производства электроэнергии постоянного тока из переменного тока использовались вращающиеся преобразователи. Как и другие машины коммутаторного типа, они лучше работали на более низких частотах.
При использовании переменного тока трансформаторы можно использовать для понижения высокого напряжения передачи и снижения напряжения потребления потребителями. Трансформатор по сути представляет собой устройство преобразования напряжения, не имеющее движущихся частей и не требующее особого обслуживания. Использование переменного тока устранило необходимость во вращающихся двигателях-генераторах постоянного напряжения, которые требуют регулярного обслуживания и контроля.
Поскольку для данного уровня мощности размеры трансформатора примерно обратно пропорциональны частоте, система со многими трансформаторами будет более экономичной на более высокой частоте.
Передача электроэнергии по длинным линиям предпочитает более низкие частоты. Влияние распределенной емкости и индуктивности линии меньше на низкой частоте.
Генераторы могут быть соединены между собой для параллельной работы только в том случае, если они имеют одинаковую частоту и форму волны. Стандартизируя используемую частоту, генераторы в географическом районе можно объединить в сеть , обеспечивая надежность и экономию средств.
В 19 веке использовалось множество различных энергетических частот. [4]
В очень ранних изолированных схемах генерации переменного тока использовались произвольные частоты, исходя из удобства конструкции парового двигателя , водяной турбины и электрического генератора . Частоты между 16+2 ⁄ 3 Гц и 133+ В разных системах использовалась частота 1/3 Гц . Например, в городе Ковентри, Англия, в 1895 году была уникальная однофазная распределительная система с частотой 87 Гц, которая использовалась до 1906 года. [5] Распространение частот возникло в результате быстрого развития электрических машин в период с 1880 года по 1900.
В ранний период освещения лампами накаливания был распространен однофазный переменный ток, и типичными генераторами были 8-полюсные машины, работавшие со скоростью 2000 об / мин, что давало частоту 133 герца.
Хотя существует множество теорий и немало занимательных городских легенд , в деталях истории 60 Гц и 50 Гц мало уверенности.
Немецкая компания AEG (происходящая от компании, основанной Эдисоном в Германии) построила первую немецкую электростанцию, работающую на частоте 50 Гц. В то время AEG была фактически монополистом , и их стандарты распространились на остальную Европу. После наблюдения мерцания ламп, работающих на частоте 40 Гц, передаваемой по линии Лауффен-Франкфурт в 1891 году, AEG повысила их стандартную частоту до 50 Гц в 1891 году. [6]
Компания Westinghouse Electric решила стандартизировать более высокую частоту, чтобы обеспечить работу как электрического освещения, так и асинхронных двигателей в одной и той же генерирующей системе. Хотя частота 50 Гц подходила для обоих случаев, в 1890 году Вестингауз посчитал, что существующее оборудование для дугового освещения работает немного лучше при частоте 60 Гц, и поэтому была выбрана эта частота. [6] Для работы асинхронного двигателя Теслы, лицензированного компанией Westinghouse в 1888 году, требовалась более низкая частота, чем 133 Гц, распространенная в то время для систем освещения. [ необходима проверка ] В 1893 году корпорация General Electric, которая была дочерней компанией AEG в Германии, построила генерирующий проект в Милл-Крик , чтобы поставлять электроэнергию в Редлендс, штат Калифорния, с использованием частоты 50 Гц, но год спустя перешла на частоту 60 Гц, чтобы сохранить долю рынка с Стандарт Вестингауза.
Первые генераторы в проекте Ниагарского водопада , построенные компанией Westinghouse в 1895 году, имели частоту 25 Гц, поскольку частота вращения турбины уже была установлена до того, как был окончательно выбран метод передачи энергии переменного тока . Компания Westinghouse выбрала бы низкую частоту 30 Гц для управления нагрузкой двигателя, но турбины для проекта уже были рассчитаны на 250 об/мин. Машины могли быть рассчитаны на доставку 16+Мощность 2 ⁄ Гц подходит для тяжелых двигателей коллекторного типа, но компания Westinghouse возразила, что это было бы нежелательно для освещения, и предложила 33+1 ⁄ 3 Гц. В конечном итоге был выбран компромисс: 25 Гц и 12-полюсные генераторы со скоростью 250 об/мин. [3] Поскольку проект Ниагара оказал такое большое влияние на проектирование электроэнергетических систем, в качестве североамериканского стандарта для низкочастотного переменного тока преобладала частота 25 Гц.
Исследование General Electric пришло к выводу, что частота 40 Гц была бы хорошим компромиссом между потребностями в освещении, двигателе и передаче, учитывая материалы и оборудование, доступные в первой четверти 20-го века. Было построено несколько систем с частотой 40 Гц. Демонстрация Лауффена -Франкфурта использовала частоту 40 Гц для передачи электроэнергии на расстояние 175 км в 1891 году. Крупная взаимосвязанная сеть 40 Гц существовала на северо-востоке Англии (Компания электроснабжения Ньюкасл-апон-Тайн , NESCO) до появления Национальной энергосистемы (Великобритания). ) в конце 1920-х годов, а в проектах в Италии использовалась частота 42 Гц. [7] Старейшая постоянно действующая коммерческая гидроэлектростанция в США, Механиквилльская гидроэлектростанция , до сих пор производит электроэнергию с частотой 40 Гц и подает электроэнергию в местную систему передачи с частотой 60 Гц через преобразователи частоты . Промышленные заводы и шахты в Северной Америке и Австралии иногда строились с электрическими системами частотой 40 Гц, которые обслуживались до тех пор, пока их дальнейшее использование не стало экономически нерентабельным. Хотя частоты около 40 Гц нашли широкое коммерческое применение, их обошли стандартизированные частоты 25, 50 и 60 Гц, предпочитаемые производителями оборудования более крупного объема.
Венгерская компания Ganz установила для своей продукции стандарт 5000 колебаний в минуту (41 2 ⁄ 3 Гц), поэтому клиенты Ganz имели системы с частотой 41 2 ⁄ 3 Гц, которые в некоторых случаях работали в течение многих лет. [8]
На заре электрификации использовалось так много частот, что ни одно значение не преобладало (в Лондоне в 1918 году было десять разных частот). В течение 20-го века больше энергии производилось при частоте 60 Гц (Северная Америка) или 50 Гц (Европа и большая часть Азии). Стандартизация позволила международную торговлю электрооборудованием. Намного позже использование стандартных частот позволило объединить энергосети. Лишь после Второй мировой войны – с появлением доступных потребительских электротоваров – были приняты более единые стандарты.
В Соединенном Королевстве стандартная частота 50 Гц была объявлена еще в 1904 году, но значительное развитие продолжалось и на других частотах. [9] Внедрение Национальной энергосистемы , начавшееся в 1926 году, потребовало стандартизации частот среди многих взаимосвязанных поставщиков электрических услуг. Стандарт 50 Гц был полностью установлен только после Второй мировой войны .
Примерно к 1900 году европейские производители в основном стандартизировали частоту 50 Гц для новых установок. Немецкий Verband der Elektrotechnik (VDE) в первом стандарте на электрические машины и трансформаторы в 1902 году рекомендовал в качестве стандартных частот 25 Гц и 50 Гц. VDE не нашел широкого применения в стандарте 25 Гц и исключил его из стандарта 1914 года. Остаточные установки на других частотах сохранялись вплоть до окончания Второй мировой войны. [8]
Из-за стоимости преобразования некоторые части системы распределения могут продолжать работать на исходных частотах даже после выбора новой частоты. Мощность 25 Гц использовалась в Онтарио , Квебеке , на севере США, а также для электрификации железных дорог . В 1950-х годах многие системы с частотой 25 Гц, от генераторов до бытовой техники, были преобразованы и стандартизированы. До 2009 года на электростанции имени сэра Адама Бека 1 (они были модернизированы до 60 Гц) и на электростанциях Рэнкина (до ее закрытия в 2009 году) возле Ниагарского водопада все еще существовало несколько генераторов с частотой 25 Гц, предназначенных для обеспечения электроэнергией крупных промышленных потребителей, которые не хотели заменить существующее оборудование; а в Новом Орлеане существуют двигатели с частотой 25 Гц и электростанция с частотой 25 Гц для насосов паводковой воды. [10] Железнодорожные сети переменного тока напряжением 15 кВ , используемые в Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции и Норвегии , по-прежнему работают на уровне 16 кВ .+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц.
В некоторых случаях, когда большая часть нагрузки приходилась на железнодорожную или автомобильную нагрузку, считалось экономически выгодным генерировать электроэнергию с частотой 25 Гц и устанавливать роторные преобразователи для ее распределения с частотой 60 Гц. [11] Преобразователи для производства постоянного тока из переменного тока были доступны в больших размерах и были более эффективны при 25 Гц по сравнению с 60 Гц. Оставшиеся фрагменты старых систем можно привязать к системе стандартной частоты через ротационный преобразователь или статический инверторный преобразователь частоты. Они позволяют обмениваться энергией между двумя энергосетями на разных частотах, но системы большие, дорогостоящие и тратят часть энергии в процессе эксплуатации.
Преобразователи частоты вращающихся машин, используемые для преобразования систем с частотой 25 Гц в 60 Гц, были сложны в конструкции; машина с частотой 60 Гц и 24 полюсами будет вращаться с той же скоростью, что и машина с частотой 25 Гц и 10 полюсами, что делает машины большими, медленными и дорогими. Соотношение 60/30 упростило бы эти конструкции, но установленная база на частоте 25 Гц была слишком велика, чтобы противиться этому с экономической точки зрения.
В Соединенных Штатах Эдисон в Южной Калифорнии стандартизировал частоту 50 Гц. [12] Большая часть Южной Калифорнии работала на частоте 50 Гц и полностью не меняла частоту своих генераторов и клиентского оборудования на 60 Гц примерно до 1948 года. В некоторых проектах Au Sable Electric Company использовалась частота 30 Гц при напряжении передачи до 110 000 вольт в 1914 году. [13 ]
Первоначально в Бразилию электрооборудование импортировалось из Европы и США, то есть в стране существовали стандарты как 50 Гц, так и 60 Гц в зависимости от региона. В 1938 году федеральное правительство приняло закон Decreto-Lei 852 , намеревавшийся в течение восьми лет перевести всю страну на уровень ниже 50 Гц. Закон не сработал, и в начале 1960-х годов было решено, что Бразилия будет едина по стандарту 60 Гц, поскольку большинство развитых и промышленно развитых регионов использовали 60 Гц; а в 1964 году был объявлен новый закон 4,454 лея. В Бразилии была реализована программа преобразования частоты до 60 Гц, которая не была завершена до 1978 года. [14]
В Мексике районы, работающие в сети с частотой 50 Гц, были преобразованы в 1970-е годы, объединив страну под сетью 60 Гц. [15]
В Японии западная часть страны (Нагоя и запад) использует частоту 60 Гц, а восточная часть (Токио и восток) — 50 Гц. Это связано с первыми закупками генераторов у AEG в 1895 году, установленных в Токио, и у General Electric в 1896 году, установленных в Осаке. На границе между двумя регионами расположены четыре последовательно соединенные подстанции высокого напряжения постоянного тока , которые преобразуют частоту; это Син Синано , плотина Сакума , Минами-Фукумицу и преобразователь частоты Хигаси-Симидзу .
Коммунальные частоты в Северной Америке в 1897 году [16]
Коммунальные частоты в Европе до 1900 г. [8]
Даже к середине 20-го века коммунальные частоты все еще не были полностью стандартизированы на ныне распространенных частотах 50 Гц или 60 Гц. В 1946 г. в справочном руководстве для конструкторов радиоаппаратуры [17] были перечислены следующие используемые ныне устаревшие частоты. Во многих из этих регионов также были источники питания с 50-, 60-циклами или постоянным током.
Частоты, использовавшиеся в 1946 году (а также 50 Гц и 60 Гц)
Если регионы отмечены (*), это единственная частота коммунальной сети, указанная для этого региона.
Другие частоты мощности все еще используются. Германия, Австрия, Швейцария, Швеция и Норвегия используют тяговые электросети для железных дорог, распределяя однофазный переменный ток на 16+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц. [18] Частота 25 Гц используется на австрийской железной дороге Мариацелль , а также в тяговых энергосистемах компаний Amtrak и SEPTA в США. Другие железнодорожные системы переменного тока питаются от местной коммерческой частоты 50 или 60 Гц.
Тяговая мощность может быть получена от коммерческих источников питания с помощью преобразователей частоты или, в некоторых случаях, может быть произведена специальными тяговыми электростанциями . В XIX веке для работы электрических железных дорог с коллекторными двигателями рассматривались частоты до 8 Гц. [3] Некоторые розетки в поездах имеют правильное напряжение, но используют исходную частоту сети поездов, например 16.+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц.
Частоты мощности до 400 Гц используются в самолетах, космических кораблях, подводных лодках, серверных комнатах для питания компьютеров , [19] военной технике и ручных станках. Такие высокие частоты невозможно экономично передавать на большие расстояния; Повышенная частота значительно увеличивает последовательное сопротивление из-за индуктивности линий передачи, что затрудняет передачу энергии. Следовательно, энергосистемы с частотой 400 Гц обычно ограничиваются зданием или транспортным средством.
Трансформаторы , например, можно сделать меньше, потому что магнитный сердечник может быть намного меньше при том же уровне мощности. Асинхронные двигатели вращаются со скоростью, пропорциональной частоте, поэтому высокочастотный источник питания позволяет получить большую мощность при том же объеме и массе двигателя. Трансформаторы и двигатели на 400 Гц намного меньше и легче, чем на 50 или 60 Гц, что является преимуществом в самолетах и кораблях. Военный стандарт США MIL-STD-704 существует для самолетов, использующих мощность 400 Гц.
Регулирование частоты энергосистемы для обеспечения точности хронометража не было обычным явлением до тех пор, пока в 1916 году Генри Уоррен не изобрел главные часы электростанции Уоррена и самозапускающийся синхронный двигатель. Никола Тесла продемонстрировал концепцию часов, синхронизированных по частоте сети, на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году . Орган Hammond также зависит от синхронного двигателя переменного тока, который поддерживает правильную скорость внутреннего генератора «тонового колеса», обеспечивая тем самым идеальную высоту тона всех нот.
Сегодня операторы сетей переменного тока регулируют среднесуточную частоту так, чтобы часы отставали от правильного времени на несколько секунд. На практике номинальная частота повышается или понижается на определенный процент для поддержания синхронизации. В течение суток средняя частота поддерживается на номинальном значении в пределах нескольких сотен частей на миллион. [20] В синхронной сети континентальной Европы отклонение между фазовым временем сети и UTC (на основе международного атомного времени ) рассчитывается каждый день в 08:00 в центре управления в Швейцарии . Затем заданная частота корректируется до ±0,01 Гц (±0,02%) от 50 Гц по мере необходимости, чтобы обеспечить долгосрочное среднее значение частоты ровно 50 Гц × 60 с / мин × 60 мин/ ч × 24 ч/ сут. "="4 320 000 циклов в день. [21] В Северной Америке , когда ошибка превышает 10 секунд для восточного межсоединения , 3 секунды для техасского межсоединения или 2 секунды для западного межсоединения , применяется поправка ±0,02 Гц (0,033%). Исправление ошибок времени начинается и заканчивается либо через час, либо через полчаса. [22] [23]
Измерители частоты в режиме реального времени для производства электроэнергии в Соединенном Королевстве доступны в Интернете: официальный для Национальной сети и неофициальный, поддерживаемый Dynamic Demand. [24] [25] Данные о частоте синхронной сети континентальной Европы в режиме реального времени доступны на таких веб-сайтах, как www.mains Frequency.com . Сеть мониторинга частоты (FNET) в Университете Теннесси измеряет частоту межсетевых соединений внутри энергосистемы Северной Америки, а также в некоторых других частях мира. Эти измерения отображаются на веб-сайте FNET. [26]
В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по регулированию энергетики в 2009 году сделала обязательной коррекцию ошибок по времени. [27] В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроэнергии (NERC) обсудила предложенный эксперимент, который ослабит требования к регулированию частоты [28] для электрических сетей, которые снизит долгосрочную точность часов и других устройств, которые используют частоту сетки 60 Гц в качестве основы времени. [29]
Основная причина точного управления частотой заключается в том, чтобы обеспечить контроль потока мощности переменного тока от нескольких генераторов через сеть. Тенденция изменения частоты системы является мерой несоответствия между спросом и выработкой и является необходимым параметром для управления нагрузкой во взаимосвязанных системах.
Частота системы будет меняться по мере изменения нагрузки и генерации. Увеличение механической входной мощности любого отдельного синхронного генератора не сильно повлияет на общую частоту системы, но будет производить больше электроэнергии от этого устройства. Во время сильной перегрузки, вызванной выходом из строя генераторов или линий электропередачи, частота энергосистемы будет снижаться из-за дисбаланса нагрузки и генерации. Потеря межсетевого соединения при экспорте электроэнергии приведет к увеличению частоты системы перед потерей, но может вызвать коллапс после потери, поскольку генерация теперь не поспевает за потреблением. Автоматический контроль генерации (АРУ) используется для поддержания запланированной частоты и обмена потоками мощности. Системы управления на электростанциях обнаруживают изменения частоты всей сети и корректируют подаваемую на генераторы механическую мощность обратно на целевую частоту. Это противодействие обычно занимает несколько десятков секунд из-за задействования больших вращающихся масс (хотя большие массы в первую очередь служат для ограничения величины кратковременных возмущений). Временные изменения частоты являются неизбежным следствием изменения спроса. Исключительная или быстро меняющаяся частота сети часто является признаком того, что электрораспределительная сеть работает на пределе своей мощности, драматические примеры чего иногда можно наблюдать незадолго до крупных отключений. Крупные электростанции, включая солнечные фермы, могут снизить свою среднюю мощность и использовать запас между рабочей нагрузкой и максимальной мощностью для обеспечения регулирования сети; Реакция солнечных инверторов быстрее, чем у генераторов, поскольку у них нет вращающейся массы. [30] [31] Поскольку переменные ресурсы, такие как солнечная и ветровая энергия, заменяют традиционную генерацию и инерцию, которую они обеспечивают, алгоритмы должны стать более сложными. [32] Системы хранения энергии, такие как аккумуляторы, также во все большей степени выполняют регулирующую роль. [33]
Реле защиты частоты в сети энергосистемы определяют снижение частоты и автоматически инициируют сброс нагрузки или отключение соединительных линий, чтобы сохранить работу хотя бы части сети. Небольшие отклонения частоты (например, 0,5 Гц в сети с частотой 50 или 60 Гц) приведут к автоматическому отключению нагрузки или другим управляющим действиям для восстановления частоты системы.
Небольшие энергосистемы, не имеющие тесной связи со многими генераторами и нагрузками, не будут поддерживать частоту с такой же степенью точности. Если частота системы не регулируется жестко в периоды большой нагрузки, операторы системы могут разрешить повышение частоты системы в периоды небольшой нагрузки, чтобы поддерживать среднюю дневную частоту с приемлемой точностью. [34] [35] Портативные генераторы, не подключенные к энергосистеме, не нуждаются в жестком регулировании своей частоты, поскольку типичные нагрузки нечувствительны к небольшим отклонениям частоты.
Частотно-нагрузочное управление (LFC) — это тип интегрального управления , который восстанавливает частоту системы и потоки мощности в соседние области до их значений до изменения нагрузки. Передача мощности между различными областями системы известна как «чистая мощность соединительной линии ».
Алгоритм предполагает определение терминаошибка управления площадью (ACE), которая представляет собой разницу между чистой ошибкой мощности соединительной линии и произведением ошибки частоты (разницы между фактической и целевой частотой) на константу смещения частоты B: , где - изменение врезной отток мощности. [36] [37] [38] Когда ошибка управления областью снижается до нуля, частота и мощность соединительной линии находятся на своих «нормальных» значениях. [39] Коэффициент частотного смещения B имеет отрицательное значение (обычно выражается в МВт/0,1 Гц , поэтому иногда перед B стоит коэффициент 10x), так что, когда частота ниже целевой (отрицательная ), мощность области производство должно увеличиться. [40]
Смещение соединительной линии LFC было известно с 1930-х годов, но редко использовалось до окончания Второй мировой войны . Он стал популярным после статьи Натана Кона в 1956 году «Некоторые аспекты управления смещением соединительной линии в взаимосвязанных энергосистемах». Кон рассмотрел упрощенную систему с соединительной линией между двумя идентичными участками. В одной области наблюдается ступенчатое изменение мощности («неисправность»). [41] Реакция системы на неисправность, по Кону, состоит из трех этапов: [38]
В начале второго этапа чистое изменение мощности нагрузки в зоне повреждения , где – изменение мощности генератора за счет управления регулятором (R – коэффициент регулирования регулятора, управление предполагается линейным), представляет собой снижение нагрузки из-за более низкой частоты (D — коэффициент демпфирования, который объединяет эффекты изменения частоты — снижение скорости , меньшая нагрузка из-за более низкой частоты, включение демпферной обмотки в генераторе, изменение снова предполагается линейным [41] ). В то же время в безразломной зоне (различный знак обусловлен тем, что отток из одной области является притоком для другой). Подстановка выражений для в баланс зоны разлома дает . [38]
В конце второго этапа мощность генератора в исправной зоне увеличивается за счет действий регулятора и ЛПЧ соответственно, при неизменной зоне неисправности. Поскольку алгоритм LFC сводит ACE к нулю, в конце второго этапа . В результате в зоне без вины . Таким образом . [38]
Скорость изменения частоты (также RoCoF ) — это просто производная по времени полезной частоты ( ), обычно измеряемая в Гц в секунду, Гц/с. Важность этого параметра возрастает, когда традиционные синхронные генераторы заменяются инверторными ресурсами переменной возобновляемой энергии (VRE) (IBR). Конструкция синхронного генератора по своей сути обеспечивает инерционный отклик , который ограничивает RoCoF. Поскольку IBR не подключены электромеханически к электросети, система с высоким уровнем проникновения VRE может иметь большие значения RoCoF, что может вызвать проблемы с работой системы из-за нагрузки на оставшиеся синхронные генераторы, срабатывания защитных устройств и нагрузки . линять . [42]
По состоянию на 2017 год правила для некоторых сетей требовали, чтобы электростанции допускали RoCoF на уровне 1–4 Гц / с, причем верхний предел был очень высоким значением, на порядок превышающим расчетный показатель типичного старого газотурбинного генератора. [43] Испытание мощного (несколько МВт ) оборудования на соответствие требованиям RoCoF сложно, поскольку типичная испытательная установка питается от сети, и поэтому частота не может произвольно изменяться. В США управляемый сетевой интерфейс Национальной лаборатории возобновляемой энергетики является единственным объектом, позволяющим проводить испытания установок мощностью несколько МВт [44] (до 7 МВА ). [45] Испытание крупных тепловых агрегатов невозможно. [44]
Приборы с питанием от сети переменного тока могут издавать характерный шум, часто называемый « гулом сети », на частотах, кратных частотам используемого переменного тока (см. Магнитострикция ). Обычно он создается пластинами сердечника двигателя и трансформатора, вибрирующими в такт магнитному полю. Этот шум также может появиться в аудиосистемах, где фильтр питания или экранирование сигнала усилителя неадекватны.
Большинство стран выбрали скорость вертикальной синхронизации своего телевидения , равную частоте местной электросети. Это помогло предотвратить появление видимых частот биений в линии электропередачи и магнитных помех на отображаемом изображении ранних аналоговых ТВ-приемников, особенно от сетевого трансформатора. Хотя некоторое искажение изображения присутствовало, оно осталось незамеченным, поскольку оно было неподвижным. Отказ от трансформаторов за счет использования приемников переменного / постоянного тока и другие изменения в конструкции декораций помогли минимизировать эффект, и в некоторых странах теперь используется вертикальная скорость, которая является приближением к частоте питания (особенно в областях 60 Гц).
Другое использование этого побочного эффекта — в качестве инструмента судебно-медицинской экспертизы. Когда делается запись, записывающая звук рядом с прибором переменного тока или розеткой, случайно также записывается гул. Пики шума повторяются при каждом цикле переменного тока (каждые 20 мс для переменного тока 50 Гц или каждые 16,67 мс для переменного тока 60 Гц). Точная частота гула должна совпадать с частотой судебно-медицинской записи гула в точную дату и время, когда предположительно была сделана запись. Несоответствия частот или их отсутствие вообще выдадут подлинность записи. [46]
