Régulation de fréquence dans le réseau électrique

Dans les systèmes d'alimentation électrique, à un instant donné, la quantité d'électricité nécessaire à la consommation à un instant donné doit être générée, car il est impossible de créer des réserves d'énergie électrique.

La fréquence avec la tension est l'une des principales indicateurs de qualité de l'alimentation... Une déviation de la fréquence par rapport à la normale entraîne une perturbation du fonctionnement des centrales électriques, ce qui, en règle générale, entraîne la combustion de carburant. Une diminution de la fréquence dans le système entraîne une diminution de la productivité des mécanismes dans les entreprises industrielles et une diminution de l'efficacité des principales unités des centrales électriques. Une augmentation de la fréquence entraîne également une diminution de l'efficacité des unités de la centrale électrique et une augmentation des pertes sur le réseau.

A l'heure actuelle, la problématique de la régulation automatique des fréquences recouvre un large éventail de problématiques d'ordre économique et technique. Le système électrique effectue actuellement une régulation de fréquence automatique.

Effet de la fréquence sur le fonctionnement des équipements de la centrale électrique

Toutes les unités effectuant un mouvement rotatif sont calculées de manière à ce que leur rendement le plus élevé soit réalisé trois fois à partir d'une vitesse de rotation très spécifique, à savoir la vitesse nominale. Actuellement, les unités réalisant des mouvements rotatifs sont pour la plupart reliées à des machines électriques.

La production et la consommation d'énergie électrique s'effectuent principalement sur courant alternatif ; par conséquent, la majorité des blocs effectuant un mouvement rotatif sont associés à la fréquence du courant alternatif. En effet, de même que la fréquence de l'alternateur générée par l'alternateur dépend de la vitesse de la turbine, de même la vitesse du mécanisme entraîné par le moteur à courant alternatif dépend de la fréquence.

Les écarts de la fréquence du courant alternatif par rapport à la valeur nominale ont un effet différent sur différents types d'unités, ainsi que sur différents dispositifs et appareils dont dépend l'efficacité du système électrique.

La turbine à vapeur et ses aubes sont conçues de manière à ce que la puissance d'arbre maximale possible soit fournie à la vitesse nominale (fréquence) et à l'entrée de vapeur continue. Dans ce cas, une diminution de la vitesse de rotation entraîne l'apparition de pertes par impact de vapeur sur l'aube avec une augmentation simultanée du couple, et une augmentation de la vitesse de rotation entraîne une diminution du couple et une augmentation de la impact sur le dos de la lame. La turbine la plus économique fonctionne à fréquence nominale.

De plus, un fonctionnement à fréquence réduite entraîne une usure accélérée des aubes du rotor de la turbine et d'autres pièces.Le changement de fréquence affecte le fonctionnement des mécanismes d'autoconsommation de la centrale.

Effet de la fréquence sur la performance des consommateurs d'électricité

Les mécanismes et les unités des consommateurs d'électricité peuvent être divisés en cinq groupes selon le degré de leur dépendance à la fréquence.

Premier groupe. Utilisateurs dont le changement de fréquence n'a pas d'effet direct sur la puissance développée. Ceux-ci incluent : l'éclairage, les fours à arc électrique, les fuites de résistance, les redresseurs et les charges alimentées par ceux-ci.

Deuxième groupe. Mécanismes dont la puissance varie proportionnellement à la puissance première de la fréquence. Ces mécanismes comprennent : des machines à découper les métaux, des broyeurs à boulets, des compresseurs.

Troisième groupe. Mécanismes dont la puissance est proportionnelle au carré de la fréquence. Ce sont des mécanismes dont le moment de résistance est proportionnel à la fréquence au premier degré. Il n'y a pas de mécanismes avec ce moment exact de résistance, mais un certain nombre de mécanismes spéciaux ont un moment qui se rapproche de celui-ci.

Quatrième groupe. Mécanismes de couple de ventilateur dont la puissance est proportionnelle au cube de la fréquence. Ces mécanismes comprennent des ventilateurs et des pompes sans résistance de charge statique ou négligeable.

Cinquième groupe. Mécanismes dont la puissance dépend de la fréquence à un degré plus élevé. De tels mécanismes comprennent des pompes à grande hauteur de charge statique (par exemple, les pompes d'alimentation des centrales électriques).

Les performances des quatre derniers groupes d'utilisateurs diminuent avec une fréquence décroissante et augmentent avec une fréquence croissante. À première vue, il semble qu'il soit avantageux pour les utilisateurs de travailler à une fréquence accrue, mais c'est loin d'être le cas.

De plus, à mesure que la fréquence augmente, le couple du moteur à induction diminue, ce qui peut provoquer le calage et l'arrêt de l'appareil si le moteur n'a pas de réserve de puissance.

Contrôle automatique de la fréquence dans le système d'alimentation

Le but du contrôle automatique de la fréquence dans les systèmes électriques est principalement d'assurer un fonctionnement économique des stations et des systèmes électriques. L'efficacité du fonctionnement du système électrique ne peut être obtenue sans maintenir la valeur de fréquence normale et sans la répartition la plus favorable de la charge entre les unités de travail parallèles et les centrales électriques du système électrique.

Pour réguler la fréquence, la charge est répartie entre plusieurs unités de travail parallèles (stations). Dans le même temps, la charge est répartie entre les unités de telle sorte qu'avec des modifications mineures de la charge du système (jusqu'à 5-10%), le mode de fonctionnement du grand nombre d'unités et de stations ne change pas.

Avec une nature variable de la charge, le meilleur mode sera celui dans lequel la partie principale des blocs (stations) porte la charge correspondant à la condition d'égalité des pas relatifs, et les petites et courtes fluctuations de la charge sont couvertes en changeant la charge d'une petite partie des unités.

Lorsqu'ils répartissent la charge entre les unités travaillant en parallèle, ils essaient de s'assurer qu'ils travaillent tous dans la zone d'efficacité la plus élevée.Dans ce cas, une consommation de carburant minimale est assurée.

Les unités chargées de couvrir tous les changements de charge non planifiés, c'est-à-dire la régulation de fréquence dans le système doit répondre aux exigences suivantes :

• avoir un rendement élevé ;

• avoir une courbe d'efficacité de charge plate, c'est-à-dire maintenir un rendement élevé sur une large gamme de variations de charge.

Dans le cas d'un changement important de la charge du système (par exemple, son augmentation), lorsque l'ensemble du système passe à un mode de fonctionnement avec une plus grande valeur du gain relatif, le contrôle de la fréquence est transféré à une telle station dans dont l'amplitude du gain relatif est proche de celle du système.

La station de fréquence a la plus grande plage de contrôle dans sa puissance installée. Les conditions de contrôle sont faciles à mettre en œuvre si le contrôle de fréquence peut être affecté à une seule station. Une solution encore plus simple est obtenue dans les cas où la régulation peut être affectée à une seule unité.

La vitesse des turbines détermine la fréquence dans le système électrique, de sorte que la fréquence est contrôlée en agissant sur les régulateurs de vitesse des turbines. Les turbines sont généralement équipées de régulateurs de vitesse centrifuges.

Les turbines à condensation avec des paramètres de vapeur normaux sont les plus appropriées pour le contrôle de la fréquence.Les turbines à contre-pression sont des types de turbines totalement inappropriés pour le contrôle de la fréquence, car leur charge électrique est entièrement déterminée par l'utilisateur de vapeur et est presque totalement indépendante de la fréquence dans le système.

Il n'est pas pratique de confier la tâche de régulation de fréquence à des turbines avec de grandes aspirations de vapeur, car, d'une part, elles ont une (très petite plage de contrôle et, d'autre part, elles ne sont pas économiques pour un fonctionnement à charge variable.

Pour maintenir la plage de contrôle requise, la puissance de la station de contrôle de fréquence doit être d'au moins 8 à 10 % de la charge du système afin qu'il y ait une plage de contrôle suffisante. La plage de régulation de la centrale thermique ne peut être égale à la puissance installée. Par conséquent, la puissance de la cogénération, qui ajuste la fréquence, en fonction des types de chaudières et de turbines, doit être deux à trois fois supérieure à la plage de réglage requise.

La plus petite puissance installée de la centrale hydroélectrique pour créer la plage de contrôle nécessaire peut être nettement inférieure à la puissance thermique. Pour les centrales hydroélectriques, la plage de régulation est généralement égale à la puissance installée. Lorsque la fréquence est contrôlée par une centrale hydroélectrique, il n'y a pas de limite au taux d'augmentation de la charge à partir du moment où la turbine est démarrée. Cependant, la régulation de la fréquence des centrales hydroélectriques est associée à la complication bien connue des équipements de contrôle.

Outre le type de poste et les caractéristiques de l'équipement, le choix du poste de commande est influencé par son emplacement dans le système électrique, à savoir la distance électrique par rapport au centre de charge. Si la station est située au centre de la charge électrique et est connectée aux sous-stations et autres stations du système par de puissantes lignes électriques, alors, en règle générale, une augmentation de la charge de la station de régulation n'entraîne pas une violation de stabilité statique.

A l'inverse, lorsque le poste de commande est situé loin du centre du système, il peut y avoir un risque d'instabilité.Dans ce cas, la régulation de fréquence doit s'accompagner d'un contrôle de l'angle de divergence des vecteurs e. etc. c) système et station de gestion ou de contrôle de la puissance émise.

Les principales exigences pour les systèmes de contrôle de fréquence réglementent :

• paramètres et limites de réglage,

• erreur statique et dynamique,

• le taux de variation de la charge du bloc,

• assurer la stabilité du processus réglementaire,

• la capacité de réguler par une méthode donnée.

Les régulateurs doivent être de conception simple, d'un fonctionnement fiable et peu coûteux.

Méthodes de contrôle de fréquence dans le système électrique

La croissance des systèmes électriques a conduit à la nécessité de réguler la fréquence de plusieurs blocs d'une station, puis de plusieurs stations. À cette fin, un certain nombre de méthodes sont utilisées pour assurer un fonctionnement stable du système d'alimentation et une qualité à haute fréquence.

La méthode de contrôle appliquée ne doit pas permettre une augmentation des limites d'écart de fréquence en raison d'erreurs survenant dans les dispositifs auxiliaires (dispositifs de répartition de charge active, canaux de télémétrie, etc.).

La méthode de régulation de fréquence est nécessaire pour s'assurer que la fréquence est maintenue à un niveau donné, quelle que soit la charge sur les unités de contrôle de fréquence (à moins, bien sûr, que toute leur plage de contrôle soit utilisée), le nombre d'unités et les stations de contrôle de fréquence , et l'amplitude et la durée de l'écart de fréquence.… Le mode de contrôle doit également assurer le maintien d'un rapport de charge donné des unités de contrôle et l'entrée simultanée dans le processus de régulation de toutes les unités qui contrôlent la fréquence.

Méthode des caractéristiques statiques

La méthode la plus simple est obtenue en ajustant la fréquence de toutes les unités du système, lorsque ces dernières sont équipées de régulateurs de vitesse à caractéristiques statiques. Dans le fonctionnement en parallèle de blocs fonctionnant sans décalage des caractéristiques de commande, la répartition des charges entre les blocs peut être trouvée à partir des équations caractéristiques statiques et des équations de puissance.

Pendant le fonctionnement, les changements de charge dépassent considérablement les valeurs spécifiées, par conséquent la fréquence ne peut pas être maintenue dans les limites spécifiées. Avec ce mode de régulation, il est nécessaire de disposer d'une importante réserve tournante répartie sur toutes les unités du système.

Cette méthode ne peut pas garantir un fonctionnement économique des centrales électriques, car, d'une part, elle ne peut pas utiliser la pleine capacité des unités économiques et, d'autre part, la charge de toutes les unités change constamment.

Méthode avec une caractéristique astatique

Si tout ou partie des unités du système sont équipées de régulateurs de fréquence à caractéristiques astatiques, la fréquence du système restera théoriquement inchangée pour toute modification de la charge. Cependant, cette méthode de contrôle ne se traduit pas par un rapport de charge fixe entre les unités contrôlées en fréquence.

Cette méthode peut être appliquée avec succès lorsque le contrôle de fréquence est affecté à une seule unité.Dans ce cas, la puissance de l'appareil doit être d'au moins 8 à 10% de la puissance du système. Peu importe que le régulateur de vitesse ait une caractéristique astatique ou que l'appareil soit équipé d'un régulateur de fréquence avec une caractéristique astatique.

Tous les changements de charge non planifiés sont perçus par une unité avec une caractéristique astatique. Étant donné que la fréquence dans le système reste inchangée, les charges sur les autres unités du système restent inchangées. Le contrôle de fréquence d'une seule unité dans cette méthode est parfait, mais s'avère inacceptable lorsque le contrôle de fréquence est attribué à plusieurs unités. Cette méthode est utilisée pour la régulation dans les systèmes d'alimentation à faible puissance.

Méthode du générateur

La méthode du générateur maître peut être utilisée dans les cas où, selon les conditions du système, il est nécessaire d'ajuster la fréquence de plusieurs unités à la même station.

Un régulateur de fréquence à caractéristique astatique est installé sur l'un des blocs, dit principal. Des régulateurs de charge (égaliseurs) sont installés sur les blocs restants, qui sont également chargés de la tâche de régulation de fréquence. Ils sont chargés de maintenir un rapport donné entre la charge sur l'unité maître et les autres unités qui aident à réguler la fréquence. Toutes les turbines du système ont des régulateurs de vitesse statiques.

La méthode de l'étatisme imaginaire

La méthode statique imaginaire s'applique aussi bien à la régulation monoposte qu'à la régulation multiposte.Dans le second cas, il doit y avoir des voies de télémétrie bidirectionnelles entre les stations qui règlent la fréquence et la salle de contrôle (transmission de l'indication de charge de la station vers la salle de contrôle et transmission de l'ordre automatique de la salle de contrôle vers la station ).

Un régulateur de fréquence est installé sur chaque appareil participant à la régulation. Cette régulation est astatique par rapport au maintien de la fréquence dans le système et statique par rapport à la répartition des charges entre les générateurs. Il assure une répartition stable des charges entre les générateurs modulants.

Le partage de charge entre les dispositifs à fréquence contrôlée est réalisé au moyen d'un dispositif de partage de charge actif. Ce dernier, résumant la charge totale des unités de commande, la répartit entre elles dans un certain rapport prédéterminé.

La méthode du statisme imaginaire permet également de réguler la fréquence dans un système de plusieurs stations, et en même temps le rapport de charge donné sera respecté à la fois entre les stations et entre les unités individuelles.

Méthode de temps synchrone

Cette méthode utilise l'écart entre le temps synchrone et le temps astronomique comme critère de régulation de fréquence dans les systèmes électriques multi-stations sans l'utilisation de la télémécanique. Cette méthode est basée sur la dépendance statique de l'écart du temps synchrone par rapport au temps astronomique, à partir d'un certain moment dans le temps.

A la vitesse synchrone normale des rotors des turbogénérateurs du système et à l'égalité des moments de rotation et des moments de résistance, le rotor du moteur synchrone tournera à la même vitesse. Si une flèche est placée sur l'axe du rotor d'un moteur synchrone, elle indiquera le temps sur une certaine échelle. En plaçant un engrenage approprié entre l'arbre du moteur synchrone et l'axe de l'aiguille, il est possible de faire tourner l'aiguille à la vitesse de l'aiguille des heures, des minutes ou des secondes de l'horloge.

Le temps indiqué par cette flèche est appelé temps synchrone. Le temps astronomique est dérivé de sources de temps précises ou d'étalons de fréquence de courant électrique.

Une méthode pour le contrôle simultané des caractéristiques astatiques et statiques

L'essence de cette méthode est la suivante. Il y a deux stations de contrôle dans le système électrique, l'une d'elles fonctionne selon la caractéristique astatique et la seconde selon la caractéristique statique avec un petit coefficient statique. Pour de petits écarts du programme de charge réel par rapport à la salle de contrôle, toute fluctuation de charge sera perçue par une station avec une caractéristique astatique.

Dans ce cas, une station de contrôle à caractéristique statique ne participera à la régulation qu'en mode transitoire, évitant les écarts de fréquence importants. Lorsque la plage de réglage de la première station est épuisée, la deuxième station entre en réglage. Dans ce cas, la nouvelle valeur de fréquence stationnaire sera différente de la valeur nominale.

Pendant que la première station contrôle la fréquence, la charge sur les stations de base reste inchangée. Lorsqu'elle est ajustée par la deuxième station, la charge sur les stations de base s'écartera de la charge économique.Les avantages et les inconvénients de cette méthode sont évidents.

Méthode de gestion du verrouillage de l'alimentation

Cette méthode consiste dans le fait que chacun des systèmes électriques inclus dans l'interconnexion ne participe à la régulation de fréquence que si l'écart de fréquence est provoqué par une modification de la charge qu'il contient. La méthode est basée sur la propriété suivante des systèmes énergétiques interconnectés.

Si la charge d'un système électrique a augmenté, une diminution de sa fréquence s'accompagne d'une diminution de la puissance d'échange donnée, tandis que dans d'autres systèmes électriques, une diminution de la fréquence s'accompagne d'une augmentation de la puissance d'échange donnée.

Cela est dû au fait que tous les appareils dotés de caractéristiques de contrôle statique, essayant de maintenir la fréquence, augmentent la puissance de sortie. Ainsi, pour un système électrique où un changement de charge s'est produit, le signe de l'écart de fréquence et le signe de l'écart de puissance d'échange correspondent, mais dans d'autres systèmes électriques, ces signes ne sont pas les mêmes.

Chaque système d'alimentation a une station de contrôle où des régulateurs de fréquence et un relais de blocage de puissance d'échange sont installés.

Il est également possible d'installer dans l'un des systèmes un régulateur de fréquence bloqué par un relais d'échange de puissance, et dans un système d'alimentation adjacent - un régulateur de puissance d'échange bloqué par un relais de fréquence.

La deuxième méthode a un avantage sur la première si le régulateur de courant alternatif peut fonctionner à la fréquence nominale.

Lorsque la charge d'un système électrique change, les signes d'écarts de fréquence et de puissance d'échange coïncident, le circuit de commande n'est pas bloqué et, sous l'action du régulateur de fréquence, la charge sur les blocs de ce système augmente ou diminue. Dans d'autres systèmes électriques, les signes de l'écart de fréquence et de la puissance d'échange sont différents et, par conséquent, les circuits de commande sont bloqués.

La régulation par ce mode nécessite la présence de canaux de télévision entre le poste d'où part la ligne de raccordement à un autre système électrique et le poste qui régule la fréquence ou le flux d'échange. La méthode de contrôle de blocage peut être appliquée avec succès dans les cas où les systèmes d'alimentation sont connectés par une seule connexion les uns aux autres.

Méthode du système de fréquence

Dans un système interconnecté qui comprend plusieurs systèmes électriques, le contrôle de la fréquence est parfois attribué à un système tandis que les autres contrôlent la puissance transmise.

Méthode de statisme interne

Cette méthode est un développement ultérieur de la méthode de blocage de contrôle. Le blocage ou le renforcement de l'action du régulateur de fréquence ne s'effectue pas au moyen de relais de puissance spéciaux, mais en créant un statisme dans la puissance transmise (d'échange) entre les systèmes.

Dans chacun des systèmes énergétiques fonctionnant en parallèle, une station de régulation est attribuée, sur laquelle sont installés des régulateurs, qui ont un statisme en termes de puissance d'échange. Les régulateurs répondent à la fois à la valeur absolue de la fréquence et à la puissance d'échange, tandis que cette dernière est maintenue constante et que la fréquence est égale à la valeur nominale.

En pratique, dans le système électrique pendant la journée, la charge ne reste pas inchangée, mais les changements en fonction du programme de charge, le nombre et la puissance des générateurs du système et la puissance d'échange spécifiée ne restent pas non plus inchangés. Par conséquent, le coefficient statique du système ne reste pas constant.

Avec une capacité de production plus élevée dans le système, il est plus petit et avec une puissance plus faible, au contraire, le coefficient statique du système est plus élevé. Par conséquent, la condition requise d'égalité des coefficients d'étatisme ne sera pas toujours remplie. Cela se traduira par le fait que lorsque la charge change dans un système d'alimentation, les convertisseurs de fréquence des deux systèmes d'alimentation entreront en action.

Dans un système électrique où une déviation de charge s'est produite, le variateur de fréquence agira tout le temps dans une direction pendant tout le processus de régulation, en essayant de compenser le déséquilibre résultant. Dans le deuxième système d'alimentation, le fonctionnement du régulateur de fréquence sera bidirectionnel.

Si le coefficient stat du régulateur par rapport à la puissance d'échange est supérieur au coefficient stat du système, alors au début du processus de régulation, la station de contrôle de ce système d'alimentation réduira la charge, augmentant ainsi la puissance d'échange, et après cela augmenter la charge pour rétablir la valeur de consigne de la puissance d'échange à la fréquence nominale.

Lorsque le coefficient stat du régulateur par rapport à la puissance d'échange est inférieur au coefficient stat du système, la séquence de contrôle dans le deuxième système d'alimentation sera inversée (d'abord, l'acceptation du facteur moteur augmentera, puis il diminuer).