전력망의 관성 정량화

13

전기 시스템의 현대화에 대한 많은 논의는 "관성"에 관한 것입니다. 이것은 일반적으로 각 운동량과 빠른 응답 성의 형태로 많은 운동 에너지를 가진 터빈 (수력, 석탄 및 가스 플랜트)이 1/4 사이클 규모 (50Hz 그리드에서 5ms)에서 전압 및 주파수 안정화를 제공하는 방법에 대한 질적 토론입니다. 몇 초만에

그러나이 "관성 반응"이 정량화되고 출처가 확인되는 것은 매우 드물기 때문에 토론이 종종 중단됩니다. 알다시피, 시스템 자체는 전기 커패시턴스가 매우 낮기 때문에 관성 반응의 대부분은 터빈의 회전에서 비롯된 것 같습니다.

국가 전력 시스템에 대한 관성 응답은 어떻게 정량화되며 시스템 관성의 일반적인 값은 무엇입니까?

electrical-engineering power-engineering

— EnergyNumbers
소스

있다는 사실을 숙지 모든 동기 회전 기계는 '관성'에 그리드 기여에 연결합니다. 여기에는 모터와 발전기가 포함됩니다.

— Dave Tweed

적절한 키워드는 "일시적 안정성"입니다. 대부분의 관성이 회전 기계에서 나옵니다. 오래된 석탄 화력 발전기는 관성이 매우 높다. 새로운 공기 역학적 가스 터빈 (예 : 교류 발전기에 묶인 제트 엔진)은 가벼우 며 관성이 거의 없습니다.

— Li-aung Yip

6

이 블로그 게시물 ¹ 은 전력망 내에서 두 가지 주요 관성 소스를 식별합니다.

"클래식"생성, 일반적으로 증기 터빈
대형 산업용 모터

전체 시스템 용량이 비교적 낮으며 시스템 관성에 무시할만한 영향을 준다는 점을 이해하고 있습니다.

신뢰성 관점에서 보면 시스템 관성이 좋습니다. 시스템 관성이 큰 회전 질량은 시스템의 생성 또는 부하에 급격한 변화가있을 경우 주파수 감소를 늦 춥니 다. 시스템 관성은 시스템 제어를 보정하여 변화하는 환경에 맞게 시간을 조정함으로써 보호 부하 차단 메커니즘이 시작되는 것을 방지합니다.

새로운 재생 가능한 발전 기술이 전기 그리드에서 차지하는 공간이 증가함에 따라 관성이 더 큰 관심 대상이되었습니다. 최신 재생 기술은 나머지 시스템에 관성을 제공하지 않는 전력 인버터를 통해 발전 소스를 전기 그리드에 연결합니다. 마찬가지로, 재생 가능한 기술은 구세대 기술의 폐기를 가능하게하여 사용 가능한 시스템 관성이 줄어 듭니다. 이 관성 감소는 대형 산업용 모터의 감소로 인해 더욱 악화됩니다.

¹_{이 소스는 그리드 관성 관련 제품을 판매 할 때 약간 편향되어 있습니다.}

이 프리젠 테이션 은 시스템 관성 계산 방법에 관한 세부 사항 중 일부에 대해 설명합니다.

역학 역학은 2 차 미분 방정식으로 모델링됩니다.

$J\frac{d^2\theta}{dt^2}=T_m - T_e$

$\theta$
$J$
$T_m$
$T_e$

여기에서 모든 주요 기여 소스가 제공하는 관성을 합산해야합니다. 대기업의 생산 일정에 따라 생산 일정이 다르기 때문에 이는 명백한 일이 아닙니다. 또한 연료 공급원에 따라 달라지는 발전기의 기본 램프 속도를 고려해야합니다.

귀하의 질문에 대한 부정적인 대답을 제공하기 위해-시스템 관성을 정량화하여 논의하기가 어려운 것은 이러한 측면이라고 생각합니다. 변수가 너무 많고 환경이 역동적입니다. 작은 지역의 관성을 식별 할 수는 있지만 전형적인 균형 기관이나 국가 규모의 지역에는 적합하지 않습니다.

몇 가지 결론적 인 생각 :

비관론자는 전체 시스템 관성의 감소로 인해 시스템 신뢰성이 저하되고 전체 전력망을 업그레이드하는 과정에서 더 많은 브라운 아웃과 블랙 아웃이 나타날 것이라고 주장 할 수 있습니다.

그래도 그 전망은 너무 어둡습니다. 밸런싱 기관은 더 많은 스피닝 리저브 를 사용할 수 있어야 하므로 그리드 내에서 지역화 된 불균형에 대한 빠른 응답 생성을 제공 할 수 있습니다. 마찬가지로, 국가 차원의 에너지위원회는 차압 시장에서 그리드 스케일 벌크 축전 시스템 (BES)과 같은 빠른 전압 및 주파수 제공 업체를 위해 보상을 제공 할 수 있습니다.

분명히 이러한 변경은 무료로 제공되지 않습니다. 회전 준비금을 제공하는 데 연료가 필요하며 그리드 스케일 BES는 저렴하지 않습니다. 그러나 경험적 증거에 근거하여 결정을 내려야하더라도 문제는 극복 할 수 없습니다.

@EnergyNumbers 나는 방정식의 균형을 믿습니다. SI 단위의 Wikipedia에 따르면 오른쪽은 와트 단위입니다 kg*m^2*s^-3. 왼쪽은 kg*m^2*s^-2*로 나타납니다 s^-1. 관성 모멘트는 다음 kg*m^2과 같습니다. 관성 모멘트는kg*m^2*s^-2

3

발전기에 대한 관성 응답은 ( Samarakoon , p40) 으로 정의 된 초 단위의 관성 상수 H를 특징으로합니다 .

$\omega$ $S$

H = \frac{0.5 제이 ω^{2}}{에스}

$H = \frac{0.5J\omega^2}{S}$

전체 시스템에 대한 동등한 관성 상수를 추정 할 수 있습니다 : ( Ekanayake, Jenkins, Strbac )

H_{이자형 큐 유 나는 V ㅏ 엘 이자형 엔 티} = \sum_{지 이자형 엔 에스} H_{지 이자형 엔} / {에스}_{지 이자형 엔}

$H_{equivalent} = \sum_{gens} H_{gen}/S_{gen}$

GB 시스템의 값 (2008 년)은 9 초 ( Samarakoon에 의해)로 추정되었으며 , 2020 년에는 높은 바람 침투력으로 3 초까지 떨어질 것으로 예상됩니다.

관성 응답 (보다 일반적으로 주파수 응답이라고 함)을 모델링 할 때 전력 시스템을 전달 함수 ( Ekanayake, Jenkins, Strbac) 로 단순화 할 수 있습니다 .

\frac{1}{2 H_{이자형 큐 유 나는 V ㅏ 엘 이자형 엔 티} 에스 + 디}

$\frac{1}{2H_{equivalent}s +D}$

$D$

관성 상수에 사용 가능한 프록시는 각 시스템 운영자 (MW / Hz)에 필요한 ¹ 차 주파수 제어 특성입니다. 이것들은 Rebours et al . UCTE의 경우 20570MW / Hz (전기 전송 조정을위한 연합-유럽 동기 시스템)에서 벨기에의 경우 약 600MW / Hz에 이릅니다.

낮은 관성 발생기 (예 : 바람)가 높은 관성 발생기 (즉, 증기)를 대체함에 따라 관성 상수는 떨어지는 경향이 있습니다. 즉, 전반적인 안정성을 유지하려면 발전기가 갑작스러운 변화 생성 또는 수요 변화에보다 신속하게 대응해야합니다. 이것은 종종 작은 "섬"네트워크 (예 : Lalor, Mullane, O'Malley )에 대한 바람 연결의 제한 요소로 인용됩니다 .

^{1 참고 : 1 차 / 2 차 / 3 차 응답 / 비축은 Rebours가 지적한대로 다른 전력 시스템에서 서로 다른 방식으로 정의됩니다 .}

— 아톰
소스