Введение
Частота, используемая в стандартной электрической сети в данном районе
Номинальная частота сети (частота (электрической) линии в американском английском или частота сети в британском английском) – это номинальная частота колебаний переменного тока (AC) в широкомасштабной синхронной сети, передаваемой от электростанции конечному потребителю. В большей части мира она составляет 50 Гц, хотя в Америке и некоторых частях Азии обычно используется 60 Гц. Актуальное использование по странам и регионам приведено в списке электроснабжения по странам. В период развития коммерческих энергосистем в конце XIX и начале XX веков использовалось множество различных частот (и напряжений). Значительные инвестиции в оборудование, рассчитанное на определенную частоту, замедляли процесс стандартизации. Однако к началу XXI века регионы, использующие частоту 50 Гц, как правило, применяют напряжение 220–240 В, а регионы, использующие 60 Гц, – 100–127 В. Обе частоты сосуществуют и сегодня (например, Япония использует обе), без существенных технических преимуществ одной над другой и без видимого стремления к полной мировой стандартизации.
Электрические часы
На практике, фактическая частота сети колеблется вокруг номинальной, снижаясь при высокой нагрузке и повышаясь при низкой. Однако большинство энергоснабжающих компаний регулируют выработку электроэнергии в течение дня, чтобы обеспечить постоянное число циклов. Некоторые часы используют это для точного поддержания времени.
Операционные факторы
На выбор частоты в системе переменного тока влияет ряд факторов. Освещение, двигатели, трансформаторы, генераторы и линии электропередачи обладают характеристиками, зависящими от частоты сети. Все эти факторы взаимодействуют, что делает выбор частоты питания вопросом большой важности. Оптимальная частота представляет собой компромисс между различными требованиями. В конце XIX века разработчики выбирали относительно высокую частоту для систем с трансформаторами и дуговыми лампами, чтобы снизить расход материалов трансформаторов и уменьшить видимое мерцание ламп, но более низкую частоту для систем с протяженными линиями электропередачи или для питания преимущественно двигателей или роторных преобразователей для получения постоянного тока. С появлением крупных централизованных электростанций выбор частоты стал определяться характером планируемой нагрузки. В конечном итоге, усовершенствования в конструкции оборудования позволили использовать единую частоту как для освещения, так и для двигателей. Унифицированная система повысила экономическую эффективность производства электроэнергии, поскольку нагрузка на сеть стала более равномерной в течение суток.
Освещение
Первыми применениями коммерческой электроэнергии были лампы накаливания и электродвигатели с коллектором. Оба устройства хорошо работают от постоянного тока, но постоянный ток было сложно преобразовывать по напряжению, и он обычно производился только с требуемым напряжением для использования. При работе лампы накаливания на низкочастотном токе нить накала охлаждается на каждом полуцикле переменного тока, что приводит к заметному изменению яркости и мерцанию лампы; этот эффект более выражен в дуговых лампах, а также в более поздних ртутных лампах и люминесцентных лампах. Открытые дуговые лампы издавали слышимый гул при переменном токе, что привело к экспериментам с высокочастотными генераторами для повышения частоты звука выше порога человеческого восприятия.
Ротационные машины
Коммутаторные двигатели неэффективно работают на высоких частотах переменного тока, поскольку быстрые изменения тока встречают сопротивление индуктивности магнитного поля двигателя. Хотя универсальные двигатели с коммутатором широко используются в бытовых приборах и электроинструментах переменного тока, это небольшие двигатели мощностью менее 1 кВт. Индукционные двигатели хорошо работали на частотах около 50–60 Гц, но с материалами, доступными в 1890-х годах, работа на частоте, например, 133 Гц была бы неэффективной. Существует фиксированная зависимость между количеством магнитных полюсов в поле индукционного двигателя, частотой переменного тока и скоростью вращения; следовательно, заданная стандартная скорость ограничивает выбор частоты (и наоборот). После того как электродвигатели переменного тока стали широко распространены, стало важно стандартизировать частоту для обеспечения совместимости с оборудованием потребителей. Генераторы, приводимые в действие медленно вращающимися двигателями, будут производить более низкие частоты при заданном количестве полюсов, чем те, которые приводятся в действие, например, высокоскоростной паровой турбиной. Для очень низких скоростей первичного двигателя строительство генератора с достаточным количеством полюсов для обеспечения высокой частоты переменного тока было бы дорогостоящим. Кроме того, было обнаружено, что синхронизация двух генераторов на одной и той же скорости проще при более низких скоростях. Хотя ременные передачи часто использовались для увеличения скорости медленных двигателей, в очень больших мощностях (тысячи киловатт) они были дорогими, неэффективными и ненадежными. После 1906 года генераторы, приводимые в действие непосредственно паровыми турбинами, стали использовать более высокие частоты. Более стабильная скорость вращения высокоскоростных машин позволяла обеспечить удовлетворительную работу коммутаторов в ротационных преобразователях. Очень ранние изолированные системы генерации переменного тока использовали произвольные частоты, основанные на удобстве для конструкции паровых машин, водяных турбин и электрических генераторов. На различных системах использовались частоты от 16 2/3 Гц до 133 1/3 Гц. Например, в городе Ковентри (Англия) в 1895 году была уникальная однофазная распределительная система частотой 87 Гц, которая использовалась до 1906 года. Распространение частот было обусловлено быстрым развитием электрических машин в период с 1880 по 1900 год. В ранний период освещения лампами накаливания широко использовался однофазный переменный ток, а типичными генераторами были 8-полюсные машины, работающие на скорости 2000 об/мин, что давало частоту 133 Гц. Хотя существует множество теорий и немало занимательных городских легенд, в деталях истории 60 Гц против 50 Гц мало определенности. Немецкая компания AEG (произошедшая от компании, основанной Эдисоном в Германии) построила первое немецкое генерирующее предприятие, работающее на частоте 50 Гц. В то время AEG обладала практически монополией, и их стандарт распространился по всей Европе. После наблюдения за мерцанием ламп, работающих от мощности 40 Гц, передаваемой по линии Лауффена-Франкфурта в 1891 году, AEG повысила свой стандартный показатель частоты до 50 Гц в 1891 году. Для работы индукционного двигателя Теслы, лицензированного компанией Westinghouse в 1888 году, требовалась более низкая частота, чем 133 Гц, обычно используемая в системах освещения в то время. В 1893 году General Electric Corporation, связанная с AEG в Германии, построила генерирующий проект в Милл-Крик для обеспечения электричеством Редлендс, штат Калифорния, используя частоту 50 Гц, но через год перешла на 60 Гц, чтобы сохранить долю рынка со стандартом Westinghouse.
25 Гц источники
Первые генераторы на проекте Ниагарского водопада, построенные компанией Westinghouse в 1895 году, работали на частоте 25 Гц, поскольку скорость турбин уже была определена до окончательного выбора передачи электроэнергии переменным током. Компания Westinghouse предпочла бы низкую частоту 30 Гц для привода моторных нагрузок, но для проекта уже были специфицированы турбины с частотой вращения 250 об/мин. Машины могли быть изготовлены для выдачи мощности 16 2/3 Гц, подходящей для мощных двигателей с коллектором, но компания Westinghouse возразила, что это было бы нежелательно для освещения, и предложила 33 1/3 Гц. В конечном итоге был выбран компромиссный вариант – 25 Гц с 12-полюсными генераторами, работающими на скорости 250 об/мин. Старейшая постоянно действующая коммерческая гидроэлектростанция в Соединенных Штатах, Механиквильская гидроэлектростанция, до сих пор вырабатывает электроэнергию на частоте 40 Гц и подает ее в местную 60-герцевую сеть через частотные преобразователи. Промышленные предприятия и шахты в Северной Америке и Австралии иногда строились с 40-герцевыми электрическими системами, которые поддерживались до тех пор, пока это не стало экономически невыгодным. Хотя частоты около 40 Гц нашли широкое коммерческое применение, они были вытеснены стандартизированными частотами 25, 50 и 60 Гц, предпочтительными для производителей оборудования с большим объемом производства. Венгерская компания Ganz стандартизировала свою продукцию на 5000 колебаний в минуту (412/3 Гц), поэтому клиенты Ganz использовали системы на 412/3 Гц, которые в некоторых случаях работали в течение многих лет.
Железные дороги
Другие частоты электропитания все еще используются. Германия, Австрия, Швейцария, Швеция и Норвегия используют тяговые сети для железных дорог, распределяя однофазный переменный ток на частоте 16 2/3 Гц или 16,7 Гц. Частота 25 Гц используется для австрийской железной дороги Mariazell, а также в тяговых системах Amtrak и SEPTA в Соединенных Штатах. Другие системы переменного тока питаются от местных коммерческих сетей на частоте 50 Гц или 60 Гц. Электроэнергия для тяги может быть получена из коммерческих источников питания с помощью частотных преобразователей или, в некоторых случаях, вырабатываться на специализированных тяговых подстанциях. В XIX веке для работы электрических железных дорог с коллекторными двигателями, военной техники и ручных электроинструментов рассматривались частоты до 8 Гц. Такие высокие частоты экономически невыгодно передавать на большие расстояния, поскольку увеличение частоты значительно повышает последовательный импеданс из-за индуктивности линий передачи, что затрудняет передачу энергии. Следовательно, системы на 400 Гц обычно ограничены одним зданием или транспортным средством. Трансформаторы, например, могут быть уменьшены в размерах, поскольку для той же мощности можно использовать значительно меньший магнитный сердечник. Индукционные двигатели вращаются со скоростью, пропорциональной частоте, поэтому источник питания высокой частоты позволяет получить больше мощности 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 для авиации и судостроения. Существует военный стандарт США MIL STD 704, регламентирующий использование электропитания 400 Гц в авиации.
Коррекция временной ошибки (TEC)
Регулирование частоты энергосистемы для обеспечения точности времени не получило широкого распространения до 1916 года, после изобретения Генри Уорреном главных часов электростанции Уоррена и синхронного двигателя с автоматическим пуском. Никола Тесла продемонстрировал концепцию часов, синхронизированных по частоте сети, на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году. Орган Хаммонда также использует синхронный двигатель переменного тока для поддержания правильной скорости внутреннего генератора "тонового колеса", что обеспечивает точную настройку всех нот. Сегодня операторы сетей переменного тока регулируют среднесуточную частоту, чтобы часы оставались в пределах нескольких секунд от точного времени. На практике номинальная частота повышается или понижается на определенный процент для поддержания синхронизации. В течение дня средняя частота поддерживается в пределах номинального значения с точностью до нескольких сотен частей на миллион. В синхронной сети континентальной Европы отклонение между сетевым временем и UTC (на основе Международного атомного времени) рассчитывается в 08:00 ежедневно в диспетчерском центре в Швейцарии. Затем целевая частота корректируется до ±0,01 Гц (±0,02%) от 50 Гц по мере необходимости, чтобы обеспечить долгосрочное среднее значение частоты, равное 50 Гц × 60 с/мин × 60 мин/ч × 24 ч/день = 4 320 000 циклов в сутки. В Северной Америке, если ошибка превышает 10 секунд для восточного соединения, 3 секунды для техасского соединения или 2 секунды для западного соединения, применяется коррекция ±0,02 Гц (0,033%). Коррекция временной ошибки начинается и заканчивается в начале или середине часа. Данные о частоте в реальном времени для производства электроэнергии в Великобритании доступны в Интернете – официальные данные для National Grid и неофициальные данные, предоставляемые Dynamic Demand. Данные о частоте в реальном времени синхронной сети континентальной Европы доступны на веб-сайтах, таких как The Frequency Monitoring Network (FNET). Университет Теннесси с помощью FNET измеряет частоту взаимосвязей в энергосистеме Северной Америки, а также в других регионах мира. Эти измерения отображаются на веб-сайте FNET.
Регламенты США
В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по регулированию энергетики сделала коррекцию временных ошибок обязательной в 2009 году. В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроэнергетической системы (NERC) обсуждала предлагаемый эксперимент, который бы ослабил требования к регулированию частоты для электрических сетей, что привело бы к снижению долгосрочной точности часов и других устройств, использующих частоту сети 60 Гц в качестве источника времени.
Частота и нагрузка
Современные сети переменного тока используют точный контроль частоты как внеполосный сигнал для координации генераторов, подключенных к сети. Эта практика возникла из-за того, что частота механического генератора изменяется в зависимости от приложенной силы и испытываемой нагрузки. Избыточная нагрузка отбирает энергию вращения от вала генератора, снижая частоту генерируемого тока; избыточная сила добавляет энергию вращения, повышая частоту. Автоматическое регулирование генерации (АРГ) поддерживает заданную частоту и обмен мощностью, регулируя регулятор генератора для компенсации изменений частоты, обычно в течение нескольких декасекунд. Физика маховика неприменима к солнечным электростанциям, подключенным через инверторы, или другим источникам питания, работающим от постоянного тока. Однако такие электростанции или системы накопления энергии могут быть запрограммированы на отслеживание сигнала частоты. Фактически, испытания, проведенные CAISO в 2017 году, показали, что солнечные электростанции могут реагировать на сигнал быстрее, чем традиционные генераторы, поскольку им не требуется разгонять вращающуюся массу. Небольшие, временные изменения частоты являются неизбежным следствием изменения спроса, но резкие и быстрые колебания частоты часто указывают на то, что распределительная сеть близка к своим предельным возможностям. Исключительные случаи происходили перед крупными отключениями электроэнергии. При серьезном отказе генераторов или линий электропередачи возникающий дисбаланс между нагрузкой и генерацией приведет к изменению частоты в локальной энергосистеме. Потеря соединения вызывает увеличение частоты системы (из-за избыточной генерации) выше точки разрыва, но может привести к обрушению частоты или напряжения (из-за избыточной нагрузки) ниже точки разрыва. Следовательно, многие защитные реле энергосистемы автоматически срабатывают при сильном снижении частоты (обычно при слишком низкой частоте, в зависимости от устойчивости системы к возмущениям и строгости мер защиты). Они инициируют отключение нагрузки или линий соединения для сохранения работы хотя бы части сети. Небольшие энергосистемы, недостаточно взаимосвязанные с большим количеством генераторов и нагрузок, не поддерживают частоту с такой же точностью. Если частота системы не строго регулируется в периоды высокой нагрузки, операторы системы могут допускать повышение частоты системы в периоды низкой нагрузки для поддержания среднесуточной частоты с приемлемой точностью. Портативные генераторы, не подключенные к общей сети, не нуждаются в строгой регулировке частоты, поскольку типичные нагрузки нечувствительны к небольшим отклонениям частоты.
Контроль частоты нагрузки
Контроль частоты нагрузки (LFC) — это тип интегрального управления, который восстанавливает частоту системы, соблюдая при этом договорные обязательства по поставке или потреблению электроэнергии в соседние регионы. Схема автоматического регулирования генерации, описанная в , обеспечивает демпфирование, которое минимизирует величину средней ошибки частоты, , где f — частота, Δ — разница между измеренным и заданным значениями, а черта над переменной указывает на среднее значение по времени. LFC учитывает переток мощности между различными регионами, известный как "мощность по линиям связи (net tie line power)", при минимизации целевой функции. Для конкретной константы частотного смещения B, ошибка управления по области (ACE), связанная с LFC в любой момент времени, определяется как , где PT — мощность по линиям связи. Эта мгновенная ошибка численно интегрируется для получения среднего значения за время, и регуляторы корректируются для компенсации этого значения. Коэффициент B традиционно имеет отрицательное значение, чтобы при частоте ниже целевой производство электроэнергии в области увеличивалось; его величина обычно составляет порядка МВт/Гц. Использование LFC с учетом мощности по линиям связи известно с 1930-х годов, но получило широкое распространение лишь после войны. В 1950-х годах Натан Кон популяризировал эту практику в серии статей, утверждая, что контроль частоты нагрузки минимизирует необходимые корректировки при изменении нагрузки. В частности, Кон предположил, что все регионы сети имеют общий линейный режим, с инвариантным к местоположению изменением частоты на единицу дополнительной нагрузки . Если энергоснабжающая компания выбрала , и в одном из регионов произошел временный сбой или другое несоответствие между генерацией и нагрузкой, то соседние генераторы зафиксируют снижение частоты, но одновременно с этим – компенсирующее увеличение потока мощности по линиям связи, что не приведет к возникновению ACE. Таким образом, они не будут вносить корректировки в работу регуляторов в течение (предположительно) короткого периода времени, пока не восстановится работоспособность аварийного региона.
Скорость изменения частоты
Скорость изменения частоты (также RoCoF) – это просто производная полезной частоты по времени, обычно измеряемая в герцах в секунду, Гц/с. Важность этого параметра возрастает по мере замещения традиционных синхронных генераторов переменными возобновляемыми источниками энергии (VRE) на базе инверторных ресурсов (IBR). Конструкция синхронного генератора изначально обеспечивает инерционный отклик, который ограничивает RoCoF. Поскольку IBR не имеют электромеханической связи с энергосистемой, система с высокой долей VRE может демонстрировать большие значения RoCoF, что может привести к проблемам в работе системы из-за нагрузки на оставшиеся синхронные генераторы, срабатывания устройств защиты и отключения нагрузки. По состоянию на 2017 год нормативные требования для некоторых сетей обязывали электростанции выдерживать RoCoF в диапазоне 1–4 Гц/с, при этом верхний предел был очень высоким, на порядок превышающим проектное значение типичного старого газотурбинного генератора. Испытание высокомощного оборудования (несколько МВт) на устойчивость к RoCoF затруднено, поскольку типичная испытательная установка запитывается не от сети, и, следовательно, частоту нельзя изменять произвольно. В США контролируемый сетевой интерфейс в Национальной лаборатории возобновляемой энергии – единственный объект, позволяющий испытывать установки мощностью до 7 МВА. Испытание крупных тепловых установок невозможно.
Звуковой шум и помехи
Приборы, работающие от переменного тока, могут издавать характерный гул, часто называемый "гулом сети", на кратных частотах используемого переменного тока (см. Магнитострикция). Обычно он возникает из-за вибрации пластин сердечников двигателей и трансформаторов в такт с магнитным полем. Этот гул также может появляться в аудиосистемах, если фильтр питания или экранирование сигнала усилителя недостаточно эффективны. Большинство стран выбрали частоту вертикальной развертки телевизоров равной частоте местной сети переменного тока. Это помогало предотвратить появление гула линий электропередач и магнитных помех, вызывающих видимые биения на изображении ранних аналоговых телевизионных приемников, особенно из-за сетевого трансформатора. Хотя некоторые искажения присутствовали, они в основном оставались незамеченными, поскольку были статичными. Исключение трансформаторов в пользу приемников, работающих от постоянного тока, и другие изменения в конструкции аппаратуры помогли минимизировать этот эффект, и некоторые страны теперь используют частоту вертикальной развертки, приближенную к частоте сети (особенно в регионах с частотой 60 Гц). Этот побочный эффект также используется в качестве криминалистического инструмента. При записи звука вблизи электроприбора или розетки гул записывается случайно. Пики гула повторяются каждый цикл переменного тока (каждые мс при 50 Гц, или каждые мс при 60 Гц). Точная частота гула должна соответствовать частоте гула, зафиксированной в криминалистической записи, сделанной в точную дату и время предполагаемого создания записи. Расхождения в частоте или ее полное отсутствие укажут на неаутентичность записи.