電力グリッドの慣性の定量化

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電気システムの近代化に関する多くの議論は「慣性」に関するものです。これは通常、角運動量と高速応答性の形で多くの運動エネルギーを備えたタービン（水力、石炭、ガスプラント）がどのように4分の1サイクル（50Hzグリッドで5ms）の電圧と周波数安定化を提供するかについての定性的な議論です数秒まで。

ただし、この「慣性応答」が定量化され、そのソースが特定されるのは非常にまれであるため、議論は往々にして行き詰まります。私が理解しているように、システム自体の静電容量は非常に低いため、慣性応答のほとんどはタービンの回転によるものだと思います。

国内の電力システムの慣性応答はどのように定量化されますか？また、システムの慣性の典型的な値は何ですか？

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— EnergyNumbers
ソース

グリッドに接続されているすべての同期回転機械は、その「慣性」に寄与することに留意してください。これには、モーターと発電機が含まれます。

— デイブツイード

適切なキーワードは「過渡安定性」です。慣性の大部分は回転機械から来ることを修正してください。古い石炭火力発電機は非常に高い慣性を持っています。新しい航空転用型ガスタービン（つまり、オルタネーターに固定されたジェットエンジン）は軽量であり、慣性はあまりありません。

— 李アウンイップ

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このブログ投稿¹では、電力グリッド内の2つの主要な慣性源を特定しています。

「クラシック」世代、通常は蒸気タービン
大型産業用モーター

システム全体の容量が比較的低く、システムの慣性にほとんど影響を与えないという点で、あなたの理解は正しいです。

信頼性の観点から、システムの慣性は良いことです。システムの慣性を提供する大きな回転質量は、システムの生成または負荷に突然の変化がある場合、周波数の低下を遅くします。システムの慣性は、変化する環境に合わせて発電を調整するために制御システムを補正するための時間を提供することにより、保護負荷遮断メカニズムが作動するのを防ぐのに役立ちます。

より新しい再生可能発電技術が送電網への設置面積を増やしたため、慣性は大きな関心対象になりました。より新しい再生可能技術は、システムの他の部分に慣性を与えない電力インバーターを介して発電源を送電網に接続します。同様に、再生可能な技術により、古い世代の技術の廃止が可能になり、システムの慣性が少なくなります。この慣性の低下は、大型の産業用モーターの減少によって悪化します。

¹_{グリッド慣性に関連する製品を販売しているため、このソースは少し偏っていることに注意してください}

このプレゼンテーションでは、システムの慣性がどのように計算されるかに関する詳細の一部を説明します。

メカニカルダイナミクスは、2次微分方程式によってモデル化されます。

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

：静止基準に対するローターの角度（rad）。：慣性モーメント。：タービンからの機械的トルク。：ローターの電気トルク。 $\theta$
$J$
$T_m$
$T_e$

そこから、すべての主要な寄与源によって提供される慣性を合計する必要があります。これは、大きな産業の生産スケジュールと同様に発電スケジュールが異なるため、当然のことです。また、燃料源に基づいて変化する発電機の優先ランプレートを考慮する必要があります。

あなたの質問に否定的な答えを提供するために-私はそれが定量化された方法でシステムの慣性を議論することを非常に難しくするこれらの側面だと思います。変数が多すぎて、環境は動的です。おそらく小さな地域の慣性を特定することはできますが、確かに典型的なバランスのとれた権威のある地域や全国規模の慣性は特定できません。

いくつかの結論：

悲観論者は、システム全体の慣性が減少するためにシステムの信頼性が失われ、全体の電力網のアップグレードの一環として、より多くの電圧低下と停電が見られると主張するかもしれません。

しかし、その見通しは少し厳しいと思われます。バランスをとる当局は、より多くのスピニングリザーブを利用可能にすることを要求できます。これにより、グリッド内の局所的な不均衡に対して高速な（応答）応答を生成できます。同様に、国家レベルのエネルギー委員会は、グリッド規模のバルク蓄電システム（BES）などの高速電圧および周波数プロバイダーの裁定市場で補償を提供できます。

明らかに、これらの変更は無料では提供されません。スピニングリザーブを提供するには燃料が必要であり、グリッドスケールのBESは安価ではありません。しかし、経験的証拠に基づいて意思決定を行う必要がある場合でも、課題は克服できます。

@EnergyNumbers方程式はバランスが取れていると思います。 SIユニットのウィキペディアによれば、右側はワットにありkg*m^2*s^-3ます。左側はkg*m^2*s^-2*のように見えますs^-1。慣性モーメントはでkg*m^2あり、回転慣性モーメントはkg*m^2*s^-2

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発電機の慣性応答は、その慣性定数H（秒単位、Samarakoon、p40）で特徴付けられます。

$\omega$ $S$

H = \frac{0.5 J ω^{2}}{S}

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

システム全体の等価な慣性定数を推定できます：（Ekanayake、Jenkins、Strbac）

H_{e q あなたは 私 v a l e n t} = \sum_{g e n s} H_{g e n} / S_{g e n}

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

GBシステム（2008年）の値は9秒と推定され（Samarakoonによる）、2020年に3秒まで低下し、高い風の侵入が予測されました。

慣性応答（より一般的に周波数応答と呼ばれる）をモデル化する場合、電力システムは伝達関数（Ekanayake、Jenkins、Strbac）に単純化できます。

\frac{1}{2 H_{e q あなたは 私 v a l e n t} s + D}

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

$D$

慣性定数の利用可能なプロキシは、各システムオペレータに必要なプライマリ¹周波数制御特性（MW / Hz）です。これらは、Reboursらによって 8つの異なるシステムで比較されています。UCTE（電気の伝送の調整のための連合-欧州同期システム）の20570MW / Hzからベルギーの約600MW / Hzの範囲です。

低慣性発電機（風など）が高慣性発電機（蒸気など）を変位させると、慣性定数は低下する傾向があります。つまり、全体的な安定性を維持するために、発電機は突然の変化の発生や需要の変化に対してより迅速に対応する必要があります。これは、風の接続、特に小規模な「島」ネットワーク（Lalor、Mullane、O'Malleyなど）への接続の制限要因としてしばしば引用されます。

^{1- 注：Reboursに記載されているように、プライマリ/セカンダリ/ターシャリレスポンス/リザーブは、電力システムごとに異なる方法で定義されます。}

— atomh33ls
ソース