Co dzieje się z nadmiarem energii doprowadzanej do sieci energetycznej?

Najbliższym pytaniem jest liniowe wykorzystanie nadwyżki energii .

Nie jestem inżynierem, więc może nie będę w stanie sformułować tego poprawnie i doceniłbym odpowiedź, która zakłada minimalną wiedzę podstawową (mam podstawową wiedzę na temat napięcia, transformatorów itp.). Pytanie powstaje w wyniku tego całego mówienia o zmiennym wietrze i mocy potencjalnie zakłócających sieć.

Na przykład zobacz artykuł dotyczący połączeń elektrycznych z 2012 r. Gwałtowny wzrost liczby instalacji słonecznych potencjalnie przeciążających sieć, który omawia potencjał „odwrotnego przepływu energii”, a także mówi o pewnym urządzeniu „zabezpieczającym sieć”. Jest też podobny artykuł na temat Hawajów Koszmar połączeń na Hawajach i dlaczego ma to znaczenie dla amerykańskiego sektora fotowoltaicznego w Stanach Zjednoczonych , który mówi, że jedynym „konkretnym problemem zidentyfikowanym na Hawajach jest możliwość przejściowego przepięcia na zasilaczu - zasadniczo krótki czas trwania skoku napięcia ".

Ciekawi mnie, co się tutaj dzieje, zarówno w odniesieniu do dużej sieci, jak i mikrośrodowiska. Załóżmy na przykład, że mam w pełni naładowaną baterię i ciągle napływam do niej prąd. Co się dzieje? Czy istnieją urządzenia, które będą kierować lub rozpraszać energię elektryczną w postaci ciepła, nie uszkadzając niczego? Znalazłem kilka podobnych pytań w Internecie, ale odpowiedzi nie były zbyt jasne.

Najprostsze i bezpośrednie odpowiedzi na główne pytanie zależą od tego, jak „nadmierne” jest. Ponieważ większość urządzeń jest zaprojektowana do pracy w granicach +/- 5% wartości nominalnej, „dodatkowa energia” zwykle rozprasza się w postaci ciepła w samym urządzeniu. W przypadku żarówki (na przykład) wytwarza więcej światła i ciepła. Jeśli nadwyżka energii przekroczy tolerancję urządzeń, ulegną one przegrzaniu i / lub spaleniu ( spowodują uszkodzenie ). Wyniki te zostaną uzyskane niezależnie od tego, co powoduje „nadwyżkę energii” w sieci (błyskawica, instalacje słoneczne, energia wiatrowa itp.).

W przypadku dwóch ostatnich pytań, jeśli ładujesz akumulator 12 V ze źródła 13 V, dodatkowy 1 V utrzyma akumulator „w cieple” po naładowaniu do 12 V. Jeśli ładujesz go nieregulowanym zasilaniem 24 V, akumulator się przegrzeje, spali i może wybuchnąć. Jeśli ładujesz go za pomocą zasilacza o podwyższonym napięciu i ograniczeniu prądowym, akumulator zostanie naładowany do 12 V, a dodatkowa energia zostanie rozproszona jako ciepło w regulatorach zasilania. Jednym ze sposobów na „efektywne” wykorzystanie dowolnej „dodatkowej energii” byłoby użycie zestawu akumulatorów i „inteligentnej” ładowarki, która przełączałaby ładowanie na inną baterię, gdy jest ładowana, i wyłączała się (odłączała) kiedy wszystkie baterie w banku są naładowane. Jeśli nie ma zainteresowania oszczędzaniem dodatkowej energii, można ją „zrzucić”

Jak można sobie wyobrazić, nie jest to coś, co ma tylko jedno rozwiązanie, a sam problem jest dość złożony. Rozbijmy to.

Sieć energetyczna, jaka istnieje obecnie w większości cywilizowanych krajów, ma strukturę hierarchiczną: na górze znajdują się duże scentralizowane elektrownie, pod nimi znajdują się duże sieci dystrybucyjne SN lub pierścienie dystrybucyjne, a następnie sieci miejskie (zwykle około 400 kV) którymi są zwykle podziemne WN, sieci sąsiedzkie (napięcie sieciowe 20 kV lub wielofazowe), a następnie sieci niskiego napięcia z kodem pocztowym, które dystrybuują 115/230 V. Oczywiście, jak sugeruje to twoje pytanie, hierarchia ta zakłada przepływ energii netto z elektrowni do domu, a nie na odwrót.

Większość zdecentralizowanego wytwarzania energii - niekomercyjne panele słoneczne, turbiny wiatrowe itp. - odbywa się na poziomie domu, tzn. Wytwarza 115/230 V prądu przemiennego i pompuje je do źródła zasilania. Przez większość czasu jest to w porządku, ponieważ wytwarzana energia jest znacznie mniejsza niż pobór mocy, a przepływ energii netto jest nadal w dobrym kierunku. Rzadko, ale obecnie częściej z powodu niskiej ceny energii słonecznej, ilość generowanej energii jest większa niż energia pobierana na poziomie kodu pocztowego. W zasadzie dla wszystkich sieci energetycznych nie jest to tak naprawdę problemem. Transformatory stosowane do zamiany SN na 115 / 230V są po prostu transformatorami liniowymi i działają równie dobrze w jednym kierunku, jak w drugim. Prawie nigdy nie mają PFC ani innych parametrów zależnych od kierunku przepływu, więc jest w porządku.

Problemem, z którym większość sieci energetycznych źle sobie radzi, jest to, co dzieje się o krok wyżej. Dochodzimy do etapu konwersji z podziemnej sieci miejskiej na mniejsze bloki, a te stacje transformatorowe obecnie często mają PFC lub przynajmniej jakiś mechanizm odsprzęgający, aby upewnić się, że zakłócenia z sieci miejskiej nie wracają do mocy WN linie jak w transformatorze liniowym. Jeśli to urządzenie generuje więcej energii niż zużywa, energia ta nie może (generalnie) nigdzie pójść, a przynajmniej powstrzymuje ją przed tym bardzo droga, nie tak łatwa do wymiany wszędzie elektronika. Reakcja systemu polega na rzuceniu przełącznika i oddzieleniu tego urządzenia od reszty sieci. Oczywiście to nie „zabije” tej jednostki; wytwarzana energia po prostu pompuje napięcie na tej sieci do granicy bezpieczeństwa falowników (zwykle napięcie nominalne + 5-7%) i bardzo często destabilizuje częstotliwość prądu przemiennego. Ale moc będzie tam, dopóki chmura nie przejdzie, siatka spadnie poniżej napięcia zanikającego, a falowniki słoneczne same się wyłączą. Problem ten nazywa się problemem wytwarzania wysp i jest bardzo trudny do rozwiązania bez dodatkowej inteligencji w sieci energetycznej i falownikach (tj. Inteligentnych sieciach).

Jednak, jak widać w poprzednim akapicie, dodatkowa energia nie musi nigdzie iść. Jeśli wystąpi sytuacja na wyspie, falowniki są wymagane nie tylko do zrzucenia całej dostępnej energii do sieci, ale do modulowania się, gdy sieć osiągnie określone napięcie. Kiedy chmura wreszcie przejdzie, wyłączy się i sytuacja zostanie rozwiązana.

Istnieją alternatywne mechanizmy ochrony. Niektóre kraje mają wyłączniki zwarciowe, które można łączyć ze specjalnymi sygnałami (DTMF) na linii zasilającej. Po utworzeniu wyspy mogą zwierać sieć energetyczną do uziemienia i natychmiast zaciemnić jej część. Nie jest to jednak bardzo bezpieczna praktyka, ponieważ często powoduje impulsy indukcyjne w sieci energetycznej, które mogą uszkodzić zarówno sieć, jak i elektronikę domową. Obecnie jest to rzadko używane. Jest to jednak ważny mechanizm ochronny dla agregatów prądotwórczych, które nie regulują dobrze swojej mocy wyjściowej i mogą powodować sytuację przepięcia.

W Niemczech w maju tego roku cena płacona za energię odnawialną faktycznie spadła , ponieważ było jej zbyt wiele. Innymi słowy, obciążali producentów za pobór nadwyżki energii. Zajęli się więc nadmiarem energii, zachęcając producentów, by nie wpychali jej do sieci - co jest łatwe w przypadku energii słonecznej i możliwe w przypadku energii wiatrowej.

Różne metody generowania mają różne stałe czasowe - elektrownie jądrowe lubią działać bezczynnie, a rozruch i wyłączanie zajmuje dużo czasu. Hydroelektryczność można szybko zmienić na wyjściu przez przekierowanie lub uduszenie przepływu wody. Elektrownie cieplne (kiedyś miałem jedną w pobliżu) mają dłuższą stałą czasową, więc jeśli nagle stracisz obciążenie (wot spowalnia turbiny w dół), zgromadzona energia w parze musi zostać odprowadzona (głośno!), Aby powstrzymać generatory przed wymykające się spod kontroli. O ile mi wiadomo, nie próbują pochłaniać energii elektrycznej, chociaż zrobiłem studium wykonalności oprzyrządowania dla ogromnego pochłaniacza energii, który pochłonąłby ogromne ilości energii (fajnie jest robić instrumenty, które pracują z napięciami w trybie wspólnym 100 kV).

Racjonalne magazynowanie energii w dużych ilościach jest bardzo trudnym problemem, bez oczywistego rozwiązania. Rozproszone baterie / falowniki i oldschoolowa metoda pompowania wody pod górę do tamy w celu jej magazynowania i pozwalania jej na wypłynięcie przez turbiny i generatory w celu odzyskania (niektórych) metod to kilka metod.

Pozwólcie, że sformułuję te artykuły w sposób ułatwiający ich zrozumienie i kontekst. Widzę te artykuły jako odpowiednik „Właśnie kupiłem nowe Ferrari, istnieje poważny problem polegający na tym, że muszę wymieniać klocki hamulcowe, ponieważ moc wyjściowa z mojego silnika jest zbyt duża, gdy zbliżam się do światła stop”.

Prosta odpowiedź brzmi: „zdejmij stopę z pedału gazu”. tj. przestań wytwarzać moc, kiedy nie będziesz mógł jej użyć.

Naprawdę nie ma problemu z nadmierną produkcją, jest problem z nadmierną dostawą, po prostu muszą oni zasygnalizować producentom „przestań włączać zasilanie w sieć”. W rzeczywistości niektóre kontrolery paneli słonecznych korzystać z chmury shadowing przewidzieć ile energii będzie produkowana w ciągu najbliższych 10 lub 15 minut, a sygnał, że do przodu organowi siatki.

Tego rodzaju artykuły nie są pomocne. Istnieją poważne problemy z główną siecią i powiązaniami wzajemnymi, które można po prostu rozwiązać, ustanawiając przepisy i wydając pieniądze. Posiadanie producentów energii wiatrowej nad systemem sterowania ma znacznie prostsze rozwiązania.

Jest to skomplikowany problem z różnorodnymi odpowiedziami.

Nawet bez rozwiązań istnieje pewna tolerancja dla niedopasowania podaży i popytu. Zbyt duże zapotrzebowanie / zbyt mała podaż) spowoduje spadek napięcia i częstotliwości w sieci ze zwykłego miejsca 50 Hz / 60 Hz / niezależnie od sieci w Twoim kraju. I odwrotnie, zbyt duża podaż / zbyt mały popyt zwiększy częstotliwość. Mała ilość odchyleń częstotliwości nie stanowi znaczącego problemu. W Nowej Zelandii sieć ma 50 Hz, ale sieć jest w porządku z częstotliwościami w zakresie od około 49 - 52 Hz. Poza tym możesz mieć poważne problemy. W szczególności, jeśli spadniesz poniżej 49 Hz, może to uszkodzić generatory, które automatycznie się wyłączą lub wyodrębnią. Oznacza to, że częstotliwość sieci spada jeszcze bardziej, ponieważ podaż jest mniejsza, co powoduje reakcję łańcuchową i ostatecznie całkowite zapadnięcie się sieci.

Aby temu zapobiec, operatorzy rynku płacą ludziom za wykonywanie różnych usług. Różnią się one w zależności od kraju, ale ponownie użyję NZ jako przykładu.

Utrzymywanie częstotliwości - powoduje to zwiększenie i zmniejszenie częstotliwości sieci, zgodnie z wymaganiami. Aby skorzystać z analogii prowadzenia samochodu, obserwuj kogoś kierującego. Ciągle wykonują drobne ruchy za pomocą koła, prawdopodobnie nie są tego świadomi, reagują na pozycję koła, aby utrzymać samochód prosto podczas pokonywania niewielkich nierówności na drodze. Jest to tradycyjnie wykonywane przez generatory, działające z mniej niż 100% wydajnością, zdolne do różnicowania mocy wyjściowej z czasem reakcji poniżej sekundy.

Rezerwy - w Nowej Zelandii „rezerwy” muszą być pozyskiwane przez cały czas w celu utrzymania sieci w przypadku wystąpienia sytuacji N-1 - albo utraty największego generatora, albo utraty linii przesyłowych między Północą a Wyspy Południowe. W Europie kontynent jako całość działa w sytuacji N-2, co oznacza utratę 2 dużych elektrowni jądrowych. Rezerwy te mogą przybrać formę generatorów pracujących poniżej mocy i zdolnych do szybkiego wzrostu lub (taniej i szybciej) wymagają zasobów reagowania - strony, które są skłonne zmniejszyć obciążenie w celu utrzymania sieci. Zasoby te są zwykle posegregowane według czasu reakcji i czasu, przez który mogą wytrzymać zmianę. NZ ma szybki rynek (1 sekunda czasu odpowiedzi dla obciążeń, 6 sekund czasu reakcji dla generatorów utrzymywanych przez 1 minutę), i trwały rynek (czas reakcji 60 sekund, ale trwa dłużej - do około 30 minut). Wracając do analogii samochodu, tutaj samochód uderza w duży wybój, skręcając w kierunku drzewa - musisz obrócić koło do tyłu w drugą stronę, aby wrócić na drogę (ale nie skręcaj zbyt daleko lub W końcu uderzę w drzewo po drugiej stronie drogi).

Radzenie sobie ze szczytami - osiągając Pokolenie lub tradycyjna reakcja na popyt - aby skorzystać z analogii naszego samochodu, na drodze jest zakręt. Widzimy, jak nadchodzi z daleka, i musimy zrobić ogromny zakręt, aby pozostać na drodze. Są to letnie fale upałów, zimowe mrozy, wieczorne szczyty itp. Można to spotkać z różnymi technologiami. Zwykle większość pochodzi z generatorów szczytowych, które działają tylko kilka dni w roku. Ponownie pojawia się odpowiedź na zapotrzebowanie - zamknięcie fabryki na 20 godzin rocznie jest często tańsze niż zbudowanie nowego generatora szczytowego i modernizacja linii przesyłowych

Pracuję w temacie i myślę, że mogę pomóc w wyjaśnieniu tego.

Wyjaśnię to za pomocą analogii wody:

Przepływ prądu elektrycznego -> Przepływ wody

Napięcie -> ciśnienie

Powiedział to,

Jeśli masz sieć z węzłami i gałęziami; węzły są tam, gdzie woda jest wstrzykiwana i odejmowana od sieci, a gałęzie są rurami.

(W sieciach elektrycznych rury są transformatorami i liniami, a węzły są węzłami lub szynami zbiorczymi)

Jeśli masz wtrysk „wody” w węźle, który pierwotnie był przeznaczony do konsumpcji, wówczas ciśnienie w rurach może wzrosnąć do poziomu, w którym rury pękają. (Byłaby to produkcja energii słonecznej na poziomie gospodarstwa domowego). W ten sam sposób, zbyt duże zużycie w węźle może zbyt mocno obniżyć ciśnienie w rurach i system nie będzie działał.

Sposób radzenia sobie z tym polega na gromadzeniu nadwyżki energii i dostarczaniu jej w razie potrzeby, dlatego właśnie akumulatory są świętym gralem odnawialnych źródeł energii.

Ogromna penetracja odnawialnych źródeł energii to sytuacja, z którą sprzeciwiają się operatorzy sieci i firmy elektryczne, ponieważ zmusza ich do przyjęcia nowego podejścia do pracy, którą wykonują od stulecia, z kilkoma radykalnymi zmianami, takimi jak te, które muszą wykonać. (Moja opinia)

Mam nadzieję, że jest to wystarczająco jasne, w przeciwnym razie mogę wyjaśnić więcej, ponieważ jest to moja codzienna praca.

[EDYCJA: Dlaczego pękają rury?]

Cóż, jak prosiłeś, przejdę tutaj bardziej szczegółowo:

Każdy element rozgałęziony (linie i transformatory) ma limit ilości prądu, który może przepłynąć bez przegrzania i podpalenia. Ten prąd nominalny może zostać przekroczony przez ograniczony czas, więc przeciążenie nie jest zdarzeniem życia lub śmierci, jeśli nie trwa zbyt długo (przeciążenia zmniejszają żywotność elementów)

Z drugiej strony napięcie powinno mieścić się w zakresie + -5% napięcia nominalnego węzła, jest to 230 V + -5% na fazę (w Europie w USA wynosi 125?). Wytwarzanie energii w węźle powoduje wzrost napięcia w tym węźle i w sąsiednich węzłach (dla tej samej sytuacji obciążenia) Wzrost zapotrzebowania w węźle zmniejsza napięcie w tym węźle i jego sąsiadach. Właśnie dlatego, jeśli umieszczę ogromną liczbę paneli słonecznych w domu, mogę mieć problemy z napięciem w moim domu i domach sąsiadów. Problem ten można złagodzić poprzez odpowiednie programowanie oprogramowania falownika, ale w wielu krajach nie ma na to żadnych regulacji, więc są problemy, o których ludzie nie słyszeli, ale są bardzo realne.

Ale dlaczego napięcie musi być w takim limicie? Cóż, te ograniczenia są ograniczeniem bezpieczeństwa ustalanym przez operatorów sieci. Jeśli napięcie w gniazdach twojego domu jest zbyt wysokie, może to spowodować uszkodzenie elektroniki zasilania twoich urządzeń (telewizor komputera itp.). Jeśli napięcie jest zbyt niskie, urządzenia elektroniczne mogą nie działać, a nawet pęknąć. Żarówka świeci jaśniej na wysokie napięcie, a mniej jaśniej na niższe napięcie.

Powiedz mi, czy potrzebne są dodatkowe informacje. Santi.

Mamy wysokie poziomy napięcia do transportu energii i niskie poziomy napięcia, takie jak 230 V do dystrybucji energii. Ponieważ sieć została zbudowana i większość czasu dzisiaj, energia przechodzi z części sieci o wysokiej do niskiej napięciu. Jeden tarnsformer rozdziela moc do kilku domów w wiosce lub miasteczku. Przy tym niskim napięciu nie ma zabezpieczenia N-1, jest tylko jeden transformator i wiele domów wokół niego. Ponieważ prąd przechodzi z wysokiego na niższe napięcie, najwyższe napięcie występuje na transformatorze. Co najwyżej (cokolwiek, co znam), stare transformatory to napięcie jest stałe. Aby w pełni wykorzystać zakres +/- 5%, napięcie na tarnsformerze wynosi około + 4/5%. W drodze do domów napięcie może spaść nawet do 10%, a przy -5% wszystko jest w porządku. Jeśli teraz wiele Photovoltaik wytwarza więcej energii niż zużywa w tym obszarze, Moc musi przejść do sieci ponad transformatorem. Ale jeszcze, prąd płynie w kierunku transformatora, co oznacza, że ​​jest to punkt o najniższym, a nie najwyższym napięciu. Dlatego napięcie może łatwo być zbyt wysokie, a fotowoltaiki muszą zostać wyłączone (zbyt wysokie napięcie może uszkodzić dowolne urządzenie w tym obszarze). Dzięki zastosowaniu / instalacji regulowanych transformatorów skrzynka ta nie sprawia żadnych problemów, napięcie na mierniku tarnsform musi zostać dostosowane do np. -4%. Ale są dość drogie.

Myślę, że inną dobrą analogią jest to, że możesz myśleć o dużej (podstawowej obciążeniu) elektrowni, takiej jak samochód, który wjeżdża na wzgórze przy pełnym otwarciu przepustnicy. Osiągnie on określoną prędkość (częstotliwość siatki) iw tym momencie będzie wymagał przytrzymania pedału na podłodze, aby utrzymać tę prędkość w nieskończoność. Teraz, jeśli wzgórze zacznie się wyrównywać, a ty opuścisz stopę na podłogę, prędkość wzrośnie i będziesz musiał podnieść gaz, aby spowolnić prędkość. Byłoby to tak, jakby częstotliwość sieci rosła, a wytwarzanie energii zostało zredukowane (jednostki szczytowe zostały wyłączone). Z drugiej strony, jeśli wzgórze staje się bardziej strome (obciążenie na ruszcie wzrasta) samochód zwalnia (częstotliwość spada), ale jesteś już na pełnej przepustnicy. Jedyne, co możesz teraz zrobić, aby wrócić do prędkości, to popchnąć kolejny samochód. To byłaby szczytowa jednostka pojawiająca się na linii.