Что происходит с избыточной энергией, подаваемой в электросеть?

Наиболее близким вопросом к этому является линейное использование избыточной выработки электроэнергии .

Я не инженер, поэтому я не смогу сформулировать это правильно и был бы признателен за ответ, который предполагает минимальные базовые знания (у меня есть только базовые знания о напряжении, трансформаторах и т. Д.). Вопрос возникает из всех этих разговоров о переменном ветре и энергии, потенциально разрушающих энергосистему.

Например, см. Статью «Электрическое подключение» за 2012 год. « Быстрое увеличение количества солнечных установок, которые могут привести к перегрузке энергосистемы», в которой обсуждается возможность «обратного потока мощности», а также говорится о каком-то устройстве «сетевой защиты». Также есть или похожая статья о Гавайях «Кошмар присоединения на Гавайях и почему это имеет значение для индустрии бытовых фотоэлектрических систем США» , в которой говорится, что единственная «конкретная проблема, выявленная на Гавайях, - это потенциальное кратковременное перенапряжение на фидере - по сути, короткое замыкание». длительность скачка напряжения ".

Мне любопытно, что здесь происходит как с большой сеткой, так и с микроокружением. Например, допустим, у меня полностью заряженная батарея, и я продолжаю в нее вливать электричество. Что происходит? Существуют ли устройства, которые будут отводить или рассеивать электричество в виде тепла, не повреждая ничего? Я нашел несколько похожих вопросов в Интернете, но ответы были не слишком ясны.

Самые простые и прямые ответы на главный вопрос зависят от того, насколько он «чрезмерен». Поскольку большая часть оборудования рассчитана на работу в пределах +/- 5% от номинальной, «дополнительная энергия» обычно рассеивается в виде тепла в самом устройстве. В случае лампочки (например) она производит больше света и тепла. Если избыточная энергия выходит за пределы допустимых значений устройств, они будут перегреваться и / или гореть ( вызывать повреждение ). Эти результаты будут получены независимо от того, что вызывает «избыток энергии» в сети (молния, солнечные установки, энергия ветра и т. Д.).

Для последних двух вопросов, если вы заряжаете 12-вольтовую батарею с источником 13 В, дополнительные 1 В будут держать батарею "теплой" после того, как она будет заряжена до 12 В. Если вы заряжаете его от нерегулируемого источника питания 24 В, аккумулятор перегреется, сгорит и, возможно, взорвется. Если вы заряжаете его от источника перенапряжения и тока, батарея будет заряжаться до 12 В, а дополнительная энергия будет рассеиваться в виде тепла в регуляторах питания. Один из способов «эффективного» использования любой «дополнительной энергии» - это использовать батарею и «умное» зарядное устройство, которое переключало бы зарядку на другую батарею, когда она заряжается, и отключалось (отключалось). когда все батареи в банке заряжены. Если нет необходимости экономить лишнюю энергию, ее можно «выбросить»

Это, как вы можете себе представить, не то, что имеет только одно решение, и проблема сама по себе довольно сложна. Давайте разберемся с этим.

Электрическая сеть, существующая в настоящее время в большинстве цивилизованных стран, имеет иерархическую структуру: сверху находятся крупные централизованные электростанции, под которыми находятся крупные распределительные сети среднего напряжения или распределительные кольца, затем идут городские сети (обычно около 400 кВ). обычно это подземные ВН, соседние сети (20 кВ или многофазное сетевое напряжение), а затем низковольтные сети с «почтовым индексом», которые распределяют 115 / 230В. Конечно, как уже говорит ваш вопрос, эта иерархия предполагает чистый поток энергии от электростанции к дому, а не наоборот.

Большая часть децентрализованного производства электроэнергии - некоммерческие солнечные батареи, ветряные турбины и тому подобное - происходит на уровне дома, то есть вырабатывает напряжение 115/230 В переменного тока и подает его в сеть. В большинстве случаев это нормально, потому что генерируемая мощность намного меньше потребляемой, а поток чистой энергии все еще направлен в правильном направлении. Редко, но чаще в наше время из-за низкой цены на солнечную энергию, количество генерируемой энергии больше, чем мощность, потребляемая на уровне почтового индекса. Практически для всех сетей электропитания это не такая уж большая проблема. Трансформаторы, используемые для преобразования среднего напряжения в 115/230 В, являются просто линейными трансформаторами, и они работают так же хорошо в одном направлении, как и в другом. Они почти никогда не имеют PFC или других параметров, зависящих от направления потока, так что все в порядке.

Проблема, с которой плохо справляются большинство энергосистем, заключается в том, что происходит на один шаг выше этого. Здесь мы приходим к этапу преобразования из подземной городской сети в более мелкие блоки, и в настоящее время эти трансформаторные станции часто имеют ПФУ или, по крайней мере, какой-то механизм развязки, чтобы убедиться, что помехи от городской сети не возвращаются к ВН-мощности. линии, как это было бы через линейный трансформатор. Если это устройство генерирует больше энергии, чем потребляет, эта энергия не может (вообще) никуда уйти, или, по крайней мере, она не может этого сделать из-за очень дорогой, не так легко заменяемой везде электроники. Рефлекторная реакция системы состоит в том, чтобы включить переключатель и отделить этот блок от остальной части сети. Конечно, это не «убьет» этот блок; генерируемая мощность просто накачивает напряжение в этой сети до предела безопасности силовых преобразователей (обычно номинальное напряжение + 5-7%) и очень часто дестабилизирует частоту переменного тока. Но энергия будет оставаться там до тех пор, пока не пройдет облако, сетка не упадет ниже напряжения отключения, и солнечные инверторы все отключатся. Эта проблема называется проблемой генерации островков, и ее очень трудно решить без каких-либо дополнительных сведений в энергосистеме и инверторах (т.е. интеллектуальных сетях).

Однако, как вы можете видеть в этом предыдущем параграфе, дополнительная энергия не обязательно уходит никуда. Если возникает островная ситуация, инверторы обязаны не просто сбрасывать всю свою доступную энергию в сеть, но и модулировать себя, когда сеть достигает определенного напряжения. Когда это облако в конце концов пройдет, они отключатся, и ситуация разрешится.

Существуют альтернативные механизмы защиты. В некоторых странах имеются переключатели короткого замыкания, которые могут быть включены специальными (DTMF) сигналами по линии электропередачи. Когда остров создан, они могут замкнуть электрическую сеть на землю и немедленно отключить ее. Это, однако, не очень безопасная практика, так как это часто вызывает индуктивные скачки в электрической сети, которые могут повредить сеть и бытовую электронику. В настоящее время это редко используется. Однако это важный защитный механизм для генераторов, которые плохо регулируют свою мощность и могут вызвать ситуацию перенапряжения.

В Германии в мае этого года цена, заплаченная за возобновляемую энергию, фактически стала отрицательной , поскольку их было слишком много. Другими словами, они заставляли производителей брать избыточную энергию. Таким образом, они боролись с избытком энергии, стимулируя производителей не пускать ее в сеть, что легко с солнечной энергией и возможно с ветровой энергией.

Различные методы генерации имеют разные постоянные времени - атомные электростанции любят работать без напряжения, а запуск и остановка занимают много времени. Гидроэлектростанция может быть быстро изменена на выходе, перенаправляя или перекрывая поток воды. Тепловые установки (раньше у меня была одна) имеют более длительную постоянную времени, поэтому, если вы внезапно потеряете нагрузку (замедлит турбины), накопленная энергия в паре должна быть удалена (громко!), Чтобы не дать генераторам работать спулинг из-под контроля. Насколько я знаю, они не пытаются поглощать электроэнергию, хотя я сделал технико-экономическое обоснование для приборов для массивного энергопоглотителя, который мог бы поглощать огромные количества энергии (это интересно делать инструменты, которые работают с синфазным напряжением 100 кВ).

Хранение энергии в больших количествах достаточно эффективно - это очень сложная проблема без очевидного решения. Распределенные батареи / инверторы и метод старой школы по откачке воды в плотину в плотину для ее хранения, и позволяя ей выбегать через турбины и генераторы, чтобы восстановить (некоторые из них) это пара методов.

Позвольте мне перефразировать эти статьи в терминах, облегчающих их понимание и представление в контексте. Я рассматриваю эти статьи как эквивалент «я только что купил новый Ferrari, есть серьезная проблема в том, что мне постоянно приходится заменять тормозные колодки, поскольку выходная мощность моего двигателя слишком велика, когда я подхожу к стоп-сигналу».

Простой ответ - «убери ногу с акселератора». т.е. прекратите производить энергию, когда вы не можете ее использовать.

С избыточным производством действительно нет проблем, есть проблема с избыточными поставками, им просто нужно дать сигнал производителям "прекратить подачу электроэнергии в сеть". Фактически, некоторые контроллеры солнечных панелей используют затенение облаков, чтобы предсказать, сколько энергии будет произведено в течение следующих 10 или 15 минут, и сигнализируют, что вперед к власти сетки.

Эти виды статей не являются полезными. Существуют серьезные проблемы с основной сетью и связями, которые можно просто решить, приняв законы и потратив деньги. Наличие ветроэнергетики над управлением вашей системой управления имеет гораздо более простые решения.

Это сложная проблема с различными ответами.

Даже при отсутствии решений существует некоторая терпимость к несоответствию спроса и предложения. Слишком большой спрос / слишком мало питания) приведет к падению напряжения и частоты в сети с ее обычной точки 50 Гц / 60 Гц / независимо от того, какая сеть в вашей стране. И наоборот, слишком большое предложение / слишком низкий спрос увеличат частоту. Небольшое отклонение частоты не является существенной проблемой. В Новой Зеландии напряжение сети составляет 50 Гц, но сеть работает нормально с частотами в диапазоне от 49 до 52 Гц. Помимо этого, у вас могут быть серьезные проблемы. В частности, если вы опускаетесь ниже 49 Гц, это может повредить генераторы, которые автоматически отключатся или изолируются. Это означает, что частота сети падает еще больше, так как есть меньше предложения, вызывая цепную реакцию и в конечном итоге полный коллапс сетки.

Чтобы этого не случилось, операторы рынка платят людям за оказание различных услуг. Они отличаются от страны к стране, но опять же, я буду использовать NZ в качестве примера.

Сохранение частоты - это действует как для увеличения, так и для уменьшения частоты сетки, по мере необходимости. Чтобы использовать аналогию с вождением, наблюдайте за кем-то, пока он рулит. Они постоянно совершают крошечные движения за рулем, они, вероятно, не осознают этого, они реагируют на положение колеса, чтобы держать машину прямо, когда она преодолевает небольшие неровности на дороге. Это традиционно выполнялось генераторами, работающими с мощностью менее 100%, способными изменять свою мощность с временем отклика менее секунды.

Запасы - В Новой Зеландии «запасы» должны постоянно приобретаться, чтобы поддерживать энергосистему в случае ситуации N-1 - либо потеря самого большого генератора, либо потеря линий электропередачи между Севером и Южные острова В Европе континент в целом работает в ситуации N-2, что означает потерю двух крупных атомных станций. Эти резервы могут принимать форму генераторов, работающих с меньшей мощностью и способных быстро нарастать, или (дешевле и быстрее) требовать ресурсов реагирования - сайтов, которые готовы снизить нагрузку по мере необходимости для обслуживания энергосистемы. Эти ресурсы обычно разделяются по времени отклика и времени, в течение которого они могут выдержать изменение. NZ имеет быстрый рынок (1 секунда времени отклика для нагрузок, 6 секунд времени отклика для генераторов, поддерживаемых в течение 1 минуты), и устойчивый рынок (60 секунд времени отклика, но устойчивый дольше - до 30 минут). Возвращаясь к аналогии с автомобилем, это то, где ваша машина сталкивается с большим ударом, толкая вас к дереву - вы должны повернуть колесо назад, чтобы вернуться на дорогу (но не поворачивайте слишком далеко, или вы в конечном итоге ударить дерево на другой стороне дороги).

Чтобы справиться с пиками - пиковое поколение или традиционное реагирование спроса - чтобы использовать нашу автомобильную аналогию, у дороги есть угол. Мы видим, как это происходит издалека, и нам нужно сделать огромный поворот, чтобы остаться на дороге. Это летние волны тепла, зимние похолодания, вечерние пики и т. Д. Это можно встретить с помощью различных технологий. Обычно основная часть поступает от пиковых генераторов, которые работают только несколько дней в году. Опять же, реагирует спрос - часто дешевле останавливать завод на 20 часов в год, чем строить новый генератор с пиковой нагрузкой и модернизировать линии электропередачи.

Я работаю над этой темой и думаю, что могу помочь объяснить это.

Я объясню это, используя водную аналогию:

Поток электрического тока -> Поток воды

Напряжение -> давление

Сказал это,

Если у вас есть сеть с узлами и филиалами; узлы, где вода вводится и вычитается из сети, а ветви - это трубы.

(В электрических сетях трубы представляют собой трансформаторы и линии, а узлы - это узлы или шины)

Если в узле, изначально предназначенном для потребления, имеется впрыск «воды», то давление в трубопроводах может возрасти до уровня, при котором трубы разрываются. (Это будет производство солнечной энергии на уровне домашних хозяйств) Точно так же, слишком большое потребление в узле может слишком сильно понизить давление в трубах, и система не будет работать.

Способ справиться с этим состоит в том, чтобы хранить избыток энергии и снабжать ее, когда это необходимо, поэтому батареи - это святой Грааль возобновляемых источников энергии.

Огромное проникновение возобновляемых источников энергии - это ситуация, против которой операторы сетей и электрические компании противостоят, потому что это вынуждает их принимать новые подходы к работе, которую они выполняли в течение столетия, с небольшими радикальными изменениями, подобными тем, которые они должны сделать. (Мое мнение)

Я надеюсь, что это достаточно ясно, иначе я могу объяснить вещи дальше, так как это моя ежедневная работа.

[РЕДАКТИРОВАТЬ: Почему трубы ломаются?]

Ну, как вы просили, я пойду немного подробнее здесь:

Каждый элемент ответвления (линии и трансформаторы) имеет ограничение на количество тока, которое может пройти, не перегреваясь и не загораясь. Этот номинальный ток может быть превышен в течение ограниченного периода времени, поэтому перегрузка не является событием жизни или смерти, если она не длится слишком долго (также перегрузки уменьшают срок службы элементов)

С другой стороны, напряжение должно быть в пределах + -5% от номинального напряжения узла, это 230 В + -5% на фазу (в Европе в США это 125?). Генерирование мощности в узле увеличивает напряжение в этом узле и в соседних узлах (для той же ситуации с нагрузкой) Увеличение спроса в узле уменьшает напряжение в этом узле и его соседях). Вот почему, если я помещу огромное количество солнечных батарей в дом, у меня могут возникнуть проблемы с напряжением в моем доме и в соседних домах. Эту проблему можно решить путем правильного программирования микропрограммного обеспечения инвертора, но во многих странах это не регулируется, поэтому есть проблемы, о которых люди не слышали, но они вполне реальны.

Но почему напряжение должно быть в таком пределе? Ну, это ограничение является ограничением безопасности, установленным операторами сетки. Если напряжение в розетках вашего дома слишком высокое, это может привести к поломке силовой электроники ваших устройств (телевизора ПК и т. Д.), Если напряжение слишком низкое, электронные устройства могут не работать или даже сломаться. Лампа накаливания светит ярче при высоком напряжении и менее ярче при более низком напряжении.

Скажите, если нужно больше деталей. Santi.

У нас есть высокий уровень напряжения для передачи энергии и низкий уровень напряжения, например, 230 В для распределения энергии. Поскольку сеть была построена, и в большинстве случаев сегодня, мощность переходит от части сетки к высоким и низким напряжениям. Один Тарнсформер распределяет энергию на несколько домов в деревне или городе. При таком низком напряжении нет N-1-предохранителя, есть только один трансформатор и множество домов вокруг него. Поскольку ток идет от высокого к низкому напряжению, самое высокое напряжение на трансформаторе. Самое большее (любое, что я знаю), у старых трансформеров это напряжение постоянно. Чтобы полностью использовать диапазон +/- 5%, напряжение на трансформаторе составляет около + 4/5%. По дороге к домам напряжение может упасть до 10%, а с -5% все в порядке. Если сейчас много Photovoltaik производит больше энергии, чем потребляется в этой области, Сила должна идти в сеть через трансформатор. Но еще, ток течет к трансформатору, а это означает, что это точка с наименьшим, а не наивысшим напряжением. Поэтому напряжение может быть слишком высоким, и фотоэлектрические устройства должны быть отключены (высокое напряжение может повредить любое устройство в этой области). Используя / устанавливая регулируемые трансформаторы, этот случай не создает проблем, напряжение на трансформаторе тока должно быть отрегулировано, например, до -4%. Но они довольно дорогие.

Я думаю, что другой хорошей аналогией является то, что вы можете думать о большой (базовой нагрузке) силовой установке, как о машине, которая движется в гору на полной скорости. Он достигнет определенной скорости (частоты сетки), и в этот момент вам потребуется удерживать педаль на полу, чтобы поддерживать эту скорость в течение неопределенного времени. Теперь, если холм начнет выравниваться, и вы оставите ногу на полу, скорость увеличится, и вам нужно будет поднять газ, чтобы снизить скорость. Это будет похоже на увеличение частоты сети и уменьшение выработки электроэнергии (отключение пиковых блоков). С другой стороны, если уклон становится круче (нагрузка на сетку увеличивается), машина замедляется (частота падает), но вы уже на полной скорости. Единственное, что вы можете сделать сейчас, чтобы вернуться к скорости, - это нажать еще одну машину. Это был бы пиковый юнит, выходящий на линию.