Cosa succede all'eccesso di energia immesso nella rete elettrica?

La domanda più vicina a questo è l' utilizzo lineare della generazione di energia in eccesso .

Non sono un ingegnere, quindi potrei non essere in grado di formularlo correttamente e apprezzerei una risposta che presupponga una conoscenza di base minima (ho solo una conoscenza di base di tensione, trasformatori, ecc.). La domanda sorge da tutto questo parlare del vento variabile e della potenza che potenzialmente distruggono la rete.

Ad esempio, vedere l'articolo 2012 sul collegamento elettrico. Il rapido aumento delle installazioni solari potenzialmente sovraccarica la rete, che discute il potenziale di "flusso di energia inverso" e parla anche di una sorta di dispositivo "protezione della rete". C'è anche un articolo simile o simile su Hawaii The Interconnection Nightmare in Hawaii e Why It Matters to the US Residential PV Industry , che afferma che l'unica "preoccupazione concreta identificata dall'esperienza delle Hawaii è il potenziale di sovratensione transitoria sull'alimentatore - essenzialmente un breve picco di durata ".

Sono curioso di sapere cosa succede qui sia per quanto riguarda una grande griglia che in un microambiente. Ad esempio, supponiamo che io abbia una batteria completamente carica e continui a far scorrere elettricità all'interno. Che succede? Esistono dispositivi che dirottano o dissipano l'elettricità sotto forma di calore senza danneggiare nulla? Ho trovato alcune domande simili online ma le risposte non erano troppo chiare.

Le risposte più semplici e dirette alla domanda principale dipendono da quanto sia "eccessivo". Poiché la maggior parte delle apparecchiature è progettata per funzionare entro +/- 5% del valore nominale, l '"energia extra" viene solitamente dissipata sotto forma di calore nel dispositivo stesso. Nel caso di una lampadina (ad esempio), produce più luce e calore. Se l'energia in eccesso supera la tolleranza dei dispositivi, si surriscaldano e / o bruciano ( causando danni ). Questi risultati saranno ottenuti indipendentemente da ciò che provoca "l'energia in eccesso" sulla rete (fulmini, impianti solari, energia eolica, ecc.).

Per le ultime due domande, se si sta caricando una batteria da 12 V con una sorgente da 13 V, 1v in più manterrà la batteria "calda" dopo che è stata caricata a 12 V. Se lo si sta caricando con un alimentatore non regolato a 24 V, la batteria si surriscalda, si brucia e potrebbe esplodere. Se lo si carica con un'alimentazione a sovratensione e corrente limitata, la batteria verrà caricata a 12 V e l'energia supplementare verrà dissipata come calore nei regolatori di alimentazione. Un modo in cui puoi fare un uso "efficiente" di qualsiasi "energia extra" sarebbe quello di utilizzare un banco di batterie e un caricabatterie "intelligente", che cambierebbe la ricarica con un'altra batteria quando questa è carica e si spegnerebbe (scollega) quando tutte le batterie della banca sono cariche. Se non vi è alcun interesse nel risparmio di energia extra, può essere "scaricato"

Questo, come puoi immaginare, non è qualcosa che ha una sola soluzione e anche il problema in sé è piuttosto complesso. Analizziamolo.

La rete elettrica come esiste ora nella maggior parte dei paesi civili ha una struttura gerarchica: in cima ci sono le grandi centrali elettriche centralizzate, sotto quelle che sono le reti di distribuzione MT su larga scala o gli anelli di distribuzione, quindi arrivano le reti cittadine (di solito circa 400kV) che di solito sono HV sotterranei, reti di quartiere (20kV o tensione di rete multifase) e quindi le reti a "codice postale" a bassa tensione che distribuiscono 115 / 230V. Ovviamente, come già suggerisce la tua domanda, questa gerarchia presuppone un flusso di energia netto dalla centrale elettrica a casa e non viceversa.

La maggior parte della generazione di energia decentralizzata - pannelli solari non commerciali, turbine eoliche e simili - avviene a livello domestico, ovvero produce 115/230 V CA e la pompa nella rete elettrica. Il più delle volte va bene perché l'energia generata è molto inferiore a quella consumata e il flusso di energia netto è ancora nella giusta direzione. Raramente, ma più spesso al giorno d'oggi a causa del basso prezzo del solare, la quantità di energia generata è superiore alla potenza consumata a livello di codice postale. Fondamentalmente per tutte le reti elettriche questo non è un grosso problema in realtà. I trasformatori utilizzati per convertire MV in 115/230 V sono solo trasformatori lineari e funzionano altrettanto bene in una direzione quanto funzionano nell'altra. Non hanno quasi mai PFC o altri parametri dipendenti dalla direzione del flusso, quindi va bene.

Il problema che la maggior parte delle reti elettriche sta affrontando male, è ciò che accade su un gradino sopra. Qui arriviamo al passaggio di conversione dalla griglia della città sotterranea a blocchi più piccoli e queste stazioni di trasformazione oggigiorno spesso hanno PFC o almeno un qualche tipo di meccanismo di disaccoppiamento per assicurarsi che le interferenze dalla griglia della città non tornino alla potenza HV linee come sarebbe attraverso un trasformatore lineare. Se questa unità genera più energia di quanta ne consuma, quell'energia non può (generalmente) andare da nessuna parte, o almeno viene impedita dal farlo con componenti elettronici molto costosi, non così facili da sostituire ovunque. La risposta riflessa del sistema è lanciare un interruttore e separare questa unità dal resto della griglia. Naturalmente, questo non "ucciderà" questa unità; la potenza generata pomperà semplicemente la tensione su questa griglia fino al limite di sicurezza degli inverter (di solito tensione nominale + 5-7%) e molto spesso destabilizzerà la frequenza CA. Ma la potenza continuerà ad essere lì fino al passaggio di una nuvola, la griglia scende al di sotto delle tensioni di picco e gli inverter solari si spengono tutti. Questo problema si chiama problema di generazione dell'isola ed è molto difficile da risolvere senza una certa intelligenza aggiuntiva nella rete elettrica e negli inverter (vale a dire reti intelligenti).

Tuttavia, come puoi vedere in questo paragrafo precedente, l'energia extra non va necessariamente da nessuna parte. Se si verifica una situazione insulare, agli inverter viene richiesto non solo di scaricare tutta la loro energia disponibile sulla rete, ma di modulare se stessi quando la rete raggiunge una certa tensione. Quando il cloud alla fine passa, si spengono e la situazione si risolve.

Esistono meccanismi di protezione alternativi. Alcuni paesi hanno interruttori di corto circuito che possono essere attivati ​​con segnali speciali (DTMF) sulla linea di alimentazione. Quando viene creata un'isola, possono cortocircuitare la rete elettrica e oscurare immediatamente una sezione della griglia. Questa tuttavia non è una pratica molto sicura, poiché spesso provoca picchi induttivi sulla rete elettrica che possono danneggiare sia la rete sia l'elettronica domestica. Oggi questo è usato raramente. È tuttavia un importante meccanismo di protezione per i generatori di corrente che non regolano bene la loro potenza e possono causare una situazione di sovratensione.

In Germania a maggio, il prezzo pagato per le energie rinnovabili ha oscillato in realtà negativo , poiché ne avevano troppe. In altre parole, stavano accusando i produttori di prendere l'energia in eccesso. Quindi hanno affrontato l'eccesso di energia incentivando i produttori a non immetterlo sulla rete, il che è facile con il solare e possibile con l'energia eolica.

Metodi di generazione diversi hanno costanti di tempo diverse: le centrali nucleari amano eseguire il flat-out e l'avvio e lo spegnimento richiedono molto tempo. L'energia idroelettrica può essere rapidamente modificata in uscita reindirizzando o soffocando il flusso d'acqua. Gli impianti termici (ne avevo uno vicino) hanno una costante di tempo più lunga, quindi se perdi improvvisamente il carico (non rallenta le turbine), l'energia immagazzinata nel vapore deve essere scaricata (ad alta voce!) Per impedire ai generatori di spooling fuori controllo. Non tentano di assorbire l'energia elettrica, per quanto ne so, anche se ho fatto uno studio di fattibilità sulla strumentazione per un massiccio assorbimento di energia che assorbirebbe enormi quantità di energia (è divertente creare strumenti che funzionano con tensioni di modo comune di 100 di kV).

Conservare energia in grandi quantità in modo ragionevolmente efficiente è un problema molto difficile, senza soluzione ovvia. Batterie / inverter distribuiti e il metodo di vecchia scuola di pompare l'acqua in salita in una diga per immagazzinarla e lasciarla correre attraverso turbine e generatori per recuperare (alcuni) sono due metodi.

Consentitemi di riformulare questi articoli in termini che facilitino la comprensione e la contestualizzazione. Vedo questi articoli come l'equivalente di "Ho appena acquistato una nuova Ferrari, c'è un grave problema in quanto continuo a dover sostituire le pastiglie dei freni poiché la potenza del mio motore è eccessiva quando mi avvicino a una luce di stop".

La semplice risposta è: "togli il piede dall'acceleratore". cioè smetti di produrre energia quando non puoi usarla.

Non c'è davvero alcun problema con l'eccesso di produzione, c'è un problema con l'eccesso di consegna che devono solo segnalare ai produttori "smettere di alimentare la rete". In effetti, alcuni controller di pannelli solari utilizzano il cloud shadowing per prevedere quanta energia verrà prodotta nei prossimi 10 o 15 minuti e segnalare che viene inoltrata all'autorità di rete.

Questo tipo di articoli non sono utili. Ci sono seri problemi con la rete principale e i legami di interconnessione che possono essere risolti semplicemente approvando leggi e spendendo denaro. Avere produttori di energia eolica oltre a gestire il tuo sistema di controllo ha soluzioni molto più semplici.

È un problema complicato con una varietà di risposte.

Anche senza soluzioni, esiste una certa tolleranza per una discrepanza tra domanda e offerta. Troppa domanda / offerta insufficiente) farà cadere la tensione e la frequenza sulla rete dal suo solito punto di 50hz / 60hz / qualunque sia la rete del tuo paese. Al contrario, troppa offerta / domanda troppo bassa aumenterà la frequenza. Una piccola quantità di deviazione di frequenza non è un problema significativo. In Nuova Zelanda, la rete è di 50 hz, ma la rete va bene con frequenze che vanno da circa 49 a 52 hz. Al di fuori di questo, puoi avere seri problemi. In particolare, se si scende al di sotto di 49 hz, questo può danneggiare i generatori, che si spengono automaticamente o si isolano. Ciò significa che la frequenza della rete diminuisce ancora di più, poiché c'è meno offerta, causando una reazione a catena e infine un collasso totale della griglia.

Per evitare che ciò accada, gli operatori di mercato pagano le persone per eseguire una varietà di servizi. Questi differiscono da paese a paese, ma ancora una volta userò la Nuova Zelanda come esempio.

Mantenimento della frequenza: agisce sia per aumentare che per ridurre la frequenza di rete, come richiesto. Per usare un'analogia di guida, guarda qualcuno mentre guidano. Fanno costantemente piccoli movimenti con la ruota, probabilmente non ne sono consapevoli, reagiscono alla posizione della ruota per mantenere la macchina dritta mentre passa su piccoli dossi sulla strada. Questo è stato tradizionalmente eseguito da generatori, con una capacità inferiore al 100%, in grado di variare la loro produzione con un tempo di risposta inferiore al secondo.

Riserve - In Nuova Zelanda, è necessario procurarsi sempre "riserve" al fine di mantenere la rete in caso di una situazione N-1: la perdita del generatore più grande o la perdita delle linee di trasmissione tra il Nord e Isole del sud In Europa, il continente nel suo insieme opera in una situazione N-2, che rappresenta la perdita di 2 grandi centrali nucleari. Queste riserve possono assumere la forma di generatori che funzionano al di sotto della capacità e sono in grado di aumentare rapidamente o (in modo più economico e rapido) richiedere risorse di risposta - siti che sono disposti a ridurre il carico necessario per mantenere la rete. Queste risorse sono generalmente separate dal tempo di risposta e dalla quantità di tempo per cui possono sostenere il cambiamento. La Nuova Zelanda ha un mercato veloce (tempo di risposta di 1 secondo per i carichi, tempo di risposta di 6 s per i generatori sostenuti per 1 minuto), e un mercato sostenuto (tempo di risposta di 60 secondi, ma prolungato per un periodo più lungo - fino a circa 30 minuti). Tornando all'analogia della macchina, è qui che la tua macchina colpisce un grosso bernoccolo, spingendoti verso un albero - devi tornare indietro nella direzione opposta per tornare sulla strada (ma non girare troppo lontano o tu ' finirò per colpire un albero sull'altro lato della strada).

Affrontare i picchi - generazione di picco o risposta alla domanda tradizionale - per usare l'analogia della nostra auto, c'è un angolo sulla strada. Possiamo vederlo arrivare da molto lontano e dobbiamo fare una svolta enorme per rimanere sulla strada. Si tratta di ondate di caldo estivo, schiocchi freddi invernali, picchi serali ecc. Questo può essere soddisfatto con una varietà di tecnologie. Di solito, la maggior parte proviene da generatori di picco, che vengono eseguiti solo pochi giorni all'anno. Ancora una volta, entra in gioco la risposta alla domanda: spesso è più economico chiudere una fabbrica per 20 ore all'anno piuttosto che costruire un nuovo generatore di picco e aggiornare le linee di trasmissione

Lavoro sull'argomento e penso di poter essere d'aiuto per spiegarlo.

Lo spiegherò usando l'analogia dell'acqua:

Flusso di corrente elettrica -> Flusso d'acqua

Tensione -> pressione

Detto questo,

Se si dispone di una rete con nodi e rami; i nodi sono dove l'acqua viene iniettata e sottratta dalla rete e i rami sono i tubi.

(Nelle reti elettriche, i tubi sono trasformatori e linee, mentre i nodi sono i nodi o le sbarre)

Se si dispone di iniezione di "acqua" in un nodo originariamente progettato per il consumo, la pressione nei tubi potrebbe aumentare fino a un livello in cui i tubi si rompono. (Questa sarebbe la produzione di energia solare a livello domestico) Allo stesso modo, un consumo eccessivo in un nodo potrebbe ridurre troppo la pressione dei tubi e il sistema non funzionerà.

Il modo per gestirlo è immagazzinare il surplus di energia e fornirlo quando necessario, ecco perché le batterie sono il graal dell'agrifoglio delle energie rinnovabili.

L'enorme penetrazione rinnovabile è una situazione contro cui i gestori di rete e le società elettriche si oppongono perché li costringe ad adottare nuovi approcci per un lavoro che hanno svolto per un secolo con pochi cambiamenti radicali come quelli che devono fare. (La mia opinione)

Spero che sia abbastanza chiaro, altrimenti posso spiegare ulteriormente le cose poiché questo è il mio lavoro quotidiano.

[EDIT: Perché i tubi si rompono?]

Bene, come hai richiesto, andrò un po 'più in dettaglio qui:

Ogni elemento derivato (linee e trasformatori) ha un limite nella quantità di corrente che può andare senza surriscaldarsi e incendiarsi. Questa corrente nominale può essere superata per un periodo di tempo limitato, quindi un sovraccarico non è un evento di vita o di morte, se non dura troppo a lungo (Anche i sovraccarichi riducono la durata degli elementi)

D'altra parte, la tensione dovrebbe essere entro un + -5% della tensione nominale di un nodo, questo è 230 V + -5% per fase (in Europa, negli Stati Uniti è 125?). La generazione di energia in un nodo aumenta la tensione in quel nodo e nei nodi vicini (per la stessa situazione di carico) L'incremento della domanda in un nodo diminuisce la tensione in quel nodo e nei suoi vicini). Questo è il motivo per cui se metto una grande quantità di pannelli solari a casa potrei avere problemi di tensione a casa mia e nelle case dei vicini. Questo problema può essere mitigato da un'adeguata programmazione del firmware dell'inverter, ma in molti paesi non esiste alcuna regolamentazione in merito, quindi ci sono problemi di cui la gente non ha sentito parlare ma che sono molto reali.

Ma perché la tensione deve essere in tale limite? Bene, questo limite è un vincolo di sicurezza fissato dagli operatori di rete. Se la tensione nelle prese di casa è troppo alta, si potrebbe interrompere l'elettronica di potenza dei dispositivi (TV del PC, ecc.) Se la tensione è troppo bassa, i dispositivi elettronici potrebbero non funzionare o anche rompersi. Una lampadina a incandescenza brilla più intensamente in alta tensione e meno luminosa in caso di bassa tensione.

Dimmi se sono necessari ulteriori dettagli. Santi.

Abbiamo livelli di alta tensione per il trasporto di energia e bassi livelli di voltaggio come 230 V per la distribuzione di energia. Poiché la griglia è stata costruita e la maggior parte del tempo oggi, la potenza passa dalla parte alta a quella bassa della griglia. Un informatore distribuisce il potere a diverse case in un villaggio o in una città. A questa bassa tensione non c'è N-1-saftey, c'è solo un trasformatore e molte case attorno. Poiché la corrente passa dalla tensione più alta a quella più bassa, la tensione più alta è sul trasformatore. Al massimo (qualunque io conosca), i vecchi trasformatori questa tensione è costante. Per utilizzare completamente l'intervallo +/- 5%, la tensione sul tarnsformer è di circa + 4/5%. Sulla strada per le case, la tensione può scendere fino al 10% e con -5% tutto è ok. Se ora un sacco di Photovoltaik produce più energia di quella consumata in quest'area, la Potenza deve andare nella griglia sopra il trasformatore. Eppure, la corrente fluisce verso il trasformatore, il che significa che è il punto con la tensione più bassa, non la più alta. Pertanto, la tensione può essere facilmente elevata e i fotovoltaici devono spegnersi (l'alta tensione potrebbe danneggiare qualsiasi dispositivo contecato in quest'area). Utilizzando / installando trasformatori regolabili, questo caso non crea problemi, la tensione sul trasformatore deve essere regolata ad esempio a -4%. Ma sono piuttosto costosi.

Penso che un'altra buona analogia sia che puoi pensare a una grande centrale elettrica (carico di base) come un'auto che viene guidata su per la collina a tutto gas. Raggiungerà una certa velocità (frequenza di rete) e a quel punto richiederà di mantenere il pedale sul pavimento per mantenere quella velocità indefinitamente. Ora se la collina inizia a livellarsi e si lascia il piede sul pavimento, la velocità aumenterà e sarà necessario sollevare il gas per ridurla. Questo sarebbe come l'aumento della frequenza di rete e la generazione di energia sarebbe ridotta (unità di picco spente). D'altra parte, se la collina diventa più ripida (il carico sulla griglia aumenta) la macchina rallenta (la frequenza diminuisce) ma sei già a tutto gas. L'unica cosa che puoi fare ora per tornare alla velocità è avere un'altra spinta in auto. Sarebbe un'unità di picco in arrivo.