Risposta breve: sincronizzatori
Fondamentalmente, il feedback viene utilizzato per mantenere sincronizzati il generatore e la griglia.
Ci sono molti modi per farlo. Una bella panoramica è qui .
Praticamente tutti i moderni sistemi di generazione di energia utilizzano una qualche forma di controller digitale per l'attività. Il mio inverter per pannelli solari collegato alla rete ha un microcontrollore di classe PIC18F che gestisce alcuni relè a stato solido (SSR) se ricordo bene.
Design comune e moderno della centrale elettrica
Ecco il mio riassunto di quello che credo sia l'approccio di base più comune alla progettazione moderna di impianti di generazione di energia. Figura e testo adattati da:
"Fondamenti e progressi nei sistemi di sincronizzazione dei generatori", Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 9 dicembre 2010.
Nella figura ...
- I ritorni non sono mostrati
- G1, G2 sono i generatori
- I quadrati 1,2,3,4 sono relè
- Bus1, Bus2 sono bus di potenza in uscita (ridondanti)
- Le unità MGPS sono sorgenti di clock sincronizzate GPS per il cronometraggio dei generatori
- A25A è l'unità di misura e controllo (contiene un microprocessore)
Come funziona...
I moderni componenti basati su microprocessore e i dispositivi di distribuzione "digitali", come i sincrofasori, hanno rivoluzionato il modo in cui sono progettati i sistemi di sincronizzazione dei generatori.
Per esempio...
"A25A" nella figura è un sincronizzatore automatico a microprocessore con sei ingressi di rilevamento della tensione monofase isolati e indipendenti che elimina la necessità di commutare fisicamente i segnali di tensione.
I relè "digitali" 1,2,3,4 forniscono dati di sincronizzazione sincronica in streaming.
La comunicazione da relè a relè nell'A25A consente di posizionarlo vicino all'interruttore di sincronizzazione con segnali di controllo inviati ai dispositivi che rallentano (governatore) o accelerano (eccitatore) il meccanismo del generatore tramite collegamenti in fibra ottica.
Tempi e controllo ...
La capacità di costruire sistemi per il monitoraggio e il controllo utilizzando collegamenti di comunicazione in fibra ottica a basso costo ha completamente cambiato i sistemi di sincronizzazione dei generatori.
I relè "digitali" eseguono misurazioni sincronizzate dirette. Le misure sincronizzate dei fasori sono misurazioni dell'angolo di fase delle quantità del sistema di potenza rispetto a un riferimento temporale universale.
Oggi, il preciso riferimento temporale richiesto per effettuare questa misurazione dell'angolo di fase è facilmente ottenibile dagli orologi satellitari GPS (Global Positioning System) di grado a relè di protezione.
La tecnologia Synchrophasor consente di confrontare le letture di tensione da vari dispositivi in tutta la centrale per la differenza angolare. I dati possono essere trasmessi in streaming a velocità fino a 60 messaggi al secondo con bassa latenza.
Da quando nel 2000 è stata introdotta per la prima volta la funzionalità di unità di misura di fase (PMU) nei relè di protezione, sono diventati quasi onnipresenti e i dati di sincrofasore sono disponibili quasi ovunque senza costi aggiuntivi per il proprietario della centrale elettrica.
Un computer dedicato, che esegue il software PDC (Synchrophasor Data Concentrator), può ricevere dati in streaming dai vari relè basati su microprocessore applicati per la protezione e il controllo degli interruttori di sincronizzazione.
Proprio come il sincronizzatore automatico basato su microprocessore può selezionare le tensioni appropriate per ogni scenario di sincronizzazione da quelle cablate ai suoi sei terminali di ingresso, il PDC può selezionare i segnali corretti nei suoi flussi di dati in entrata per le tensioni in entrata e in esecuzione in base alla selezione dell'operatore generatore e interruttore da sincronizzare.
Non è richiesta alcuna commutazione del segnale fisico. E le misurazioni della tensione del sincrofasore dai relè di controllo dell'interruttore sono indipendenti dalle misurazioni del sincronizzatore automatico, il che rende i sistemi ridondanti.
Lag-piombo
@Kaz ha fornito un bel riassunto dei motori / generatori direttamente asserviti nei commenti (documentato qui per i posteri ;-)):
È come chiedere: cosa impedisce ai rematori di schiavi di una barca di lasciare che i loro remi passino alla deriva con l'acqua e non facciano alcun lavoro? Bene, c'è un ragazzo che batte un tamburo e quindi tutti devono tirare alla stessa frequenza o essere frustati. Se gli schiavi diventano pigri, la barca rallenterà e presto non saranno in grado di mantenere quella frequenza di canottaggio senza esercitare forza sull'acqua per accelerare di nuovo la barca, oppure lasciando che i loro colpi siano così ovviamente piccoli (da abbinare la bassa velocità relativa all'acqua) che tutti ricevono una frusta dalla guardia.
Supponiamo quindi che due generatori stiano fornendo una griglia. Uno dei generatori è leggermente pigro e quindi gira solo con la frequenza: evita di essere guidato, ma non fa alcun lavoro. Quindi, la domanda sulla griglia aumenta. L'altro generatore si impantana e rallenta. Quello pigro, per quanto pigro, è ancora impegnato a mantenere la frequenza. Dal momento che la frequenza della rete ha subito un leggero rallentamento, ciò significa che quello pigro è ora impegnato: sta spingendo il ritmo per aiutare ad accelerare la griglia, diventando così impegnato. È molto simile a quando le persone uniscono le forze per remare una barca o tirare un carico
Nelle moderne centrali elettriche, continuando la nostra precedente discussione, l'approccio è semplice dal punto di vista architettonico: ogni generatore è asservito a un riferimento temporale globale .
Come spiegato sopra, i generatori sono bloccati in fase su un orologio globale. Ciascuno di essi è ritenuto individualmente responsabile del fatto che la propria uscita si trovi ad un certo angolo di fase in un determinato momento.
Se sono troppo veloci, un dispositivo chiamato governatore che è attaccato al generatore applica una forza frenante. Se troppo lento, un eccitatore collegato aggiunge energia per accelerare il generatore.
Come nota a margine, è possibile implementare entrambe le funzioni nello stesso dispositivo in alcune architetture. Ad esempio, con un meccanismo di rotazione meccanico, è possibile collegare un motore elettrico all'asse e resistere (governare) o assistere (eccitare) la rotazione guidando il motore collegato rispettivamente in retromarcia o in avanti.
Dato che tutti i generatori funzionano in fase con lo stesso riferimento temporale, si ottiene la sincronizzazione.
Carica spargimento
Riesco a capire la sincronizzazione, puoi spiegare in che modo "assicura che il generatore stia erogando corrente anziché assorbire corrente"?
Questa parte è intuitiva. Guarda le leggi di Ohm o Kerckhoff ...
Se due sorgenti di tensione sono sincronizzate significa che producono la stessa tensione contemporaneamente. Se un filo perfetto collega due fonti di tensione alla stessa tensione, la corrente zero scorrerà in quel filo.
Se colleghi un generatore "grande" e un generatore "piccolo" stai solo descrivendo una differenza nella corrente massima alla stessa tensione generata.
Man mano che il generatore più piccolo viene sovraccaricato, la sua tensione diminuirà. Nei generatori rotanti ciò si traduce in una riduzione della frequenza (il rotore rallenta) poiché il carico elettrico applica una forza di frenatura meccanica attraverso l'elettromagnete.
In entrambi i casi, i sincronizzatori rilevano la condizione di sovraccarico come perdita di sincronizzazione e disconnettono il generatore. Questo si chiama "distacco del carico". Come puoi vedere, lo shload del carico non fa che peggiorare il problema per i restanti generatori e il problema può ricadere in cascata.
Questo è ciò che è accaduto durante il blackout di NorthEast del 2003 , sebbene l'evento sia stato causato, tra le altre cose, da un problema tecnico del software che è troppo aggressivo con la riduzione del carico piuttosto che con il sovraccarico effettivo.