La red eléctrica: ¿qué impide que los pequeños generadores de energía sean 'impulsados' por los grandes?

Respuesta corta: sincronizadores

Básicamente, la retroalimentación se usa para mantener el generador y la red sincronizados.

Hay muchas maneras de hacer esto. Una buena descripción está aquí .

Prácticamente todos los sistemas modernos de generación de energía utilizan algún tipo de controlador digital para la tarea. Mi inversor de panel solar conectado a la red tiene un microcontrolador de clase PIC18F que administra algunos relés de estado sólido (SSR) si no recuerdo mal.

Diseño común de central eléctrica moderna

Aquí está mi resumen de lo que creo que es el enfoque básico más común para el diseño de plantas de generación de energía modernas. Figura y texto adaptados de:

"Fundamentos y avances en sistemas de sincronización de generadores", Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 9 de diciembre de 2010.

En la figura...

• No se muestran las devoluciones
• G1, G2 son los generadores
• Los cuadrados 1,2,3,4 son relés
• Bus1, Bus2 son buses de alimentación de salida (redundantes)
• Las unidades MGPS son fuentes de reloj sincronizadas por GPS para cronometrar los generadores
• A25A es la unidad de medida y control (contiene un microprocesador)

Cómo funciona...

Los componentes modernos basados ​​en microprocesadores y los engranajes de temporización "digitales", como los sincrofasores, han revolucionado la forma en que se diseñan los sistemas de sincronización de generadores.

Por ejemplo...

1. El "A25A" en la figura es un sincronizador automático basado en un microprocesador con seis entradas de detección de voltaje monofásicas aisladas e independientes que elimina la necesidad de cambiar físicamente las señales de voltaje.

2. Los relés "digitales" 1,2,3,4 proporcionan transmisión de datos de sincrofasores.

3. La comunicación de relé a relé en el A25A permite ubicarlo cerca del interruptor de sincronización con señales de control enviadas de vuelta a los dispositivos que reducen la velocidad (regulador) o aceleran (excitador) el mecanismo del generador a través de enlaces de fibra óptica.

Cronometraje y control...

La capacidad de construir sistemas de monitoreo y control utilizando enlaces de comunicaciones de fibra óptica de bajo costo ha cambiado por completo los sistemas de sincronización de generadores.

Los relés "digitales" toman medidas sincronizadas directas. Las mediciones de fasores sincronizados son mediciones del ángulo de fase de las cantidades del sistema de potencia en relación con una referencia de tiempo universal.

Hoy en día, la referencia de tiempo precisa requerida para hacer esta medición del ángulo de fase se obtiene fácilmente de los relojes satelitales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de grado de protección.

La tecnología de sincrofasores permite comparar las lecturas de voltaje de varios dispositivos en toda la central eléctrica para determinar la diferencia angular. Los datos se pueden transmitir a velocidades de hasta 60 mensajes por segundo con baja latencia.

Desde que se introdujo por primera vez la funcionalidad de la unidad de medición fasorial (PMU) en los relés de protección en el año 2000, se han vuelto casi omnipresentes y los datos del sincrofasor están disponibles en casi todas partes sin costo adicional para el propietario de la planta de energía.

Una computadora dedicada, que ejecuta el software concentrador de datos de sincrofasores (PDC), puede recibir datos de transmisión de varios relés basados ​​en microprocesadores aplicados para la protección y el control de los interruptores de sincronización.

Así como el sincronizador automático basado en un microprocesador puede seleccionar los voltajes apropiados para cada escenario de sincronización de aquellos cableados a sus seis terminales de entrada, el PDC puede seleccionar las señales apropiadas en sus flujos de datos entrantes para los voltajes entrantes y de funcionamiento en función de la selección del operador del sincronizar el generador y el disyuntor.

No se requiere conmutación de señal física. Y las mediciones de voltaje del sincrofasor de los relés de control del interruptor son independientes de las mediciones del sincronizador automático, lo que hace que los sistemas sean redundantes.

Retraso-Adelanto

@Kaz proporcionó un buen resumen de motores/generadores directamente esclavos en los comentarios (documentados aquí para la posteridad ;-)):

Esto es como preguntar, ¿qué impide que los remeros esclavos en un bote dejen pasivamente que sus remos se desplacen con el agua y no hagan ningún trabajo? Bueno, hay un tipo que toca un tambor y todos tienen que tocar en la misma frecuencia, o ser azotados. Si los esclavos se vuelven perezosos, el bote se ralentizará, y pronto, no podrán mantener esa frecuencia de remo sin ejercer fuerza sobre el agua para acelerar el bote nuevamente, o bien dejando que sus golpes sean tan obviamente pequeños (para igualar la velocidad lenta en relación con el agua) que todos reciben una paliza del guardia.

Entonces, supongamos que dos generadores están alimentando una red. Uno de los generadores es un poco perezoso, por lo que simplemente gira junto con la frecuencia: evita ser accionado, pero no realiza ningún trabajo. Entonces, la demanda en la red aumenta. El otro generador se atasca y se ralentiza. El perezoso, por perezoso que sea, todavía está comprometido a mantener la frecuencia. Dado que la frecuencia de la red se ha ralentizado ligeramente, eso significa que el perezoso ahora está comprometido: está acelerando el ritmo para ayudar a acelerar la red, por lo que se involucra. Es muy parecido a cuando las personas combinan fuerzas para remar un bote o tirar de una carga

En las centrales eléctricas modernas, continuando con nuestra discusión anterior, el enfoque es simple desde el punto de vista arquitectónico: cada generador está sujeto a una referencia de tiempo global .

Como se explicó anteriormente, los generadores están sincronizados en fase con un reloj global. Cada uno de ellos es individualmente responsable de que su salida esté en un cierto ángulo de fase en un momento determinado.

Si son demasiado rápidos, un dispositivo llamado gobernador que está conectado al generador aplica una fuerza de frenado. Si es demasiado lento, un excitador adjunto agrega energía para acelerar el generador.

Como nota al margen, puede implementar ambas funciones en el mismo dispositivo en algunas arquitecturas. Por ejemplo, con un mecanismo giratorio mecánico, puede conectar un motor eléctrico al eje y resistir (controlar) o ayudar (excitar) la rotación al conducir el motor conectado hacia atrás o hacia adelante, respectivamente.

Dado que todos los generadores están funcionando en fase con la misma referencia de tiempo, se logra la sincronización.

Desconexión de carga

Puedo entender la sincronización, ¿puede explicar cómo 'garantiza que el generador está expulsando corriente en lugar de tomar corriente'?

Esta parte es intuitiva. Mira la Ley de Ohm o las Leyes de Kerckhoff...

Si dos fuentes de voltaje están sincronizadas, significa que producen el mismo voltaje al mismo tiempo. Si un cable perfecto conecta dos fuentes de voltaje al mismo voltaje, fluirá corriente cero en ese cable.

Si conecta un generador "grande" y un generador "pequeño", solo está describiendo una diferencia en la corriente máxima con el mismo voltaje generado.

A medida que el generador más pequeño se sobrecarga, su voltaje caerá. En los generadores giratorios, esto da como resultado una reducción de la frecuencia (el rotor se ralentiza) ya que la carga eléctrica aplica una fuerza de frenado mecánica a través del electroimán.

En cualquier caso, los sincronizadores detectan la condición de sobrecarga como una pérdida de sincronización y desconectan el generador. Esto se llama "desconexión de carga". Como puede ver, el deslastre de carga solo empeora el problema para los generadores restantes y el problema puede desencadenarse.

Esto es lo que sucedió durante el apagón del noreste de 2003 , aunque el evento fue causado, entre muchas cosas, por una falla de software demasiado agresiva con la reducción de carga en lugar de una sobrecarga real.

No hay diodos, no en el sistema de CA normal. No estoy seguro de que puedas construirlos tan grandes.

En cuanto a la planta grande frente a la planta pequeña, la operación normal del sistema las mantiene en fase; si su generador se adelanta ligeramente, encontrará más resistencia y EMF de retorno, lo que tenderá a ralentizarlo. Si se está quedando un poco rezagado, hay menos resistencia y es libre de acelerar.

Al poner en marcha una planta, es muy importante ponerla en fase (ver el enlace del Dr. FriedParts) antes de conectarla. El no hacer esto destruirá algo grande y costoso.

Arrancar una planta sin una referencia de red es un problema; consulte "Black Start", por ejemplo, http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf