Productores consumidores equilibrio en la red

En una gran red de distribución se dice que consumidores y productores deben estar en equilibrio ; lo que eso significa físicamente, en una formulación matemática correcta (no simplista), no está claro: el equilibrio perfecto no existe en la naturaleza y estoy luchando por comprender cómo el sistema desequilibrado almacena y recupera energía, y en qué escala de tiempo. el balance hecho .

¿Cuáles son los flujos de energía a corto plazo?

Cuando enciendo un interruptor de luz, la energía fluye al instante. ¿De dónde se toma?

¿Cuánta energía está presente en la propia red de distribución en un momento dado? ¿Fluctúa?

¿Existe una descripción buena pero accesible de la elasticidad del sistema de potencia? ¿Vibra?

TL/DR: la frecuencia de suministro es un buen indicador del estado de equilibrio. En el Reino Unido en este momento es de 50,035 Hz, por lo que está ligeramente cargado (más oferta que demanda)
¿A dónde va? ¿Quién lo almacena?
@curiousguy Nadie lo almacena, aparte de cantidades comparativamente pequeñas almacenadas en la capacitancia e inductancia de las líneas de transmisión y cantidades más grandes almacenadas en la energía cinética rotacional de las turbinas. Editar: Bueno, también están las baterías que se usan con los paneles fotovoltaicos, supongo, y los vehículos eléctricos.
@Hearth Me refiero a una red pura y simple sin cosas eléctricas sofisticadas, dispositivos electrónicos, algo inteligente... solo unos pocos motores industriales, ascensores y luces. Vuelve a la cuadrícula de 50ties si quieres. Si no se logra el equilibrio perfecto, implica cambios en el nivel de energía neta. Como una bañera desequilibrada llenando vaciando.
Nadie lo almacena: la frecuencia es ligeramente alta y también lo es el voltaje. (O bajo, en otros momentos) Se monitorea y se agrega o elimina capacidad de generación para mantener la deriva dentro de límites estrechos.
@BrianDrummond ¿La "capacidad de generación" es lo mismo que la energía producida?
@curiousguy casi, pero no exactamente: a corto plazo, hay una diferencia entre la electricidad producida instantáneamente (cuánto el generador está convirtiendo de energía mecánica a energía eléctrica en este mismo momento) y la capacidad de generación en el sentido de la cantidad de energía extraíble. producido por lo que sea que esté impulsando la turbina (vapor, agua, etc.); una turbina puede producir un poco menos o más electricidad que su capacidad temporalmente a medida que aumenta o disminuye la velocidad; pero cambiar la capacidad de generación requiere cambios en el proceso físico que impulsa la turbina o agregar nuevos generadores.
@Peteris Entonces, ¿el equilibrio rápido se obtiene por la diferencia entre la energía eléctrica y la energía de calor/presión?
Si estamos hablando de una respuesta de 10 segundos, entonces diría que sí, para una operación normal eso (presión de vapor en térmica o nuclear, energía cinética del agua en una planta hidroeléctrica) sería el "depósito de energía" del cual el equilibrio se mantendría, además de la inercia rotacional mecánica pura; en el caso de desajustes importantes , veríamos otros mecanismos de equilibrio activados, como la desconexión de partes de la red; y para el "equilibrio rápido" en la escala de 5 minutos o en la escala de milisegundos dominarían de nuevo diferentes aspectos físicos.

Respuestas (3)

La frecuencia de la red es donde se esconde la magia....

Hay almacenamiento de energía en la inercia de todo ese acero giratorio, y más al otro lado de esas válvulas de mariposa en el PE de agua caliente que intenta ser vapor.

La frecuencia de la red es realmente la integral de la diferencia entre la generación y la carga dividida por el momento de inercia de la masa total en el sistema.

ω = ∫ ( GRAMO mi norte mi r a t i o norte − D mi metro a norte d ) d t / k

Configura los generadores de carga base para que alcancen la potencia máxima si la frecuencia cae por debajo de, digamos, 50,5 Hz, las cosas de costo medio para que se aceleren a 50 Hz y las plantas de pico (costosas de operar) para que se carguen si la frecuencia cae por debajo de, digamos, 49,8 Hz. (Hay muchas más graduaciones que esta).

El efecto es que la carga base funciona a plena potencia, el material de costo medio rastrea la demanda y las plantas de pico están inactivas hasta que el material de costo medio no puede satisfacer la demanda, momento en el que se cargan.

El flujo de potencia reactiva controla el voltaje del sistema y, al controlarlo, puede controlar las corrientes de carga en la red de transmisión.

La dinámica es bastante interesante, especialmente durante condiciones de falla y hay libros completos escritos sobre ese tema.

Con una producción variable de turbinas eólicas y una demanda de usuarios variable y no completamente aleatoria, esto suena como una baraja de cartas en el viento. ¿Los elementos de construcción de viviendas ayudan al ciclo de control? ¿Como ascensores, tostadoras, cargadores de iPhone?
No me centraría demasiado en la frecuencia: la red también sería estable si fuera una red de CC pura. Simplemente se reduce a la simple P=U²/R y R>0 en este caso.
DC funciona para enlaces punto a punto y, de hecho, (cuando se vuelven lo suficientemente grandes) a veces es la opción óptima, pero se vuelve terriblemente complicado cuando se trata de una gran cantidad de generadores en una red geográficamente dispersa. Aparte de los problemas obvios con la subida y bajada de CC, y la dificultad con la protección del circuito en líneas de CC de alta tensión y alta corriente, el control de la red es un dolor de cabeza. En una red de CA, la frecuencia es suficiente para controlar la salida del generador y la potencia reactiva controla el voltaje de la red.
Por otro lado, el esquema de estabilización que usa frecuencia también solo funciona debido a grandes motores síncronos y generadores; se descompondría si solo hubiera presentes cargas insensibles a la frecuencia, por ejemplo, como fuentes de alimentación escalonadas o motores asíncronos.
@asdfex ¿Estás seguro? No creo que la naturaleza de la carga importe mucho. Las máquinas sincrónicas seguras agregan inercia a todo el esquema, lo cual es útil, pero la mayor parte de la inercia probablemente esté en el lado de la generación. En cualquier caso, la potencia reactiva es fácil de controlar. La trampa es que necesita la inercia de alguna parte, y los inversores no son buenos para proporcionarla (o la gran cantidad de energía reactiva que a veces se necesita para eliminar una falla). Casi se podía ver las plantas solares agregando grandes capacitores síncronos para agregar la capacidad de eliminar fallas.
Los electrodomésticos locales tienen poco impacto y se manchan con el ruido. La carga sube y baja gradualmente, pero cuando hay un volcado de carga (por ejemplo, una gran fábrica tiene un apagado de emergencia). puede introducir contratiempos que pueden causar desincronización. Creo que un punto que falta es que la frecuencia sincroniza a todos los productores y consumidores juntos. Sin esto no tienes una grilla. Un solo usuario, como un gran tren o una fábrica, debe adaptarse fácilmente a toda la inercia de la red a tiempo para mantenerse sincronizado. Cuando la aproximación de "productor infinito" desaparece, dicho volcado de carga puede desconectar la red.
@curiousguy no, con la excepción de algunos "termostatos inteligentes" que participan en programas de reducción de carga, y tal vez algunos grandes usuarios industriales que tienen acuerdos especiales, las cargas no participan en el equilibrio. Y no, no es un problema tan grande. El sistema es grande, la ley de los grandes números está de nuestro lado, y la red y la planta de generación están diseñadas por personas que tienen datos y, en la mayoría de los casos, alguna idea de lo que están haciendo.
@hobbs, los usuarios no tienen que hacer nada para participar en el equilibrio: cualquier motor de CA que sea impulsado directamente por la frecuencia de la red (que incluye la mayoría de los motores simples, tanto pequeños como grandes) inevitablemente participa en el equilibrio, ya que consume un poco menos de energía si la frecuencia es menor; y mucha menos potencia durante la rápida disminución de la frecuencia, y viceversa para los aumentos de frecuencia. Así funciona para miles de personas que aspiran sus casas, así funciona para una fábrica que maneja una cinta transportadora. Sin embargo, dichos motores se están convirtiendo en una parte cada vez más pequeña de la carga total de la red.
@Peteris ¿Es eso cierto para una aspiradora con un botón móvil para ajustar la potencia?
¿Es este equilibrio análogo a un péndulo invertido, donde los consumidores agregan perturbaciones y los productores compensan rápidamente? Podría imaginar que funciona si la inercia del sistema es grande en comparación con el período de control.

La red se puede imaginar, y en algunos casos lo es, un solo generador. El generador tiene un regulador de velocidad para mantener la frecuencia. El gobernador tendrá un cierto tiempo de reacción y eso significa que si la carga aumenta repentinamente, la frecuencia caerá y si la carga disminuye repentinamente, la frecuencia aumentará repentinamente.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Figura 1. Un gobernador mecánico. El eje vertical es impulsado por el motor y cuanto más rápido avanza, más pesas se lanzan hacia afuera y hacia arriba (contra la gravedad), lo que hace que el brazo de palanca reduzca la aceleración. Fuente: Gobernador centrífugo .

Trabajé en uno de estos en un generador de 1 MVA y, con la ayuda de un medidor de frecuencia de láminas, pude establecer la frecuencia del generador muy cerca de 50 Hz.

En una gran red de distribución se dice que consumidores y productores deben estar en equilibrio;

Correcto. En su red eléctrica básica no hay almacenamiento. Los generadores solo pueden exportar si hay carga. Los generadores pueden estar girando y produciendo voltaje, pero si no hay carga, no fluirá corriente. La fuente de energía (vapor, diesel, hidráulica, etc.) deberá reducirse rápidamente para evitar que aumente la frecuencia.

el equilibrio perfecto no existe en la naturaleza

Sí lo hace. El piso debajo de mí proporciona un empuje hacia arriba que coincide exactamente con la fuerza de gravedad en mi cuerpo.

... y estoy luchando por entender cómo el sistema desequilibrado almacena y recupera energía, ...

no lo hace

... y en qué escala de tiempo se realiza el balanceo.

Eso depende del gobernador físico.

¿Cuáles son los flujos de energía a corto plazo?

El flujo de energía está determinado por la carga.

Cuando enciendo un interruptor de luz, la energía fluye al instante. ¿De dónde se toma?

Del generador a través de la red.

¿Cuánta energía está presente en la propia red de distribución en un momento dado? ¿Fluctúa?

¿Existe una descripción buena pero accesible de la elasticidad del sistema de potencia? ¿Vibra?

" La fuente de energía (vapor, diesel, hidro, etc.) tendrá que reducirse rápidamente " Y si no, ¿dónde se "pierde" ese exceso de energía? ¿O el equilibrio funciona en ese caso? " El equilibrio perfecto no existe en la naturaleza " " Sí, existe ". Esto es donde estoy perdido. ¿Sabe el suelo cuánto soporte necesita? ¿Qué pasa con el tren que pasa por un puente? " Del generador a través de la red. " Entonces otros usuarios deberían ser despojados de energía, ¿no?
El tutorial EPRI Power System Dynamics es una lectura realmente buena que debería ayudarlo. Es gratis para descargar.
En caso de un cambio de paso enorme en la carga que los reguladores de velocidad no puedan acomodar a tiempo, todos los productores pueden desincronizarse y reducir la red de forma efectiva en cascada a más y más plantas. . En ese momento, deberá apagar y comenzar todo de nuevo.
En otras palabras, tomando el ejemplo de tu tren. La frecuencia de la red caerá en una cantidad imperceptible a medida que el tren se active. a medida que aumenta el tamaño de la carga o disminuye la potencia de generación, de modo que la carga es una parte relativamente grande de la capacidad de generación, este cambio de frecuencia puede ser una función escalonada. En ese punto, la cuadrícula debe ajustarse de la manera descrita por esta y otras respuestas, y si esto no sucede, se producirá la desincronización.

¿Cómo almacena energía a velocidades eléctricas?

No necesita almacenar una reserva de energía si puede arrojar carga. El poder es energía/tiempo. Entonces, si puede reducir la potencia, eso es bueno. Afortunadamente, la potencia es voltaje x corriente. En un sistema nominalmente de voltaje constante, el cliente decide en gran medida la corriente, pero el proveedor decide el voltaje .

Puede arrojar carga al reducir el voltaje.

Si el voltaje cae, los generadores pueden generar proporcionalmente más corriente, que es lo que el cliente realmente está consiguiendo. Sin embargo, muchas cargas de clientes son resistivas o, al menos, lineales.

Así que esto proporciona un mecanismo de cobertizo instantáneo.

Puede perder capacidad aumentando el voltaje.

Inverso de arriba. Pero también está impulsando la energía cada vez más a través de la red, y eso consume energía de dos maneras: pérdidas de transmisión y desacuerdo de fase con generadores lejanos. Por la velocidad de la luz.

Considere dos ciudades separadas por 600 km en la misma cuadrícula, son 2 milisegundos a la velocidad de la luz. Eso es 36 o 45 grados en la onda sinusoidal de CA. Entonces, si la energía cambia abruptamente de dirección debido a los cambios de carga, eso provocará un gran calentamiento del cable.

Si el "ritmo" pasa de los productores a los consumidores, ¿cómo puedes tener múltiples productores?
@curiousguy todos se sincronizan entre sí. Una vez que hay suficientes productores, la onda es bastante estable para el funcionamiento normal y la sincronización automática. El caso interesante es cómo comienzas con esto, generalmente unas pocas plantas de alta potencia que sincronizan el siguiente nivel y así sucesivamente. Estoy seguro de que hay sincronización de canal lateral de escala de cuadrícula para subconjuntos de estaciones o segmentos de cuadrícula completos. Además, cuando se pierde suficiente producción y pueden ocurrir grandes fluctuaciones de carga (evento de emergencia nacional), puede desconectarse todo a través de la desincronización en toda la red.
@crasic Lo hice por separado P: ¿Cuál es la velocidad de la "electricidad"?
Productores consumidores equilibrio en la red
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