Mantenerse en fase en la red

He sido EE durante más de cuarenta años y nunca encontré la respuesta correcta a esta...

¿Cómo se aseguran las centrales eléctricas y las estaciones de conmutación de transformadores de que la energía que alimentan a la red está en fase con la energía existente en las líneas?

Sé que son MUY serios acerca de establecer la frecuencia de línea con una precisión ridículamente buena. Sin embargo, obviamente, no puede conectar una línea eléctrica a otra línea que esté desfasada 180 grados. Incluso una pequeña desviación presumiblemente causaría un gran drenaje en el sistema y generaría una forma de onda de CA bastante extraña y fuera de las especificaciones.

OK, puedo imaginar una solución en la central eléctrica que use la frecuencia de la línea objetivo para sincronizar los alternadores antes de activar el interruptor, tal vez. Sin embargo, esa estación de conmutación a 100 km de distancia puede cambiar a una línea desde un alternador diferente que está mucho más cerca o más lejos y, en consecuencia, en un punto diferente del ciclo de fase...

Cómo lo hacen...

Tenga en cuenta que esto NO es lo mismo que "¿Cómo sincronizar un generador en la red eléctrica?" Ese artículo solo se refiere a un generador local y, en mi opinión, no es lo mismo que la red eléctrica principal y la conmutación del transformador.

El concepto del bus infinito. 1 generador es insignificante con respecto al bus completo. Haga coincidir la fase, el voltaje y la velocidad. Haga que el generador que se aproxima sea un poco más rápido que el autobús, por lo que tomará carga cuando se conecte. Tirar rompedor. El motor del generador se sincronizará perfectamente. Cuanto más desincronizado esté el generador, mayor será la corriente. Idealmente, no queremos corriente. Una vez en línea, ocupará su parte de la carga. Pasa a formar parte del bus infinito y permanecerá sincronizado.
Entonces, ¿está diciendo que se autorregula ... y presumiblemente causa una breve perturbación en la red mientras se sincroniza, que se considera aceptable?
Sí. Habrá un problema técnico cuando entre en línea. Motoriza, para sincronizarse perfectamente con el autobús.
Entonces, ¿dónde y cómo se genera la frecuencia maestra?
No maestro. Todo será de 60,00 Hz (o 50,00 Hz). Piense en un barco con 3 a 5 generadores. 1º es maestro. El 2º se sincroniza con el 1º en cualquier frecuencia. Estarán perfectamente sincronizados o disyuntores. El tercero se sincroniza con los dos. etc. Lo mismo para el bus infinito con 100 de generadores. No maestro.
Sin embargo, eso se desviaría, especialmente si apaga el generador original. La compañía eléctrica mantiene 60 Hz con mucha precisión, por lo que se debe usar alguna otra regulación. Quiero decir, como... un convoy se mueve a la velocidad del barco más lento...
Si y no. En un barco, si se inicia una carga grande, el voltaje cae a medida que los motores diésel se aceleran para recoger la carga. Cuando la carga se apaga, el voltaje se excederá, pero los reguladores automáticos de voltaje variarán para mantener el voltaje y la frecuencia en los niveles objetivo. En tierra, una vez sincronizado con el bus infinito, cualquier generador que intente cambiar se desconecta. 1 generador puede más superar la mayoría.
@ThePhoton, una especie de duplicado, pero a una escala mucho mayor. Con diferentes economías de escala y compromisos. Sintonizar su generador de gas en el garaje a la red es un poco diferente y trivial en comparación con sincronizar una central hidroeléctrica a 500 km de distancia.
@Trevor, lee la respuesta de Li-Aung. Él cubre tu pregunta.
Sin embargo, @StainlessSteelRat eso todavía no explica el reloj maestro. Podría estabilizarse fácilmente a 55 hz. Pero no es así. Está prácticamente garantizado un número de ciclos por día más o menos uno o dos.
(Tenga en cuenta que casi todo asume la disponibilidad de la frecuencia de la red para sincronizar; comenzar desde una red completamente hacia abajo se denomina "inicio negro" y algo más difícil. Ese término en un motor de búsqueda le dará más información)
Seguiría el consejo de The Photon y leería la respuesta de Li-Aung. Hay más en juego, pero toma tu represa hidroeléctrica. Tienen agua a una altura fija, que cae a través de una tubería forzada a una tasa fija a una turbina, que hace girar el generador a una tasa fija, lo que produce una salida de 60,00 Hz. Cada generador ha sido diseñado para funcionar a 60,00 Hz. Ningún generador puede ir más rápido o más lento que el autobús. Si lo intenta (el agua se ralentiza o se detiene), se verá obligado a funcionar como un motor. Fluirán corrientes altas y los interruptores de corriente inversa lo desconectarán del bus.
Sí, @StainlessSteelRat, como dije en la pregunta, puedo entender cómo regular y girar en la central eléctrica, está cambiando a 300 km de allí lo que genera la pregunta.
Hay videos del proceso de sincronización, aunque parece que alguien activa los interruptores: youtube.com/watch?v=Zw39gxIqfVU (explicación de 1 minuto de aproximadamente 2:30)
@StainlessSteelRat Una gran estación de carga base en la red se establece como fuente de frecuencia. Las otras estaciones se ponen en línea y se controlan siguiendo la carga. Digamos que la carga es estable y la fase de las otras estaciones está ligeramente adelantada, esto significa que la fuente de frecuencia suministrará un poco menos de carga y las otras asumirán la carga y su fase volverá a la normalidad y al paso con la fuente de frecuencia. . Entonces, una carga base grande está controlada por frecuencia y las otras estaciones están controladas por carga siguiendo la fuente controlada por frecuencia.

Respuestas (7)

Antes de conectar un generador a la red, lo hacen girar más o menos a la velocidad adecuada. Luego conectan lo que es básicamente un voltímetro entre una fase del generador y la fase de línea correspondiente. Ajustan el impulso del generador hasta que el voltaje observado
a) cambia muy lentamente (diferencia de frecuencia por debajo de cierto umbral) y
b) cae por debajo de cierto umbral de bajo voltaje (diferencia de fase lo suficientemente cercana como para que el flujo de energía que resulta cuando activan el interruptor grande sea manejable ).

Una vez que el generador está conectado a la red, siempre se mantiene en fase. Si no se acciona mecánicamente, actuará como un motor. La cantidad de energía que extrae o exporta a la red está controlada por la fuerza con la que se acciona mecánicamente.

Cada generador está conectado a su parte local de la red, sincronizado con su frecuencia local. Habrá una ligera diferencia de fase entre el generador y la red local. Si el generador está suministrando energía a la red, su fase estará ligeramente adelantada. Cuanto mayor sea la entrada de energía al generador, mayor será la diferencia de fase y mayor será la energía exportada a la red.

Este 'flujo de energía sigue la diferencia de fase' se extiende a áreas enteras de la red. Si hay una gran carga en el sur, los generadores del sur se ralentizarán inicialmente, retrasando su fase con respecto al norte. Esta diferencia de fase creará un flujo de energía de norte a sur.

Cuando se tiene una red nacional, la gerencia se esfuerza mucho para no permitir que ninguna parte significativa se convierta en una "isla" de la otra parte. Una vez que se separan en fase, puede pasar mucho tiempo antes de que puedan volver a unirse, ya que la coincidencia de fase deberá ser exquisitamente precisa para evitar un gran flujo de energía en el momento de la conexión.

Cuando se van a conectar dos redes controladas por separado, digamos mediante el cable submarino anglo-francés, se hace con CC. Es fácil en el extremo receptor sincronizar los inversores con la red.

Mantener la red en fase con un promedio de 50 ciclos por segundo durante el transcurso de un día, se hace simplemente alimentando más o menos energía, para acelerar o disminuir la frecuencia de la red, respectivamente, generalmente por la noche cuando hay un poco más de holgura. la demanda.

Entonces, ¿está diciendo que simplemente tragan cualquier efecto de distancia como insignificante hasta que la distancia es demasiado grande, en cuyo punto "regeneran" el poder? Por cierto: estoy pensando más como EE. UU./Canadá continental. Es difícil comprender estos conceptos cuando las centrales eléctricas pueden estar a 3.000 km de distancia.
No, la fase se empareja localmente , por lo que es posible que dos generadores no estén en fase si se ven desde el espacio.
Estados Unidos continental tiene una respuesta diferente; Estados Unidos tiene 5 cuadrículas, no 1.
No, tiene que ver con la gestión. Lo inglés-francés son dos cuadrículas que nunca estarán coordinadas. Cuando una cuadrícula cubre un continente, por ejemplo, los EE. UU., si se le permite 'perder el medio' y luego obtener un corte en el exterior, el cambio de fase alrededor de los bordes puede ser lo suficientemente grande como para causar problemas. Esta fue la causa de un apagón en todo el continente que ocurrió allí hace más o menos una década.
Sí, pero las redes tienen más que ver con la tolerancia a fallas que con la sincronización. 1 cuadrícula no derribaría todo. Pero todo podría sincronizarse a la misma frecuencia.
Se sincronizan con el bus infinito, pero la energía que proporcionan será local. Los electrones son perezosos. Como dice pc50, desde el espacio, dos generadores a una distancia extrema entre sí estarán ligeramente desfasados.
Entonces, básicamente, lo que escucho es que los generadores se quejan y gimen un poco cuando los enciende, y hay una pérdida de energía y una interrupción de la línea que se "tolera" durante el cambio como costo de hacer negocios. Y presumiblemente, mientras se enciende, las cosas deben estar dentro de cierta tolerancia antes de que el "controlador" active el interruptor.
Los generadores no "lloriquean y gimen", están sin carga cuando se conectan inicialmente. Aumentan la potencia solo cuando pueden tolerarla y la red lo quiere.
@CharlesCowie, si está "conectado", está suministrando energía o está consumiendo energía o simplemente no está conectado. ¿Cómo se puede conectar y aislar al mismo tiempo?
@Trevor No debería haber pérdida de energía al sincronizar un nuevo generador. Puede haber un pequeño golpe de ese generador cuando es forzado a entrar en fase con el resto de la red. Después de eso, permanecerá bloqueado automáticamente a la frecuencia del resto de la red.
@SimonB, no me puedo imaginar un rotor de cien toneladas haciendo "thump", ¿verdad? Tal vez su Honda portátil en el garaje, pero no un generador de energía. Debe haber un tiempo de respuesta finito.
@Trevor Idealmente, cuando sincroniza un nuevo generador, la diferencia de frecuencia y fase es cero, por lo que no hay golpes, y la entrada de energía mecánica = sin pérdidas de carga, por lo que no hay cambios en la energía de la red. Una tolerancia en la 'diferencia cero' permite que la sincronización se realice de manera práctica, hay un poco de 'irrupción' a medida que el generador se transporta a la fase precisa.
Anyhoos... cosas interesantes... gracias por los comentarios amigos.
Confundido por su ADD Neil, ¿cómo cambia la frecuencia al agregar más potencia? Simplemente agregar más potencia a 59.5 HZ no aumentará el conteo. Tendría que forzar toda la cuadrícula hasta 60,5 o algo así.
No queremos lloriqueos ni gemidos. Estamos hablando de generadores de 20MW. No les gusta eso. Pero no importa qué tan cerca se empareje cada generador individual con el bus infinito, se verán obligados a una sincronización perfecta de voltaje y frecuencia. Actuarán como un motor. El objetivo es minimizar ese automovilismo.
Agregar más energía, a la frecuencia existente de la red, significa que hay un exceso de entrada de energía a la salida de energía. Ese exceso de energía se almacena como energía cinética en toda la maquinaria rotatoria, lo que significa que va más rápido. De manera similar, si apaga la turbina de vapor, la red se ralentiza. Si se impulsa una parte de la red y se carga otra parte, entonces hay un gran flujo de energía de la primera parte a la última. Así es como controla la dirección del flujo de energía en los alimentadores, modifica la entrada de energía en varios puntos de la red.
@ pjc50 parece que hay 3 u 8/9 cuadrículas en los EE. UU. continentales, dependiendo de cómo se cuente
@Trevor: Quizás esté pensando en términos puramente eléctricos donde la frecuencia es una variable independiente. En cambio, lo que tenemos es un gran imán que gira dentro de las bobinas: la frecuencia es qué tan rápido gira el imán. La carga eléctrica (cuánta energía están usando las personas en un momento dado) se manifiesta como un arrastre en el imán giratorio, lo que hace que disminuya la velocidad.
@Trevor Motors (y generadores, que son lo mismo) intentan bloquearse en la frecuencia y la fase de la red. El motor principal intenta hacer girar el generador cada vez más rápido, lo único que lo detiene son todos los demás generadores y motores en la red. Si no hay suficiente carga, el generador girará cada vez más rápido. Esto se compensa dando al motor primario menos combustible/viento/etc.
Si conecta continuamente un generador a la red cuando no está sincronizado, eventualmente se destruirá a sí mismo, como lo demostraron los piratas informáticos de sombrero blanco: youtu.be/LM8kLaJ2NDU

Está confundiendo una cantidad precisa de ciclos durante un período de 24 horas con un control de frecuencia instantáneo muy rígido. No es así como se hace en la mayoría de los lugares.

La frecuencia se mantiene alrededor de su frecuencia nominal haciendo coincidir la generación con la carga: todo el tiempo que la carga sea mayor que la generación, la frecuencia disminuirá (muy) gradualmente, y todo el tiempo que la carga sea menor que la generación la frecuencia irá aumentando.

La inercia es enorme y, en general, tanto la carga como la generación cambian de manera bastante gradual, por lo que hay mucho tiempo para hacer ajustes en los generadores (o cargas, donde las personas se han contratado para controlar sus cargas de esta manera) para mantener el sistema equilibrado. Se permite que la frecuencia se desplace entre varios límites (operativos y reglamentarios).

Al menos en el Reino Unido, la cantidad correcta de ciclos por día se mantiene al realizar un seguimiento del 'tiempo real' y el 'tiempo de la red', y la red se ejecuta un poco rápido o un poco lento para asegurarse de que no se vuelva demasiado lejos.

Hay referencias de frecuencia precisas en uso dentro del sistema de control de la red: eso es con lo que se están comparando/midiendo, pero la red en sí no está bloqueada en fase/frecuencia de ninguna manera directa.

En la parte inferior izquierda de la pantalla grande de esta imagen, hay un gráfico con un trazo amarillo ondulado vertical: esa es la frecuencia de la cuadrícula nacional del Reino Unido durante un tiempo antes de que se tomara la foto. aunque el gráfico probablemente sea solo de ±0,3 Hz.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Buena información e imagen gracias. Sí, leí en otra parte que el total de ciclos por día es la medida real que se controla. Sin embargo, todavía me deja preguntándome qué mecanismo se usa para ajustarlo en el conteo...
¿O es simplemente una perilla de control de toda la red que les dice a todos que aceleren un poco los generadores en una cantidad tolerable de unísono?
¿O es simplemente una perilla de control de toda la red que les dice a todos que aceleren un poco los generadores en una cantidad tolerable de unísono ? Sí
Como ingeniero y músico, esto es interesante. Los viejos órganos Hammond derivaban su afinación de la frecuencia de la red (instantánea). 0,3 Hz en 50 Hz funciona a aproximadamente 1/10 de un semitono, que está notablemente desafinado. Pero si quiere decir que los ejes del gráfico son +/- 0,3 Hz, entonces la traza es solo de +/- 0,1 Hz, lo cual es difícil de detectar.
Más o menos: todos los generadores están siempre al unísono con la red en su punto de conexión, pero cualquier generador individual puede variar su salida de corriente (I) controlando la potencia del eje mecánico.
@LevelRiverSt puede leer las etiquetas en el gráfico si hace zoom y entrecierra los ojos; de hecho, la traza cubre un rango de +/- 0,1 Hz.
@LevelRiverSt una pequeña investigación dice que National Grid tiene el requisito legal de mantenerse dentro del 1 % (+/- 0,5 Hz), pero apunta a +/- 0,2 Hz como práctica habitual. La red europea continental (ENTSO-E) también tiene un estándar de +/- 0,2 Hz. EE. UU. tiene límites más estrictos, con el NERC que tiene un límite de "activación" de 0,05 Hz (en la región oriental) y 0,144 Hz (en la región occidental) desviación de 60 Hz, y límites de "emergencia" de 0,092 Hz (este) y 0,2 Hz (occidental). La frecuencia está dentro de 0,05 Hz >99% del tiempo. Eso es menos de 2 centavos musicales.

Utilizan un sincroscopio. He visto hacer esto en las salas de control de las centrales eléctricas.

https://en.wikipedia.org/wiki/Synchroscope

ingrese la descripción de la imagen aquí

Esta es la respuesta correcta en mi opinión, pero solo para generadores pequeños (<500 KW) y con límites de potencia pequeños (<2 MW). Pero esto pasa por alto el uso de la automatización para gestionar los conmutadores de tomas y cerrar los contactores (no lo hace el ojo humano en alternadores grandes) y para equilibrar el nivel de la red (100 kV y más) normalmente se hace con accionamiento de CC (tiristores). Ver artículos como este: library.e.abb.com/public/793bfb6d691ddf0bc125781f0027d91f/…
Esto definitivamente está mal. Un sincronoscopio solo puede mostrar una diferencia en fase y frecuencia. Cuando un generador síncrono ya está sincronizado con la red, el sincronoscopio siempre apunta hacia arriba. Esa es la naturaleza misma de los generadores síncronos. Cuando están sincronizados y conectados, están perfectamente en fase como si hubiera una caja de cambios 1:1 o un solo eje entre ellos.

Hacer que partes de un sistema de energía individual funcionen en diferentes ángulos de fase de otras partes es rutinario e inevitable. Esto no es un problema hasta que sea necesario volver a conectar las piezas. En la empresa de servicios públicos donde yo trabajaba, la gente de servicio en el sitio conectaría un medidor de fase a cada una de las partes. Debido a la diferencia de fase, el medidor de fase funcionaría como un reloj, indicando la diferencia de fase instantánea. La persona que realiza la conexión (por medio de un interruptor de circuito accionado eléctricamente, por lo general) simplemente cronometraría el cierre del interruptor para el instante en que el medidor de fase mostrara una diferencia de fase cero. Dado que este punto cero ocurre cada pocos segundos, no es difícil atraparlo. Incluso usamos esto con nuestra estación convertidora HVDC Back-to-Back; funciona muy, muy bien.

Hace 20 años, justo después de la universidad, trabajé en una empresa que hacía exactamente esto.

Antes había todo tipo de complejos circuitos de ajuste de fase con electrónica analógica compleja. En estos días, por lo general, ese no es el caso.

Mi empresa en ese entonces se especializaba en la tecnología de conversión de CA/CC de alto voltaje. Construyeron el primer enlace de canal cruzado y, desde entonces, varios enlaces HVDC en todo el mundo. (En largas distancias, las pérdidas en los cables debido a la reactancia son significativas, por lo que la CC brinda una transmisión más eficiente). Cuando la CC se convierte nuevamente en CA (con lo que es esencialmente un inversor de muy alta potencia y muy suave) puede sincronizar el tiempo para que la CA resultante está exactamente en fase con la red local.

A medida que esto se volvió más eficiente con una mejor electrónica de alta potencia, la gente se dio cuenta de que se había vuelto más eficiente convertir de CC a CA y nuevamente a CC que usar cualquier método alternativo. El resultado se denomina "convertidor back-to-back". Donde un enlace de canal cruzado tendría millas de cable entre los convertidores de CA a CC y de CC a CA, un esquema de espalda con espalda solo tiene unos pocos pies de barra colectora extremadamente gruesa.

Por supuesto, la conversión no es 100% eficiente, por lo que los componentes electrónicos están montados en disipadores de calor enfriados por agua y todo se controla con mucho cuidado. Pero es lo suficientemente eficiente como para que las pérdidas sean perfectamente aceptables a cambio de que la energía ingrese a la red perfectamente en fase.

En EE. UU., las redes son gestionadas por operadores independientes del sistema (ISO). Los ISO son algo así como una bolsa de valores. Negocian cuánta energía suministra cada estación generadora a la red. Además de las transacciones de compra/venta, monitorean y gestionan el desempeño de la red. Cuando se conecta un generador, coincide con el voltaje, la frecuencia y la fase en el punto de conexión local. Luego se conecta, pero no suministra energía inmediatamente. Negocia precio, nivel de potencia y tasa de incremento de potencia con la ISO. Esa es mi comprensión de la operación básica del sistema.

Eso se entiende, pero realmente no responde a la pregunta de CÓMO... coinciden, lo hace.
@Trevor, cada operador de generador lo empareja acelerando su generador hacia arriba o hacia abajo para que coincida antes de conectarse a la red. Para mantener la frecuencia a 60.000 Hz (o 50.000), varios operadores ajustan su acelerador en cooperación para mantener la frecuencia.
@ThePhoton, gracias por eso, puedo imaginarme esa aceleración con una máquina impulsada por vapor, ¿alguna idea de cómo "aceleran" una turbina hidroeléctrica con tanta delicadeza? Las masas y las inercias involucradas en todo esto son bastante alucinantes. Una ciencia muy subestimada para mí, piensa.
Hay una razón por la que se prefiere la energía hidroeléctrica para grandes cargas constantes y el carbón y el gas se utilizan para mantener las cosas sincronizadas con cargas variables. Para hidro, estrangulamiento probablemente signifique restringir la entrada de agua de alguna manera.
@ThePhoton Muchas plantas hidroeléctricas pueden ajustar el ángulo de las palas de las turbinas (muy levemente) cuando necesitan hacer pequeños ajustes. O tener una válvula de derivación que desvíe un poco del agua (que creo que es bastante similar a lo que hacen el carbón y el gas, excepto con una derivación de vapor).

En el pasado (1979), justo después de la universidad, trabajé en un fabricante de generadores del Reino Unido, y en el laboratorio de pruebas (esto era para equipos más pequeños) utilizaron el método de luces cruzadas para simplificar la "medición de voltaje" que otros han mencionado.

Básicamente conectaban L1-L1 a través de una lámpara, que necesitaba apagarse (cero voltios / en fase) antes del cierre, y una lámpara cruzada L2 (gen) - L3 (grid) que primero tenía que ir al máximo. Una vez que la lámpara de diferencia de fase estaba 'apagada', el relé de conexión/contactor/interruptor podría lanzarse.

¡Había varias historias apócrifas sobre cosas que habían salido mal en varios lugares que eran educativas!

Una vez más, se utilizó el método de la bombilla para sincronizar un generador con la red. Sin embargo, esa no era la pregunta.
Mantenerse en fase en la red
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