Erzeuger und Verbraucher balancieren im Netz

In einem großen Verteilnetz heißt es, dass Verbraucher und Erzeuger im Gleichgewicht sein müssen ; Was das physikalisch bedeutet, in korrekter (nicht vereinfachender) mathematischer Formulierung, ist nicht klar: Ein perfektes Gleichgewicht existiert in der Natur nicht, und ich kämpfe darum, zu verstehen, wie das aus dem Gleichgewicht geratene System Energie entweder speichert und abruft und in welchem ​​​​Zeitraum der Ausgleich erfolgt .

Was sind die kurzfristigen Energieflüsse?

Wenn ich einen Lichtschalter einschalte, fließt sofort Strom. Woher wird es genommen?

Wie viel Energie ist zu einem bestimmten Zeitpunkt im Verteilnetz selbst vorhanden? Schwankt es?

Gibt es eine gute und dennoch zugängliche Beschreibung der Elastizität des Stromsystems? Vibriert es?

TL/DR : Die Versorgungsfrequenz ist ein guter Indikator für den Gleichgewichtszustand. In Großbritannien sind es derzeit 50,035 Hz, also leicht belastet (mehr Angebot als Nachfrage).
Wo geht es hin? Wer speichert es?
@curiousguy Niemand speichert es, abgesehen von vergleichsweise geringen Mengen, die in der Kapazität und Induktivität von Übertragungsleitungen gespeichert sind, und größeren Mengen, die in der kinetischen Rotationsenergie von Turbinen gespeichert sind. Bearbeiten: Nun, es gibt auch die Batterien, die mit PV-Anlagen verwendet werden, denke ich, und Elektrofahrzeugen.
@Hearth Ich meine in einem reinen, einfachen Netz ohne ausgefallene elektrische Sachen, E-Geräte, Smart-Irgendwas-Irgendwas ... nur ein paar Industriemotoren, Aufzüge und Lichter. Gehen Sie zurück zum Raster der 50er Jahre, wenn Sie möchten. Wenn kein perfektes Gleichgewicht erreicht wird, impliziert dies Änderungen des Nettoenergieniveaus. Wie eine aus dem Gleichgewicht geratene Badewanne, die sich füllt und entleert.
Niemand speichert es: Die Frequenz ist etwas hoch und die Spannung auch. (Oder niedrig, in anderen Nimes) Es wird überwacht, und Erzeugungskapazität wird hinzugefügt oder entfernt, um die Drift innerhalb enger Grenzen zu halten.
@BrianDrummond Ist "Erzeugungskapazität" dasselbe wie produzierte Energie?
@curiousguy fast, aber nicht genau - kurzfristig gibt es einen Unterschied zwischen der sofort erzeugten Elektrizität (wie viel der Generator in diesem Moment von mechanischer Energie in elektrische Energie umwandelt) und der Erzeugungskapazität in dem Sinne, wie viel extrahierbare Energie vorhanden ist erzeugt von dem, was die Turbine antreibt (Dampf, Wasser usw.); Eine Turbine kann vorübergehend etwas weniger oder mehr Strom als Kapazität produzieren, wenn sie beschleunigt/verlangsamt wird; Eine Änderung der Erzeugungskapazität erfordert jedoch Änderungen des physikalischen Prozesses, der die Turbine antreibt, oder das Hinzufügen neuer Generatoren.
@Peteris Der schnelle Ausgleich wird also durch die Differenz zwischen elektrischer Leistung und Wärme- / Druckleistung erzielt?
Wenn wir über eine 10-Sekunden-Antwort sprechen, dann würde ich sagen, ja, für den normalen Betrieb wäre das (Dampfdruck in thermisch oder nuklear, kinetische Wasserenergie in einem Wasserkraftwerk) das "Kraftreservoir", aus dem das Gleichgewicht stammt würde aufrechterhalten werden, zusätzlich zur rein mechanischen Rotationsträgheit - im Falle größerer Fehlanpassungen würden einige andere Gleichgewichtsmechanismen ausgelöst, wie z. B. das Trennen von Teilen des Netzes; und beim "schnellen Balancieren" auf der Skala von 5 Minuten oder auf der Skala von Millisekunden würden wieder andere physikalische Aspekte dominieren.

Antworten (3)

Die Gitterfrequenz ist der Ort, an dem sich die Magie verbirgt....

Es gibt Energiespeicher in der Trägheit all dieses sich drehenden Stahls und mehr noch auf der anderen Seite dieser Drosselklappen im PE von heißem Wasser, das versucht, Dampf zu sein.

Die Netzfrequenz ist eigentlich das Integral der Differenz zwischen Erzeugung und Last dividiert durch das gesamte Massenträgheitsmoment im System.

ω = ∫ ( G e N e R A T ich Ö N − D e M A N D ) D T / k

Sie stellen die Grundlastgeneratoren so ein, dass sie auf volle Leistung gehen, wenn die Frequenz unter sagen wir 50,5 Hz fällt, die Mid-Cost-Anlagen auf 50 Hz drosseln und die Peaking-Anlagen (teuer im Betrieb) aufladen, wenn die Frequenz unter sagen wir 49,8 Hz fällt (Es gibt viel mehr Abschlüsse als diesen).

Der Effekt ist, dass die Grundlast mit voller Leistung läuft, die Mid-Cost-Anlagen die Nachfrage verfolgen und die Spitzenanlagen im Leerlauf sind, bis die Mid-Cost-Anlagen die Nachfrage nicht mehr decken können, an welchem ​​Punkt sie aufladen.

Der Blindleistungsfluss regelt die Systemspannung und durch dessen Regelung können Sie die Lastströme im Übertragungsnetz regeln.

Die Dynamik ist tatsächlich ziemlich interessant, besonders während Fehlerzuständen, und es gibt ganze Bücher, die zu diesem Thema geschrieben wurden.

Bei unterschiedlicher Produktion von Windkraftanlagen und unterschiedlicher und nicht vollständig randomisierter Nutzernachfrage klingt das nach einem Kartenspiel im Wind. Helfen Hausbauartikel dem Regelkreis? Wie Aufzüge, Toaster, iPhone-Ladegeräte?
Ich würde mich nicht zu sehr auf die Frequenz konzentrieren - das Netz wäre auch stabil, wenn es ein reines DC-Netz wäre. Es läuft in diesem Fall einfach auf das einfache P=U²/R und R>0 hinaus.
DC funktioniert für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und ist tatsächlich (wenn sie groß genug werden) manchmal die optimale Wahl, aber es wird schrecklich kompliziert, wenn es um eine große Anzahl von Generatoren in einem geografisch verteilten Netz geht. Abgesehen von den offensichtlichen Problemen beim Hoch- und Herunterschalten von Gleichstrom und den Schwierigkeiten beim Schaltungsschutz auf Hochspannungs- und Starkstrom-Gleichstromleitungen bereitet die Netzsteuerung Kopfschmerzen. In einem Wechselstromnetz reicht die Frequenz aus, um die Generatorleistung zu steuern, und die Blindleistung steuert die Netzspannung.
Andererseits funktioniert die Stabilisierung über Frequenz auch nur wegen großer Synchronmotoren und Generatoren - sie würde zusammenbrechen, wenn nur frequenzunempfindliche Lasten vorhanden wären, zB wie Schrittnetzteile oder Asynchronmotoren.
@asdfex Bist du sicher, ich denke nicht, dass die Art der Last viel ausmacht. Sicherlich fügen Synchronmaschinen dem gesamten Schema Trägheit hinzu, was hilfreich ist, aber der Löwenanteil der Trägheit liegt wahrscheinlich auf der Erzeugungsseite. Die Blindleistung ist in jedem Fall einfach zu kontrollieren. Die Falle ist, dass Sie die Trägheit von irgendwo her benötigen und Wechselrichter sie nicht gut bereitstellen können (oder die große Menge an Blindleistung, die manchmal benötigt wird, um einen Fehler zu beheben). Man konnte fast sehen, wie die Solaranlagen große Synchronkondensatoren hinzufügten, um die Fähigkeit zum Beheben von Fehlern hinzuzufügen.
Lokale Geräte haben wenig Einfluss und werden in den Lärm geschmiert. Die Last kriecht allmählich auf und ab, aber wenn es zu einem Lastabwurf kommt (sagen wir, eine große Fabrik hat Not-Aus). Sie können Schluckauf einführen, der eine Desynchronisation verursachen kann. Ich denke, ein fehlender Punkt ist, dass die Frequenz alle Erzeuger und Verbraucher miteinander synchronisiert. Ohne dies haben Sie kein Raster. Ein einzelner Benutzer wie ein großer Zug oder eine Fabrik sollte leicht von der gesamten Trägheit im Netz in der Zeit angepasst werden, um synchronisiert zu bleiben. Wenn die Näherung des "unendlichen Erzeugers" wegfällt, kann ein solcher Lastabwurf das Netz offline schalten
@curiousguy nein, mit Ausnahme einiger "intelligenter Thermostate", die an Lastabwurfprogrammen teilnehmen, und vielleicht einiger großer industrieller Benutzer, die Sondervereinbarungen haben, nehmen die Lasten nicht am Ausgleich teil. Und nein, es ist kein so großes Problem. Das System ist groß, das Gesetz der großen Zahlen ist auf unserer Seite, und das Netz und die Erzeugungsanlage werden von Menschen konstruiert , die über Daten verfügen und meistens auch eine Vorstellung davon haben, was sie tun.
@hobbs Die Benutzer müssen nichts tun, um am Ausgleich teilzunehmen - jeder Wechselstrommotor, der direkt von der Netzfrequenz angetrieben wird (einschließlich der meisten einfachen Motoren, sowohl kleine als auch große), nimmt unweigerlich am Ausgleich teil, da er etwas weniger Strom verbraucht, wenn die Frequenz ist niedriger; und viel weniger Leistung während einer schnellen Abnahme der Frequenz und umgekehrt bei Frequenzerhöhungen. So funktioniert es für Tausende von Menschen, die ihre Häuser staubsaugen, so funktioniert es für eine Fabrik, die ein Förderband antreibt. Solche Motoren werden jedoch zu einem immer kleineren Teil der gesamten Netzlast.
@Peteris Gilt das für einen Staubsauger mit einem beweglichen Knopf zum Einstellen der Leistung?
Ist dieser Ausgleich analog zu einem umgekehrten Pendel, bei dem Verbraucher Störungen hinzufügen und Erzeuger schnell kompensieren? Ich könnte mir vorstellen, dass das funktioniert, wenn die Trägheit des Systems im Vergleich zum Kontrollzeitraum groß ist.

Das Netz kann man sich vorstellen – und ist es in manchen Fällen – als einzelner Generator. Der Generator verfügt über einen Drehzahlregler, um die Frequenz aufrechtzuerhalten. Der Regler hat eine gewisse Reaktionszeit, und das bedeutet, dass die Frequenz bei plötzlich ansteigender Last abfällt und bei plötzlich abfallender Last die Frequenz sprunghaft ansteigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abbildung 1. Ein mechanischer Regler. Die vertikale Welle wird vom Motor angetrieben und je schneller sie läuft, desto mehr werden die Gewichte nach außen und oben (gegen die Schwerkraft) geschleudert, wodurch der Hebelarm das Gas reduziert. Quelle: Fliehkraftregler .

Ich habe an einem davon an einem 1-MVA-Generator gearbeitet und konnte mit Hilfe eines Zungenfrequenzmessers die Frequenz des Generators sehr nahe an 50 Hz einstellen.

In einem großen Verteilnetz heißt es, dass Verbraucher und Erzeuger im Gleichgewicht sein müssen;

Richtig. In Ihrem Grundnetz gibt es keine Speicherung. Die Generatoren können nur bei Last exportieren. Die Generatoren drehen sich möglicherweise und erzeugen Spannung, aber wenn keine Last vorhanden ist, fließt kein Strom. Die Energiequelle (Dampf, Diesel, Wasserkraft usw.) muss schnell reduziert werden, um eine Frequenzerhöhung zu verhindern.

Perfektes Gleichgewicht gibt es in der Natur nicht

Ja tut es. Der Boden unter mir sorgt für einen Auftrieb, der genau der Schwerkraft entspricht, die auf meinen Körper wirkt.

... und ich kämpfe darum zu verstehen, wie das aus dem Gleichgewicht geratene System Energie entweder speichert und wieder abruft, ...

Das tut es nicht.

... und zu welchem ​​Zeitpunkt die Bilanzierung erfolgt ist.

Das hängt vom physischen Gouverneur ab.

Was sind die kurzfristigen Energieflüsse?

Der Energiefluss wird durch die Last bestimmt.

Wenn ich einen Lichtschalter einschalte, fließt sofort Strom. Woher wird es genommen?

Vom Generator über das Netz.

Wie viel Energie ist zu einem bestimmten Zeitpunkt im Verteilnetz selbst vorhanden? Schwankt es?

Gibt es eine gute und dennoch zugängliche Beschreibung der Elastizität des Stromsystems? Vibriert es?

" Die Energiequelle (Dampf, Diesel, Wasserkraft usw.) muss schnell reduziert werden " Und wenn nicht, wo geht diese überschüssige Energie "verloren"? Oder funktioniert in diesem Fall das Auswuchten? „ Perfektes Gleichgewicht existiert nicht in der Natur. “ „ Doch, das tut es. “ Hier bin ich verloren. Weiß der Boden, wie viel Unterstützung Sie brauchen? Wie wäre es mit einem Zug, der auf einer Brücke vorbeifährt? „ Vom Generator über das Netz. “ Dann soll doch anderen Verbrauchern der Strom geraubt werden, oder?
Das EPRI Power System Dynamics Tutorial ist eine wirklich gute Lektüre, die Ihnen helfen sollte. Es kann kostenlos heruntergeladen werden.
Im Falle einer enormen Laständerung, die von Drehzahlreglern nicht rechtzeitig bewältigt werden kann, können alle Erzeuger desynchronisieren und das Netz effektiv herunterfahren, indem es auf immer mehr Anlagen kaskadiert wird. . An diesem Punkt müssen Sie herunterfahren und alles neu starten.
Mit anderen Worten, nehmen Sie Ihr Zugbeispiel. Die Netzfrequenz sinkt um einen nicht wahrnehmbaren Betrag, wenn der Zug mit Energie versorgt wird. Wenn die Größe der Last zunimmt oder die Erzeugungsleistung abnimmt, so dass die Last einen relativ großen Teil der Erzeugungskapazität ausmacht, kann diese Frequenzänderung eine Stufenfunktion sein. An diesem Punkt muss sich das Netz auf die in dieser und anderen Antworten beschriebene Weise anpassen, und wenn dies nicht geschieht, tritt eine Desynchronisation auf.

Wie speichert es Energie bei elektrischen Geschwindigkeiten?

Es muss keine Energiereserve speichern, wenn es Last abwerfen kann. Leistung ist Energie/Zeit. Wenn es also die Leistung reduzieren kann, ist das genauso gut. Glücklicherweise ist Leistung Spannung x Strom. In einem System mit nominell konstanter Spannung entscheidet der Kunde weitgehend über den Strom, aber der Lieferant entscheidet über die Spannung .

Es kann Last abwerfen, indem es die Spannung reduziert.

Wenn die Spannung einbricht, können Generatoren proportional mehr Strom erzeugen, was der Kunde wirklich zieht. Viele Kundenlasten sind jedoch resistiv oder zumindest linear.

Dies stellt also einen Insta-Shed-Mechanismus bereit.

Es kann Kapazität verlieren, indem es die Spannung erhöht

Rückseite von oben. Aber es drückt auch Strom immer weiter über das Netz, und das verbraucht Strom auf zwei Arten: Übertragungsverluste und Phasenunterschiede mit weit entfernten Generatoren. Wegen der Lichtgeschwindigkeit.

Stellen Sie sich zwei Städte vor, die 600 km voneinander entfernt im selben Raster liegen, das sind 2 Millisekunden bei Lichtgeschwindigkeit. Das sind 36 oder 45 Grad auf der AC-Sinuswelle. Wenn also die Leistung aufgrund von Laständerungen abrupt die Richtung ändert, führt dies zu einer starken Drahterwärmung.

Wenn sich der „Beat“ von Produzenten zu Konsumenten bewegt, wie kann man dann überhaupt mehrere Produzenten haben?
@curiousguy sie synchronisieren sich alle miteinander. Sobald genügend Produzenten vorhanden sind, ist die Welle für den normalen Betrieb und die Selbstsynchronisierung ziemlich stabil. Der interessante Fall ist, wie Sie dieses Ding zu Beginn starten, im Allgemeinen ein paar Hochleistungskraftwerke, die die nächste Stufe synchronisieren und so weiter. Ich bin mir sicher, dass es eine Seitenkanalsynchronisation der Gitterskala für Untergruppen von Stationen oder ganze Gittersegmente gibt. Wenn genügend Produktion verloren geht und große Lastschwankungen auftreten können (nationales Notfallereignis), kann es das Ganze durch netzweite Desynchronisation offline schalten
@crasic Ich habe das zu einer separaten, vollständigen Frage gemacht: Wie schnell ist „Elektrizität“?
Erzeuger und Verbraucher balancieren im Netz
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