Wie werden mehrere Stromquellen in einem Netz synchronisiert, das einen Verteilerring verwendet?

Ein großes Verteilnetz kann so funktionieren. Es gibt mehrere Kraftwerke, die jeweils 50 Hz Wechselstrom ausgeben. Jedes Kraftwerk speist Energie in ein Umspannwerk daneben ein, das die Spannung erhöht und dann Energie in eine Stromleitung einspeist, und diese Stromleitung führt zu einer Umspannstation in der Nähe der Kunden. Der Deal ist, dass Kunden nicht wirklich von einer einzelnen Station und dieser einzelnen Stromleitung abhängig sein wollen, also haben sie einen Verteilungsring gebaut – es gibt eine Kette von Hochspannungs-Umspannwerken, die miteinander verbunden sind und jedes Kraftwerk speist Energie in diesen Ring – jede Umspannwerk im Ring ist mit zwei seiner Nachbarn und auch mit dem Kraftwerk verbunden. Das fortschrittlichere Design sieht vor, dass jedes Kraftwerk über eine separate Stromleitung mit zwei dieser Umspannwerke verbunden ist.

Jetzt "bewegt" sich Elektrizität mit Lichtgeschwindigkeit, die hoch, aber immer noch endlich ist, und über die Entfernung von Dutzenden und sogar Hunderten von Kilometern wird die Phasendifferenz zwischen den verschiedenen Kraftwerken bemerkenswert sein, und aufgrund dieser Phasendifferenz sollten sich verschiedene Kraftwerke teilweise aufheben einander aus.

Wenn mehrere Kraftwerke an einen einzigen Punkt angeschlossen wären, hätten sie angemessen synchronisiert werden können, aber in der beschriebenen Konfiguration gibt es keinen einzigen Punkt - es gibt mehrere Umspannwerke, die durch lange Stromleitungen getrennt sind und einen geschlossenen Ring bilden, und es sieht so aus, als würde immer etwas ausfallen Phase mit etwas anderem.

Wie ist unter solchen Bedingungen eine Synchronisation möglich?

Viele Städte haben einen Verteilerring um ihren Großraum. Es bietet mehr als eine Route für die Stromversorgung, es heißt "The Loop". Aus diesem Grund werden viele Innenstädte als "The Loop" bezeichnet. Die Unterstation korrigiert automatisch die Phase. Bei Verzögerung laufen seine Generatoren als Motor und ziehen Strom und ermöglichen eine Erhöhung der Geschwindigkeit, wodurch er in Phase gebracht wird. Wenn er voreilt, verlangsamen sich seine Generatoren durch die Last und bringen ihn in Phase. Wenn dreiphasige Stromleitungen aufgrund eines Sturms ausgefallen sind, verbinden die Linemen eine Leitung mit der Leitung mit der geringsten Spannungsdifferenz. Macht das Sinn.
@Optionparty, Die mir bekannten Innenstädte, die "Loop" oder ähnliches genannt werden (Chicago, Washington DC), werden wegen einer Transportschleife (Chicagos "El Train", DCs "Beltway") so genannt, nicht wegen einer Stromschleife.
Ein Quadratur-Booster kann verwendet werden, um Phasenwinkel zwischen Netzen zu korrigieren.
Elektrizität in einem Draht bewegt sich NICHT mit Lichtgeschwindigkeit. In Kupferdrähten bewegt sich Strom mit etwa 1/2 Lichtgeschwindigkeit, was (meines Wissens nach) so schnell ist, wie Sie es mit Strom erreichen können.

Antworten (3)

Nehmen wir an, Ihr hypothetisches Ringsystem hat genau 1/2 Wellenlänge im Umfang.

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Nehmen wir nun an, dass Sie jeden Generator starten, indem Sie ihn auf die lokale Frequenz synchronisieren , so wie es im wirklichen Leben gemacht wird. (In ganz alten Zeiten mit drei Glühbirnen, in alten Zeiten mit einem Synchronoskop; heute mit einem Auto-Synchronizer.)

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Die Ziffernblätter stellen die Phase dar, gemessen an einer globalen Referenz (z. B. GPS-Zeit). Wir haben tatsächlich ein Problem. Am offenen Unterbrecher gibt es eine Phasendifferenz von 180 Grad, und das Schließen des letzten Unterbrechers wird wahrscheinlich etwas explodieren lassen.

Der Trick besteht darin, dass Generatoren synchron mit der lokalen Frequenz gestartet werden, aber sobald sie laufen, werden sie langsam so eingestellt, dass sie mit einer gemeinsamen Phasenreferenz synchron sind - sagen wir GPS-Zeit.

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Jetzt haben Sie nur noch eine Phasendifferenz von 45 Grad über den offenen Leistungsschalter, was besser zu handhaben ist.

In der Praxis wäre kein Teil eines solchen Ringsystems eine Achtelwellenlänge lang (1000 km?), sodass die Phasendifferenz weniger als 45 Grad betragen würde.

In der Praxis habe ich noch nie davon gehört, dass dies ein Problem ist. Möglicherweise, weil Netzwerke in der realen Welt nicht lang genug sind; oder GPS-Phasensynchronisation wird wie oben implementiert; oder möglicherweise, weil Übertragungsnetze nicht als Ringe aufgebaut sind, sondern als dichter verbundene Maschen, in denen es viele kurze Verbindungen zwischen Knoten gibt, die dazu dienen, die Frequenz innerhalb der lokalen "Nachbarschaft" von Umspannwerken auszugleichen.

Weitere Einzelheiten zu Check-Sync-Relais und Auto-Synchronisierern finden Sie in §22.8 Power System Measurements - Synchronisers im Buch Network Protection and Automation Guide von Areva/Alstom/Schneider , Ausgabe 2011 (NPAG). Alstom NPAG-Seite. NPAG 2011 auf Scribd.

Update: Beim Aufräumen meiner Referenzdateien habe ich ein Dokument Fundamentals and Advancements in Generator Synchronizing Systems von Michael J. Thompson von SEL Inc, einem angesehenen Hersteller von Schutz- und Steuerungsgeräten für Stromversorgungssysteme, gefunden.

Das Dokument ist im Allgemeinen sehr interessant und enthält auch einige Richtlinien bezüglich der Toleranzen in Spannung, Frequenz, Phase beim Synchronisieren:

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Erstens, wenn Sie einen solchen Ring haben wollen, müssen Sie sicherstellen, dass er für eine ganze Reihe von Wellenlängen ausgelegt ist. Starten Sie danach ein einzelnes Kraftwerk und wenden Sie es auf den Ring an. Jeder Verteilungspunkt hat ein Signal in einer bestimmten Phase.

Es ist dann offensichtlich, dass Sie nicht mit dem System in Phase sein müssen, sondern nur Ihren Bindungspunkt an das System. Messen Sie die lokale Phase und starten Sie die Generatoren in Phase damit.

Eine kleinere Version davon gilt für netzgekoppelte Wechselrichter, die mit Solarmodulen verwendet werden. Sie erfassen die Netzphase und legen Leistung additiv darauf. Infolgedessen schalten sie sich normalerweise aus, wenn sie vom Stromnetz getrennt werden, um Probleme zu vermeiden, wenn versucht wird, sie an einer anderen Phase wieder anzuschließen.

In Ihrem Beispiel werden an allen Punkten, an denen noch kein Kraftwerk angeschlossen ist, zwei Leitungen zum Bahnhof kommen und sie werden unterschiedliche Phasen haben, nicht wahr?
Warum werden sie unterschiedliche Phasen sein? (unter der Annahme, dass der Ring eine ganze Zahl von Wellenlängen ist)
Ich habe völlig übersehen, wie wichtig dieser Teil der Antwort war. Ja, das macht Sinn. Und es ist irgendwie lustig für Laienperspektive. "Johnny, wir müssen diesen halben Meter Kabel kürzen, sonst funktioniert das Ganze nicht."
In diesem Fall etwas länger: eine Wellenlänge ~= 6000 km (Quelle www.ukerc.ac.uk/support/tiki-download_file.php?fileId=1055 ); Wenn Sie dreiphasig verwenden, können Sie die nächsten 2000 km auswählen. Wenn Ihr Ring alternativ viel kleiner als 6000 km ist, sind die Phasenunterschiede gering und können mit Induktor- / Kondensatorsystemen (manchmal verwirrenderweise als "Reaktoren" bezeichnet) kompensiert werden.
+1 Ich habe mich oft gefragt, ob Gitter eine genaue Anzahl von Wellenlängen sein müssen. Coole Antwort usw. Wie machen sie das auf kleinen / mittelgroßen Inseln, auf denen die wirtschaftliche Größe des Netzes nicht mindestens eine Wellenlänge (6000 km bei 50 Hz) erreichen kann?
Sie haben es bei "ungefähr null" Wellenlängen (was wahrscheinlich alles bis zu hundert km ist), an welchem ​​​​Punkt die Phasendifferenz nahe genug bei null liegt.

Kraftwerke müssen nicht exakt mit dem Netz synchronisiert werden – eine kleine Phasenwinkeldifferenz ist akzeptabel und sogar erforderlich, um Strom ins Netz zu bringen.

Der Wirkleistungsfluss hängt von der Phasendifferenz zwischen Quelle und Ziel ab. Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_booster

Der Blindleistungsfluss hängt von der Spannungsdifferenz zwischen Quelle und Ziel ab. Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Static_VAR_compensator

Einer der Vorteile von HGÜ-Übertragungssystemen besteht darin, dass sie alle Stabilitätsprobleme beseitigen, die durch Phasenunterschiede zwischen Quellen- und Zielenden verursacht werden.

Wie werden mehrere Stromquellen in einem Netz synchronisiert, das einen Verteilerring verwendet?
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