Электросеть: что мешает небольшим генераторам «управлять» большими?

Краткий ответ: синхронизаторы

По сути, обратная связь используется для синхронизации генератора и сетки.

Есть много способов сделать это. Хороший обзор здесь .

Практически все современные системы производства электроэнергии используют для этой задачи какую-либо форму цифрового контроллера. Мой сетевой инвертор солнечной панели имеет микроконтроллер класса PIC18F, управляющий некоторыми твердотельными реле (SSR), если я правильно помню.

Общий современный дизайн электростанции

Вот мой краткий обзор того, что я считаю наиболее распространенным базовым подходом к проектированию современных электростанций. Рисунок и текст адаптированы из:

«Основы и достижения в системах синхронизации генераторов», Майкл Дж. Томпсон, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 9 декабря 2010 г.

На рисунке...

• Возвраты не отображаются
• G1, G2 – образующие
• Квадраты 1,2,3,4 - реле
• Bus1, Bus2 — исходящие шины питания (резервные)
• Блоки MGPS представляют собой синхронизированные с GPS источники часов для синхронизации генераторов.
• А25А - блок измерения и управления (содержит микропроцессор)

Как это работает...

Современные микропроцессорные компоненты и «цифровые» синхронизаторы, такие как синхрофазоры, произвели революцию в разработке систем синхронизации генераторов.

Например...

1. «A25A» на рисунке представляет собой автоматический синхронизатор на базе микропроцессора с шестью изолированными и независимыми однофазными входами измерения напряжения, что устраняет необходимость физического переключения сигналов напряжения.

2. «Цифровые» реле 1, 2, 3, 4 обеспечивают поток данных синхрофазора.

3. Релейная связь в A25A позволяет расположить его рядом с синхронизирующим выключателем, а управляющие сигналы отправляются обратно на устройства, которые замедляют (регулятор) или ускоряют (возбудитель) механизм генератора по оптоволоконным линиям.

Сроки и контроль...

Возможность создания систем мониторинга и управления с использованием недорогих оптоволоконных линий связи полностью изменила системы синхронизации генераторов.

«Цифровые» реле выполняют прямые синхронизированные измерения. Синхронизированные векторные измерения представляют собой измерения фазового угла величин энергосистемы относительно универсального эталона времени.

Сегодня точный эталон времени, необходимый для измерения фазового угла, легко получить с помощью спутниковых часов Глобальной системы позиционирования (GPS) релейного класса.

Технология синхрофазора позволяет сравнивать показания напряжения с различных устройств по всей электростанции на предмет угловой разницы. Данные могут передаваться со скоростью до 60 сообщений в секунду с малой задержкой.

С тех пор, как в 2000 году в реле защиты впервые были введены функции блока векторных измерений (PMU), они стали почти повсеместными, а данные синхрофазора доступны почти везде без дополнительных затрат для владельца электростанции.

Выделенный компьютер с программным обеспечением концентратора синхрофазорных данных (PDC) может получать потоковые данные от различных микропроцессорных реле, применяемых для защиты и управления синхронизирующими выключателями.

Точно так же, как автоматический синхронизатор на основе микропроцессора может выбирать соответствующие напряжения для каждого сценария синхронизации из тех, которые подключены к его шести входным клеммам, PDC может выбирать правильные сигналы в своих входящих потоках данных для входных и рабочих напряжений на основе выбора оператором генератор и выключатель должны быть синхронизированы.

Физическое переключение сигналов не требуется. А измерения напряжения синхрофазора от реле управления выключателем не зависят от измерений автоматического синхронизатора, что делает системы избыточными.

отставание-опережение

@Kaz предоставил хороший обзор двигателей/генераторов с прямым управлением в комментариях (задокументировано здесь для потомков ;-)):

Это все равно, что спросить, что удерживает рабов-гребцов в лодке от того, чтобы пассивно позволить своим веслам дрейфовать по воде и не выполнять никакой работы? Ну, есть парень, который бьет в барабан, поэтому все должны тянуть с одинаковой частотой, иначе их выпорют. Если рабы станут ленивыми, лодка замедлит ход, и вскоре они не смогут поддерживать эту частоту гребли, не прилагая силы к воде, чтобы снова ускорить лодку, или же позволяя своим гребкам быть настолько явно маленькими (чтобы соответствовать медленная скорость относительно воды), что все они получают порку от охраны.

Итак, предположим, что два генератора питают сеть. Один из генераторов немного ленив, поэтому он просто вращается в соответствии с частотой: он избегает движения, но не прилагает никакой работы. Затем спрос на сеть возрастает. Другой генератор захлебывается и замедляется. Ленивый, каким бы ленивым он ни был, все равно стремится поддерживать частоту. Поскольку частота сетки немного снизилась, это означает, что теперь задействован ленивый: он подталкивает темп, чтобы помочь ускорить сетку, тем самым становясь вовлеченным. Это очень похоже на то, когда люди объединяют усилия, чтобы грести на лодке или тянуть груз.

В современных электростанциях, продолжая наше предыдущее обсуждение, подход прост с точки зрения архитектуры: каждый генератор подчинен глобальному эталону времени .

Как объяснялось выше, генераторы синхронизированы по фазе с глобальными часами. Каждый из них индивидуально несет ответственность за то, что их выходной сигнал находится под определенным фазовым углом в определенное время.

Если они слишком быстрые, устройство, называемое регулятором, которое прикреплено к генератору, применяет тормозное усилие. Если слишком медленно, подключенный возбудитель добавляет энергию для ускорения генератора.

В качестве примечания: вы можете реализовать обе функции на одном устройстве в некоторых архитектурах. Например, с механическим вращающимся механизмом вы можете прикрепить к оси электродвигатель и оказывать сопротивление (регулировать) или способствовать (возбудить) вращению, приводя в действие присоединенный двигатель назад или вперед соответственно.

Учитывая, что все генераторы работают в фазе с одним и тем же эталоном времени, достигается синхронизация.

Сброс нагрузки

Я могу понять синхронизацию, можете ли вы объяснить, как «она гарантирует, что генератор выталкивает ток, а не принимает ток»?

Эта часть интуитивно понятна. Посмотрите на закон Ома или законы Керкгофа...

Если два источника напряжения синхронизированы, это означает, что они производят одинаковое напряжение в одно и то же время. Если идеальный провод соединяет два источника напряжения с одинаковым напряжением, то по этому проводу будет течь нулевой ток.

Если вы подключаете «большой» генератор и «маленький» генератор, вы описываете только разницу в максимальном токе при одном и том же генерируемом напряжении.

Когда меньший генератор перегружается, его напряжение падает. Во вращающихся генераторах это приводит к снижению частоты (замедление ротора), так как электрическая нагрузка создает механическую тормозную силу через электромагнит.

В любом случае синхронизаторы определяют состояние перегрузки как потерю синхронизации и отключают генератор. Это называется «сбросом нагрузки». Как видите, сброс нагрузки только усугубляет проблему для оставшихся генераторов, и проблема может иметь каскадный характер.

Это то, что произошло во время отключения электроэнергии на северо-востоке в 2003 году, хотя это событие было вызвано, среди прочего, программным сбоем, который был слишком агрессивным с сбросом нагрузки, а не фактической перегрузкой.

В обычной системе переменного тока нет диодов. Я не уверен, что ты сможешь построить их такими большими.

Что касается большого завода по сравнению с маленьким заводом, нормальная работа системы удерживает их в фазе; если ваш генератор немного опережает, он столкнется с большим сопротивлением и противо-ЭДС, что, как правило, замедлит его. Если вы немного отстаете, сопротивление меньше, и вы можете ускориться.

При запуске завода очень важно установить его в фазу (см. ссылку Dr FriedParts) перед подключением. Невыполнение этого требования уничтожит что-то большое и дорогое.

Запустить установку без привязки к сетке — проблема; см. "Black Start", например, http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf