O que acontece com o excesso de energia alimentada na rede elétrica?

A questão mais próxima disso é o uso linear do excesso de geração de energia .

Como não sou engenheiro, talvez não seja capaz de expressar isso corretamente e gostaria de receber uma resposta que pressupõe um conhecimento básico mínimo (tenho apenas um entendimento básico de tensão, transformadores etc.). A questão surge de toda essa conversa sobre a variável energia eólica e potencialmente perturbando a rede.

Por exemplo, consulte o artigo Conexão elétrica de 2012 Aumento rápido nas instalações solares que potencialmente sobrecarregam a rede, que discute o potencial de "fluxo de energia reverso" e também fala sobre algum tipo de dispositivo "protetor de rede". Também há um artigo semelhante sobre o Havaí O pesadelo da interconexão no Havaí e o porquê é importante para a indústria fotovoltaica residencial dos EUA , que diz que a única "preocupação concreta identificada pela experiência no Havaí é o potencial de sobretensão transitória no alimentador - essencialmente uma curta pico de tensão de duração ".

Estou curioso sobre o que acontece aqui, tanto em relação a uma grade grande quanto em um micro ambiente. Por exemplo, digamos que tenho uma bateria totalmente carregada e continuo fluindo eletricidade para ela. O que acontece? Existem dispositivos que desviam ou dissipam a eletricidade como calor sem danificar nada? Encontrei algumas perguntas semelhantes on-line, mas as respostas não eram muito claras.

As respostas mais simples e diretas para a pergunta principal dependem de quão "excessiva" é. Como a maioria dos equipamentos é projetada para operar dentro de +/- 5% da nominal, a "energia extra" geralmente é dissipada como calor no próprio dispositivo. No caso de uma lâmpada (por exemplo), ela produz mais luz e calor. Se o excesso de energia exceder a tolerância dos dispositivos, eles superaquecerão e / ou queimarão ( causar danos ). Esses resultados serão obtidos independentemente do que causa o "excesso de energia" na rede (raios, instalações solares, energia eólica, etc.).

Nas duas últimas perguntas, se você estiver carregando uma bateria de 12v com uma fonte de 13v, o 1v extra manterá a bateria "quente" após ser carregada a 12v. Se você estiver carregando com um suprimento não regulamentado de 24V, a bateria superaquecerá, queimará e poderá explodir. Se você a carregar com uma fonte de sobretensão e corrente limitada, a bateria será carregada em 12v e a energia extra será dissipada como calor nos reguladores de alimentação. Uma maneira de fazer um uso "eficiente" de qualquer "energia extra" seria usar um banco de baterias e um carregador "inteligente", que alternariam o carregamento para outra bateria quando uma estiver carregada e desligariam (desconectar) quando todas as baterias do banco estiverem carregadas. Se não houver interesse em economizar energia extra, ela poderá ser "descartada"

Como você pode imaginar, isso não é algo que tem apenas uma solução e o problema em si também é bastante complexo. Vamos dividir.

A rede elétrica, tal como existe agora na maioria dos países civilizados, possui uma estrutura hierárquica: no topo estão as grandes centrais elétricas, abaixo delas estão as redes de distribuição de MV em grande escala ou os anéis de distribuição, depois vêm as redes da cidade (geralmente cerca de 400kV) que geralmente são de alta tensão subterrânea, redes de bairro (tensão de rede de 20kV ou multifásica) e, em seguida, redes de 'código postal' de baixa tensão que distribuem 115 / 230V. Obviamente, como sua pergunta já indica, essa hierarquia pressupõe um fluxo de energia líquida da usina para o lar, e não o contrário.

A maior parte da geração descentralizada de energia - painéis solares não comerciais, turbinas eólicas e similares - ocorre no nível da casa, ou seja, produz 115 / 230VAC e a bombeia para a rede elétrica. Na maioria das vezes, isso é bom porque a energia gerada é muito menor que a energia consumida e o fluxo de energia líquido ainda está na direção certa. Raramente, mas com mais freqüência hoje em dia, devido ao baixo preço da energia solar, a quantidade de energia gerada é superior à energia consumida no nível do código postal. Para basicamente todas as redes de energia, isso não é realmente um problema. Os transformadores usados ​​para converter MV em 115 / 230V são apenas transformadores lineares e funcionam tão bem em uma direção quanto na outra. Eles quase nunca têm PFC ou outros parâmetros dependentes da direção do fluxo, então tudo bem.

O problema com o qual a maioria das redes de energia está lidando mal é o que acontece em uma etapa acima disso. Aqui chegamos à etapa de conversão da grade da cidade subterrânea para blocos menores e hoje em dia essas estações transformadoras têm PFC ou pelo menos algum tipo de mecanismo de desacoplamento para garantir que a interferência da grade da cidade não retorne à energia de alta tensão linhas como faria através de um transformador linear. Se esta unidade gerar mais energia do que consome, essa energia não pode (geralmente) ir a lugar algum, ou pelo menos é impedida de fazê-lo por eletrônicos muito caros, não tão fáceis de substituir em todos os lugares. A resposta reflexa do sistema é acionar um interruptor e separar esta unidade do resto da grade. Obviamente, isso não 'matará' esta unidade; a energia gerada simplesmente bombeia a tensão nesta rede até o limite de segurança dos inversores de potência (geralmente tensão nominal + 5-7%) e, muitas vezes, desestabiliza a frequência CA. Mas a energia continuará lá até a nuvem passar, a grade cair abaixo das tensões de escurecimento e os inversores solares todos se desligarem. Esse problema é chamado de problema de geração de ilhas e é muito difícil de resolver sem alguma inteligência adicional na rede elétrica e nos inversores (ou seja, redes inteligentes).

No entanto, como você pode ver neste parágrafo anterior, a energia extra não necessariamente vai a lugar algum. Se ocorrer uma situação de ilha, os inversores são obrigados não apenas a descarregar toda a energia disponível na rede, mas a se modularem quando a rede atingir uma certa tensão. Quando a nuvem eventualmente passa, eles se desligam e a situação é resolvida.

Existem mecanismos de proteção alternativos. Alguns países têm interruptores de curto-circuito que podem ser acoplados com sinais especiais (DTMF) na linha de energia. Quando uma ilha é criada, eles podem causar um curto-circuito na rede elétrica e aterrar imediatamente uma seção da rede. Entretanto, essa não é uma prática muito segura, pois geralmente causa picos indutivos na rede elétrica que podem danificar a rede e os eletrônicos domésticos. Hoje em dia isso raramente é usado. No entanto, é um importante mecanismo de proteção para geradores de energia que não regulam bem sua saída e podem causar uma situação de sobretensão.

Na Alemanha, em maio deste ano, o preço pago pelas energias renováveis ​​chegou a ser negativo , pois elas possuíam muito. Em outras palavras, eles estavam cobrando dos produtores pelo consumo excessivo de energia. Então eles lidaram com o excesso de energia, incentivando os produtores a não jogá-la na rede - o que é fácil com a energia solar e possível com a energia eólica.

Métodos de geração diferentes têm constantes de tempo diferentes - as usinas nucleares gostam de funcionar de maneira plana, a partida e o desligamento levam muito tempo. A hidrelétrica pode ser alterada rapidamente na saída redirecionando ou bloqueando o fluxo de água. As usinas térmicas (eu costumava ter uma por perto) têm uma constante de tempo mais longa; portanto, se você perder repentinamente a carga (o wot está diminuindo a velocidade das turbinas), a energia armazenada no vapor deve ser ventilada (alto!) Para impedir que os geradores spooling fora de controle. Eles não tentam absorver a energia elétrica, tanto quanto eu sei, embora eu tenha feito um estudo de viabilidade sobre instrumentação para um enorme coletor de energia que absorveria enormes quantidades de energia (é divertido fazer instrumentos que trabalhem com tensões de modo comum de 100's de kV).

Armazenar energia em grandes quantidades razoavelmente eficientemente é um problema muito difícil, sem solução óbvia. Baterias / inversores distribuídos e o método antigo de bombear água para cima de uma barragem para armazená-la e deixá-la correr através de turbinas e geradores para recuperar (algumas) são alguns métodos.

Permitam-me reformular esses artigos em termos que facilitam a compreensão e a contextualização. Vejo esses artigos como o equivalente a "Acabei de comprar uma Ferrari nova, há um problema sério, porque eu tenho que substituir as pastilhas dos freios, pois a potência do meu motor é muito alta quando chego ao semáforo".

A resposta simples é - "tire o pé do acelerador". ou seja, pare de produzir energia quando você não puder usá-lo.

Realmente não há problema com a produção em excesso, há um problema com a entrega em excesso, eles só precisam sinalizar de volta aos produtores "parem de colocar energia na rede". Na verdade, alguns controladores de painéis solares usar o sombreamento nuvem de prever o quanto de energia vai ser produzido nos próximos 10 ou 15 minutos e sinal de que a frente à autoridade grid.

Esses tipos de artigos não são úteis. Existem sérios problemas com a rede principal e os vínculos de interconexão que podem ser resolvidos com a aprovação de leis e o gasto de dinheiro. O fato de os produtores de energia eólica executarem seu sistema de controle tem soluções muito mais simples.

É um problema complicado, com várias respostas.

Mesmo sem soluções, existe alguma tolerância para uma incompatibilidade de oferta e demanda. Demasiada demanda / pouca oferta) reduzirá a tensão e a frequência na rede do seu ponto habitual de 50hz / 60hz / qualquer que seja a rede elétrica do seu país. Por outro lado, muita oferta / pouca demanda aumentará a frequência. Uma pequena quantidade de desvio de frequência não é um problema significativo. Na Nova Zelândia, a rede elétrica é de 50 hz, mas a grade é boa com frequências que variam de 49 a 52 hz. Fora isso, você pode ter sérios problemas. Mais especificamente, se você ficar abaixo de 49 hz, isso pode danificar os geradores, que se desligam ou se isolam automaticamente. Isso significa que a frequência da rede cai ainda mais, pois há menos oferta, causando uma reação em cadeia e, eventualmente, um colapso total da rede.

Para impedir que isso aconteça, os operadores de mercado pagam às pessoas para executar uma variedade de serviços. Eles diferem de país para país, mas, novamente, usarei a NZ como exemplo.

Manutenção de Freqüência - atua para aumentar e diminuir a frequência da grade, conforme necessário. Para usar uma analogia de direção, observe alguém enquanto ele dirige. Eles estão constantemente fazendo pequenos movimentos com o volante, provavelmente não estão conscientes disso, reagem à posição do volante para manter o carro reto, enquanto ele passa por pequenos solavancos na estrada. Tradicionalmente, isso é realizado por geradores, funcionando com menos de 100% da capacidade, capazes de variar sua saída com um tempo de resposta de segundo segundo.

Reservas - Na Nova Zelândia, as 'reservas' devem ser sempre adquiridas para manter a rede no caso de uma situação N-1 - seja a perda do maior gerador ou a perda das linhas de transmissão entre o Norte e o Norte. Ilhas do Sul. Na Europa, o continente como um todo opera em uma situação N-2, representando a perda de duas grandes usinas nucleares. Essas reservas podem assumir a forma de geradores funcionando abaixo da capacidade e capazes de aumentar rapidamente, ou (de maneira mais barata e rápida) exigir recursos de resposta - locais que estão dispostos a reduzir a carga conforme necessário para manter a grade. Esses recursos geralmente são segregados pelo tempo de resposta e pela quantidade de tempo que eles podem sustentar a mudança. A NZ tem um mercado rápido (tempo de resposta de 1 segundo para cargas, tempo de resposta de 6 s para geradores sustentados por 1 minuto), e um mercado sustentado (tempo de resposta de 60 segundos, mas sustentado por mais tempo - até cerca de 30 minutos). Voltando à analogia do carro, é aqui que o seu carro bate em um grande solavanco, desviando-o em direção a uma árvore - você precisa puxar o volante para o outro lado para voltar à estrada (mas não vire muito longe ou você ' acabamos batendo em uma árvore do outro lado da estrada).

Lidando com picos - geração de pico ou resposta da demanda tradicional - para usar a analogia de nosso carro, há uma esquina na estrada. Podemos vê-lo vindo de muito longe, e precisamos fazer uma grande mudança para permanecer na estrada. São ondas de calor no verão, ondas de frio no inverno, picos noturnos etc. Isso pode ser atendido com uma variedade de tecnologias. Geralmente, a maior parte é proveniente de geradores de pico, que são executados apenas alguns dias por ano. Novamente, a resposta da demanda entra em jogo - geralmente é mais barato desligar uma fábrica por 20 horas por ano do que construir um novo gerador de pico inteiro e atualizar as linhas de transmissão

Eu trabalho no assunto e acho que posso ajudar a explicar isso.

Vou explicar usando a analogia da água:

Fluxo de corrente elétrica -> Fluxo de água

Tensão -> pressão

Disse isto,

Se você possui uma rede com nós e filiais; os nós são onde a água é injetada e subtraída da rede e os galhos são os canos.

(Em redes elétricas, os tubos são transformadores e linhas, enquanto os nós são os nós ou barramentos)

Se você tiver injeção de "água" em um nó que foi originalmente projetado para consumo, a pressão nos tubos poderá aumentar até um nível em que os tubos quebrem. (Isso seria produção solar no nível doméstico). Da mesma forma, o consumo excessivo em um nó pode diminuir muito a pressão dos tubos e o sistema não funcionará.

A maneira de lidar com isso é armazenar o excedente de energia e fornecê-lo quando necessário, e é por isso que as baterias são o azevinho das energias renováveis.

Uma enorme penetração renovável é uma situação contra a qual os operadores de rede e as empresas elétricas são forçadas, porque as obriga a adotar novas abordagens para um trabalho que vêm realizando há um século, com poucas mudanças radicais como as que precisam fazer. (Minha opinião)

Espero que isso seja claro o suficiente, caso contrário, posso explicar melhor as coisas, pois esse é meu trabalho diário.

[EDIT: Por que os tubos quebram?]

Bem, como você solicitou, irei um pouco mais detalhadamente aqui:

Cada elemento de ramificação (linhas e transformadores) tem um limite na quantidade de corrente que pode passar sem superaquecer e incendiar. Essa corrente nominal pode ser superada por um período limitado de tempo, portanto, uma sobrecarga não é um evento de vida ou morte, se não durar muito (as sobrecargas também diminuem a vida útil dos elementos)

Por outro lado, a tensão deve estar dentro de + -5% da tensão nominal de um nó, isto é 230V + -5% por fase (na Europa, nos EUA, é 125?). A geração de energia em um nó aumenta a tensão nesse nó e nos nós vizinhos (para a mesma situação de carga) O incremento na demanda em um nó diminui a tensão nesse nó e em seus vizinhos). É por isso que se eu colocar uma quantidade enorme de painéis solares em casa, posso ter problemas de tensão em minha casa e nas casas dos vizinhos. Esse problema pode ser atenuado pela programação correta do firmware do inversor, mas não há regulamentação em muitos países. Portanto, existem problemas que as pessoas não ouviram falar, mas são muito reais.

Mas por que a tensão precisa estar nesse limite? Bem, esses limites são uma restrição de segurança definida pelos operadores da rede. Se a voltagem nas tomadas da sua casa for muito alta, isso poderá danificar a eletrônica de potência dos seus dispositivos (TV do PC, etc.) se a voltagem for muito baixa, os dispositivos eletrônicos podem não funcionar ou até quebrar também. Uma lâmpada incandescente brilha mais forte em alta voltagem e menos brilhante em baixa voltagem.

Diga-me se mais detalhes são necessários. Santi.

Temos altos níveis de tensão para transportar energia e baixos níveis de voltagem, como 230V, para distribuição de energia. Como a grade foi construída e na maioria das vezes hoje, a energia passa da parte alta para a baixa volatilidade da grade. Um tarnsformer distribui a energia para várias casas em uma vila ou cidade. Nesta baixa tensão, não há segurança N-1, há apenas um transformador e várias casas ao seu redor. Como a corrente passa da tensão alta para a baixa, a tensão mais alta está no transformador. No máximo (qualquer um que eu saiba), transformadores antigos essa tensão é constante. Para usar totalmente a faixa de +/- 5%, a tensão no tarnsformer é de cerca de + 4/5%. No caminho para as casas, a tensão pode cair até 10% e com -5% tudo está ok. Se agora uma grande parte da Photovoltaik produz mais energia do que consumida nessa área, a Energia precisa entrar na rede por causa do transformador. Mas ainda, a corrente flui em direção ao transformador, o que significa que é o ponto com a tensão mais baixa e não a mais alta. Portanto, a tensão pode facilmente chegar a alta e os fotovoltaicos precisam desligar (a alta tensão pode danificar qualquer dispositivo contido nessa área). Ao usar / instalar transformadores ajustáveis, neste caso, não há problemas, a tensão no tarnsformer apenas precisa ser ajustada para, por exemplo, -4%. Mas eles são muito caros.

Penso que outra boa analogia é que você pode pensar em uma grande usina (carga básica) como um carro que está subindo a colina a toda velocidade. Ele atingirá uma certa velocidade (frequência da grade) e, nesse ponto, exigirá que você mantenha o pedal no chão para manter essa velocidade indefinidamente. Agora, se a colina começar a se nivelar e você deixar o pé no chão, a velocidade aumentará e você precisará levantar o acelerador para diminuir a velocidade. Isso seria como o aumento da frequência da rede e a geração de energia seria reduzida (unidades de pico desligadas). Por outro lado, se a colina ficar mais íngreme (a carga na grade aumenta), o carro diminui a velocidade (a frequência cai), mas você já está em aceleração máxima. A única coisa que você pode fazer agora para voltar à velocidade é ter outro impulso no carro. Isso seria uma unidade de pico entrando em linha.