Rețeaua electrică -Electrical grid

Structura generală a rețelelor electrice. Tensiunile și reprezentările liniilor electrice sunt tipice pentru Germania și alte sisteme europene.

O rețea electrică este o rețea interconectată pentru livrarea de energie electrică de la producători la consumatori. Rețelele electrice variază ca dimensiune și pot acoperi țări sau continente întregi. Se compune din:

Rețelele sunt aproape întotdeauna sincrone, ceea ce înseamnă că toate zonele de distribuție funcționează cu frecvențe trifazate de curent alternativ (AC) sincronizate (astfel încât variațiile de tensiune să apară aproape în același timp). Acest lucru permite transmiterea energiei AC în întreaga zonă, conectând un număr mare de generatori de energie electrică și consumatori și, potențial, permițând piețe de energie electrică mai eficiente și generare redundantă.

Rețeaua combinată de transport și distribuție face parte din livrarea de energie electrică, cunoscută sub numele de „ rețea electrică ” în America de Nord , sau doar „rețea”. În Regatul Unit , India , Tanzania , Myanmar , Malaezia și Noua Zeelandă , rețeaua este cunoscută sub numele de National Grid.

Deși rețelele electrice sunt răspândite, în 2016, 1,4 miliarde de oameni din întreaga lume nu erau conectați la o rețea de electricitate. Pe măsură ce electrificarea crește, numărul persoanelor cu acces la rețea de electricitate crește. Aproximativ 840 de milioane de oameni (mai ales în Africa) nu au avut acces la rețea de energie electrică în 2017, în scădere de la 1,2 miliarde în 2010.

Rețelele electrice pot fi predispuse la intruziune sau atac rău intenționat; astfel, este nevoie de securitatea rețelei electrice . De asemenea, pe măsură ce rețelele electrice se modernizează și introduc tehnologia informatică, amenințările cibernetice încep să devină un risc de securitate. Preocupările speciale se referă la sistemele informatice mai complexe necesare pentru gestionarea rețelelor.

Istorie

Energia electrică timpurie a fost produsă lângă dispozitivul sau serviciul care necesita acea energie. În anii 1880, electricitatea a concurat cu aburul, hidraulica și în special cu gazul de cărbune . Gazul de cărbune a fost produs mai întâi la sediul clientului, dar mai târziu a evoluat în instalații de gazeificare care au beneficiat de economii de scară . În lumea industrializată, orașele aveau rețele de gaz prin conducte, folosite pentru iluminat. Dar lămpile cu gaz produceau lumină slabă, iroseau căldură, făceau încăperile fierbinți și afumate și emanau hidrogen și monoxid de carbon . De asemenea, au reprezentat un pericol de incendiu. În anii 1880, iluminatul electric a devenit curând avantajos în comparație cu iluminatul pe gaz.

Companiile de utilități electrice au înființat stații centrale pentru a profita de economiile de scară și au trecut la generarea, distribuția și gestionarea sistemului centralizată de energie. După ce războiul curenților a fost soluționat în favoarea puterii de curent alternativ , cu transmisia de energie pe distanțe lungi a devenit posibilă interconectarea stațiilor pentru a echilibra sarcinile și a îmbunătăți factorii de sarcină. Din punct de vedere istoric, liniile de transport și distribuție au fost deținute de aceeași companie, dar începând cu anii 1990, multe țări au liberalizat reglementarea pieței de energie electrică în moduri care au dus la separarea afacerii de transport a energiei electrice de cea de distribuție.

În Regatul Unit, Charles Merz , din parteneriatul de consultanță Merz & McLellan , a construit centrala electrică Neptune Bank lângă Newcastle upon Tyne în 1901, iar până în 1912 se transformase în cel mai mare sistem integrat de energie din Europa. Merz a fost numit șef al unei comisii parlamentare, iar constatările sale au condus la Raportul Williamson din 1918, care, la rândul său, a creat Actul de furnizare a energiei electrice din 1919 . Factura a fost primul pas către un sistem integrat de energie electrică. Actul Electricity (Supply) Act din 1926 a condus la înființarea rețelei naționale. Consiliul Central de Electricitate a standardizat furnizarea de energie electrică a națiunii și a stabilit prima rețea de curent alternativ sincronizată, care funcționează la 132 kilovolți și 50 Herți . Acesta a început să funcționeze ca sistem național, National Grid , în 1938.

În Statele Unite, în anii 1920, utilitățile au format operațiuni comune pentru a împărți acoperirea sarcinii de vârf și puterea de rezervă. În 1934, odată cu adoptarea Public Utility Holding Company Act (SUA), utilitățile electrice au fost recunoscute ca bunuri publice de importanță și au primit restricții subliniate și supraveghere reglementară a operațiunilor lor. Legea privind politica energetică din 1992 a cerut proprietarilor de linii de transport să permită companiilor de producție electrică accesul deschis la rețeaua lor și a condus la o restructurare a modului în care a funcționat industria electrică într-un efort de a crea concurență în generarea de energie. Nu se mai construiau utilitățile electrice ca monopoluri verticale, unde producția, transportul și distribuția erau gestionate de o singură companie. Acum, cele trei etape ar putea fi împărțite între diverse companii, într-un efort de a oferi acces echitabil la transmisia de înaltă tensiune. Legea privind Politica Energetică din 2005 a permis stimulente și garanții de împrumut pentru producția de energie alternativă și tehnologii inovatoare avansate care au evitat emisiile cu efect de seră .

În Franța, electrificarea a început în anii 1900, cu 700 de comune în 1919 și 36.528 în 1938. În același timp, aceste rețele apropiate au început să se interconecteze: Paris în 1907 la 12 kV, Pirineii în 1923 la aproape 150 kV și, în final, toată țara interconectată până în 1938 la 220 kV. În 1946, grila era cea mai densă din lume. În acel an, statul a naționalizat industria, prin unirea companiilor private ca Électricité de France . Frecvența a fost standardizată la 50 Hz, iar rețeaua de 225 kV a înlocuit 110 kV și 120 kV. Din 1956, tensiunea de serviciu a fost standardizată la 220/380 V, înlocuind-o pe precedentele 127/220 V. În anii 1970 a fost implementată rețeaua de 400 kV, noul standard european.

În China, electrificarea a început în anii 1950. În august 1961, electrificarea secțiunii Baoji-Fengzhou a căii ferate Baocheng a fost finalizată și livrată pentru funcționare, devenind prima cale ferată electrificată din China . Din 1958 până în 1998, calea ferată electrificată a Chinei a atins 6.200 de mile (10.000 de kilometri). La sfârșitul anului 2017, acest număr a ajuns la 54.000 de mile (87.000 de kilometri). În sistemul actual de electrificare a căilor ferate din China, State Grid Corporation din China este un furnizor important de energie. În 2019, a finalizat proiectul de alimentare cu energie electrică a importantelor căi ferate electrificate ale Chinei în zonele sale de operare, cum ar fi Jingtong Railway , Haoji Railway , Zhengzhou–Wanzhou , și cetera, oferind garanție de alimentare pentru 110 stații de tracțiune și cumulativul acesteia. lungimea construcției liniilor electrice a ajuns la 6.586 de kilometri.

Componente

Generaţie

Diagrama unui sistem de energie electrică, sistem de generare în roșu

Generarea de energie electrică este procesul de generare a energiei electrice din surse de energie primară de obicei la centralele electrice . De obicei, acest lucru se face cu generatoare electromecanice acționate de motoare termice sau de energia cinetică a apei sau a vântului. Alte surse de energie includ energia solară fotovoltaică și energia geotermală .

Suma puterii de ieșire a generatoarelor de pe rețea este producția rețelei, de obicei măsurată în gigawați (GW).

Transmisie

Linii de transport de energie electrică trifazată de 500 kV la barajul Grand Coulee ; sunt prezentate patru circuite; două circuite suplimentare sunt ascunse de copaci în dreapta; întreaga capacitate de generare de 7079 MW a barajului este găzduită de aceste șase circuite.

Transportul energiei electrice este mișcarea în vrac a energiei electrice de la un loc de generare, printr-o rețea de linii interconectate, la o substație electrică , de la care este conectată la sistemul de distribuție. Acest sistem de conexiuni în rețea este diferit de cablarea locală dintre stațiile de înaltă tensiune și clienți.

Deoarece puterea este adesea generată departe de locul unde este consumată, sistemul de transmisie poate acoperi distanțe mari. Pentru o anumită cantitate de putere, eficiența transmisiei este mai mare la tensiuni mai mari și amperaje mai mici. Prin urmare, tensiunile sunt crescute la stația de generare, și coborâte la substațiile locale pentru distribuție către clienți.

Majoritatea transmisiei este trifazată . Trifazat, comparativ cu monofazat, poate furniza mult mai multă putere pentru o anumită cantitate de fir, deoarece firele neutru și de masă sunt împărțite. În plus, generatoarele și motoarele trifazate sunt mai eficiente decât omologii lor monofazați.

Cu toate acestea, pentru conductorii convenționali, una dintre pierderile principale sunt pierderile rezistive, care sunt o lege pătrată a curentului și depind de distanță. Liniile de transmisie de înaltă tensiune AC pot pierde 1-4% la suta de mile. Cu toate acestea, curentul continuu de înaltă tensiune poate avea jumătate din pierderile AC. Pe distanțe foarte mari, aceste eficiențe pot compensa costul suplimentar al stațiilor de conversie AC/DC necesare la fiecare capăt.

Schema de rețea a unui sistem de transport de înaltă tensiune, care arată interconectarea dintre diferitele niveluri de tensiune. Această diagramă descrie structura electrică a rețelei, mai degrabă decât geografia sa fizică.

Rețelele de transport sunt complexe, cu căi redundante. Dispunerea fizică este adesea forțată de terenul disponibil și de geologia acestuia. Majoritatea rețelelor de transport oferă fiabilitatea pe care o oferă rețelele mai complexe . Redundanța permite să apară defecțiuni de linie și alimentarea este pur și simplu redirecționată în timp ce se fac reparații.

Substații

Substațiile pot îndeplini multe funcții diferite, dar, de obicei, transformă tensiunea de la joasă la mare (creștere) și de la înaltă la scăzută (reducere). Între generator și consumatorul final, tensiunea poate fi transformată de mai multe ori.

Cele trei tipuri principale de substații, după funcție, sunt:

  • Substație step-up: acestea folosesc transformatoare pentru a ridica tensiunea provenită de la generatoare și centrale electrice astfel încât puterea să poată fi transmisă mai eficient pe distanțe lungi, cu curenți mai mici.
  • Substație descendente: aceste transformatoare scad tensiunea provenită de la liniile de transport care pot fi utilizate în industrie sau trimise la o substație de distribuție.
  • Stație de distribuție: acestea reduc din nou tensiunea pentru distribuția către utilizatorii finali.

În afară de transformatoare, alte componente sau funcții majore ale substațiilor includ:

  • Întrerupătoare : utilizate pentru a întrerupe automat un circuit și a izola o defecțiune în sistem.
  • Întrerupătoare : pentru a controla fluxul de electricitate și pentru a izola echipamentul.
  • Bara de distribuție a stației : de obicei, un set de trei conductori, câte unul pentru fiecare fază de curent. Substația este organizată în jurul autobuzelor, iar acestea sunt conectate la liniile de intrare, transformatoare, echipamente de protecție, comutatoare și liniile de ieșire.
  • Paratrăsnet
  • Condensatoare pentru corectarea factorului de putere

Distribuția energiei electrice

Distribuția este etapa finală în livrarea energiei; transportă energie electrică de la sistemul de transport către consumatorii individuali. Substațiile se conectează la sistemul de transport și scad tensiunea de transmisie până la medie tensiune întrekV și35 kV . Liniile primare de distribuție transportă această putere de medie tensiune către transformatoarele de distribuție situate în apropierea sediului clientului. Transformatoarele de distribuție scad din nou tensiunea la tensiunea de utilizare . Clienții care solicită o cantitate mult mai mare de energie pot fi conectați direct la nivelul de distribuție primară sau la nivelul de subtransmisie .

Rețelele de distribuție sunt împărțite în două tipuri, radiale sau de rețea.

În orașele și orașele din America de Nord, grila tinde să urmeze designul clasic alimentat radial . O substație își primește puterea de la rețeaua de transport, puterea este redusă cu un transformator și trimisă la o magistrală din care alimentele se răspândesc în toate direcțiile din mediul rural. Aceste alimentatoare transportă energie trifazată și tind să urmeze străzile principale din apropierea substației. Pe măsură ce distanța de la substație crește, evantaiul continuă pe măsură ce lateralele mai mici se răspândesc pentru a acoperi zonele ratate de alimentatoare. Această structură arborescentă crește în exterior din substație, dar, din motive de fiabilitate, conține de obicei cel puțin o conexiune de rezervă neutilizată la o substație din apropiere. Această conexiune poate fi activată în caz de urgență, astfel încât o porțiune din teritoriul de serviciu al unei substații să poată fi alimentată alternativ de o altă substație.

Depozitare

Rețea electrică simplificată cu stocare de energie
Flux simplificat de energie al rețelei cu și fără stocare ideală a energiei pe parcursul unei zile

Stocarea energiei în rețea (numită și stocarea energiei la scară largă ) este o colecție de metode utilizate pentru stocarea energiei la scară largă în cadrul unei rețele de energie electrică . Energia electrică este stocată în perioadele în care electricitatea este abundentă și ieftină (în special din surse de energie intermitentă , cum ar fi electricitatea regenerabilă din energia eoliană , energia mareelor ​​și energia solară ) sau când cererea este scăzută, iar ulterior este returnată în rețea când cererea este mare și prețurile la energie electrică tind să fie mai mari.

Începând cu 2020, cea mai mare formă de stocare a energiei în rețea este hidroelectricitatea blocată , atât cu generarea hidroelectrică convențională, cât și cu hidroelectricitate cu stocare prin pompare .

Evoluțiile în stocarea bateriilor au permis proiectelor viabile din punct de vedere comercial să stocheze energie în timpul producției de vârf și să elibereze în timpul cererii de vârf și să fie utilizată atunci când producția scade în mod neașteptat, oferind timp pentru ca resursele cu răspuns mai lent să fie conectate.

Două alternative la stocarea în rețea sunt utilizarea centralelor electrice de vârf pentru a umple golurile de aprovizionare și răspunsul la cerere pentru a transfera sarcina în alte perioade.

Funcționalități

Cerere

Cererea sau sarcina pe o rețea electrică este puterea electrică totală eliminată de utilizatorii rețelei.

Graficul cererii în timp se numește curba cererii .

Sarcina de bază este sarcina minimă pe rețea pe o perioadă dată, cererea de vârf este sarcina maximă. Din punct de vedere istoric, sarcina de bază a fost îndeplinită în mod obișnuit de echipamente care au fost relativ ieftine de rulat, care au funcționat continuu săptămâni sau luni la un moment dat, dar la nivel global acest lucru devine mai puțin obișnuit. Cerințele suplimentare ale cererii de vârf sunt uneori produse de centrale scumpe de vârf, care sunt generatoare optimizate pentru a intra rapid în funcțiune, dar și acestea devin mai puțin comune.

Voltaj

Rețelele sunt concepute pentru a furniza energie electrică clienților lor la tensiuni în mare parte constante. Acest lucru trebuie realizat cu o cerere variabilă, sarcini reactive variabile și chiar sarcini neliniare, cu energie electrică furnizată de generatoare și echipamente de distribuție și transport care nu sunt perfect fiabile. Adesea, rețelele folosesc comutatoare de reglaj pe transformatoare în apropierea consumatorilor pentru a regla tensiunea și a o menține în specificații.

Frecvență

Într-o rețea sincronă, toate generatoarele trebuie să funcționeze la aceeași frecvență și trebuie să rămână aproape în fază între ele și rețea. Producția și consumul trebuie echilibrate pe întreaga rețea, deoarece energia este consumată pe măsură ce este produsă. Pentru generatoarele rotative, un regulator local reglează cuplul de antrenare, menținând viteza de rotație aproape constantă pe măsură ce sarcina se modifică. Energia este stocată pe termen scurt imediat de energia cinetică de rotație a generatoarelor.

Deși viteza este menținută în mare parte constantă, mici abateri de la frecvența nominală a sistemului sunt foarte importante în reglarea generatoarelor individuale și sunt utilizate ca o modalitate de evaluare a echilibrului rețelei în ansamblu. Când rețeaua este încărcată ușor, frecvența rețelei trece peste frecvența nominală, iar acest lucru este luat ca o indicație de către sistemele de control automat al generării din rețea că generatoarele ar trebui să își reducă puterea. În schimb, atunci când rețeaua este puternic încărcată, frecvența încetinește în mod natural, iar guvernatoarele își ajustează generatoarele astfel încât să iasă mai multă putere ( controlul vitezei de scădere ). Când generatoarele au setări identice de control al vitezei de cădere, se asigură că mai multe generatoare paralele cu aceleași setări împart sarcina proporțional cu puterea lor nominală.

În plus, există adesea un control central, care poate modifica parametrii sistemelor AGC pe intervale de timp de un minut sau mai mult pentru a ajusta în continuare fluxurile rețelei regionale și frecvența de operare a rețelei.

În scopuri de cronometrare, frecvența nominală va putea varia pe termen scurt, dar este ajustată pentru a preveni ca ceasurile operate de linie să câștige sau să piardă timp semnificativ pe parcursul unei perioade întregi de 24 de ore.

O întreagă rețea sincronă rulează la aceeași frecvență, rețelele învecinate nu ar fi sincronizate chiar dacă ar rula la aceeași frecvență nominală. Liniile de curent continuu de înaltă tensiune sau transformatoarele cu frecvență variabilă pot fi utilizate pentru a conecta două rețele de interconectare în curent alternativ care nu sunt sincronizate între ele. Acest lucru oferă avantajul interconectarii fără a fi nevoie de sincronizarea unei zone și mai extinse. De exemplu, comparați harta rețelei sincrone a zonei extinse a Europei cu harta liniilor HVDC.

Capacitate și capacitate fermă

Suma puterii maxime ( capacitatea plăcii de identificare ) a generatoarelor atașate la o rețea electrică poate fi considerată a fi capacitatea rețelei.

Cu toate acestea, în practică, acestea nu sunt niciodată epuizate simultan. De obicei, unele generatoare sunt menținute să funcționeze la puteri de ieșire mai mici ( rezervă de rotație ) pentru a face față defecțiunilor, precum și variației cererii. În plus, generatoarele pot fi offline pentru întreținere sau din alte motive, cum ar fi disponibilitatea intrărilor de energie (combustibil, apă, vânt, soare etc.) sau constrângeri de poluare.

Capacitatea fermă este puterea maximă de ieșire pe o rețea care este disponibilă imediat într-o anumită perioadă de timp și este o cifră mult mai utilă.

Productie

Majoritatea codurilor de rețea specifică faptul că sarcina este împărțită între generatori în ordinea meritelor în funcție de costul lor marginal (adică cel mai ieftin mai întâi) și uneori de impactul lor asupra mediului. Astfel, furnizorii ieftini de energie electrică tind să fie epuizați aproape tot timpul, iar producătorii mai scumpi sunt gestionați doar atunci când este necesar.

Eșecul de manipulare

Defecțiunile sunt de obicei asociate cu generatoarele sau liniile de transport de energie care declanșează întrerupătoarele din cauza defecțiunilor care conduc la o pierdere a capacității de generare pentru clienți sau la excesul de cerere. Acest lucru va determina adesea reducerea frecvenței, iar generatoarele rămase vor reacționa și împreună vor încerca să se stabilizeze peste minim. Dacă acest lucru nu este posibil, atunci pot apărea o serie de scenarii.

O defecțiune mare într-o parte a rețelei - cu excepția cazului în care este compensată rapid - poate determina redirecționarea curentului pentru a curge de la generatoarele rămase la consumatori pe liniile de transport cu capacitate insuficientă, provocând defecțiuni suplimentare. Un dezavantaj al unei rețele larg conectate este, prin urmare, posibilitatea defecțiunii în cascadă și a unei pene de curent pe scară largă . O autoritate centrală este de obicei desemnată pentru a facilita comunicarea și a dezvolta protocoale pentru a menține o rețea stabilă. De exemplu, North American Electric Reliability Corporation a câștigat competențe obligatorii în Statele Unite în 2006 și are competențe de consultanță în părțile aplicabile din Canada și Mexic. Guvernul SUA a desemnat, de asemenea , coridoare de transport electric de interes național , unde consideră că s-au dezvoltat blocaje de transmisie.

întrerupere

O întrerupere în apropierea Turnului Tokyo din Tokyo , Japonia

O întrerupere este o scădere intenționată sau neintenționată a tensiunii într-un sistem de alimentare cu energie electrică . Întrerupările intenționate sunt utilizate pentru reducerea sarcinii în caz de urgență. Reducerea durează minute sau ore, spre deosebire de scăderea (sau scăderea) de tensiune pe termen scurt. Termenul de blackout provine de la diminuarea luminii experimentate de iluminarea incandescentă atunci când tensiunea scade. O reducere a tensiunii poate fi un efect al întreruperii unei rețele electrice sau poate fi impusă ocazional într-un efort de a reduce sarcina și de a preveni o întrerupere a curentului , cunoscută sub numele de întrerupere de curent .

Pana de curent

O pană de curent (numită și o întrerupere a curentului electric , o întrerupere a curentului electric , o întrerupere a curentului electric , o întrerupere a curentului electric sau o întrerupere a curentului electric ) este o pierdere a energiei electrice într-o anumită zonă.

Întreruperea de curent poate fi cauzată de defecțiuni la stațiile electrice, deteriorări ale liniilor de transport electric, substații sau alte părți ale sistemului de distribuție , un scurtcircuit , defecțiune în cascadă , funcționarea siguranței sau a întrerupătorului și erorile umane.

Întreruperea curentului este deosebit de critică în locurile în care mediul și siguranța publică sunt în pericol. Instituții precum spitale , stații de tratare a apelor uzate , mine , adăposturi și altele asemenea vor avea de obicei surse de alimentare de rezervă, cum ar fi generatoarele de rezervă , care vor porni automat când se pierde energia electrică. Alte sisteme critice, cum ar fi telecomunicațiile , trebuie, de asemenea, să aibă putere de urgență. Camera de baterii a unei centrale telefonice are de obicei o serie de baterii plumb-acid pentru rezervă și, de asemenea, o priză pentru conectarea unui generator în perioadele prelungite de întrerupere.

Deversarea sarcinii

Este posibil ca sistemele de generare și transport electric să nu îndeplinească întotdeauna cerințele de vârf - cea mai mare cantitate de energie electrică necesară de toți clienții de utilități dintr-o anumită regiune. În aceste situații, cererea totală trebuie să fie redusă, fie prin oprirea serviciului la unele dispozitive, fie prin reducerea tensiunii de alimentare ( pene de tensiune ), pentru a preveni întreruperile necontrolate ale serviciului, cum ar fi întreruperile de curent (pene de curent) sau deteriorarea echipamentelor. Utilitățile pot impune reducerea sarcinii în zonele de servicii prin întreruperi direcționate, întreruperi de curent sau prin acorduri cu consumatorii industriali de mare utilizare pentru a opri echipamentele în momentele de cerere de vârf la nivelul întregului sistem.

Început negru

Orizontul orașului la amurg, cu doar câteva ferestre de birouri iluminate
Toronto în timpul întreruperii de curent din nord-est din 2003 , care a necesitat pornirea la negru a stațiilor de generare.

O pornire neagră este procesul de readucere în funcțiune a unei centrale electrice sau a unei părți a rețelei electrice fără a vă baza pe rețeaua externă de transport a energiei electrice pentru a reveni după o oprire totală sau parțială.

În mod normal, energia electrică utilizată în cadrul centralei este furnizată de la generatoarele proprii ale stației. Dacă toate generatoarele principale ale centralei sunt oprite, puterea de serviciu a stației este furnizată prin preluarea energiei din rețea prin linia de transport a centralei. Cu toate acestea, în timpul unei întreruperi pe o zonă extinsă, energia electrică din afara amplasamentului de la rețea nu este disponibilă. În absența rețelei de alimentare, trebuie efectuată o așa-numită pornire neagră pentru a porni rețeaua electrică în funcțiune.

Pentru a asigura o pornire neagră, unele centrale electrice au generatoare diesel mici , numite în mod normal generator diesel cu pornire neagră (BSDG), care pot fi folosite pentru a porni generatoare mai mari (cu o capacitate de câțiva megawați ), care, la rândul lor, pot fi folosite pentru pornirea principalului. generatoare de centrale electrice. Instalațiile de generare care utilizează turbine cu abur necesită o putere de serviciu de până la 10% din capacitatea lor pentru pompele de alimentare cu apă a cazanului, suflantele de aer de combustie cu tiraj forțat ale cazanului și pentru prepararea combustibilului. Este neeconomic să se asigure o capacitate de așteptare atât de mare la fiecare stație, astfel încât puterea de pornire neagră trebuie furnizată peste liniile de legătură desemnate de la o altă stație. Adesea, centralele hidroelectrice sunt desemnate ca surse de pornire neagră pentru a restabili interconexiunile rețelei. O centrală hidroelectrică are nevoie de foarte puțină putere inițială pentru a porni (doar suficientă pentru a deschide porțile de admisie și pentru a furniza curent de excitare bobinelor câmpului generatorului) și poate pune în linie un bloc mare de energie foarte rapid pentru a permite pornirea combustibilului fosili sau centrale nucleare. Anumite tipuri de turbine cu ardere pot fi configurate pentru pornire neagră, oferind o altă opțiune în locurile fără centrale hidroelectrice adecvate. În 2017, o companie de utilitate din California de Sud a demonstrat cu succes utilizarea unui sistem de stocare a energiei bateriei pentru a oferi o pornire neagră, pornind o turbină cu gaz cu ciclu combinat dintr-o stare inactivă.

Scară

Microrețea

O microrețea este o rețea locală care face de obicei parte din rețeaua sincronă regională extinsă, dar care se poate deconecta și funcționa autonom. Ar putea face acest lucru în momentele în care rețeaua principală este afectată de întreruperi. Acest lucru este cunoscut sub numele de insulă și poate funcționa pe termen nelimitat din propriile resurse.

În comparație cu rețelele mai mari, microrețelele folosesc de obicei o rețea de distribuție cu tensiune mai mică și generatoare distribuite. Microrețelele pot fi nu numai mai rezistente, dar pot fi mai ieftin de implementat în zone izolate.

Un obiectiv de proiectare este ca o zonă locală să producă toată energia pe care o folosește.

Exemple de implementări includ:

  • Hajjah și Lahj , Yemen: microrețele solare deținute de comunitate.
  • Programul pilot Île d'Yeu : șaizeci și patru de panouri solare cu o capacitate de vârf de 23,7 kW pe cinci case și o baterie cu o capacitate de stocare de 15 kWh.
  • Les Anglais , Haiti: include detectarea furtului de energie.
  • Mpeketoni , Kenya: un sistem comunitar de micro-rețea alimentat cu motorină.
  • Stone Edge Farm Winery: micro-turbină, pile de combustie, baterie multiplă, electrolizor cu hidrogen și vinărie PV din Sonoma, California .

Grilă sincronă cu zonă largă

O rețea sincronă de suprafață largă , cunoscută și ca „interconexiune” în America de Nord, conectează direct multe generatoare care furnizează curent alternativ cu aceeași frecvență relativă pentru mulți consumatori. De exemplu, există patru interconexiuni majore în America de Nord (Interconectarea de Vest , Interconectarea de Est , Interconectarea Quebec și Interconectarea Texas ). În Europa, o rețea mare conectează cea mai mare parte a Europei continentale .

O rețea sincronă cu suprafață largă (numită și „interconexiune” în America de Nord) este o rețea electrică la o scară regională sau mai mare, care funcționează la o frecvență sincronizată și este legată electric împreună în condiții normale de sistem. Acestea sunt cunoscute și ca zone sincrone, dintre care cea mai mare este rețeaua sincronă a Europei Continentale (ENTSO-E) cu 667  gigawați (GW) de generare, iar cea mai largă regiune deservită fiind cea a sistemului IPS/UPS care deservește țările din fosta Uniune Sovietica. Rețelele sincrone cu capacitate mare facilitează tranzacționarea pe piața de energie electrică în zone extinse. În ENTSO-E, în 2008, peste 350.000 de megawați oră au fost vânduți pe zi la Bursa Europeană de Energie (EEX).

Fiecare dintre interconexiunile din America de Nord funcționează la o frecvență nominală de 60 Hz, în timp ce cele din Europa rulează la 50 Hz. Interconexiunile învecinate cu aceeași frecvență și standarde pot fi sincronizate și conectate direct pentru a forma o interconexiune mai mare sau pot împărtăși puterea fără sincronizare prin linii de transmisie de curent continuu de înaltă tensiune ( legături DC ) sau cu transformatoare cu frecvență variabilă (VFT) , care permit un flux controlat de energie, izolând și funcțional frecvențele independente de curent alternativ ale fiecărei părți.

Beneficiile zonelor sincrone includ punerea în comun a producției, rezultând costuri de generare mai mici; punerea în comun a sarcinii, rezultând efecte de egalizare semnificative; asigurarea comună a rezervelor, ceea ce duce la costuri mai ieftine ale energiei de rezervă primară și secundară; deschiderea pieței, rezultând posibilitatea unor contracte pe termen lung și schimburi de energie electrică pe termen scurt; și asistență reciprocă în caz de tulburări.

Un dezavantaj al unei rețele sincrone pe suprafață largă este că problemele dintr-o parte pot avea repercusiuni pe întreaga rețea. De exemplu, în 2018, Kosovo a folosit mai multă energie decât a generat din cauza unei dispute cu Serbia , ceea ce a dus la faza în întreaga rețea sincronă a Europei continentale, în urma ceea ce ar fi trebuit să fie. Frecvența a scăzut la 49,996 Hz. Acest lucru a făcut ca anumite tipuri de ceasuri să încetinească cu șase minute.

Super grilă

Un plan conceptual al unei super-rețele care leagă sursele regenerabile din Africa de Nord, Orientul Mijlociu și Europa. ( DESERTEC )

O super-rețea sau o super -rețea este o rețea de transport extinsă care are scopul de a face posibil comerțul cu volume mari de energie electrică pe distanțe mari. Este uneori denumită și mega rețea . Super-rețelele pot sprijini o tranziție energetică globală prin atenuarea fluctuațiilor locale ale energiei eoliene și solare . În acest context, acestea sunt considerate o tehnologie cheie pentru atenuarea încălzirii globale . Super-rețelele folosesc de obicei curent continuu de înaltă tensiune (HVDC) pentru a transmite energie electrică pe distanțe lungi. Cea mai recentă generație de linii electrice HVDC poate transmite energie cu pierderi de doar 1,6% la 1000 km.

Utilitățile electrice dintre regiuni sunt de multe ori interconectate pentru o economie și fiabilitate îmbunătățite. Interconectoarele electrice permit economii de scară, permițând achiziționarea energiei din surse mari și eficiente. Utilitățile pot extrage energie din rezervele generatoarelor dintr-o regiune diferită pentru a asigura o energie continuă și fiabilă și pentru a-și diversifica sarcinile. De asemenea, interconectarea permite regiunilor să aibă acces la energie în vrac ieftină, primind energie din diferite surse. De exemplu, o regiune poate produce energie hidroelectrică ieftină în timpul sezoanelor cu apă mare, dar în anotimpurile cu apă scăzută, o altă zonă poate produce energie mai ieftină prin vânt, permițând ambelor regiuni să acceseze surse de energie mai ieftine una de la alta în diferite perioade ale anului. Utilitățile învecinate îi ajută și pe alții să mențină frecvența generală a sistemului și, de asemenea, ajută la gestionarea transferurilor de legătură între regiunile de utilități.

Nivelul de interconectare a energiei electrice (EIL) al unei rețele este raportul dintre puterea totală a interconectorului și rețea împărțit la capacitatea de producție instalată a rețelei. În cadrul UE, a stabilit un obiectiv ca rețelele naționale să atingă 10% până în 2020 și 15% până în 2030.

Tendințe

Răspuns la cerere

Răspunsul la cerere este o tehnică de gestionare a rețelei în care clienții cu amănuntul sau angro sunt solicitați sau stimulați fie electronic, fie manual pentru a-și reduce sarcina. În prezent, operatorii rețelelor de transport folosesc răspunsul la cerere pentru a solicita reducerea sarcinii de la consumatorii majori de energie, cum ar fi fabricile industriale. Tehnologii precum contorizarea inteligentă pot încuraja clienții să folosească energie atunci când electricitatea este abundentă, permițând prețuri variabile.

Îmbătrânirea infrastructurii

În ciuda noilor aranjamente instituționale și a proiectelor de rețea ale rețelei electrice, infrastructurile sale de livrare a energiei suferă de îmbătrânire în întreaga lume dezvoltată. Factorii care contribuie la starea actuală a rețelei electrice și la consecințele acesteia includ:

  • Echipamente învechite – echipamentele mai vechi au rate mai mari de defecțiuni , ceea ce duce la rate de întrerupere a clienților care afectează economia și societatea; de asemenea, activele și instalațiile mai vechi conduc la costuri mai mari de întreținere a inspecției și costuri suplimentare de reparații și restaurare .
  • Aspectul sistemului învechit – zonele mai vechi necesită amplasamente suplimentare serioase ale substațiilor și drepturi de trecere care nu pot fi obținute în zona actuală și sunt forțate să utilizeze instalațiile existente, insuficiente.
  • Inginerie învechită – instrumentele tradiționale de planificare și inginerie a furnizării de energie sunt ineficiente în abordarea problemelor actuale ale echipamentelor învechite, structurilor învechite ale sistemului și nivelurilor de încărcare dereglementate moderne.
  • Vechea valoare culturală – planificarea , ingineria , operarea sistemului folosind concepte și proceduri care au funcționat într-o industrie integrată vertical exacerbează problema într-o industrie dereglementată.

Generație distribuită

Cu totul interconectat și concurența deschisă care are loc într-o economie de piață liberă , începe să aibă sens să se permită și chiar să încurajeze generarea distribuită (DG). Generatoarele mai mici, care de obicei nu sunt deținute de utilitate, pot fi puse în funcțiune pentru a ajuta la aprovizionarea necesarului de energie. Unitatea de generație mai mică ar putea fi un proprietar de casă cu exces de putere de la panoul solar sau turbina eoliană. Ar putea fi un birou mic cu un generator diesel. Aceste resurse pot fi aduse on-line fie la cererea utilității, fie de către proprietarul generației în efortul de a vinde energie electrică. Mulți producători mici au voie să vândă electricitate înapoi la rețea la același preț pe care l-ar plăti pentru a o cumpăra.

Pe măsură ce secolul 21 progresează, industria de utilități electrice caută să profite de abordări noi pentru a satisface cererea în creștere de energie. Utilitățile sunt sub presiune pentru a-și evolua topologiile clasice pentru a se adapta generației distribuite. Pe măsură ce generarea devine mai comună din generatoarele solare și eoliene de pe acoperiș, diferențele dintre rețelele de distribuție și de transport vor continua să se estompeze. În iulie 2017, CEO-ul Mercedes-Benz a spus că industria energetică trebuie să lucreze mai bine cu companiile din alte industrii pentru a forma un „ecosistem total”, pentru a integra resurse energetice centrale și distribuite (DER) pentru a oferi clienților ceea ce își doresc. Rețeaua electrică a fost construită inițial astfel încât electricitatea să circule de la furnizorii de energie către consumatori. Cu toate acestea, odată cu introducerea DER, energia trebuie să circule în ambele sensuri pe rețeaua electrică, deoarece clienții pot avea surse de energie precum panourile solare.

Retea inteligenta

Rețeaua inteligentă ar fi o îmbunătățire a rețelei electrice din secolul 20, folosind comunicații bidirecționale și așa-numitele dispozitive inteligente distribuite. Fluxurile bidirecționale de energie electrică și informații ar putea îmbunătăți rețeaua de livrare. Cercetarea se concentrează în principal pe trei sisteme ale unei rețele inteligente – sistemul de infrastructură, sistemul de management și sistemul de protecție.

Sistemul de infrastructură este infrastructura energetică, informațională și de comunicații care stă la baza rețelei inteligente care sprijină:

  • Producerea, livrarea și consumul avansat de energie electrică
  • Măsurarea, monitorizarea și managementul informațiilor avansate
  • Tehnologii avansate de comunicare

O rețea inteligentă ar permite industriei energetice să observe și să controleze părți ale sistemului la o rezoluție mai mare în timp și spațiu. Unul dintre scopurile rețelei inteligente este schimbul de informații în timp real pentru a face operarea cât mai eficientă posibil. Ar permite gestionarea rețelei pe toate scalele de timp, de la dispozitive de comutare de înaltă frecvență pe o scară de microsecunde, la variații ale producției eoliene și solare pe o scară de minute, până la efectele viitoare ale emisiilor de carbon generate de producția de energie pe o scară de deceniu.

Sistemul de management este subsistemul din rețea inteligentă care oferă servicii avansate de management și control. Majoritatea lucrărilor existente urmăresc să îmbunătățească eficiența energetică, profilul cererii, utilitatea, costul și emisiile, pe baza infrastructurii prin utilizarea optimizării , învățării automate și a teoriei jocurilor . În cadrul infrastructurii avansate al rețelei inteligente, se așteaptă să apară tot mai multe servicii și aplicații noi de management și, în cele din urmă, să revoluționeze viața de zi cu zi a consumatorilor.

Sistemul de protecție al unei rețele inteligente oferă servicii de analiză a fiabilității rețelei, protecție împotriva defecțiunilor și servicii de securitate și protecție a confidențialității. În timp ce infrastructura suplimentară de comunicații a unei rețele inteligente oferă mecanisme suplimentare de protecție și securitate, prezintă, de asemenea, un risc de atac extern și defecțiuni interne. Într-un raport privind securitatea cibernetică a tehnologiei rețelelor inteligente, produs pentru prima dată în 2010 și actualizat ulterior în 2014, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA a subliniat că capacitatea de a colecta mai multe date despre utilizarea energiei de la contoarele inteligente ale clienților ridică, de asemenea, preocupări majore privind confidențialitatea . , deoarece informațiile stocate la contor, care sunt potențial vulnerabile la încălcări ale datelor , pot fi extrase pentru detalii personale despre clienți.

În SUA, Legea privind Politica Energetică din 2005 și Titlul XIII din Legea privind Independența și Securitatea Energetică din 2007 oferă finanțare pentru a încuraja dezvoltarea rețelelor inteligente. Obiectivul este de a permite utilităților să-și prezică mai bine nevoile și, în unele cazuri, să implice consumatorii într-un tarif pe timp de utilizare. De asemenea, au fost alocate fonduri pentru dezvoltarea unor tehnologii mai robuste de control al energiei.

Dezertarea grilei

Întrucât în ​​sectorul utilităților electrice există o oarecare rezistență la conceptele de generare distribuită cu diverse surse regenerabile de energie și unități cogen la scară microscală , mai mulți autori au avertizat că defecțiunea la scară în masă a rețelei este posibilă deoarece consumatorii pot produce energie electrică folosind sisteme off grid compuse în principal. a tehnologiei solare fotovoltaice .

Institutul Rocky Mountain a propus că ar putea exista defecțiuni pe scară largă a rețelei. Acest lucru este susținut de studii din Midwest. Cu toate acestea, lucrarea subliniază că defectarea rețelei poate fi mai puțin probabilă în țări precum Germania, care au cerințe mai mari de energie în timpul iernii.

Vezi si

Referințe

linkuri externe