¿Cómo los proveedores de la red eléctrica controlan el voltaje y la frecuencia?

Los devanados del rotor controlan el voltaje de salida y la velocidad de rotación de la armadura establece la frecuencia de salida. El diablo está en el detalle, por supuesto.

El devanado de campo en la imagen anterior está en el rotor: un voltaje de CC establece la corriente de excitación y produce efectivamente un imán giratorio cuando se gira el rotor. Esto induce voltajes en los tres devanados del estator y estos voltajes, se convierten en el suministro trifásico que sale del generador.

Esto está muy simplificado, por supuesto.

La frecuencia todavía está controlada, y lo que es más interesante, ya que cada generador de la red debe estar sincronizado con todos los demás. Esto implica ajustes muy precisos y menores a la rotación de un generador hasta que todas las fases coincidan y luego lo cambien a la red. Una vez sincronizado, tiende a permanecer allí. El resultado de traer un generador de 500MVA y una turbina fuera de sincronía son muy serios. Me contaron historias de que el generador y la turbina aplanaron un camino de millas a través del bosque en Canadá cuando sus cojinetes fallaron debido al impacto de esto.

Aquí hay una respuesta corta y simple:

Los operadores de la red controlan la frecuencia al ordenar que se entreguen más o menos generación (vatios) a la red. Si la frecuencia de la red está cayendo por debajo del objetivo (generalmente 50Hz o 60Hz), solicitarán más generación a los generadores que están en línea y programados para el servicio de regulación de frecuencia.

Los operadores de la red controlan la tensión ordenando que se entregue más o menos potencia reactiva a la red. Si la tensión de la red cae por debajo de la tensión objetivo, solicitarán que se inyecte más energía reactiva (kVAR) en la red. Esto podría ser de generadores, o de bancos de reactancia capacitiva.

En realidad, los operadores de la red realmente no controlan el voltaje per se. En general, en cualquier punto del sistema, se conocen las características de la red y se contrata a los generadores para que suministren un cierto número de VAR con su potencia (vatios), o hay condensadores instalados en ubicaciones estratégicas de la red que suministran la cantidad necesaria. VARs. Lo único de lo que normalmente se preocupan los operadores de red es la regulación de frecuencia, y lo hacen programando los generadores para que comiencen y se detengan. Si el voltaje de la red cambia significativamente, entonces el sistema podría estar colapsando, pero es probable que uno vea que la frecuencia colapsa primero.

Se contrata a todos los generadores para mantener el voltaje en su punto de interconexión a un valor acordado para ofrecer el mejor voltaje de red. Para que el generador controle el voltaje, ese solo generador variará los VAR según sea necesario para mantener el voltaje en su punto de conexión. Del mismo modo, todos los otros generadores están haciendo lo mismo.

Responderé esto desde el punto de vista del operador de un sistema de transmisión (los proveedores de electricidad), ya que creo que eso es lo que está preguntando.

Frecuencia:

El control de frecuencia involucra una serie de factores, desde los bucles de control en las estaciones generadoras individuales (gobernadores y similares) hasta la administración general de la red. Mi respuesta se centrará en la gestión general de la red.

La frecuencia en la red se correlaciona directamente con el balance de potencia. Probablemente haya escuchado que la electricidad debe producirse y consumirse al mismo tiempo. No puedes almacenar electricidad en el sistema eléctrico.

Esto es parcialmente cierto.

Suponga que tiene un sistema de energía de 50 Hz en equilibrio, lo que significa que su inyección de energía (producción e importación) equivale a su consumo de energía (consumo, pérdidas y exportación).

Si de repente pierde una gran carga, por ejemplo, una gran planta industrial, tendrá más producción que consumo. El resultado inmediato de esto es que la frecuencia en la cuadrícula comienza a aumentar.

(Analogía: Conduce un automóvil remolcando un remolque cargado a una velocidad constante a lo largo de una carretera recta. Ahora, si ese remolque se cae repentinamente y no compensa presionando el encendedor al acelerador, comenzará a acelerar).

Afortunadamente, la mayoría de las cuadrículas son rígidas . Tienen cientos, miles o millones de motores rotativos y generadores conectados a él. Has perdido la planta de la industria, dándote sobreproducción. Ese exceso de energía hará que la frecuencia aumente. Como es imposible aumentar la frecuencia en solo una parte de la red (excepto el comportamiento transitorio), debe aumentar la frecuencia de todos motores y generadores en toda la red. Aumentar la frecuencia de la red solo en una fracción de un Hertz requiere una gran cantidad de energía, lo que le da a los operadores del sistema algo de tiempo para tomar medidas correctivas (recuerde que hay una diferencia entre la potencia y la energía).

Los operadores del sistema ahora verán cómo pueden restablecer el equilibrio. Después de evaluar la confiabilidad del sistema, el principio N-1, etc., le pedirá a uno o varios productores que rechacen su producción. Simplemente pedirán (o mejor dicho) a los productores que produzcan menos poder.

Del mismo modo, si desea volver a conectar la planta de la industria a la red, se pedirá a los productores que vuelvan a aumentar la producción.

Es posible que esté interesado en el velocímetro que se muestra en la página principal de Statnett, el operador de sistemas de transmisión de Noruega. Muestra la frecuencia en la red eléctrica nórdica en tiempo real .

Voltaje

Esta es una historia muy diferente. El voltaje varía mucho y usted puede tener un voltaje excesivo en un lugar, y solo unos kilómetros de distancia tienen un voltaje bajo.

Ignoraré las fluctuaciones a corto plazo y, más bien, analizaré la perspectiva del tiempo más largo (la respuesta dinámica y transitoria es bastante compleja).

El voltaje en un sistema de potencia depende (casi exclusivamente) de potencia reactiva . Potencia reactiva es la parte de la potencia que no da como resultado trabajo que se está realizando (esto se llama Active power , y es la parte que discutimos en la frecuencia "capítulo").

Los operadores del sistema han instalado bancos de capacitores, compensación de var estática y más , que puede utilizarse para inyectar la cantidad deseada de potencia reactiva en el sistema. Algunos de estos son estáticos, como lo indican los nombres, mientras que otros se ajustan automáticamente (o manualmente) en función del nivel de voltaje en la estación en la que se encuentra.

Además de esto, los operadores del sistema pueden ajustar los taps en los transformadores. Algunos transformadores tienen cambiadores de tomas manuales, mientras que otros tienen cambio automático. Al cambiar el grifo de los transformadores, normalmente puede subir o bajar la tensión hasta un 10% (+/- 5%).

Luego tenemos reguladores de voltaje que actúan directamente sobre los generadores, que aumentarán o disminuirán la magnetización del estator o rotor para ajustar el voltaje de salida.

Todos estos combinados (y más) están a disposición del operador del sistema (aunque algunos son estáticos).