¿Qué sucede con el exceso de energía que se alimenta a la red eléctrica?

Las respuestas más simples y directas a la pregunta principal dependen de qué tan "excesiva" sea. Dado que la mayoría de los equipos están diseñados para funcionar dentro de +/- 5% del nominal, la "energía extra" generalmente se disipa como calor, en el propio dispositivo. En el caso de una bombilla (por ejemplo), produce más luz y calor. Si el exceso de energía supera la tolerancia de los dispositivos, se sobrecalentarán y / o quemarán ( causará daños ). Estos resultados se obtendrán independientemente de la causa del "exceso de energía" en la red (rayos, instalaciones solares, energía eólica, etc.).

Para las últimas dos preguntas, si está cargando una batería de 12v con una fuente de 13v, el 1v adicional mantendrá la batería "caliente" después de cargarla a 12v. Si lo está cargando con un suministro no regulado de 24 V, la batería se sobrecalentará, se quemará y posiblemente explotará. Si lo carga con un suministro de sobretensión y de corriente limitada, la batería se cargará a 12 voltios y la energía adicional se disipará como calor en los reguladores de suministro. Una forma de hacer un uso "eficiente" de cualquier "energía extra" sería utilizar un banco de baterías y un cargador "inteligente", que cambiaría la carga a otra batería cuando una esté cargada, y se apagará (desconecte) Cuando todas las baterías en el banco están cargadas. Si no hay interés en ahorrar la energía extra, puede "volcarse" en una carga apropiada y convertirse en calor.

Esto es, como se puede imaginar, no algo que tenga solo una solución y el problema en sí mismo también es bastante complejo. Vamos a descomponerlo.

La red eléctrica, tal como existe ahora en la mayoría de los países civilizados, tiene una estructura jerárquica: en la parte superior están las grandes centrales eléctricas centralizadas, debajo están las redes de distribución de MV a gran escala o los anillos de distribución, luego vienen las redes de la ciudad (generalmente aproximadamente 400kV), que suelen ser redes subterráneas de alta tensión, redes de vecindario (20kV o tensión de red multifase) y luego las redes de 'código postal' de baja tensión que distribuyen 115 / 230V. Por supuesto, como su pregunta ya implica, esta jerarquía supone un flujo de energía neta desde la central eléctrica hasta el hogar, y no al revés.

La mayoría de la generación de energía descentralizada (paneles solares no comerciales, turbinas eólicas y similares) ocurre a nivel de la casa, es decir, produce 115 / 230VAC y la bombea a la red eléctrica. La mayoría de las veces esto está bien porque la potencia generada es mucho menor que la potencia consumida y el flujo de energía neto sigue en la dirección correcta. Rara vez, pero más a menudo en la actualidad debido al bajo precio de la energía solar, la cantidad de energía generada es mayor que la potencia consumida en el nivel del código postal. Básicamente para todas las redes de energía esto no es un gran problema en realidad. Los transformadores utilizados para convertir MV en 115 / 230V son solo transformadores lineales y funcionan tan bien en una dirección como en la otra. Casi nunca tienen PFC u otros parámetros dependientes de la dirección del flujo, así que está bien.

El problema con el que la mayoría de las redes eléctricas están lidiando mal, es lo que sucede en un paso por encima de eso. Aquí llegamos al paso de conversión de la red subterránea de la ciudad a bloques más pequeños, y estas estaciones de transformadores en la actualidad a menudo tienen PFC o al menos algún tipo de mecanismo de desacoplamiento para asegurarnos de que la interferencia de la red de la ciudad no vuelva a la potencia HV líneas como lo haría a través de un transformador lineal. Si esta unidad genera más energía de la que consume, esa energía no puede (generalmente) ir a ninguna parte, o al menos no puede hacerlo por medio de una electrónica muy costosa, que no es fácil de reemplazar en todas partes. La respuesta refleja del sistema es lanzar un interruptor y separar esta unidad del resto de la red. Por supuesto, esto no 'matará' a esta unidad; la potencia generada simplemente aumentará la tensión en esta red hasta el límite de seguridad de los inversores de potencia (generalmente tensión nominal + 5-7%) y muy a menudo desestabilizará la frecuencia de CA. Pero la energía seguirá estando allí hasta que pase una nube, la rejilla caiga por debajo de los voltajes y los inversores solares se apagarán. Este problema se denomina problema de generación de islas y es muy difícil de resolver sin una inteligencia adicional en la red eléctrica y los inversores (es decir, redes inteligentes).

Sin embargo, como puede ver en este párrafo anterior, la energía adicional no necesariamente va a ninguna parte. Si se produce una situación en una isla, se requiere que los inversores no solo descarguen toda la energía disponible en la red, sino que también se modulen a sí mismos cuando la red alcance un cierto voltaje. Cuando esa nube finalmente pase, se apagarán y la situación se resolverá.

Existen mecanismos alternativos de protección. Algunos países tienen interruptores de cortocircuito que pueden activarse con señales especiales (DTMF) a través de la línea eléctrica. Cuando se crea una isla, pueden cortocircuitar la red eléctrica a tierra y oscurecer una sección de la red inmediatamente. Sin embargo, esto no es una práctica muy segura, ya que a menudo causa picos inductivos en la red eléctrica que pueden dañar tanto la red como la electrónica del hogar. Hoy en día esto se usa raramente. Sin embargo, es un mecanismo de protección importante para los generadores de energía que no regulan bien su salida y pueden causar una situación de sobretensión.

En Alemania, este mayo, el precio pagado por la energía renovable en realidad se volvió negativo , ya que tenían demasiado de ella. En otras palabras, les estaban cobrando a los productores por tomar el exceso de energía. Así que lidiaron con el exceso de energía incentivando a los productores a no empujarlos a la red, lo cual es fácil con la energía solar y es posible con la energía eólica.

Los diferentes métodos de generación tienen diferentes constantes de tiempo: las plantas nucleares como las que se ejecutan de forma horizontal, la puesta en marcha y la parada llevan mucho tiempo. La hidroeléctrica se puede alterar rápidamente en la salida redirigiendo o ahogando el flujo de agua. Las plantas térmicas (solía tener una cerca) tienen una constante de tiempo más prolongada, por lo que si pierde repentinamente la carga (lo que hace que las turbinas se estén ralentizando), la energía almacenada en el vapor debe ser ventilada (¡en voz alta!) Para evitar que los generadores Spooling fuera de control. Por lo que sé, no intentan absorber la energía eléctrica, aunque hice un estudio de factibilidad en la instrumentación para un sumidero de energía masivo que absorbería enormes cantidades de energía (es divertido hacer instrumentos que funcionen con voltajes de modo común de 100 de kv).

Almacenar energía en grandes cantidades de manera razonablemente eficiente es un problema muy difícil, sin una solución obvia. Las baterías / inversores distribuidos y el método de la vieja escuela de bombear agua cuesta arriba hacia una presa para almacenarla, y dejar que se precipite a través de las turbinas y los generadores para recuperarla (algunos de ellos) son un par de métodos.

Permítanme reformular estos artículos en términos que faciliten su comprensión y su contexto. Veo estos artículos como el equivalente a "Acabo de comprar un nuevo Ferrari, hay un problema grave porque tengo que reemplazar las pastillas de freno, ya que la potencia de salida de mi motor es demasiado alta cuando me acerco a una luz de freno".

La respuesta simple es: "quita el pie del acelerador". es decir, deja de producir energía cuando no puedes usarla.

Realmente no hay problema con el exceso de producción, hay un problema con el exceso de entrega, solo necesitan enviar una señal a los productores para que "dejen de poner energía en la red". De hecho, algunos controladores de panel solar utilizan el sombreado en la nube para predecir la cantidad de energía que se producirá en los próximos 10 o 15 minutos y señalar que reenviar a la autoridad de la red.

Este tipo de artículos no son útiles. Hay serios problemas con la red principal y los vínculos de interconexión que pueden resolverse simplemente aprobando leyes y gastando dinero. Contar con productores de energía eólica a través de la ejecución de su sistema de control tiene soluciones mucho más simples.

Es un problema complicado con una variedad de respuestas.

Incluso sin soluciones implementadas, existe cierta tolerancia para un desajuste entre la oferta y la demanda. Demasiada demanda / muy poca oferta) reducirá el voltaje y la frecuencia en la red desde su punto habitual de 50Hz / 60Hz / cualquiera que sea la red de su país. Por el contrario, demasiada oferta / poca demanda aumentará la frecuencia. Una pequeña cantidad de desviación de frecuencia no es un problema significativo. En Nueva Zelanda, la red eléctrica es de 50 hz, pero la red está bien con frecuencias que oscilan entre los 49 y los 52 hz. Fuera de esto, puedes tener serios problemas. Más específicamente, si desciende por debajo de 49 hz, esto puede dañar los generadores, que se apagarán o aislarán automáticamente. Esto significa que la frecuencia de la red se reduce aún más, ya que hay menos oferta, lo que provoca una reacción en cadena y, finalmente, un colapso total de la red.

Para evitar que esto ocurra, los operadores del mercado pagan a las personas para que realicen una variedad de servicios. Estos difieren de un país a otro, pero nuevamente, usaré NZ como ejemplo.

Mantenimiento de frecuencia: actúa tanto para aumentar como para disminuir la frecuencia de la red, según sea necesario. Para usar una analogía de conducción, observe a alguien mientras gobiernan. Están constantemente haciendo pequeños movimientos con la rueda, probablemente no son conscientes de esto, reaccionan a la posición de la rueda para mantener el auto recto cuando pasa sobre pequeños baches en la carretera. Tradicionalmente, esto lo han llevado a cabo generadores, que funcionan a menos del 100% de su capacidad, capaces de variar su salida con un segundo tiempo de respuesta.

Reservas: en Nueva Zelanda, las 'reservas' deben obtenerse en todo momento para mantener la red en caso de una situación N-1, ya sea la pérdida del generador más grande o la pérdida de las líneas de transmisión entre Las islas norte y sur. En Europa, el continente en su conjunto opera en una situación N-2, lo que representa la pérdida de 2 grandes plantas nucleares. Estas reservas pueden tomar la forma de generadores que funcionan por debajo de la capacidad y pueden aumentar rápidamente, o (más barato y rápido) demandar recursos de respuesta: sitios que están dispuestos a reducir la carga según sea necesario para mantener la red. Estos recursos generalmente están segregados por el tiempo de respuesta y la cantidad de tiempo durante el cual pueden sostener el cambio. NZ tiene un mercado rápido (tiempo de respuesta de 1 segundo para cargas, tiempo de respuesta de 6 s para generadores sostenidos durante 1 minuto) y un mercado sostenido (tiempo de respuesta de 60 segundos pero sostenido por más tiempo, hasta aproximadamente 30 minutos). Volviendo a la analogía del automóvil, aquí es donde su automóvil choca contra un gran chichón y lo desvía hacia un árbol: debe girar la rueda hacia atrás para regresar a la carretera (pero no gire demasiado). Terminaré golpeando un árbol al otro lado de la carretera).

Para lidiar con los picos - Generación de picos o respuesta de demanda tradicional - para usar nuestra analogía de automóvil, hay una esquina en la carretera. Podemos verlo venir desde muy lejos, y necesitamos hacer un gran giro para permanecer en el camino. Estas son las olas de calor de verano, las olas de frío invernal, los picos de la tarde, etc. Esto se puede cumplir con una variedad de tecnologías. Por lo general, la mayor parte proviene de generadores de picos, que se ejecutan solo unos pocos días al año. Una vez más, la respuesta a la demanda entra en juego: a menudo es más económico cerrar una fábrica durante 20 horas al año que construir un nuevo generador de picos y actualizar las líneas de transmisión

Trabajo en el tema y creo que puedo ayudar a explicar esto.

Lo explicaré usando la analogía del agua:

Flujo de corriente eléctrica - > Caudal de agua

Voltaje - > presión

Dijo esto,

Si tiene una red con nodos y sucursales; Los nodos son donde el agua se inyecta y se resta de la red, y las ramas son las tuberías.

(En las redes eléctricas, las tuberías son transformadores y líneas, mientras que los nodos son los nodos o barras de distribución)

Si tiene inyección de "agua" en un nodo que originalmente fue diseñado para el consumo, entonces la presión en las tuberías podría aumentar hasta un nivel donde las tuberías se rompen. (Esto sería la producción solar a nivel doméstico) De la misma manera, un consumo excesivo en un nodo puede disminuir la presión de las tuberías y el sistema no funcionará.

La forma de lidiar con esto es almacenar el excedente de energía y suministrarlo cuando sea necesario, es por eso que las baterías son el holly grail de las energías renovables.

La enorme penetración de renovables es una situación que los operadores de redes y las compañías eléctricas están en contra porque les obliga a adoptar nuevos enfoques para un trabajo que han estado haciendo durante un siglo con pocos cambios radicales como los que necesitan hacer. (Mi opinión)

Espero que esto sea lo suficientemente claro, de lo contrario, puedo explicar las cosas con más detalle ya que este es mi trabajo diario.

[EDITAR: ¿Por qué se rompen las tuberías?]

Bueno, como usted solicitó, voy a ir un poco más en detalle aquí:

Cada elemento de la rama (líneas y transformadores) tiene un límite en la cantidad de corriente que puede atravesar sin sobrecalentarse y prenderse fuego. Esta corriente nominal se puede sobrepasar por un período de tiempo limitado, por lo que una sobrecarga no es un evento de vida o muerte, si no dura demasiado (las sobrecargas también disminuyen la vida de los elementos)

Por otra parte, el voltaje debe estar dentro de un + -5% del voltaje nominal de un nodo, esto es 230V + -5% por fase (en Europa, en EE. UU. es 125?). La generación de energía en un nodo aumenta la tensión en ese nodo y en los nodos vecinos (para la misma situación de carga) El aumento de la demanda en un nodo disminuye la tensión en ese nodo y sus vecinos). Esta es la razón por la que si pongo una cantidad masiva de paneles solares en casa, podría tener problemas de voltaje en mi casa y en las casas de mis vecinos. Este problema se puede mitigar con la programación adecuada del firmware del inversor, pero no existe una regulación al respecto en muchos países, por lo que existen problemas que las personas no han escuchado pero son muy reales.

¿Pero por qué el voltaje tiene que estar en tal límite? Bueno, este límite es una restricción de seguridad establecida por los operadores de red. Si el voltaje en las tomas de su casa es demasiado alto, podría romper la electrónica de potencia de sus dispositivos (TV de la PC, etc.) si el voltaje es demasiado bajo, los dispositivos electrónicos podrían no funcionar o incluso romperse. Una bombilla incandescente brilla más en alta tensión y menos brillante en baja tensión.

Dime si se necesitan más detalles. Santi.

Tenemos niveles de alto voltaje para transportar energía y bajos niveles de volatilidad como 230 V para la distribución de energía. A medida que se construyó la red y la mayor parte del tiempo de hoy, la potencia va de la parte de alta a baja volatilidad de la red. Un tarnsformer distribuye el poder a varias casas en un pueblo o ciudad. A este bajo voltaje no hay seguridad N-1, solo hay un transformador y muchas casas alrededor. Debido a que la corriente pasa de un voltaje alto a uno más bajo, el voltaje más alto está en el transformador. A lo sumo (cualquiera que yo sepa), transformadores antiguos, este voltaje es constante. Para utilizar completamente el rango de +/- 5%, el voltaje en el tarnsformer es aproximadamente + 4/5%. En el camino a las casas, el voltaje puede caer hasta un 10% y con un -5% todo está bien. Si ahora una gran cantidad de Photovoltaik produce más energía que la que se consume en esta área, la energía tiene que ir a la red sobre el transformador. Pero aún así, la corriente fluye hacia el transformador, lo que significa que es el punto con el voltaje más bajo, no el más alto. Por lo tanto, el voltaje puede ser fácilmente alto y los dispositivos fotovoltaicos deben apagarse (un alto voltaje podría dañar cualquier dispositivo en esta área). Al usar / instalar transformadores ajustables, en este caso no hay problemas, el voltaje en el tarnsformer solo necesita ser ajustado a, por ejemplo. -4%. Pero son bastante caros.

Creo que otra buena analogía es que se puede pensar en una gran planta de energía (carga base) como un automóvil que está siendo conducido cuesta arriba a toda velocidad. Alcanzará una cierta velocidad (frecuencia de red) y en ese punto requerirá que mantenga el pedal en el piso para mantener esa velocidad de manera indefinida. Ahora, si la colina comienza a nivelarse y deja su pie en el suelo, la velocidad aumentará y tendrá que levantar el gas para bajar la velocidad. Esto sería como el aumento de la frecuencia de la red y la generación de energía se reduciría (las unidades de pico se apagan). Por otro lado, si la pendiente se hace más empinada (aumenta la carga en la red), el automóvil se ralentiza (la frecuencia cae) pero ya está acelerando al máximo. Lo único que puedes hacer ahora para volver a la velocidad es tener otro auto empujado. Eso sería una unidad en horas pico en línea.