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¿Cómo afecta la carga a la frecuencia en la red eléctrica?

Esta historia sobre el uso de reguladores de frecuencia basados en baterías/ruedas libres me confundió sobre cómo se fijaba la frecuencia de 60hz de la red eléctrica norteamericana, diciendo que se mantenía en esa frecuencia equilibrando la carga y el suministro. Yo solía pensar que era sólo la tensión la que se veía afectada por este equilibrio, y que la frecuencia estaba determinada por la velocidad de los rotores del generador. EG ver Página de Wikipedia sobre la sincronización del alternador .

¿Puede alguien ayudarme a entender la física que hay detrás de esto?

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Andrey Puntos 405

La física es en realidad mucho más fácil de lo que parece a primera vista.

Los grupos electrógenos son motores como los que vemos a diario en nuestros coches, cortacéspedes, quitanieves, etc.

Salvo las nuevas fuentes de energía, como algunos sistemas eólicos y solares con inversores electrónicos, la gran mayoría de la energía es suministrada por grandes generadores de corriente alterna que giran en sincronía con la frecuencia de la red. La frecuencia de todos estos generadores será idéntica y está ligada directamente a las RPM de los propios generadores, generalmente 3600 RPM para las turbinas de gas y 1800 RPM para las centrales nucleares. Si hay suficiente potencia en los generadores, la frecuencia puede mantenerse al ritmo deseado (es decir, 50 Hz o 60 Hz, según el lugar).

La potencia de los generadores individuales se adelantará a la red en fase ligeramente en una cantidad que corresponde aproximadamente a la potencia que entregan a la red.

Un aumento de la carga de potencia va acompañado de un aumento simultáneo de la potencia suministrada a los generadores, generalmente mediante la apertura automática por parte de los gobernadores de una válvula de entrada de vapor o gas para suministrar más potencia a la turbina. Sin embargo, si no hay suficiente potencia, incluso durante un breve periodo de tiempo, las RPM del generador y la frecuencia disminuyen.

Esto es muy parecido a lo que le ocurre a un coche con control de crucero si empieza a subir una colina, si la colina no es demasiado empinada se puede mantener la velocidad, una vez que se alcanza el límite del par suministrado por el motor, el coche y el motor reducen la velocidad. Si la producción combinada de todos los generadores no puede suministrar suficiente energía, la frecuencia bajará para toda la red. Todos los generadores se ralentizan al igual que el motor de tu coche en una pendiente.

En el caso de las grandes redes, la presencia de muchos generadores y una gran carga distribuida facilita la gestión de la frecuencia, ya que cualquier carga es un porcentaje mucho menor de la capacidad combinada. En el caso de las redes más pequeñas, la fluctuación de la capacidad será mucho mayor, ya que los retrasos en la adaptación de la potencia suministrada son más difíciles de gestionar cuando las cargas representan un porcentaje relativamente mayor de la potencia generada.

Así que un sistema de baterías como el del artículo está realmente diseñado para evitar que las fluctuaciones a corto plazo de las necesidades de energía hagan caer la frecuencia debido a los retrasos en los gobernadores y generadores que requieren un tiempo finito para ajustarse a las nuevas necesidades de energía. Estas centrales "reguladoras de la frecuencia" pueden suministrar una potencia muy alta durante breves periodos para mantener las necesidades de energía, de modo que los demás generadores no reciban demasiada carga más rápido de lo que pueden responder debido a las limitaciones mecánicas.

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Prateet Puntos 11

Aplicando las ecuaciones de Newton para las masas en rotación a un sistema turbina-generador se obtiene la siguiente expresión ( Samarakoon (después de Kundur).

$J\frac{d^2\theta}{dt^2}=T_m - T_e$

$\theta$ ángulo (rad) del rotor con respecto a una referencia estacionaria.
$J$ : momento de inercia.
$T_m$ : par mecánico de la turbina.
$T_e$ : par eléctrico en el rotor.

La respuesta inercial de un generador se caracteriza por su constante de inercia, H, con unidades de segundos, definida como ( Samarakoon , p40):

la relación de la energía cinética almacenada a la velocidad sincrónica $\omega$ a la kVA o MVA del generador, $S$ .

$$ H = \frac{0.5J\omega^2}{S}$$

Se puede estimar una constante de inercia equivalente para todo un sistema: ( Ekanayake, Jenkins, Strbac )

$$ H_{equivalent} = \sum_{gens} H_{gen}/S_{gen} $$

Un valor para el sistema GB (en 2008) se estimó en 9s (por Samarakoon ), que se prevé que descienda hasta 3s en 2020 con una alta penetración del viento.

Al modelar la respuesta inercial (más comúnmente denominada respuesta en frecuencia), un sistema de potencia puede simplificarse a un función de transferencia ( Ekanayake, Jenkins, Strbac ):

$$ \frac{1}{2H_{equivalent}s +D} $$

$D$ se conoce como Coeficiente de Amortiguación - el término engloba la respuesta de la demanda sensible a la frecuencia ( Mu,Wu,Ekanayake,Jenkins,Jia ).

Para mantener la estabilidad del sistema, la frecuencia debe estar estrechamente controlada. Tradicionalmente, esto se consigue mediante reguladores de estatismo en los generadores de turbina de vapor. Sin embargo, el almacenamiento de energía y la respuesta a la demanda contribuyen cada vez más.

Vea también esta pregunta; https://engineering.stackexchange.com/questions/2245/quantifying-inertia-on-the-electricity-grid

-2voto

Oisin Hurley Puntos 111

Mayor carga en la red -> menor frecuencia global y viceversa

Más información aquí :

Frecuencia y carga

La razón principal para un control preciso de la frecuencia es permitir que el flujo de corriente alterna de múltiples generadores a través de la red. de múltiples generadores a través de la red. La tendencia de la frecuencia del sistema es una medida de desajuste entre la demanda y la generación, por lo que es un parámetro necesario parámetro necesario para el control de la carga en los sistemas interconectados. La frecuencia del sistema variará a medida que cambien la carga y la generación. El aumento de la Aumentar la potencia mecánica de entrada a un generador síncrono no afectará la frecuencia del sistema, pero producirá más energía eléctrica esa unidad. Durante una sobrecarga severa causada por el disparo o el fallo de generadores o líneas de transmisión, la frecuencia del sistema eléctrico la frecuencia del sistema eléctrico disminuirá, debido a un desequilibrio entre la carga y la generación. La pérdida de una interconexión, mientras se exporta energía (en relación con la generación total del sistema) generación total del sistema) hará que la frecuencia del sistema aumente. El control automático de la generación de generación (AGC) se utiliza para mantener la frecuencia programada y los flujos de flujos de energía. Los sistemas de control de las centrales eléctricas detectan los cambios en la frecuencia de la red y ajustan la entrada de potencia mecánica a los generadores de vuelta a su frecuencia objetivo. Esta contrarreforma suele durar unas pocas decenas de segundos debido a las grandes masas giratorias implicadas. Temporalmente Los cambios temporales de frecuencia son una consecuencia inevitable de los cambios en la demanda. Los cambios excepcionales o rápidos de la frecuencia de la red suelen ser una señal de que una red de distribución de electricidad está operando cerca de sus límites de capacidad capacidad, y a veces se pueden observar ejemplos dramáticos poco antes de antes de que se produzcan apagones importantes. Los relés de protección de frecuencia de la red eléctrica red eléctrica detectan la disminución de la frecuencia e inician automáticamente de carga o la desconexión de las líneas de interconexión, para preservar el para preservar el funcionamiento de al menos una parte de la red. Pequeñas desviaciones de frecuencia (por ejemplo, 0,5 Hz en una red de 50 Hz o 60 Hz) darán lugar a una desconexión automática de la carga. de carga u otras acciones de control para restablecer la frecuencia del sistema. Los sistemas de energía más pequeños, que no están ampliamente interconectados con muchos generadores y cargas, no mantendrán la frecuencia con el mismo grado de precisión. Cuando la frecuencia del sistema no se regula estrictamente durante de carga pesada, los operadores del sistema pueden permitir que la frecuencia del sistema de carga, los operadores del sistema pueden permitir que la frecuencia del sistema aumente durante los periodos de carga ligera, para mantener una frecuencia media diaria de precisión aceptable[27]. 27] [28] Los generadores portátiles, que no están no están conectados a una red eléctrica, no necesitan regular estrictamente su frecuencia porque las cargas típicas son insensibles a pequeñas desviaciones desviaciones de frecuencia.

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