Das Stromnetz: Was hält kleine Stromerzeuger davon ab, von großen „angetrieben“ zu werden?

Dies ist eine zweiteilige Frage, die sich auf die Stromerzeugung bezieht:

• Was hindert eine größere Anlage (z. B. eine Kernkraftanlage) daran, einen kleinen Gasgenerator in einen Elektromotor umzuwandeln und Strom durch ihn zu treiben ? (widerlich große Dioden?)

• Wie bleibt das gesamte Portfolio an Stromerzeugern synchron mit dem Netz, um eine Wechselstromwelle zu erzeugen?

Bearbeiten : der zweite Teil scheint bereits beantwortet werden hier . Ich würde mich über eine klare und überzeugende Antwort für den ersten Teil noch freuen.

Kurze Antwort: Synchronisierer

Grundsätzlich wird Feedback verwendet, um den Generator und das Netz synchron zu halten.

Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun. Eine schöne Übersicht finden Sie hier .

Nahezu alle modernen Stromerzeugungssysteme verwenden für diese Aufgabe eine Art digitalen Controller. Mein netzgebundener Solarpanel-Wechselrichter verfügt über einen Mikrocontroller der PIC18F-Klasse, der einige Halbleiterrelais (SSR) verwaltet, wenn ich mich richtig erinnere.

Gemeinsames modernes Kraftwerksdesign

Hier ist meine Zusammenfassung dessen, was meiner Meinung nach der häufigste grundlegende Ansatz für das moderne Kraftwerksdesign ist. Abbildung und Text angepasst aus:

"Grundlagen und Fortschritte bei Generatorsynchronisationssystemen", Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 9. Dezember 2010.

In der Figur...

• Rücksendungen werden nicht angezeigt
• G1, G2 sind die Generatoren
• Die Quadrate 1,2,3,4 sind Relais
• Bus1, Bus2 sind ausgehende Strombusse (redundant)
• MGPS-Einheiten sind GPS-synchronisierte Taktquellen zum Timing der Generatoren
• A25A ist die Mess- und Steuereinheit (enthält einen Mikroprozessor)

Wie es funktioniert...

Moderne mikroprozessorbasierte Komponenten und "digitale" Steuergeräte wie Synchrophasoren haben die Konstruktion von Generatorsynchronisationssystemen revolutioniert.

Beispielsweise...

1. Der "A25A" in der Abbildung ist ein automatischer Synchronisierer auf Mikroprozessorbasis mit sechs isolierten und unabhängigen einphasigen Spannungserfassungseingängen, der das physikalische Schalten von Spannungssignalen überflüssig macht.

2. Die 1,2,3,4 "digitalen" Relais liefern Streaming-Synchrophasordaten.

3. Die Relais-zu-Relais-Kommunikation im A25A ermöglicht die Platzierung in der Nähe des Synchronisationsschalters mit Steuersignalen, die an die Geräte zurückgesendet werden, die den Generatormechanismus über Glasfaserverbindungen verlangsamen (Regler) oder beschleunigen (Erreger).

Timing und Kontrolle ...

Die Fähigkeit, Systeme zur Überwachung und Steuerung unter Verwendung kostengünstiger Glasfaser-Kommunikationsverbindungen zu bauen, hat die Generatorsynchronisationssysteme vollständig verändert.

Die "digitalen" Relais nehmen direkt synchronisierte Messungen vor. Synchronisierte Zeigermessungen sind Messungen des Phasenwinkels von Netzgrößen relativ zu einer universellen Zeitreferenz.

Heutzutage wird die genaue Zeitreferenz, die für diese Phasenwinkelmessung erforderlich ist, leicht von GPS-Satellitenuhren (Global Positioning System) mit Schutzrelaisqualität erhalten.

Mit der Synchrophasor-Technologie können Spannungswerte von verschiedenen Geräten im gesamten Kraftwerk auf Winkeldifferenzen verglichen werden. Die Daten können mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 Nachrichten pro Sekunde und geringer Latenz gestreamt werden.

Seit der Einführung der PMU-Funktionalität (Phasor Measurement Unit) in Schutzrelais im Jahr 2000 sind sie nahezu allgegenwärtig, und Synchrophasordaten sind für den Kraftwerksbesitzer fast überall ohne zusätzliche Kosten verfügbar.

Ein dedizierter Computer, auf dem die PDC-Software (Synchrophasor Data Concentrator) ausgeführt wird, kann Streaming-Daten von den verschiedenen mikroprozessorbasierten Relais empfangen, die zum Schutz und zur Steuerung der Synchronisationsschalter eingesetzt werden.

So wie der mikroprozessorbasierte automatische Synchronisierer die geeigneten Spannungen für jedes Synchronisationsszenario aus den an seine sechs Eingangsanschlüsse verdrahteten auswählen kann, kann der PDC die richtigen Signale in seinen eingehenden Datenströmen für die eingehenden und laufenden Spannungen basierend auf der Auswahl des Bedieners auswählen Generator und Leistungsschalter müssen synchronisiert werden.

Es ist keine physikalische Signalumschaltung erforderlich. Die Messungen der Synchrophasorspannung von den Leistungsschalter-Steuerrelais sind unabhängig von den Messungen des automatischen Synchronisierers, wodurch die Systeme redundant werden.

Lag-Lead

@Kaz hatte in den Kommentaren eine schöne Zusammenfassung der direkt sklavierten Motoren / Generatoren bereitgestellt (hier für die Nachwelt dokumentiert ;-)):

Das ist wie zu fragen, was die Sklavenruderer in einem Boot davon abhält, ihre Ruder nur passiv mit dem Wasser treiben zu lassen und keine Arbeit zu erledigen? Nun, es gibt einen Mann, der eine Trommel schlägt, und deshalb muss jeder mit der gleichen Frequenz ziehen oder ausgepeitscht werden. Wenn die Sklaven faul werden, wird das Boot langsamer und bald können sie diese Ruderfrequenz nicht mehr aufrechterhalten, ohne Kraft auf das Wasser auszuüben, um das Boot wieder zu beschleunigen, oder ihre Schläge so offensichtlich klein sein zu lassen (passend) die langsame Geschwindigkeit relativ zum Wasser), dass sie alle eine Peitsche von der Wache bekommen.

Angenommen, zwei Generatoren versorgen ein Netz. Einer der Generatoren ist etwas faul und dreht sich nur mit der Frequenz: Er vermeidet das Fahren, leistet aber keine Arbeit. Dann steigt die Nachfrage im Netz. Der andere Generator bleibt hängen und wird langsamer. Der Faule, so faul er auch ist, ist immer noch bestrebt, die Frequenz aufrechtzuerhalten. Da sich die Netzfrequenz leicht verlangsamt hat, bedeutet dies, dass die Faule jetzt eingeschaltet ist: Sie beschleunigt das Tempo, um das Netz zu beschleunigen, und wird dadurch eingeschaltet. Es ist fast so, als würden Leute Kräfte bündeln, um ein Boot zu rudern oder eine Ladung zu ziehen

In modernen Kraftwerken ist der Ansatz, der unsere vorherige Diskussion fortsetzt, architektonisch einfach: Jeder Generator ist einer globalen Zeitreferenz zugeordnet .

Wie oben erläutert, sind die Generatoren an eine globale Uhr phasenverriegelt. Sie sind jeweils einzeln dafür verantwortlich, dass sich ihre Ausgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Phasenwinkel befindet.

Wenn sie zu schnell sind, übt ein Gerät, das als Regler bezeichnet wird und am Generator angebracht ist, eine Bremskraft aus. Wenn zu langsam, fügt ein angeschlossener Erreger Energie hinzu, um den Generator zu beschleunigen.

Nebenbei bemerkt, Sie können in einigen Architekturen beide Funktionen auf demselben Gerät implementieren. Mit einem mechanischen Drehmechanismus können Sie beispielsweise einen Elektromotor an der Achse anbringen und der Drehung widerstehen (regeln) oder sie unterstützen (anregen), indem Sie den angebrachten Motor rückwärts bzw. vorwärts antreiben.

Da alle Generatoren mit derselben Zeitreferenz in Phase laufen , wird eine Synchronisierung erreicht.

Laden Sie Shedding

Ich kann die Synchronisierung verstehen. Können Sie erklären, wie "sichergestellt wird, dass der Generator Strom herausdrückt, anstatt Strom aufzunehmen"?

Dieser Teil ist intuitiv. Schauen Sie sich das Ohmsche Gesetz oder die Kerckhoffschen Gesetze an ...

Wenn zwei Spannungsquellen synchron sind, bedeutet dies, dass sie gleichzeitig dieselbe Spannung erzeugen. Wenn ein perfekter Draht zwei Spannungsquellen mit derselben Spannung verbindet, fließt in diesem Draht kein Strom.

Wenn Sie einen "großen" Generator und einen "kleinen" Generator anschließen, beschreiben Sie nur eine Differenz des Maximalstroms bei derselben erzeugten Spannung.

Wenn der kleinere Generator überlastet wird, fällt seine Spannung ab. Bei rotierenden Generatoren führt dies zu einer Verringerung der Frequenz (der Rotor verlangsamt sich), da die elektrische Belastung eine mechanische Bremskraft durch den Elektromagneten ausübt.

In beiden Fällen erkennen die Synchronisierer den Überlastungszustand als Synchronisationsverlust und trennen den Generator. Dies wird als "Lastabwurf" bezeichnet. Wie Sie sehen können, verschlimmert der Lastabwurf das Problem nur für die verbleibenden Generatoren, und das Problem kann kaskadieren.

Dies geschah während des NorthEast Blackout 2003 , obwohl das Ereignis unter anderem durch einen zu aggressiven Softwarefehler mit Lastabwurf als durch tatsächliche Überlastung verursacht wurde.

Es gibt keine Dioden, nicht im normalen Wechselstromsystem. Ich bin mir nicht sicher, ob du sie so groß bauen könntest.

Die normale Anlage im Vergleich zur kleinen Anlage wird durch den normalen Betrieb des Systems in Phase gehalten. Wenn Ihr Generator leicht führt, stößt er auf mehr Widerstand und Gegen-EMK, was dazu führt, dass er langsamer wird. Wenn Sie etwas zurückbleiben, gibt es weniger Widerstand und es ist frei, zu beschleunigen.

Wenn Sie eine Anlage in Betrieb nehmen, ist es sehr wichtig, sie in Phase zu bringen (siehe den Link von Dr. FriedParts), bevor Sie sie anschließen. Wenn Sie dies nicht tun, wird etwas Großes und Teueres zerstört.

Das Starten einer Anlage ohne Gitterreferenz ist ein Problem. siehe "Black Start", z. B. http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf