La red eléctrica: ¿qué evita que los generadores de energía pequeños sean 'impulsados' por los grandes?

Esta es una pregunta de dos partes y pertenece a la generación de energía:

• ¿Qué impide que una planta más grande (digamos nuclear) convierta un generador de gas pequeño en un motor eléctrico y conduzca la corriente a través de él? (¿diodos desagradablemente grandes?)

• ¿Cómo se mantiene toda la cartera de generadores de energía sincronizados / en fase con la red para producir una onda de CA?

Editar : la segunda parte parece estar ya respondida aquí . Agradecería una respuesta clara y convincente para la primera parte todavía.

Respuesta corta: sincronizadores

Básicamente, la retroalimentación se usa para mantener el generador y la red sincronizados.

Hay muchas maneras de hacer esto. Un buen resumen está aquí .

Prácticamente todos los sistemas modernos de generación de energía utilizan alguna forma de controlador digital para la tarea. Mi inversor de panel solar conectado a la red tiene un microcontrolador clase PIC18F que gestiona algunos relés de estado sólido (SSR) si no recuerdo mal.

Diseño moderno de central eléctrica común

Aquí está mi resumen de lo que creo que es el enfoque básico más común para el diseño moderno de plantas de generación de energía. Figura y texto adaptado de:

"Fundamentos y avances en los sistemas de sincronización de generadores", Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 9 de diciembre de 2010.

En la figura...

• Las devoluciones no se muestran
• G1, G2 son los generadores
• Cuadrados 1,2,3,4 son relés
• Bus1, Bus2 son buses de alimentación de salida (redundantes)
• Las unidades MGPS son fuentes de reloj sincronizadas por GPS para sincronizar los generadores
• A25A es la unidad de medición y control (contiene un microprocesador)

Cómo funciona...

Los componentes modernos basados ​​en microprocesador y el equipo de sincronización "digital", como los sincrofasores, han revolucionado la forma en que se diseñan los sistemas de sincronización de generadores.

Por ejemplo...

1. El "A25A" en la figura es un sincronizador automático basado en microprocesador con seis entradas de detección de voltaje monofásicas aisladas e independientes que eliminan la necesidad de cambiar físicamente las señales de voltaje.

2. Los relés 1,2,3,4 "digitales" proporcionan transmisión de datos de sincrofasores.

3. La comunicación de relé a relé en el A25A le permite ubicarse cerca del interruptor de sincronización con las señales de control enviadas de regreso a los dispositivos que ralentizan (regulador) o aceleran (excitan) el mecanismo generador a través de enlaces de fibra óptica.

Tiempo y control ...

La capacidad de construir sistemas de monitoreo y control utilizando enlaces de comunicaciones de fibra óptica de bajo costo ha cambiado por completo los sistemas de sincronización del generador.

Los relés "digitales" toman medidas sincronizadas directas. Las mediciones sincronizadas de fasores son mediciones del ángulo de fase de las cantidades del sistema de potencia en relación con una referencia de tiempo universal.

Hoy, la referencia de tiempo precisa requerida para realizar esta medición del ángulo de fase se obtiene fácilmente de los relojes satelitales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de grado de relé de protección.

La tecnología de sincrofasor permite comparar las lecturas de voltaje de varios dispositivos en toda la estación de energía para determinar la diferencia angular. Los datos se pueden transmitir a velocidades de hasta 60 mensajes por segundo con baja latencia.

Desde que la funcionalidad de la unidad de medición fasorial (PMU) en los relés de protección se introdujo por primera vez en 2000, se han vuelto casi ubicuas, y los datos de sincrofasores están disponibles en casi todas partes sin costo adicional para el propietario de la planta de energía.

Una computadora dedicada, que ejecuta el software de concentrador de datos de sincrofasores (PDC), puede recibir datos de transmisión de los diversos relés basados ​​en microprocesador aplicados para la protección y el control de los interruptores de sincronización.

Al igual que el sincronizador automático basado en microprocesador puede seleccionar los voltajes apropiados para cada escenario de sincronización de aquellos conectados a sus seis terminales de entrada, el PDC puede seleccionar las señales adecuadas en sus flujos de datos entrantes para los voltajes entrantes y en funcionamiento en función de la selección del operador del generador y disyuntor a sincronizar.

No se requiere conmutación de señal física. Y las mediciones de voltaje del sincrofasor de los relés de control del interruptor son independientes de las mediciones del sincronizador automático, lo que hace que los sistemas sean redundantes.

Lag-Lead

@Kaz había proporcionado un buen resumen de motores / generadores directamente esclavos en los comentarios (documentados aquí para la posteridad ;-)):

Esto es como preguntar, ¿qué impide que los remeros esclavos en un bote dejen pasivamente sus remos a la deriva con el agua y no hagan ningún trabajo? Bueno, hay un tipo que toca un tambor, por lo que todos tienen que tirar con la misma frecuencia o ser azotados. Si los esclavos se vuelven perezosos, el bote disminuirá la velocidad, y pronto, no podrán mantener esa frecuencia de remo sin ejercer fuerza sobre el agua para acelerar el bote nuevamente, o dejar que sus golpes sean tan obviamente pequeños (para que coincidan la velocidad lenta en relación con el agua) que todos reciben una paliza del guardia.

Entonces, supongamos que dos generadores están suministrando una red. Uno de los generadores es un poco vago, por lo que simplemente gira junto con la frecuencia: evita ser conducido, pero no realiza ningún trabajo. Entonces, la demanda en la red aumenta. El otro generador se atasca y se ralentiza. El perezoso, perezoso como es, todavía está comprometido a mantener la frecuencia. Dado que la frecuencia de la red se ha ralentizado ligeramente, eso significa que el vago ahora está activado: está presionando el ritmo para ayudar a acelerar la red, por lo tanto, se activa. Es muy parecido a cuando las personas combinan fuerzas para remar un bote o tirar de una carga.

En las centrales eléctricas modernas, continuando nuestra discusión previa, el enfoque es arquitectónicamente simple: cada generador está esclavo de una referencia de tiempo global .

Como se explicó anteriormente, los generadores están bloqueados en fase a un reloj global. Cada uno de ellos se responsabiliza individualmente de que su salida esté en un cierto ángulo de fase en un momento determinado.

Si son demasiado rápidos, un dispositivo llamado gobernador que está conectado al generador aplica una fuerza de frenado. Si es demasiado lento, un excitador adjunto agrega energía para acelerar el generador.

Como nota al margen, puede implementar ambas funciones en el mismo dispositivo en algunas arquitecturas. Por ejemplo, con un mecanismo de rotación mecánica, puede conectar un motor eléctrico al eje y resistir (gobernar) o ayudar (excitar) la rotación conduciendo el motor conectado en reversa o hacia adelante respectivamente.

Dado que todos los generadores están funcionando en fase con la misma referencia de tiempo, se logra la sincronización.

Desconexión de carga

Puedo entender la sincronización, ¿puede explicar cómo 'se asegura de que el generador esté impulsando la corriente en lugar de recibirla'?

Esta parte es intuitiva. Mire la Ley de Ohm o las Leyes de Kerckhoff ...

Si dos fuentes de voltaje están sincronizadas, significa que producen el mismo voltaje al mismo tiempo. Si un cable perfecto conecta dos fuentes de voltaje al mismo voltaje, fluirá corriente cero en ese cable.

Si conecta un generador "grande" y un generador "pequeño", solo está describiendo una diferencia en la corriente máxima al mismo voltaje generado.

A medida que el generador más pequeño se sobrecarga, su voltaje caerá. En los generadores rotativos, esto produce una reducción en la frecuencia (el rotor se desacelera) ya que la carga eléctrica aplica una fuerza de frenado mecánico a través del electroimán.

En cualquier caso, los sincronizadores detectan la condición de sobrecarga como una pérdida de sincronización y desconectan el generador. Esto se llama "deslastre de carga". Como se puede ver, las funciones de desconexión sólo hace que el problema es peor para los generadores restantes y el problema puede conectar en cascada.

Esto es lo que sucedió durante el apagón de NorthEast de 2003 , aunque el evento fue causado, entre muchas cosas, por una falla del software que era demasiado agresiva con el desprendimiento de carga en lugar de la sobrecarga real.

No hay diodos, no en el sistema de CA normal. No estoy seguro de que puedas construirlos tan grandes.

En cuanto a la planta grande versus la planta pequeña, el funcionamiento normal del sistema los mantiene en fase; Si su generador funciona ligeramente, encontrará más resistencia y retrocederá EMF, lo que tenderá a ralentizarlo. Si está un poco retrasado, hay menos resistencia y es libre de acelerar.

Al iniciar una planta, es muy importante ponerla en fase (consulte el enlace del Dr. FriedParts) antes de conectarla. De lo contrario, se destruirá algo grande y costoso.

Iniciar una planta sin una referencia de cuadrícula es un problema; ver "Black Start", por ejemplo, http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf