A rede elétrica: o que impede os pequenos geradores de energia de serem "acionados" por grandes?

Esta é uma pergunta em duas partes e diz respeito à geração de energia:

• O que impede uma usina maior (digamos nuclear) de transformar um gerador de gás de bits em um motor elétrico e acionar corrente por ele? (diodos desagradáveis?)

• Como todo o portfólio de geradores de energia fica em sincronia / fase com a rede para produzir uma onda CA?

Edit : a segunda parte parece já estar respondida aqui . Eu apreciaria uma resposta clara e convincente para a primeira parte ainda.

Resposta curta: Sincronizadores

Basicamente, o feedback é usado para manter o gerador e a grade sincronizados.

Há muitas maneiras de fazer isso. Uma boa visão geral está aqui .

Praticamente todos os sistemas modernos de geração de energia usam algum tipo de controlador digital para a tarefa. Meu inversor de painel solar ligado à rede possui um microcontrolador da classe PIC18F, gerenciando alguns relés de estado sólido (SSR), se bem me lembro.

Design moderno da central elétrica

Aqui está meu resumo do que eu acredito ser a abordagem básica mais comum para o projeto moderno de usina de geração de energia. Figura e texto adaptados de:

"Fundamentos e avanços nos sistemas de sincronização de geradores", Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 9 de dezembro de 2010.

Na figura...

• Os retornos não são mostrados
• G1, G2 são os geradores
• Os quadrados 1,2,3,4 são relés
• Bus1, Bus2 são barramentos de saída de força (redundantes)
• As unidades MGPS são fontes de relógio sincronizadas com GPS para cronometrar os geradores
• A25A é a unidade de medição e controle (contém um microprocessador)

Como funciona...

Os componentes modernos baseados em microprocessador e o equipamento de sincronização "digital", como os sincrofasores, revolucionaram a maneira como os sistemas de sincronização de geradores são projetados.

Por exemplo...

1. O "A25A" na figura é um sincronizador automático baseado em microprocessador com seis entradas isoladas e independentes de detecção de tensão monofásica que elimina a necessidade de alternar fisicamente os sinais de tensão.

2. Os relés 1,2,3,4 "digitais" fornecem dados de sincronização de fasores de streaming.

3. A comunicação relé a relé no A25A permite que ele seja localizado próximo ao disjuntor de sincronização com sinais de controle enviados aos dispositivos que diminuem a velocidade (governador) ou aceleram (excitam) o mecanismo do gerador por meio de links de fibra óptica.

Tempo e controle ...

A capacidade de criar sistemas para monitoramento e controle usando links de comunicações de fibra óptica de baixo custo mudou completamente os sistemas de sincronização de geradores.

Os relés "digitais" fazem medições sincronizadas diretas. Medições de fasor sincronizadas são medições do ângulo de fase das quantidades do sistema de potência em relação a uma referência de tempo universal.

Hoje, a referência de tempo exata necessária para fazer essa medição do ângulo de fase é facilmente obtida a partir dos relógios por satélite do Sistema de Posicionamento Global (GPS) com grau de relé de proteção.

A tecnologia Synchrophasor permite que as leituras de tensão de vários dispositivos em toda a usina sejam comparadas quanto à diferença angular. Os dados podem ser transmitidos a taxas de até 60 mensagens por segundo com baixa latência.

Desde que a funcionalidade da unidade de medição fasorial (PMU) nos relés de proteção foi introduzida pela primeira vez em 2000, eles se tornaram quase onipresentes, e os dados de sincrofasores estão disponíveis em quase todos os lugares, sem custos adicionais para o proprietário da usina.

Um computador dedicado, executando o software PDC (synchrophasor data concentrator), pode receber dados de streaming dos vários relés baseados em microprocessador aplicados para proteção e controle dos disjuntores sincronizados.

Assim como o sincronizador automático baseado em microprocessador pode selecionar as voltagens apropriadas para cada cenário de sincronização daqueles conectados a seus seis terminais de entrada, o PDC pode selecionar os sinais adequados em seus fluxos de dados recebidos para as voltagens recebidas e em execução com base na seleção do operador do gerador e disjuntor a serem sincronizados.

Nenhuma troca de sinal físico é necessária. E as medições de tensão dos síncrofasores dos relés de controle do disjuntor são independentes das medições do sincronizador automático, o que torna os sistemas redundantes.

Lag-Lead

O @Kaz forneceu um bom resumo dos motores / geradores diretamente escravizados nos comentários (documentados aqui para a posteridade ;-)):

É como perguntar: o que impede os remadores de escravos em um barco de deixarem passivamente os remos à deriva com a água e não fazerem nenhum trabalho? Bem, há um cara que bate um tambor e todo mundo tem que puxar na mesma frequência ou ser chicoteado. Se os escravos ficarem preguiçosos, o barco diminuirá a velocidade e, em breve, eles não serão capazes de manter essa frequência de remo sem exercer força na água para acelerar o barco novamente, ou deixar que seus golpes sejam obviamente tão pequenos (para combinar a baixa velocidade em relação à água) que todos recebem um chicote do guarda.

Então, suponha que dois geradores estejam fornecendo uma grade. Um dos geradores é um pouco preguiçoso e, portanto, gira junto com a frequência: evita ser acionado, mas não faz nenhum trabalho. Então, a demanda na rede aumenta. O outro gerador fica atolado e fica mais lento. O preguiçoso, por mais preguiçoso que seja, ainda está comprometido em manter a frequência. Como a frequência da rede diminuiu um pouco, isso significa que a preguiçosa está engatada: está pressionando o ritmo para ajudar a acelerar a grade, engatando assim. É como quando as pessoas combinam forças para remar um barco ou puxar uma carga

Nas modernas usinas de energia, continuando nossa discussão anterior, a abordagem é simples de arquitetura: cada gerador é escravo de uma referência de tempo global .

Como explicado acima, os geradores são bloqueados de fase para um relógio global. Cada um deles é individualmente responsável por sua saída estar em um determinado ângulo de fase em um determinado momento.

Se eles forem muito rápidos, um dispositivo chamado governador que está conectado ao gerador aplica uma força de frenagem. Se muito lento, um excitador conectado adiciona energia para acelerar o gerador.

Como uma observação lateral, você pode implementar as duas funções no mesmo dispositivo em algumas arquiteturas. Por exemplo, com um mecanismo de rotação mecânico, você pode conectar um motor elétrico ao eixo e resistir (governar) ou ajudar (excitar) a rotação acionando o motor conectado em marcha à ré ou para frente, respectivamente.

Dado que todos os geradores estão funcionando em fase com a mesma referência de tempo, a sincronização é alcançada.

Derramamento de carga

Entendo a sincronização, você pode explicar como 'garante que o gerador está empurrando a corrente para fora em vez de receber a corrente'?

Esta parte é intuitiva. Veja a Lei de Ohm ou as Leis de Kerckhoff ...

Se duas fontes de tensão estão sincronizadas, significa que produzem a mesma tensão ao mesmo tempo. Se um fio perfeito conectar duas fontes de tensão na mesma tensão, a corrente zero fluirá nesse fio.

Se você conectar um gerador "grande" e um gerador "pequeno", estará apenas descrevendo uma diferença na corrente máxima na mesma voltagem gerada.

À medida que o gerador menor fica sobrecarregado, sua tensão cai. Nos geradores rotativos, isso resulta em uma redução na frequência (o rotor diminui), pois a carga elétrica aplica uma força de frenagem mecânica através do eletroímã.

Nos dois casos, os sincronizadores detectam a condição de sobrecarga como uma perda de sincronização e desconectam o gerador. Isso é chamado de "derramamento de carga". Como você pode ver, apenas a de rejeição de cargas torna o problema pior para os geradores restantes eo problema pode cascata.

Foi o que aconteceu durante o NorthEast Blackout de 2003 , embora o evento tenha sido causado por, entre muitas coisas, uma falha de software sendo muito agressiva com a perda de carga em vez da sobrecarga real.

Não há diodos, não no sistema CA normal. Não tenho certeza se você pode construí-los tão grande.

Quanto à planta grande versus planta pequena, a operação normal do sistema os mantém em fase; se o seu gerador estiver levando um pouco, ele encontrará mais resistência e EMF de volta, o que tenderá a desacelerá-lo. Se você está um pouco atrasado, há menos resistência e é gratuito para acelerar.

Ao iniciar uma planta, é muito importante colocá-la em fase (veja o link do Dr. FriedParts) antes de conectá-la. Não fazer isso destruirá algo grande e caro.

Iniciar uma planta sem uma referência à grade é um problema; consulte "Black Start", por exemplo, http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf