Apa yang terjadi dengan kelebihan energi yang dimasukkan ke dalam jaringan listrik?

Pertanyaan terdekat untuk ini adalah penggunaan Linear dari pembangkit listrik berlebih .

Saya bukan insinyur jadi saya mungkin tidak dapat mengutarakan hal ini dengan benar dan akan menghargai jawaban yang mengasumsikan pengetahuan latar belakang minimal (saya hanya memiliki pemahaman dasar tentang tegangan, transformer, dll). Pertanyaan muncul dari semua pembicaraan tentang angin variabel dan kekuatan yang berpotensi mengganggu grid.

Sebagai contoh, lihat artikel Sambungan Listrik 2012 Peningkatan cepat dalam instalasi surya berpotensi membebani jaringan yang membahas potensi "aliran daya terbalik" dan juga berbicara tentang semacam perangkat "pelindung jaringan". Juga ada artikel serupa tentang Hawaii The Nightmare Interkoneksi di Hawaii dan Why It Matters to US Residential PV Industry , yang mengatakan satu-satunya "keprihatinan konkret yang diidentifikasi oleh pengalaman Hawaii adalah potensi tegangan berlebih transien pada pengumpan - pada dasarnya singkat durasi tegangan spike ".

Saya ingin tahu tentang apa yang terjadi di sini terkait dengan jaringan besar dan di lingkungan mikro. Sebagai contoh, katakanlah saya memiliki baterai yang terisi penuh dan saya terus mengalirkan listrik ke dalamnya. Apa yang terjadi? Apakah ada perangkat yang akan mengalihkan atau menghilangkan listrik sebagai panas tanpa merusak apa pun? Saya menemukan beberapa pertanyaan serupa secara online tetapi jawabannya tidak terlalu jelas.

Jawaban paling sederhana dan langsung untuk pertanyaan utama tergantung pada seberapa "berlebihan" itu. Karena sebagian besar peralatan dirancang untuk beroperasi dalam +/- 5% dari nominal, "energi ekstra" biasanya hilang sebagai panas, dalam perangkat itu sendiri. Dalam hal bola lampu (misalnya), ia menghasilkan lebih banyak cahaya dan panas. Jika kelebihan energi melampaui toleransi perangkat, mereka akan menjadi terlalu panas dan / atau terbakar ( menyebabkan kerusakan ). Hasil ini akan diperoleh terlepas dari apa yang menyebabkan "energi berlebih" di grid (petir, instalasi surya, tenaga angin, dll.).

Untuk dua pertanyaan terakhir, jika Anda mengisi baterai 12v dengan sumber 13v, tambahan 1v akan membuat baterai "hangat" setelah diisi 12v. Jika Anda mengisinya dengan pasokan 24v yang tidak diatur, baterai akan menjadi terlalu panas, terbakar, dan mungkin meledak. Jika Anda mengisi daya dengan suplai tegangan berlebih dan terbatas saat ini, baterai akan terisi daya hingga 12v dan energi ekstra akan hilang karena panas dalam regulator suplai. Salah satu cara Anda dapat menggunakan "energi" tambahan "efisien", adalah dengan menggunakan bank baterai dan pengisi daya "pintar", yang akan mengalihkan pengisian daya ke baterai lain ketika baterai sedang diisi daya, dan mematikan (memutuskan sambungan) ketika semua baterai di bank terisi. Jika tidak ada minat dalam menghemat energi ekstra, itu bisa "dibuang"

Ini, seperti yang Anda bayangkan, bukan sesuatu yang hanya memiliki satu solusi dan masalahnya sendiri cukup rumit. Mari kita jabarkan.

Jaringan listrik seperti yang ada sekarang di sebagian besar negara beradab memiliki struktur hierarkis: di atas ada pembangkit listrik besar yang terpusat, di bawahnya terdapat jaringan distribusi MV skala besar atau cincin distribusi, kemudian muncul jaringan kota (biasanya sekitar 400kV) yang biasanya HV bawah tanah, jaringan lingkungan (20kV atau tegangan listrik multi-fase) dan kemudian jaring 'kode pos' tegangan rendah yang mendistribusikan 115 / 230V. Tentu saja, seperti yang sudah disiratkan oleh pertanyaan Anda, hierarki ini mengandaikan aliran energi bersih dari pembangkit listrik ke rumah, dan bukan sebaliknya.

Pembangkit listrik yang paling terdesentralisasi - panel surya non-komersial, turbin angin dan sejenisnya - terjadi di tingkat rumah, yaitu memproduksi 115 / 230VAC dan memompanya ke pasokan listrik. Sebagian besar waktu ini baik-baik saja karena daya yang dihasilkan jauh lebih sedikit daripada daya yang dikonsumsi dan aliran energi bersih masih dalam arah yang benar. Jarang, tetapi lebih sering saat ini karena harga rendah matahari, jumlah daya yang dihasilkan lebih dari daya yang dikonsumsi pada tingkat kode pos. Pada dasarnya semua jaring listrik ini sebenarnya tidak terlalu menjadi masalah. Transformator yang digunakan untuk mengubah MV menjadi 115 / 230V hanya transformer linier dan mereka bekerja dengan baik dalam satu arah seperti mereka bekerja di yang lain. Mereka hampir tidak pernah memiliki PFC atau parameter lain arah arah aliran jadi tidak masalah.

Masalah yang dihadapi sebagian besar jaringan listrik adalah apa yang terjadi pada satu langkah di atas itu. Di sini kita sampai pada langkah konversi dari jaringan kota bawah tanah ke blok yang lebih kecil, dan stasiun-stasiun transformator ini sekarang sering memiliki PFC atau setidaknya semacam mekanisme pelepasan untuk memastikan bahwa gangguan dari jaringan kota tidak kembali ke daya HV. garis seperti itu akan melalui transformator linier. Jika unit ini menghasilkan lebih banyak daya daripada yang dikonsumsi, energi itu tidak dapat (secara umum) pergi ke mana pun, atau paling tidak ia berhenti melakukannya dengan elektronik yang sangat mahal dan tidak mudah diganti di mana pun. Respons refleks sistem adalah melempar sakelar dan memisahkan unit ini dari sisa grid. Tentu saja, ini tidak akan 'membunuh' unit ini; daya yang dihasilkan hanya akan memompa tegangan pada grid ini hingga batas keamanan inverter daya (biasanya tegangan nominal + 5-7%) dan sangat sering itu akan mengacaukan frekuensi AC. Tetapi daya akan terus berada di sana sampai awan berlalu, grid turun di bawah tegangan berwarna coklat dan inverter surya semua mati dengan sendirinya. Masalah ini disebut masalah generasi pulau dan sangat sulit untuk diselesaikan tanpa kecerdasan tambahan di jaringan listrik dan inverter (yaitu smart grid).

Namun, seperti yang Anda lihat pada paragraf sebelumnya, energi ekstra tidak harus pergi ke mana pun. Jika terjadi situasi pulau, inverter tidak hanya diminta untuk membuang semua energi yang tersedia di grid, tetapi juga memodulasi diri ketika grid mencapai tegangan tertentu. Ketika awan itu akhirnya lewat, mereka akan mematikan diri dan situasinya teratasi.

Ada mekanisme perlindungan alternatif. Beberapa negara memiliki saklar korslet yang dapat dihubungkan dengan sinyal khusus (DTMF) melalui saluran listrik. Ketika sebuah pulau dibuat, mereka dapat memendekkan jaringan listrik ke tanah dan segera mematikan bagian dari jaringan. Namun ini bukan praktik yang sangat aman, karena hal ini sering menyebabkan lonjakan induktif pada jaringan listrik yang dapat merusak jaringan listrik dan elektronik rumah tangga. Saat ini jarang digunakan. Namun ini merupakan mekanisme perlindungan penting bagi generator listrik yang tidak mengatur outputnya dengan baik dan dapat menyebabkan situasi tegangan berlebih.

Di Jerman bulan Mei ini, harga yang dibayarkan untuk energi terbarukan benar-benar berayun negatif , karena terlalu banyak. Dengan kata lain, mereka meminta produsen untuk mengambil kelebihan energi. Jadi mereka berurusan dengan kelebihan energi dengan memberi insentif kepada produsen untuk tidak mendorongnya ke grid - yang mudah dengan tenaga surya, dan mungkin dengan tenaga angin.

Metode pembangkit yang berbeda memiliki konstanta waktu yang berbeda - pembangkit nuklir suka kehabisan tenaga dan start-up dan shutdown membutuhkan banyak waktu. Pembangkit listrik tenaga air dapat dengan cepat diubah dalam output dengan mengarahkan atau tersedak aliran air. Pembangkit termal (saya dulu punya satu di dekatnya) memiliki konstanta waktu yang lebih lama jadi jika Anda tiba-tiba kehilangan beban (yang memperlambat turbin turun), energi yang tersimpan dalam uap harus diventilasi (keras!) Untuk menjaga generator dari spooling di luar kendali. Mereka tidak berusaha menyerap energi listrik, sejauh yang saya tahu, meskipun saya melakukan studi kelayakan pada instrumentasi untuk wastafel energi besar-besaran yang akan menyerap energi dalam jumlah sangat besar (sangat menyenangkan membuat instrumen yang bekerja dengan mode mode tegangan umum). 100 untuk kV).

Menyimpan energi dalam jumlah besar secara efisien dan efisien adalah masalah yang sangat sulit, tanpa solusi yang jelas. Baterai / inverter terdistribusi dan metode lama memompa air ke atas bendungan untuk menyimpannya, dan membiarkannya mengalir melalui turbin dan generator untuk memulihkan (beberapa) itu adalah beberapa metode.

Biarkan saya ulangi artikel ini dalam istilah yang membuatnya lebih mudah untuk dipahami dan meletakkannya dalam konteks. Saya melihat artikel ini setara dengan "Saya baru saja membeli Ferrari baru, ada masalah serius karena saya harus terus mengganti bantalan rem karena output daya dari mesin saya terlalu banyak ketika saya mendekati lampu berhenti".

Jawaban sederhananya adalah - "lepaskan kakimu dari pedal gas". yaitu berhenti menghasilkan daya ketika Anda tidak dapat menggunakannya.

Benar-benar tidak ada masalah dengan kelebihan produksi, ada masalah dengan pengiriman berlebihan, mereka hanya perlu memberi sinyal kembali ke produsen "berhenti menempatkan listrik di jaringan". Bahkan beberapa pengontrol panel surya menggunakan cloud shadowing untuk memprediksi berapa banyak daya yang akan dihasilkan dalam 10 atau 15 menit ke depan dan memberi sinyal bahwa meneruskan ke otoritas grid.

Artikel semacam ini tidak membantu. Ada masalah serius dengan jaringan utama dan ikatan interkoneksi yang hanya dapat diselesaikan dengan mengesahkan undang-undang dan menghabiskan uang. Memiliki produsen tenaga angin untuk menjalankan sistem kontrol Anda memiliki solusi yang jauh lebih sederhana.

Ini masalah rumit dengan beragam jawaban.

Bahkan tanpa ada solusi, ada beberapa toleransi untuk ketidakcocokan penawaran-permintaan. Terlalu banyak permintaan / pasokan yang terlalu sedikit) akan menjatuhkan tegangan dan frekuensi pada jaringan dari tempat biasanya 50 Hz / 60 Hz / apa pun sumber listrik negara Anda. Sebaliknya, terlalu banyak pasokan / terlalu sedikit permintaan akan meningkatkan frekuensi. Sejumlah kecil penyimpangan frekuensi bukanlah masalah yang signifikan. Di Selandia Baru, listrik adalah 50 hz, tetapi grid baik-baik saja dengan frekuensi berkisar antara sekitar 49 - 52 hz. Di luar ini, Anda dapat memiliki masalah serius. Paling khusus, jika Anda pergi di bawah 49 hz, ini dapat merusak generator, yang secara otomatis akan mematikan atau mengisolasi diri. Ini berarti bahwa frekuensi grid turun lebih banyak lagi, karena pasokannya lebih sedikit, menyebabkan reaksi berantai dan akhirnya kolaps total grid.

Untuk mencegah hal ini terjadi, operator pasar membayar orang untuk melakukan berbagai layanan. Ini berbeda di setiap negara, tetapi sekali lagi, saya akan menggunakan NZ sebagai contoh.

Frequency Keeping - ini berfungsi untuk menambah dan mengurangi frekuensi kisi, sesuai kebutuhan. Untuk menggunakan analogi mengemudi, perhatikan seseorang saat mereka menyetir. Mereka terus-menerus membuat gerakan kecil dengan roda, mereka mungkin tidak sadar akan hal ini, mereka bereaksi terhadap posisi roda untuk menjaga mobil tetap lurus saat melewati gundukan kecil di jalan. Ini secara tradisional telah dilakukan oleh generator, beroperasi pada kapasitas kurang dari 100%, mampu memvariasikan outputnya dengan waktu respons sub detik.

Cadangan - Di Selandia Baru, 'cadangan' harus diperoleh setiap saat untuk menjaga jaringan jika terjadi situasi N-1 - baik kehilangan generator terbesar, atau hilangnya saluran transmisi antara Utara dan Kepulauan Selatan. Di Eropa, benua secara keseluruhan beroperasi pada situasi N-2, mewakili hilangnya 2 pembangkit nuklir besar. Cadangan ini dapat berupa generator yang berjalan di bawah kapasitas dan dapat meningkat dengan cepat, atau (lebih murah dan cepat) menuntut sumber daya respons - situs yang bersedia mengurangi beban sebagaimana diperlukan untuk memelihara jaringan. Sumber daya ini biasanya dipisahkan oleh waktu tanggapan dan jumlah waktu mereka dapat mempertahankan perubahan. NZ memiliki pasar yang cepat (waktu respons 1 detik untuk muatan, waktu respons 6 detik untuk generator yang dipertahankan selama 1 menit), dan pasar yang berkelanjutan (waktu respons 60 detik tetapi bertahan lebih lama - hingga sekitar 30 menit). Kembali ke analogi mobil, di sinilah mobil Anda menabrak gundukan besar, membelokkan Anda ke arah pohon - Anda harus merenggut roda ke belakang dengan cara lain untuk kembali ke jalan (tapi jangan berbelok terlalu jauh atau Anda ' akhirnya akan menabrak pohon di seberang jalan).

Berurusan dengan puncak - Puncak generasi atau respons permintaan tradisional - untuk menggunakan analogi mobil kami, ada sudut di jalan. Kita dapat melihatnya datang dari jauh, dan kita perlu melakukan putaran besar untuk tetap berada di jalan. Ini adalah gelombang panas musim panas, buncis dingin musim dingin, puncak malam, dll. Ini dapat dipenuhi dengan berbagai teknologi. Biasanya, sebagian besar dari generator memuncak, yang hanya berjalan beberapa hari setahun. Sekali lagi, respons permintaan ikut berperan - seringkali lebih murah untuk menutup pabrik selama 20 jam setahun daripada membangun sebuah generator peaking baru dan meningkatkan jalur transmisi

Saya bekerja di subjek, dan saya pikir saya bisa membantu menjelaskan ini.

Saya akan menjelaskannya menggunakan analogi air:

Aliran arus listrik -> Aliran air

Tegangan -> tekanan

Mengatakan ini,

Jika Anda memiliki jaringan dengan node, dan cabang; simpul adalah tempat air disuntikkan dan dikurangi dari jaringan, dan ranting-rantingnya adalah pipa.

(Dalam jaringan listrik, pipa adalah transformator dan garis, sedangkan simpul adalah simpul atau busbar)

Jika Anda memiliki injeksi "air" di sebuah simpul yang awalnya dirancang untuk konsumsi, maka tekanan dalam pipa mungkin meningkat hingga ke tingkat di mana pipa pecah. (Ini akan menjadi produksi surya di tingkat rumah tangga) Dengan cara yang sama, terlalu banyak konsumsi pada satu simpul dapat menurunkan tekanan pipa terlalu banyak dan sistem tidak akan bekerja.

Cara mengatasi hal ini adalah dengan menyimpan kelebihan energi dan memasoknya saat dibutuhkan, itulah sebabnya baterai menjadi sumber energi terbarukan yang paling penting.

Penetrasi besar yang dapat diperbarui adalah situasi yang ditentang oleh operator jaringan dan perusahaan listrik karena memaksa mereka untuk mengadopsi pendekatan baru terhadap pekerjaan yang telah mereka lakukan selama seabad dengan sedikit perubahan radikal seperti yang harus mereka lakukan. (Pendapat saya)

Saya harap ini cukup jelas, kalau tidak saya bisa menjelaskan lebih jauh karena ini adalah pekerjaan saya sehari-hari.

[EDIT: Mengapa pipanya pecah?]

Baik seperti yang Anda minta, saya akan sedikit lebih detail di sini:

Setiap elemen cabang (garis & transformator) memiliki batas dalam jumlah arus yang dapat mengalir meskipun tanpa panas berlebih dan terbakar. Arus nominal ini dapat dilewati untuk waktu yang terbatas, sehingga kelebihan bukan merupakan peristiwa hidup atau mati, jika tidak berlangsung terlalu lama (Kelebihan beban juga mengurangi umur elemen)

Di sisi lain, tegangan harus berada dalam + -5% dari tegangan nominal sebuah node, ini adalah 230V + -5% per fase (Di Eropa, di AS adalah 125?). Menghasilkan daya dalam sebuah simpul meningkatkan tegangan di simpul itu dan di simpul tetangga (Untuk situasi beban yang sama) Peningkatan permintaan di simpul mengurangi tegangan di simpul itu dan tetangganya). Inilah sebabnya mengapa jika saya menempatkan sejumlah besar panel surya di rumah saya mungkin mendapatkan masalah tegangan di rumah saya dan di rumah tetangga saya. Masalah ini dapat dikurangi dengan pemrograman firmware inverter yang tepat, tetapi tidak ada peraturan tentang hal itu di banyak negara, jadi ada masalah yang belum pernah didengar orang tetapi sangat nyata.

Tetapi mengapa tegangan harus dalam batas seperti itu? Nah batas ini adalah kendala keamanan yang ditetapkan oleh operator jaringan. Jika tegangan di soket rumah Anda terlalu tinggi, ini dapat merusak daya elektronik perangkat Anda (TV PC, dll.) Jika tegangan terlalu rendah, perangkat elektronik mungkin tidak berfungsi atau bahkan pecah juga. Bola lampu pijar bersinar lebih terang pada tegangan tinggi, dan kurang terang pada tegangan rendah.

Beri tahu saya jika diperlukan detail lebih lanjut. Santi.

Kami memiliki level tegangan tinggi untuk mengangkut energi dan level volatge rendah seperti 230V untuk distribusi daya. Ketika grid dibangun dan sebagian besar waktu saat ini, daya beralih dari bagian volatge tinggi ke rendah. Satu tarnsformer mendistribusikan daya ke beberapa rumah di desa atau kota. Pada tegangan rendah ini tidak ada N-1-saftey, hanya ada satu trafo dan banyak rumah di sekitarnya. Karena arus beralih dari tegangan tinggi ke rendah, tegangan tertinggi adalah pada transformator. Paling-paling (apa pun yang saya tahu), tranformers lama tegangan ini konstan. Untuk sepenuhnya menggunakan +/- 5% Range, tegangan pada tarnsformer sekitar + 4/5%. Dalam perjalanan ke rumah-rumah, tegangan bisa turun hingga 10% dan dengan -5% semuanya baik-baik saja. Jika sekarang banyak Photovoltaik menghasilkan lebih banyak daya daripada yang dikonsumsi di daerah ini, Daya harus masuk ke jaringan melalui transformator. Namun, arus mengalir ke arah transformator, yang berarti bahwa itu adalah titik dengan yang terendah, bukan tegangan tertinggi. Oleh karena itu tegangan dapat dengan mudah menjadi tinggi dan photovoltaiks harus dimatikan (ke tegangan tinggi dapat merusak perangkat yang diproduksi di area ini). Dengan menggunakan / memasang transformer yang dapat disesuaikan, case ini tidak membuat masalah, tegangan pada tarnsformer hanya perlu disesuaikan dengan mis -4%. Tapi harganya cukup mahal.

Saya pikir analogi lain yang baik adalah bahwa Anda dapat memikirkan pembangkit listrik besar (beban dasar) seperti mobil yang sedang didorong ke atas bukit dengan kecepatan penuh. Ini akan mencapai kecepatan tertentu (frekuensi grid) dan pada saat itu akan mengharuskan Anda menjaga pedal ke lantai untuk mempertahankan kecepatan itu tanpa batas. Sekarang jika bukit mulai naik turun dan Anda meninggalkan kaki Anda di lantai kecepatan akan meningkat dan Anda perlu mengangkat gas untuk membawa kecepatan kembali turun. Ini akan seperti frekuensi grid meningkat dan pembangkit listrik akan berkurang (memuncak unit dimatikan). Di sisi lain, jika bukit semakin curam (beban di grid bertambah) mobil melambat (frekuensi turun) tetapi Anda sudah dalam kecepatan penuh. Satu-satunya hal yang dapat Anda lakukan sekarang untuk kembali ke kecepatan adalah memiliki dorongan mobil lain. Itu akan menjadi unit puncak yang mengantri.