Широкозонная синхронная сеть (также называемая « взаимосвязью » в Северной Америке ) представляет собой трехфазную электроэнергетическую сеть регионального масштаба или больше, которая работает на синхронизированной частоте коммунальной сети и электрически связана вместе в нормальных условиях системы. Также известна как синхронные зоны , самой мощной является Северная китайская государственная сеть с 1700 гигаваттами (ГВт) генерирующей мощности, в то время как самый широкий обслуживаемый регион — это система IPS/UPS, обслуживающая большинство стран бывшего Советского Союза. Синхронные сети с достаточной мощностью облегчают торговлю электроэнергией на больших территориях. В ENTSO-E в 2008 году на Европейской энергетической бирже (EEX) было продано более 350 000 мегаватт-часов в день . [1]
Соседние соединения с одинаковой частотой и стандартами могут быть синхронизированы и напрямую соединены для формирования более крупного соединения, или они могут делиться питанием без синхронизации через высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (DC-связи), твердотельные трансформаторы или частотно-регулируемые трансформаторы (VFT), которые позволяют контролировать поток энергии, а также функционально изолируют независимые частоты переменного тока каждой стороны. Каждое из соединений в Северной Америке синхронизировано на номинальной частоте 60 Гц, тогда как в Европе они работают на частоте 50 Гц.
Преимущества синхронных зон включают в себя объединение генерации, что приводит к снижению затрат на генерацию; объединение нагрузки, что приводит к значительному выравнивающему эффекту; общее обеспечение резервов, что приводит к снижению затрат на первичную и вторичную резервную электроэнергию; открытие рынка, что приводит к возможности долгосрочных контрактов и краткосрочных обменов электроэнергией; и взаимопомощь в случае сбоев. [2]
Одним из недостатков широкомасштабной синхронной сети является то, что проблемы в одной ее части могут иметь последствия для всей сети.
Синхронные сети большой площади повышают надежность и позволяют объединять ресурсы. Кроме того, они могут выравнивать нагрузку, что снижает требуемую генерирующую мощность, позволяют использовать более экологически чистую энергию; позволяют использовать более разнообразные схемы генерации электроэнергии и позволяют экономить за счет масштаба. [3]
Синхронные сети большой площади не могут быть сформированы, если две сети, которые нужно соединить, работают на разных частотах или имеют существенно разные стандарты. Например, в Японии по историческим причинам северная часть страны работает на частоте 50 Гц, а южная — на частоте 60 Гц. Это делает невозможным формирование единой синхронной сети, что было проблематично, когда расплавилась АЭС Фукусима- 1.
Кроме того, даже если сети имеют совместимые стандарты, режимы отказов могут быть проблематичными. Могут быть достигнуты ограничения по фазе и току, что может привести к масштабным отключениям. Иногда проблемы решаются путем добавления линий HVDC в сеть для обеспечения большего контроля во время нештатных событий.
Как было обнаружено в калифорнийском энергетическом кризисе , у некоторых рыночных трейдеров могут быть сильные стимулы для создания преднамеренной перегрузки и плохого управления генерирующими мощностями в соединительной сети для завышения цен. Увеличение пропускной способности и расширение рынка путем объединения с соседними синхронными сетями затрудняют такие манипуляции.
В синхронной сети все генераторы естественным образом электрически сцеплены вместе и работают на одной частоте , и остаются почти в фазе друг с другом. Для вращающихся генераторов локальный регулятор регулирует крутящий момент и помогает поддерживать более или менее постоянную скорость при изменении нагрузки. Управление скоростью падения гарантирует, что несколько параллельных генераторов разделяют изменения нагрузки пропорционально их номиналу. Генерация и потребление должны быть сбалансированы по всей сети, поскольку энергия потребляется по мере ее производства. Энергия хранится в краткосрочной перспективе за счет вращательной кинетической энергии генераторов.
Небольшие отклонения от номинальной частоты системы очень важны для регулирования отдельных генераторов и оценки равновесия сети в целом. Когда сеть сильно загружена, частота замедляется, и регуляторы регулируют свои генераторы так, чтобы вырабатывать больше мощности ( управление скоростью падения ). Когда сеть слабо загружена, частота сети превышает номинальную частоту, и это воспринимается системами автоматического управления генерацией по всей сети как указание на то, что генераторы должны снизить свою выработку.
Кроме того, часто имеется центральный контроль, который может изменять параметры систем AGC в течение минуты или дольше для дальнейшей регулировки региональных сетевых потоков и рабочей частоты сети.
Если необходимо соединить соседние сети, работающие на разных частотах, необходим преобразователь частоты. Соединители HVDC , твердотельные трансформаторы или частотно-регулируемые трансформаторы могут соединять две сети, работающие на разных частотах или не поддерживающие синхронизм.
Инерция в синхронной сети — это запасенная энергия, которая есть в сети, которая может обеспечить дополнительную мощность на несколько секунд для поддержания частоты сети. Исторически это обеспечивалось только угловым моментом генераторов и давало схемам управления время для корректировки своего выхода в соответствии с изменениями в нагрузках и внезапными отказами генератора или распределения.
Инверторы, подключенные к HVDC, обычно не имеют инерции, но энергия ветра может обеспечить инерцию, а солнечные и аккумуляторные системы могут обеспечить синтетическую инерцию . [4] [5]
В ситуациях короткого замыкания важно, чтобы сеть могла обеспечить достаточный ток для поддержания напряжения и частоты на достаточно стабильном уровне до тех пор, пока автоматические выключатели не устранят неисправность. Во многих традиционных системах генераторов были провода, которые могли быть перегружены на очень короткие периоды без повреждения, но инверторы не способны выдавать нагрузку, многократно превышающую номинальную. Коэффициент короткого замыкания можно рассчитать для каждой точки сети, и если он окажется слишком низким, следует предпринять шаги для его увеличения до значения выше 1, что считается стабильным.
В целях хронометража в течение дня рабочая частота будет меняться, чтобы компенсировать отклонения и не допустить значительного опережения или отставания часов, работающих от сети, путем обеспечения 4,32 миллиона циклов в системах с частотой 50 Гц и 5,184 миллиона циклов в системах с частотой 60 Гц каждый день.
Это может, редко, привести к проблемам. В 2018 году Косово использовало больше электроэнергии, чем вырабатывало из-за ссоры с Сербией , что привело к отставанию фазы во всей синхронной сети континентальной Европы от того, что должно было быть. Частота упала до 49,996 Гц. Со временем это привело к тому, что синхронные электрические часы стали отставать на шесть минут, пока разногласие не было урегулировано. [6]
Частичная таблица некоторых крупных взаимосвязей.
Исторически сложилось так, что в североамериканской системе электропередачи восточные и западные соединения были напрямую соединены и в то время являлись крупнейшей синхронной сетью в мире, но она оказалась нестабильной, и теперь они соединены только постоянным током. [29]
Такие соединители , как высоковольтные линии постоянного тока, твердотельные трансформаторы или частотно-регулируемые трансформаторы, могут использоваться для соединения двух сетей переменного тока, которые не обязательно синхронизированы друг с другом. Это обеспечивает преимущество соединения без необходимости синхронизации еще более широкой области. Например, сравните карту синхронной сети большой области Европы (во введении) с картой линий HVDC (здесь справа). Твердотельные трансформаторы имеют большие потери, чем обычные трансформаторы, но линии постоянного тока не имеют реактивного сопротивления, и в целом линии HVDC имеют меньшие потери при передаче мощности на большие расстояния в пределах синхронной сети или между ними.
Проект Tres Amigas SuperStation направлен на обеспечение передачи электроэнергии и торговли между Восточной и Западной линиями электропередачи с использованием соединительных линий постоянного тока мощностью 30 ГВт .
