In der Phase am Netz bleiben

Ich bin seit über vierzig Jahren ein EE und habe nie die richtige Antwort auf diese Frage gefunden ...

Wie stellen Kraftwerke und Transformatorschaltwerke sicher, dass der Strom, den sie in das Netz einspeisen, mit dem vorhandenen Strom auf den Leitungen in Phase ist.

Ich weiß, dass sie es SEHR ernst meinen, wenn es darum geht, die Netzfrequenz auf eine lächerlich gute Genauigkeit einzustellen. Es ist jedoch offensichtlich, dass Sie eine Stromleitung nicht an eine andere Leitung anschließen können, die um 180 Grad phasenverschoben ist. Sogar eine kleine Abweichung würde vermutlich eine große Belastung des Systems verursachen und eine ziemlich seltsame und nicht spezifikationsgemäße Wechselstromwellenform erzeugen.

OK, ich kann mir eine Lösung für das Kraftwerk vorstellen, die die Zielleitungsfrequenz verwendet, um die Lichtmaschinen zu synchronisieren, bevor der Schalter möglicherweise umgelegt wird. Diese 100 km entfernte Schaltstation kann jedoch auf eine Leitung von einem anderen Generator umschalten, der viel näher oder weiter entfernt ist und folglich an einem anderen Punkt im Phasenzyklus liegt ...

Wie haben sie das gemacht...

Beachten Sie, dass dies NICHT dasselbe ist wie "Wie synchronisiere ich einen Generator im Stromnetz?" Dieser Artikel bezieht sich nur auf einen lokalen Generator und ist meines Erachtens nicht mit dem Hauptstromnetz und der Transformatorschaltung identisch.

Bevor sie einen Generator an das Netz anschließen, drehen sie ihn auf ungefähr die richtige Drehzahl. Dann haken sie zwischen einer Generatorphase und der entsprechenden Netzphase ein, was im Grunde genommen ein Voltmeter ist. Sie regeln den Generatorantrieb so lange, bis sich die beobachtete Spannung
a) sehr langsam ändert (Frequenzdifferenz unter einem bestimmten Schwellenwert) und
b) unter einen bestimmten Niederspannungsschwellenwert fällt (Phasendifferenz nahe genug, damit der Stromfluss, der entsteht, wenn sie den großen Schalter betätigen, beherrschbar ist ).

Sobald der Generator an das Netz angeschlossen ist, bleibt er immer in Phase. Wird es nicht mechanisch angetrieben, wirkt es als Motor. Die Menge an Strom, die aus dem Netz bezogen oder in das Netz exportiert wird, hängt davon ab, wie stark es mechanisch angetrieben wird.

Jeder Generator ist mit seinem lokalen Teil des Netzes verbunden, synchronisiert mit seiner lokalen Frequenz. Zwischen dem Generator und dem lokalen Netz besteht eine geringfügige Phasendifferenz. Wenn der Generator das Netz mit Strom versorgt, ist seine Phase etwas früher. Je größer die Leistungsaufnahme des Generators ist, desto größer ist die Phasendifferenz und desto größer ist die in das Netz exportierte Leistung.

Dieser „Leistungsfluss folgt der Phasendifferenz“ erstreckt sich auf ganze Bereiche des Netzes. Bei einer großen Last im Süden verlangsamen sich die Generatoren im Süden zunächst und verzögern ihre Phase gegenüber dem Norden. Diese Phasendifferenz erzeugt einen Kraftfluss von Nord nach Süd.

Wenn Sie über ein landesweites Netz verfügen, bemüht sich das Management sehr, dass kein wesentlicher Teil vom anderen Teil „Insel“ wird. Sobald sie in der Phase auseinander driften, kann es lange dauern, bis sie wieder zusammengeführt werden können, da die Phasenanpassung äußerst genau sein muss, um einen großen Stromfluss zum Zeitpunkt der Verbindung zu vermeiden.

Wenn zwei getrennt gesteuerte Netze angeschlossen werden sollen, beispielsweise mit dem englisch-französischen Unterseekabel, erfolgt dies mit Gleichstrom. Empfangsseitig ist es einfach, die Wechselrichter mit dem Netz zu synchronisieren.

Um das Netz mit durchschnittlich 50 Zyklen pro Sekunde im Tagesverlauf in Phase zu halten, wird einfach mehr oder weniger Strom eingespeist, um die Netzfrequenz zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Dies geschieht normalerweise nachts, wenn es etwas ruhiger wird die Nachfrage.

Sie verwechseln eine genaue Anzahl von Zyklen über einen Zeitraum von 24 Stunden mit einer sehr starren sofortigen Frequenzsteuerung. So wird es an den meisten Orten nicht gemacht.

Die Frequenz wird durch Anpassen der Erzeugung an die Last auf etwa ihrer Nennfrequenz gehalten - die Frequenz wird (sehr) allmählich abnehmen, wenn die Last größer als die Erzeugung ist, und die Last wird immer kleiner als die Frequenz der Erzeugung wird zunehmen.

Die Trägheit ist enorm und im Allgemeinen ändern sich Last und Erzeugung ziemlich allmählich. Daher bleibt viel Zeit, um Anpassungen an Generatoren (oder Lasten, bei denen die Kontrolle der Lasten auf diese Weise vertraglich vereinbart wurde) vorzunehmen, um das System im Gleichgewicht zu halten. Die Frequenz darf zwischen verschiedenen (betrieblichen und behördlichen) Grenzwerten variieren.

Zumindest in Großbritannien wird die richtige Anzahl von Zyklen pro Tag beibehalten, indem "Echtzeit" und "Rasterzeit" aufgezeichnet werden. Das Raster wird ein bisschen schnell oder ein bisschen langsam gefahren, um sicherzustellen, dass es nicht zu schnell wird weit auseinander.

Es gibt genaue Frequenzreferenzen in Gebrauch innerhalb des Grid - Control - Systems - das ist , was sie zu vergleichen mit / Mess gegen, aber das Gitter selbst ist nicht Phase / Frequenz-gesperrt , um sie in direkter Art und Weise.

Unten links auf dem großen Display in diesem Bild befindet sich eine Grafik mit einer vertikalen, wackeligen gelben Linie - das ist die Frequenz des britischen nationalen Rasters für eine Weile, bevor das Foto aufgenommen wurde - wie Sie sehen, ist es nicht sehr eng an irgendetwas gebunden. obwohl der Graph wahrscheinlich nur ungefähr ± 0,3 Hz ist.

Sie benutzen ein Synchroskop. Ich habe dies in Kontrollräumen von Kraftwerken gesehen.

https://en.wikipedia.org/wiki/Synchroscope

Es ist Routine und unvermeidlich, dass Teile eines einzelnen Stromversorgungssystems mit anderen Phasenwinkeln als andere Teile betrieben werden. Dies ist kein Problem, bis Teile wieder verbunden werden müssen. In dem Dienstprogramm, in dem ich gearbeitet habe, haben die Servicemitarbeiter vor Ort jeweils ein Phasenmessgerät an die einzelnen Teile angeschlossen. Aufgrund der Phasendifferenz würde der Phasenmesser wie eine Uhr laufen und die momentane Phasendifferenz anzeigen. Die Person, die die Verbindung herstellt (normalerweise mit Hilfe eines elektrisch betätigten Leistungsschalters), schaltet den Leistungsschalter einfach für den Moment ein, in dem der Phasenmesser keine Phasendifferenz aufweist. Da dieser Nullpunkt alle paar Sekunden auftritt, ist es nicht schwierig, ihn zu erfassen. Wir haben dies sogar bei unserer HGÜ-Back-to-Back-Konverterstation verwendet. es funktioniert sehr, sehr gut.

Vor 20 Jahren, kurz nach der Uni, arbeitete ich in einem Unternehmen, das genau das tat.

Früher gab es alle möglichen komplexen Phasenregelkreise mit komplexer Analogelektronik. Heutzutage ist das im Allgemeinen nicht der Fall.

Meine damalige Spezialität war die Hochspannungs-AC / DC-Wandlungstechnik. Sie bauten die erste kanalübergreifende Verbindung und seitdem verschiedene HGÜ-Verbindungen auf der ganzen Welt. (Über große Entfernungen sind die Verluste in Kabeln aufgrund der Reaktanz erheblich, sodass Gleichstrom effizienter übertragen wird.) Wenn der Gleichstrom wieder in Wechselstrom umgewandelt wird (mit einer im Wesentlichen sehr hohen Leistung und einem sehr gleichmäßigen Wechselrichter), können Sie das Timing so synchronisieren Der resultierende Wechselstrom ist genau in Phase mit dem lokalen Netz.

Als dies mit besserer Hochleistungselektronik effizienter wurde, wurde den Leuten klar, dass es effizienter geworden war, von DC zu AC und wieder zurück zu DC zu konvertieren, als alternative Methoden zu verwenden. Das Ergebnis wird als "Back-to-Back-Wandler" bezeichnet. Wo eine Querkanalverbindung kilometerlange Kabel zwischen dem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler und dem Wechselstrom-Wechselstrom-Wandler haben würde, hat ein Back-to-Back-Schema nur ein paar Fuß extrem dicke Sammelschiene.

Natürlich ist die Umwandlung nicht zu 100% effizient, daher ist die Elektronik auf wassergekühlten Kühlkörpern montiert und das Ganze wird ziemlich genau überwacht. Es ist jedoch so effizient, dass die Verluste im Gegenzug für die phasengleiche Einspeisung des Stroms durchaus akzeptabel sind.

In den USA werden die Netze von unabhängigen Systembetreibern (Independent System Operators, ISOs) verwaltet. Die ISOs ähneln einer Börse. Sie verhandeln, wie viel Strom jedes Kraftwerk ins Netz liefert. Zusätzlich zu den Kauf- / Verkaufstransaktionen überwachen und verwalten sie die Leistung des Netzes. Wenn ein Generator angeschlossen ist, entspricht er der Spannung, Frequenz und Phase am lokalen Verbindungspunkt. Dann verbindet es sich, liefert aber nicht sofort Strom. Es verhandelt mit der ISO über Preis, Leistungsniveau und Leistungssteigerung. So verstehe ich die grundlegende Funktionsweise des Systems.

Damals (1979), kurz nach dem Studium, arbeitete ich bei einem britischen Generatorhersteller. Im Testlabor (dies war für kleinere Geräte gedacht) verwendeten sie die Methode der gekreuzten Lichter, um die von anderen erwähnte Spannungsmessung zu vereinfachen.

Grundsätzlich verbanden sie L1-L1 über eine Lampe, die vor dem Schließen ausgehen musste (null Volt / in Phase), und eine gekreuzte Lampe L2 (Gen) - L3 (Gitter), die zuerst auf Maximum gehen musste. Sobald die Phasendifferenzlampe "aus" war, konnte das Verbindungsrelais / Schütz / Schalter ausgelöst werden.

Es gab verschiedene apokryphe Geschichten über Dinge, die an verschiedenen Orten, die lehrreich waren, schief gelaufen waren!