¿Cómo funcionan las redes eléctricas?

La cuadrícula comienza con una ecuación fundamental que la gobierna. En pocas palabras, esta ecuación es:

[matemática] Generación = Carga [/ matemática]

La red eléctrica es una red que transporta energía, la convierte en electricidad y la entrega a usted, el consumidor. Actualmente, en su mayor parte, la energía se produce en estaciones centrales de generación. Estas son plantas de energía que producen electricidad al encender un generador. Hay muchas formas de encender un generador, desde el uso del viento hasta la quema de gas natural o carbón para hacer girar una turbina. Desde la planta de energía, la electricidad ingresa a lo que se conoce como la red eléctrica.

Estructura del sistema eléctrico [1]

La cuadrícula

La red es una red de líneas de transmisión y distribución, y sus equipos asociados con el único propósito de suministrar electricidad de un punto a otro. La ilustración de arriba muestra la cuadrícula en azul y verde. La transmisión se define como un equipo que opera a 60 kV o más, mientras que el sistema de distribución opera a menos de 60 kV.

Líneas de transmisión [2]

Desde la planta de energía, la electricidad se transforma de un voltaje bajo a uno alto para el sistema de transmisión. Esto se hace mientras más alto sea el voltaje, menores serán las pérdidas. [3] La electricidad ahora fluirá desde las plantas de energía hasta la carga o los consumidores. A excepción de los clientes de transmisión, como los servicios públicos y los grandes consumidores industriales, la electricidad se trasladará al sistema de distribución, donde se distribuirá a los vecindarios y a los consumidores individuales.

El sistema de distribución se conectará al sistema de transmisión con un transformador para reducir o disminuir el voltaje al nivel de distribución (como 13.8 kV, por ejemplo). Desde la subestación de distribución, la electricidad fluye por los cables hasta su calle, donde se encuentra con un transformador de distribución, los cilindros grises en los postes de servicios públicos. Este transformador disminuye aún más el voltaje a 120 / 240V para ser utilizado en el hogar.

Diagrama de subestación [4]

Las subestaciones son un componente crítico de la red eléctrica y la red. Las subestaciones y líneas comprenden la red con la mayoría del equipo necesario para distribuir y transformar la energía que vive dentro de la subestación. Paseemos por una subestación de distribución que suministra electricidad a los vecindarios.

  1. Las líneas de transmisión, generalmente de 138 kV, ingresan a la subestación que suministra electricidad de alto voltaje.
  2. Un interruptor automático protege tanto la subestación como la línea de transmisión, listo para abrir y aislar el equipo para protegerlo de fallas eléctricas.
  3. Los seccionadores pueden aislar el equipo una vez que el disyuntor se ha abierto y proporcionar una comprobación clara del aislamiento. [5]
  4. Un transformador toma electricidad y la baja de 138 kV a 13.8 kV para distribuirla en los vecindarios.
  5. Estas son líneas de distribución que distribuyen energía a través de áreas residenciales a 13.8kV.

En el camino, todos los días, cada segundo, la energía que se genera debe ser igual a la energía que se consume. Esto lo lleva a cabo un equipo calificado de ingenieros y técnicos que trabajan las 24 horas del día, los 7 días de la semana para mantener la red funcionando desde el campo hasta las salas de control que supervisan la red y la operan en tiempo real. La sala de control ERCOT que gestiona la red de transmisión para la mayoría de Texas siempre cuenta con personal cada minuto para garantizar el flujo confiable de energía. Hay salas de control similares en todo el país para empresas de servicios públicos y operadores de sistemas.

Sala de control de ERCOT [6]

Se dice que la red eléctrica es la máquina más grande del mundo. Fue nombrado uno de los mayores logros de ingeniería del siglo XX por la Academia Nacional de Ingeniería y es realmente una maravilla que vivió el nivel de vida de miles de millones de personas en todo el mundo.

Notas al pie

[1] Capítulo 6 – Sostenibilidad energética

[2] http://www.gurudeveng.com/transm…

[3] La respuesta de Eric Meier a ¿Por qué utilizamos alto voltaje para transmitir energía eléctrica?

[4] Kanza Education and Science Park

[5] Respuesta de Eric Meier a ¿Cuáles son algunas diferencias entre los aisladores y los interruptores automáticos?

[6] Imágenes corporativas

Es complicado.

La demanda varía del 50% al 100% o más durante el día, la semana y el año.

Las plantas de energía se apagan regularmente por mantenimiento. Las centrales eléctricas también se apagan inesperadamente, por ejemplo, en el calor. Las líneas eléctricas de la red fallan.

Hay muy poco almacenamiento en la mayoría de las redes, aunque eso está cambiando.

Entonces, ¿cómo mantiene fluctuantes el equilibrio entre oferta y demanda en un par de voltios?

Hay grandes centrales eléctricas inflexibles como el carbón y la nuclear. No les gusta estrangular, por lo que se limitan a la carga base mínima de la demanda. Muchos de ellos construyeron hidro bombeado para evitar estrangulamientos. Solían ser más baratos, ahora lo son la energía solar y la eólica. Llegaré a eso.

Hay generadores de seguimiento de carga y pico flexibles en la parte superior del. Estas son generalmente turbinas de gas en estos días, aunque también se usan diesel. Son mucho más baratos de instalar que las grandes plantas de carbón o nucleares, pero fueron menos eficientes y el combustible más caro. Las nuevas turbinas de gas son muy eficientes y los precios del gas nacional son muy bajos en este momento. Las cosas han cambiado.

Ahora hay una cantidad sustancial de generadores solares y eólicos intermitentes pero generalmente muy predecibles (con una hora y un día de anticipación). Estos han desplazado a los generadores de carga base como la fuente de energía más barata.

Algunos grandes usuarios de electricidad también reducirán el uso de energía cuando lo solicite el operador de la red. Se les paga por esto.

Así que ahora, tomemos el caso donde una central nuclear GW se apaga inesperadamente. Esto puede suceder en un solo ciclo, 15 ms. ¿Cómo maneja la grilla un cambio tan grande? En el primer segundo o dos, todos los otros generadores en la red responden inherentemente aumentando la potencia que ponen en la red. Estos son en su mayoría grandes generadores rotativos pesados ​​y la inercia es el “almacenamiento”. Se llama reserva giratoria. Estos generadores deben funcionar a menos de la capacidad total para poder hacer eso. Todos los generadores de reserva giratorios disminuyen la velocidad, y la red de CA de 50 o 60 Hz comienza a salir del rango requerido. Algunas redes permiten que algunos de los operadores del generador aumenten automáticamente la potencia de salida después de la caída inicial, otros operadores de la red tienen comunicaciones y algo de control y les dicen a los generadores que aumenten. Existen límites sobre la rapidez con que un generador puede aumentar en porcentaje de potencia por minuto o vatios por minuto. Los grandes usuarios de electricidad también están dirigidos a reducir la demanda temporalmente. El usuario verá un breve apagón durante unos segundos, luego una recuperación a un voltaje más bajo pero utilizable, luego una rampa gradual para volver a los voltajes operativos y la frecuencia durante varios minutos, tal vez durante horas hasta que se puedan poner en marcha suficientes generadores de emergencia y reserva. .

La energía solar y eólica pueden ayudar a estabilizar la red mucho más rápido cuando tienen viento y sol para trabajar. Como tienen inversores electrónicos, pueden responder en microsegundos, por lo que la red nunca tiene un apagón. Las baterías se están agregando por la misma razón, pero siempre están disponibles.

Algo similar ocurre cuando una demanda cae inesperadamente. La reserva giratoria absorbe energía y gira más rápido. Algunas demandas variables también pueden absorber más potencia. Lo hacen hasta que el resto de los generadores pueden reducir la potencia de salida.

Es un gran acto de equilibrio en tiempo real. Demasiado de eso ahora requiere atención e intervención humana. Eso está cambiando con la automatización.

La respuesta de Brian Donovan a ¿Puede la energía solar convertirse en una importante fuente de energía en los próximos 20 años? Si es así, ¿por qué? Si no, ¿cuáles son tus ideas?

La red eléctrica no funciona. La red eléctrica debe estar disponible todo el tiempo para que las generaciones y los centros de carga estén interconectados. Las generaciones de energía de más de 1,000 MW deben enviarse a los centros de carga a cientos de kilómetros de distancia. Los operadores de la red eléctrica deben monitorear la red eléctrica para que no haya fallas y, en consecuencia, se interrumpa la red eléctrica, como los árboles que caen en las líneas de muy alta tensión y las grúas de contratista / construcción que tocan las líneas de muy alta tensión a 275kv y 500 kV. Si hay una falla en una de las líneas de la red eléctrica, las otras líneas de transmisión en la red eléctrica deben poder acomodar y transmitir energía a los centros de carga, ya que hay capacidades adicionales de las líneas de transmisión disponibles en cualquier momento. Cuando hay un feriado público largo más un fin de semana donde las cargas son muy bajas, el operador tiene que desconectar algunas líneas de la red eléctrica del sistema de la red para evitar que el voltaje de la red eléctrica supere el 10% de los voltajes nominales. Además, las personas de mantenimiento están ocupadas manteniendo el equipo de la red durante la baja carga y la interrupción.

La red eléctrica es la interconexión entre más de un centro de carga y más de un centro de generación.

Ayuda a aumentar la fiabilidad del sistema.

El centro de generación individual no necesitará capacidad de generación adicional

India tiene 5 cuadrículas

La red es un sistema interconectado, una subestación está conectada a una estación generadora más debido a la carga compartida y la estabilización.