La red eléctrica siempre está perfectamente equilibrada: en cada milisegundo, la energía utilizada por los consumidores es igual a la energía proporcionada por la red. Sin embargo, la cuadrícula tiene varios mecanismos de amortiguación de carga que ayudan a mantener las cosas equilibradas en algunas escalas de tiempo diferentes.
Si la red realmente tuviera una capacidad de almacenamiento en búfer cero (lo cual es físicamente imposible), un intento excesivo de demanda daría como resultado una caída de voltaje en los consumidores, evitando así que la suma de todas las cargas consuma energía adicional. Del mismo modo, la producción excesiva provocaría un sobrevoltaje en la red, lo que provocaría un aumento de la potencia a través de las cargas del consumidor. Ambos escenarios son malos. Los dispositivos de consumo necesitan un voltaje de entrada bastante estable para funcionar correctamente.
Afortunadamente, la construcción física de generadores síncronos (es decir, las turbinas giran a una relación de transmisión múltiple de la frecuencia de la red) significa que su energía cinética rotacional está disponible como un amortiguador.
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Los generadores síncronos siempre giran a la misma velocidad que la red, pero la cantidad de par aplicado por la turbina determina qué tan avanzada en fase es la salida de potencia del generador en relación con la potencia de la red. Al abrir el acelerador aumenta el par, lo que empuja las bobinas del generador giratorio unos grados por delante del campo magnético giratorio de la red. Cuanto más avanzadas estén las bobinas en relación con la red, más potencia empujarán las bobinas hacia la red. Pero están girando a la misma frecuencia, solo que un poco fuera de fase.
Mientras todos los generadores conectados a la red estén equilibrados con la demanda de energía en la red, el par aplicado por la turbina se equilibra con precisión por la fuerza electromotriz en las bobinas. Entonces los generadores mantienen RPM constantes. Pero si la demanda cae repentinamente, la red no consume tanta energía como las turbinas y ese exceso de energía tiene que ir a algún lado. Las turbinas se aceleran . Entonces, la frecuencia de la red aumenta cuando la demanda es menor que la oferta.
Del mismo modo, la demanda excesiva extrae más energía de los generadores giratorios de lo que las turbinas pueden proporcionar. Por lo tanto, cada generador en la red se ralentiza simultáneamente.
La respuesta inmediata es proporcionada por los gobernadores en las turbinas. Son muy sensibles a la frecuencia de la red. Si la frecuencia de la red cae, los gobernadores aumentarán el suministro de combustible a las turbinas, aumentando así el par. Del mismo modo, la alta frecuencia de la red hace que los gobernadores aceleren las turbinas. Esto se llama “reserva de respuesta de frecuencia”. Proporciona la mayoría de la respuesta inmediata cuando la oferta y la demanda no coinciden. Los reguladores de servicios públicos generalmente requieren que esta reserva sea suficiente para dar cuenta de que la central eléctrica más grande del sistema se desconecta, más un margen de seguridad.
El flujo eléctrico siempre coincide con precisión con la física simple de la electricidad … V = I * R pase lo que pase. Pero el flujo de combustible tarda hasta 10 segundos en responder a los cambios de demanda. La inercia rotacional de todas las turbinas y generadores conectados a la red cierra ese espacio a corto plazo.
Los condensadores de línea eléctrica y los campos magnéticos dentro de los transformadores de voltaje proporcionan una capacidad de almacenamiento eléctrico a muy, muy corto plazo. Estos amortiguan transitorios extremadamente efímeros. (Se instalan principalmente para mejorar la calidad de la energía manteniendo sincronizados el voltaje y la corriente). La capacidad de almacenamiento total de estos dispositivos capacitivos / inductivos es muy pequeña en relación con la demanda de la red, y solo opera en una escala de tiempo más corta que un ciclo único de corriente alterna . Entonces, unos pocos milisegundos.
Los sistemas de deslastre de carga brindan mayor protección en casos de falta de suministro extremo, como cuando varias centrales eléctricas se desconectan al mismo tiempo. Los principales usuarios de energía industrial, como los electrosmelters de aluminio, a menudo tienen acuerdos con empresas de servicios públicos a cambio de tarifas reducidas de facturación de energía. Si la frecuencia de la red cae por debajo de cierto nivel, la planta apagará su propia energía como una forma de compensar el déficit de suministro. No se requiere señalización de la utilidad para el usuario final: la frecuencia de la red en sí misma actúa como el canal de datos para iniciar el deslastre de carga. El problema opuesto, el exceso de oferta, generalmente es un problema menor porque las plantas de energía se pueden estrangular. De lo contrario, pueden separarse de la rejilla y las bobinas pueden cortarse directamente al suelo.
Entre los dos efectos principales, la reserva de respuesta de frecuencia y el deslastre de carga, las empresas de servicios públicos tienen suficientes mecanismos automáticos de amortiguación para corregir los desequilibrios de potencia a corto plazo. Esto es suficiente para cubrir unos 10 minutos de déficit de generación, momento en el cual las turbinas de respuesta rápida se pueden girar y conectar a la red para corregir el desequilibrio. Esta reserva suele ser costosa de operar, por lo que durante períodos de tiempo más largos (30-60 minutos) la “reserva de reemplazo” de las plantas de energía de acción lenta se pone en línea y la reserva giratoria se puede desconectar.
Reserva operativa
Por lo tanto, la cantidad de capacidad de reserva en el sistema para responder a los desequilibrios de generación / consumo depende en gran medida del tipo de trastorno. Las pequeñas alteraciones están completamente cubiertas por la reserva de respuesta de frecuencia: todo lo que se necesita es aumentar un poco los flujos de combustible a las turbinas para que la frecuencia de la red vuelva a un valor nominal. Trastornos más grandes causan respuestas más grandes. Como mínimo, se supone que la red puede manejar 1 planta de energía grande que se desconecta sin interrupciones del servicio. Pero ocasionalmente pueden ocurrir fallas en cascada.
Se vuelve mucho más complicado cuando entras en convertidores AC-DC-AC que pueden tener frecuencia arbitraria, generación de energías renovables distribuidas y todo eso. Pero este es el mecanismo básico de la regulación de la red.