Comment la charge affecte-t-elle la fréquence sur le réseau électrique?

Chris Wenham

Comment la charge affecte-t-elle la fréquence sur le réseau électrique?


Cette histoire sur l’utilisation de régulateurs de fréquence à batterie / roue libre m’a dérouté sur la façon dont la fréquence de 60 Hz du réseau électrique nord-américain a été définie – disant qu’elle était maintenue à cette fréquence en équilibrant la charge et l’alimentation. Je pensais que seule la tension était affectée par cet équilibre et que la fréquence était déterminée par la vitesse des rotors du générateur. EG voir la page de Wikipedia sur la synchronisation des alternateurs .

Quelqu’un peut-il m’aider à comprendre la physique derrière tout cela?

Réponses


 inflecteur

La physique est en fait beaucoup plus facile qu’il n’y paraît à première vue.

Les générateurs électriques sont des moteurs comme ceux que nous voyons tous les jours dans nos voitures, tondeuses à gazon, souffleuses à neige, etc.

À l’exception des nouvelles sources d’énergie comme certains systèmes éoliens et solaires avec onduleurs électroniques, la grande majorité de l’énergie est fournie par de grands générateurs à courant alternatif tournant en synchronisation avec la fréquence du réseau. La fréquence de tous ces générateurs sera identique et est directement liée au RPM des générateurs eux-mêmes, généralement 3600 RPM pour les turbines à gaz et 1800 RPM pour les centrales nucléaires. S’il y a suffisamment de puissance dans les générateurs, la fréquence peut être maintenue au taux souhaité (c.-à-d. 50 Hz ou 60 Hz selon les paramètres régionaux).

La puissance des générateurs individuels entraînera le réseau en phase légèrement d’une quantité correspondant à peu près à la puissance qu’ils fournissent au réseau.

Une augmentation de la charge de puissance s’accompagne d’une augmentation simultanée de la puissance fournie aux générateurs, généralement par les gouverneurs ouvrant automatiquement une soupape d’admission de vapeur ou de gaz pour fournir plus de puissance à la turbine. Cependant, si la puissance n’est pas suffisante, même pendant une courte période, le régime du générateur et la fréquence diminuent.

Cela ressemble beaucoup à ce qui arrive à une voiture sur le régulateur de vitesse si vous commencez à monter une colline, si la colline n’est pas trop raide, vous pouvez maintenir la vitesse, une fois que vous atteignez les limites du couple fourni par le moteur, la voiture et le moteur ralentissent vers le bas. Si la sortie combinée de tous les générateurs ne peut pas fournir suffisamment de puissance, la fréquence diminuera pour l’ensemble du réseau. Tous les générateurs ralentissent comme votre moteur de voiture sur une colline.

Pour les grands réseaux, la présence de nombreux générateurs et d’une grande charge répartie facilite la gestion des fréquences car une charge donnée représente un pourcentage beaucoup plus faible de la capacité combinée. Pour les réseaux plus petits, il y aura une fluctuation beaucoup plus importante de la capacité, car les retards dans l’adaptation de la puissance fournie sont plus difficiles à gérer lorsque les charges représentent un pourcentage relativement plus élevé de la puissance générée.

Ainsi, un système de batterie comme celui de l’article est vraiment conçu pour empêcher les fluctuations à court terme des besoins en énergie de baisser la fréquence en raison de retards dans les gouverneurs et les générateurs qui nécessitent un temps limité pour s’adapter aux nouvelles exigences en matière de puissance. Ces centrales « à régulateur de fréquence » peuvent fournir une puissance très élevée pour de courtes rafales afin de maintenir les besoins en énergie, même si les autres générateurs ne voient pas trop de charge plus rapidement qu’ils ne peuvent répondre en raison de limitations mécaniques.

Chris Wenham

Je pense que je comprends. C’est comme si la rotation de la manivelle d’une génératrice manuelle devient plus difficile lorsque la résistance entre les contacts est augmentée, donc l’augmentation de la charge sur le réseau électrique rend littéralement plus difficile la rotation de l’essieu de l’alternateur, ce qui – à moins d’être contré par une augmentation de la puissance – conduit au ralentissement du rotor, et donc à la fréquence. Suis-je rite?

inflecteur

Oui, c’est exactement ça. La charge rend plus difficile la rotation de tous les arbres du générateur, ce qui nécessite alors plus de puissance pour compenser et si la puissance totale requise dépasse la puissance totale disponible sur le réseau, alors tous les générateurs ralentissent car ils sont connectés ensemble.

Cray

Serait-il même logique de supposer que tous ces régulateurs automatiques de source d’énergie sous-jacente varient leurs paramètres en fonction de la fréquence? Cela semble être le moyen le plus simple de savoir si le réseau est sur ou sous-alimenté?

Solomon Slow

Fait amusant: les générateurs du barrage de Glen Canyon à Page, en Arizona, tournent à 150 tr / min. 48 pôles sur le rotor!


 atomh33ls

L’application des équations de Newton pour les masses en rotation à un système de turbine-générateur donne l’expression suivante ( Samarakoon , d’après Kundur).

J 2 θ t 2 = T m T e

θ

: angle (rad) du rotor par rapport à une référence fixe.

J

: moment d’inertie.

T m

: couple mécanique de la turbine.

T e

: couple électrique sur le rotor.

La réponse inertielle d’un générateur est caractérisée par sa constante d’inertie, H, avec des unités de secondes, définie comme ( Samarakoon , p40):

le rapport de l’énergie cinétique stockée à vitesse synchrone

ω

au générateur kVA ou MVA,

S

.

H = 0,5 J ω 2 S

H = 0,5 J ω 2 S

Une constante d’inertie équivalente pour un système entier peut être estimée: ( Ekanayake, Jenkins, Strbac )

H e q u i v a l e n t = g e n s H g e n / S g e n

H e q u je v une l e n t = g e n s H g e n / S g e n

Une valeur pour le système GB (en 2008) a été estimée à 9 s (par Samarakoon ), devrait chuter jusqu’à 3 s en 2020 avec une forte pénétration du vent.

Lors de la modélisation de la réponse inertielle (plus communément appelée réponse en fréquence), un système d’alimentation peut être simplifié en fonction de transfert ( Ekanayake, Jenkins, Strbac ):

1 2 H e q u i v a l e n t s + D

1 2 H e q u je v une l e n t s +

est connu comme le coefficient d’amortissement – le terme encapsule la réponse de la demande sensible à la fréquence ( Mu, Wu, Ekanayake, Jenkins, Jia ).

Pour maintenir la stabilité du système, la fréquence doit être étroitement contrôlée. Traditionnellement, cela est réalisé grâce à des contrôleurs de statisme sur les générateurs à turbine à vapeur. Cependant, le stockage d’énergie et la réponse à la demande contribuent de plus en plus.

Voir aussi cette question; https://engineering.stackexchange.com/questions/2245/quantifying-inertia-on-the-electricity-grid


 Dimitar Iliev

Charge plus élevée dans le réseau -> fréquence globale inférieure et vice versa

Plus d’infos ici :

Fréquence et charge

La raison principale d’un contrôle précis de la fréquence est de permettre de contrôler le flux de courant alternatif de plusieurs générateurs à travers le réseau. La tendance de la fréquence du système est une mesure de l’inadéquation entre la demande et la production, et est donc un paramètre nécessaire pour le contrôle de la charge dans les systèmes interconnectés. La fréquence du système variera à mesure que la charge et la génération changeront. L’augmentation de la puissance d’entrée mécanique d’un générateur synchrone n’affectera pas considérablement la fréquence du système mais produira plus d’énergie électrique à partir de cette unité. Lors d’une surcharge sévère causée par le déclenchement ou la défaillance de générateurs ou de lignes de transmission, la fréquence du réseau électrique diminuera en raison d’un déséquilibre de la charge par rapport à la production. La perte d’une interconnexion, tandis que l’exportation d’énergie (par rapport à la production totale du système) entraînera une augmentation de la fréquence du système. Le contrôle automatique de génération (AGC) est utilisé pour maintenir la fréquence programmée et les flux de puissance d’échange. Les systèmes de contrôle dans les centrales électriques détectent les changements de fréquence à l’échelle du réseau et ajustent la puissance mécanique des générateurs à leur fréquence cible. Cette neutralisation prend généralement quelques dizaines de secondes en raison des grandes masses tournantes impliquées. Les changements de fréquence temporaires sont une conséquence inévitable de l’évolution de la demande. Une fréquence du réseau exceptionnelle ou en évolution rapide est souvent le signe qu’un réseau de distribution d’électricité fonctionne près de ses limites de capacité, dont des exemples spectaculaires peuvent parfois être observés peu de temps avant les pannes majeures. Les relais de protection de fréquence sur le réseau du réseau électrique détectent la baisse de fréquence et déclenchent automatiquement le délestage ou le déclenchement des lignes d’interconnexion, pour préserver le fonctionnement d’au moins une partie du réseau. De petites déviations de fréquence (c’est-à-dire 0,5 Hz sur un réseau à 50 Hz ou 60 Hz) entraîneront un délestage automatique ou d’autres actions de contrôle pour restaurer la fréquence du système. Les systèmes d’alimentation plus petits, peu interconnectés avec de nombreux générateurs et charges, ne maintiendront pas la fréquence avec le même degré de précision. Lorsque la fréquence du système n’est pas strictement réglementée pendant les périodes de forte charge, les gestionnaires de réseau peuvent permettre à la fréquence du système d’augmenter pendant les périodes de faible charge, afin de maintenir une fréquence moyenne quotidienne d’une précision acceptable. [27] [28] Les générateurs portables, non connectés à un réseau public, n’ont pas besoin de réguler étroitement leur fréquence car les charges typiques sont insensibles aux petites déviations de fréquence.

unym

Vous devez créer un lien vers la page chaque fois que vous faites une citation. En outre, votre réponse devrait être davantage liée à ce que la question a dit.

Manishearth ♦

Actuellement, il n’y a pas grand-chose d’autre que du contenu copié. Pourriez-vous écrire cela dans vos propres mots et l’adapter directement à la question? Merci.

 

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