Le réseau électrique: qu'est-ce qui empêche les petits producteurs d'électricité d'être «entraînés» par les grands?

Il s'agit d'une question en deux parties et concerne la production d'électricité:

• Qu'est-ce qui empêche une plus grande usine (nucléaire par exemple) de transformer un générateur de gaz à la fois en moteur électrique et de faire passer du courant à travers lui? (diodes odieusement grosses?)

• Comment l'ensemble du portefeuille de générateurs électriques reste-t-il synchronisé / en phase avec le réseau pour produire une onde CA?

Edit : la deuxième partie semble déjà être répondue ici . J'apprécierais une réponse claire et convaincante pour la première partie.

Réponse courte: Synchroniseurs

Fondamentalement, la rétroaction est utilisée pour maintenir le générateur et le réseau synchronisés.

Il existe plusieurs façons de procéder. Un bel aperçu est ici .

Presque tous les systèmes modernes de production d'énergie utilisent une forme de contrôleur numérique pour cette tâche. Mon onduleur de panneau solaire relié au réseau possède un microcontrôleur de classe PIC18F gérant certains relais à semi-conducteurs (SSR) si je me souviens bien.

Conception de centrale électrique moderne commune

Voici mon résumé de ce que je pense être l'approche de base la plus courante pour la conception d'une centrale électrique moderne. Figure et texte adaptés de:

«Notions fondamentales et avancées des systèmes de synchronisation de générateurs», Michael J. Thompson, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 9 décembre 2010.

Dans la figure ...

• Les retours ne sont pas affichés
• G1, G2 sont les générateurs
• Les carrés 1,2,3,4 sont des relais
• Bus1, Bus2 sont des bus d'alimentation sortants (redondants)
• Les unités MGPS sont des sources d'horloge synchronisées par GPS pour chronométrer les générateurs
• A25A est l'unité de mesure et de contrôle (contient un microprocesseur)

Comment ça fonctionne...

Les composants modernes à base de microprocesseurs et les engrenages de synchronisation "numériques", comme les synchrophaseurs, ont révolutionné la conception des systèmes de synchronisation des générateurs.

Par exemple...

1. Le "A25A" sur la figure est un synchroniseur automatique à microprocesseur avec six entrées de détection de tension monophasées isolées et indépendantes qui élimine la nécessité de commuter physiquement les signaux de tension.

2. Les relais 1, 2, 3, 4 "numériques" fournissent des données de synchrophaseur en streaming.

3. La communication relais à relais dans l'A25A lui permet d'être situé à proximité du disjoncteur de synchronisation avec des signaux de commande renvoyés aux dispositifs qui ralentissent (gouverneur) ou accélèrent (excitateur) le mécanisme du générateur via des liaisons à fibre optique.

Calendrier et contrôle ...

La capacité de construire des systèmes de surveillance et de contrôle à l'aide de liaisons de communication à fibre optique à faible coût a complètement changé les systèmes de synchronisation des générateurs.

Les relais "numériques" prennent des mesures synchronisées directes. Les mesures de phaseurs synchronisées sont des mesures de l'angle de phase des quantités du réseau électrique par rapport à une référence de temps universelle.

Aujourd'hui, la référence temporelle précise requise pour effectuer cette mesure d'angle de phase est facilement obtenue à partir des horloges satellites du système de positionnement global (GPS) de niveau relais de protection.

La technologie de synchrophaseur permet de comparer les lectures de tension de divers appareils dans la centrale électrique pour la différence angulaire. Les données peuvent être diffusées à des débits allant jusqu'à 60 messages par seconde avec une faible latence.

Depuis que la fonctionnalité d'unité de mesure de phaseur (PMU) dans les relais de protection a été introduite pour la première fois en 2000, ils sont devenus presque omniprésents et les données de synchrophaseurs sont disponibles presque partout sans frais supplémentaires pour le propriétaire de la centrale.

Un ordinateur dédié, exécutant un logiciel de concentrateur de données synchrophaseur (PDC), peut recevoir des données de diffusion en continu à partir des divers relais à microprocesseur appliqués pour la protection et le contrôle des disjoncteurs de synchronisation.

Tout comme le synchroniseur automatique à microprocesseur peut sélectionner les tensions appropriées pour chaque scénario de synchronisation parmi celles câblées à ses six bornes d'entrée, le PDC peut sélectionner les signaux appropriés dans ses flux de données entrants pour les tensions entrantes et de fonctionnement en fonction de la sélection par l'opérateur des générateur et disjoncteur à synchroniser.

Aucune commutation de signal physique n'est requise. Et les mesures de tension du synchrophaseur des relais de commande du disjoncteur sont indépendantes des mesures du synchroniseur automatique, ce qui rend les systèmes redondants.

Lag-Lead

@Kaz avait fourni un joli résumé des moteurs / générateurs directement asservis dans les commentaires (documentés ici pour la postérité ;-)):

C'est comme demander, qu'est-ce qui empêche les rameurs d'esclaves dans un bateau de laisser passivement leurs rames dériver avec l'eau et de ne faire aucun travail? Eh bien, il y a un gars qui bat un tambour et donc tout le monde doit tirer à la même fréquence, ou se faire fouetter. Si les esclaves deviennent paresseux, le bateau ralentira, et bientôt, ils ne pourront pas maintenir cette fréquence d'aviron sans exercer de force sur l'eau pour accélérer à nouveau le bateau, ou bien laisser leurs coups être si évidemment petits (pour correspondre la vitesse lente par rapport à l'eau) qu'ils obtiennent tous un fouet de la garde.

Supposons donc que deux générateurs fournissent un réseau. L'un des générateurs est légèrement paresseux et il tourne donc avec la fréquence: il évite d'être entraîné, mais ne fait aucun travail. Ensuite, la demande sur le réseau augmente. L'autre générateur s'embourbe et ralentit. Le paresseux, aussi paresseux soit-il, est toujours engagé à maintenir la fréquence. Étant donné que la fréquence du réseau a légèrement ralenti, cela signifie que le paresseux est maintenant engagé: il pousse le rythme pour aider à accélérer le réseau, devenant ainsi engagé. C'est un peu comme quand les gens combinent leurs forces pour ramer un bateau ou tirer une charge

Dans les centrales électriques modernes, poursuivant notre discussion antérieure, l'approche est simple sur le plan architectural: chaque générateur est asservi à une référence temporelle globale .

Comme expliqué ci-dessus, les générateurs sont verrouillés en phase sur une horloge globale. Ils sont chacun tenus individuellement responsables de leur sortie étant à un certain angle de phase à un certain moment.

S'ils sont trop rapides, un dispositif appelé régulateur qui est fixé au générateur applique une force de freinage. S'il est trop lent, un excitateur attaché ajoute de l'énergie pour accélérer le générateur.

En remarque, vous pouvez implémenter les deux fonctions dans le même appareil dans certaines architectures. Par exemple, avec un mécanisme de rotation mécanique, vous pouvez attacher un moteur électrique à l'essieu et résister (gouverner) ou aider (exciter) la rotation en entraînant le moteur attaché respectivement en marche arrière ou en marche avant.

Étant donné que tous les générateurs fonctionnent en phase avec la même référence de temps, la synchronisation est réalisée.

Délestage

Je peux comprendre la synchronisation, pouvez-vous expliquer comment «cela garantit que le générateur pousse le courant au lieu de le prendre»?

Cette partie est intuitive. Regardez la loi d'Ohm ou les lois de Kerckhoff ...

Si deux sources de tension sont synchronisées, cela signifie qu'elles produisent la même tension en même temps. Si un fil parfait relie deux sources de tension à la même tension, un courant nul circulera dans ce fil.

Si vous connectez un "grand" générateur et un "petit" générateur, vous ne décrivez qu'une différence de courant maximum à la même tension générée.

Lorsque le petit générateur est surchargé, sa tension chute. Dans les générateurs rotatifs, cela entraîne une réduction de la fréquence (le rotor ralentit) car la charge électrique applique une force de freinage mécanique à travers l'électro-aimant.

Dans les deux cas, les synchroniseurs détectent la condition de surcharge comme une perte de synchronisation et déconnectent le générateur. C'est ce qu'on appelle le «délestage». Comme vous pouvez le voir, le délestage ne fait qu'aggraver le problème pour les générateurs restants et le problème peut se produire en cascade.

C'est ce qui s'est produit lors de la panne d'électricité du nord-est de 2003 , bien que l'événement ait été causé, entre autres, par un problème logiciel trop agressif avec délestage plutôt que surcharge réelle.

Il n'y a pas de diodes, pas dans le système AC normal. Je ne suis pas sûr que vous puissiez les construire si gros.

Quant à la grande usine par rapport à la petite usine, le fonctionnement normal du système les maintient en phase; si votre générateur avance légèrement, il rencontrera plus de résistance et de retour EMF, ce qui aura tendance à le ralentir. Si vous êtes légèrement à la traîne, il y a moins de résistance et c'est gratuit pour accélérer.

Lors du démarrage d'une usine, il est très important de la mettre en phase (voir le lien du Dr FriedParts) avant de la connecter. Ne pas le faire détruira quelque chose de gros et de cher.

Le démarrage d'une usine sans référence de grille est un problème; voir "Black Start", par exemple http://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/99A34EB4-76F4-4042-AA12-35D6DD843FA7/3073/black_start.pdf