Блог

Aug 23, 2023

Как одно устройство может помочь преобразовать нашу энергосистему

Поскольку все больше возобновляемых источников энергии появляется в сети, а заводы, работающие на ископаемом топливе, выводятся из эксплуатации, электрические сети по всему миру нуждаются в обновлении, чтобы поддерживать их стабильную работу. ХУАН МИГЕЛЬ СЕРВЕРА МЕРЛО/АЛАМИ СТОКОВОЕ ФОТО Автор:

Поскольку все больше возобновляемых источников энергии появляется в сети, а заводы, работающие на ископаемом топливе, выводятся из эксплуатации, электрические сети по всему миру нуждаются в обновлении, чтобы поддерживать их стабильную работу.

ХУАН МИГЕЛЬ СЕРВЕРА МЕРЛО/АЛАМИ СТОКОВОЕ ФОТО

Александра шутит

24 августа 2023 г., 9:11

От Колорадо до Вашингтона, от Огайо до Пенсильвании закрываются угольные электростанции. Соединенные Штаты находятся на пути к выводу половины своих мощностей по производству электроэнергии из угля к 2026 году. Это удивительно быстрый спад по сравнению с пиком добычи угля в 2011 году — и важным шагом в переходе к экологически чистой энергии и борьбе с изменением климата.

Но у вывода из эксплуатации больших старых электростанций есть неожиданный недостаток. Эти станции помогают поддерживать стабильность энергосистемы. Поскольку все больше из них отключаются от сети, для выполнения этой работы необходимо что-то еще.

Электрическая сеть — это сложная сеть, включающая системы, производящие электроэнергию, такие как атомная электростанция или ветряная турбина, и системы, которые хранят и передают энергию, например, батареи и линии электропередачи. Сеть может перестать функционировать по ряду причин, например, из-за падения дерева на линию электропередачи или из-за сильной жары, превышающей мощность системы. В Соединенных Штатах электричество пульсирует в сети, как сердцебиение, со стандартной частотой 60 герц. Эта частота может измениться, если спрос превысит предложение или если что-то в системе, например большой генератор, отключится. Даже небольшое прерывание этого сердечного ритма с частотой 60 Гц может вызвать волновые эффекты, от которых сеть с трудом может восстановиться.

Крупные электростанции спроектированы таким образом, чтобы помочь сети быть устойчивой к этим волновым эффектам. Инерция их вращающихся генераторов позволяет выиграть время в случае неожиданного отключения электроэнергии, и они постоянно регулируют выходную мощность в зависимости от частоты сети, поддерживая стабильность работы. Но энергосистема, включающая большое количество возобновляемой энергии, например, от ветряных турбин и солнечных батарей, работает совсем по-другому. Он использует устройства, известные как инверторы, для преобразования постоянного тока, или постоянного тока, электроэнергии, производимой ветровыми и солнечными установками, в переменный ток, или переменный ток, для сети. А системы возобновляемых источников энергии, включающие инверторы, ведут себя не так, как традиционные электростанции. «Мы имеем дело с совершенно другой физической системой», — говорит Патрисия Идальго-Гонсалес, инженер-электрик из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Больше электроэнергии в США теперь поступает из возобновляемых источников. Инверторы, образующие сеть, вероятно, будут играть большую роль в безопасной передаче энергии в энергосистему.

Поэтому исследователи искали способы сохранить стабильность сети, поскольку крупные электростанции выводятся из эксплуатации, а возобновляемые источники энергии составляют больший процент производства электроэнергии в США. Ответ может заключаться в специальном типе инверторов, известных как инверторы, образующие сеть. Эти части электрооборудования, размер которых варьируется от размера микроволновой печи до размера транспортного контейнера, специально запрограммированы для работы на стыке между чем-то, что производит или хранит энергию — например, ветряными турбинами, солнечными панелями и батареями — и сетка. Что особенно важно, они способны быстро и оперативно контролировать поток возобновляемой энергии в сеть, имитируя контроль со стороны крупных электростанций.

Добавляя несколько инверторов, образующих сеть, в существующую энергосистему, инженеры могут помочь заменить функции, которые теряются при выходе из эксплуатации крупных электростанций. Инверторы, образующие сеть, имеют и другие преимущества, такие как автоматический перезапуск отключенной сети. Это может сделать общество более устойчивым к отключениям электроэнергии, вызванным экстремальными погодными условиями, вызванными изменением климата, такими как волны тепла и ураганы (SN: 15.02.20, стр. 22).

За последнее десятилетие резко возросло количество электроэнергии в США, вырабатываемой с помощью солнечной и ветровой энергии.

«Думайте об инверторе, формирующем сетку, как об утке-матери, за которой следует стая утят», — говорит Доминик Гросс, инженер-электрик из Университета Висконсин-Мэдисон. Инвертор, формирующий сеть, может подавать напряжение в сеть, а затем регулировать ее частоту в зависимости от того, сколько энергии проходит через систему. Другие источники электроэнергии, поступающие в сеть, — утята — могут затем синхронизироваться с этим инвертором, образующим сеть, точно так же, как они это делали с потоком электричества, которое пульсирует на электростанциях.