Блог

Aug 31, 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 электрического оборудования, 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.