Чудная во всём зеленая энергетика.

Чудная  во всём зеленая энергетика.
Глядя задумчиво в небо высокое,…а там высоковольтная линия маячит.  Солнце нещадно палит. Ветер крепчает. Река воды катит. Столько добра пропадает. Собрать бы все воедино и пустить в дело на зеленую энергетику (ЗЭ). Ведь проблема ЗЭ решается просто – необходимо вернуться к представлениям 18-19  века об электричестве как некоей жидкой субстанции. В этом случае труды Ампера, Фарадея и др. корифеев электрической и магнитной мысли вместе с уравнениями Максвелла сами собой отойдут в тенёчек на отдых. Предлагаю блаженно погрузиться в гидравлику, которая математически моделируется электрической цепью с помощью электроаналогий: (может кому-то и  покажется интересным)
- наличие вязкого трения обусловливает гидравлическое сопротивление течению жидкости как аналог резистору R в электрической цепи (ЭЦ);
- имеется в наличии и индуктивность L как функция длины и сечения участка трубопровода;
- и никак без емкости C - функции модуля упругости, плотности и объема этой самой электрической жидкости.
Если добавить аналогии для фазовых переменных: давление - напряжение; массовый расход жидкости - электрический ток, то результаты анализа математической модели ЭЦ на ЭВМ один к одному будут соответствовать поведению гидравлической системы (ГС) в системе физических единиц СИ.

С точки зрения математики, как одной из многих разделов философии древних – матери всех наук, проблемы ЗЭ решаются одномоментно.  Ставится «бездонная» по величине емкость, в которую вливается электрическая жидкость по большим и малым трубам от любых источников, включая динамомашины с велосипедными педалями. И уже оттуда она расходуется жаждущими по трубам с краниками. В этой простоте при создании единой гидравлической энергетической системы на всю Европу возникает единственный нюанс – принцип сообщающихся сосудов, который превращает всё вышесказанное в шутку с точки зрения физики.

Как говорится, мечтать не вредно, в том числе и апологетам ЗЭ и восполняемых источников энергии (ВИЭ) в целом.
Присовокупим пару фрагментов из дискуссии, в которой поучаствовал на одном из ресурсов по поводу ВИЭ. В ответ на обнадеживающее заявление адепта ЗЭ: "Вполне возможно, что через некоторое время появятся новые "органические" технологии. Я имею в виду биоэлектричество, биотехнологии и т.д."

AFG: Действительно, Природа сама позаботилась. Скат выдаёт в импульсе ток до 30 А с напряжением до 200 В, 6 кВт в импульсе. Первичным источником является Солнце. Земля имеет площадь примерно 500 трл. кв. метров - 250 трл. кВт солнечной радиации. Земля хранит её как термос, теряя часть энергии за счет теплового лучеиспускания в Космос. Оставшееся запасается в виде тепла, частично расходуемого на перемещение воздушных и водных масс, накапливается за счет фотосинтеза и биохимических реакций в органике на суше и океане, и хранится в виде ископаемых углеводородов. Для сравнения, установленная мощность генерирующих источников в мире примерно всего лишь 5 млрд. кВт. Так что ресурсы биоэнергетики неограниченны. Соединяй, не ленись, псевдоСкаты заморские  последовательно и в параллель и побольше фитопланктона им в топку. К.п.д. жизнедеятельности высокий. Уж на что человек - несовершенный организм, а после рюмки, другой готов горы свернуть…

И далее в ответ на сентенцию: "...а к  далёкому времени, человек, возможно, будет обладать такими способностями, что ему будут не нужны мощные источники энергии".

AFG:  Вот, вот, об этом и талдычат трансгуманисты, что будем менять органы у человека. У одних с головой будет всё в порядке, но много таких не требуется. (Разумеется, к ним они отнесут себя родных – трансменагеров). 
Основной массе оставить в голове только центры, регулирующие физиологические процессы в организме: у одних - нужные для механической работы, у других - нужные для генерирования электрической энергии и быть способными по команде объединяться в батареи. При пиковой нагрузке давать им высококалорийное питание, не шоколад, а спиртосодержащее зельё. А в затишье - достаточно клеверной жвачки для поддержания номинального напряжения без токовой нагрузки. Из гуманных соображений похмельный синдром из процесса производства энергии будет исключен. Такие вот дела. С точки зрения математики, с гидравликой и животным миром всё в порядке. Как обстоят дела с математикой в ЗЭ в целом, заявлено автором обсуждаемой статьи:

"Альтернативная энергетика имеет право на существование без присоединения к системе и без субсидий. Еще до того, как у стран, увлекшихся таким присоединением, как те же Германия и Австралия, начались проблемы с устойчивостью, автор этой статьи со своим коллегой ручками прикинул, что по достижении 20% установленной мощности вся эта "зелень" начнет создавать сильную головную боль. И решение на разрешение таких присоединений равнозначно открыванию ящика Пандоры. Закрыть его будет трудно". Во что это обойдется на практике автор статьи намекнул. Европа и США вывели многое из промпроизводства в Азию. Остается  перейти на зеленое электричество в каждом хуторе. 

Любопытства ради, решил заглянуть в ящик Пандоры. Очевидно, что при создании единой электрической энергосистемы (ЕЭС) должны возникать проблемы. Потребители есть неразборчивые в качестве энергии и разборчивые. Но при объединении в единую сеть источников энергии к её качеству должны предъявляться, очевидно, определенные стандартные требования.

Немного прозы. Быль. Давным - давно в «дополупроводниковую эру» слушал, не совсем профильный для электронщиков-слаботочников, курс «Преобразователи электрической энергии» в системах электроснабжения. Замечательный преподаватель. Вместо практик водил на экскурсии на генерирующие предприятия, подстанции. Посмотрели на ионные приборы – игнитроны и тиратроны почти в рост человека в помещении для источников питания электромагнитов ускорителя на 1 Гэв…  Запомнился приведенный им пример выполнения договора о поставке электроэнергии из СССР в финскую энергосистему. Для этого пришлось на границе строить специальные преобразователи приличной установленной мощности, чтобы советская энергия соответствовала финским понятиям о качестве сего продукта. 

Напряжение и ток в сети – гармонические функции и желательно, чтобы они гуляли в ногу с хорошим Cos(фи). Синусоида сама по себе – ещё та дама – капризная. То ей амплитуда не нравится, то частота не подходит или фаза не та,  для самых привередливых. Для её обуздания разработаны стандарты, которые устанавливают довольно жесткие требования при подключении нового источника в общую сеть.

Попался на глаза Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97, одним из разделов которого является 4. Показатели качества. Раздел 4.1. включает в себя: (Можно не читать, а оценить количество показателей)
- установившееся отклонение напряжения δUy; - размах изменения напряжения δUt; - доза фликера Рt; - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU; - коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n); - коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U; - коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U; - отклонение частоты ∆f; - длительность провала напряжения ∆tп; - импульсное напряжение Uимп; - коэффициент временного перенапряжения Кпер U.    Свойства электрической энергии, графические пояснения этих свойств, показатели КЭ, а также наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ приведены в приложении А.  4.2.  При определении значений некоторых показателей КЭ используют следующие вспомогательные параметры электрической энергии: - частоту повторения изменений напряжения FδUt; - интервал между изменениями напряжения ∆ti, i+1; - глубину провала напряжения δUп; - частость появления провалов напряжения Fп; - длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ∆tимп 0,5; - длительность временного перенапряжения ∆tпер.   

Способы расчета по формулам и методики определения показателей КЭ и вспомогательных параметров приведены в приложении Б. По ГОСТ используются примерно 40 расчетных коэффициентов для оценки КЭ.
Как пример, нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (из-за наличия высших гармоник по отношению к основной частоте сети 50 Гц) составляют соответственно в точках присоединения к электрическим сетям:  8 - 12 %, Uном= 0,38 кВ;  5 - 8 %, UНОМ = 6 -20 кВ;  4 - 6 %, UНОМ = 35 кВ ,  2 - 3 %, … По этому параметру требования к качеству электроэнергии растут в зависимости от величины напряжения сети.

В свое время при длительных поездках с внуками на Алтай останавливались на обед и отдых всегда в одном и том же месте. Удобный съезд с трассы к реке. Красивое место. Метрах в трехстах через реку ЛЭП на 500 кV. При подходе к ней слышался шелест коронного разряда. Как-то прихватил с собой неонку, чтобы фокус ребятне показать. Видимо атмосферное состояние способствовало, и  неонка засветилась. Наличие высших гармоник благоприятствует развитию разряда и увеличивают потери в сети. По идее и сам коронный разряд должен вносить свою лепту в искажение синусоиды.

Энергетикам, конечно, известно как осуществить связь Сети с генераторами ветряков и с преобразователями  постоянного тока  на переменный у солнечных батарей. Ясно, что должна существовать принудительная синхронизация нового источника  по фазе и частоте самой Сетью.

Разумеется, можно поставить в строй новобранца (ветряк или преобразователь солнечной батареи) и обучить слаженному шагу, привязав к одной ноге сено, к другой солому как это делалось в «курсе молодого бойца» при Царе-Батюшке. Но нет полной гарантии, что новичок не перепутает сено с соломой при торжественном прохождении парадной колонны…

На основе статданных в Приложении к рассмотренному ГОСТ указаны 8 типовых ЧП в Сетях, и причины их возникновения. Так вот 5 из них обусловлены поставщиками энергии!

Приложение к тексту. Требования к показателю КЭ по частоте. Отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения, технологически изолированных от единой энергосистемы СНГ  не должно превышать ± 0,2 Гц в течение 95% недельного интервала времени измерения, и ± 0,4 Гц в течение 100% недельного интервала времени измерения. Отклонение частоты в изолированных системах электроснабжения, (с автономными генераторными установками), не подключенных к синхронизированным системам передачи электрической энергии, не должно превышать от ± 1Гц при измерении в течение 95% недельного интервала времени до ± 5Гц в течение 100% недельного интервала, т.е. допускаются непродолжительные 10% отклонения частоты.

Новый ГОСТ Р 55890—2013. Требования к показателю КЭ по частоте. Определения. Синхронная зона - Совокупность всего синхронно работающего генерирующего оборудования и энергопринимающих установок потребителей электрической энергии, имеющих общую частоту электрического тока. ЕЭС России состоит из двух зон: первая синхронная зона ЕЭС России - часть ЕЭС России, включающая в себя все объединенные энергосистемы, кроме объединенной энергосистемы Востока;  вторая синхронная зона ЕЭС России - объединенная энергосистема Востока, которая работает изолированно от первой синхронной зоны.

4.3 В первой синхронной зоне ЕЭС России должно быть обеспечено поддержание: - квазиустановившихся значений частоты в пределах (50,00±0,05) Гц при допустимости нахождения значений частоты в пределах (50,00±0,2) Гц с восстановлением частоты до уровня (50,00+0,05) Гц за время не более 15 мин;
4.4 Во второй синхронной зоне ЕЭС России и технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах, а также в первой синхронной зоне ЕЭС России при ее работе в вынужденном режиме должно быть обеспечено поддержание: - квазиустановившихся значений частоты в пределах (50,0±0,2) Гц не менее 95 % времени суток без выхода за величину (50,00±0,4) Гц;

4.5 В нормальном режиме работы энергосистемы при регулировании частоты с использованием автоматического вторичного регулирования должно обеспечиваться поддержание:  средней величины частоты за любой час суток в пределах (50,00±0,01) Гц в первой и второй синхронных зонах ЕЭС России;  средней частоты за любой час суток в пределах (50,00±0,05) Гц в технологически изолированных от ЕЭС территориальных энергосистемах. 
5.3.1. Зона нечувствительности первичных регуляторов по частоте должна быть не более 0,01 Гц, т.е. вынь да положь  точность установки частоты в 0,02%.

Пример влияния  стабильности частоты на КЭ. Теоретически при наложении двух гармонических колебаний с одинаковыми амплитудой и фазой, но мало отличающимися друг от друга частотами, должны возникать биения величины амплитуды результирующего колебания  с частотой, равной разности частот исходных синусоид. Сама результирующая синусоида будет иметь частоту как среднее арифметическое от частот исходных синусоид.

Моделирование в MATHCAD при f1= 50 Гц и f2= 49,5 Гц  для двух синусоид амплитудой 10 В дало следующие результаты (к сожалению, как новичку на стадионе, наглядные графики не удалось перевести в АШ): 
Для абстрактных синусоид можно наблюдать накопление запаздывания по фазе синусоиды с меньшей частотой. Другой рисунок для суммы синусоид показывает, что колебания величины суммы их амплитуд происходят по синусоидальному закону с частотой 0,5 Гц. Через 1 сек.(полупериод биений) их среднеарифметическая сумма (u1+u2)/2  равна 0 (в противофазе), и на 2-й секунде снова равна 10 В (в фазе). 

В отличие от абстрактных синусоид необходимо учитывать внутреннее сопротивление источников. Моделирование было выполнено для двух источников напряжения, включенных в параллель на общую нагрузку 100 Ом. При равномощности источников - равенстве их внутренних проводимостей (сопротивлений), будет наблюдаться картина, аналогичная, что и для абстрактных синусоид.

С увеличением отличия внутренних сопротивлений источников наблюдается уменьшение амплитуды колебаний их суммы. При их отличии в 100 раз колебания  амплитуды напряжения на нагрузке практически не наблюдаются. Дирижирует более мощный источник с малым внутренним сопротивлением, так как его ток почти в 100 раз дает больший вклад в ток нагрузки.

Можно сказать, что заглянули в один из уголков упомянутого выше музыкального «Ящика Пандоры» для согласования по многим параметрам «хуторской зелени» между собой и с объединенной энергосистемой в конечном итоге.

Энергосистема техническая – это объект техники, представляющий собой комплекс источников электроэнергии, соединенных общей электрической сетью с приемниками электроэнергии, а также между собой, в котором процессы производства, передачи и потребления электроэнергии протекают в одно и то же время в синхронном режиме.

PS. Само по себе, включение в параллель источников уменьшает общее внутреннее сопротивление эквивалентного  им источника и увеличивает мощность, отдаваемую в нагрузку. Но даже при хорошем качестве каждого из источников в группе, может сработать закон перехода количества в качество. В авто Теслы их как семечек в кармане. Защита от КЗ не может давать 100% гарантию, что случайное КЗ в одном из источников не приведет к «взрыву» всей группы и синему пламени.