Электроэнергетика
Электроэнергетика промышленности охватывает производство , передачу , распределение и продажу электроэнергии . населению и Коммерческое распределение электроэнергии началось в 1882 году, когда электричество было произведено для электрического освещения . В 1880-х и 1890-х годах растущие проблемы экономики и безопасности привели к регулированию отрасли. То, что когда-то было дорогостоящей новинкой, ограниченной наиболее густонаселенными районами, надежная и экономичная электроэнергетика стала важнейшим аспектом нормальной работы всех элементов развитых экономик.
К середине 20-го века электричество рассматривалось как « естественная монополия », эффективная только в том случае, если на рынке участвовало ограниченное число организаций; в некоторых сферах вертикально-интегрированные компании обеспечивают все этапы от генерации до розничной торговли, и только государственный надзор регулировал норму прибыли и структуру затрат.
С 1990-х годов во многих регионах произошло разделение производства и распределения электроэнергии. [ нужна ссылка ] . Хотя такими рынками можно злоупотреблять, что приводит к неблагоприятному воздействию на цену и надежность потребителей, в целом конкурентное производство электроэнергии приводит к значительному повышению эффективности. [ нужна ссылка ] . Однако передача и распределение представляют собой более сложную проблему, поскольку получить прибыль от инвестиций не так-то просто.
История
[ редактировать ]
Хотя было известно, что электричество производится в результате химических реакций, происходящих в электролитической ячейке, с тех пор, как Алессандро Вольта разработал гальваническую батарею в 1800 году, его производство таким способом было и остается дорогим. В 1831 году Майкл Фарадей изобрел машину, вырабатывающую электричество за счет вращательного движения, но потребовалось почти 50 лет, чтобы эта технология достигла коммерчески жизнеспособной стадии. В 1878 году в США разработал и продал Томас Эдисон коммерчески жизнеспособную замену газовому освещению и отоплению с использованием локально генерируемой и распределяемой электроэнергии постоянного тока .
Роберт Хаммонд в декабре 1881 года продемонстрировал новый электрический свет в сассекском городе Брайтон в Великобритании в течение испытательного периода. Последующий успех этой установки позволил Хаммонду поставить это предприятие как на коммерческую, так и на юридическую основу, поскольку ряд владельцев магазинов хотели использовать новое электрическое освещение. Так была основана компания Hammond Electricity Supply Co.
В начале 1882 года Эдисон открыл первую в мире электростанцию с паровым приводом на виадуке Холборн в Лондоне , где он заключил соглашение с City Corporation сроком на три месяца на обеспечение уличного освещения. Со временем он снабдил электрическим светом ряд местных потребителей. Способ питания – постоянный ток (DC). В то время как Годалминг и схема виадука Холборн 1882 года закрылись через несколько лет, Брайтонская схема продолжала действовать, и в 1887 году снабжение стало доступным 24 часа в сутки.
Позже, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке , и она снова стала источником постоянного тока. Именно по этой причине генерация осуществлялась вблизи или на территории потребителя, поскольку у Эдисона не было средств преобразования напряжения. Напряжение, выбранное для любой электрической системы, является компромиссным. Для заданного количества передаваемой мощности увеличение напряжения уменьшает ток и, следовательно, уменьшает требуемую толщину провода. К сожалению, это также увеличивает опасность прямого контакта и увеличивает требуемую толщину изоляции . Кроме того, некоторые типы нагрузок было трудно или невозможно заставить работать при более высоких напряжениях. Общий эффект заключался в том, что система Эдисона требовала, чтобы электростанции находились в пределах мили от потребителей. Хотя это могло бы сработать в центрах городов, оно не смогло бы экономически обеспечить электроэнергией пригороды. [1]
В середине-конце 1880-х годов в Европе были внедрены системы переменного тока (AC), а мощность переменного тока в США имела преимущество в том, что трансформаторы , установленные на электростанциях , можно было использовать для повышения напряжения от генераторов, а трансформаторы на местных подстанциях. может снизить напряжение питания нагрузки. Увеличение напряжения уменьшало ток в линиях передачи и распределения и, следовательно, размеры проводников и потери в распределении. Это сделало более экономичным распределение мощности на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанции ) могут располагаться далеко от потребителей. Переменный и постоянный ток какое-то время соперничали, в период, называемый войной токов . Система постоянного тока могла претендовать на несколько большую безопасность, но эта разница была недостаточно велика, чтобы перевесить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, которые в конечном итоге победили. [1]
Используемая сегодня система электропитания переменного тока быстро развивалась при поддержке таких промышленников, как Джордж Вестингауз с Михаилом Доливо-Добровольским , Галилео Феррарисом , Себастьяном Зиани де Ферранти , Люсьеном Голаром , Джоном Диксоном Гиббсом, Карлом Вильгельмом Сименсом , Уильямом Стэнли-младшим , Николой Теслой и другие внесли свой вклад в эту область.
Силовая электроника — это применение полупроводниковой электроники для управления и преобразования электроэнергии. Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя в 1902 году, который использовался для преобразования переменного тока в постоянный. С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых клапанов с сеточным управлением для передачи энергии. Градирующие электроды сделали их пригодными для постоянного тока высокого напряжения передачи энергии (HVDC). В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. [2] Транзисторная технология восходит к 1947 году, с изобретением точечного транзистора , за которым в 1948 году последовал биполярный переходной транзистор (BJT). К 1950-м годам полупроводниковые диоды стали доступны большей мощности, которые начали заменять электронные лампы . В 1956 году был представлен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), расширивший диапазон применения силовой электроники. [3]
Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением МОП-транзистора (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. Поколения МОП-транзисторов позволили разработчикам источников питания достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов. [4] В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор . [5] который позже будет известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). [6] С тех пор силовой МОП-транзистор стал самым распространенным силовым устройством в мире из-за его низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, [7] простая расширенная возможность параллельного распараллеливания, [7] [8] широкая полоса пропускания , надежность, простота привода, простое смещение, простота применения и простота ремонта. [8]
В то время как HVDC все чаще используется для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния или для подключения соседних асинхронных энергосистем, основная часть производства, передачи, распределения и розничной торговли электроэнергией происходит с использованием переменного тока.
Организация
[ редактировать ]
Электроэнергетику обычно разделяют на четыре процесса. Это производство электроэнергии , такое как электростанция , передача электроэнергии , распределение электроэнергии и розничная торговля электроэнергией . Во многих странах электроэнергетические компании владеют всей инфраструктурой от электростанций до инфраструктуры передачи и распределения. По этой причине электроэнергетика рассматривается как естественная монополия . Отрасль, как правило, жестко регулируется , часто с контролем цен , и часто находится в собственности и управлении государства . Однако современной тенденцией является усиление дерегуляции, по крайней мере, в двух последних процессах. [9]
Характер и состояние рыночного реформирования рынка электроэнергии часто определяют, смогут ли электроэнергетические компании участвовать лишь в некоторых из этих процессов, не владея всей инфраструктурой, или граждане сами выбирают, какие компоненты инфраструктуры им покровительствовать. В странах, где электроснабжение дерегулировано, конечные потребители электроэнергии могут сделать выбор в пользу более дорогой зеленой электроэнергии .
Поколение
[ редактировать ]в 2021 году Производство электроэнергии в мире по источникам. Общая выработка составила 28 петаватт-часов . [10]
Генерация — это преобразование некоторого первичного источника энергии в электроэнергию, пригодную для коммерческого использования в электрической сети. Большая часть коммерческой электроэнергии производится вращающимися электрическими машинами, « генераторами », которые перемещают проводники через магнитное поле для производства электрического тока. Генератор вращается какой-то другой первичной машиной; в типичных генераторах, подключенных к сети, это паровая турбина, газовая турбина или гидравлическая турбина. Основными источниками энергии для этих машин часто являются ископаемое топливо (уголь, нефть, природный газ), ядерное деление, геотермальный пар или падающая вода. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, приобретают все большее коммерческое значение.
Поскольку выработка электроэнергии должна точно соответствовать ее потреблению, необходимо установить достаточные генерирующие мощности для удовлетворения пиковых потребностей. При этом необходимо выбирать первичные источники энергии так, чтобы минимизировать стоимость производимой электрической энергии. Как правило, источником электроэнергии с наименьшими дополнительными затратами будет следующий блок, подключенный для удовлетворения растущего спроса. Электрические генераторы имеют автоматическое управление для регулирования мощности, подаваемой в систему электропередачи, моментально регулируя выходную мощность генератора, чтобы сбалансировать потребность в электроэнергии. Для большой сети с десятками или сотнями подключенных генераторов и тысячами потребителей управление стабильным снабжением генераторов является проблемой, требующей значительных усилий для удовлетворения экономических, экологических требований и требований надежности. Например, источники генерации с низкими дополнительными затратами, такие как атомные электростанции, могут работать непрерывно для удовлетворения средней « базовой нагрузки » подключенной системы, тогда как более дорогостоящие пиковые электростанции например, газовые турбины, могут работать непродолжительное время в течение дня для удовлетворения пиковых нагрузок. Альтернативно, стратегии управления нагрузкой могут стимулировать более равномерный спрос на электроэнергию и снизить дорогостоящие пиковые нагрузки. Определенные генераторные агрегаты для конкретной электрической сети могут работать только с частичной мощностью, чтобы обеспечить «резерв вращения» на случай внезапного увеличения спроса или сбоев в работе других генерирующих блоков.
Помимо производства электроэнергии, электрогенерирующие установки могут предоставлять другие вспомогательные услуги для электрической сети, такие как регулирование частоты, реактивная мощность и аварийный пуск разрушенной электросети. Эти вспомогательные услуги могут иметь коммерческую ценность, если генерирующие, передающие и распределительные электроэнергетические компании являются отдельными коммерческими организациями.
Передача электроэнергии
[ редактировать ]
Передача электроэнергии — это массовое перемещение электрической энергии от генерирующего объекта, такого как электростанция , к электрической подстанции . Взаимосвязанные линии, которые облегчают это движение, известны как сеть передачи. Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределением электроэнергии . Объединенная сеть передачи и распределения известна как « энергетическая сеть в Северной Америке » или просто «сеть». В Великобритании , Индии , Малайзии и Новой Зеландии эта сеть известна как National Grid.
Синхронная сеть большой площади , также известная как «межсетевое соединение» в Северной Америке, напрямую соединяет множество генераторов, поставляющих мощность переменного тока с одинаковой относительной частотой для многочисленных потребителей. Например, в Северной Америке есть четыре основных межсоединения ( Западное межсоединение , Восточное межсоединение , Межсоединение Квебека и сеть Совета по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT)). В Европе одна большая сеть соединяет большую часть континентальной Европы .
Исторически линии передачи и распределения принадлежали одной и той же компании, но, начиная с 1990-х годов, многие страны либерализовали регулирование рынка электроэнергии таким образом, что это привело к отделению бизнеса по передаче электроэнергии от бизнеса по распределению. [11]
Распределение электроэнергии
[ редактировать ]
Распределение электроэнергии является заключительным поставки электроэнергии ; этапом он передает электроэнергию от системы передачи к отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от 2 до 35 кВ с помощью трансформаторов . [12] Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения к распределительным трансформаторам, расположенным рядом с помещениями потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до рабочего напряжения, используемого освещением, промышленным оборудованием или бытовыми приборами. Часто несколько потребителей питаются от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через распределительные сети . Потребители, которым требуется гораздо большее количество электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или к уровню подпередачи . [13]
Розничная торговля электроэнергией
[ редактировать ]Розничная торговля электроэнергией – это конечная продажа электроэнергии от производства до конечного потребителя.
Мировая электроэнергетика
[ редактировать ]Организация электроэнергетического сектора страны или региона варьируется в зависимости от экономической системы страны. В некоторых местах все производство, передача и распределение электроэнергии обеспечивается организацией, контролируемой государством. В других регионах есть частные или принадлежащие инвесторам коммунальные предприятия, городские или муниципальные компании, кооперативные компании, принадлежащие их собственным потребителям, или их комбинации. Генерация, передача и распределение могут предлагаться одной компанией, или разные организации могут предоставлять каждую из этих частей системы.
Не у всех есть доступ к электросети. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиарда в 2010 году. [14]
Рыночная реформа
[ редактировать ]Бизнес -модель электроэнергетической компании с годами изменилась, сыграв жизненно важную роль в формировании электроэнергетической отрасли в том виде, в каком она есть сегодня; от генерации, передачи, распределения до конечной местной розничной торговли. Это стало заметным после реформы электроэнергетической отрасли в Англии и Уэльсе в 1990 году.
Соединенные Штаты
[ редактировать ]В 1996–1999 годах Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) приняла ряд решений, направленных на открытие оптового рынка электроэнергии США для новых игроков, в надежде, что стимулирование конкуренции сэкономит потребителям от 4 до 5 миллиардов долларов в год и будет стимулировать технические инновации. в отрасли. [15] Предприняты шаги по предоставлению всем участникам рынка открытого доступа к существующим межгосударственным линиям электропередачи.
- Приказ № 888 предписывал вертикально интегрированным электроэнергетическим компаниям функционально разделить свои предприятия по передаче, производству электроэнергии и сбыту, чтобы предотвратить самодеятельность. [16]
- Приказом №889 создана система обеспечения всем участникам своевременного доступа к информации о имеющейся пропускной способности и ценах. [17]
- FERC также одобрила концепцию назначения независимых системных операторов (ISO) для управления электроэнергетической сетью – функция, которая традиционно была обязанностью вертикально интегрированных электроэнергетических компаний. [18] Концепция независимого системного оператора превратилась в концепцию региональных передающих организаций (RTO). Намерение FERC заключалось в том, чтобы все американские компании, владеющие межштатными линиями электропередачи, передали эти объекты под контроль RTO. [19] В своем Приказе № 2000 (Региональные передающие организации) , изданном в 1999 году, FERC определила минимальные возможности, которыми должна обладать RTO. [20]
Эти решения, направленные на создание полностью взаимосвязанной сети и интегрированного национального энергетического рынка, привели к реструктуризации электроэнергетической отрасли США. Этот процесс вскоре потерпел две неудачи: энергетический кризис в Калифорнии 2000 года , а также скандал и крах Enron . Хотя реструктуризация отрасли продолжалась, эти события ясно показали, что конкурентными рынками можно манипулировать, и поэтому их необходимо правильно проектировать и контролировать. Кроме того, отключение электроэнергии на северо-востоке страны в 2003 году подчеркнуло необходимость двойного внимания: конкурентоспособным ценам и строгим стандартам надежности. [21]
Другие страны
[ редактировать ]В некоторых странах действуют оптовые рынки электроэнергии, на которых производители и розничные продавцы торгуют электроэнергией аналогично акциям и валюте . Поскольку дерегулирование продолжается, коммунальные предприятия вынуждены продавать свои активы , поскольку энергетический рынок следует примеру газового рынка, используя фьючерсные и спотовые рынки и другие финансовые механизмы. даже глобализация Происходит с иностранными закупками. Одна из таких покупок произошла, когда британская National Grid , крупнейшая частная электроэнергетическая компания в мире, купила несколько электроэнергетических компаний в Новой Англии за 3,2 миллиарда долларов. [22] В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электрических компаний (REC) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США. [23] Внутри страны местные электроэнергетические и газовые компании объединили свои операции, поскольку увидели преимущества совместного объединения, особенно в плане снижения затрат на совместные измерения. Технологический прогресс будет происходить на конкурентных оптовых рынках электроэнергии, такие примеры, которые уже используются, включают топливные элементы, используемые в космических полетах ; авиационные газовые турбины, используемые в реактивных самолетах ; солнечная техника и фотоэлектрические системы; морские ветряные электростанции; а также достижения в области связи, порожденные цифровым миром, особенно с микропроцессорами, которые помогают в мониторинге и диспетчеризации. [24]
Перспективы
[ редактировать ]Ожидается, что спрос в будущем на электроэнергию будет расти. Информационная революция во многом зависит от электроэнергии. Другие области роста включают появление новых технологий, использующих исключительно электричество, разработки в области кондиционирования воздуха, промышленных процессов и транспорта (например, гибридные транспортные средства , локомотивы ). [24]
См. также
[ редактировать ]
- мощность переменного тока
- Распределенная генерация
- Интегрированная база данных по выбросам и генерирующим ресурсам
- Административный номер счетчика , уникальный номер поставки в Великобритании.
- Национальная сеть (значения)
- Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения
- Ставка
- Reddy Kilowatt — логотип электроэнергетической компании США.
- Сэмюэл Инсулл
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Шок и трепет: История электричества – 2. Эпоха изобретений
- ^ Томпсон, штат Монтана «Примечания 01» (PDF) . Введение в силовую электронику . Томпсон Консалтинг, Инк.
- ^ Харагпур. «Силовые полупроводниковые устройства» (PDF) . ЭЭ ИИТ . Архивировано (PDF) из оригинала 20 сентября 2008 г. Проверено 25 марта 2012 г.
- ^ «Переосмыслите плотность мощности с помощью GaN» . Электронный дизайн . 21 апреля 2017 года . Проверено 23 июля 2019 г.
- ^ Окснер, ЕС (1988). Технология и применение Фет . ЦРК Пресс . п. 18. ISBN 9780824780500 .
- ^ «Достижения в области дискретных полупроводников идут вперед» . Технология силовой электроники . Информация : 52–6. Сентябрь 2005 г. Архивировано (PDF) из оригинала 22 марта 2006 г. Проверено 31 июля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Основы силовых МОП-транзисторов» (PDF) . Альфа и Омега полупроводники . Проверено 29 июля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Эльзевир . стр. 178–81 . ISBN 9780080508047 .
- ^ «Ухабистый путь к дерегуляции энергетики» . EnPowered. 28 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 7 апреля 2017 г. Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ «Ежегодные данные по электроэнергии» . ember-climate.org . 6 декабря 2023 г. Проверено 23 декабря 2023 г.
- ^ «Букварь по электроэнергетике, дерегуляции и реструктуризации рынков электроэнергии США» (PDF) . Министерства энергетики США Федеральная программа управления энергетикой (FEMP). Май 2002 года . Проверено 30 октября 2018 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Коротко, Т.А. (2014). Справочник по распределению электроэнергии . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. стр. 1–33. ISBN 978-1-4665-9865-2 .
- ^ «Как работают электрические сети» . Как все работает . Проверено 18 марта 2016 г.
- ^ Устранение разрыва в доступе к электроэнергии в странах Африки к югу от Сахары: почему города должны быть частью решения
- ^ Томейн, Джозеф и Кудахи, Ричард (2004). Коротко об энергетическом праве . Группа Томсон-Вест. п. 277. ИСБН 9780314150585 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Томейн и Кудахи, цит . стр. 276–277.
- ^ Томейн и Кудахи, цит . п. 277.
- ^ Томейн, Джозеф и Кудахи, Ричард (2004). Коротко об энергетическом праве . Томсон – Западная группа. ISBN 9780314150585 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Приказ № 2000» (PDF) . Федеральная комиссия по регулированию энергетики . Проверено 7 июня 2021 г.
- ^ «Энергетический закон США: электричество (о региональных передающих организациях)» . Юридическая библиотека Университета Джорджа Вашингтона .
- ^ Томейн и Кудахи, цит . стр. 285–297.
- ^ Заявление SEC от 15 марта 2000 г.
- ^ «Электрические компании в Соединенном Королевстве – краткая хронология», Электрическая ассоциация, 30 июня 2003 г.
- ^ Jump up to: а б Борберли А. и Крейдер Дж. Ф. (2001). Распределенная генерация: энергетическая парадигма нового тысячелетия. CRC Press, Бока-Ратон, Флорида. 400 стр.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- П. Стрэндж, «Раннее электроснабжение в Великобритании: Честерфилд и Годалминг», IEEE Proceedings (1979).
- Д.Г. Такер, «Гидроэлектричество для общественного снабжения в Великобритании», Industrial Archeology Review (1977).
- Б. Бауэрс, История электрического света и власти , Peregrinus (1982).
- Т. П. Хьюз, Сети власти , Johns Hopkins Press, Лондон (1983).
- IRENA , ИННОВАЦИОННЫЙ ЛАНДШАФТ ДЛЯ БУДУЩЕГО НА ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ: РЕШЕНИЯ ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ПЕРЕМЕННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ. Архивировано 24 января 2021 г. в Wayback Machine (2019).
Основные отрасли промышленности | |||
|---|---|---|---|
| |||
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
