Электроэнергетика - Electric power industry

Электроэнергия передается по таким воздушным линиям , а также по подземным высоковольтным кабелям.

Электроэнергетика охватывает поколения , передачи , распределения и продажи в электроэнергии для широкой общественности и промышленности. 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 электроэнергия стала важным аспектом для нормальной работы всех элементов развитой экономики.

К середине 20 века электроэнергия рассматривалась как « естественная монополия », эффективная только в том случае, если на рынке участвовало ограниченное число организаций; в некоторых областях вертикально-интегрированные компании обеспечивают все стадии от генерации до розничной торговли, и только государственный надзор регулирует норму прибыли и структуру затрат.

Начиная с 1990-х годов, многие регионы разделили производство и распределение электроэнергии. Хотя такие рынки могут быть оскорбительно манипулируют с последующим неблагоприятным воздействием цены и надежности для потребителей, в целом конкурентоспособного производства электрической энергии приводит к достойному повышению эффективности. Однако передача и распределение представляют собой более серьезные проблемы, поскольку не так легко найти отдачу от инвестиций .

История

Подстанция Болсвард, Нидерланды
Линии электропередачи в Румынии, ближайшая из которых - башня с фазовым переходом.

Хотя электричество было известно, получают в результате химических реакций, протекающих в электролизере , так как Алессандро Вольта развивал гальваническую груду в 1800 году , его производство таким путем было, и до сих пор является дорогостоящим. В 1831 году Майкл Фарадей изобрел машину, которая вырабатывала электричество за счет вращательного движения, но потребовалось почти 50 лет, чтобы технология достигла коммерчески жизнеспособной стадии. В 1878 году в Соединенных Штатах , Томас Эдисон разработал и продал коммерчески жизнеспособную замену газового освещения и отопление с использованием локально генерируемым и распределенным постоянным током электричества.

Роберт Хаммонд в декабре 1881 года продемонстрировал новый электрический свет в городе Брайтон в графстве Сассекс, Великобритания, в течение испытательного срока. Последовавший 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 ​​на паровой тяге на Холборнском виадуке в Лондоне , где он заключил соглашение с City Corporation сроком на три месяца на обеспечение уличного освещения. Со временем он обеспечил электричеством ряд местных потребителей. Источник питания - постоянный ток (DC). В то время как Годалминг и схема виадука Холборна 1882 года закрылись через несколько лет, схема Брайтона продолжала действовать, и в 1887 году поставки были доступны в течение 24 часов в сутки.

Позднее, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке, и снова это был источник постоянного тока. По этой причине генерация находилась рядом или на территории потребителя, поскольку у Эдисона не было средств преобразования напряжения. Напряжение, выбранное для любой электрической системы, является компромиссом. 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 с более высокими напряжениями. Общий эффект заключался в том, что система Эдисона требовала, чтобы электростанции находились в пределах мили от потребителей. В то время как это могло бы работать в городских центрах, оно не могло бы экономично снабжать электричеством пригороды.

С середины до конца 1880-х годов в Европе были внедрены системы переменного тока, а сила 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. Повышение напряжения уменьшало ток в линиях передачи и распределения и, следовательно, уменьшало размер проводов и потери при распределении. Это сделало более экономичным распределять электроэнергию на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанции ) могут быть расположены далеко от нагрузок. Переменный ток и постоянный ток какое-то время конкурировали, в период, называемый войной токов . Система постоянного тока могла претендовать на немного большую безопасность, но этой разницы было недостаточно, чтобы подавить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, которые в конечном итоге победили.

Линия высокого напряжения в Монреале , Квебек , Канада

Используемая сегодня система питания переменного тока быстро развивалась при поддержке таких промышленников, как Джордж Вестингауз с Михаилом Доливо-Добровольским , Галилео Феррарис , Себастьян Зиани де Ферранти , Люсьен Голар , Джон Диксон Гиббс, Карл Вильгельм Сименс , Уильям Стэнли младший , Никола Тесла и другие внесли свой вклад в эту область.

Силовая электроника - это применение твердотельной электроники для управления и преобразования электроэнергии. Силовая электроника началась с разработки в 1902 году ртутного дугового выпрямителя , который использовался для преобразования переменного тока в постоянный. С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых вентилей с сетевым управлением для передачи энергии. Электроды для сортировки сделали их пригодными для передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения (HVDC). В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. Технология транзисторов восходит к 1947 году, когда был изобретен точечный транзистор , за которым в 1948 году последовал биполярный переходной транзистор (BJT). К 1950-м годам стали доступны полупроводниковые диоды более высокой мощности, которые начали заменять электронные лампы . В 1956 году был представлен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), расширивший диапазон применения силовой электроники.

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET ( полевого транзистора металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. Поколения MOSFET позволили разработчикам мощности достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов. В 1969 году Hitachi представила первую вертикальную мощность MOSFET , который позже будет известен как VMOS (V-образный паз МОП - транзистор). С тех пор силовой полевой МОП-транзистор стал самым распространенным силовым устройством в мире из-за его низкой мощности привода затвора, высокой скорости переключения, простой расширенной возможности параллельного подключения , широкой полосы пропускания , прочности, легкости управления, простого смещения, простоты применения и простоты использования. ремонт.

В то время как HVDC все чаще используется для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния или для подключения смежных асинхронных энергосистем, большая часть производства, передачи, распределения и продажи электроэнергии происходит с использованием переменного тока.

Организация

Электроэнергетика обычно делится на четыре процесса. Это производство электроэнергии , такие как электростанции , передача электроэнергии , распределение электроэнергии и розничная торговля электроэнергией . Во многих странах электроэнергетические компании владеют всей инфраструктурой от генерирующих станций до инфраструктуры передачи и распределения. По этой причине электроэнергия рассматривается как естественная монополия . Отрасль, как правило, жестко регулируется , часто с контролем над ценами, и часто находится в государственной собственности и управляется . Однако современной тенденцией является усиление дерегулирования, по крайней мере, в последних двух процессах.

Характер и состояние рыночной реформы рынка электроэнергии часто определяют, могут ли электрические компании участвовать только в некоторых из этих процессов без необходимости владеть всей инфраструктурой, или граждане выбирают, какие компоненты инфраструктуры им покровительствовать. В странах, где предоставление электроэнергии не регулируется, конечные пользователи электроэнергии могут выбрать более дорогостоящую экологически чистую электроэнергию .

Поколение

Мировое производство электроэнергии по источникам в 2018 году. Общая выработка составила 26,7 ПВтч .

  Уголь (38%)
  Природный газ (23%)
  Гидро (16%)
  Ядерная (10%)
  Ветер (5%)
  Масло (3%)
  Солнечная (2%)
  Биотопливо (2%)
  Другое (1%)

Все формы производства электроэнергии имеют как положительные, так и отрицательные стороны. Технологии , вероятно, в конечном итоге заявят о наиболее предпочтительных формах, но в рыночной экономике варианты с меньшими общими затратами, как правило, будут выбираться выше других источников. Пока не ясно, какая форма может лучше всего удовлетворить необходимые потребности в энергии или какой процесс может лучше всего удовлетворить потребность в электроэнергии. Есть признаки того, что возобновляемые источники энергии быстро становятся наиболее жизнеспособными с экономической точки зрения. Разнообразное сочетание источников генерации снижает риски скачков цен на электроэнергию.

Передача электроэнергии

Трехфазные линии электропередачи 500 кВ на плотине Гранд-Кули ; показаны четыре схемы; две дополнительные цепи закрыты деревьями справа; вся генерирующая мощность плотины 7079 МВт обеспечивается этими шестью контурами.

Передача электроэнергии - это основная масса электрической энергии от генерирующей площадки, такой как электростанция , на электрическую подстанцию . Взаимосвязанные линии, которые способствуют этому движению, известны как передающая сеть. Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределением электроэнергии . Комбинированная сеть передачи и распределения известна как « электросеть » в Северной Америке или просто «сеть». В Великобритании , Индии , Малайзии и Новой Зеландии сеть известна как National Grid.

Широкая область синхронная сетка , также известная как «взаимосвязь» в Северной Америке, напрямую соединяет множество генераторов поставляя энергию переменного ток с теми же относительной частотой многочисленными потребителями. Например, в Северной Америке есть четыре основных межсоединения ( западное межсоединение , восточное межсоединение , межсетевое соединение 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.

Распределение электроэнергии

Распределительный трансформатор 50 кВА на опоре

Распределение электрической мощности является заключительным этапом в поставке от электроэнергии ; 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  кВ до 35 кВ с помощью трансформаторов . 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 в освещении, промышленном оборудовании или бытовой технике. Часто несколько потребителей получают питание от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и частные потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через точки обслуживания . Клиенты, которым требуется гораздо большее количество энергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или субпередающему уровню.

Розничная торговля электроэнергией

Розничная торговля электроэнергией - это окончательная продажа электроэнергии от производства конечному потребителю.

Мировая электроэнергетика

Организация электрического сектора страны или региона варьируется в зависимости от экономической системы страны. В некоторых местах производство, передача и распределение электроэнергии осуществляется контролируемой государством организацией. В других регионах есть частные или принадлежащие инвесторам коммунальные предприятия, городские или муниципальные компании, кооперативные компании, принадлежащие их собственным клиентам, или 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 миллиардами в 2010 году.

Рыночная реформа

Бизнес - модель за электрической полезности изменилась на протяжении многих лет играет важнейшую роль в формировании электроэнергетической отрасли в какой она является сегодня; от генерации, передачи, распределения до конечной местной розничной торговли. Это стало заметно после реформы электроэнергетической отрасли в Англии и Уэльсе в 1990 году.

Соединенные Штаты

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 усиление конкуренции сэкономит потребителям от 4 до 5 миллиардов долларов в год и будет способствовать техническим инновациям. в отрасли. Были приняты меры для предоставления всем участникам рынка открытого доступа к существующим межгосударственным линиям электропередачи.

  • Приказ № 888 предписывал вертикально интегрированным электроэнергетическим компаниям функционально разделить свой бизнес по передаче, производству электроэнергии и сбыту, чтобы не допускать самодеятельности.
  • Приказ № 889 создал систему для предоставления всем участникам своевременного доступа к информации об имеющейся пропускной способности и ценах.
  • FERC также одобрила концепцию назначения независимых системных операторов (ISO) для управления электросетью - функции, которая традиционно входила в обязанности вертикально интегрированных электроэнергетических компаний. Концепция независимого системного оператора превратилась в концепцию региональных передающих организаций (RTO). Намерение FERC состояло в том, чтобы все американские компании, владеющие межгосударственными линиями электропередач, передали эти объекты под контроль RTO. В своем Приказе № 2000 (Региональные передающие организации) , изданном в 1999 году, FERC определило минимальные возможности, которыми должен обладать RTO.

Эти решения, которые были направлены на создание полностью взаимосвязанной сети и интегрированного национального рынка электроэнергии, привели к реструктуризации электроэнергетической отрасли США. Вскоре этому процессу было нанесено две неудачи: энергетический кризис 2000 года в Калифорнии и скандал и крах Enron . Несмотря на то, что реструктуризация отрасли продолжалась, эти события ясно показали, что конкурентными рынками можно манипулировать, и, следовательно, их необходимо надлежащим образом проектировать и контролировать. Кроме того, отключение электроэнергии на северо-востоке в 2003 году подчеркнуло необходимость двойного внимания к конкурентоспособным ценам и строгим стандартам надежности.

Другие страны

В некоторых странах действуют оптовые рынки электроэнергии, на которых производители и розничные торговцы продают электроэнергию аналогично акциям и валюте . По мере продолжения дерегулирования коммунальные предприятия вынуждены продавать свои активы по мере того, как рынок энергии следует за рынком газа, используя фьючерсные и спотовые рынки и другие финансовые механизмы. Происходит даже глобализация с иностранными закупками. Одна из таких покупок произошла, когда National Grid Великобритании , крупнейшая частная электроэнергетическая компания в мире, купила несколько электроэнергетических компаний в Новой Англии за 3,2 миллиарда долларов. В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электроэнергетических компаний (РЭК) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США. На внутреннем рынке местные электроэнергетические и газовые компании объединили свою деятельность, поскольку они увидели преимущества совместной деятельности, особенно в связи со снижением стоимости совместных измерений. Технологический прогресс будет иметь место на конкурентных оптовых рынках электроэнергии; такие примеры, которые уже используются, включают топливные элементы, используемые в космических полетах ; авиационные газовые турбины, применяемые в реактивных самолетах ; солнечная энергетика и фотоэлектрические системы; оффшорные ветряные электростанции; и достижения в области коммуникации, порожденные цифровым миром, особенно с микропроцессором, который помогает в мониторинге и диспетчеризации.

Перспективы

Ожидается, что в будущем спрос на электроэнергию будет расти . Информационная революция сильно зависит от электроэнергии. Другие области роста включают появление новых технологий, не связанных с электричеством, разработки в области кондиционирования помещений, промышленных процессов и транспорта (например, гибридных транспортных средств , локомотивов ).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение