L'impatto crescente dei carichi elettrici di riscaldamento sulla stabilità del flusso di carico del sistema di potenza

I carichi elettrici di riscaldamento sono diventati una caratteristica distintiva dei moderni sistemi energetici, guidati dalla spinta alla decarbonizzazione, all'elettrificazione del riscaldamento edilizio, e l'adozione crescente di pompe di calore, riscaldatori resistivi e caldaie elettriche industriali.

Questo articolo fornisce un'analisi approfondita di come i carichi di riscaldamento elettrici influiscono sulla stabilità del flusso di carico, esplora i meccanismi sottostanti e valuta strategie di mitigazione pratiche che possono adottare utilities, regolatori e operatori di sistema.

Tipi di carichi elettrici di riscaldamento e loro caratteristiche

Il riscaldamento elettrico comprende una gamma diversificata di tecnologie, ognuna con caratteristiche elettriche distinte che influenzano la stabilità del flusso di carico.

Caricamento resistente del riscaldamento

I riscaldatori resistenti, inclusi i riscaldatori del piano base, i riscaldatori elettrici dell'acqua e i riscaldatori dello spazio, operano attraverso una corrente di passaggio attraverso un elemento resistivo. In genere presentano un carico puramente resistivo con un fattore di potenza vicino all'unità. Tuttavia, le loro grandi correnti di inrush quando si accende per la prima volta possono causare immersione improvvisa della tensione. Inoltre, perché non hanno inerzia termica nei loro sistemi di controllo, i riscaldatori resistivi spesso si ciclino e si spostano rapidamente, creando frequenti cambiamenti di tensione di tensione di tensione di movimento.

Pompe di calore (Air-Source e Ground-Source)

Le pompe di calore stanno sostituendo sempre più riscaldatori resistivi per la loro maggiore efficienza (COP di 2-5), ma il loro comportamento elettrico è più complesso. Le pompe di calore disegnano potenza non solo per il riscaldamento ma anche per i motori del compressore, i ventilatori, e le strisce di riscaldamento resistive ausiliarie utilizzate in estremo freddo. Le correnti di avviamento del motore possono essere tre a cinque volte la corrente di funzionamento, anche se per una breve durata.

Riscaldamento di stoccaggio (archiviazione termica)

I riscaldatori elettrici di stoccaggio utilizzano l'elettricità off-peak per riscaldare i mattoni o altre masse termiche, immagazzinando il calore per l'uso durante le ore di punta. Questa caratteristica di spostamento del carico può beneficiare della griglia migliorando il fattore di carico. Tuttavia, il processo di carica disegna un carico sostanziale e costante su diverse ore. Se molti riscaldatori di stoccaggio in una rete di distribuzione carica simultaneamente, la domanda aggregata può creare una rampa improvvisa in carico, travolgente trasformatori locali e causare gocce di tensione.

Riscaldamento elettrico industriale

Le applicazioni industriali come i forni elettrici ad arco (EAF), il riscaldamento ad induzione e le caldaie elettriche per il riscaldamento a distretto presentano sfide uniche. Le EAF sono particolarmente dirompenti, con una domanda di potenza altamente variabile (fino a 100 MW) e un flicker severo. Il riscaldamento ad induzione spesso utilizza alimentatori ad alta frequenza che generano correnti armoniche significative. Le caldaie elettriche, mentre più prevedibili, possono aumentare rapidamente l'alimentazione, incidendo la frequenza e la tensione, se non coordinate con operazioni di corrente.

Fondamenti della stabilità del flusso di carico

La stabilità del flusso di carico — più comunemente definita “stabilità di tensione” nel contesto delle caratteristiche di carico — è un sottoinsieme di stabilità del sistema di potenza. Si riferisce alla capacità di un sistema di alimentazione di mantenere tensioni accettabili costanti a tutti gli autobus in condizioni di funzionamento normali e dopo essere sottoposto a un disturbo.

La stabilità della tensione viene valutata utilizzando curve P-V (alimentazione attiva contro tensione) e curve Q-V (alimentazione reattiva contro tensione). Quando un carico aumenta, il sistema deve fornire più corrente, che porta a gocce di tensione più elevate attraverso impedenze di trasmissione e distribuzione. Se il carico continua ad aumentare oltre un certo punto critico, la rete può sperimentare il crollo della tensione — un rapido, incontrollabile declino della tensione alterata.

Fattori chiave nella stabilità della tensione influenzati da carichi di riscaldamento

  • Consumo di energia reattiva:[] I riscaldatori resistenti consumano quasi nessuna potenza reattiva, ma i carichi motorizzati (compressori nelle pompe di calore) e gli inverter consumano o producono energia reattiva. I carichi basati su inverter possono essere controllati per supportare la tensione (grid-friendly), ma quando sono gestiti con fattore di potenza di unità, non forniscono alcun supporto reattivo, esacerbando le gocce di tensione.
  • Cold Load Pickup:[ Dopo un'interruzione di corrente, i carichi di riscaldamento elettrici (specialmente resistivi) possono mostrare “il pickup del carico freddo” — una corrente di sovratensione quando tutti i termostati richiedono il calore simultaneamente.
  • Riduzione del fattore di diversità:[] Poiché i carichi di riscaldamento diventano più sincronizzati (ad esempio, tutte le pompe di calore reagiscono alla stessa caduta della temperatura), il fattore di diversità diminuisce.
  • Distorsione armonica:[] Convertitori elettronici di potenza nelle moderne pompe di calore e riscaldatori ad induzione inietto armoniche. Il contenuto armonico elevato può causare un ulteriore riscaldamento nei trasformatori e nelle linee, aumentare le perdite e influenzare le forme d'onda di tensione, potenzialmente innescando relè di protezione sensibili.

Quantificare l'impatto: Modellazione e studi di casi

Per valutare l'impatto dei carichi di riscaldamento elettrici sulla stabilità del flusso di carico, gli ingegneri utilizzano il software di analisi del flusso di carico (ad esempio, PSS/E, PowerWorld, OpenDSS) che può modellare carichi di tempo di varing.

  1. Costruire un modello di rete dettagliato del sistema di distribuzione o trasmissione.
  2. Assegnando profili di carico elettrico realistici basati su dati storici o simulazioni (ad esempio, utilizzando modelli di pompa di calore dipendente dal tempo).
  3. Flussi di carico iterativo in esecuzione per scenari diversi: cassa di base, elevata penetrazione delle pompe di calore, peggiore incantesimo freddo, ecc.
  4. Identificare punti deboli di tensione e margini di carico critici.

Case study: Pompa di calore residenziale Penetrazione in un alimentatore suburbano

Considerare un alimentatore da 12,47 kV che serve 800 case, originariamente con riscaldamento a gas e riscaldamento elettrico minimo. Con il 30% delle case che si convertono in pompe di calore a fonte d'aria (richiedendo 3-5 kW ciascuno su giorni freddi), il carico di picco aumenta di ~1.2 MW. Le simulazioni di flusso di carico di carico di carico di carico 0,9 mostrano che la tensione alla fine del alimentatore scende da 1.0 p.u.u. a 0,94 p.u.

Case study: Integrazione elettrica industriale del caldaio

Un'utilità di riscaldamento distrettuale sostituisce una caldaia a gas naturale con una caldaia elettrica da 10 MW per la decarbonizzazione. La caldaia à ̈ collegata ad un bus da 33 kV. Gli studi di sistema di potenza rivelano che un improvviso aumento di carico da 10 MW (la rampa piena in 2 minuti) provoca una immersione di frequenza di 0.3 Hz e una caduta di tensione di 0,05 p.u.

Strategie di mitigazione per mantenere la stabilità del flusso di carico

Gli operatori di Utilities e sistemi hanno a disposizione una varietà di strumenti per mitigare gli effetti negativi dei carichi di riscaldamento elettrici sulla stabilità del flusso di carico.

Gestione della risposta e del carico

I programmi di risposta alla domanda (DR) possono spostare i carichi di riscaldamento elettrici dalle ore di punta o a volte quando la generazione rinnovabile è abbondante. Ad esempio, le utility possono usare il controllo diretto del carico (DLC) per i riscaldatori dell'acqua e i sistemi di riscaldamento resistivi, ciclizzandoli per brevi periodi durante i picchi critici.

Regolazione di tensione avanzata (controllo VAR)

L'installazione di banche di condensatori, regolatori di tensione e commutatori di rubinetto a carico (OLTC) può aiutare a mantenere i profili di tensione. Un sistema di controllo Volt-VAR coordinato utilizza misure da contatori intelligenti e sensori di linea per regolare la compensazione di potenza reattiva in tempo reale.

Capacità di inverter (Grid-Forming e Grid-Following)

Le pompe di calore moderne con inverter possono essere programmate per fornire il supporto di potenza reattiva (volt-var) e anche partecipare alla risposta di frequenza. Lo standard IEEE 1547-2018 permette alle risorse energetiche distribuite (DER) di operare con funzioni di “grid support”.

Sistemi di stoccaggio dell'energia

Lo stoccaggio dell'energia della batteria può regolare l'impatto dei carichi di riscaldamento elettrici caricando durante il periodo di scarico e di scarico durante i periodi di riscaldamento ad alta domanda. Ciò è particolarmente efficace per mitigare il pickup del carico freddo dopo le interruzioni. Un sistema di archiviazione della comunità (ad esempio, 500 kW / 1 MWh) sied a livello del alimentatore può assorbire l'onda iniziale delle startup della pompa di calore e quindi fornire energia durante il periodo di recupero.

Automazione di distribuzione e tecnologie di rete intelligenti

I sensori, i dispositivi elettronici intelligenti (IEDs), e i sistemi di gestione della distribuzione avanzata (ADMS) consentono il monitoraggio in tempo reale e il controllo dei carichi di riscaldamento. Quando la tensione inizia a sag, ADMS può emettere comandi per ridurre la domanda della pompa di calore, scambiare banche di condensatori o utilizzare regolatori di tensione.

Integrazione termica di stoccaggio dell'energia

Invece di affidarsi esclusivamente a stoccaggio elettrico, l'immagazzinamento termico (carri ad acqua calda, materiali a cambio di fase) può decouple l'offerta di calore dalla domanda di energia elettrica. Ad esempio, una pompa di calore può funzionare nel pomeriggio (quando la generazione solare è alta) per riscaldare l'acqua per il riscaldamento dello spazio serale.

Tendenze e sfide future

L'elettrificazione del riscaldamento è solo accelerante: entro il 2030, le installazioni di pompe di calore sono progettate per raddoppiare in molte regioni, e le caldaie elettriche stanno diventando standard nelle nuove reti di riscaldamento a basso tenore di carbonio.

  • Coincidenza con il veicolo elettrico (EV) Carica:[ Entrambe le pompe di calore e gli EV disegnano alta potenza. Se non gestito insieme, il carico combinato può superare la capacità di alimentazione, soprattutto nelle serate invernali.
  • Generazione rinnovabile dipendente: L'elevata penetrazione del vento e del solare introduce variabilità. I carichi elettrici di riscaldamento possono essere utilizzati come domanda flessibile per assorbire l'eccesso di generazione rinnovabile (potere-riscaldamento), ma questo richiede che i carichi siano controllabili e la griglia per gestire rampe rapide sia in su che in basso.
  • Microgriglie e Isolamento:[ In microgriglie, i carichi di riscaldamento elettrici possono essere intenzionalmente capannoni o gestiti per mantenere la stabilità quando la griglia è disconnessa. Tuttavia, la bassa inerzia di microgriglie a base di inverter rende il controllo di tensione e frequenza più impegnativo, richiede un deposito veloce o una spargimento intelligente del carico.
  • Evoluzione degli standard di qualità del prodotto:[] Poiché la quota di carichi non lineari (inverter) cresce, saranno necessari limiti armonici più rigorosi e standard di flicker di tensione.

Conclusioni

I carichi elettrici di riscaldamento, pur essenziali per la decarbonizzazione, presentano vere sfide per caricare la stabilità del flusso nei sistemi di alimentazione elettrica. La loro elevata domanda di energia, il comportamento dinamico e la mancanza di diversità sotto il freddo possono causare disavanzi di tensione, perdite aumentate, e anche il rischio di collasso di tensione se non correttamente gestito. Tuttavia, con una pianificazione accurata - tra cui gli studi di flusso di carico, l'adozione di controlli avanzati di inverter, programmi di risposta rinnovabile e tecnologie intelligenti di rete - questi impatti possono essere mitigati - questi impatti possono essere mitigati.

Gli operatori di servizi, regolatori e sistemi devono collaborare per aggiornare gli standard di pianificazione, implementare una solida automazione e educare i consumatori sui vantaggi dei controlli di riscaldamento intelligente.