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.
С 1990 - х, во многих регионах распались генерация и распределение электроэнергии [ править ] . В то время как такие рынки могут быть неправомерно манипулировать с последующей неблагоприятным воздействием цены и надежности для потребителей, как правило , конкурентного производством электрической энергии приводит к улучшению стоящего в эффективности [ править ] . Однако передача и распределение представляют собой более серьезные проблемы, поскольку не так легко найти отдачу от инвестиций .
История
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 коммерческой жизнеспособности. 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 паровую электростанцию 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 она была источником 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. [1]
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. [1]
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. [2] Технология транзисторов восходит к 1947 году, когда был изобретен точечный транзистор , за которым в 1948 году последовал биполярный переходный 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. [3]
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. [4] В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП - транзистор , [5] , который позже будет известен как VMOS (V-паз полевого МОП - транзистора). [6] Силовой полевой МОП-транзистор с тех пор стал самым распространенным силовым устройством в мире из-за его низкой мощности привода затвора, высокой скорости переключения, [7] простой расширенной возможности параллельного подключения , [7] [8] широкой полосы пропускания , прочности, легкости привод, простое смещение, простота применения и легкость ремонта. [8]
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. [9]
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 поддерживать. В странах, где предоставление электроэнергии не регулируется, конечные пользователи электроэнергии могут выбрать более дорогостоящую экологически чистую электроэнергию .
Поколение
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. [11] Разнообразное сочетание источников генерации снижает риски скачков цен на электроэнергию.
Передача электроэнергии
Передача электроэнергии - это основная масса электрической энергии от генерирующей площадки, такой как электростанция , на электрическую подстанцию . Взаимосвязанные линии, которые способствуют этому движению, известны как сеть передачи. 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 Национальная сеть.
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 существует 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. [12]
Распределение электроэнергии
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 . [13] 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. [14]
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 потребителям, 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 [15].
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. [16] Чтобы привлечь новых игроков в сектор производства электроэнергии в отрасли, были предприняты шаги по обеспечению открытого, недискриминационного доступа к существующим межгосударственным линиям электропередачи, включая следующие:
- Приказ № 888 ( Содействие оптовой конкуренции посредством недискриминационного открытого доступа к передающим услугам коммунальными предприятиями; возмещение неокупаемых затрат коммунальными предприятиями и передающими коммунальными предприятиями ) предписывал владельцам коммунальных предприятий межгосударственных линий электропередач предоставить FERC предлагаемые условия (включая графики оплаты или «тарифы»), в соответствии с которыми новым участникам рынка будет разрешено перемещать (или «колесить») электроэнергию через существующую передающую сеть. FERC также приказало электроэнергетическим компаниям функционально отделить операции по передаче электроэнергии от своих предприятий по сбыту электроэнергии и электростанций. Это разделение функций было направлено на устранение конфликтов интересов, которые могли возникнуть, когда одна и та же компания владела как системой передачи, так и генерирующими станциями. [17]
- Приказ № 889 ( Одновременная информационная система открытого доступа ) был разработан для дальнейшего выравнивания игрового поля. Это потребовало создания электронной системы для обеспечения того, чтобы все участники оптового рынка электроэнергии - новые игроки и традиционные электроэнергетические компании - имели доступ к одной и той же информации об имеющейся мощности передачи и ценах. [18]
- FERC также одобрила концепцию назначения независимых системных операторов (ISO) для координации, контроля и мониторинга работы электроэнергетической системы - функции, которая традиционно входила в обязанности вертикально интегрированных электроэнергетических компаний. [19] 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. [20] . В своем Приказе № 2000 (Региональные передающие организации) , изданном в 1999 году, FERC определило минимальные возможности, которыми должна обладать RTO для того, чтобы конкурентный рынок генерации функционировал должным образом. [21]
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. [22]
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 покупками. 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. [23] В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электрических компаний (РЭК) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США. [24] Внутри страны местные электроэнергетические и газовые компании объединили свои операции, поскольку они увидели преимущества совместной деятельности, особенно в связи со снижением стоимости совместного учета. 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. [25]
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 ). [25]
Смотрите также
- Мощность переменного тока
- Распределенная генерация
- Интегрированная база данных о выбросах и генерирующих ресурсах
- Номер администрации точки измерения , уникальный номер поставщика в Великобритании.
- Национальная сеть (значения)
- Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения
- Оценить дело
- Редди Киловатт , корпоративный логотип электроэнергетики США
- Сэмюэл Инсулл
Рекомендации
- ^ a b Шок и трепет: история электричества - 2. Эпоха изобретений
- ^ Томпсон, MT "Примечания 01" (PDF) . Введение в силовую электронику . Thompson Consulting, Inc.
- ^ Харагпур. «Силовые полупроводниковые приборы» (PDF) . EE IIT . Архивировано 20 сентября 2008 года (PDF) . Проверено 25 марта 2012 года .
- ^ «Переосмыслить плотность мощности с помощью GaN» . Электронный дизайн . 21 апреля 2017 . Проверено 23 июля 2019 .
- ^ Окснер, ES (1988). Технология и применение Fet . CRC Press . п. 18. ISBN 9780824780500.
- ^ "Достижения в области дискретных полупроводников идут вперед" . Технология силовой электроники . Информация : 52–6. Сентябрь 2005 г. Архивировано 22 марта 2006 г. (PDF) из оригинала . Проверено 31 июля 2019 года .
- ^ а б «Основы силовых полевых МОП-транзисторов» (PDF) . Alpha & Omega Semiconductor . Проверено 29 июля 2019 .
- ^ а б Дункан, Бен (1996). Усилители мощности звука с высокими характеристиками . Эльзевир . С. 178–81 . ISBN 9780080508047.
- ^ «Неровная дорога к дерегулированию энергетики» . EnPowered. 2016-03-28.
- ^ «Производство электроэнергии по источникам» . Международное энергетическое агентство .
- ^ https://www.carbonbrief.org/solar-is-now-cheapest-electricity-in-history-confirms-iea
- ^ «Пособие по электроэнергетике, дерегулированию и реструктуризации рынков электроэнергии США» (PDF) . Федеральная программа энергоменеджмента Министерства энергетики США (FEMP). Май 2002 . Проверено 30 октября 2018 года . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Коротко, TA (2014). Справочник по распределению электроэнергии . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. С. 1–33. ISBN 978-1-4665-9865-2.
- ^ «Как работают электросети» . HowStuffWorks . Проверено 18 марта 2016 .
- ^ Закрытие разрыва в доступе к электроэнергии в странах Африки к югу от Сахары: почему города должны быть частью решения
- ^ Томен, Джозеф и Кудахи, Ричард (2004). Вкратце об энергетическом законе . Группа Томсон-Вест. п. 277. ISBN. 9780314150585.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Tomain and Cudahy op cit . С. 276–277.
- ^ Tomain and Cudahy op cit . п. 277.
- ^ Томен, Джозеф и Кудахи, Ричард (2004). Вкратце об энергетическом законе . Томсон - Западная группа. ISBN 9780314150585.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ «Приказ №2000» (PDF) . Федеральная комиссия по регулированию энергетики . Проверено 7 июня 2021 года .
- ^ «Закон США об энергетике: электроэнергетика (о региональных передающих организациях)» . Юридическая библиотека Университета Джорджа Вашингтона .
- ^ Tomain and Cudahy op cit . С. 285–297.
- ^ SEC подачи от 15 марта 2000
- ^ "Электроэнергетические компании Соединенного Королевства - краткая хронология", Электричество Ассоциация, 30 июня 2003 г.
- ^ a b Borberly, A. и Kreider, JF (2001). Распределенное поколение: парадигма власти для нового тысячелетия. CRC Press, Бока-Ратон, Флорида. 400 стр.
дальнейшее чтение
- П. Стрэндж, «Раннее электроснабжение в Великобритании: Честерфилд и Годалминг», IEEE Proceedings (1979).
- Д. Г. Такер, «Гидроэлектроэнергия для общественного питания в Великобритании», Industrial Archeology Review , (1977).
- Б. Бауэрс, История электрического света и энергии , Peregrinus (1982).
- Т. П. Хьюз, Сети власти , Johns Hopkins Press, Лондон (1983).
- IRENA , ИННОВАЦИОННЫЙ ПЕЙЗАЖ ДЛЯ БУДУЩЕГО С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ: РЕШЕНИЯ ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ПЕРЕМЕННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ , (2019).